SE509877C2 - Kraftanläggning - Google Patents

Description

lO l5 20 25 30 35 509 877 processen passerar ett fribord ovanför bäddytan, varefter de renas och föres till en gasturbin. Förbränningsgaserna driver gasturbinen, vilken i sin tur driver dels en elektrisk generator, dels en kompressor som förser tryck- kärlet med komprimerad luft. I bädden förbränns bränslet vid en temperatur i storleksordningen 850°C. För alstring av ånga är en ånggenerator i form av en tubsats placerad i bädden. Energi tas ur bädden via de ångturbiner till vilka ångan leds i ett ångsystem. Vid fullast befinner sig hela En PFBC-anläggning kännetecknas av förhållande till effekt i jämförelse med andra typer av anläggningar där tubsatsen inom bädden. liten anläggningsvolym i nyttiggjord bränsle förbrännes i en fluidiserad bädd vid atmosfäriska tryckförhållanden. Verkningsgraden vid en PFBC-anläggning är dessutom hög. Vidare sker förbränningen vid en PFBC-an- läggning under ur miljömässig och ekonomisk synpunkt gynn- samma förhållanden.

Ett problem som har belastat PFBC-tekniken och hindrat uppnående av verkligt hög verkningsgrad är att den övre temperaturgräns, vid vilken förbränning av exempelvis kol i en fluidiserad bädd sker, vanligen uppgår till omkring 850 till 950°C beroende på kolkvalitet. Detta innebär att drivgasen för den i PFBC-kraftanläggningen ingående gas- turbinen har en temperatur som är ungefär lika stor som temperaturen i den fluidiserade bädden. Eftersom turbin- effekten stiger starkt med ökad temperatur hos drivgasen är det önskvärt med en högre gastemperatur, upp till 1200 till l500°C för att effektuttaget ur anläggningens gastur- bindel skall nå en optimal nivå. För att råda bot på denna svaghet har föreslagits att höja temperaturen hos gaserna som lämnar PFBC-brännkammaren med hjälp av en efterbränn- kammare i vilken ett bränsle förbränns. Genom att drivga- serna passerar efterbrännkammaren kan deras temperatur hö- jas innan de tillföres gasturbinen. 10 15 20 25 30 35 509 877 En sådan teknik är känd från SE-B-458 955. Däri beskrivs till efterbrännkammaren ástadkommes medelst en förgasningsreaktor, kiometriska förhållanden förgasas under alstring av en brännbar gas som tillförs efterbrännkammaren. Den visade vidare hur bränsle i vilken kol vid understö- förgasningsreaktorn utgör en integrerad del av en PFBC- brânnkammare således tryckärl som innesluter PFBC-brännkammaren. värt att det gasflöde som en sådan förgasningsreaktor le- vererar har ett högre tryck än det till efterbrännkammaren anländande flödet av förbränningsgas för att de skall kunna tillföras efterbrännkammaren. Det har nu visat sig att det är svàrt att utan förluster reglera den förbrän- och befinner sig innanför det Det är önsk- ning som sker i efterbrännkammmaren.

JP-A-5/87315 visar- en kraftanläggning som innefattar" en förgasningsreaktor med en fluidiserad bädd, en brännkam- mare med en fluidiserad bädd och en efterbrännkammare. Av- gaserna från förgasningsreaktorn och brännkammaren renas och. tillförs efterbrännkammaren där en förbränning äger rum. Förbränningsgaserna fràn efterbrännkammaren driver en gasturbin som i sin tur driver en generator och en kom- pressor som komprimerar den luft som tillförs förgasnings- reaktorn, brännkammaren och efterbrännkammaren. Den för- bränningsluft som tillförs efterbrännkammaren värmeväxlas medelst lufttuber som är anordnade i brännkammarens flui- diserade bädd.

JP-A-5/93513 visar en kraftanläggning med en förgasnings- reaktor för framställning av brännbar gas. Den brännbara gasen renas och tillförs en efterbrännkammare. De fasta restprodukter som bildas i förgasningsreaktorn tillförs en brännkammare som innefattar en fluidiserad bädd där de förbränns. Förbränningsgaserna från brännkammaren renas och tillförs även de efterbrännkammaren. ren tillförs även syre utifrân. och. en förbränning äger Efterbrännkamma- 10 15 20 25 30 35 509 877 rum, varvid de i efterbrânnkammaren bildade förbrännings- gaserna utnyttjas för att driva en gasturbin.

SAMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Ändamålet med föreliggande uppfinning är att undanröja ovan nämnda problem och närmare bestämt att finna vägar för att kunna reglera flödet av den till förgasningsanord- ningen tillförda syrehaltiga gasen för att på så vis an- passa mängden producerad brännbar gas till behovet i ef- terbrännanordningen. med den Detta ändamål kraftanläggningen som kännetecknas av att ledningsorganet uppnås inledningsvis angivna innefattar medel som är inrättade att påverka flödet av nämnda syrehaltiga gas som tillförs förgasningsanordningen till en önskad nivå. Sådana flödespåverkande medel möjlig- gör en anpassning av mängden producerad brännbar gas till behovet i efterbrännkammaren.

Enligt en utföringsform av uppfinningen innefattar medlen en av en drivanordning driven kompressor som är inrättad att komprimera nämnda syrehaltiga gas som tillförs förgas- ningsanordningen. Vidare kan medlen innefatta ett organ för reglering av flödet av nämnda syrehaltiga gas.

Enligt en fördelaktig utföringsform kan reglerorganet vara inrättat att åstadkomma en varvtalsreglering av kompres- sorns drivanordning. En sådan flödesreglering är enkel att åstadkomma och medför små förluster. Därvid kan drivanord- ningen innefatta en elektrisk motor.

Enligt en annan fördelaktig utföringsform innefattar kom- pressorn en rotor med skovlar och reglerorganet är inrät- tat att reglera flödet genom kompressorn. Därvid kan reg- lerorganet innefatta åtminstone en vridbar ledskenekrans 10 15 20 25 30 35 509 877 som är anordnad uppströms om ett eller flera rotorsteg hos kompressorn. Även ett sådant utförande medför smà förlus- ter.

Enligt en ytterligare utföringsform innefattar gasturbin- anordningen åtminstone en turbin och en av turbinen driven kompressor som är inrättad att komprimera den för för- bränningen i brânnkammaren nödvändiga syrehaltiga gasen Därvid kan med fördel den av turbinen drivna kompressorn vara inrättad att kom- innan den tillförs brännkammaren. primera en för förbränningen i efterbrännanordningen nöd- vändig syrehaltig gas innan den tillförs efterbrånnanord- ningen. Enligt ett fördelaktigt utförande kan ledningsor- ganet, för att åstadkomma en första tryckhöjning hos den som tillförs vara förbundet med den av turbinen drivna kompressorns ut- syrehaltiga gasen förgasningsanordningen, loppsida och inrättat att medge tillförsel till förgas- ningsanordningen av nämnda syrehaltiga gas som har kompri- merats i den av turbinen drivna kompressorn.

Fördelaktiga, ytterligare utföringsformer av den uppfin- ningsenliga kraftanläggningen anges i de beroende patent- kraven 11 - 14. Därvid skall i synnerhet nämnas att efter- brännanordningen kan innefatta en mellan brännkammaren och gasturbinen anordnad efterbrännkammare. Vidare kan gastur- binanordningen innefatta åtminstone en första turbin och en andra turbin, varvid efterbrännanordningen även kan in- nefatta en mellan den första och andra turbinen anordnad áteruppvârmaranordning som är inrättad att höja temperatu- ren jpá förbrånningsgaserna som har' passerat den första turbinen innan de leds in i den andra turbinen.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGEN Uppfinningen skall nu förklaras närmare med hjälp av olika, såsom exempel angivna utföringsformer av vilka en 509 877 lO 15 20 25 30 35 áskàdliggörs på den bifogade ritningen, vars enda Fig 1 schematiskt visar en PFBC-kraftanläggning med en kombine- rad gas- och ångcykel (den senare ej visad).

DETALJERAD BESKRIVNING AV OLIKA UTFÖRINGSFORMER En PFBC-kraftanläggning, dvs en anläggning för förbränning av partikulärt bränsle i en trycksatt fluidiserad bädd, schematiskt i Fig 1. innefattar en visas Anläggningen brännkammare 1, som är inrymd i ett kärl 2, vilket kan ha en volym i storleksordningen 104m3 och vilket kan tryck- sättas till exempelvis cirka 16 bar. Komprimerad syrehal- tig gas, i det visade exemplet luft, 3 för trycksättning av brännkammaren 1 och för fluidisering av en bädd 4 i brännkammaren 1 tillföres tryckkärlet 2. Den komprimerade luften tillföres brännkammaren 1 via schematiskt antydda fluidiseringsmunstycken 5 som är anordnade i botten av brännkammaren 1 för fluidisering av den i brännkammaren 1 inneslutna bädden 4. Bädden 4 utgörs av bäddmaterial, kornformig absorbent och ett partikulärt bränsle, företrä- desvis krossat kol som förbränns i den till bädden 4 förda från bädden 4 vilken i exemplet fluidiseringsluften. Förbränningsgaserna förs sedan via en reningsanläggning 6, utgörs av ett högtemperaturfilter, som kan vara av kera- och en inter- Till ef- terbrännkammaren 8 föres även en brännbar gas via en led- misk typ och som är avsett för höga tryck, ceptventil 7 vidare till en efterbrännkammare 8. ning 9 från en förgasningsreaktor 10 av känd typ via ett ytterligare högtemperaturfilter 11. Förgasningsreaktorn 10 är fristående, dvs anordnad àtskild från brännkammaren 1 och utanför tryckkärlet 2. Flödet av brännbar gas till ef- terbrännkammaren. 8 regleras med. hjälp av' reglerventilen 9a. samband med tillförsel av komprimerad luft via ledningen I efterbrännkammaren förbränns de brännbara gaserna i 12 fràn. en. högtryckskompressor' 13 genom inverkan av' en icke visad brännare och blandas med förbränningsgaserna 10 15 20 25 30 35 509 877 från brännkammaren 1 för höjande av dessas temperatur, så att de gaser som lämnar efterbrännkammaren 8 uppvisar en temperatur av cirka 1200 - l500°C, vilket gör dem väl läm- pade som drivgas för drivande av en första gasturbin 14 i form av en högtrycksturbin. Genom efterbrännkammaren 8 har temperaturen på nämnda förbränningsgaser således höjts från 850 - 950°C till 1200 - l500°C.

Högtrycksturbinen 14 och högtryckskompressorn 13 är anord- cirka cirka nade på samma axel som en generator 15, ur vilken nyttig elektrisk energi kan uttagas. Högtryckskompressorn 13 le- vererar även kømprimerad luft till PFBc-brännkammaren 1 via ledningen 16 frán vilken ledningen 12 är avgrenad.

Därvid är en interceptventil 17 anordnad mellan högtrycks- kompressorn och brännkammaren 1. Högtryckskompressorn 13 levererar även luft via ledningen 18 för förgasningen i förgasningsreaktorn 10. Det restbränsle som bildas i för- gasningsreaktorn 10 vid den brännbara gasens alstrande kan tillföras bäddden 4 i brânnkammaren 1 via en brânsleled- ning 19.

Den i figuren visade PFBC-kraftanläggningen år av ett avancerat slag, då den uppvisar en ytterligare gasturbin 20, i form av en mellantrycksturbin, vilken är anordnad på sama axel 21 som högtryoksturbinen 14 och högtryckskom- pressorn 13. Den i högtrycksturbinen 14 expanderade och temperatursänkta gasen förs via en ledning 22 till en áteruppvârmningsanordning 23 som innefattar en så kallad eller återuppvârmningsbrännkammare. erhåller ett flöde brännbara gaser, vilket regleras med hjälp av reglerventi- reheat-brânnkammare Reheat-brännkammaren 23 av nämnda len Sb och härrör från förgasningsreaktorn 10, samt kom- primerad luft från högtryckskompressorn 13 på samma sätt som efterbrânnkammaren 8, vilket visas i Fig 1, genom led- ningarna 24 respektive 25, varigenom dessa brännbara gaser förbränns där via en icke visad brännare och de så bildade heta gaserna blandas med förbränningsgaserna från hög- 10 15 20 25 30 35 509 877 trycksturbinen 14 för att åter höja dessas temperatur in- nan de förs vidare via ledningen 26 till mellantryckstur- binen 20. På detta sätt kan den från mellantrycksturbinen 20 uttagna effekten höjas avsevärt.

De i. mellantrycksturbinen..20 expanderade förbränningsga- serna föres till en làgtrycksturbin 27. De förbränningsga- ser som lämnar lågtrycksturbinen 27 innehåller fortfarande energi som kan tas tillvara i en economizer 28. Lågtrycks- turbinen 27 är anordnad på en axel 29 på vilken även en lågtryckskompressor 30 är anordnad. 13 tillföres atmosfärisk luft via ett filter 31. Låg- Lágtryckskompressorn tryckskompressorn 30 drivs sålunda av làgtrycksturbinen 27 och förser från sitt utlopp högtryckskompressorn 13 med luft som har komprimerats i ett första steg. Lågtryckstur- binens 27 inlopp är företrädesvis försett med en icke vi- sad flödesreglerande anordning, som i form av styrbara ledskovlar på en ledskenekrans, så att varvtalet på den andra axeln kan varieras. Mellan lågtryckskompressorn 30 och högtryckskompressorn 13 är en mellankylare 32 inkopp- lad för att sänka temperaturen på den luft som tillföres högtryckskompressorns 13 inlopp.

Vidare uppvisar kraftanläggningen en ångturbinsida, som ej är visad här, den 4 nedsänkt tubsats 33, förångas och överhettas genom värmeväxling mellan tuberna men antydd genom en i den fluidiserade bäd- i vilken vatten cirkuleras, och bäddmaterialet för upptagande av vid den i bädden 4 genomförda förbränningen alstrad värme.

Den från högtryckskompressorn 13 kommande ledningen 18 för tillförsel av komprimerad luft till förgasningsreaktorn 10 innefattar en kompressoranordning 34, som i det visade ex- emplet utgörs av en så kallad booster-kompressor. Denna drivs företrädesvis med en elektrisk motor 35 men kan även vara driven med hjälp av en ångturbin som tillförs ånga 10 15 20 25 30 35 509 877 h från tubsatsen 33. Medelst denna 34 kan gastrycket hos den luft som tillförs förgasningsreaktorn 10 ökas ytterligare, då det är önskvärt att det gasflöde som förgasningsreaktorn 10 levererar har ett högre tryck än det till efterbrännkammaren 8 «och/eller' áteruppvärm- ningsbrännkammaren 23 anländande flödet av förbränninge- kompressor Därigenom kan de brännbara gaserna i varje given trycksituation enkelt och/eller äteruppvärmningsbrânnkammaren 23. I förgasnings- reaktorn 10 förgasas ett flytande eller fast bränsle, i gas. tillföras efterbrännkammaren 8 detta exempel partikulärt kol, som vid en understökio- metrisk process på känt sätt alstrar brännbara gaser. Or- saken till att på detta sätt anordna en fristående förgas- ningsanordning, som arbetar vid högre tryck än PFBC-bädden 4 är att det helt enkelt är nödvändigt att i efterbränn- kammaren 8 och återuppvärmningsbrännkammaren 23 ha ett högre tryck på gasen än trycket i brännkamrarna 8, 23 för att kunna reglera bränsleflödet och fördela bränsleflödet jämnt i dessa brânnkammare. Således kan vid eventuellt 16 bars tryck i PFBC-brännkammaren 1 ett tryck av cirka 26 bar i förgasningsreaktorn 10 åstadkommas. För att emeller- tid mer exakt kunna reglera luftflödet till förgasningsre- aktern 10 kan motorn 35 vara ansluten till en schematiskt visad styranordning' 36 för' varvtalsreglering av' motorn.

Det är också möjligt att som alternativ eller komplement till varvtalsregleringen anordna en schematiskt visad ledskeneanordning 37, t ex i form av medelst ett manöver- don styrbara ledskovlar på en ledskenekrans, i eller fram- för kompressorn 34, dvs uppströms om ett eller flera ro- torsteg hos kompressorn 34. På så vis kan man exakt reg- lera luftflödets storlek genom kompressorn 34 och således mängden luft som tillförs förgasningsreaktorn 10. Manöver- donet kan därvid vara anslutet till styranordningen 36.

Med det uppfinningsenliga arrangemanget kan man således medelst den 'varvtalsreglerade kompressorn 34 snabbt öka 10 15 20 25 30 35 ll Uppfinningen är inte på något sätt begränsad till den ovan beskrivna utföringsformen utan en mängd möjligheter till modifikationer därav är möjliga inom ramen för de efter- följande patentkraven och torde vara uppenbara för en fackman pä området, utan att denne för den skull avviker från uppfinningens grundtanke.

Exempelvis vore det möjligt att anläggningen endast uppvi- sar tvä gasturbiner, dvs att mellantrycksturbinen som är visad i Fig 1 är utlämnad. Därvid höjer återuppvärmnings- brännkammaren 23 temperaturen pä förbränningsgaserna som kommer från högtrycksturbinen 14 och skall anlända till làgtrycksturbinen 27, vilken i ett sådant fall kommer att fä gaser med ett högre tryck än ovan beskrivet och skulle kunna benämnas mellantrycksturbin.

Det är inte heller' nödvändigt, fastän. fördelaktigt, att den uppfinningsenliga PFBC-anläggningen uppvisar en efter- brännkammare 8, även om fördelarna med àteruppvärmnings- brännkammaren 23 kommer till sin fulla rätt först när det finns en sådan efterbrännkammare 8.

Det är naturligtvis även möjligt att i fallet av flera än tvâ gasturbiner anordna en äteruppvärmningsbrännkammare mellan de i förbränningsgasernas väg andra och tredje gas- turbinerna om sä skulle önskas.

Den fràn kompressorn 34 kommande luften behöver inte ledas via värmeväxlaren 38 utan kan tillföras förgasningsreak- torn l0 direkt.

Den till den fristående förgasningsreaktorn 10 anlåndande luften behöver inte heller tas från högtryckskompressorn 13 utan kan tas direkt frän atmosfären. Därvid kan den 509 877 12 uppfinningsenliga, reglerbara kompressor 34 i ett eller flera steg komprimera atmosfârsluften till önskat tryck.

Claims (12)

10 15 20 25 30 35 509 877 ifb

1. Kraftanläggning innefattande - en brännkammare (1) i vilken förbränning av ett bränn- bart material under bildande av varma förbränningsgaser är avsedd att äga rum, (14, 20, 27) som är inrättad att drivas av förbränningsgaserna, - en gasturbinanordning - en efterbrännanordning (8, 23) som är inrättad att höja temperaturen hos förbränningsgaserna till en för gastur- binanordningen lämplig temperatur, (10) ställa en brännbar gas för förbränning i efterbränn- - en förgasningsanordning som är inrättad att fram- anordningen för att åstadkomma nämnda temperaturhöjning och (18) som är anordnad att tillföra en för förgasningen nödvändig syrehaltig gas till förgasnings- - ledningsorgan anordningen och som innefattar en av en drivanordning (34) nämnda syrehaltiga gas som tillförs förgasningsanord- driven kompressor som är inrättad att komprimera ningen (10), kännetegknad_ay att ledningsorganet innefattar ett organ (35, 36, 37) för reglering av flödet av nämnda syrehaltiga gas som tillförs förgasningsanordningen (10) till en öns- kad nivå.

2. Kraftanläggning enligt krav 1, känng;egkn3d_ay att reg- (35, 36) talsreglering av kompressorns drivanordning. lerorganet är inrättat att åstadkomma en varv-

3. Kraftanläggning enligt något av kraven 1 och 2, känna; tegknad_ay att drivanordningen innefattar en elektrisk mo- tor (35).

4. Kraftanläggning enligt något av kraven 1 till 3, känne; ;ggknfl1_ay att kompressorn (34) innefattar en rotor med 5Û9 877 10 15 20 25 30 35 (År skovlar och att reglerorganet (37) är inrättat att reglera flödet genom kompressorn.

5. Kraftanlâggning enligt något av kraven 1 till 4, känna; ;egknad_ay att reglerorganet (37) innefattar åtminstone en vridbar ledskenekrans som är anordnad uppströms om ett el- ler flera rotorsteg hos kompressorn (34).

6. Kraftanlâggning enligt något av de föregående kraven, kännetegknafi__ay att gasturbinanordningen innefattar åt- minstone en turbin (14, 20, 27) och en av turbinen driven kompressor (30, 13) som är inrättad att komprimera den för förbränningen i. brännkammaren (1) nödvändiga syrehaltiga gasen innan den tillförs brännkammaren.

7. Kraftanlâggning enligt krav 6, kännet§gknad_ay att den av turbinen (14, 20) drivna kompressorn (13) är inrättad att komprimera en för förbränningen i efterbrännanord- ningen (8, 23) nödvändig syrehaltig gas innan den tillförs efterbrännanordningen.

8. Kraftanlâggning enligt krav 6 eller 7, kànne;egknad_3y att ledningsorganet (18) är förbundet med den av turbinen (14, kompressorns att medge tillförsel till förgasningsanordningen 20) drivna (13) utloppsida och inrättat (10) av nämnda syrehaltiga gas som har komprimerats i den av tur- binen drivna kompressorn.

9. Kraftanlâggning enligt något av de föregående kraven, kännetggknad__ay att efterbrännanordningen innefattar en mellan brännkammaren (1) och gasturbinanordningen (14, 20) anordnad efterbrännkammare (8).

10. Kraftanlâggning enligt något av de föregående kraven, kännetggknad_gåy att gasturbinanordningen innefattar åt- minstone en första turbin (14) och en andra turbin (20, 10 509 877 27) och att efterbrännanordningen innefattar en mellan den första och andra turbinen anordnad återuppvärmaranordning (23) ningsgaserna som har passerat den första turbinen (14) in~ som är inrättad att höja temperaturen på förbrän- nan de leds in i den andra turbinen (20, 27).

11. ll. Kraftanläggning enligt något av de föregående kraven, kánnetegknad_ay att brännkammaren (1) är av en typ som in- nefattar en fluidiserad bädd (4). att är trycksatt.

12. Kraftanläggning' enligt krav ll, den fluidiserade bädden (4)