DE60016352T2

DE60016352T2 - Gasturbinensystem und Kombianlage mit einer solchen Gasturbine

Info

Publication number: DE60016352T2
Application number: DE60016352T
Authority: DE
Inventors: Shigemi c/o Takasago Research Mandai; Hidetaka c/o Takasago Research & Dev Mori; Hideaki Sugishita; c/o Takasago Machinery Works Eiji Akita
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1999-10-05
Filing date: 2000-09-12
Publication date: 2005-12-01
Anticipated expiration: 2020-09-13
Also published as: EP1091095B1; CA2319663A1; EP1091095A2; EP1091095A3; JP2001107743A; US6389796B1; CA2319663C; DE60016352D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein hocheffizientes Gasturbinensystem und ein Kombikraftwerk, das dieses Gasturbinensystem einsetzt, sowie auf ein Verfahren zum Betreiben eines Gasturbinensystems.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Ein Beispiel eines Gasturbinensystems und eines dieses Gasturbinensystem anwendenden Kombikraftwerks nach dem Stand der Technik wird im folgenden mit Bezug auf 2 beschrieben. 2 zeigt einen Hauptaufbau eines vorbekannten Beispiels eines Kombikraftwerks mit einem Gasturbinensystem und einer Dampfturbine.
In 2 wird Verbrennungsluft a an einem Kompressor 01 komprimiert und wird dann mit einem Brennstoff b in einer Brennkammer 02 gemischt, um eine Verbrennung zur Erzeugung eines Hochtemperatur-Verbrennungsgases auszuführen. Dieses Hochtemperatur-Verbrennungsgas treibt eine Gasturbine 03 an, wobei es expandiert, und wird dann in einen Abgas-Heizkessel 05 als Abgas c zur Dampferzeugung in diesem zugeführt.
Ein Hochtemperatur-Hochdruckdampf, der an dem Abgasheizkessel 05 erzeugt wird, treibt eine Dampfturbine 06 an, wobei er expandiert, und wird dann an einem Verdichter 08 verdichtet. Ein Druck des Kondenswassers wird durch eine Speisewasserpumpe 09 erhöht, so dass das Kondenswasser in den Abgasheizkessel 05 zirkuliert.
Ein Generator 04 ist an der Gasturbine 03 angebracht und ein weiterer Generator 07 ist an der Dampfturbine 06 angebracht, womit der Aufbau so erfolgt, dass eine Arbeitsleistung jeder der Turbinen 03, 06 abgenommen werden kann.
Bei dem auf diese Weise aufgebauten Kombikraftwerk besteht zur Zeit eine starke Nachfrage, dieses effizienter zu gestalten. Insbesondere besteht bei einem Gasturbinensystem, das einen Erststufenabschnitt des Kombikraftwerks bildet, um eine Verbrennung des Brennstoffs bei hoher Temperatur durchzuführen, ein Bedarf an einer weiteren Verbesserung des Wirkungsgrads sowie einer Reduzierung der NOx-Erzeugung. Ferner besteht auch dann, wenn das Gasturbinensystem nur eine Gasturbineneinheit umfaßt, ein Bedarf an einer Verbesserung des Wirkungsgrads und an einer Reduzierung der NOx-Erzeugung.
US-A-5 595 059 offenbart ein Gasturbinensystem, bei dem ein Rauchgas und Brennstoff (Erdgas) zusammengemischt werden und durch das Abgas der Gasturbine erhitzt werden, um an einem Reformer reformiert zu werden, bevor das Gemisch einer Brennkammer zugeführt wird. Am Reformer findet die endothermische Reaktion von Wasserdampf und Kolendioxid in dem Erdgas und dem Rauchgas statt, um dadurch Wasserstoff und Kohlenmonoxid zu erzeugen.
DE 198 10 820 offenbart ein Gasturbinensystem mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1. In diesem System wird der Teil des gesamten aus der Gasturbine ausgetragenen und von dem Abgaskompressor druckbeaufschlagten Abgasanteils mit der Druckluft vom Kompressor gemischt, bevor dieses Gemisch der Brennkammer zugeführt wird. Der Brennstoff wird separat in die Brennkammer eingeleitet.
ABRISS DER ERFINDUNG
In Anbetracht des oben erwähnten hohen Bedarfs der Realisierung eines höheren Wirkungsgrads und einer weiteren Reduktion der NOx-Erzeugung in dem Gasturbinensystem und dem Kombikraftwerk, das dieses aufweist, ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein wirksameres Gasturbinensystem sowie ein dieses aufweisendes Kombikraftwerk bereitzustellen.
Um diese Aufgabe zu erfüllen, stellt die vorliegende Erfindung ein Gasturbinensystem bereit, wie es in Anspruch 1 definiert ist, ein Kombikraftwerk mit dem Gasturbinensystem der Erfindung sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Gasturbinensystems, wie es in Anspruch 4 definiert ist. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Gemäß dem Gasturbinensystem der Erfindung wird, während bei dem herkömmlichen Gasturbinensystem das Verbrennungsgas ein stark überschüssiges Luftverhältnis infolge der Begrenzung in der Turbineneinlasstemperatur aufweist und das Abgas eine hohe Sauerstoffkonzentration hat, bei der vorliegenden Erfindung ein Teil des Abgases in die Brennkammer geleitet, und dadurch kann die Sauerstoffkonzentration im Abgas reduziert werden, ein Abgasverlust des Gasturbinensystems wird weitgehend verringert und die Erzeugung von NOx wird ebenfalls reduziert. Ferner wird, da das in die Brennkammer einzuleitende Abgas eine hohe Dampfkonzentration aufweist, die Arbeitsleistung der Gasturbine wegen der physikalischen Eigenschaft der hohen Dampfkonzentration erhöht. Da ferner das System so aufgebaut ist, dass der Teil des Abgases durch den Abgaskompressor druckbeaufschlagt wird, um teilweise in die Brennkammer eingeleitet zu werden und um teilweise dem Brennstoff beigemischt zu werden, bevor der Brennstoff der Brennkammer zugeführt wird, während in dem herkömmlichen Gasturbinensystem das Verbrenngas ein stark überschüssiges Luftverhältnis infolge der Begrenzung in der Turbineneinlasstemperatur aufweist und das Abgas eine hohe Sauerstoffkonzentration hat, wird bei der vorliegenden Erfindung das Abgas in die Brennkammer eingeleitet und dadurch das Überschuss-Luftverhältnis des Verbrennungsgases gesenkt. Folglich kann die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas reduziert werden, und ein Abgasverlust des Gasturbinensystems kann weitgehend verringert werden.
Ferner werden das Abgas mit der niedrigen Sauerstoffkonzentration und der Brennstoff miteinander vermischt, bevor der Brennstoff der Brennkammer zugeführt wird, so dass ein Gas mit geringem BTU gebildet werden kann, und dieses Gas mit geringem BTU wird mit Luft zur Verbrennung vermischt. Folglich kann die Flammentemperatur niedriger gehalten werden und die Menge an erzeugtem NOx kann verringert werden.
Außerdem hat das in die Brennkammer geleitete Abgas oder der Brennstoff eine hohe Dampfkonzentration, und die Arbeitsleistung der Gasturbine wird wegen der physikalischen Eigenschaft der hohen Dampfkonzentration erhöht.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das auf diese Weise durch den Abgaskompressor druckbeaufschlagte Abgas als Kühlgas der Gasturbine eingesetzt.
Demgemäß wird zusätzlich zu dem obigen Merkmal das von dem Abgaskompressor druckbeaufschlagte Abgas als Kühlmedium der Gasturbine benutzt, und da das Abgas eine hohe Dampf- und Kohlendioxidgas-Konzentration aufweist, kann wegen der physikalischen Eigenschaft der hohen Dampf- und Kohlendioxidkonzentration eine starke Kühlwirkung erhalten werden.
Gemäß der Erfindung kann ein Kombikraftwerk mit den Merkmalen des oben erwähnten Gasturbinensystems erhalten werden, und ein Kombikraftwerk mit hohem Wirkungsgrad und geringer NOx-Erzeugung insgesamt kann realisiert werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigen:
1 eine erläuternde Ansicht eines Gasturbinensystems und eines Kombikraftwerks, welches dasselbe umfaßt, als eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung, und
2 eine erläuternde Ansicht eines Gasturbinensystems und eines Kombikraftwerks, das dieses umfaßt, nach dem Stand der Technik.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ein Gasturbinensystem und ein dieses aufweisendes Kombikraftwerk als Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf 1 beschrieben.
1 zeigt einen grundlegenden Aufbau des das Gasturbinensystem aufweisenden Kombikraftwerks als erste Ausführungsform. In 1 bezeichnet die Bezugsziffer 1 einen Kompressor zum Komprimieren von Verbrennungsluft a. Eine Gasturbine 3, ein Abgaskompressor 10 und ein Generator 4 sind koaxial am Kompressor 1 angebracht. Die Verbrennungsluft a, die am Kompressor 1 komprimiert wird, wird in einer Brennkammer 2 mit Brennstoff b gemischt, um eine Verbrennung zur Erzeugung eines Hochtemperatur-Verbrennungsgases durchzuführen. Dieses Hochtemperatur-Verbrennungsgas treibt die Gasturbine 3 an, wobei es expandiert, und wird dann als Abgas c ausgetragen.
Die Bezugsziffer 5 bezeichnet einen Abgasheizkessel zur Rückgewinnung von Abwärme des Abgases c. Ein Hochtemperatur-Hochdruckdampf, der am Abgasheizkessel 5 erzeugt wird, treibt eine Dampfturbine 6 an, wobei er expandiert, und wird dann an einem Verdichter 8 verdichtet. Der Druck des Kondenswassers wird durch eine Speisewasserpumpe 9 erhöht, so dass das Kondenswasser in den Abgasheizkessel 5 geleitet wird.
Etwa die halbe Menge des Abgases c, das aus dem Abgasheizkessel 5 kommt, wird in den Abgaskompressor 10 abgezweigt, um dort komprimiert zu werden. Ein Teil des so komprimierten Abgases c wird in die Brennkammer 2 als Auflösungsgas geleitet, und ein Teil desselben wird in einen Kühler 14 geleitet, um gekühlt zu werden (oder wird, so wie es ist, weitergeleitet), um ferner in die Gasturbine 3 als Kühlmedium der Gasturbine 3 geleitet zu werden, und der restliche Teil desselben strömt durch eine Zuführleitung 15 des Brennstoffs b, um dem Brennstoff b als Gas oder Flüssigkeit hinzugefügt zu werden, bevor der Brennstoff b der Brennkammer 2 zugeführt wird, so dass ein Gas mit niedrigem BTU gebildet werden kann. Der Generator 4 ist an der Gasturbine 3 angebracht, und ein Generator 7 ist an der Dampfturbine 6 angebracht, so dass der Aufbau derart ist, dass die Arbeitsleistung jeder der Turbinen 3, 6 abgenommen werden kann.
Bei dem herkömmlichen Gasturbinensystem hat das Verbrennungsgas einen Luftverhältnisüberschuss von 2,6 oder mehr infolge der Begrenzung in der Turbineneinlasstemperatur, und folglich beträgt die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas bis zu 13 % oder mehr, aber in der vorliegenden Ausführungsform nach obiger Beschreibung zirkuliert das Abgas c in der Brennkammer 2, und dadurch kann das Verbrennungsgas auf den Luftverhältnisüberschuss von etwa 1,1 gebracht werden und die Sauerstoffkonzentration im Abgas kann auf etwa 2 % gebracht werden. Es ist anzumerken, dass die Sauerstoffkonzentration im Abgas vorzugsweise 10 % oder weniger beträgt, oder noch bevorzugter 5 % oder weniger. Ferner wird bei reduzierter Sauerstoffkonzentration im Abgas auch eine Erzeugung von NOx gemindert.
Während der Abgasverlust bei dem herkömmlichen Gasturbinensystem etwa 13 % betrug, kann durch die oben erwähnten Sachverhalte der Abgasverlust im Gasturbinensystem der vorliegenden Ausführungsform auf etwa die Hälfte davon reduziert werden, und dies ergibt eine Verbesserung um etwa 7% in einem Wärmewirkungsgrad des Kombikraftwerks insgesamt.
Ferner werden das Abgas c mit niedriger Sauerstoffkonzentration und der Brennstoff b aus Gas oder Flüssigkeit zusammengemischt, bevor der Brennstoff b der Brennkammer 2 zugeführt wird, so dass ein Gas mit niedrigem BTU von etwa 1000 Kcal/Nm³ gebildet werden kann, und dieses Gas mit niedrigem BTU wird zur Verbrennung mit Luft vermischt, und dadurch kann die Flammentemperatur auch bei einer Diffusions-Brennkammer niedriger gehalten werden und die Menge an erzeugtem NOx kann auf 10 ppm oder weniger reduziert werden.
Außerdem hat das durch die Zuführleitung 15 des Brennstoffs b in die Brennkammer 2 geleitete Abgas c eine hohe Dampfkonzentration, wodurch eine Ausgangsleistung der Turbine wegen der physikalischen Eigenschaft der hohen Dampfkonzentration erhöht werden kann.
Ferner wird ein Teil des Abgases c abgekühlt (oder so, wie es ist) als Kühlmedium der Gasturbine genutzt, wobei das Abgas c eine hohe Dampf- und CO₂-Konzentration hat. Folglich kann wegen deren physikalischer Eigenschaft ein starker Kühleffekt erzielt werden.
Die Erfindung wurde vorstehend zwar auf der Basis der dargestellten Ausführungsform beschrieben, die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt, sondern es können selbstverständlich verschiedene Modifikationen in deren konkretem Aufbau innerhalb des Schutzumfangs der beigefügten Ansprüche vorgenommen werden.
Beispielsweise wurde zwar in jeder der Ausführungsformen das in dem Kombikraftwerk angewandte Gasturbinensystem beschrieben, das Gasturbinensystem der vorliegenden Erfindung kann aber auch mit der gleichen Funktion und der gleichen Wirkung in einem Kraftwerk eingesetzt werden, das nur eine Gasturbine aufweist, ohne über einen Abgas-Heizkessel oder eine Dampfturbine zu verfügen.

Claims

Gasturbinensystem mit einem Kompressor (1) zum Komprimieren von Verbrennungsluft (a), einer Brennkammer (2) zum Verbrennen von Brennstoff (b) mit der Verbrennungsluft (a), einer Gasturbine (3), die von einem in der Brennkammer (2) erzeugten Hochtemperaturgas angetrieben wird, und einem Abgaskompressor (10), wobei das Gasturbinensystem so aufgebaut ist, dass ein Teil von aus der Gasturbine (3) ausgetragenem Abgas (c) durch den Abgaskompressor (10) druckbeaufschlagt wird und in die Brennkammer (2) zirkuliert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasturbinensystem so aufgebaut ist, dass der von dem Abgaskompressor (10) druckbeaufschlagte Teil des Abgases teilweise in die Brennkammer (2) zirkuliert und teilweise in den Brennstoff (b) gemischt wird, bevor der Brennstoff (b) der Brennkammer (2) zugeführt wird.
Gasturbinensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasturbinensystem so aufgebaut ist, dass das auf diese Weise von dem Abgaskompressor (10) druckbeaufschlagte Abgas (c) auch als Kühlgas der Gasturbine (3) verwendet wird.
Kombi-Kraftwerk mit dem Gasturbinensystem nach Anspruch 1 oder 2.
Verfahren zum Betreiben eines Gasturbinensystems mit einem Kompressor (1) zum Komprimieren von Verbrennungsluft (a), einer Brennkammer (2) zum Verbrennen von Brennstoff (b) mit der Verbrennungsluft (a), einer Gasturbine (3), die von einem in der Brennkammer (2) erzeugten Hochtemperaturgas angetrieben wird, und einem Abgaskompressor (10), wobei ein Teil des von der Gasturbine (3) ausgetragenen Abgases (c) von dem Abgaskompressor (10) druckbeaufschlagt und in die Brennkammer (2) zirkuliert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Teil des von dem Abgaskompressor (10) druckbeaufschlagten Abgases teilweise in die Brennkammer (2) zirkuliert wird und teilweise in den Brennstoff (b) gemischt wird, bevor der Brennstoff (b) der Brennkammer (2) zugeführt wird.
Verfahren zum Betreiben eines Gasturbinensystems nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das auf diese Weise von dem Abgaskompressor (10) druckbeaufschlagte Abgas (c) auch als Kühlgas der Gasturbine (3) verwendet wird.