DE69713501T2

DE69713501T2 - Kraftstoffheizvorrichtung in verbindung mit dampfgekühlten brennkammern

Info

Publication number: DE69713501T2
Application number: DE69713501T
Authority: DE
Inventors: A. Little
Original assignee: Siemens Westinghouse Power Corp
Current assignee: Siemens Energy Inc
Priority date: 1996-04-23
Filing date: 1997-03-27
Publication date: 2003-02-13
Anticipated expiration: 2017-03-28
Also published as: EP0894186A1; EP0894186B1; US5826430A; JP3941840B2; WO1997040268A1; KR20000010648A; DE69713501D1; TW345608B; CA2252517A1; JP2000509456A

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf Energierückgewinnungssysteme zur Verwendung mit Turbinenmotoren. Spezifischer bezieht sich die Erfindung auf ein System zum Übertragen von Energie von Dampf, welcher verwendet wurde, um Gasturbinen- Verbrennungsmotoren bzw. -Combustoren und Übergänge zu kühlen, auf Kraftstoff.

Hintergrund der Erfindung

Ein Verbessern der Effizienz von Strom- bzw. Leistungserzeugungssystemen ist ein bedeutendes Ziel von Praktikern in den Stromerzeugungssystemtechniken. Möglicherweise ist die signifikanteste Technik für eine Verbesserung der Effizienz der Stromerzeugung durch die Verwendung eines kombinierten, zyklischen Systems gegeben. In einem kombinierten, zyklischen System bzw. Zyklussystem wird Abgaswärme von einem ersten System, welches als der obere bzw. Kopfzyklus bezeichnet wird, verwendet, um Strom in einem zweiten System, welches als der Bodenzyklus bezeichnet wird, zu bilden bzw. zu erzeugen. Derartige kombinierte, zyklische Systeme wenden typischerweise einen Gasturbinenmotor in dem oberen Zyklus und ein Dampfsystem in dem Bodenzyklus an. Ein Wärmerückgewinnungsdampfgenerator wandelt das heiße Abgas von dem Gasturbinenmotor in verwendbaren Dampf um, um eine oder mehrere Dampfturbinen anzutreiben.
Entwickler von Stromerzeugungssystemen haben zusätzlich festgestellt, daß ein Einbringen von soviel Energie wie möglich in den oberen Zyklus die größte Energieeffizienz in kombinierten, zyklischen Systemen ergibt. Energie, welche in dem Kopfzyklus eingebracht wird, erntet den Vorteil einer Lieferung von Energie sowohl zu dem Kopf- als auch dem Bodenzyklus. Andererseits nur in den Bodenzyklus eingebrachte Energie liefert Energie nur an einen Zyklus -- den Boden. In gegenwärtigen, hoch-effizienten Stromerzeugungssystemen wird beispielsweise ein Energieeintrag an den oberen Zyklus mit einer Rate von etwa 58% von der kombinierten Effizienz des oberen und unteren Zyklus rückgewonnen. Zum Vergleich wird, wenn Energie nur in den Bodenzyklus eingebracht wird, sie in einer signifikant niedrigeren Rate von 43 rückgewonnen.
Zusätzlich zu der Effizienz ist auch das Kühlen der Turbinenmotoren in dem Kraftwerks- bzw. Leistungssystem von kritischer Bedeutung. Insbesondere die Combustoren bzw. Verbrennungseinrichtungen und Übergänge von Gasturbinenmotoren sind extremer Hitze ausgesetzt und erfordern ein wesentliches bzw. effizientes Kühlen. Beispielsweise haben konventionelle Gasturbinenmotoren Flammtemperaturen in dem Brenner, die 1550ºC erreichen. Um ein adäquates Komponentenkühlen zur Verfügung zu stellen, haben Turbinenmotorendesigner ein Filmkühlen von Verbrennungseinrichtungen bzw. Vergasungsbrennern und Übergängen mit Druckluft verwendet. Als ein Ergebnis von derartigen Filmkühlungstechniken fallen die Turbineneinlaßtemperaturen wesentlich unter die Flammtemperaturen (z. B. 1350 gegenüber 1550ºC) ab. Ein Absenken der Turbineneinlaßtemperatur auf diese Weise hat jedoch den nachteiligen Nebeneffekt einer Verringerung der Effizienz des Stromerzeugungssystems. 1550 ºC ist theoretisch jedoch der Grenzwert für 9 ppm trockene, niedrige NOx (Stickoxide) Verbrennungsfiammtemperaturen - das gegenwärtige Industrieerfordernis. Um die Effizienz zu erhöhen, werden die Verbrennungs- und Übergangskühlungsdesigns zu geschlossenen Systemen verschoben, in weichen das Kühlmittel nicht in den Gasweg austritt bzw. ausblutet, sondern um die Komponente herum zirkuliert und somit eine Erhöhung von 150º in der Turbineneinlaßtemperatur bewirkt, ohne die Flammtemperatur anzuheben.
In geschlossenen Systemen kann das Kühlmittel Dampf, Wasser oder Luft umfassen. Wo Dampf das gewählte Kühlmittel ist, wird er oft von dem Bodenzyklus entfernt, d. h. von dem Wärmerückgewinnungsdampfgenerator, und verwendet, um Komponenten in dem Turbinenmotor zu kühlen. Nach dem Kühlen des Brenners und der Übergänge wird Dampf zu einer Dampfturbine geführt, wo verwendbare bzw. nützliche Energie rückgewonnen wird.
Die Anmelderin hat erkannt, daß ein Führen bzw. Leiten des Dampfes zu dem Bodenzyklus einen Nachteil für die Menge der rückgewonnenen Wärmeenergie bewirkt. Indem die Wärmeenergie in dem oberen Zyklus nicht rückgewonnen wird, wird eine hochqualitative Wärmeenergie von dem oberen Zyklus abgetrennt bzw. entfernt und von dem Bodenzyklus über eine Dampfturbine rückgewonnen. Es besteht daher ein Erfordernis für ein System einer Rückführung der hochqualitativen Wärmeenergie, die von den Brennern und Übergängen entfernt wurde, zu dem oberen Zyklus.
Die europäische Patentanmeldung Nr. 0 391 082 beschreibt ein Mittel gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 betreffend ein Abziehen von Wärme von dem Bodenzyklus und Verwenden derselben, um Brennstoff, der dem Brenner bzw. Combustoren in dem oberen Zyklus zugeführt wird, vorzuerhitzen, wodurch die Effizienz des oberen Zyklus erhöht wird.
Es ist das Ziel der Erfindung, ein System zum Vorerhitzen bzw. Vorheizen von Kraftstoff in einem Gasturbinenmotor zur Verfügung zu stellen, welches eine weitere Verbesserung der Effizienz ermöglicht. Dieses Ziel wird mit einem System erreicht, welches die in Anspruch 1 definierten Merkmale aufweist. Bevorzugte Ausbildungen sind in den abhängigen Unteransprüchen definiert.
Das vorliegende System begegnet dem obigen Erfordernis, indem erhitztes Kühlmittel, das von dem Gasturbinenmotor rückkehrt, verwendet wird, um Kraft- bzw. Brennstoff vorzuerhitzen, bevor dieser Kraftstoff in den Brenner bzw. Combustor eingespritzt wird. Ein derartiges System umfaßt eine Kühlmittelzufuhr. Eine Komponente in dem Turbinenmotor besitzt eine Auskleidung bzw. Verrohrung, so daß Kühlmittel, das durch die Komponenten fließt, diese umgibt und Wärme in der Komponente absorbiert, welche durch den heißen Gasweg gebildet wurde. Diese Auskleidung bzw. Verrohrung bzw. Buchse hat einen Einlaß zum Aufnehmen von Kühlmittel von der Kühlmittelzufuhr und einen Auslaß für Kühlmittel, um aus der Verrohrung bzw. Buchse auszutreten. Das System weist auch einen Wärmetauscher auf, welcher einen Strömungs- bzw. Flußweg für Kühlmittel und einen gesonderten Flußweg für Kraftstoff aufweist. Das Kühlmittel fließt von dem Komponentenbuchsenauslaß und in den Wärmetauscher. Simultan fließt Kraftstoff durch den Wärmetauscher zu dem Turbinenmotorbrenner. Innerhalb des Wärmetauschers wird Wärme von dem Kühlmittel auf den Kraftstoff übertragen.
Die vorherige Zusammenfassung ebenso wie die folgende, detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausbildung wird besser verstanden, wenn sie gemeinsam mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird. Für den Zweck eines Illustrierens der Erfindung wird in der Zeichnung eine Ausbildung dargestellt, welche gegenwärtig bevorzugt ist, wobei verstanden werden wird, daß die Erfindung jedoch nicht auf die spezifischen Verfahren und Instrumentierungen bzw. Apparaturen, die geoffenbart sind, beschränkt ist.
In den Zeichnungen:
ist Fig. 1 ein schematisches Diagramm eines kombinierten, zyklischen Erzeugungssystems mit Dampf-gekühltem Brenner/Übergängen, welches die vorliegende Erfindung anwendet;
ist Fig. 2 ein Blockdiagramm des Brenner/Übergang-Kühlmitteikreislaufs, worin die vorliegende Erfindung angewandt ist.

Detaillierte Beschreibung einer bevorzugten Ausbildung

indem nun auf die Zeichnungen Bezug genommen wird, worin analoge Bezugszeichen durchgehend analoge Elemente bezeichnen, stellt Fig. 1 ein schematisches Diagramm eines kombinierten, zyklischen Strom- bzw. Leistungserzeugungssystems 100 dar, worin die vorliegende Erfindung angewandt ist. Der obere Zyklus bzw. Kopfzyklus besteht aus einem Gasturbinenmotor 110 und der untere Zyklus bzw. Bodenzyklus besteht aus einem Wärmerückgewinnungsdampfgenerator (HRSG) 50 und Dampfturbinen 60. Die Kraftstoffzufuhr 25 stellt die Energiequelle für das System 100 dar. Der Kraftstoff von dieser Zufuhr 25 treibt zuerst die Gasturbine 110. Um weiter die gesamte Systemeffizienz zu erhöhen, wird heißes Gas, das aus der Turbine 40 als Abgas austritt, in Dampf durch HRSG 50 umgewandelt. Dieser Dampf wird verwendet, um Dampfturbinen 60 anzutreiben bzw. zu betreiben.
Gemäß einer gegenwärtig bevorzugten Ausbildung der vorliegenden Erfindung werden die Brenner bzw. Combustoren und Übergänge 30 durch Dampf, der von dem HRSG 50 zur Verfügung gestellt wird, gekühlt. Es sollte jedoch verstanden werden, daß die Quelle des Dampfs, welcher verwendet wird, um die Brenner und Turbinen 30 zu kühlen, von jeder zugänglichen Quelle stammen kann. Zusätzlich ist festzuhalten, daß die Brenner und Übergänge durch ein einziges Element 30 in den Figuren dargestellt sind. In signifikanter Weise faßt die Erfindung die Verwendung von Dampf ins Auge, welcher verwendet wurde, um einen Übergang, einen Brenner oder einen kombinierten Brenner/Übergang zu kühlen. Sie sind daher in den Figuren als ein einziges Element dargestellt. Der Dampf tritt in die Auskleidung der Brenner und Übergänge ein und kühlt die Wände der Brenner und Übergänge durch Absorbieren von Wärme. Wenn die durch den Dampf absorbierte Wärme direkt dem Bodenzyklus, d. h. der Dampfturbine 60, zugeführt würde, würde die Energie, die dem Kühlmittel übertragen wurde, nur mit der Effizienz des Bodenzyklus rückgewonnen werden.
Die vorliegende Erfindung kann unter Bezugnahme auf eine exemplarische Ausführung besser verstanden werden; jedoch sollte erkannt werden, daß alle hier verwendeten Zahlen für Temperaturen, Effizienzen bzw. Wirkungsgrade und dgl. nur für Illustrationszwecke gedacht sind und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung zu beschränken. In einem exemplarischen, dampfgekühlten Gasturbinenmotor erreicht die Temperatur des Kühldampfs, der in die Auskleidungen des Brenners und der Übergänge eintritt, 650ºF. Nachdem der Dampf durchtritt und die Auskleidung bzw. Buchse verläßt, wird die Temperatur auf etwa 1050ºF angestiegen sein. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Teil jener Energie (d. h. die zusätzliche Wärme, die dem Dampf zugesetzt wurde) in dem oberen Zyklus rückgewonnen. So wird gemäß einer gegenwärtig bevorzugten Ausbildung ein Wärmetauscher 10 in das System 100 eingebaut. Dieser Wärmetauscher 10 überträgt einiges der Wärmeenergie in dem Dampf auf den Kraftstoff, welcher an der Oberseite des Zyklus über eine Kraftstoffzufuhr 25 eintritt.
Indem nun auf Fig. 2 Bezug genommen wird, wird ein Blockdiagramm des Systems zum Übertragen von hochqualitativer Wärme in dem Dampf auf den Kraft- bzw. Brennstoff gezeigt. Zu Beginn wird der Kraftstoff dem System mit einer vorbestimmten Temperatur zugeführt. Wie dies in dem Beispiel von Fig. 2 gezeigt ist, verläßt der Kraftstoff die Kraftstoffzufuhr 25 mit etwa 59ºF. Nach dem Verlassen der Kraftstoffzufuhr 25 kann der Kraftstoff in jedes konventionelle Gaskraftstofferwärmungssystem 12 eintreten. Konventionell werden derartige Systeme 12 die Temperatur des Kraftstoffs auf etwa 800ºF anheben. Nach einem Verlassen des Heizsystems 12 tritt der Kraftstoff in den Wärmetauscher 10 gemäß der vorliegenden Erfindung ein. Gleichzeitig tritt Dampf mit einer Temperatur von etwa 650ºF in die Buchse bzw. Auskleidung 32 der Brenner und Übergänge 30 des Gasturbinenmotors 110 über einen Einfaß 34 ein. Der Wärmefluß von den Wänden der Auskleidung 32 erhöht die Dampftemperatur auf etwa 1050ºF. Der Dampf verläßt dann die Buchse bzw. Auskleidung 32 über einen Auslaß 36. Der Dampf tritt dann in den Wärmetauscher 10 ein, wobei er die Temperatur des Kraftstoffs auf etwa 900ºF anhebt. Während die Temperatur des Kraftstoffs auf etwa 900ºF angehoben wird, wird die Temperatur des Dampfs auf etwa 850ºF absinken.
Der Wärmetauscher 10 ist von einer in der Technik gut bekannten Art, um Wärme zwischen gesonderten, isolierten Fluiden auszutauschen.
Die vorliegende Erfindung kann in anderen spezifischen Formen angewandt bzw. verkörpert werden, beispielsweise könnte eine analoge Technik verwendet werden, um den Kraftstoff unter Verwendung von Wasser statt der Verwendung von Dampf, wie dies in den Figuren dargestellt ist, vorzuerhitzen. Dementsprechend sollte auf die beiliegenden Ansprüche Bezug genommen werden statt auf die vorhergehende Beschreibung, um den Rahmen bzw. Umfang der Erfindung anzuzeigen.

Claims

1. System zum Vorheizen von Kraftstoff in einem Gasturbinenmotor (110), wobei das System aufweist:

eine Kühlmittelzufuhr und eine Komponente in dem Turbinenmotor, der eine Buchse bzw. eine Auskleidung bzw. Einlage aufweist; und

einen Wärmetauscher (10), der einen Strömungs- bzw. Flußweg für Kühlmittel und einen Strömungs- bzw. Flußweg für Kraftstoff aufweist, so daß Wärme von dem Kühlmittel auf den Kraftstoff übertragen wird;

dadurch gekennzeichnet, daß

der Flußweg für Kühlmittel in Strömungsverbindung mit dem Komponenten- Buchsenauslaß steht und worin der Flußweg für Kraftstoff innerhalb des Flußwegs von Kraftstoff zu der Turbinenmotorbrennkammer bzw. -brenner bzw. -combustor (30) angeordnet ist und

daß Kühlmittel, das durch die Komponenten fließt, diese Komponente umgibt und Wärme absorbiert, worin die Buchse einen Einlaß in Strömungsverbindung mit der Kühlmittelzufuhr und einen Auslaß für Kühlmittel zum Austreten aus der Buchse aufweist.

2. System nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelzufuhr durch einen Wärmerückgewinnungsdampfgenerator (50), der mit einem Auslaß des Turbinenmotors (110) verbunden ist, zur Verfügung gestellt ist.

3. System nach Anspruch 1 oder 2; weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel Dampf ist.

4. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel Wasser ist.

5. System nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel Luft ist.

6. System nach einem der, vorhergehenden Ansprüche, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente eine Brennkammer bzw. ein Brenner bzw. ein Combustor (30) ist.

7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente ein Übergang (30) ist.

8. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente eine Übergangs/Combustor-Kombination (30) ist.