NL8102645A - Krachtinstallatie geschikt voor brandstof met verschillend zwavelgehalte. - Google Patents

Description

P & C * 1 W 2348-1119

Krachtinstallatie geschikt voor brandstof met verschillend zwavelgehalte.

De uitvinding heeft in het algemeen betrekking op een krachtinstallatie met gecombineerde cyclus en in het bijzonder op een verbetering 5 daarin waarmee het rendement van de installatie optimaal wordt gemaakt en aanpassing mogelijk is aan gasturbinébrandstoffen met verschillend zwavelgehalte.

Een krachtinstallatie met gecombineerde cyclus heeft een gasturbine en een stoomturbine/ welke tezamen het afgegeven vermogen leve-10 ren, bijvoorbeeld electrisch vermogen. De krachtinstallatie is zodanig ingericht, dat de gasturbine een warmtekoppeling heeft met de stoomturbine door middel van een met teruggewonnen warmtefoerkende stoomgenerator (heat recovery steam generator = HRSG). De HRSG is een oppervlak-warmtewisselaar, waarin voedingwater voor de stoomopwekking wordt ver-15 warmd door anders verloren gaande warmte in de uitlaatgassen van de gasturbine. De HRSG is een grote schoorsteen met pijpenbundels daarin aangebracht, waardoor water wordt verhit tot stoom wanneer de uitlaatgassen door de schoorsteen worden gevoerd. Het rendement van de gecombi-. neerde cyclus is natuurlijk afhankelijk van het gebruik van de anders 20 verloren gaande warmte in de gasturbine-uitlaatgassen.

Een hoofdparameter voor het optimaal maken van het rendement van de gecombineerde cyclus is dat het hoogste rendement wordt bereikt bij de laagste schoorsteengastemperatuur aan het uitlaateinde van de schoorsteen. De ondergrens voor deze schoorsteengastemperatuur wordt 25 gewoonlijk voorgeschreven door het zwavelgehelte van de gastufbine- brandstof. Dit komt doordat zwavelverbindingen condenseren op de pijpen-bundels bij bepaalde, vrij lage temperaturen, waardoor ernstige corrosie van de pijpenbundels ontstaat. Het is ook bekend dat het dauwpunt van de corrosieve zwavelverbindingen hoger wordt met toenemend zwavelgehalte 30 van de brandstof.

De bekende wijze voor het optimaal maken van het rendement van een krachtinstallatie met gecombineerde cyclus is het ontwerpen van de HRSG en het stoomsysteem voor werking met een schoorsteengastemperatuur waardoor corrosie van de warmteoverdrachtsvlakken bij lage temperatuur 35 wordt voorkomen bij het hoogste zwavelgehalte van de brandstof die men verwacht te zullen verbranden. Wanneer brandstof wordt verbrand met een lager zwavelgehalte kan de schoorsteengastemperatuur van de HRSG niet worden verlaagd voor het verbeteren van het rendement, hoewel de concentratie van de zwavelverbindingen dit wel zou toelaten. Omgekeerd wordt, 40 wanneer de HRSG wordt ontworpen voor een schoorsteengastemperatuur 8102645 \ .

* * - 2 - behorende bij het laagste te verwachten zwavelgehalte, het rendement van de installatie wel verbeterd, maar de warmteoverdrachtsvlakken van de HRSG zouden corrosie ondergaan wanneer brandstof met een hoger zwavelgehalte wordt verbrand.

5 De HRSG heeft een aantal met elkaar verbonden pijpenbundels welke van boven naar beneden kunnen worden aangeduid als LD-economizer, HD-economizer, verdamper en oververhitter. Het warmteuitwisselingsproces in de HRSG is een tegenstroomproces, waarbij de temperatuur van de hete uitlaatgassen afneemt bij het omhoog stijgen daarvan in de schoorsteen, 10 terwijl de temperatuur van het mengsel van stoom en water in de buizen toeneemt terwijl dit naar omlaag beweegt in de HRSG tegen de opwaartse stroming van de hete uitlaatgassen in.

Bij deze opstelling is, daar de kritische parameter de laagste temperatuur is, het oppervlak waar condensatie het meest waarschijnlijk 15 is, de LD-economizer aan het boveneinde van de schoorsteen, waar het voedingwater de HRSG binnengaat en het hete gas de HRSG verlaat nadat dit erdoor is gestroomd en warmte heeft afgegeven aan de warmteuitwisse-lings-pijpenbundels. Het is nu meer of minder gebruikelijk een behande-lingsinrichting voor het voedingwater te gébruiken welke bekend staat 20 als ontluchter, voor het verwijderen van zuurstof uit het voedingwater, waardoor de neiging daarvan de watervoerende pijpen te doen roesten afneemt. Ook kan een snelverdampingstank worden gebruikt, gecombineerd met de ontluchter, voor het voorwarmen van het voedingwater. De snelverdampingstank ontvangt zijn energie uit de LD-economizer. Gebleken is dat de 25 zwavelcorrosie kan worden verminderd voor brandstoffen met variërend zwavelgehalte door het regelen van de temperatuur van het voedingwater in combinatie met de werkdruk van. de snelverdampingstank. Een optredend stoomoverschot als gevolg van deze procedure kan worden toegevoerd aan de stoomturbine in een stoomafwaartse trap daarvan, welke een lagere druk 30 heeft dan de stoomdruk in de snelverdampingstank.

De uitvinding beoogt het beletten van het optreden van zwavelcorrosie in een HRSG. Ook wordt beoogd het rendement van een krachtin-stallatie met gecombineerde cyclus te verbeteren. Verder verschaft de uitvinding enige flexibiliteit bij de brandstofkeuze van een krachtin-35 stallatie met gecombineerde cyclus.

Dit wordt door de uitvinding bereikt doordat bij een kracht-installatie met gecombineerde cyclus, welke tenminste een gasturbine-krachtinstallatie en tenminste een stoomturbine-krachtinstallatie omvat, welke een warmtekoppeling hebben via tenminste een met teruggewonnen 40 warmte werkende stoomgenerator, welke tenminste een economizerdeel heeft 81 0 2 6 4 5

J

- 3 - nabij de uitlaat voor de uitlaatgassen, welk economizerdeel is verbonden met een voorwarmcircuit voor het voedingwater,.dat een ontluchter en een snelverdampingstank omvat, doordat een leiding een stoomuitlaat van de snelverdampingstank verbindt met een stoominlaat van de ontluchter of 5 ontluchterverwarmer en een klep aanwezig is in deze leiding voor hét besturen van de stoominlaatdruk in de ontluchter in overeenstemming met het zwavelgehalte van de gasturbinébrandstof.

De uitvinding zal hieronder nader worden toegelicht aan de hand van de tekening, waarin een uitvoeringsvoorbeel cvan de installatie vol-10 gens de uitvinding is weergegeven.

Fig. 1 toont schematisch de krachtinstallatie met gecombineerde cyclus.

Fig. 2 is een grafiek van het verband tussen de oppervlaktemr peratuur van de pijpehbundel, de waterdruk van de ontluchter en het zwavel-15 gehalte van de gasturbinébrandstof.

Fig. 1 toont schematisch een krachtinstallatie 10 met gekombi-neerde cyclus . Een stoomturbine-krachtinstallatie 12 heeft een warmte-koppeling met een gasturbine-krachtinstallatie 14 via een met teruggewonnen warmtewerkende stoomgenerator 16 (HRSG). De krachtinstallatie 12 20 omvat een stoomturbine 20 die aandrijvend is verbonden met een electrische generator 22. De gasturbine-krachtinstallatie omvat een gasturbine 26 die drijvend is verbonden met een electrische generator 28 en verder met een compressor 30. De compressor zuigt omgevingslucht aan en voert deze toe aan een branderring 32 (waarvan er slechts een is weergegeven), welke 25 een brandstof-luchtmengsel voor het drijven van de gasturbine ontsteekt.

De uitlaatgassen van de gasturbine worden gevoerd in de HRSG 16 voor het verschaffen van stoom voor de stoomturbine.

De HRSG omvat in de weergegeven uitvoeringsvorm vier verwar-mingstrappen of eenheden: een LD-economizer, een HD-economizer, een ver-30 damper en een oververhitter. Deze volgorde is de volgorde van de voeding-waterstroom van condensaat tot oververhitte damp van de bovenzijde naar de bodem in de HRSG. Terwijl het condensaat naar omlaag beweegt in de HRSG om te worden omgezet in oververhitte stoom stromen de hete uitlaatgassen in de HRSG naar omhoog en terwijl de warmteoverdracht plaatsvindt, 35 neemt de temperatuur van het gas af. Het meest kritische gebied voor zwavelcondensatie in de HRSG bevindt zich in de pijpenbundel van de LD-economizer, daar de gastemperatuur daar het laagste is, evenals de condensaatwatertemperatuur. Door de uitvinding wordt de oppervlaktempe-ratuur van de pijpenbundel op het minimum niveau gehouden, waarbij 40 corrosie wordt voorkomen ondanks verschillende zwavelgehaltes van de 8102645 * - 4 - brandstof.

Volgens fig. 1 wordt de uitlaatstoom van de stoomturbine gecondenseerd en verzameld in de condensor 36 en van daar gepoft door de condensaatpomp 38 naar een mengttarmtewisselaar, genaamd ontluchtings-5 voedingwaterverwarmer 40. Zoals de naam reeds aangeeft, is deze warmtewisselaar tevens een ontluchter, die lucht verwijderd uit het voeding-water, teneinde corrosie in de pijpenbundels tot een minimum terig te ^ brengen. Fig. 1 is schematisch en bevat niet de bekende besturingsorganen, dit om de uitvinding duidelijk te kunnen laten zien.

10 Water wordt af gevoerd uit de ontluchtingsverhitter 40 door een pomp 42 en toegevoerd aan het inlaat_einde van de LD-economizer. In het bijzonder de temperatuur van het pijpenoppervlak van de LD-economizer is het onderwerp van de uitvinding, zoals nader wordt verklaard aan de hand van fig. 2. De wateropbrengst van de LD-economizer wordt gevoerd naar 15 een snelverdampingstank 44. Deze tank produceert stoom door het laten dalen van de druk van het hete water, dat .van de LD-economizer komt.

Een eerste deel 46 van de in de tank ontstane stoom wordt vervoerd naar een LD-toevoertrap van de stoomturbine. Een geschikte terugslagklep 47 belet dat stoom uit de stoomturbine wordt afgevoerd. Een tweede deel 48 20 van de in de tank 44 gevormde stoom wordt gevoerd naar de ontluchtingsverhitter als een temperatuur/drukregelmiddel. De hoeveelheid in de leiding 46 beschikbare stoom is de rest van de aan de ontluchter 40 toegevoerde stoom, dienend om te voldoen aan de eisen van de uitvinding.

Dit verband wordt gehandhaafd door een regelklep 50 voor de ontluchter-25 druk die de gebruikelijke, de druk metende omzetter 51 bevat, waardoor een werkelijk afleessignaal voor de druk wordt verschaft, waarmee de regelklep voor de druk kan worden ingesteld op een bepaalde druk, afhankelijk van het bekende zwavelgehalte van de brandstofolie van de gasturbine. Een geschikte drukomzetter is een analoge drukregelaar als vervaardigd door 30 de Foxboro Company in Foxboro, Massachusetts.

Ook wordt water gepompt van de ontluchter-voedingwaterverwarmer naar de HD-economizer door een voedingwaterpomp 52. Water wordt verhit in de HD-economizer en toegevoerd aan een stoomdrum 54 vanwaar deze stoom wordt gerecirculeerd door een pomp 56 door de verdamper en dan naar 35 de drum en tenslotte via de oververhitter naar de stoomturbine.

Fig. 2 toont het verband tussen het zwavelgehalte van de brandstof, de minimale pijpoppervlaktemperatuur en de minimale ontluchterdrük welke nodig is voor het verkrijgen van de minimale pijpoppervlaktemperatuur. De temperatuurlijn A doet zien dat bij een zwavelgehalte van 2% de

O

40 minimum pijpoppervlaktemperatuur ongeveer 127 C moet zijn.

8102645 ' ï

V

- 5 -

Ook doet de druklijn B zien, dat bij het zelfde Zwavelgehalte van de brandstof, namelijk 2%, de ontluchterdruk van de orde van grootte van 290 of 296 kPa moet zijn. Voor het bereiken en handhaven van deze waarde kan stoom worden afgevoerd uit de leiding 46 door het wijzigen van de opening van de 5 klep 50 voor het verhogen van de druk in de ontluchter, zodat warmte wordt toegevoegd aan het voedingwater, dat wordt gevoerd naar de LD-economizer. Daardoor wordt dan zwavelcorrosie van de pijpen voorkomen.

Wanneer anderzijds het zwavelgehalte van de brandstof lager is kan de oppervlak-temperatuur van de pijpenbundel worden verlaagd door het 10 verlagen van de stoomdruk in de ontluchter. Dit kan worden gedaan door het in gewenste mate dichtdraaien van de klep 50 totdat de werkelijke druk gelijk is aan de ingestelde druk, afgelezen uit fig. 2.

De extra beschikbare stoom kan dan worden gevoerd naar de stoomturbine via de leiding 46 voor het verhogen van het afgegeven vermogen en het 15 rendement van de krachtinstallatie met gecombineerde cyclus.

Met de uitvinding wordt de zwavelcorrosie voorkomen, terwijl de installatie soepeler en met hoger rendement kan werken.

8102645

Claims (6)

1. Krachtinstallatie met gecombineerde cyclus, welke tenminste een gasturbine-krachtinstallatie en tenminste een stoomturbine-krachtin-stallatie omvat, welke een warmtekoppeling hebben via tenminste één met teruggewonnen warmtewerkende stoomgenerator, die tenminste een economizer- 5 deel fieeft nabij de uitlaat van deze generator voor de uitlaatgassen, welk economizerdeel is verbonden met een voorwarmcircuit voor voedingwater dat een ontluchtingsverhitter en een snelverdampingstank omvat, welke gecombineerde krachtinstallatie is gekenmerkt door een leiding, die een stoom-uitlaat van de snelverdampingstank verbindt met een stoominlaat van de 10 ontluchtingsverhitter, waarbij een klep is opgenomen in deze leiding voor het besturen van de stoominlaatdruk aan de ontluchtingsverhitter in overeenstemming met het zwavelgehalte van de gasturbinebrandstof.

2. Installatie volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat een leiding de stoomuitlaat van de snelverdampingstank verbindt met een trap 15 van de stoomturbine, zodanig dat een stoomoverschot van de snelverdampingstank kan worden gevoerd naar de stoomturbine.

3. Installatie volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de ontluchtingsverhitter onder druk wordt gebracht in overeenstemming met een gewenste oppervlaktemperatuur van de economizer.

4. Werkwijze voor het beletten van zwavelcorrosie van de economizer bij een krachtinstallatie met gecombineerde cyclus, welke tenminste een gasturbine en tenminste een stoomturbine omvat, welke een warmtekoppeling hebben door tenminste een met teruggewonnen warmte^er-kende stoomgenerator, die tenminste een economizerdeel nabij de uitlaat 25 voor de uitlaatgassen heeft, welk economizerdeel is verbonden met een voorwarmcircuit voor voedingwater, dat een ontluchtingsverhitter en een snelverdampingstank omvat, welke werkwijze is gekenmerkt door de stappen van het toelaten vastoom onder druk aan de ontluchter uit de snelver- 30 dampingstank voor het verwarmen van het voedingwater van de economizer, het doen ontstaan van een gekozen stoomdruk in de ontluchtér, waarmee op zijn beurt weer een minimale oppervlaktemperatuur in de economizer wordt verkregen, door het mengen van drukstoom met voedingwater in de ontluchter, en door het pompen van het verwarmde ontluchterwater naar de economizer.

5. Werkwijze volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat een stoomoverschot van de snelverdampingstank wordt gevoerd naar de stoomturbine. 8102645 0 . . ·* -·? - 7 -

6. Werkwijze volgens conclusie 4 of 5, verder gekenmerkt doordat het zwavelgehalte van de gasturbinebrandstof wordt bepaald, een ontluchter-druk wordt bepaald die voldoende is om zwavelcorrosie in de economizer te voorkomen, afhankelijk van het zwavelgehalte van de brandstof, het regelen 5 van de ontluchterdruk stroomopwaarts van de ontluchter voor het handhaven van de genoemde bepaalde ontluchterdruk. 8102645