DE69807664T2 - Kohlebefeuerte gasturbinenanlage - Google Patents
Kohlebefeuerte gasturbinenanlageInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gasturbinensystem, bei dem Kohlenbrennstoff eingesetzt wird. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Kohlenbrennstoff-Gasturbinensystem, bei dem die Menge an komprimierter Luft, die zu dem Vergaser gelenkt wird, dadurch maximiert wird, daß zum Kühlen des Turbinenabschnitts der Gasturbine das heiße Gas von dem Vergaser nach dem Abkühlen verwendet wird.
- Durch ihren hohen Wirkungsgrad, die geringen Kapitalkosten und die kurze Vorlaufzeit sind auf Gasturbinen basierende Kraftwerke als Mittel zum Erzeugen von elektrischem Strom für Stromversorgungsunternehmen besonders attraktiv. Leider sind Gasturbinen traditionell auf den Betrieb mit teuren und manchmal knappen Brennstoffen beschränkt gewesen, hauptsächlich Destillatöl und Erdgas. Infolge der leichten Verfügbarkeit und geringen Kosten von Kohle ist auf die Entwicklung eines Gasturbinensystems zum Erzeugen von elektrischem Strom, das als Primärbrennstoff Kohle verwenden kann, erhebliche Mühe aufgewendet worden.
- In dem U.S.-Patent 4,677,829 an Archer et al. wird eine Verbesserung bei einem Prozeß zum Betreiben eines Gasturbinensystems beschrieben. Dieses System enthält eine Kompressionseinheit, eine Verbrennungseinheit und eine Ausdehnungseinheit zum Betreiben eines Generators, wobei in der Verbrennungseinheit ein gasförmiger Brennstoff mit einem niedrigen BDU-Wert verwendet wird. Ein Teil der Luft aus der Kompressionseinheit wird aus dem System abgelassen, um sprunghafte Anstiege in der Kompressionseinheit durch Begrenzen der Strömung von Verbrennungsgasen zu der Kompressionseinheit zu verhindern, wobei die der Kompressionseinheit zugeführte Luft erwärmt wird, um das aus dem System abgelassene Luftvolumen aus der Kompressionseinheit zu reduzieren.
- Bei einem Ansatz, der als integriertes kombiniertes Vergasungskraftwerk bezeichnet wird, wird zum Fluidisieren von Kohle in einem Vergaser mit unter Druck stehendem Kohlewirbelbett ("PCFB" = pressurized coal fluidized bed) ein Teil der komprimierten Luft von dem Gasturbinenkompressor verwendet, um ein heißes Gas mit einem geringen bis mittleren Heizwert zu erzeugen. Mit diesem heißen Gas wird in einem Abhitzedampferzeuger ("HRSG" = heat recovery steam generator) Dampf erzeugt. Dann wird der Dampf in einer Dampfturbine entspannt, wodurch Wellenleistung erzeugt wird.
- Das den HRSG verlassende Gas entspannt sich dann in einer Turbine, wodurch zusätzliche Wellenleistung erzeugt wird. Um während der Entspannung in der Turbine eine maximale Leistungsabgabe zu realisieren, kann das aus dem HRSG austretende Gas vor der Entspannung in der Turbine in einem Topping-Combustor weiter erhitzt werden.
- Da die Komponenten des Turbinenabschnitts gegenüber dem heißen Gas von dem Topping-Compustor freiliegen, müssen sie ausreichend gekühlt werden, damit ihre Temperatur innerhalb zulässiger Grenzen gehalten wird. Diese Kühlung erfolgt herkömmlicherweise durch Leiten relativ kühler Luft über die oder in den Turbinenkomponenten. Da derartige Kühlluft, um effektiv zu sein, unter Druck stehen muß, ist es in der Praxis üblich, einen Teil der komprimierten Luft, die durch den Kompressorabschnitt strömt oder aus ihm austritt, zu entnehmen und ihn zu Kühlzwecken den Turbinenkomponenten zuzuleiten. Die Kühlluft tritt in der Regel in den die Turbine umgebenden Zylinder ein und strömt durch eine oder mehrere Reihen stationärer Leitschaufeln und von dort in den Hohlraum zwischen den Turbinenscheiben, die auf beiden Seiten der Leitschaufeln in dieser bestimmten Reihe angeordnet sind. Die Luft wird allgemein aus verschiedenen Stufen in dem Kompressorabschnitt extrahiert, wobei die Luft aus jeder Kompressorstufe einer anderen Stufe der Turbine zugeführt wird, wobei die einen höheren Druck aufweisende Luft von dem Kompressor zu den einen höheren Druck aufweisenden Stufen in der Turbine geht und mit einen niedrigeren Druck aufweisender Luft die einen niedrigeren Druck aufweisenden Turbinenstufen gekühlt werden. Mit zusätzlicher komprimierter Luft wird der Turbinenrotor beispielsweise durch Leiten von Kühlluft durch kleine, in den rotierenden Schaufeln ausgebildete Durchgänge gekühlt.
- Dieser Ansatz zur Kühlung der Turbine raubt leider dem Vergaser komprimierte Luft und reduziert dadurch den Gasmassenstrom durch den HRSG. Der reduzierte Gasmassenstrom durch den HRSG reduziert die Dampferzeugung und dadurch die Leistungsabgabe der Dampfturbine.
- Es wäre dementsprechend wünschenswert, ein Kohlenbrennstoff-Gasturbinensystem bereitzustellen, das die dem Vergaser zugeführte komprimierte Luft maximieren würde.
- Dementsprechend besteht die allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung eines Kohlenbrennstoff-Gasturbinensystems, das die zu dem Vergaser gerichtete komprimierte Luft maximiert.
- Kurz gesagt wird diese Aufgabe, sowie andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung, durch ein Verfahren zum Erzeugen von Strom aus einem festen Brennstoff erzielt, das die folgenden Schritte umfaßt: (i) Komprimieren eines sauerstofführenden Gases, (ii) Vergasen des festen Brennstoffs in mindestens einem Teil des komprimierten sauerstofführenden Gases, um ein heißes Gas zu erzeugen, (iii) Lenken eines ersten Teils des heißen Gases zu einer ersten Turbine zur Ausdehnung darin, wodurch Wellenleistung erzeugt und Wäre auf die Turbine übertragen wird, (iv) Kühlen eines zweiten Teils des heißen Gases, um ein gekühltes Gas zu erzeugen, und (v) Lenken des gekühlten Gases zu der Turbine und Übertragen eines Teils der vorher von dem heißen Gas zu der Turbine übertragenen Wärme auf das gekühlte, wodurch die Turbine gekühlt wird.
- Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens umfaßt der Schritt des Vergasens des festen Brennstoffs den Schritt des Fluidisierens des festen Brennstoffs in dem sauerstofführenden Gas, und der Schritt des Kühlens des zweiten Teils des heißen Gases umfaßt das Übertragen von Wärme von dem zweiten Teil des heißen Gases auf Speisewässer, um Dampf zu erzeugen, der dann in einer Dampfturbine ausgedehnt wird.
- Die Erfindung umfaßt außerdem ein Gasturbinensystem zum Erzeugen von Strom aus einem festen Brennstoff, umfassend: (i) einen Kompressor zum Erzeugen einer Strömung von unter Druck stehendem sauerstofführendem Gas, (ii) einen Vergaser mit unter Druck stehender Wirbelschicht zum Vergasen des festen Brennstoffs in mindestens einem Teil des komprimierten sauerstofführenden Gases, um ein heißes Gas zu erzeugen, (iii) eine erste Turbine zum Ausdehnen eines ersten Teils des heißen Gases, wodurch Wellenleistung erzeugt und Wärme auf die Turbine übertragen wird, (iv) ein Mittel zum Kühlen eines zweiten Teils des heißen Gases um ein gekühltes Gas herzustellen, und (v) ein Mittel zum Kühlen der Turbine durch Übertragen eines Teils der vorher auf die Turbine übertragenen Wärme auf das gekühlte Gas.
- Fig. 1 ist ein Schemadiagramm des Kohlenbrennstoff- Gasturbinensystems der vorliegenden Erfindung.
- Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen wird in Fig. 1 ein Schemadiagramm eines integrierten Kohlvergasungs- Gasturbinenkraftwerks gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das Kraftwerk besteht aus einem Kompressor 1, einer Turbine 36, einem Schwelofen 16, einem PCFB- Vergaser 20, einem Heißgasreinigungssystem 22, einem HRSG 24, einer Dampfturbine 26, einem Verflüssiger 28, einem Topping-Combustor 34, einem Wärmetauscher 30, einem Filter 23 und zwei Stromgeneratoren 71 und 72.
- In Betrieb saugt der Kompressor 1 Umgebungsluft 2 an und erzeugt komprimierte Luft 4. Der Kompressor kann herkömmlicherweise vom. Axialströmungstyp sein und abwechselnde Reihen rotierender Schaufeln und stationärer Leitschaufeln verwenden. Die komprimierte Luft 14, die bei der bevorzugten Ausführungsform eine Temperatur im Bereich von etwa 370-425ºC (700-800ºF) und einen Druck von etwa 1600-2100 kPa (230-300 psia) aufweist, wird in drei Ströme 6, 8, 10 aufgeteilt. Der erste Strom 6 wird zu einem Schwelofen 16 gelenkt. Der Schwelofen 16 wird auch mit Kohle 12 versorgt. Unter Verwendung von in der Technik wohlbekannten Verfahren (d. h. einen Pyrolyseprozeß) konvertiert der Schwelofen 16 die Kohle 12 in ein Gas 18 mit einem niedrigen BTU- Wert und ein festes, kohlehaltiges Halbkoks 19. Das Gas 18 mit dem niedrigen BTU-Wert wird wie unten erörtert in dem Topping-Combustor 34 verbrannt, und das Halbkoks wird in einem PCFB-Vergaser 20 vergast.
- Der zweite Strom 8 komprimierter. Luft, der den Hauptteil der komprimierten Luft 4 darstellt, wird zu einem Erhöhungskompressor 3 geleitet, in dem der Druck der Luft ausreichend angehoben wird (z. B. ein Druckanstieg von 140-200 kPa (20-30 psi)), so daß nach Berücksichtigung nachfolgender Druckabfälle immer noch ausreichend Druck vorliegt, um wie unten erörtert Kühlflüssigkeit in die Turbine 36 einzuleiten. Die weiter druckbeaufschlagte Luft 11 wird von dem Erhöhungskompressor 3 dann zu dem PCFB-Vergaser 20 gelenkt.
- Unter Verwendung in der Technik wohlbekannter Verfahren wird die komprimierte Luft 11 in dem PCFB-Vergaser 20 dazu verwendet, ein Bett aus dem Halbkoks 14 in dem Vergasergefäß so zu fluidisieren, daß der Halbkoks in der komprimierten Luft mindestens teilweise verbrannt verbrannt wird. Durch die Verbrennung in dem PCFB- Vergaser 20 entsteht ein heißes Brenngas 40, das eine Temperatur von bis zu 1650ºC (3000ºF) aufweisen kann und das mit teilchenförmigen Stoffen (hauptsächlich Kohleschlacke und Asche) sowie Schwefelspezies (hauptsächlich Wasserstoffsulfid und COS) und Alkalispezies beladen ist, die alle für die Turbinenkomponenten schädlich sein können. Mit in der Technik wohlbekannten Verfahren wird folglich das Gas 40 durch ein Gasreinigungssystem 22 geleitet, in dem ein Hauptteil dieser unerwünschten Bestandteile entfernt werden.
- Das saubere Gas 42 strömt dann durch den HRSG 24, dem unter Druck stehendes Speisewasser 64 zugeführt wird. Mit in der Technik wohlbekannten Verfahren wird in dem HRSG 24 Wärme von dem Gas 42 zu dem Speisewasser 64 übertragen, wodurch das Gas gekühlt und unter Druck stehender Dampf 66 erzeugt werden. Der HRSG 24 kann von dem herkömmlichen Typ mit gerippten Rohren sein, in dem das Speisewasser und der Dampf durch die Rohre und das heiße Gas über die Oberfläche der Rohre strömt. Der aus dem HRSG 24 ausgetragene Dampf 66 wird in zwei Ströme 68 und 70 aufgeteilt. Der erste Strom 70 wird zu dem Topping-Combustor 34 gelenkt. Der zweite Strom 68, der den Hauptteil des Dampfs 66 bildet, wird zu einer Dampfturbine 26 gelenkt die den Dampf ausdehnt und eine Wellenleistung zum Antreiben eines Stromgenerators 72 erzeugt. Der aus der Dampfturbine 26 ausgetragene ausgedehnte Dampf 69 kondensiert in einem Verflüssiger 28 unter Bildung des dem HRSG zugeführten Speisewassers 61.
- Hinter dem HRSG 24 wird das Gas 44, das nun auf etwa 6.50-870ºC (1200-1600ºF) abgekühlt worden ist, in zwei Ströme 46 und 48 unterteilt. Der erste Strom 48 wird dazu verwendet, wie unten erörtert, die Turbine 36 zu kühlen. Der zweite Strom 46, der den Hauptteil des heißen Gases 44 darstellt, wird zu einem Topping- Combustor 34 gelenkt. Der Topping-Combustor 34 ist bevorzugt ein Brenner vom Wirbeltyp mit mehreren Ringen, wie etwa der, der in dem U.S.-Patent Nr. 4,845,940 (Beer) offenbart ist. In dem Topping- Combustor 34 wird das einen niedrigen BTU-Wert aufweisende Gas 18 aus dem Schwelofen 16 in dem gekühlten Gas 46 verbrannt. Der dem Topping-Combustor 34 zugeführte Dampf 70 aus dem HRSG 24 unterstüzt die Reduzierung von Stickstoffoxiden NOx, die als die Atmosphäre verunreinigend angesehen werden.
- Das heiße Gas 63 von dem Topping-Combustor 34 wird dann in der Turbine 36 ausgedehnt, wodurch eine Wellenleistung erzeugt wird, die den Kompressor 1 und einen zweiten Stromgenerator 71 antreibt. Die Turbine 36 kann wie üblich vom Axialströmungstyp sein und abwechsende Reihen stationärer Leitschaufeln und rotierender Schaufeln aufweisen. Das ausgedehnte Gas von der Turbine 36 wird in die Atmosphäre abgegeben. Es könnte aber auch ein zweiter HRSG verwendet werden, um durch Übertragen von Wärme von dem Abgas 62 zusätzlich Dampf zu erzeugen.
- Gemäß einem wichtigen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird mit dem Gasstrom 48 von dem HRSG 24 die Turbine 36 gekühlt. Zunächst wird das Gas 48 in einem Wärmetauscher 30 abgekühlt. Der Wärmetauscher 30 kann von dem Rippen-Gebläse-Typ sein, bei dem das Gas 48 durch die gerippten Rohre strömt, über die durch Gebläse Umgebungsluft gelenkt wird, so daß Wärme von dem Gas auf die Atmosphäre übertragen wird. Das Gas 50 wird bevorzugt auf etwa die gleiche Temperatur wie die von dem Kompressor erzeugte komprimierte Luft von beispielsweise 370-425ºC (700-800ºF) abgekühlt.
- Das gekühlte Gas 50 wird dann von dem Wärmetauscher 30 auf einen Filter 23 gelenkt, der mit einem oder mehreren Filtermedien feine Teilchen entfernt, die von dem Gasreinigungssystem 22 vorher nicht entfernt wurden. Da das Kühlgas zahlreiche kleine Durchgänge in dem Turbinenkühlströmungsweg durchströmen muß, ist es wichtig, daß der Filter 23 soviel teilchenförmige Materie wie möglich entfernt, wodurch sichergestellt wird, daß die Turbinenkühldurchgänge nicht verstopfen.
- Hinter dem Filter 23 wird das Kühlgas 52 dann zu den verschiedenen Komponenten der Turbine 36 verteilt, die dem heißen Gas 63 von dem Topping-Combustor 34 ausgesetzt sind. So können beispielsweise mit dem Kühlgasstrom 54 die sich drehende Welle und die Turbinenschaufeln gekühlt werden, und die Kühlgasströme 56, 58 und 60 können die erste, zweite bzw. dritte Reihe stationärer Leitschaufeln kühlen. Diese Kühlung erfolgt unter Verwendung von in der Technik in herkömmlichen Druckluftkühlsystemen bekannten Verfahren unter Übertragung von Wärme von den Turbinenkomponenten zu dem Kühlgas, beispielsweise durch Leiten des Kühlgases durch zahlreiche kleine Durchgänge, die in den rotierenden Schaufeln und den stationären Leitschaufeln ausgebildet sind.
- Wie in Fig. 1 gezeigt, wird das ganze Gas 48 von dem HRSG 24 zu einem einzelnen Wärmetauscher 30 gelenkt, der die ganze Turbinenkühlflüssigkeit bereitstellt. Das Gas 48 könnte aber auch in eine Reihe separater Ströme unterteilt werden, die jeweils zu einem anderen Wärmetauscher geleitet werden, so daß das in verschiedenen Teilen der Turbine verwendete Kühlgas auf verschiedene Temperaturen gekühlt werden könnte. Außerdem könnten in die verschiedenen Wärmetauscher Druckreduzierventile integriert werden, so daß der Druck des in verschiedenen Teilen der Turbine verwendeten Kühlgases individuell geregelt werden könnte. So könnte beispielsweise das Kühlgas 56 mit dem höchsten Druck und der geringsten Temperatur zu der ersten Reihe stationärer Leitschaufeln in der Turbine, 36 gelenkt werden, während das Kühlgas 60 mit geringerem Druck, aber höherer Temperatur zu der dritten Reihe stationärer Leitschaufeln gelenkt werden könnte, und ein Kühlgas 58 mit mittlerem Druck und mittlerer Temperatur könnte zu der zweiten Reihe rotierender Leitschaufeln gelenkt werden.
- Jedenfalls wird das Kühlgas nach dem Durchströmen der Turbinenkühldurchgänge wie üblich dann in den Heißgasweg der Turbine 36 abgelassen, wodurch sich ein Teil des Abgases 62 bildet.
- Da aus dem Kompressor 1 zum Zweck des Kühlens der Turbine 36 keine komprimierte Luft 4 abgelassen wurde, ist der Massenfluß der zu dem PCFB-Vergaser 20 gelenkten komprimierten Luft 8 und deshalb der Massenfluß des dem HRSG 24 zugeführten heißen Gases maximiert worden. Dadurch wiederum wird der von dem HRSG 24 erzeugte Dampffluß 66 und dadurch die in dem Generator 72 erzeugte elektrische Leistung maximiert, wodurch die Leistung des Systems im Vergleich zu Druckluftkühlsystemen verbessert wird.
- Die vorliegende Erfindung ist unter Bezugnahme auf ein bestimmtes Kohlenbrennstoff-Gasturbinensystem beschrieben worden, doch läßt sich die Erfindung auch auf andere Systeme anwenden, wie etwa Systeme, in denen das Gas von dem PCFB-Vergaser zur Ausdehnung direkt der Turbine zugeführt wird, und zwar ohne Abkühlung in einem HRSG oder Wiederaufheizen in einem Topping- Combustor.
Claims (12)
1. Verfahren zum Erzeugen von Strom aus einem festen
Brennstoff (14), mit den folgenden Schritten:
a) Komprimieren eines sauerstofführenden Gases
(11),
b) Vergasen des festen Brennstoffs in mindestens
einem Teil des komprimierten sauerstofführenden
Gases, um ein heißes Gas (40) zu erzeugen,
c) Lenken eines ersten Teils (46) des heißen Gases
zu einer ersten Turbine (36) zur Ausdehnung darin,
wodurch Wellenleistung erzeugt und Wärme auf die
Turbine übertragen wird;
gekennzeichnet durch:
d) Kühlen eines zweiten Teils (48) des heißen
Gases, um ein gekühltes Gas (50) zu erzeugen, und
e) Lenken des gekühlten Gases zu der Turbine und
Übertragen eines Teils der vorher von dem heißen Gas
zu der Turbine übertragenen Wärme auf das gekühlte
Gas, wodurch die Turbine gekühlt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Schritt des Vergasens des festen Brennstoffs
(14) den Schritt des Fluidisierens des festen
Brennstoffs in dem sauerstofführenden Gas (11)
umfaßt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Schritt des Kühlens des zweiten Teils (48)
des heißen Gases das Übertragen von Wärme von dem
zweiten Teil des heißen Gases zu Speisewasser (64)
zum Erzeugen von Dampf (66) umfaßt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch den
Schritt des Übertragens von Wärme von dem ersten
Teil des heißen Gases (46) zu Speisewasser (64) vor
dessen Ausdehnung, um zusätzlichen Dampf (66) zu
erzeugen.
5. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch den
Schritt des Ausdehnens des Dampfs (68) in einer
zweiten Turbine (26), um zusätzliche Wellenleistung
zu erzeugen.
6. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das heiße Gas
teilchenförmige Materie enthält, und weiterhin
gekennzeichnet durch den Schritt des Leitens
mindestens des zweiten Teils des heißen Gases (48)-
durch einen Filter (23) um mindestens einen Teil der
teilchenförmigen Materie zu entfernen.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß der Schritt des Leitens des zweiten Teils des
heißen Gases durch einen Filter (23) nach dem Kühlen
des heißen Gases durchgeführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin gekennzeichnet
durch die Schritte des Verbrennens eines zweiten
Brennstoffs (18) in dem ersten Teil (46) des heißen.
Gases vor der Ausdehnung in der Turbine (36),
wodurch der erste Teil des heißen Gases weiter
erhitzt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, weiterhin gekennzeichnet
durch den Schritt des Erzeugens des festen
Brennstoffs (14) und des zweiten Brennstoffs (18),
indem Kohle (12) einem Pyrolyseprozeß unterzogen
wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß der Schritt des Verbrennens des zweiten
Brennstoffs (18) das Einmischen eines zweiten Teils
(10) des komprimierten sauerstofführenden Gases (9)
in den ersten Teil (46) des heißen Gases umfaßt.
11. Gasturbinensystem zum Erzeugen von Energie aus einem
festen Brennstoff (14), umfassend:
a) einen Kompressor (1) zum Erzeugen einer
Strömung von unter Druck stehendem
sauerstofführendem Gas (4);
b) ein Mittel (20) zum Vergasen des festen
Brennstoffs (14) in mindestens einem Teil des
komprimierten sauerstofführenden Gases (11), um ein
heißes Gas (40) zu erzeugen;
c) eine erste Turbine (36) zum Ausdehnen eines
ersten Teils des heißen Gases (49), wodurch
Wellenleistung erzeugt und Wärme auf die Turbine
(36) übertragen wird, gekennzeichnet durch
d) ein Mittel (30) zum Kühlen eines zweiten Teils
des heißen Gases (48), um ein gekühltes Gas (50) zu
erzeugen, und
e) ein Mittel zum Kühlen der Turbine (36) durch
Lenken des gekühlten Gases (52) zu der Turbine (36)
und Übertragen eines Teils der vorher durch das
heiße Gas (63) auf die Turbine (36) übertragenen
Wärme auf das gekühlte Gas (52).
12. Gasturbinensystem nach Anspruch 11, dadurch
gekennzeichnet, daß das Mittel (30) zum Kühlen des
zweiten Teils des heißen Gases ein Mittel zum
übertragen von Wärme von dem zweiten Teil des heißen
Gases auf Speisewasser (64) zum Erzeugen von Dampf
(66) umfaßt.
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