SE469904B - PFBC-kraftanläggning med överladdad cykel - Google Patents

Description

CA \O UD Från bädden utgående (rökgaser) lämnar efter rening i stoft- avskiljare brännkammaren med en temperatur omkring 850 °C.

Därefter föres rökgaserna, i en gascykel, till gasturbinens turbindel, som driver kompressorn och avger nyttig energi via en elgenerator. Gasturbinens avgasvärme utnyttjas delvis i àngkretsen för kondensat- och matarvattenförvärm- ning i en avgaskylare.

Verkningsgraden i en PFBC-kraftanläggning är högre än i en konventionell ànganläggning främst på grund av att processen i den gascykel, där energiinnehàllet i förbränningsgaserna utnyttjas startar vid en högre temperatur än starttemperatu- ren i àngprocessen. Verkningsgraden är dock lägre än i en konventionell kombianläggning med seriekopplad gasturbin, avgaspanna och ángturbin eftersom allt tillfört värme i en kombianläggning arbetar utifrân gasturbinens temperatur- nivåer, medan i PFBC-processen endast en tredjedel av tillfört värme kommer gasturbinen till del och tvà tredjedelar tillföres vid àngturbinens temperaturnivá.

Verkningsgraden 1 en PFBC-kraftanläggning kan, med bibehål- len bäddtemperatur av 850 °C, enligt kända principer ökas genom tillsatseldning i hetgasen efter brännkammaren och före gasturbinen. Härvid höjes övre processtemperaturen i gascykeln och gasturbineffektens andel av totalt uttagna effekten ökar. Bàda dessa faktorer bidrar till högre total- verkningsgrad för PFBC-anläggningen.

Tillsatseldning i PFBC-avgaserna kan dock medföra vissa komplikationer, t ex risk för högtemperaturkorrosion i gasturbinens hetdelar.

Ett alternativt sätt att via högre temperatur i gascykeln nå högre totalprestanda för PFBC-processen anvisas exempelvis i “VDI Berichte, 715, 1989, Druckwirbelschichtanlagen - Konzepte, Auslegung, Betriebs- sid. 220 - 221 samt I denna skrift beskrivs bland annat en publikationen: Gasturbinen für verhalten, G. Dibelius, R. Pitt, Aachen, Bild 4, Bild 5“. f* 3 469 904 anläggning, där luft medelst en lågtryckskompressor enligt förfarandet ovan komprimeras till 6 Bar. Ett delflöde av denna komprimerade luft, exempelvis 40 % förs direkt via ett tryckkärl och vidare till bädden i brännkammaren. Den åter- stående delen av det komprimerade luftflödet kyls, kompri- meras ytterligare i en högtryckskompressor för överladdning till 30 Bar och förvärms därpå till omkring 500 °C i en förvärmare. Den högkomprimerade luften tillföres därefter en gaseldad brännkammare, där luften underhåller en förbränning vid så kallad överladdning. Gaserna bildade vid förbrän- ningen håller en temperatur pà l2OO °C. Dessa avgaser leds in till en högtrycksgasturbin, expanderas till ungefär 6 Bar och föres vidare vid en temperatur på 500-600 °C till tryckkärlet med dess inneslutna fluidiserade bädd. Överladd- ningen i högtryckskompressorn, efterföljande förbränning i den gaseldade, överladdade brännkammaren och slutligen expansionen i högtrycksgasturbinen utgör exempel pà en så kallad överladdad cykel (turboladdning) vid en kraftanläggning med en gascykel.

Rökgaserna från den fluidiserade bädden renas från stoft vid ca 850 °C och ledes till en gasturbin som driver den nyss nämnda làgtryckskompressorn. Genom expansion avkyls rökgas- erna i denna turbin. Restvärmen i rökgaserna tillvaratas i den nämnda förvärmaren uppströms den överladdade, gaseldade brännkammaren och slutligen i en ekonomiser i ångcykeln.

Vid uppbyggnad av en PFBC-anläggning enligt det i publika- tionen beskrivna konceptet ligger verkningsgraden omkring 47 %. Karakteristika för en anläggning med överladdning är starkt beroende av uppdelningen av den primärt komprimerade luften mellan de båda brännkamrarna, dvs mellan den som hyser bädden och den överladdade, gaseldade brännkammaren.

Om enbart avgaser från den överladdade, gaseldade bränn- kammaren, som efter expansion i högtrycksgasturbinen tillföres bäddbrännkammaren, nyttjas som syrebärande förbränningsgas vid förbränning i den fluidiserade bädden sá 469 994 4 kan verkningsgraden vid ett sådant utförande av en PFBC- D kraftanläggning överstiga 51 s.

Vid konstruktion av PFBC-kraftanläggningar är dimensione- ringen av tryckkärlet en kritisk detalj, eftersom tryck- kärlet är synnerligen kostnadskrävande, speciellt vid stora volymer. Följaktligen är det önskvärt att tryckkärlsvolymen minimeras. Genom att välja ett högre tryck, vid vilket förbränningen i den trycksatta, fluidiserade bädden sker, vinnes att tryckkärlets voym kan minskas.

Det ovan beskrivna konceptet, med en överladdad PFBC- kraftanläggning skulle, med det föreskrivna tryckvärdet (6 Bar) under vilket förbränningen sker, leda till orimliga proportioner hos tryckkärlet. Detta skulle i sin tur medföra mycket höga kostnader för ett sådant tryckkärl.

Genom att höja trycket i tryckkärlet till 10-16 Bar skapas förutsättningar för en acceptabel storlek på tryckkärlet. En teknisk nackdel uppstår omedelbart i och med en övergång till detta högre arbetstryck i anläggningen, nämligen att temperaturen i förbindelsen mellan högtrycksgasturbinen och tryckkärlet blir obekvämt hög, vilket beror på att expan- sionen ej kan drivas lika långt när trycket efter den överladdade gasturbinen pà detta sätt blir högre. Den höga temperaturen i den nämnda förbindelsen utgör ett problem, vilket måste lösas. En hög temperatur i hela tryckkärlet samtidigt som trycket hålls högt skulle innebära en olämplig kombination, som kan skapa svårlösta problem. En annan svårighet är att tryckkärlet och dess inneslutna tryckkärl måste kylas på ett annat sätt än enligt förfarandet i tidigare känd teknik, där den svalare komprimerade luft som tillförts som förbrännings- och fluidiseringsluft även haft funktionen att kyla nämnda delar av anläggningen. 469 904 BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Uppfinningen avser en PFBC-kraftanläggning, där förbränning av ett bränsle sker i en trycksatt, fluidiserad bädd i en brännkammare innesluten i ett tryckkärl. Rökgaser bildade vid förbränningen i bädden renas från stoft och tillföres primärt en gasturbin, som driver en kompressor för komprimering av luft. Den komprimerade luftens tryck ökas ytterligare i en överladdad cykel, genom att luften tillföres en turbokompressor för överladdning, varefter luften föres till en efterföljande överladdad brännkammare, där temperaturen ökas via förbränning av ett tillsatt bränsle varpå de genererade avgaserna från förbränningen påföres och expanderas i en gasturbin för överladdaren.

Efter expansion ledes avgaserna genom en trycksatt värmeväxlare, där avgaserna kyles innan de föres vidare via tryckkärlet till den fluidiserade bädden som syrebärande gas för underhåll av förbränningen i bädden. I den trycksatta värmeväxlaren avges värme till tubsatser för generering och/eller överhettning av ånga.

Genom den beskrivna anordningen löses problemet med den höga temperaturen i förbindelsen mellan gasturbinen för överlad- daren och tryckkärlet. Samtidigt erhåller tryckkärl och bäddbrännkammare tillräcklig kylning eftersom gaser för underhåll av förbränningen i bädden tillföres vid en avse- värt lägre temperatur än vid den i ovan citerade skrift beskrivna tekniken.

Den trycksatta värmeväxlaren utgörs av en värmeväxlare för generering/överhettning av ånga i anläggningens ångcykel, primärt för överhettning av ånga i ett sista överhettarsteg.

Kylningen av avgaserna från gasturbinen för överladdaren göres ned till en temperatur som ligger över matarvatten- temperaturen, vilket ej ger bidrag till exergiförluster.

Högre ångkvalitet avseende temperaturen erhålles vid ángtuber placerade i denna värmeväxlare än vid ángtuber i 904 den fluidiserade bädden för en given tubtemperatur. Detta ger högre verkningsgrad för hela PFBC-processen.

I den överladdade cykeln sker förbränningen av det tillsatta bränslet i ren luft. Detta medför att förhållandena vid denna förbränning är likartade dem som gäller i konven- tionella jetmotorer eller vid stationära gasturbiner med högt tryck.

Fördelar med en överladdad cykel i PFBC-processen är bland annat - den överladdade gasturbinen arbetar med ren luft.

Temperatur- och tryckdata i denna medför att moder- naste gasturbinteknik kan användas i överladdaren (anordningarna som innefattas i gascykeln), - högre verkningsgrad erhålles för gascykeln och en stör- re andel nyttogjord effekt i gascykeln hos anläggningen medför högre totalverkningsgrad, - gasförhàllandena efter bäddbrännkammaren och vid låg- trycksturbinen är oförändrat lika dem som råder vid en konventionell PFBC-process. Inga ökade risker alltså för erosion eller korrosion i dessa områden, - oförändrade tillstånd råder i avgaskylare och rökgaser trots ökningen av gastemperaturen vid den överladdade gasturbinen, - tillfört bränsle kan väljas tämligen fritt. Som exempel kan naturgas eller kolgas från en kolförgasningsanläggning användas, 7 469 904 FIGURBESKRIVNING Fig. 1 åskådliggör schematiskt en PFBC-kraftanläggning enligt uppfinningen.

Fig. 2 visar en specifik utföringsform av en PFBC-kraft- anläggning enligt uppfinningen med anvisade vägar för gasflöden och uppdelning av turbiner och kompressorer enligt ett uföringsexempel.

Fig. 3 visar en variant av uppfinningen enligt fig. 2 men med förvärmning av luften till gasturbinen för överladdaren.

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSFORMER Med stöd av bilagda figurer redogörs för ett antal föredragna utföranden av uppfinningen.

I figur 1 visas ett översiktligt processchema enligt den föreliggande uppfinningen. I denna förbrännes ett bränsle i en fluidiserad bädd 1 i en brännkammare 2 innesluten i ett tryckkärl 3. Rökgaserna som bildas vid förbränningen i bäd- den 1 passerar ett fribord 4 ovan bädden 1 och renas fràn stoft i stoftavskiljare 5, vilka i figuren är exemplifierade av cykloner. Avskilt stoft från stoftavskiljarna 5 och aska från bädden 1 avledes via ett schematiserat utlopp 6 till icke visade förrådsbehållare. De renade rökgaserna från stoftavskiljarna 5 föres via en rökgasledning 8 till en gasturbin 9, som driver dels en kompressor 10, dels en generator 12 för alstring av elenergi. De i gasturbinen 9 expanderade rökgaserna föres i en kanal 15 till en avgas- kylare 16, där rökgaserna kyles ytterligare, genom att de förvärmer matarvatten i en àngkrets i anläggningen.

Kompressorn 10 komprimerar luft som tillföres dess inlopp till ett tryck som uppgår till storleksordningen 10-16 Bar, .län C)\ 9 904 varefter den komprimerade luften tillföres en turbokom- pressor 20, där trycket ökas till i storleksordningen 30 - 60 Bar. turbobrännkammare 22, Den således överladdade luften föres vidare till en där ett bränsle tillsättes, varvid vid en förbränningsprocess temperatur och tryck höjes hos de bildade avgaserna. Dessa, i turbobrännkammaren alstrade, avgaser expanderas i en tillkopplad gasturbin 24 för överladdaren, där gasens energiinnehåll delvis nyttiggöres genom att denna gasturbin 24 driver turbokompressorn 20 och en elgenerator 26. Turbokompressorn 20, turbobrännkammaren 22 och gasturbinen 24 för överladdaren innefattas i PFBC- kraftanläggningens överladdare.

Efter expansionen i gasturbinen 24 för överladdaren uppgår trycket hos avgaserna till 10 - 16 Bar, medan temperaturen ligger runt 600 - 900 °C. Dessa relativt heta gaser ledes till en trycksatt avgasvärmeväxlare 30 där värme överföres till tubsatser 32 för generering av och/eller överhettning av ånga för anläggningens ángkrets. De avkylda avgaserna, som nu håller ett tryck i storleksordningen 10 - 16 Bar och en temperatur som uppgår till ca 300 - 400 °C föres nu vidare som syrebärande förbränningsgas för underhåll av förbränningen i den fluidiserade bädden 1.

I den exemplifierade anläggningen tillsättes partikulärt kol via en rörledning 34, medan absorbent tillsättes via en matningsledning 35. Ångkretsen symboliseras i figur 1 av matarvatten som cirkuleras från en kondensortank 36 via ledningen 37 till en förvärmare för matarvattnet i form av avgaskylaren 16, varefter matarvatten distribueras via en matarvattenledning 38 till tubsatser 39 i bädden 1 för generering/överhettning av ånga och där ånga distribueras via en ångledning 40 till tubsatser 32 i avgasvärmeväxlaren 30 för generering och/eller överhettning av ånga. Genererad/överhettad ånga föres vidare till en ångturbin 41 via ångledningar 42a, 42b.

Kondensat och expanderad ånga återföres till kondensorn 36. 9 469 904 Vid en föredragen koppling av ángflödet föres ånga från ångenerator/överhettare 39 i bädden l till tubsatserna 32 i avgasvärmeväxlaren 30 där ànga överhettas i ett sista överhettarsteg innan den föres vidare i ángkretsen till ångturbinen 41.

En mer detaljerad beskrivning av ett utförande av PFBC- kraftanläggningen enligt uppfinningen visas i fig. 2, där en specifik koppling av turbiner och kompressorer i gascykeln anges. Denna koppling kan naturligtvis varieras på många- handa sätt inom ramen för den allmänt beskrivna uppfinnings- tanken. Enligt fig. 2 är överladdaren 20, 22, 24 kopplad via en växel 25 till en tvàaxlig mellankyld PFBC-gasturbin 9a, 9b, lOa, l0b. Högtrycksaxeln Al med högtrycksturbin 9a och högtryckskompressor lOa har konstant varvtal, medan làg- trycksturbinens 9b och lågtryckskompressorns l0b gemensamma làgtrycksaxels A2 varvtal kan varieras, för att luftmängden till PFBC-anläggningen ska kunna ändras i beroende av önskad last.

Enligt fig. 2 strömmar rökgaser från bädden 1 genom rökgasledningen 8a via en interceptventil ll. Förbrän- ningsgasen strömmar i motsatt riktning via tilledningen 33a som är koncentriskt uppbyggd runt rökgasledningen 8a.

Rökgasledningen 8a mynnar i en högtrycksgasturbin 9a, efter passagen genom interceptventilen ll som styr flödena av rökgas, kompressorluft och förbränningsgas till bäddbränn- kammaren 2 samt eventuell kortslutning av turbin och kompressor enligt känt mönster. Rökgaserna expanderas i högtrycksgasturbinen 9a, förs vidare till làgtrycksturbinen 9b, efter expansion i denna genom en ekonomiser 16 och kommunicerar slutligen med en skorsten. Luft tas in vid inloppet till en lågtryckskompressor lOb, monterad på gemensam axel med làgtrycksturbinen 9b, komprimeras i nämnda làgtryckkompressor lOb, avkyles i en mellankylare 13 och komprimeras ytterligare i en högtryckskompressor lOa, varefter den komprimerade luften föres till överladdaren 20, 22, 24, vilket tidigare beskrivits. Enligt uppfinningen 469 904 10 avger därefter avgaserna från gasturbinen 24 för överladdaren värme i avgasvärmeväxlaren 30 och distribueras vidare i ledningen 33b via interceptventilen ll och som förbränningsgas i tilledningen 33a till tryckärlet 3.

I ytterligare en variant av uppfinningen enligt fig.3 visas en anläggning som motsvarar den nyss beskrivna enligt fig. 2, med undantag för att överladdaren kompletterats med en förvärmning av överladdarens kompressorluft. Detta åstad- kommes exempelvis, genom att luften från överladdarens turbokompressor 20 värmes medelst lufttuber 23 i bädden l.

Luft från turbokompressorn 20 transporteras via en ytter- ledning 23a till lufttuberna 23 och àterföres till turbobrännkammaren 22 via en innerledning 23b, där ledningarna 23a och 23b lämpligen utformas koncentriska.

Claims (1)

1. 469 904 11 PATENTKRAV 1. PFBC-kraftanläggning med överladdad cykel innefattande - ett tryckkärl (3) med en däri innesluten brännkammare (2), där ett bränsle förbrännes i en fluidiserad bädd (1), - en gasturbin (9) som drives av rökgaser bildade vid förbränning i bädden (1), - en kompressor (10) som drives av gasturbinen (9) för komprimering av luft, - en överladdare (20, 22, 24) vartill den komprimerade luften föres för underhåll av en förbränning av ett till överladdaren tillsatt bränsle, - en ångkrets innefattande en ångturbin (41) och tubsatser (39) för generering/överhettning av ånga kännetecknad av att avgaserna från överladdaren (20, 22, 24) ledes till en avgasvärmeväxlare (30) för generering och/eller överhettning av ånga till anläggningens ångcykel innan de avkylda avgaserna föres till bädden (1) för underhåll av förbränningen i denna och för trycksättning av bädden (1). PFBC-kraftanläggning enligt patentkrav 1 kännetecknad av att tubsatser (32) i avgasvärmeväxlaren (30) nyttjas som sista överhettarsteg för ånga till ångturbinen (41). PFBC-kraftanläggning enligt patentkrav 1 kännetecknad av att gasturbinen (9) är uppdelad i en högtrycksturbin (9a) och en lågtrycksturbin (9b), att kompressorn (10) är uppdelad i en högtryckskompressor (10a) och en lågtryckskompressor (10b), att högtrycksturbin (9a) och högtryckskompressor (10a) ar monterade på en gemensam 469 9o4 H högtrycksaxel (Al) och att làgtrycksturbin (9b) och làgtryckskompressor (lOb) är monterade på en gemensam separat làgtrycksaxel (A2). 4. PFBC-kraftanläggning enligt patentkrav 3 kännetecknad av att högtrycksturbinen (9a) via högtrycksaxeln (Al) driver en elgenerator (26) med konstant varvtal 5. PFBC-kraftanläggning enligt patentkrav 4 kännetecknad av att högtrycksturbinen (9a) via högtrycksaxeln (Al) driver turbokompressorn (20) i överladdaren (20, 22, 24) via en växel (25). 6. PFBC-kraftanläggning enligt patentkrav 3 kännetecknad av att làgtrycksaxelns (A2) varvtal kan varieras 7. PFBC-kraftanläggning enligt patentkrav 1 kännetecknad av att de kylda avgaserna från överladdaren (20, 22, 24) över en interceptventil (11) kommunicerar med brännkammaren (2) i ett rör (33a), koncentriskt med rökgasledningen (8a) fràn brännkammaren (2).