EP3650757A1 - Gasturbine und verfahren zum betreiben einer gasturbine - Google Patents

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EP3650757A1
EP3650757A1 EP18205178.9A EP18205178A EP3650757A1 EP 3650757 A1 EP3650757 A1 EP 3650757A1 EP 18205178 A EP18205178 A EP 18205178A EP 3650757 A1 EP3650757 A1 EP 3650757A1
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EP
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burner
gas turbine
gas
hydrogen
fuel
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Withdrawn
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EP18205178.9A
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English (en)
French (fr)
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Erik Wolf
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/30—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply comprising fuel prevapourising devices

Definitions

  • the invention relates to a gas turbine and a method for operating a gas turbine.
  • burner systems have been used for a high fuel flexibility of the gas turbines, which can offer a wide range of fuels from natural gas to hydrogen-rich synthesis gases or alternative fuels.
  • the hydrogen content may typically not exceed 60%.
  • the nitrogen oxide values rise sharply and the reaction and thus the flame speed of the fuel gas mixture increases.
  • the flame speed In order to protect the burner hardware, the flame speed must not exceed a certain value in order to avoid the risk of a flashback into the burner, which would be destroyed in the process.
  • Another difficulty of the burner systems for fuel mixtures is that the combustion properties of the hydrogen-natural gas mixture differ from the combustion properties of the pure natural gas.
  • the proportion of hydrogen in the hydrogen-natural gas mixture also influences the combustion properties.
  • the shape and behavior of the flame changes within the combustion chamber. This can disadvantageously damage the burner and the combustion chamber.
  • the object of the invention is therefore to provide a gas turbine with a burner system and a method for operating the gas turbine which can be operated flexibly in different proportions with hydrogen and conventional fuels and overcomes the problems mentioned.
  • the object is achieved with a gas turbine according to claim 1 and a method for operating a gas turbine according to claim 6.
  • a gas turbine according to the invention comprises at least a first burner for a first fuel gas and at least a second burner for a second fuel gas.
  • the structure of the first burner and the second burner are different.
  • the first burner can be operated with a conventional fuel gas. Natural gas in particular is considered here as a conventional fuel gas.
  • the second burner can be operated with hydrogen.
  • the second burner can be operated with pure hydrogen or with a hydrogen mixture, wherein the mixture can also comprise nitrogen, carbon dioxide and / or water in addition to the hydrogen.
  • the gas turbine which comprises a first and a second burner, is operated such that the first burner is operated with a first fuel and the second burner with a second fuel, the second fuel being hydrogen.
  • Both the first and the second fuel can represent pure components or mixtures of substances.
  • the burners individually by using at least two different burner structures adapt to the properties of the fuel used.
  • the flashback of flames is advantageously avoided by the second burner adapted to the hydrogen.
  • the nitrogen oxide emissions are lower due to the adapted burner.
  • the second burner is a pore burner.
  • Pore burners use microporous structures through which the fuel gas flows, exits finely divided and then mixes and reacts with air. Combustion air and fuel are fed separately, so that advantageously no flashback is possible.
  • the second burner can be an arrangement of macroscopic small burners, similar to micromixing chamber burners or matrix burners. These burners produce a lot of small flames. The combustion can take place without gas premixing. Few nitrogen oxides are therefore advantageously produced. Another advantage is that these small burners are safe against flashback.
  • the second burner can comprise an arrangement of catalytically active material.
  • this type of burner there is a surface reaction between the fuel and the atmospheric oxygen. Few to no nitrogen oxides are therefore advantageously produced.
  • this type of burner is safe against flashback.
  • the second burner can be a DOC burner.
  • These burners are characterized by flameless combustion. The combustion takes place in a volume reaction. Few nitrogen oxides are therefore advantageously produced. It is also advantageous that these burners are safe against flashback.
  • All these types of burners can advantageously be designed such that they are used in a conventional gas turbine. It is also possible to use at least three different types of burners in a gas turbine.
  • the total number of first and second burners is in a range between 5 and 50.
  • the number of burners is predetermined depending on the gas turbine type. The more burners, the fewer the steps of the possible mixing ratios between the first fuel and the second fuel.
  • the first and / or second burner are interchangeable. It is advantageously possible to adapt the gas turbine to new fuels or fuel mixtures with very little adjustments to the gas turbine itself.
  • the gas turbine comprises a control system which sets a first amount of fuel gas for the first burner and / or a second amount of fuel gas for the second burner.
  • the gas turbine can then react advantageously to small fluctuations by means of the control system and adapt the amount of fuel gas accordingly.
  • the hydrogen is produced in a water electrolyser by means of electrolysis. It can be a chlor-alkali electrolysis or an electrolysis with a proton exchange membrane (PEM electrolysis).
  • electrolysis a chlor-alkali electrolysis or an electrolysis with a proton exchange membrane (PEM electrolysis).
  • PEM electrolysis proton exchange membrane
  • electrical energy can advantageously be stored by splitting water into hydrogen and oxygen. The hydrogen can then be stored and, in times with little sun and / or wind, converted into mechanical energy by means of the gas turbine.
  • the first and the second burner can be operated with essentially the same pressure loss. This advantageously makes it possible to replace the burners and to make few or no changes to the operating parameters of the gas turbine, in particular the fuel throughput.
  • FIG. 1 shows schematically a gas turbine with a first and a second burner.
  • the gas turbine 1 comprises a compressor 4, a plurality of first burners 2 and a second burner 3. It also comprises a turbine 5.
  • the gas turbine 1 comprises an air inlet 6, through which air can be fed in for the first burners 2.
  • the gas turbine 1 also includes a hydrogen inlet 7, into which hydrogen can be fed for the second burner 3.
  • the gas turbine further comprises connecting flanges 10, which firmly connect the burners to the turbine 5.
  • the first burner 2 and the second burner 3 can both be connected to the connecting flanges 10.
  • both are the first burner 2 and also the second burner 3 are compatible with the gas turbine and can be connected to the gas turbine without structural changes.
  • the first burners 2 and second burners 3 can thus advantageously be replaced as required, in particular in the case of modernization measures.
  • the second burner 3 is in particular an arrangement of macroscopic small burners. Such a burner creates many small flames. The combustion can take place without gas premixing. Few nitrogen oxides are therefore advantageously produced. Another advantage is that the burner is safe against flashback.
  • the gas turbine 1 is configured as a tube-ring combustor.
  • the gas turbine it is also possible to design the gas turbine with an annular combustor.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gasturbine, welche wenigstens einen ersten Brenner für ein erstes Brenngas und wenigstens einen zweiten Brenner für ein zweites Brenngas umfasst. Dabei sind der erste Brenner und der zweite Brenner im Aufbau unterschiedlich. Der erste Brenner ist mit einem konventionellen Brenngas betreibbar. Als konventionelles Brenngas wird hier insbesondere Erdgas betrachtet. Der zweite Brenner ist mit Wasserstoff betreibbar. Die Gasturbine, die einen ersten und einen zweiten Brenner umfasst, derart betrieben, dass der erste Brenner mit einem ersten Brennstoff und der zweite Brenner mit einem zweiten Brennstoff betrieben wird, wobei der zweite Brennstoff Wasserstoff ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Gasturbine und ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine.
  • Die Verfügbarkeit fossiler Brennstoffe, insbesondere Erdgas, als Treibstoff für Gasturbinen ist begrenzt. Gleichzeitig werden im Rahmen des Erschließens von erneuerbaren Energiequellen in Zeiten mit viel Sonne und viel Wind, also mit überdurchschnittlichem Solarstrom oder Windkrafterzeugung, Wertstoffe erzeugt. Dieser Wertstoff kann insbesondere Wasserstoff sein, welcher mit Wasserelektrolyseuren erzeugt wird. In modernen Gasturbinen ist Wasserstoff als Treibstoff bereits im Einsatz.
  • Bisher wurden für eine hohe Brennstoffflexibilität der Gasturbinen Brennersysteme eingesetzt, die ein großes Brennstoffspektrum von Erdgas bis hin zu wasserstoffreichen Synthesegasen oder alternativen Brennstoffen bieten können. Bei diesen Brennersystemen darf der Wasserstoffanteil typischerweise nicht mehr als 60 % betragen. Bei höheren Wasserstoffanteilen steigen die Stickoxidwerte stark an und es erhöht sich die Reaktions- und damit die Flammengeschwindigkeit der Brenngasmischung. Um die Brennerhardware zu schützen, darf die Flammengeschwindigkeit einen bestimmten Wert nicht überschreiten, um die Gefahr eines Flammenrückschlages in den Brenner, der dabei zerstört würde, zu vermeiden.
  • Eine weitere Schwierigkeit der Brennersysteme für Brennstoffmischungen, besteht darin, dass die Verbrennungseigenschaften des Wasserstoff-Erdgasgemisches sich von den Verbrennungseigenschaften des reinen Erdgases unterscheiden. Auch der Wasserstoffanteil im Wasserstoff-Erdgasgemisch hat Einfluss auf die Verbrennungseigenschaften. Insbesondere ändert sich die Form und das Verhalten der Flamme innerhalb der Brennkammer. Dies kann in nachteiliger Weise den Brenner und die Brennkammer beschädigen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher eine Gasturbine mit einem Brennersystem und ein Verfahren zum Betreiben der Gasturbine anzugeben, welche mit Wasserstoff und konventionellen Brennstoffen in unterschiedlichen Anteilen flexibel betrieben werden kann und die genannten Probleme überwindet.
  • Die Aufgabe wird mit einer Gasturbine gemäß Anspruch 1 und einem Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine gemäß Anspruch 6 gelöst.
  • Eine erfindungsgemäße Gasturbine umfasst wenigstens einen ersten Brenner für ein erstes Brenngas und wenigstens einen zweiten Brenner für ein zweites Brenngas. Dabei sind der erste Brenner und der zweite Brenner im Aufbau unterschiedlich. Der erste Brenner ist mit einem konventionellen Brenngas betreibbar. Als konventionelles Brenngas wird hier insbesondere Erdgas betrachtet. Der zweite Brenner ist mit Wasserstoff betreibbar.
  • In anderen Worten heißt das, dass der zweite Brenner mit reinem Wasserstoff oder mit einem Wasserstoffgemisch betrieben werden kann, wobei das Gemisch neben dem Wasserstoff auch Stickstoff, Kohlendioxid und/oder Wasser umfassen kann.
  • Erfindungsgemäß wird die Gasturbine, die einen ersten und einen zweiten Brenner umfasst, derart betrieben, dass der erste Brenner mit einem ersten Brennstoff und der zweite Brenner mit einem zweiten Brennstoff betrieben wird, wobei der zweite Brennstoff Wasserstoff ist.
  • Sowohl der erste als auch der zweite Brennstoff können reine Komponenten oder Stoffgemische darstellen.
  • Vorteilhaft ist es durch den Einsatz von wenigstens zwei unterschiedlichen Brenneraufbauten möglich, die Brenner individuell an die Eigenschaften des eingesetzten Brennstoffs anzupassen. Das Zurückschlagen von Flammen wird vorteilhaft durch den an den Wasserstoff angepassten zweiten Brenner vermieden. Des Weiteren sind die Stickoxidemissionen, durch den angepassten Brenner niedriger.
  • Weiterhin ist es im Sinne der Erfindung auch möglich mehr als zwei unterschiedliche Brenner in der Gasturbine anzuordnen. So können neue Brennstoffe oder auch Brennstoffgemische in einem dritten Brenner in der Gasturbine verbrannt werden. Die Gasturbine kann also individuell an neue Brennstoffe angepasst werden, ohne dass das komplette Layout der Gasturbine verändert werden muss. Es ist vorteilhaft lediglich ein an den neuen Brennstoff angepasster Brenner nötig.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung ist der zweite Brenner ein Porenbrenner. Porenbrenner nutzen mikroporöse Strukturen, durch die das Brenngas strömt, feinverteilt austritt und sich anschließend mit Luft vermischt und reagiert. Verbrennungsluft und Brennstoff werden separat geführt, so dass vorteilhaft kein Flammenrückschlag möglich ist.
  • In einer weiteren alternativen Ausgestaltung kann der zweite Brenner eine Anordnung aus makroskopischen Kleinstbrennern, ähnlich Mikromischkammer-Brennern oder Matrix-Brennern sein. Diese Brenner erzeugen viele kleine Flammen. Die Verbrennung kann ohne eine Gasvormischung erfolgen. Vorteilhaft entstehen daher wenige Stickoxide. Vorteilhaft ist weiterhin, dass diese Kleinstbrenner gegen Flammenrückschlag sicher sind.
  • In einer weiteren alternativen Ausgestaltung kann der zweite Brenner eine Anordnung aus katalytisch aktivem Material umfassen. Bei dieser Brennerart erfolgt eine Oberflächenreaktion zwischen dem Brennstoff und dem Luftsauerstoff. Vorteilhaft entstehen daher wenige bis keine Stickoxide. Vorteilhaft ist weiterhin, dass diese Art von Brennern gegen Flammenrückschlag sicher ist.
  • In einer weiteren alternativen Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung kann der zweite Brenner ein DOC-Brenner sein. Diese Brenner zeichnen sich durch eine flammenlose Verbrennung aus. Die Verbrennung findet in einer Volumenreaktion statt. Vorteilhaft entstehen daher wenige Stickoxide. Vorteilhaft ist weiterhin, dass diese Brenner gegen Flammenrückschlag sicher sind.
  • Vorteilhaft können all diese Brennerarten derart ausgestaltet werden, dass sie in einer konventionellen Gasturbine eingesetzt werden. Es ist außerdem möglich wenigstens drei unterschiedliche Brennerarten in einer Gasturbine einzusetzen.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung liegt eine Gesamtanzahl der ersten und zweiten Brenner in einem Bereich zwischen 5 bis 50. Grundsätzlich ist die Anzahl der Brenner abhängig vom Gasturbinentyp vorgegeben. Je mehr Brenner, desto geringer sind die Schritte der möglichen Mischungsverhältnisse zwischen dem ersten Brennstoff und dem zweiten Brennstoff.
  • In einer weiteren Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung sind der erste und/oder zweite Brenner austauschbar. Vorteilhaft ist so ein Anpassen der Gasturbine an neue Brennstoffe oder Brennstoffgemische mit sehr geringen Anpassungen der Gasturbine selbst möglich.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung umfasst die Gasturbine ein Regelungssystem, welches eine erste Brenngasmenge für den ersten Brenner und/oder eine zweite Brenngasmenge für den zweiten Brenner einstellt. Die Gasturbine kann dann vorteilhaft auf geringe Schwankungen mittels des Regelungssystems reagieren und die Brenngasmenge entsprechend anpassen.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung wird der Wasserstoff in einem Wasser-Elektrolyseur mittels Elektrolyse hergestellt. Es kann sich um eine Chlor-Alkali-Elektrolyse oder um eine Elektrolyse mit eine Protonen-Austausch-Membran (PEM-Elektrolyse handeln). Vorteilhaft lässt sich in Zeiten mit viel Sonne und/oder Wind elektrische Energie speichern, indem man Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff spaltet. Der Wasserstoff kann dann gespeichert werden und in Zeiten mit wenig Sonne und/oder Wind mittels der Gasturbine wiederum in mechanische Energie umgewandelt werden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung sind der erste und der zweite Brenner bei einem im Wesentlichen gleichen Druckverlust betreibbar. Vorteilhaft ermöglicht dies, die Brenner auszutauschen und dabei an den Betriebsparametern der Gasturbine, insbesondere dem Durchsatz des Brennstoffs, wenige oder keine Änderungen vornehmen zu müssen.
  • Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegende Figur. Die Figur zeigt schematisch eine Gasturbine mit einem ersten und einem zweiten Brenner.
  • Die Gasturbine 1 umfasst einen Verdichter 4, mehrere erste Brenner 2 und einen zweiten Brenner 3. Sie umfasst weiterhin eine Turbine 5. Die Gasturbine 1 umfasst einen Lufteinlass 6, durch welchen Luft für die ersten Brenner 2 zuführbar ist. Die Gasturbine 1 umfasst ebenso einen Wasserstoffeinlass 7, in welchen Wasserstoff für den zweiten Brenner 3 zuführbar ist.
  • Die Gasturbine umfasst weiterhin Verbindungsflansche 10, welche die Brenner fest mit der Turbine 5 verbinden. Die ersten Brenner 2 und der zweite Brenner 3 sind beide mit den Verbindungsflanschen 10 verbindbar. In anderen Worten sind sowohl der erste Brenner 2 als auch der zweite Brenner 3 mit der Gasturbine kompatibel und ohne bauliche Änderungen an der Gasturbine mit dieser verbindbar. Somit können vorteilhaft die ersten Brenner 2 und zweiten Brenner 3 nach Bedarf, insbesondere bei Modernisierungsmaßnahmen, ausgetauscht werden.
  • Der zweite Brenner 3 ist insbesondere eine Anordnung aus makroskopischen Kleinstbrennern. Ein solcher Brenner erzeugt viele kleine Flammen. Die Verbrennung kann ohne eine Gasvormischung erfolgen. Vorteilhaft entstehen daher wenige Stickoxide. Vorteilhaft ist weiterhin, dass der Brenner sicher gegen Flammenrückschlag ist.
  • Die Gasturbine 1 ist in diesem Beispiel als Rohr-Ring-Brenner (engl.: "cane-annular-combustor") ausgestaltet. Es ist aber alternativ ebenso möglich, die Gasturbine mit einer Ringbrennkammer (eng.: annular combustor) auszugestalten.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Gasturbine
    2
    erster Brenner
    3
    zweiter Brenner
    4
    Verdichter
    5
    Turbine
    6
    Lufteinlass
    7
    Wasserstoffeinlass
    10
    Verbindungsflansch

Claims (12)

  1. Gasturbine (1) umfassend wenigstens einen ersten Brenner (2) für ein erstes Brenngas und wenigstens einen zweiten Brenner (3) für ein zweites Brenngas, wobei der erste Brenner (2) und der zweite Brenner (3) im Aufbau unterschiedlich sind, der erste Brenner (2) mit einem konventionellen Brenngas betreibbar ist und der zweite Brenner (3) mit Wasserstoff betreibbar ist.
  2. Gasturbine (1) gemäß Anspruch 1, wobei der zweite Brenner (3) ein Porenbrenner ist.
  3. Gasturbine (1) gemäß Anspruch 1, wobei der zweite Brenner (3) eine Anordnung aus makroskopischen Kleinstbrennern darstellt.
  4. Gasturbine (1) gemäß Anspruch 1, wobei der zweite Brenner ein katalytischer Brenner ist.
  5. Gasturbine (1) gemäß Anspruch 1, wobei der zweite Brenner ein DOC-Brenner ist.
  6. Gasturbine (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eine Gesamtanzahl der ersten (2) und zweiten Brenner (3) in einem Bereich zwischen 5 bis 50 liegt.
  7. Gasturbine (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der erste (2) und/oder zweite (3) Brenner austauschbar ist.
  8. Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine (1), wobei die Gasturbine (1) wenigstens einen ersten (2) und wenigstens einen zweiten Brenner (3) umfasst, wobei der erste Brenner (2) mit einem ersten Brenngas betrieben wird und der zweite Brenner (3) mit Wasserstoff als zweitem Brenngas betrieben wird.
  9. Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei die Gasturbine (1) ein Regelungssystem umfasst, welche eine erste Brenngasmenge für den ersten Brenner (2) und/oder eine zweite Brenngasmenge für den zweiten Brenner (3) einstellt.
  10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei der Wasserstoff in einem Wasser-Elektrolyseur mittels Elektrolyse von Wasser hergestellt wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei der erste (2) und der zweite Brenner (2) bei einem im Wesentlichen gleichen Druckverlust betrieben wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei der zweite Brenner mit reinem Wasserstoff oder mit einem Wasserstoff umfassenden Gemisch betrieben wird.
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Citations (5)

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