EP4766934A1 - Abgasarme gasturbinenanlage für spitzenlast und verfahren - Google Patents

Abgasarme gasturbinenanlage für spitzenlast und verfahren

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EP4766934A1
EP4766934A1 EP24765968.3A EP24765968A EP4766934A1 EP 4766934 A1 EP4766934 A1 EP 4766934A1 EP 24765968 A EP24765968 A EP 24765968A EP 4766934 A1 EP4766934 A1 EP 4766934A1
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anlage zumindest aufweisend eine Gasturbine, einen Generator, einen Schornstein (16), in den das heiße Abgas der Gasturbine geleitet werden kann, einen Katalysatorabschnitt (39) im Schornstein (16), wobei Düsen (36) vor dem Katalysatorabschnitt (39) angeordnet sind, die eine Flüssigkeit eindüsen können, um die Temperatur des heißen Abgases der Gasturbine reduzieren zu können, optional eine Dampfturbine und Abhitzekessel (HRSG).

Description

Abgasarme Gasturbinenanlage für Spitzenlast und Verfahren
Die Erfindung betrifft eine abgasarme Anlage mit einer Gasturbine (GT), die auch zu Spitzenlasten (Peaker) betrieben werden kann und ein Verfahren.
Durch die verschärften Anforderungen der Politik und des Marktes bezüglich weiterer Erhöhung der Flexibilisierung der Gasturbinen bzw. GuD Kraftwerke sowie bezüglich der Speicherung elektrischer Energie, Minderung des Brennstoffverbrauchs, Erhöhung der Flexibilität der konventionelle Kraftwerke als Stütze für erneuerbaren Energieerzeuger und der Emissionen, vor allem von NOX, wurden Produkt- Serf en wie Peaker-Gasturbinen sowie Wasserstoff verbrennende Gasturbinen ohne limitierende Starts der Gasturbinen ohne maßgebende Wartezeiten und Verzögerungen beim Anfahren der GT entwickelt.
Die moderne Gasturbine soll dann im Laufe der Zeit nach und nach von Gas, insbesondere Erdgas, auf Wasserstoff als neuen Brennstoff umgestellt werden. Geplant ist zunächst bis zu einer Mischung von 60vol-% Gas mit 40vol-% Wasserstoff zu gehen. Der Wasserstoff H2 soll im Zuge der bundesweiten Umstellung auf erneuerbare Energien durch Elektrolyse von Wasser gewonnen werden, wobei der Strom vornehmlich aus Windkraft- oder Photovoltaikanlagen stammt.
Eine Gasturbine, ob mit Gas oder mit Wasserstoff betrieben, erzeugt allgemein im normalen, zulässigen Arbeitsbereich ein relativ schadstoffarmes Abgas. Allerdings produziert sie, da der in der Frischluft zu 78% enthaltene Stickstoff bei den hohen Brennraumtemperaturen (> 1470K) doch teilweise zu thermischen Stickoxiden umgesetzt wird, eine gewisse Menge an NOX in Form von NO und NO2. Außerdem sind die maximalen Tages/Monats- und Jahresmittelwerte nach der neusten Gesetzlage deutlich verschärft worden, welche mittlerweile unter 10 mg Stickstoff pro m3 liegen können. Mit Wasserstoffbetrieb könnten sich auch höhere Primär-Stickoxidgehalte ergeben, welche höher und außerhalb der aktuell einzuhaltenden Emissionsgrenzen liegen können.
Grundsätzlich wird bei den Entstickungsverfahren (DeNOx) verwendet. Wie der Name bereits sagt, handelt es sich bei der hier für die Gasturbine in Frage kommenden katalytischen Entstickung SCR um ein Verfahren bei niedrigeren Temperaturen üblicherweise um 570K - 800K, bei dem die Abgase einen festen Waben- oder Platten-Katalysator durchströmen. Die Peaker-Gasturbine kann auch ohne den sonst üblichen Abhitzekessel „HRSG“ = „Heat Recovery Steam Generator“ betrieben werden, d.h. ihr Abgas ist noch 830K - 900K heiß.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Anlage nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 9.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
Für den SCR-Betrieb muss das Abgas also auf eine verträgliche Temperatur heruntergekühlt werden, entweder mit zusätzlicher „kalter“ Umgebungsluft oder durch die Einspritzung von volldemineralisiertem Wasser (Wasservariante) oder Kombination daraus.. Wenn man die kältere Umgebungsluft nutzt, würde der Gesamtvolumenstrom (Abgas + Umgebungsluft) um 30% bis 35% sehr stark ansteigen.
Die erfindungsgemäße Wasservariante nutzt die Verdampfungs-Enthalpie (2300 kJ/kg) für die Reduktion der Kühlmenge des Mediums. Es wird ausreichend sein 28-30 kg/s Wasser einzudüsen, um die Abgastemperatur der Gasturbine von etwa 91 OK auf unter 800K zu bekommen.
Vorzugsweise wird eine wässrige Lösung als Ammoniakwasser NH4OH, oder chemisch gebunden als Harnstoff H2N-CO-NH2, zum Einsatz kommen.
Die Erfindung sieht vor die Abgastemperatur der Gasturbine bei den Gasturbinenkraftwerke effektiv zu beeinflussen und dermaßen zu regeln, so dass die Gasturbine in ihrem optimalen Betriebsbereich gefahren werden kann, auch wenn sich durch Weiterentwicklungen die Austrittsparameter der Gasturbine ändern.
Bei der Verwendung eines SCR wird vor Eintritt des SCR vorzugsweise Wasser in den Abgaskanal vor dem Katalysator eingedüst, um die Abgastemperatur zu senken, bzw. an den aktuellen Betriebszustand anzupassen. Als Stellgröße für diese neue Regelung dient der Wassermassenstrom, welcher in den Abgaskanal oder Schornstein der Gasturbine eingeblasen wird. Mit dieser Stellgröße kann sehr schnell und effektiv die Regelgröße (Temperatur im Abgaskanal / ggfs. vor dem SCR / Emissionen) eingestellt werden. Bei Einbindung dieser Stellgröße in die Blockleitebene, werden Gasturbine unabhängig von SCR und Emissionsanforderungen in weiten Teilen bzw. nahezu im gesamten Betriebsbereich thermisch entkoppelt. Dies führt dazu, dass derzeit bestehende Lebensdauer-, Regel- und Betriebseinschränkungen nicht mehr gegeben sind und entfallen.
Für diese Wassereindüsung müssen mehrere Düsen im Abgaskanal oder Abgasdiffusor oder im Schornstein eingebracht werden. Diese werden vorzugsweise entweder nach dem Ausgangs-Diffusor der Gasturbine angeordnet oder ggfs. vor dem SCR.
Die Düsen werden vorzugsweise so eingebaut, dass sie entlang des Umfangs des Abgaska- nal/Abgasdiffusors in die Mitte des Abgaskanals eindüsen.
Die Düsen werden mit Wasser versorgt, indem sie vom Wassertank über die sogenannten Druckerhöhungspumpen angeschlossen werden. Dafür wird zusätzliches Pumpen- und Regelventil-Einrichtung zur Wasserversorgung aufgestellt.
Andere Varianten der Anordnung der Düsen sind denkbar.
Der Abstand zwischen Eindüsungsstelle und SCR wird in der Projektierungsphase unter Aspekten der Verdampfungsfähigkeit des Wassers und Mischung mit heißem Abgas unter dem Aspekt einer minimalen Temperatursträhne bestimmt.
Für diese Wassereindüsung oder Ammoniakwasser NH4OH oder Harnstoff H2N-CO-NH2 werden mehrere Kombinationen von Düsen im Abgaskanal oder Abgasdiffusor eingebracht. Diese werden entweder nach dem Ausgangs-Diffusor der Gasturbine angeordnet oder vor dem SCR. Die Düsen werden so eingebaut, dass sie insbesondere vom Umfang aus des Abgaskanal/Abgasdiffusors in die Mitte des Abgasdiffusors eindüsen. Die Düsen werden mit dem Wasser oder Ammoniakwasser NH4OH oder Harnstoff H2N-CO- NH2versorgt, indem sie von einem Wassertank über die sogenannten Druckerhöhungspumpen sowie von Ammoniakwasser NH4OH oder Harnstoff H2N-CO-NH2 Speicher ange- schlossen werden. Dafür wird eine zusätzliches Pumpen- und Regelventil-Einheit zur Wasserversorgung bzw. Ammoniakwasser NH4OH oder Harnstoff H2N-CO-NH2 Versorgung aufgestellt. Auch das Wasser kann zwecks Verdünnung des Ammoniakwasser NH4OH oder Harnstoff H2N-CO-NH2 genutzt werden. Die Verdünnung kann selbst in Kombi- Düsen stattfinden.
Die Idee ist die Möglichkeit des Betriebs einer Gasturbinen-Anlage in einer emissionsarmen, gesetzlich erlaubten, aber dabei energietechnisch optimalen Zone durch den erlaubten, effektiven und lebensdauerschonenden Einsatz der SCR-Technologie. Andererseits wird so ein effektiver Betrieb der Gasturbine überhaupt erst möglich. Um das zu ermöglichen, wird die Verbrennungstemperatur gesenkt, wodurch auch der Anstieg von CO im Abgas deutlich reduziert wird.
Die bessere, kostengünstige und schnelle Kühlung des Abgases sowie optionale parallele Eindüsung der SCR Reaktionsmittel wie Ammoniakwasser NH4OH oder Harnstoff H2N-CO-NH2 werden hier angewendet.
Weitere Steigerung der Effizienz der Gasturbine wird ebenfalls möglich in Bezug auf die emissionskonforme Fahrweise.
Die weiteren Steigerungen der Abgastemperatur hinter Gasturbine bringen die Verschärfung der Betriebsbeschränkungen auf der Lebensdauer des SCR, welche jedoch mit dieser Entwicklung gelöst werden können.
Insbesondere durch die parallel kombinierte Eindüsung der SCR-Reaktionsmittel werden Emissionen sekundär nachhaltig gesenkt. Keine Separaten Maßnahmen zur Erbringung der irgendwelcher Reaktions- bzw. Kühlmittel werden notwendig sein.
Folgende Vorteile sind anzuführen:
• Ermöglichung des effizienten Betriebs moderner Gasturbinen als Peaker, ohne nicht erlaubte Steigerung von NOx Emissionen im Abgas zu befürchten und parallele Nutzung der umweltfreundliche H2 als Brennstoff
• Erhöhung der Verfügbarkeit der Anlage wird erzielt
• Erhöhung der Flexibilität des Kraftwerkes auch für schnellen Änderungen der Gasturbinenleistung
• Durch die Regelung der Wassereindüsung und/ oder Ammoniakwasser NH4OH oder Harnstoff H2N-CO-NH2 sowie Integration dieser Regelung in die Block- leitung, werden GT- und Katalysator- Betriebsweise in sehr weiten Leistungsbereichen voneinander entkoppelt. Dadurch kann die gesamte Anlage optimierter und flexibel betrieben werden. Die Vorteile der Gasturbine kann nahezu voll ausgenutzt werden
• Der Betreiber bekommt mehr Regelmöglichkeiten, um die gewünschten Parameter mit Hilfe der bestehenden Leittechnik, auch bei komplizierten physikalischen Vorgängen (Anfahren) schnell und effektiv in den Griff zu bekommen
• Durch das geregelte Eingreifen der Wassereindüsung bei allen denkbaren Lasten, muss die Abgastemperatur der GT nicht zwangsläufig gesenkt werden, um die SCR- Lebensdauer nicht zu gefährden. Bleibt die Abgastemperatur konstant, bzw. kann diese sogar erhöht werden, verbleiben auch die CO-Emissionen innerhalb der vorgegebenen Limits. Der Vorteil dieser Betriebsweise wäre nicht nur eine Verringerung von CO-Emissionen, sondern auch die Möglichkeit, die Anlage in tiefen Teillasten mit hoher Verbrennungstemperatur zu betreiben und somit flexibel reagieren zu können und erheblich Brennstoff einzusparen
• Durch die Regelung der Wassereindüsung kann bei hohen Umgebungstemperaturen die Gasturbine-Abgastemperatur den Begrenzungen des Katalysators angepasst werden. Somit kann die Gasturbine weiterhin in ihrem optimalen Bereich betrieben werden und es kommt nicht zu einer Verringerung von Leistung und Wirkungsgrad
• Die Kombination der geregelten Wassereindüsung ermöglicht den Einbau von GT- Weiterentwicklungen hinsichtlich erhöhter Feuerungstemperatur, da nun die Katalysatorlimits keine Beschränkung mehr darstellen.
• Für Nach- bzw. Umrüstung geeignet
• Nachhaltige Senkung der Anlagetechnik, Betriebskosten und Platz durch die kombinierte Eindüsung des Wassers als Abgaskühlmedium sowie Ammoniakwasser NH4OH oder Harnstoff H2N-CO-NH2 als Reaktionsmittel für SCR
• Die Kombination der geregelten kombinierten Wassereindüsung und Ammoniakwasser NH4OH oder Harnstoff H2N-CO-NH2 ermöglicht den Einbau von GT- Weiterentwicklungen hinsichtlich erhöhter Feuerungstemperatur, da nun die Katalysatorlimits keine Beschränkung mehr darstellen und flexibel im weiteren Bereich des Betriebs angepasst werden können. Es zeigen die Figur 1 eine erste Anlage, die Figur 2 eine zweite Anlage, die Figur 3 eine Gasturbine mit Abgaskanal sowie die Figur 4 ein Abgaskanal mit Düsen.
Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
Die Figur 1 zeigt schematisch eine Anlage 1 mit einer einzelnen Gasturbine 4 (oder Gasturbinen), die einen Generator 7 (oder mehr) antreibt. Ein HRSG für diese Gasturbine 4 ist nicht vorhanden.
Eine solche Gasturbine 4 wie in Figur 3 dargestellt, weist einen Kompressor 20 auf, durch den Luft angesaugt und komprimiert wird und in einem Verbrennungsbereich 21 mit dem Brennstoff vermischt und verbrennt wird und im Heißgasteil 22 ausströmt. Die heißen Abgase des Heißgasteils 22 strömen im Schornstein oder Abgaskanal 16 aus.
Figur 2 zeigt eine GuD Anlage 11, die neben der zumindest einen Gasturbine 4 - gemäß Figur 3 - einen Abhitzekessel (HRSG) 10 aufweist, dessen erzeugter Dampf zumindest eine Dampfturbine 13 betreiben kann.
Erfindungsgemäß kann die GuD Anlage 11 auch ohne die zumindest eine Dampfturbine 13 betrieben werden.
Figur 4 zeigt einen Schornstein oder Abgaskanal 16 einer Anlage nach Figur 1, 2 oder 3. Das heiße Abgas 43 der Gasturbine 4 strömt zuerst in horizontaler Richtung in einen sich dann vertikal erstreckenden Schornstein 16, an dessen Ende ein Katalysatorabschnitt 39 angeordnet ist.
Im Umkehrpunkt des Schornsteins 16 sind vorzugsweise Umlenkelemente 25 für die dortige Strömung des heißen Abgases vorhanden.
Danach kann oder wird erfindungsgemäß Flüssigkeit in den Abgasstrom eingeleitet. Dies erfolgt durch Düsen 36 im Abgaskanal 16. Die Düsen 36 sind mit einer Flüssigkeitszuleitung 28 verbunden, durch die vorzugsweise Wasser zugeführt wird.
Vorzugsweise ist ein Notwassertank 31 vorhanden, der mit der Flüssigkeitszuleitung 28 verbunden ist und bei Unregelmäßigkeiten der Flüssigkeitszufuhr über die Flüssigkeitszufuhr 28 die Flüssigkeit oder Wasser zu den Düsen 36 zuführen kann.
Optional werden in die Flüssigkeitszufuhr 28 oder an anderer Stelle das Reduktionsmittel, vorzugsweise Ammoniak vorzugsweise aus einem Reservoir 33 den Düsen 36 zugeführt und ausströmen gelassen.
Es können für das Reduktions- oder Reaktionsmittel auch von der Flüssigkeitszuleitung 28 separate Düsen und separate Zuleitungen verwendet werden.

Claims

Ansprüche
1. Anlage (1, 11) zumindest aufweisend eine Gasturbine (4), einen Generator (7), einen Abgaskanal (16), in den das heiße Abgas der Gasturbine (4) geleitet werden kann, einen Katalysatorabschnitt (39) im Abgaskanal (16), wobei Düsen (36) im Abgaskanal (16) vor dem Katalysatorabschnitt (39) angeordnet sind, die eine Flüssigkeit eindüsen können, um die Temperatur des heißen Abgases der Gasturbine (4) reduzieren zu können, optional eine Dampfturbine (13) und Abhitzekessel (10).
2. Anlage nach Anspruch 1, wobei die Düsen (36) so eingebaut sind, dass sie vom Umfang her in die Mitte des Abgaskanals (16) eine Flüssigkeit, insbesondere Wasser, eindüsen können.
3. Anlage nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, die eine Flüssigkeitszuleitung (28), insbesondere von Wasser, in den Abgaskanal (16) für die Düsen (36) aufweist.
4. Anlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3, die einen Notwassertank (31) aufweist, der mit der Flüssigkeitszuleitung (28) verbunden ist.
5. Anlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, die eine Zuleitung von einem Reaktionsmittel, insbesondere Ammoniak, in die Flüssigkeitszuleitung (28) aufweist, und insbesondere ein Reservoir (33) von Ammoniak aufweist.
6. Anlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, die eine Zuleitung von einem Reaktionsmittel, insbesondere Ammoniak, für Düsen im Abgaskanal (16) aufweist.
7. Anlage nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, bei der der Abgaskanal (16) am Beginn des vertikalen Teils Umlenkelemente (25) aufweist.
8. Anlage nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, die ebenso einen Abhitzekessel (10) und zumindest eine Dampfturbine (13) aufweist.
9. Anlage nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, die einen Katalysatorabschnitt (39) am Ende des Abgaskanals (16) aufweist.
10. Verfahren zum Betreiben einer Anlage (1, 11), die zumindest eine Gasturbine (4) mit einem Abgaskanal (16) aufweist, bei dem während des Betriebes der Gasturbine (4) eine Flüssigkeit, insbesondere Wasser, in den Abgaskanal (16) eingedüst wird, um die Temperatur des heißen Abgas der Gasturbine (4) zu reduzieren.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Anlage (11) eine Gas und Dampfturbinenanlage darstellt, wobei insbesondere nur die Gasturbine (4) betrieben wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Anlage (1) nur zumindest eine Gasturbine oder nur eine Gasturbine (4) aufweist und betrieben wird.
13. Verfahren nach einem oder zwei der Ansprüche 10, 11 oder 12, bei dem ein Reaktionsmittel, insbesondere Ammoniak, mit in den Abgaskanal (16) eingedüst wird.
14. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 13, bei dem ein Reaktionsmittel, insbesondere Ammoniak, über Düsen (36) einer Flüssigkeitszuleitung (28) mit in den Abgaskanal (16) eingedüst wird.
15. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 13, bei dem ein Reaktionsmittel, insbesondere Ammoniak, separat von der Flüssigkeitszuleitung (28) in den Abgaskanal (16) eingedüst wird.
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