DE69806689T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung eines integrierten Systems mit einer Luftzerlegungsanlage und Gasturbine - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung eines integrierten Systems mit einer Luftzerlegungsanlage und GasturbineInfo
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Description
- Diese Erfindung bezieht sich auf ein Steuerungsverfahren und eine Vorrichtung zum Aufrechterhalten des Spitzenausgangs, bei dem eine in Kombination mit einer Tieftemperaturluftzerlegungseinheit (ASU) verwendete Gasturbine über einen breiten Bereich von Umgebungslufttemperaturen betrieben wird, und genauer auf ein Steuerungsverfahren, das eine zusätzliche Luftquelle zur Aufrechterhaltung eines erforderlichen Luftstroms zu der ASU über den großen Bereich von Umgebungslufttemperaturen einstellt.
- Integrierte Vergasungssysteme mit kombiniertem Zyklus für die Energieerzeugung sind sehr kapitalintensiv, jedoch notwendig, um die elektrische Leistungsabgabe zu maximieren und diese konkurrenzfähig zu anderen Verfahren der Energieerzeugung werden zu lassen. Die Integration einer ASU mit einer Gasturbine hat die Möglichkeit von verbesserten Kosten- und Leistungsfähigkeitsergebnissen im Vergleich zu nicht-integrierten Systemen ergeben.
- Eine vollständige Integration der Luftzerlegung in Vergasungssysteme mit kombiniertem Zyklus beteiligt üblicherweise eine Extraktion der Einsatzluft für die ASU aus dem Luftkompressor der Gasturbinen, wodurch der Bedarf nach einem separaten Luftkompressor für die ASU beseitigt wird. Die teilweise Integration beteiligt üblicherweise die Verwendung eines zusätzlichen Luftkompressors, um einen Teil der für die ASU erforderliche Luft bereitzustellen.
- Nachdem der für das Vergasungssystem notwendige Sauerstoff und Stickstoff von der Luft durch die ASU getrennt worden ist, wird der Abfallstickstoff zur Aufrechterhaltung des Ausgangs unter Verwendung eines Rückführstickstoff-Kompressors zu der Gasturbine zurückgeführt. Im allgemeinen wird der Abfallstickstoff mit dem Brennstoffeinsatz vor dem Eintritt in eine Verbrennungseinheit vermischt. Anschließend wird Luft mit dem Stickstoff/Brennstoff-Gemisch in der Verbrennungseinheit vermischt. Der heiße Gasausgang von der Verbrennungseinheit stellt einen Einsatzstrom für den Turbinenexpanderteil der Gasturbine bereit. Der Abfallstickstoffeinsatz übt einen Abschreckeffekt auf die in der Verbrennungseinheit stattfindende Oxidationsreaktion aus und unterstützt es, die Temperaturen in der Verbrennungseinheit innerhalb akzeptabler Temperaturgrenzen beizubehalten, damit die NOx-Erzeugung kontrolliert wird.
- Es ist bekannt, dass Variationen in der Temperatur des Einlasslufteinsatzes (d. h. Umgebungslufttemperatur) eine wesentliche Variation in dem Ausgang eines integrierten ASU/Gasturbinensystems bewirken kann. Genauer steht der Ausgang einer Gasturbine mit seiner Lufteinlasstemperatur in einer direkten Verbindung. Normalerweise ermöglichen die im Winter auftretenden kalten Lufttemperaturen eine höhere Zufuhr von Einsatzluftmengen. Wenn im Unterschied dazu die Einlasslufttemperatur wie z. B. im Sommer steigt, wird eine beträchtlich geringere Luftmasse verdichtet, was zu einer Abnahme der gesamten Leistungsabgabe des Systems führt.
- Beim Stand der Technik sind verschiedene Verfahren sind zur Aufrechterhaltung des Ausgangs von integrierten ASU/Gasturbineneinheiten vorgeschlagen worden. US-A-4 224 045, Olszewski et al., mit dem Titel "Cryogenic System for Producing Low Purity Oxygen" beschreibt ein Tieftemperatursystem zur Erzeugung von Sauerstoff niedriger Reinheit durch eine fraktionierte Destillation von verflüssigter Luft. Der Strom des Abfallstickstoffs von der ASU wird verdichtet und als Teil des Gasstroms in einen Turbinenexpander eingespeist, um eine erhöhte Energieabgabe zu bewerkstelligen.
- US-A-5 386 686, Chrëtien et al., mit dem Titel "Process for the Operation of a Gas Turbine Group und the Production of at least One Air Gas" beschreibt eine kombinierte ASU/Gasturbine und offenbart ein Verfahren und ein System gemäß des ersten Teils der Ansprüche 1 bzw. 5. Chrëtien et al. beanspruchen, dass das beste Verfahren zur Steuerung der Gasturbine bei ihrem maximalen Ausgang darin besteht, die Stickstoffrückführkompressoren von einer Nullströmung bei niedrigen Umgebungstemperaturen bis zu einer maximalen Strömung bei höheren Umgebungstemperaturen zu betreiben. Unter diesen Bedingungen kann die spezifische Wärme der Verbrennung des Brennstoff-Stickstoff-Gemisches an dem Einlass in eine Verbrennungseinheit um einen Faktor in einer Höhe von bis zu 5-1 variieren. Daher lässt dieses Steuerungsverfahren den Entwurf und Betrieb der Verbrennungseinheit aufgrund der darin großen möglichen Variationen von Verbrennungsbedingungen schwierig bewerkstelligbar werden.
- Dementsprechend besteht eine Aufgabe dieser Erfindung in der Bereitstellung eines verbesserten Verfahrens zur Steuerung eines integrierten ASU/Gasturbinensystems, wobei die Betriebsparameter innerhalb eines Bereichs aufrechterhalten werden, um einen optimalen Ausgang des Systems unabhängig von Variationen in der Umgebungstemperatur zu ermöglichen.
- Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren und ein System gemäß den Ansprüchen 1 bzw. 5 gelöst.
- Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm einer die Erfindung beteiligenden integrierten ASU/Gasturbine.
- Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform einer in dem System von Fig. 1 verwendeten Verbrennungseinheit.
- Ein teilweise integriertes ASU/Gasturbinensystem ist in Fig. 1 dargestellt und weist einen Gasturbinenaufbau 10 und eine ASU 12 auf. Der Gasturbinenaufbau 10 ist mit einem Turbinenkompressor 14 versehen, in den eine Einlassströmung 15 aus Einsatzluft mit Umgebungstemperatur eingespeist wird. Eine Welle 16 verbindet den Turbinenkompressor 14 mit einen Turbinenexpander 18, der durch eine weitere Welle 20 wiederum mit einem Generator 22 verkoppelt ist.
- Verdichtete Luft wird aus dem Turbinenkompressor 14 über eine Strömungsanordnung 24 und eine Strömungsanordnung 26 in eine Verbrennungseinheit 28 eingespeist. Weiterhin zweigt die Strömungs anordnung 24 einen Teil der verdichteten Luft durch eine Strömungsanordnung 30 und ein Steuerventil 32 zu der ASU 12 ab. Eine Quelle von zusätzlicher Luft für die ASU 12 wird über eine Strömungsanordnung 36 von einem Turbinenkompressor 34 bereitgestellt. Der zusätzliche Luftstrom aus der Kompressoreinheit 34 wird entweder durch seine Leitflügel, eine Drehzahlsteuerung, ein Umwälzsteuerventil oder durch eine Kombination aus diesen Optionen bestimmt. Die kombinierten abgezweigten und zusätzlichen Luftströme werden der ASU 12 als ein kombinierter Lufteinsatz bereitgestellt.
- Die Produktausgänge aus der ASU 12 sind mindestens ein aus Sauerstoff, Argon und Stickstoff bestehender Stoff. Die konstituierenden Einheiten innerhalb der ASU 12 wie z. B. eine oder mehrere Tieftemperatur-Rektifikationskolonnen sind dem Fachmann wohlbekannt und werden, da sie für diese Erfindung nicht direkt relevant sind, nicht weiter beschrieben werden. Die ASU 12 führt einen Abfallstickstoffstrom durch eine Strömungsanordnung 38 und ein Ventil 40 einer Entlüftung 42 zu. Der Abfallstrom weist hauptsächlich Stickstoff (annähernd 98%) mit einem unbedeutenden Anteil von Sauerstoff auf (näherungsweise 2%). Ein Teil des Abfallstickstoffstromes aus der ASU 12 wird über eine Strömungsanordnung 44 in eine Kompressoreinheit 48 eingespeist. Die Kompressoreinheit 48 verdichtet den Stickstoffabfallstrom und führt ihn über eine Strömungsanordnung 50 durch ein Steuerventil 57 einer Verbrennungseinheit 28 zu.
- Eine Brennstoffquelle 52 führt durch ein Steuerventil 54 und eine Strömungsanordnung 56 der Strömungsanordnung 50 einen Brennstoffstrom zu, wo er sich mit dem verdichteten Stickstoffabfallstrom kombiniert und in die Verbrennungseinheit 28 eitritt. Der Brennstoff kann jeder fluide Brennstoff sein, wobei Beispiele für letzteren Methan, Erdgas und Produkte aus der Kohlevergasung beinhalten. Ein Verbrennungsluftstrom 26a wird mit dem Brennstoffeinsatz und dem Abfallstickstoff in der Verbrennungseinheit 28 kombiniert und stellt sicher, dass für einen geeigneten Betrieb ausreichend Sauerstoff an dem Einsatzende der Verbrennungseinheit 28 vorliegt. Die Luft wird mit dem Brennstoff/Stickstoff- Gemisch über Düse(n) in der Verbrennungseinheit 28 vermischt und die Luftdurchflussrate wird durch das Druckdifferential über die eine oder mehrere Düsen gesteuert.
- Der heiße Gasausgang aus der Verbrennungseinheit 28 wird durch eine Strömungsanordnung 62 dem Turbinenexpander 18 zugeführt, um dessen Rotation zu bewirken und die Gasturbine 10 sowie den Generator 22 anzutreiben.
- Unter kurzer Bezugnahme auf Fig. 2 stellt ein schematisches Diagramm die ringtypförmige Konstruktion der Verbrennungseinheit 28 dar. Verdichtete Luft wird aus dem Turbinenkompressor 14 über die Strömungsanordnung 26 eingespeist und tritt in einen Ringraum 70 der Verbrennungseinheit 28 ein. Darin wird der verdichtete Luftstrom in mehrere Ströme aufgeteilt, die durch Öffnungen 72 als Kühlluft in eine Verbrennungskammer 74 eintreten. Das Brennstoff/Abfallstickstoff-Gemisch wird durch die Strömungsanordnung 50 in die Verbrennungseinheit 28 an ihrem gegenüberliegen den Ende eingespeist, wird mit dem durch eine Düse 76 eintretenden Luftstrom 26a vermischt und anschließend in die primäre Verbrennungszone der Kammer 74 injiziert. Der Stickstoffstrom in der Strömungsanordnung 50 stellt sowohl einen Gasmassendurchsatz bereit und fungiert auch als ein Verdünnungsmittel für Temperatursteuerzwecke.
- Zur Aufrechterhaltung des maximalen Ausgangs aus der Gasturbine 10 muss die Durchflussrate des heißen Gasstroms in der Strömungsanordnung 62 auf einer maximal erlaubten Temperatur und Durch flussrate aufrechterhalten werden. Der maximale Nettoausgang einer Gasturbine ist üblicherweise durch mechanische Begrenzungen wie z. B. den Drehmomentbegrenzungen der Welle gegeben. Eine maximale Effizienz wird bei der maximalen Turbineneinlasstemperatur des heißen Gasstroms in der Strömungsanordnung 62 erreicht. Die Turbineneinlasstemperatur wird durch die Konstruktionsmaterialien und die in dem Turbinenexpander 18 verwendeten Kühlungstechniken begrenzt.
- Bei niedrigen Umgebungslufteinsatztemperaturen weist der Turbinenkompressor 14 eine höhere als notwendige Kapazität zur Beibehaltung des maximalen Ausgangs der Gasturbine 10 auf. Folglich liegt eine überschüssige Kapazität zur Verwendung durch die ASU 12 vor. Wenn jedoch die Umgebungslufttemperatur zunimmt, sinkt die Luftmasse pro Zeiteinheit, die durch den Turbinenkompressor 14 verdichtet wird, und bei einer gewissen Temperatur ist ungenügend Masse verfügbar, um die Gasturbine 10 auf ihrem maximalen Ausgang zu halten, während der ASU 12 ein ausreichender Luftstrom zugeführt wird. Der Mangel an Massedurchsatz entsteht durch den zusätzlichen Luftstrom aus dem Kompressor 34.
- Die notwendigen Steuerfunktionen für die Ventile und andere in Fig. 1 dargestellte Vorrichtungen werden aus einem Steuergerät 80 abgeleitet, das zur Steuerung von einem oder mehreren der verschiedenen Gasströme zwecks Bewerkstelligung der erforderlichen Massedurchflussraten betrieben wird. Daher wird das Steuergerät 80 derart betrieben, um verschiedene Strömungszustände in dem System aus Fig. 1 zu bewirken, um den Betrieb des Systems mit seinem maximalen Ausgangspegel zu ermöglichen (in Übereinstimmung mit zum Beispiel den in der nachstehenden Tabelle 1 aufgeführten Parameterwerten). Das heißt, dass das Steuergerät 80 dazu dient, (1) das Ventil 32 zu manipulieren, um den Strom 30 zu steuern, (2) die Leitflügel, die Drehzahlsteuer- und/oder das Umwälzsteuerventil des Kompressors 34 zu beeinflussen, um den Strom 36 zu steuern, (3) das Ventil 40 und/oder das Ventil 57 zur Steuerung des Abfallspülstickstoffes 50 zu beeinflussen, und/oder (4) das Ventil 54 zur Steuerung des Brennstoffstroms 56 zu manipulieren. Zur Durchführung der in der Praxis dieser Erfindung erforderlichen Steuerfunktionen kann jedes geeignete Steuergerät verwendet werden.
- Tabelle 1 illustriert drei Einlasslufttemperaturbedingungen (d. h. -6,7ºC (20º F), 15ºC (59º F) und 35ºC (95º F)) und die Parameter, die für eine Aufrechterhaltung eines konstanten Nettoturbinenausgangs aus dem Turbinenexpander 18 notwendig sind.
- Tabelle 1 fasst ein Beispiel von Durchflussraten durch verschiedene Teile des Systems von Fig. 1 zusammen, die zur Aufrechterhaltung des konstanten maximalen Ausgangs aus dem Turbinenexpander 18 als eine Funktion der Umgebungstemperatur erforderlich sind. In dem Beispiel ist der Brennstoffstrom eine Funktion der Umgebungstemperatur und der zulässigen Temperatur in dem Strom 62 und das Verhältnis von Brennstoff zu Abfallstickstoff wird konstant gehalten. Es sei darauf hingewiesen, dass das Verhältnis von Stickstoff zu Brennstoff aufgrund von Steuersystemvariationen und Übergangsbedingungen während der Systemveränderungen etwas variieren kann. Das Verhältnis von Stickstoff zu Brennstoff verbleibt konstant, d. h. innerhalb ±5%. Der Betrieb im Dauerzustand hält das Strömungsverhältnis von Stickstoff zu Brennstoff konstant. Im allgemeinen liegt das Strömungsverhältnis von Stickstoff zu Brennstoff im Bereich von 1,22 bis 1,77 und vorzugsweise im Bereich von 1,40 bis 1,55.
- Die Einstellung des Lufteinsatzes aus dem zusätzlichen Kompressor 34 ermöglicht es der ASU 12, bei Bedingungen zu arbeiten, die zur Bereitstellung von Sauerstoff für das Vergasungssystem erforderlich sind, ohne die Leistung des Gasturbinensystems zu verringern. Durch die Aufrechterhaltung eines konstanten Verhältnisses von Stickstoff zu Brennstoff an dem Eingang in die Verbrennungseinheit 28 wird bei gegebenen variierenden Umgebungstemperaturbedingungen ein konstanter Strom eines gasförmigen Ausgangs bei maximaler Temperatur dem Turbinenexpander 18 und einer daraus resultierenden maximalen Leistungsabgabe an den Generator 22 zugeführt.
Claims (8)
1. Verfahren zum Steuern eines integrierten Tieftemperaturluftzerlegungseinheit (ASU)/Gasturbinen-
Systems, wobei das Gasturbinensystem (10) einen Turbinenkompressor (14) zur Aufnahme eines
Einsatzluftstroms (15), eine Verbrennungseinheit (28) und einen Turbinenexpander (18) aufweist,
der einen Gasausstrom der Verbrennungseinheit erhält, wobei die ASU (12) einen Einsatzluftstrom
sowohl von dem Turbinenkompressor als auch einer Quelle von Zusatzluft erhält und einen
Produktstrom sowie einen Abfallstickstoffstrom liefert, wobei im Zuge des Verfahrens:
(a) das Verhältnis des Luftstroms zu der ASU (12) von der Quelle von Zusatzluft und dem
Turbinenkompressor (14) eingestellt wird, um Änderungen hinsichtlich der
Umgebungslufttemperatur zu kompensieren und den Luftstrom zu der ASU bei einem Pegel zu halten, der eine
Produktion des Produkts ermöglicht;
(b) der Verbrennungseinheit (28) ein erster Einsatz eines Brennstoffstroms bereitgestellt wird;
(c) der Verbrennungseinheit (28) ein zweiter Einsatz aus dem Abfallstickstoffstrom
bereitgestellt wird;
dadurch gekennzeichnet, dass
(d) der erste Einsatz des Brennstoffstroms gesteuert wird, um den gasförmigen Ausstrom der
Verbrennungseinheit (28) bei einer maximalen Temperatur zu halten, die mit dem
Beibehalten des maximalen Energieausgangs von dem Gasturbinensystems (10) konsistent ist,
während das Durchflussverhältnis des zweiten Einsatzes zu dem ersten Einsatz innerhalb von
±5% konstant gehalten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Verhältnis des zweiten Einsatzes zu dem ersten
Einsatz durch Einstellung des zweiten Einsatzes konstant gehalten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem in Schritt (d) der erste Einsatz des Brennstoffstroms
gesteuert wird, indem die Umgebungstemperatur der Einsatzluft zu dem Turbinenkompressor (14)
berücksichtigt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Schritt (c) den Teilschritt des Komprimierens des
Stickstoffabfallstroms beinhaltet.
5. System zum Steuern einer integrierten Tieftemperaturluftzerlegungseinheit (ASU)/Gasturbine, um
für eine maximale Leistungsabgabe der Gasturbine (10) bei Bedingungen einer variierenden
Umgebungseinsatzlufttemperatur bereitzustellen, versehen mit:
einer Gasturbinenanordnung (10) mit einem Turbinenkompressor (14) zur Aufnahme eines
Einsatzluftstroms (15), einer Verbrennungseinheit (28) und einem Turbinenexpander (18), der
angeschlossen ist, um einen gasförmigen Ausstrom der Verbrennungseinheit zu erhalten;
einer Brennstoffquelle (52), um einen Brennstoffstrom an die Verbrennungseinheit (28) zu liefern;
einer Quelle für Zusatzluft;
einer ASU (12), die angeschlossen ist, um einen Einsatzluftstrom sowohl von dem
Turbinenkompressor (14) als auch der Quelle von Zusatzluft zu erhalten, um einen Abfallstickstoffstrom an die
Verbrennungseinheit (28) sowie einen Produktstrom zu liefern;
einer Steueranordnung (80) zum:
(i) Einstellen des Verhältnisses der Luftströme zu der ASU (12) von der Quelle von
Zusatzluft und von dem Turbinenkompressor, um Änderungen hinsichtlich der
Umgebungslufttemperatur zu kompensieren und so einen kombinierten Luftstrom zu der
ASU bei einem Pegel zu halten, der eine Produktion des Produkts ermöglicht;
gekennzeichnet durch eine weitere Steueranordnung zum:
(ii) Steuern des Brennstoffstroms um den gasförmigen Ausstrom von der
Verbrennungseinheit (28) bei einer Maximaltemperatur zu halten, die mit dem Beibehalten einer
maximalen Leistungsabgabe von der Gasturbinenanordnung (10) konsistent ist,
während das Strömungsverhältnis des Stickstoffabfallstroms zu dem Brennstoffstrom
konstant gehalten wird.
6. System nach Anspruch 5, bei welchem die Steueranordnung (80) das Verhältnis des
Abfallstickstoffstroms zu dem Brennstoffstrom durch Einstellung des Abfallstickstoffstroms konstant hält.
7. System nach Anspruch 5, bei welchem die Steueranordnung (80) den Brennstoffstrom steuert,
indem sie die Umgebungstemperatur der Einsatzluft zu dem Turbinenkompressor (14)
berücksichtigt.
8. System nach Anspruch 5, ferner versehen mit einer Kompressoranordnung (48) zum Komprimieren
des Abfallstickstoffstroms, bevor dieser zu der Verbrennungseinheit (28) gefördert wird.
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