DK166923B1 - Fremgangsmaade til at regulere et pfbc-anlaeg ved driftsforstyrrelse i gasturbineaggregatet og et pfbc-anlaeg med udrustning for saadan regulering - Google Patents

Description

i DK 166923 B1

Den foreliggende opfindelse angår en fremgangsmåde til ved driftforstyrrelse i et turbineaggregat, for eksempel ved belastningsbortfald, at regulere et PFBC-kraftanlæg med et i et trykkar indesluttet og af komprimeret forbrændingsluft omsluttet lejekar med et leje af fluidi-5 serbart, parti kel formet materiale og med et af forbrændingsgasser fra lejekarret drevet gasturbine-kompressoraggregat samt med en første afspærringsventil i en tilførelsesledning for drivgas til en turbine, en anden afspærringsventil i en ledning fra en kompressor og en tredje afspærringsventil i en omløbsledning mellem turbinen og kompressoren.

10

Disse driftsforstyrrelser kan være flere forskellige, for eksempel for højt omdrejningstal ved belastningsbortfald, vibrationer, pumpning i en kompressor, fejl i et hjælpesystem eller andre stabilitetsproblemer, som-resulterer i GT-trip (gasturbineaflukning), det vil sige åb-15 ning af en omløbsventil mellem en gasledning til en turbine og en luftledning fra en kompressor og lukning af ventiler i gas- og luftledningen. Hensigten er at beskytte gasturbinen og kompressoren, det vil sige så hurtigt som muligt at bringe omdrejningstal, tryk- og temperaturniveauer ned til ufarlige værdier.

20 Såfremt anlæggets gasturbineaggregat ikke hurtigt kan gå tilbage til normale driftsforhold, for eksempel ved gensynkronisering af en kraftturbines generator, medfører PFCB-anlæggets meget store energiindhold i det varme leje, i det omgivende trykkar og i uforbrændt brændsel i 25 lejet, specielle og vanskeligt håndterbare problemer. Når hurtig genindkobling af en kraftturbines generator til sit kraftnet ikke er mulig, må energiindholdet i lejet og i det uforbrændte brændsel fjernes.

Ved afspærring af turbinen reduceres gasstrømmen gennem lejekarret og turbinen til et niveau, som bestemmes af en uundgåelig lækstrøm i ven-30 ti len i varmgasledningen mellem lejekarret og turbinen. Lufttilførslen til lejet bliver utilstrækkelig for fluidisering af lejet og for fuldstændig forbrænding af brændslet, der befinder sig i lejet. Dette indebærer, at lejet falder sammen med risiko for sammensintring af lejematerialet og dannelse af kulilte CO, hvilket dels indebærer eksplosi-35 onsrisiko og dels indebærer, at lækstrømmen indeholder energi rig, brændbar gas. Forbrænding af denne gas nedstrøms for afspærringsventilen kan medføre en for gasturbinen utilladelig høj gastemperatur, og at energiindholdet kan give turbiner i anlægget utilladeligt højt omdrejningstal .

2 DK 166923 B1

Det har været foreslået at blæse de varme forbrændingsgasser ud fra anlæggets lejekar til atmosfæren. Gasserne har en temperatur på 800 til 900eC og er blandede med ca. 200 ppm støv. Det er svært, eller næsten helt umuligt, at få en ventil, som arbejder ved så høj tempera-5 tur og i et så strengt miljø, til at være tæt. Det er desuden meget svært at rense en stor strøm af gas ved høj temperatur tilfredsstillende. En ventil vil være dyr. Ventilens levetid vil være kort.

I US-A-4.498.285 beskrives et kraftanlæg af den type, som er nævnt 10 indledningsvis. I dette skrift foreslås det at mindske ulemperne ved lækage i afblæsningsventilen. Det foreslås, at der samtidig med afblæsning af forbrændingsgasser også afblæses komprimeret forbrændingsluft fra et trykkar, der omgiver lejekarret.

15 Denne fremgangsmåde er imidlertid forbundet med ulemper. Forbrændingsgasserne blandes med luft og køles, så en ventil i trykkarvæggen ikke udsættes for gasser med ekstrem høj temperatur. Imidlertid vil komprimeret forbrændingsluft for en stor del forbruges til afkøling af forbrændingsgasserne, som forlader lejekarret og ikke passerer lejet.

20 Dette kan indebære, at brændsel i lejet ikke forbrændes fuldstændigt, og at lejematerialet ikke afkøles i ønskværdig grad. De brændbare gasser kan medføre eksplosionsfare. Høj lejetemperatur efter afblæsning kan medføre, at lejematerialet sintrer. I en ventil i lejekarvæggen kan et vist indslip til lejekarret tolereres. Fremgangsmåden er dog 25 ikke helt tilfredsstillende.

I svensk patentansøgning nr. 8604034-2 med publiceringsnummer 458.047 beskrives en fremgangsmåde til at afhjælpe problemerne gennem, ved afspærring af turbinen, at tilføre lejekarret en inaktiv gas, fortrins-30 vis kvælstof, så ilttilførelsen til lejet afbrydes og dermed forbrændingen, for at forhindre dannelse af kulilte og dermed eliminere eksplosionsrisikoen.

Det er formålet med den foreliggende opfindelse at anvise en frem-35 gangsmåde til at regulere et PFBC-anlæg ved driftsforstyrrelser i gasturbineaggregatet, og som af hjælper de ulemper, som er forbundet med ovennævnte kendte teknik.

Dette opnås med en fremgangsmåde, der er særpræget ved, at kompressor- 3 DK 166923 B1 turbineaggregatet isoleres fra lejekarret og kortsluttes ved lukning af ventilerne i tilførelsesledningen henholdsvis ledningen og ved åbning af ventilen i omløbsledningen, at forbrændingsgasser dumpes til atmosfæren via en udblæsningsventil, og at disse forbrændingsgasser ® køles ved indsprøjtning af kølevæske opstrøms udblæsningsventilen.

Ved en driftforstyrrelse, som medfører belastningsbortfald, isoleres de i anlægget indgående gasturbiner eller gasturbiner og forbrændingsluftkompressorer på kendt måde fra lejekarret, henholdsvis trykkarret, som omgiver lejekarret, idet ventilen i varmgasledningen mellem lejekarret og turbinen eller turbinerne og i luftledningen mellem kompressoren og trykkarret lukkes. Samtidig åbnes en omløbsventil i en omløbsledning mellem luftledningen og varmgasledningen, så luft fra kompressoren ledes direkte til turbinen. Da energitilførslen fra leje-15 karret afbrydes, forhindres turbinen i at løbe løbsk. Der eksisterer en vis reststrøm gennem ventilen i varmgasledningen da fuldstændig tætning ikke kan opnås i en ventil, som udsættes for varm gas med en temperatur mellem 800 og 950®C. For at nedlukke kraftanlægget ved et driftstop, må resterende brændsel i lejet forbrændes og lejet afkøles.

20 Gas fra lejekarret dumpes med en passende kapacitet til atmosfæren via en ledning med udblæsningsventilen, der udgår direkte fra lejekarret, eller som udgår fra lejekarret til turbinen. Herved kan lejet holdes fluidiseret i den første del af dumpningen, således at sintring undgås. I ledningen fra lejekarret henholdsvis i den sidstnævnte ledning, 25 findes en indsprøjtningsanordning for kølemiddel, gennem hvilken køle middel ved dumpningen af forbrændingsgasserne indsprøjtes i en sådan mængde, at gasserne afkøles effektivt, inden de når udblæsningsventilen, som derfor har lang levetid. Fortrinsvis indsprøjtes kølemiddel i en sådan mængde, at gasserne afkøles til en temperatur under 400eC.

30 Ved afkøling til under 40CTC kan ventiler med tilfredsstillende tætningsfunktioner og levetid opnås til rimelige omkostninger. Kølemidlet kan også indsprøjtes i andre dele af anlægget, for eksempel i ledninger umiddelbart efter cykloner eller i lejekarrets fribord.

35 Kølevandet til indsprøjtning i udblæsnings- eller dumpningsledningen opbevares passende i en med gas under tryk sat beholder. Denne står i forbindelse med indsprøjtningsanordningen via en ledning med en ventil, som håndteres ved hjælp af en styreanordning, som er tilsluttet kraftanlæggets styreudrustning. Fortrinsvis anvendes vand som køl emid- DK 166923 Bl 4 del, men også andre væsker, for eksempel flydende kvælstof, er tænkelige.

Opfindelsen angår ligeledes et PFBC-kraftanlæg, der omfatter et tryk-5 kar, et i trykkarret indesluttet lejekar, mindst en gasturbine, en ledning mellem lejekarret og turbinen med en første ventil, en af turbinen drevet kompressor, en ledning mellem kompressoren og trykkarret med en anden ventil og en omløbsledning mellem kompressoren og turbinen med en tredje ventil, særpræget ved, at det omfatter en fra leje-10 karret eller fra en ledning mellem lejekarret og turbinen udgående ledning med en udblæsningsventil for dumpning af forbrændingsgasser ved en driftforstyrrelse, en anordning i sidstnævnte ledning for indsprøjtning af kølevæske i gasstrømmen ved dumpningen af forbrændingsgasser og en anordning til at tilføre indsprøjtningsanordningen køle-15 væske under højt tryk.

Opfindelsen skal i det følgende forklares nærmere under henvisning til tegningen, hvor 20 fig. 1 viser et anlæg med vandindsprøjtningsanordninger i lejekarrets fribord og i gasledninger efter cykloner, og fig. 2 viser et anlæg med en vandindsprøjtningsanordning i en fra lejekarret direkte udgående udblæsningsledning.

25 I figurerne betegner 10 et trykkar. I dette findes et lejekar 12 og et rensningsanlæg, som symboliseres af to seriekoblede cykloner 14 og 15.

I virkeligheden består rensningsanlægget af et antal parallel koblede grupper af seriekoblede cykloner. Et rum 16 mellem trykkarret 10 og lejekarret 12 indeholder komprimeret forbrændingsluft. Trykket kan væ-30 re op til 2 MPa eller mere. Forbrændingsluft tilføres lejekarret 12 via mundstykket 18 i bunden 20. Denne luft fluidi serer lejet 22 i lejekarret 12's nedre del og forbrænder et brændsel, sædvanligvis kul, som tilføres lejet 22 fra et ikke-vist brændselsforråd via ledningen 24. I lejet 22 findes rør 26, som frembringer damp til en ikke-vist 35 dampturbine, som driver en generator. Forbrændingsgasserne samles i fribordet 28 og føres i ledninger 30 og 31 til cyklonerne 14 og 15.

Der findes et antal parallel koblede grupper af cykloner 14 og 15. Fra cyklonen 15 føres de varme gasser i en ledning 32 til en højtryksturbine 34, fra denne i en ledning 36 til en lavtryksturbine 38 og herfra DK 166923 B1 5 · videre i en ledning 40 til en economiser 42, et filter 44 og gennem en skorsten 46 videre til atmosfæren.

Højtryksturbinen 34 driver en kompressor 48. Via en ledning 50 tilfø-5 res rummet 16 komprimeret forbrændingsluft. Lavtryksturbinen 38 driver en generator 52. I varmgasledningen 32 findes en afspærringsventil 54 med en styreanordning 56. I ledningen 50 fra kompressoren 48 findes en afspærringsventil 58 med en styreanordning 60. Mellem ledningerne 32 og 50 findes en omløbsledning 62 med en omløbsventil 64, som håndteres 10 med en styreanordning 66.

I udførelsesformen ifølge figur 1 udgår en ledning 68 for dumpning af forbrændingsgasser fra lejekarret 12, varmgasledningen 32 mellem cyklonen 15 og turbinen 34 og udmunder i economiseren 42. I ledningen 68 15 findes mindst en dumpningsventil 72 med en styreanordning 74. Sædvanligvis er to ventiler indrettet i serie af sikkerhedshensyn. I dumpningsledningen 68 findes en anordning 70 med et mundstykke 71 for indsprøjtning af kølevandet. Desuden findes en vandindsprøjtningsanordning 70' med et mundstykke 71' i ledningen 31 mellem cyklonerne 14 og 20 15 og en vandindsprøjtningsanordning 83 med et mundstykke 87 i leje karret 12's fribord 28. Indsprøjtning af kølevandet i lejekarret 12's fribord 28 indebærer lang opholdstid af indsprøjtet vand i de varme gasser for fordampning og god omblanding i cykloner. Indsprøjtning af kølevandet i indsprøjtningsanordningen 70 kan derved begrænses. Et 25 anlæg kan udføres med en eller flere af de viste vandindsprøjtningsanordninger 70,70' og 83.

Vandindsprøjtningsanordningerne 70,70' og 83 er via en ledning 80, en ventil 82 med en styreanordning 84 og ledninger 81,81' og 85 til siat-30 tet til en under tryk sat kølevandstank 78. Vandtanken står via en ledning 86 i forbindelse med en trykgaskilde 88. Fortrinsvis anvendes kvælstof. I ledningen 86 findes en ventil 90 med en styreanordning 92. Ventilerne 54,58,64,72,82 og 90's styreanordninger 56,60,66,74,84 og 92 er med ledninger 100-105 tilsluttet til en styreenhed 110, der ud-35 gør en del af den centrale styreudrustning for anlægget. En temperaturmåler 112 i dumpningsledningen 68 er forbundet med styreenheden via en ledning 114.

Ved udførelsesformen ifølge figur 2 er dumpningsledningen 68 direkte 6 DK 166923 B1 forbundet med lejekarret 12's fribord 28. Mellem dumpningsventilen 72 og economiseren 42 findes en gasrenser 76 for udskillelse af støv.

Ved driftforstyrrelse, eksempelvis et belastningsbortfald med gastur-5 binetrip, stoppes brændsel stil førelsen til lejet og ventilerne 54 og 58 i varmgasledningen 32 henholdvis i luftledningen 50 afspærres, så turbinerne 34 og 38 og kompressoren 48 isoleres fra lejekarret 12 henholdsvis fra trykkarret 10. Samtidig åbnes omløbsventilen 64 i omløbsledningen 62, så luften fra kompressoren 48 strømmer direkte til tur-10 binen 34. Idet energitilførelsen fra lejekarret 12 afbrydes, forhindres kraftturbinen 38 i at løbe løbsk. Derefter åbnes ventilen 72 og forbrændingsgasserne dumpes fra lejekarret 12. Ventilen 82 åbnes samtidigt, og kølevandet sprøjtes ind i varmgasstrømmen gennem mundstykkerne 71,-71' og 87 i vandindsprøjtningsanordninger 70,70' og 83 i den 15 i figur 1 viste udførelsesform. Vandet fordampes og sænker temperaturen i gasserne, inden disse når udblæsningsventilen 72. Støv udskilles i cyklonerne 14,15 eller i renseren 76. Gasserne afkøles i economiseren 42 til en for filteret 44 acceptabel temperatur, hvorefter de ledes til skorstenen 46.

20

Hvis samme mængde vand indsprøjtes pr. tidsenhed under hele tryksænkningsforløbet, falder gastemperaturen ved den successivt aftagende gasstrøm. Derfor bør kølevandsstrømmen reguleres. Passende reguleres vandindsprøjtningen med ventilen 82, så gassernes temperatur ved ind-25 førelsen i economiseren 42 er lig med eller ligger noget under temperaturen i udgangsgasserne fra turbinen ved normal drift, ca. 400eC.

Der opnås mindst temperaturbelastning på economiseren 42 ved en udblæsning af forbrændingsgasserne fra lejekarret 12.

30 Kapaciteten i dumpningsledningen 68 vælges, så tilstrækkelig fluidise-ring af lejet 22 opnås. Under første del af dumpningen forbrændes resterende brændsel i lejet 22. Når brændslet er forbrugt, afkøler den gennem lejet 22 strømmende luft lejematerialet. Også rørerne 26, gennem hvilke vandet og dampen strømmer, bidrager sideløbende til at af-35 køle lejematerialet. Når den komprimerede forbrændingsluft i rummet 16 er forbrugt, er lejematerialet afkølet i en sådan grad, at risikoen for sammensintring er elimineret. Det er let at indse, at udførelsesformerne i figur 1 og 2 også kan kombineres på mange måder.

Claims (9)

1. 7 DK 166923 B1 PATENTKRAV..
2. 1. Fremgangsmåde til ved driftforstyrrelse i et turbineaggregat, for eksempel ved belastningsbortfald, at regulere et PFBC-kraftanlæg med 5 et i et trykkar (10) indesluttet og af komprimeret forbrændingsluft omsluttet lejekar (12) med et leje (22) af fluidiserbart, partikelformet materiale og med et af forbrændingsgasser fra lejekarret (12) drevet gasturbine-kompressoraggregat (34,38,48) samt med en første afspærringsventil (54) i en tilførelsesledning (32) for drivgas til en 10 turbine (34), en anden afspærringsventil (58) i en ledning (50) fra en kompressor (48) og en tredje afspærringsventil (64) i en omløbsledning (62) mellem turbinen (34) og kompressoren (48), kendetegnet ved, at kompressor-turbineaggregatet (34,38,48) isoleres fra lejekarret (12)-og kortsluttes ved lukning af ventilerne (54,58) i til føre!-15 sesledningen (32) henholdsvis ledningen (50) og ved åbning af ventilen (64) i omløbsledningen (62), at forbrændingsgasser dumpes til atmosfæren via en udblæsningsventil (72), og at disse forbrændingsgasser køles ved indsprøjtning af kølevæske opstrøms udblæsningsventilen (72).
3. 2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at en sådan mængde kølemedie tilføres, at forbrændingsgasserne afkøles til en temperatur, der ligger under 400°C.
4. 3. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at køleme-25 diestrømmen reguleres, så gasserne nedstrøms kølemedieindsprøjtningen opnår konstant temperatur under udblæsningsforløbet.
5. 4. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at køleme-diestrømmen reguleres, så gasserne nedstrøms kølemedieindsprøjtni ngen 30 opnår en temperatur, der ligger under ca. 400°C, men som overstiger iltdugpunktet (120-180eC).
6. 5. Fremgangsmåde ifølge ethvert af de foregående krav, kendetegnet ved, at kølemediet udgøres af vand. 35
7. 6. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at kølemediet tilføres fra en konstant under tryk sat kølemediebeholder. 1 PFBC-kraftanlæg, der omfatter et trykkar (10), et i trykkarret (10) 8 DK 166923 B1 indesluttet lejekar (12), mindst en gasturbine (34), en ledning (32) mellem lejekarret (12) og turbinen (34) med en første ventil (54), en af turbinen drevet kompressor (48), en ledning (50) mellem kompressoren (48) og trykkarret (10) med en anden ventil (58) og en omløbsled-5 ning (62) mellem kompressoren (48) og turbinen (34) med en tredje ventil (64), kendetegnet ved, at det omfatter en fra lejekarret (12) eller fra en ledning (32) mellem lejekarret (12) og turbinen (34) udgående ledning (68) med en udblæsningsventil (72) for dumpning af forbrændingsgasser ved en driftforstyrrelse, en anordning (70,71) i 10 sidstnævnte ledning (68) for indsprøjtning af kølevæske i gasstrømmen ved dumpningen af forbrændingsgasser og en anordning (78) til at tilføre indsprøjtningsanordningen (70,70') kølevæske under højt tryk.
8. 8. PFBC-kraftanlæg ifølge krav 7, kendetegnet ved, at det 15 omfatter en anordning (83) for indsprøjtning af kølemedie i lejekarrets (12) fribord (28).
9. 9. PFBC-kraftanlæg ifølge krav 7, kendetegnet ved, at en vandindsprøjtningsanordning (70,70') for kølevandet via en ledning 20 (80) med en ventil (82) er forbundet med en med gas under tryk sat vandbeholder (78). 25 30 35