SE524218C2 - Gasturbinanläggning och metod för styrning av last i en gasturbinansläggning - Google Patents

Description

125 ø o ø | .- u PL70058SEÖO 52 4 2 1 8 2 Turbine" med författarna Sundkvist, Griffin, Thorshaug. Allt som är beskrivet i nämnda artikel inkorporeras härmed i föreliggande skrift.

I AZEP-konceptet föreslås en process för kraftgenerering med nollutsläpp.

En lösning på detta tillhandahålls genom nyttjande av ett så kallat MCM- membran, från engelskan Mixed Conducting Membrane. Detta membran producerar rent syre från luft. Forskning kring dessa syre-selektiva membran har ökat kraftigt under senare år. MCM-membranen byggs upp av komplexa kristallina strukturer, som innehåller vakanser av syrejoner.

Principen för transport av syrejoner genom ett membran är adsorption på ytan följt av sönderfall till joner, som transporteras genom membranet genom ett sekventiellt besättande av jonvakanser. Jontransporten är motvägd av ett flöde av elektroner i den motsatta riktningen genom membranet. Drivkraften är en skillnad mellan syrets partialtryck mellan membranets två sidor. Transporten kräver vidare höga temperaturer, högre än 700°C.

Integration av MCM-teknologi i kraftanläggningar kan uppnås medelst olika medel. Ett antal lösningar med skilda cykler karakteriserade av olika cykeleffektiviteter har studerats och jämförts med existerande bästa möjliga teknologier. Man har härvid indikerat att den mest effektiva, kostnadseffektiva och lovande användningen av en MCM-reaktor är dess integration i en konventionell gasturbin. MCM-reaktorn, som kombinerar syre-separation, förbränning och värmeöverföringsprocesser, avses härvid ersätta de konventionella brännarna i en gasturbinkraftanläggning av standardutförande, så som visas i figur 1. Gasturbinsetet och dess hjälp- utrustning består av standardanordningar. Figur 1 visar principiellt upp- byggnaden av det nämnda konceptet med en gasturbin som utnyttjar förbränning av metan i en MCM-reaktor. Luft förs till en kompressor C varefter den komprimerade upphettade luften förs vidare till reaktorn 1. I reaktorn förbränns en gas, i det visade fallet metan. Värme från förbrän- ningen höjer temperaturen på den till reaktorn förda luften, varefter den :nova . 25 annu: PL7oO5ssE0o 524 218 3 i ' heta luften driver en gasturbin T. Nyttig kraft tillgodogörs genom en generator G monterad på samma axel som kompressorn och gasturbinen.

Genom reaktorn i dess längd sträcker sig ett MCM-membran M. Syre transporteras genom membranet enligt figuren från den så kallade luft- kretsen hos reaktorn 1 mot gaskretsen hos reaktorn. I gaskretsen för- bränns gasen under reaktion med syre, varefter förbränningsgaserna, huvudsakligen koldioxid och vatten, avger värme via en värmeväxlare och sedan förs vidare till en turbin T2 som drivs av förbränningsgaserna.

Vattnet och koldioxiden tas sedan om hand av icke visad utrustning efter utloppet 2.

En svårighet att överbrygga för att driva en gasturbin med en MCM- reaktor är att finna en lösning på hur anläggningen skall styras. Vid en konventionell gasturbin styrs gasturbinen enkelt genom att bränsletill- förseln till en eller flera brännare mellan kompressor och gasturbin regleras alltefter lastbehov. En sådan styrning är ej möjlig med den mycket tröga reaktor som en MCM-reaktor utgör, dvs snabba förändringar av dess avgivande av effekt till gasturbinen är ej möjlig. Den föreliggande uppfinningen har till syfte att påvisa en lösning på detta problem.

BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Enligt en första aspekt av uppfinningen framläggs en anordning för styrning av en gasturbin vars brännare utgörs av en reaktor som före- trädesvis hålles vid konstant temperatur och där anordningen känne- tecknas av särdragen enligt det oberoende anordningskravet.

Enligt en andra aspekt av uppfinningen presenteras en metod för styrning av samma anläggning enligt det oberoende metodkravet. ~øaan :25 524 218; Pmoosssßoo ' - - :Éë-QÅ-Ålïfïå Genom att anordna AZEP-reaktorn skild från gasturbinen är det möjligt att åstadkomma en snabb separation av gasturbinen från reaktorn med avseende på last.

Det generella syftet med uppfinningsaspekterna är att temperaturen hos reaktorn skall hållas stabil helt enkelt genom att uteffekten från reaktorns brännare styrs och att även massflödet genom gaskretsen (eng. sweep circuit) i reaktorn styrs. Trycket i gaskretsen hålls på konstant nivå relativt trycket i reaktorns luftkanaler. Detta åstadkommes medelst en styrning av det ordinarie gasutsläppet och, i extrema situationer, en gas- avblåsningsventil. Om tryckökningen från gasturbinens kompressor är snabbare än vad som kan åstadkommas genom bränsleinmatning i gas- kretsen måste extra ånginsprutning i reaktorn övervägas.

Turbinen och dess kompressor styrs medelst de konventionella avblås- ningsutloppen och de vridbara ledskenorna i kompressorn och genom styrning av inloppstemperaturen till turbinen. Temperaturen styrs enligt uppfinningsaspekten medelst ett ventilset som styr en blandning av het luft från reaktorn och luft från kompressorn som bypassas reaktorn via ventilsetet. Ett set av ventiler kan vara tillräckligt om flödesmotståndet för luften i dess väg genom reaktorn kan tillåtas vara sådant att tempera- turen hos luften till turbinen är låg nog för alla laster när reglerventilen som bypassar reaktorn är fullt öppen. Om flödesmotståndet genom reaktorn är för lågt måste ett extra ventilset anordnas i den kalla luft- vägen till reaktorn.

En väsentlig fördel med att kunna kvarhålla reaktorn vid den höga temperaturen under styrning av anläggningen förutom den tröghet man har i reaktorn är att det blir möjligt att utvinna syre ur luften till förbrän- ningsprocessen i gaskretsen, utan att extra syre behöver föras till, vilket blir nödvändigt om temperaturen i reaktorn sänks vid försök att styra anläggningen med hjälp av förändringar i driften av reaktorn.

Puoosssiïóo ggr-n. : .: .: :_ _: s Ytterligare exempel på funktiønen hos den visade styrningen av gasturbinen och dess användning vid olika driftfall presenteras under utförandeexemplen nedan. ungen sasse “25 Iouvn 524 218 PL70'058SE(~)0 6 w? FIGURBESKRIVNING Fig. 1 visar en gasturbinanlägging med en MCM-reaktor föreslagen i känd teknik.

Fig. 2 visar schematiskt och symboliskt en principskiss över hur en gasturbinanläggning enligt aspekterna i uppfinningen är anordnad.

Fig. 3 åskådliggör en gasturbinanläggning enligt uppfinningen med de olika gasflödena vid gasturbin och reaktor tydligare illustrerade.

EXEMPEL PÅ uTFöRANpEN Uppfinningen beskrivs i det följande med stöd av de bifogade figurerna.

En anordning i form av en gasturbinanläggning som styrs enligt uppfinningsaspekterna visas i den tidigare beskrivna figuren 1.

Anordningen för styrning av anläggningen visas schematiskt i figur 2.

I nämnda figur representerar C en kompressor för komprimering av luft, som efter kompressionen med högre tryck och högre temperatur förs vidare till en MCM-reaktor 1 enligt känd teknik. I reaktorn 1 förbränns ett bränsle, i detta fall metangas. Reaktorn innefattar en värmeväxlare som avger värme från gaskretsen i reaktorn, via det membran M som delar reaktorn i en gaskretssida och en luftkretssida, till luften i luftkretsen.

Temperaturen på luften höjs härvid till omkring 1250°C. Denna upp- hettade luft driver gasturbinen T. För att kunna styra anläggningen på ett säkert sätt och vid olika typer av driftfall anordnas enligt uppfinnings- aspekten en reglerventil V parallellt med reaktorn 1. Reglerventilen V placeras företrädesvis vid luftkretsens kalla sida. Reglerventilen V kan sålunda användas för att kortsluta Iuftflödet över reaktorn 1. Det blir härigenom möjligt att styra temperaturen vid inloppet till gasturbinen T :sons '225 524 218 i Pmoosssßóo 7 '''' "ï helt inom det temperaturlntervall som bestäms av den lägre temperaturen vid kompressorns C utlopp och den högre temperaturen vid reaktorns 1 utlopp, som normalt hålls vid ca 1250°C. Det är som nämnt fördelaktigt att hålla processen i reaktorn vid väsentligen konstant hög temperatur.

Härigenom kan driften av reaktorn frikopplas från själva styrningen av lastuttaget från gasturbinen. Genom att medelst reglerventilen V blanda den svalare luften från kompressorn C med den heta luften från reaktorn 1 styrs lasten hos gasturbinen T på önskvärt sätt.

I figur 3 visas tydligare gas- och luftflödena genom anläggningen enligt uppfinningen. Den komprimerade luften från kompressorn C leds i reaktorn 1 genom en kärna 3 som innehåller membranet M. Detta membran innefattar ett stort antal parallella porliknande kanaler för dels luft och dels gas. Varje luftkanal omges av gaskanaler och vice versa. Den ovan beskrivna processen för transport av syre från luft till gas sker l materialet mellan luft- och gaskanalerna. Kärnan 3 innefattar även en värmeväxlare WX som överför värme från den heta gasen till luften, så att luften härvid värms till ca 1250°C innan den heta luften förs vidare till turbinen T. Den heta gasen alstras i en eller flera brännare 4 som är inkluderade i reaktorn 1. I det visade exemplet utgörs gasen av metan som förbränns i brännaren 4. Genom brännaren 4 löper även en gaskrets . Gasen i denna gaskrets 5 alstras i brännaren 4, varefter den heta gasen avger värme via värmeväxlaren WX i kärnan 3 i reaktorn 1. Genom till- skott av syre via membranet M från luften i luftkretsen blir gasen i gas- kretsen syreberikad och kan underhålla förbrännningen i brännaren 4 dit gasen leds från kärnan 3. Gasen har efter avgivande av värme kylts till ca 450°C innan den når brännaren 4. Förbrukad gas leds även av via en ledning 6 till den i figur 1 visade turbinen T2 där ytterligare värme till- varatas, vartefter gasen transporteras vidare för omhändertagande av dess innehåll av koldioxid och vatten. I figuren visas även en gasavblås- ningsventil 7 för avblåsning av gas från gaskretsen. Vidare visas även en luftavblåsningsventil 8 för avblåsning av luft från luftkretsen. :nano *'*25 none; 524 218 v o o u un Pmóosssßoo " - - :šbäl Ett antal olika driftsfall för anläggningen presenteras nedan.

Vid laständring måste temperaturen i gaskretsen i reaktorn hållas vid konstant full temperatur. Massflödet i reaktorns gaskrets hålls så att värmekapacitetsflödet i gaskretsen är lika som värmekapacitetsflödet i reaktorns luftkrets. I Vid heta stopp av anläggningen, där man inte behöver ha tillgång till reaktorn, isoleras reaktorn 1 från turbinen T. Detta görs genom att luftflödet över reaktorn kortsluts utanför reaktorn genom att regler- ventilen V öppnas helt. Ett litet luftflöde upprätthålls fortfarande genom reaktorn i avsikt att hålla temperaturprofilen för reaktorn uppe och för att hålla brännare vid inloppet till till gaskretsen vid full lasttemperatur.

Stopp av reaktorn 1 kan åstadkommas på flera olika sätt. Ett panikstopp av denna, som t ex en följd av en turbinkrasch, kan åstadkommas genom att turbinen isoleras från reaktorn på samma sätt som i det heta stoppet.

I detta fall stängs dock reaktorn av helt enkelt genom att brännarna slås av. Eventuellt kan även cirkulationen i gaskretsen stoppas. Ett annat alternativ för stopp av reaktorn som tillåter snabbare access till reaktorn och dess kärna är att brännarna och cirkulationen i gaskretsen stängs av, men att turbinen gradvis drar ut värme ur reaktorn så att den följaktligen kyls.

Vid en gasturbintrip där ett hett stopp av anläggningen måste tillgripas öppnas reglerventilen V fullt för att inloppstemperaturen till gasturbinen T skall bringas ned och för att man snabbt ska få ned temperaturen i gas- turbinen öppnas även en luftavblåsningsventil 8. Den uppfinningsenliga reglerventilen V är illustrerad monterad mellan den varma och kalla sidan av luftkretsen, så som ovan beskrivits.

Claims (1)

1. 524218 7005 8SEOO PATE NTKRAv q 10 15 20 25 30 35 Gasturbinanläggning innefattande en kompressor (C), en turbin (T) och en MCM- reaktor (1), där luft komprimeras i kompressorn (C) och tillsammans med ett bränsle förs till reaktorn för att underhålla en förbränning och där den i reaktorn upphettade luften driver turbinen (T), kännetecknad av att styrning av lasten på turbinen (T) innefattar en styrning av inloppstemperaturen till turbinen (T) genom att het luft från reaktorn (1) blandas med luft från kompressorn medelst en mellan kompressorns (C) utlopp och gasturbinens (T) inlopp anordnad reglerventil (V). Gasturbinanläggning enligt patentkrav 1, där reglerventilen (V) är monterad i en ledning som leder förbi reaktorns (1) luftkrets. Gasturbinanläggning enligt patentkrav 2, där reglerventilen är monterad närmare den kallare sidan av nämnda förbiledning. Gasturbinanläggning enligt något av patentkraven 1 - 3, där MCM-reaktorn (1) innefattar en luftkrets som leder luft från kompressorn (C) utmed en första sida av ett membran (M) som transporterar syre från luften till en het gas på membranets motsatta andra sida och där luften i luftkretsen vid passage genom reaktorn uppvärms av en värmeväxlare (VVX) inuti reaktorn (1). Gasturbinanläggning enligt patentkrav 4, där reaktorn (1) innefattar en gaskrets (5) som inkluderar minst en brännare (4) där bränslet förbränns och alstrar en het gas i gaskretsen och där den heta gasen leds genom reaktorn på nämnda membrans (M) andra sida för att där berikas med syre samt att den heta gasen i gaskretsen avger värme till luften i värmeväxlaren (VVX) innan den avkylda gasen förs vidare till ett utlopp (6). Gasturbinanläggning enligt något av patentkraven 1 - 5, där gaskretsen innefattar en avblåsningsventil (7). Gasturbinanläggning enligt något av patentkraven 1 - 5, där luftkretsen innefattar en luftavblåsningsventil (8). Gasturbinanläggning enligt patentkrav 1, där reaktorn (1) hålls vid en temperatur som motsvarar full last för reaktorn. 10 15 20 25 30 35 s24'21à PL70058SEOO 9. 10. 11. 12. 13. 14. Gasturbinanläggning enligt patentkrav 2, där nämnda temperatur upprätthålls genom en styrning av flödet av luft och bränsle genom reaktorn. Metod för styrning av last i en gasturbinanläggning, innefattande stegen: - luft komprimeras i en kompressor (C), - den komprimerade luften förs genom en luftkrets i en reaktor (1) som innefattar ett MCM-membran (M), - ett bränsle förs till en brännare (4) i en gaskrets (5) i reaktorn (1) där en het gas bildas vid en förbränning i brännaren, - den heta gasen bringas att avge värme till luften i luftkretsen via en värmeväxlare i reaktorn (1), - den heta gasen berikas i reaktorn (1) med syre som transporteras via membranet (M) från luften i luftkretsen till gaskretsen, - den i reaktorn (1) uppvärmda luften avleds till en gasturbins (T) inlopp för att driva gasturbinen och där metoden kännetecknas av: - styrning av lasten i anläggningen åstadkommes genom styrning av en reglerventil (V) som medger blandning av luft direkt från kompressorns (C) utlopp med het luft från reaktorn (1), så att temperaturen på luften till inloppet till gasturbinen (T) kan styras i beroende av lastuttag hos gasturbinen (T). Metod enligt patentkrav 10, där temperaturen vid inloppet till gasturbinen medelst reglerventilen styrs att vara mellan 450°C och 1250°C. Metod enligt patentkrav 10 eller 11, där reaktorn (1) tillåts arbeta vid en temperatur som motsvarar full last vid styrning av laständringar hos gasturbinen (T)- Metod enligt patentkrav 10, där ett snabbt stopp av anläggningen kan åstadkommas genom att reglerventilen (V) öppnas helt, så att i det närmaste all luft från kompressorn leds förbi reaktorn (1). Metod enligt patentkrav 10, där ett snabbt stopp av gasturbinen (T) kan åstadkommas genom att reglerventilen (V) öppnas helt, så att i det närmaste all luft från kompressorn leds förbi reaktorn (1).