DE602004002942T2 - Steuerung einer gasturbine mit heissluftreaktor - Google Patents

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Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbine, in der eine Verbrennung von Brennstoff in einem langsamen Reaktor stattfindet, d. h. einem Reaktor, der im Falle von Lastschwankungen, beispielsweise durch Regeln der Brennstoffzufuhr, nicht schnell gesteuert werden kann. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Anordnung und ein Verfahren zum Regeln/Steuern einer Gasturbine in verschiedenen Betriebssituationen, die beim Gebrauch eines solchen Reaktors auftreten.
  • STAND DER TECHNIK
  • Ein spezieller Stromerzeugungsprozess auf Gasturbinenbasis wird vorgeschlagen, der ein durch die Abkürzung AZEP (Advanced Zero Emissions Power Plant) bekanntes Konzept verwendet. Dieser Prozess stellt einen kostengünstigen Weg zur Reduzierung lokaler und globaler Emissionen dar. Der innovative Kreislauf, auf dem der Prozess aufbaut, macht es möglich, die Kohlendioxidemissionen (CO2-Emissionen) um 100% zu senken. Eine Anzahl ergänzender Zusätze ermöglichen es, dass herkömmliche Gasturbinenausrüstungen auf Luftbasis zur Stromerzeugung verwendet werden können. Der Verlust beim Anlagenwirkungsgrad beträgt unter 2%. Der Schlüssel, um diese Ziele zu erreichen, liegt in der Entwicklung eines Reaktors, der in eine Gasturbine eingebaut ist, worin Sauerstoff (O2) aus der Luft im Reaktor abgeschieden wird, so dass die Verbrennung eines Brennstoffs in einer stickstofffreien Umgebung stattfinden kann.
  • Das AZEP-Konzept wird in diesem Dokument nicht weiter beschrieben, da das Konzept einen bekannten Prozess darlegt. Als ein Beispiel für den Stand der Technik wird auf einen Artikel aus dem „Second Nordic Minisymposium in Carbon Dioxide Capture and Storage" verwiesen, das am 26. Oktober 2001 in Göteborg abgehalten wurde und den Titel trägt „AZEP – Development of an Integrated Air Separation Membrane -Gas Turbine" und von den Autoren Sundkvist, Griffin und Thorsaug stammt. Alles, was in diesem Artikel beschrieben ist, wird hiermit in die vorliegende Beschreibung mit aufgenommen.
  • Das AZEP-Konzept schlägt einen Prozess zur schadstofffreien Stromerzeugung vor. Die Verwendung einer sogenannten Mixed Conducting Membrane (MCM – zu deutsch in etwa Mischdurchlassmembran) stellt eine Lösung dafür bereit. Diese Membran erzeugt aus Luft reinen Sauerstoff. Die Forschung, die sich auf diese sauerstoffselektiven Membranen konzentriert, hat in den letzten Jahren deutlich zugenommen. Die MCM-Membranen bestehen aus komplexen kristallinen Strukturen, die Leerstellen und Sauerstoffionen enthalten. Das Prinzip, aufgrund dessen Sauerstoffionen durch eine Membran transportiert werden, bringt Oberflächenadsorption gefolgt von Zerfall zu Ionen mit sich, die durch ein aufeinanderfolgendes Besetzen von Ionenleerstellen durch die Membran transportiert werden. Der Transport der Ionen wird durch einen Elektronenstrom durch die Membran in der entgegengesetzten Richtung aufgewogen. Bei der Antriebskraft handelt es sich um eine Differenz zwischen dem Teildruck des Sauerstoffs auf beiden Seiten der Membran. Der Transport macht außerdem hohe Temperaturen von weit über 700°C erforderlich.
  • Die Integration der MCM-Technologie in Energieanlagen lässt sich durch verschiedene Einrichtungen erzielen. Eine Anzahl von Lösungen mit getrennten Kreisläufen, die durch unterschiedliche Kreislaufwirkungsgrade gekennzeichnet sind, wurde untersucht und mit den bestmöglichen bestehenden Technologien verglichen. Dies hat gezeigt, dass die effizienteste, kostengünstigste und vielversprechendste Anwendung eines MCM-Reaktors darin liegt, ihn in eine herkömmliche Gasturbine einzubauen. Der MCM-Reaktor, der Sauerstoffabscheidungs-, Verbrennungs- und Wärmeübertragungsprozesse kombiniert, soll dadurch herkömmliche Brenner in einer Gasturbinenenergieanlage mit standardmäßiger Auslegung ersetzen, wie in 1 gezeigt und im Dokument WO-A-02053969 offenbart ist. Die Gasturbinenbaugruppe und ihre Zusatzausrüstung bestehen aus Standardanordnungen. 1 zeigt den Grundaufbau des Konzepts mit einer Gasturbine, die Methanverbrennung in einem MCM-Reaktor einsetzt. Luft wird einem Kompressor C zugeführt, von wo aus die komprimierte heiße Luft dem Reaktor 1 zugeführt wird. Im Reaktor wird ein Gas, in diesem Fall Methan, verbrannt. Die aus der Verbrennung stammende Hitze erhöht die Temperatur der Luft, die in den Reaktor eingespeist wird, woraufhin die Heißluft eine Gasturbine T antreibt. Nutzstrom wird von einem Generator G verwendet, der auf derselben Welle angebracht ist wie der Kompressor und die Gasturbine. Eine MCM-Membran M erstreckt sich über die Länge des Reaktors. In der Figur wird Sauerstoff durch die Membran ausgehend vom sogenannten Luftkreislauf des Reaktors 1 zum Durchlaufkreislauf des Reaktors transportiert. Im Durchlaufkreislauf wird das Gas in einer Reaktion mit Sauerstoff verbrannt, woraufhin die Verbrennungsgase, größtenteils Kohlendioxid und Wasser, Wärme über einen Wärmetauscher abgeben und dann einer Turbine T2 zugeleitet werden, die durch die Verbrennungsgase angetrieben wird. Das Wasser und Kohlendioxid werden dann dem Auslass 2 nachgeordnet von einer (nicht gezeigten) Ausrüstung aufgenommen.
  • Ein Problem, das gelöst werden muss, um eine Gasturbine mit einem MCM-Reaktor anzutreiben, besteht darin, wie die Anlage geregelt/gesteuert werden soll. Bei einer herkömmlichen Gasturbine, die ein Heißgas erzeugt, was sich von der Erzeugung von Heißluft in der vorliegenden Anlage unterscheidet, wird die Gasturbine schnell geregelt/gesteuert, indem die Brennstoffzufuhr zu einem oder mehreren Brenner/n zwischen dem Kompressor und der Gasturbine je nach den Belastungserfordernissen geregelt wird. Eine solche Regelung/Steuerung ist bei einer sehr langsamen Reaktorart, wie sie ein MCM-Reaktor darstellt, unmöglich. Das heißt, es sind keine schnellen Änderungen bei der Leistungsabgabe, die er der Gasturbine zukommen lässt, möglich. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Lösung für dieses Problem aufzuzeigen.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Ein erster Aspekt der Erfindung legt eine Anordnung zum Steuern einer Gasturbine dar, deren Brenner aus einem Reaktor besteht, der vorzugsweise auf einer konstanten Temperatur gehalten wird, wobei die Anordnung durch die kennzeichnenden Merkmale nach dem unabhängigen Vorrichtungsanspruch gekennzeichnet ist.
  • Ein zweiter Aspekt der Erfindung legt ein Verfahren zum Steuern der Anlage nach dem unabhängigen Verfahrensanspruch dar.
  • Eine Anordnung des AZEP-Reaktors getrennt von der Gasturbine macht es möglich, eine schnelle Abkopplung der Gasturbine vom Reaktor im Hinblick auf die Belastung zu erzielen.
  • Die allgemeine Aufgabe der Aspekte der Erfindung liegt darin, die Temperatur des Reaktors stabil zu halten, indem ganz einfach nur der Ausstoß aus dem Reaktorbrenner gesteuert wird, und auch der Mengendurchfluss durch den Durchlaufkreislauf im Reaktor gesteuert wird. Der Druck im Durchlaufkreislauf wird im Verhältnis zum Druck in den Luftkanälen des Reaktors auf einem konstanten Pegel gehalten. Dies wird dadurch erzielt, dass der gewöhnliche Gasausstoß und, in extremen Situationen, ein Gasabblasventil geregelt wird. Wenn die Zunahme des Drucks aus dem Gasturbinenkompressor schneller ist als durch Einspeisen von Brennstoff in den Durchlaufkreislauf erzeugt werden kann, muss eine zusätzliche Dampfeinspritzung in den Reaktor in Betracht gezogen werden.
  • Die Turbine und ihr Kompressor werden mittels herkömmlicher Abblasöffnungen und drehbaren Leitschaufeln im Kompressor und durch Regeln der Turbineneinlasstemperatur gesteuert. Nach dem Aspekt der Erfindung wird die Temperatur mittels eines Ventilsatzes geregelt, der eine Mischung aus Heißluft aus dem Reaktor und Luft aus dem Kompressor regelt, die dazu gebracht wurde, den Reaktor über den Ventilsatz zu umgehen. Ein Satz Ventile kann ausreichen, wenn der Luftströmungswiderstand, wenn die Luft durch den Reaktor strömt, so sein kann, dass die Temperatur der Luft zur Turbine für alle Belastungen niedrig genug ist, wenn das Regelventil, das um den Reaktor umleitet, ganz offen ist. Wenn der Strömungswiderstand durch den Reaktor zu niedrig ist, muss im Kaltluftkanal zum Reaktor ein zusätzlicher Ventilsatz angeordnet werden.
  • Von der Langsamkeit des Reaktors einmal abgesehen, besteht ein Hauptvorteil bei der Möglichkeit, den Reaktor beim Regeln/Steuern der Anlage auf der hohen Temperatur halten zu können, darin, dass es möglich ist, Sauerstoff aus der Luft für den Verbrennungsprozess im Durchlaufkreislauf abziehen zu können, ohne dass dabei zusätzlicher Sauerstoff zugeführt werden müsste, was notwendig wird, wenn die Temperatur im Reaktor in einem Versuch gesenkt wird, die Anlage mit Hilfe von Einstellungen am Lauf des Reaktors zu regeln/steuern.
  • Weitere Beispiele für den Arbeitsablauf der offenbarten Gasturbine und ihrer Anwendung in verschiedenen Betriebssituationen werden mit Bezug auf die folgenden Ausführungsbeispiel aufgezeigt.
  • BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 zeigt eine Gasturbinenanlage mit einem MCM-Reaktor wie er im Stand der Technik vorgeschlagen wurde.
  • 2 ist ein schematisches und symbolisches Schaubild, das zeigt, wie eine Gasturbinenanlage nach den Aspekten der Erfindung angeordnet ist.
  • 3 stellt eine erfindungsgemäße Gasturbinenanlage dar, welche die verschiedenen Gasströmungen in der Gasturbine und dem Reaktor deutlicher zeigt.
  • AUSFÜHRUNGSBEISPIELE DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Eine Anordnung in Form einer Gasturbinenanlage, die nach den Aspekten der Erfindung geregelt/gesteuert wird, ist in der vorstehend beschriebenen 1 gezeigt.
  • Die Anordnung zum Regeln/Steuern der Anlage ist in 2 in schematischer Form gezeigt. In der Figur stellt C einen Kompressor zum Komprimieren von Luft dar, die nach dem Komprimieren mit erhöhtem Druck und höherer Temperatur einem MCM-Reaktor 1 nach dem Stand der Technik zugeführt wird. Im Reaktor 1 wird ein Brennstoff, in diesem Fall Methangas, verbrannt. Der Reaktor umfasst einen Wärmetauscher, der Wärme aus dem Durchlaufkreislauf im Reaktor an die Luft im Luftkreislauf über die Membran M abgibt, die den Reaktor in eine Durchlaufkreislaufseite und eine Luftkreislaufseite unterteilt. Die Temperatur der Luft steigt dabei auf ca. 1250°C. Diese Heißluft treibt die Gasturbine T an. Um die Anlage zuverlässig regeln/steuern zu können und in verschiedenen Arten von Betriebssituationen ist nach dem Aspekt der Erfindung ein Regelventil V parallel mit dem Reaktor 1 angeordnet. Das Regelventil V befindet sich vorzugsweise auf der kalten Seite des Luftkreislaufs. Das Regelventil V kann somit dazu verwendet werden, die Luftströmung über den Reaktor 1 kurzzuschließen. Dies macht es möglich, die Temperatur am Einlass zur Gasturbine T vollkommen innerhalb des Temperaturbereichs zu regeln, der durch die niedrigere Temperatur am Auslass des Kompressors C und die höhere Temperatur am Auslass des Reaktors 1 bestimmt ist, die normalerweise auf ca. 1250°C gehalten wird. Wie festgestellt wurde, ist es vorteilhaft, den Prozess im Reaktor auf einer weitestgehend konstanten hohen Temperatur zu halten. Auf diese Weise kann der Betrieb des Reaktors von der eigentlichen Regelung/Steuerung der Lastaufnahme von der Gasturbine her abgekoppelt werden. Indem das Regelventil V verwendet wird, um die kühlere Luft aus dem Kompressor C mit der Heißluft aus dem Reaktor 1 zu mischen, kann die Belastung der Gasturbine T auf die gewünschte Weise geregelt/gesteuert werden.
  • 3 zeigt die Gas- und Luftströmungen durch die erfindungsgemäße Anlage deutlicher. Die komprimierte Luft aus dem Kompressor C wird durch einen Kern 3, der die Membran M enthält, in den Reaktor 1 eingespeist. Diese Membran enthält eine große Anzahl an parallelen, porenartigen Kanälen für Luft und für Gas. Jeder Luftkanal ist von Gaskanälen umgeben, und umgekehrt. Der Prozess, der vorstehend für den Transport von Sauerstoff von Luft zu Gas beschrieben wurde, findet in dem Material zwischen den Luftkanälen und den Gaskanälen statt. Der Kern 3 umfasst auch einen Wärmetauscher VVX, der Wärme aus dem Heißgas auf die Luft überträgt, so dass die Luft dadurch auf ca. 1250°C erhitzt wird, bevor die Heißluft der Turbine T zugeführt wird. Das Heißgas wird in einem oder mehreren Brenner/n 4 erzeugt, die im Reaktor 1 eingeschlossen sind. Im gezeigten Beispiel besteht das Gas aus Methan, das im Brenner 4 verbrannt wird. Durch den Brenner 4 verläuft auch ein Durchlaufkreislauf 5. Das Gas in diesem Durchlaufkreislauf 5 wird im Brenner 4 erzeugt, woraufhin das Heißgas Wärme über den Wärmetauscher VVX im Kern 3 des Reaktors 1 abgibt. Aufgrund der Eintrags von Sauerstoff aus der Luft im Luftkreislauf über die Membran M wird das Gas im Durchlaufkreislauf mit Sauerstoff angereichert und kann die Verbrennung im Brenner 4 aufrechterhalten, wohin das Gas aus dem Kern 3 eingespeist wird. Nachdem es Wärme abgegeben hat, ist das Gas auf ca. 450°C abgekühlt, bevor es den Brenner 4 erreicht. Verbrauchtes Gas wird auch über eine Leitung 6 zu der in 1 gezeigten Turbine T2 abgeleitet, welche die Wärme weiter nutzt, woraufhin das Gas zur Verarbeitung seines Kohlendioxid- und Wassergehalts weitertransportiert wird. Die Figur zeigt auch ein Gasabblasventil 7, um Gas aus dem Durchlaufkreislauf freizusetzen. Auch gezeigt ist ein Luftabblasventil 8, um Luft aus dem Luftkreislauf freizusetzen.
  • Nachstehend wird eine Anzahl verschiedener Anlagenbetriebssituationen beschrieben.
  • Im Falle einer Belastungsveränderung muss die Temperatur im Durchlaufkreislauf des Reaktors konstant auf Höchsttemperatur gehalten werden. Der Massenstrom im Reaktordurchlaufkreislauf wird so aufrechterhalten, dass der Wärmekapazitätsstrom im Durchlaufkreislauf gleich dem Wärmekapazitätsstrom im Luftkreislauf des Reaktors ist.
  • Im Falle einer Heißabschaltung der Anlage, bei der kein Zugang zum Reaktor erforderlich ist, wird der Reaktor 1 von der Turbine T abgekoppelt. Dies erfolgt dadurch, dass die Luftströmung über den Reaktor außerhalb von diesem kurzgeschlossen wird, indem das Regelventil V voll geöffnet wird. Eine geringe Luftströmung wird im Reaktor noch aufrechterhalten, um die Temperaturkurve des Reaktors oben zu halten und die Brenner am Einlass zum Durchlaufkreislauf auf voller Lasttemperatur zu halten.
  • Der Reaktor 1 kann auf mehrere unterschiedliche Weisen abgeschaltet werden. Eine Notausschaltung beispielsweise als Ergebnis eines Turbinenausfalls lässt sich dadurch erzielen, dass die Turbine genauso wie bei der Heißabschaltung vom Reaktor abgekoppelt wird. In diesem Fall wird der Reaktor jedoch ganz einfach nur dadurch abgeschaltet, dass die Brenner abgeschaltet werden. Falls nötig kann auch die Zirkulation im Durchlaufkreislauf abgeschaltet werden. Eine andere Alternative zum Abschalten des Reaktors, die einen schnelleren Zugang zum Reaktor und seinem Kern ermöglicht, ist, dass die Brenner und die Zirkulation im Durchlaufkreislauf abgeschaltet werden, die Turbine aber schrittweise Wärme aus dem Reaktor so abzieht, dass diese in der Folge abgekühlt wird.
  • Bei einem Gasturbinenleistungseinbruch, bei dem es notwendig ist, auf eine Heißabschaltung der Anlage zurückzugreifen, wird das Regelventil V voll geöffnet, damit die Einlasstemperatur zur Gasturbine T gesenkt wird, und ein Luftabblasventil 8 wird auch geöffnet, um die Temperatur in der Gasturbine schnell zu senken. Das erfindungsgemäße Regelventil V ist wie vorstehend beschrieben zwischen der heißen und kalten Seite des Luftkreislaufs eingebaut gezeigt.

Claims (15)

  1. Gasturbinenanlage mit einem Kompressor (C), einer Turbine (T) und einem Reaktor (1) zum Erhitzen von Luft, in welcher Luft im Kompressor (C) komprimiert und zusammen mit einem Brennstoff zum Reaktor abgegeben wird, um eine Verbrennung aufrechtzuerhalten, und in welcher die im Reaktor erhitzte Luft die Turbine (T) antreibt, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der Belastung der Turbine (T) darin besteht, die Einlasstemperatur in die Turbine (T) zu regeln, indem Heißluft aus dem Reaktor (1) mit Luft aus dem Kompressor mittels eines Regelventils (V) gemischt wird, das zwischen dem Auslass des Kompressors (C) und dem Einlass der Gasturbine (T) angeordnet ist.
  2. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Reaktor (1) um einen Mischdurchlassmembran-Reaktor (Mixed Conducting Membrane Reactor) handelt.
  3. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelventil (V) in eine Leitung eingebaut ist, die den Luftkreislauf des Reaktors (1) umgeht.
  4. Gasturbinenanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelventil näher an der kühleren Seite der Umgehungsleitung eingebaut ist.
  5. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischdurchlassmembran-Reaktor (1) einen Luftkreislauf umfasst, der Luft aus dem Kompressor (C) eine erste Seite einer Membran (M) entlang leitet, die Sauerstoff aus der Luft zu einem Heißgas auf der anderen, entgegengesetzten Seite der Membran transportiert, und dass, wenn die Luft im Luftkreislauf den Reaktor durchfließt, sie durch einen Wärmetauscher (VVX) im Inneren des Reaktors (1) erhitzt wird.
  6. Gasturbinenanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (1) einen Durchlaufkreislauf (5) umfasst, der mindestens einen Brenner (4) enthält, in dem der Brennstoff verbrannt wird, und der im Durchlaufkreislauf ein Heißgas erzeugt, und dass das Heißgas auf der anderen Seite der Membran (M) durch den Reaktor geleitet wird, wo es mit Sauerstoff angereichert wird, und das Heißgas im Durchlaufkreislauf Wärme an die Luft im Wärmetauscher (VVX) abgibt, bevor das abgekühlte Gas zu einem Auslass (6) abgegeben wird.
  7. Gasturbinenanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchlaufkreislauf ein Abblasventil (7) umfasst.
  8. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftkreislauf ein Luftabblasventil (8) umfasst.
  9. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (1) auf einer Temperatur gehalten wird, die der vollen Belastung des Reaktors entspricht.
  10. Gasturbinenanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur gehalten wird, indem der Luft- und Brennstoffstrom durch den Reaktor gesteuert wird.
  11. Verfahren zum Steuern der Belastung in einer Gasturbinenanlage, das die folgenden Schritte umfasst: – Luft wird in einem Kompressor (C) komprimiert, – die komprimierte Luft wird durch einen Luftkreislauf in einen Reaktor (1) geleitet, der eine Mischdurchlassmembran (M) umfasst, – ein Brennstoff wird zu einem Brenner (4) in einem Durchlaufkreislauf (5) im Reaktor (1) abgegeben, wo durch eine Verbrennung im Brenner ein Heißgas entsteht, – man lässt das Heißgas über einen Wärmetauscher im Reaktor (1) Wärme an die Luft im Luftkreislauf abgeben, – im Reaktor (1) wird das Heißgas mit Sauerstoff angereichert, der aus der Luft im Luftkreislauf über die Membran (M) zum Durchlaufkreislauf transportiert wird, – die im Reaktor (1) erhitzte Luft wird zu einem Einlass einer Gasturbine (T) abgeleitet, um die Gasturbine anzutreiben, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass: – die Steuerung der Belastung in der Anlage durch Ansteuern eines Regelventils (V) erzielt wird, das Luft, die direkt aus dem Auslass des Kompressors (C) kommt, sich mit Heißluft aus dem Reaktor (1) mischen lässt, so dass die Temperatur der Luft zum Einlass der Gasturbine (T) in Abhängigkeit von der Lastentnahme aus der Gasturbine (T) geregelt werden kann.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelventil die Temperatur am Einlass zur Gasturbine auf zwischen 450°C und 1250°C einstellt.
  13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass man den Reaktor (1) bei einer der vollen Belastung entsprechenden Temperatur laufen lässt, wenn die Belastungsveränderungen der Gasturbine (T) gesteuert werden.
  14. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine schnelle Abschaltung der Anlage durch volles Öffnen des Regelventils (V) erzielt werden kann, so dass praktisch die gesamte Luft aus dem Kompressor den Reaktor (1) umgeht.
  15. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine schnelle Abschaltung der Gasturbine (T) durch volles Öffnen des Regelventils (V) erzielt werden kann, so dass praktisch die gesamte Luft aus dem Kompressor den Reaktor (1) umgeht.
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