WO1998048161A1 - Verfahren zum betreiben einer gasturbine und danach arbeitende gasturbine - Google Patents

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WO1998048161A1
WO1998048161A1 PCT/DE1998/001017 DE9801017W WO9848161A1 WO 1998048161 A1 WO1998048161 A1 WO 1998048161A1 DE 9801017 W DE9801017 W DE 9801017W WO 9848161 A1 WO9848161 A1 WO 9848161A1
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gas turbine
turbine
coolant
fuel
hot
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PCT/DE1998/001017
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Horst Vollmar
Heiner Edelmann
Christoph NÖLSCHER
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00—Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/22—Fuel supply systems
    • F02C7/224—Heating fuel before feeding to the burner
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00—Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/12—Cooling of plants
    • F02C7/16—Cooling of plants characterised by cooling medium
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/16—Combined cycle power plant [CCPP], or combined cycle gas turbine [CCGT]

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a gas turbine, in which compressed air and fuel are supplied to a combustion chamber, a coolant supplied to the gas turbine being heated and released in the interior of the gas turbine. It also relates to a gas turbine operating according to this method.
  • the invention is based on the object of specifying a method for operating a gas turbine with which a particularly high efficiency of a gas turbine system or a combined cycle power system is achieved. Furthermore, a gas turbine that is particularly suitable for carrying out the method is to be specified. With regard to the method, this object is achieved according to the invention by the features of claim 1.
  • the invention is based on the consideration of achieving cooling of hot turbine parts by reforming and, in addition, intermediate heating in the expansion stages of the gas turbine in order to achieve a maximum working temperature and thus to increase the efficiency of the gas turbine, without interposing combustion chambers. This should be done in that instead of the usual cooling with air, water vapor or fuel, such a coolant can be used which, in addition to heat transfer (heating of the coolant), consumes heat by reforming.
  • a fuel mixture of hydrocarbon-containing fuel is expediently used as a first mixture component, e.g. Natural gas, biogas or methanol, and from an auxiliary as a second mixture component, e.g. Water vapor and / or carbon dioxide or water are used.
  • first mixture component e.g. Natural gas, biogas or methanol
  • second mixture component e.g. Water vapor and / or carbon dioxide or water
  • the first expansion stage of a gas turbine is cooled by a natural gas / water vapor mixture that is endothermally reformed in the turbine blades.
  • a natural gas-water vapor mixture instead of the natural gas-water vapor mixture, a natural gas-carbon dioxide mixture or a natural gas-water vapor-carbon dioxide mixture can also be used. All turbine parts that are not cooled mixture are expediently cooled by air or water vapor taken from a compressor. Any quantity ratio between coolant formed by chemical reaction and coolant removed from the compressor can be used to cool the gas turbine.
  • carbon dioxide which is preferably taken from the exhaust gas of the gas turbine, is particularly favorable as the second mixture component of the fuel mixture.
  • water vapor is expediently generated from the waste heat of the gas turbine as the second mixture component of the fuel mixture.
  • the water vapor and / or the carbon dioxide are then the fuel, for. B. natural gas, admixed, the resulting fuel mixture being used as a starting material for cooling by reforming in hot turbine parts.
  • Air-cooled turbine parts and the turbine parts cooled with the fuel mixture expediently have an open cooling system in the form of a cooling channel system.
  • the air or the fuel mixture is preferably led directly through openings in the hot turbine parts into the working space of the turbine.
  • a closed cooling system in the form of a cooling loop can also be used. In the closed cooling system, the fuel mixture is fed back to the combustion chamber via a cooling loop running in the hot turbine part and thus to the combustion process.
  • the reformate in the open cooling duct system is guided or let out, for example, through openings in the turbine blades into the working space of the turbine, where it burns with still unused oxygen from the combustion chamber and thereby heats the working medium.
  • the outlet of the reformate takes place at the colder part of the turbine blade / for example at the rear edge, where there is a pressure release.
  • the areas of the blade surfaces which are particularly thermally stressed, for example in the vicinity of the flame, are particularly cooled by increased reforming. This is achieved on the one hand by accelerated reforming at higher temperatures and on the other hand by a more efficient catalyst or by an increased coating of the surface with catalyst.
  • a catalyst is used.
  • a nickel-containing material or a noble metal is preferably used as the catalyst material.
  • the catalyst is advantageously part of the hot turbine splitters to be cooled, e.g. in the form of a catalytic coating of the interior of the hot turbine parts, in particular the turbine blades.
  • the stated object is achieved according to the invention in that a mixing device and a coolant line for supplying the generated fuel mixture as a coolant for producing a fuel mixture are provided in the gas turbine, wherein a hot turbine part with an interior, the inner surface of which is catalytically coated, can be cooled by means of the fuel mixture, and one in the hot turbine Partially emerging reformate through outlet openings of the hot
  • Turbine part can be introduced into the working space of the turbine.
  • the interior in the hot turbine part is expediently designed as a cooling loop or as an open cooling duct system.
  • the fuel mixture can be supplied to the working space of the turbine via the open channel system, for example via outlet openings of a cooling channel.
  • the fuel mixture used as the coolant and heated and converted in the cooling loop can expediently be led out of the hot turbine part, and consequently out of the turbine, into the combustion chamber via an outlet line for heated coolant.
  • the hot turbine part via which the fuel mixture or through which the fuel mixture is fed to the turbine or the combustion chamber, is advantageously a row of blades, in particular a row of moving blades or a guide blade.
  • each individual rotor or guide vane can preferably be cooled from the inside by means of the cooling loop or the open cooling duct system which are arranged in the interior of the turbine blades.
  • the object is achieved according to a variant of the invention by a bleed line from the steam turbine for supplying water vapor and a fuel line for supplying fuel, both of which open into a mixing device, and through a coolant line leading from the mixing device, which opens into the gas turbine.
  • This device makes it possible to cool hot turbine parts particularly effectively with the coolant generated in the mixing device and with particularly simple means, for example by removing vents in the hot turbine parts to achieve intermediate heating in the working area of the turbine.
  • the object according to another variant of the invention is achieved in that a Line from the C0 2 separator for supplying carbon dioxide and a fuel line for supplying fuel open into a mixing device and a coolant line outgoing from the mixing device opens into the gas turbine.
  • a combined cycle power plant enables a fuel mixture of hydrocarbon-containing fuel and carbon dioxide to be used instead of the usual cooling of the hot turbine parts with air or steam.
  • a cooling effect on the hot turbine parts is not only achieved by heating the fuel mixture, as with air or water vapor cooling, but also by the heat consumption of the C0 2 reforming.
  • the advantages achieved by the invention consist in particular in that the efficiency of a gas turbine and / or a combination power plant is increased by cooling hot turbine parts based on water vapor and / or carbon dioxide reforming. Due to the high cooling effect of the reforming, an increase in the maximum working temperature of the gas turbine and, as a result, an increase in efficiency is possible.
  • By feeding the reformate formed in the hot turbine parts into the working space of the turbine intermediate heating in the turbine is also ensured with particularly simple means, the chemically incorporated reaction energy and the heat absorbed by the reformate in the combustion process to be released. This causes a reduction in fuel consumption. As a result, the efficiency of the gas turbine and / or a combined cycle power plant is increased.
  • FIG. 1 schematically shows a gas turbine plant with a mixing device for generating coolant
  • FIG. 2 shows a rotor or guide vane of a turbine according to FIG. 1 provided with a cooling channel system or a cooling loop,
  • FIG. 3 schematically shows a combined power plant with a tap line and a fuel line, which open into a mixing device, and
  • FIG. 1 shows a gas turbine system 1 with a gas turbine 2, which drives a compressor 6 via a turbine shaft 4, which feeds compressed or compressed air a via an air line 8 to a combustion chamber 10.
  • the compressor 6 has a suction line 12 on the suction side.
  • a fuel b for example natural gas, is supplied to the combustion chamber 10 via a fuel line 14 and burns with the compressed air a in the combustion chamber 10 to form a flue gas c.
  • the flue gas c is the working space 17 Gas turbine 2 supplied, the flue gas c in the
  • a mixing device 18 is provided. On the input side of the mixing device 18 are one of the
  • Fuel line 14 outgoing branch line 20 and an access line 22 connected to supply an auxiliary substance d.
  • the mixing device 18 On the outlet side, the mixing device 18 has a number of coolant lines 23, 24, 26, 28 which open into the gas turbine 2.
  • the gas turbine 2 also has an exhaust gas line 30 and cooling air lines 32, 34, 36 which are branched off from the air line 8 and e.g. Open into the working space via cavities 35, 37 in turbine blades (guide blades 50, moving blades 52, FIG. 2) or the shaft 4.
  • An outlet line 38 is also connected to the gas turbine 2 and opens into the combustion chamber 10.
  • the combustion chamber 10 is supplied with fossil fuel b, e.g. Natural gas, biogas, coal gas or methanol.
  • fossil fuel b e.g. Natural gas, biogas, coal gas or methanol.
  • the combustion chamber 10 is supplied with fresh air or compressed air a via the air line 8.
  • a reformat e generated and heated in the interior of the turbine blades (guide blades 50, rotor blades 52, FIG. 2) is also fed to the combustion chamber 10 via the outlet line 38.
  • Fuel b, the compressed air a and the reformate e are burned together in the combustion chamber 10.
  • the hot flue gas c or working fluid produced during the combustion is passed into the gas turbine 2 via the flue gas line 16.
  • the flue gas c relaxes there and drives it
  • Gas turbine 2 on. This in turn drives the compressor 6 and a generator 40 connected to the gas turbine 2 via the turbine shaft 4.
  • the flue gas c leaves the gas turbine 2 as exhaust gas f via the exhaust line 30 in the direction of a chimney, not shown.
  • the flue gas c has a high temperature of more than 1100 ° C. when it enters the gas turbine 2. Therefore parts of the gas turbine 2 which are subject to high thermal loads, in particular the turbine blades (guide blades 50, rotor blade 52, FIG. 2), have to be cooled.
  • the hot parts of the gas turbine 2 are cooled by means of compressed air a, which is used as cooling air, or by means of a coolant g generated in the mixing device 18, which the hot turbine parts in an open cooling duct system (56 in FIG. 2) or in a cooling loop (54 in Figure 2) flow.
  • the coolant g generated in the mixing device 18 is used instead of the usual cooling with compressed air a.
  • the coolant g used in the mixing device 18 is e.g. a natural gas-water vapor mixture, a natural gas-carbon dioxide mixture or a natural gas-water vapor-carbon dioxide are used.
  • the mixing device 18 is fed via the branch line 20 as the first mixture component of the coolant g to a fuel b, e.g. Natural gas.
  • a fuel b e.g. Natural gas.
  • an auxiliary substance d e.g. Steam, water or carbon dioxide.
  • the mixtures of substances produced in the mixing device 18, which are supplied to the gas turbine 2 as coolant g, are heated in hot parts of the gas turbine 2, in particular in the interior spaces 39 of the guide vane rows 44 and rotor blade rows 46.
  • endothermic reforming takes place in the guide blade rows 44 and in the rotor blade rows 46.
  • the resulting reformate e which is heated at the same time, is then, for example, via outlet openings (not shown) in the rotor blade rows 46 in discharge the working space 17 of the gas turbine 2, where it burns with still unused oxygen from the combustion chamber 10 and thereby heats the working gas (flue gas c). That in the
  • Vane rows 44 resulting reformate e is led into the combustion chamber 10 via the exhaust gas line 38 already described.
  • the coolant g can cool the thermally highly stressed turbine parts, such as the rotor blade rows 46, before entering the working space of the gas turbine 2, without the coolant g igniting.
  • the reformate e ignites, so that intermediate heating in the gas turbine 2, preferably in and / or behind the inlet area 42 has been effected.
  • thermodynamic process from the gas turbine installation 1 and the efficiency of the thermodynamic process in a gas and steam turbine installation (FIGS. 3, 4), a vaporous fluid being generated by the exhaust gases f from the gas turbine installation 1, are considerably increased.
  • the guide vane rows 44 and rotor blade rows 46 which are arranged in the outlet region 48 of the gas turbine 2 and are consequently exposed to a substantially lower thermal load, are, as already known, cooled by compressed air a.
  • the heated compressed air a emerges in a manner not shown from openings of the guide vane rows 44 and the rotor blade rows 46 and is supplied to the flow of the flue gas c within the gas turbine 2.
  • the front rotor and guide vane rows 46 and 44 arranged in the inlet area 42 are preferably cooled by air by means of the fuel mixture and reforming, and the rear rotor and guide vane rows 46 and 44 arranged in the outlet area 48 are cooled by air.
  • FIG. 2 shows a guide blade 50 and a moving blade 52 of the guide blade row 44 and of the moving blade row 46 of the gas turbine 2 with a cooling loop 54 and a cooling channel system 56.
  • the guide blade 50 and the rotating blade 52 are arranged in the cooling loop 54 and in the cooling channel system 56 led coolant g cooled.
  • the cooling loop 54 and the cooling channel system 56 are designed in the form of hollow channels or hollow bores, the inner surface being coated with a catalyst h, e.g. Nickel or precious metal is coated.
  • Reformats e additionally remove heat from the wall surface, so that the guide blade 50 and the blade 52 are protected from overheating by the particularly large cooling effect.
  • Such double cooling on the one hand through reforming and on the other hand through heat transfer, ensures an increase in the maximum working temperature and consequently an increase in the gas turbine inlet temperature.
  • the reformate e produced is fed via the cooling loop 54 into the outflow line 38, the reformate e being fed into the combustion chamber 10 via the outflow line 38 and consequently being fed back to the combustion process.
  • the reformate e generated in the cooling duct system 56 is released into the working space of the gas turbine 2 via openings in the colder part of the rotor blade 52.
  • the thermally particularly stressed areas of the surface of the blade 52 e.g. near the flame, are particularly cooled by increased reforming.
  • the increased reforming takes place in part inherently through increased reactivity at elevated temperature and through a more efficient catalyst h or an increased catalytic coating of the inner surface of the rotor blade 52 with the catalyst h.
  • FIG. 3 shows a combined cycle power plant 58, in particular a gas and steam turbine plant, with a gas turbine plant 1 according to FIG. 1, which is connected to a steam turbine plant 59 via the exhaust pipe 30 carrying the hot exhaust gas f.
  • the steam turbine system 59 comprises a steam generator 60 and a steam turbine 62 connected downstream of the steam generator 60 and to which hot steam i is supplied via a steam line 64.
  • the steam turbine 62 is a condenser 66, on which a feed water tank 68 is connected, connected downstream.
  • a feed water line 70 for supplying feed water j into the steam generator 60 is connected to the feed water container 68.
  • the steam turbine 62 is connected to a second generator 74 via a turbine shaft 72.
  • the combined power plant 58 comprises the mixing device 18, to which the branch line 20 for supplying fuel b, in particular natural gas, is connected.
  • a tap line 76 for supplying water vapor k opens from the steam turbine 62 into the mixing device 18.
  • the fuel b and the water vapor k are mixed in the mixing device 18 to form the coolant g, in particular a natural gas / water vapor mixture, which flows via the coolant line 23 is supplied to the gas turbine 2.
  • the coolant g generated in the mixing device 18 is used to cool hot parts of the gas turbine 2.
  • the reformate e formed by reforming in the hot parts of the gas turbine 2 is fed to the combustion chamber 10 via the outlet line 38 or is led into the working area of the gas turbine 2 via openings in the hot parts which are not shown in detail.
  • FIG. 4 shows a combined cycle power plant 80 with a gas turbine plant 1 according to FIG. 1 and a steam turbine plant 59 according to FIG. 3 with a CO 2 separator 82 which is connected to the steam generator 60 via a flue gas discharge line 84.
  • the combined power plant 80 comprises the mixing device 18, to which, as in the combined power plant 58, the branch line 20 for supplying fuel b, in particular natural gas, is connected. Instead of the bleed line 76, the combination power plant 80 comprises a line 86 leading from the C0 2 separator 82 and leading to the C0 2 , which leads into the mixing device 18.
  • the fuel b is mixed with the carbon dioxide.
  • the fuel mixture generated, in particular a natural gas-carbon dioxide mixture is supplied as a coolant g to the gas turbine 2 for cooling hot parts.
  • the turbine parts cooled by means of such a coolant are additionally cooled by the CO 2 reforming taking place in the hot 'turbine parts.
  • the reformate e formed in the hot turbine parts is fed either to the combustion chamber 10 or to the working space of the gas turbine 2.
  • the advantages achieved by the invention consist in particular in the fact that intermediate heating of flue gas in the gas turbine is ensured in a particularly simple manner and with little structural complexity, due to a particularly high cooling effect by means of reforming in hot turbine parts. This optimizes the thermodynamic process in the gas turbine. In particular by increasing the maximum working temperature, due to cooling by means of reforming, the efficiency of the gas turbine and consequently also the efficiency of a steam turbine system connected downstream of the gas turbine is improved.

Abstract

Beim Betrieb einer Gasturbine (2), bei dem einer Brennkammer verdichtete Luft und Brennstoff zugeführt wird, wird ein der Gasturbine zugeführtes Kühlmittel aufgeheizt und im Inneren der Gasturbine entspannt. Um einen besonders hohen Wirkungsgrad zu erzielen, wird erfindungsgemäß heißen Turbinenteilen als Kühlmittel (g) ein Brennstoffgemisch zugeführt, wobei das Brennstoffgemisch im Inneren des heißen Turbinenteils endotherm reformiert und dabei entstehendes Reformat (e) zumindest teilweise in den Arbeitsraum (17) der Gasturbine (2) eingeleitet und entspannt wird, wobei das Reformat (e) verbrennt.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine und danach arbeitende Gasturbine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine, bei dem einer Brennkammer verdichtete Luft und Brennstoff zugeführt wird, wobei ein der Gasturbine zugeführtes Kühlmittel aufgeheizt und im Innern der Gasturbine ent- spannt wird. Sie betrifft weiter eine nach diesem Verfahren arbeitende Gasturbine.
Beim Betrieb einer Gasturbine wird üblicherweise der Brennkammer verdichtete Luft als Verbrennungsluft zugeführt, die dort zusammen mit einem fossilen Brennstoff verbrannt wird. Das dabei erzeugte heiße Rauchgas wird in der Gasturbine ar- beitsleistend entspannt. Zur Erreichung eines hohen Wirkungsgrades ist es aus dem Dokument "BWK", Zeitschrift für Energietechnik und Energiewirtschaft, Band 12, 1960, Seite 521 bis 564, bekannt, eine Zwischenerhitzung im Inneren der Turbine in mehreren oder allen Expansionsstufen ohne Zwischenschaltung von Brennkammern durchzuführen. Dabei wird Brennstoff durch die Turbinenschaufeln geführt und aufgeheizt und aus deren Hinterkante herausgeblasen, wo der Brennstoff spon- tan verbrennt. Das Problem ist, daß eine Kühlung der Turbinenschaufeln durch Aufheizen von Brennstoff nicht ausreichend ist, so daß eine zusätzliche Kühlung notwendig ist, die sich nachteilig auf den Wirkungsgrad auswirkt.
Aus der älteren Anmeldung DE 196 21 385.1-13 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine bekannt, bei dem ein durch Reformierung, insbesondere Wasserdampfreformierung, entstehendes Kühlmittel in der Gasturbine aufgeheizt und anschließend in die Brennkammer geführt wird. Dabei wird das Kühlmit- tel in einem geschlossenen Kühlsystem durch die Gasturbine geführt.
Desweiteren ist aus dem Dokument "VBG Kraftwerkstechnik 75", 1995, Heft 6, Seiten 478 bis 493, eine Gasturbine mit einer sequentiellen Verbrennung bekannt, bei der zwei Ringbrennkammern hintereinander geschaltet werden. Nachteilig ist dabei, daß zusätzlich Brennkammern zwischen den Expansionsstufen angeordnet werden müssen.
B'erner ist es aus dem Dokument "VGB Kraftwerkstechnik 76", 1996, Heft 4, Seiten 309 bis 314, bekannt, beim Betrieb der Gasturbine diese mit Luft zu kühlen, wobei die Kühlluft durch Öffnungen in den Turbinenschaufeln in den Arbeitsraum geführt wird. Dabei wird die Temperatur der äußeren Schaufeloberfläche auf ca. 1.100°C begrenzt, so daß eine höhere Gasturbineneintrittstemperatur um ca. 300°C auf ca. 1.400°C ermöglicht ist. Die Begrenzung der Oberflächentemperatur, die mit der Gasturbineneintrittstemperatur korreliert, führt zu einer Be- grenzung des Wirkungsgrades der Gasturbine und demzufolge auch zu einer Begrenzung des Wirkungsgrades von Kombikraftanlagen aus Gas- und Dampfturbinen (GuD) . Darüber hinaus wirken sich die exergetischen Verluste bei der Nutzung der bei einer Schaufelkühlung anfallenden Wärme nachteilig auf eine Erhö- hung des Wirkungsgrades aus.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine anzugeben, mit dem ein besonders hoher Wirkungsgrad einer Gasturbinenanlage oder einer Kom- bikraftanlage erzielt wird. Weiterhin soll eine zur Durchführung des Verfahrens besonders geeignete Gasturbine angegeben werden. Bezüglich des Verfahrens wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, zur Erzielung einer maximalen Arbeitstemperatur und damit verbunden zur Erhöhung des Wirkungsgrades der Gasturbine eine Kühlung von heißen Turbinenteilen durch Reformierung und additiv eine Zwischenerhitzung in den Expansionsstufen der Gasturbine ohne Zwischenschaltung von Brennkammern durchzuführen. Dies sollte dadurch erfolgen, daß anstelle der üblichen Kühlung mit Luft, Wasserdampf oder Brennstoff ein derartiges Kühlmittel verwendet werden kann, das additiv zu einem Wärmeübergang (Aufhei- zung des Kühlmittels) Wärme durch Reformierung verbraucht.
Dies sollte insbesondere durch ein aus mindestens zwei Stoffen bestehendes Kühlmittel oder Gemisch, die miteinander endotherm unter Aufnahme von Wärme reformieren, erfolgen. Ein derartiges Gemisch kann anschließend besonders effektiv zur Zwischenerhitzung im Innern, d.h. im Arbeitsraum, der Turbine eingesetzt werden. Dabei kann zusätzlich die bei dem Refor- mierungsprozeß aufgenommene Energie besonders effektiv während des Verbrennungsprozesses im Arbeitsraum freigesetzt und somit in dem Prozeß wieder eingekoppelt werden.
Zweckmäßigerweise wird zur Kühlung von besonders heißen Maschinenteilen, insbesondere Turbinenschaufeln, ein Brennstoffgemisch aus kohlenwasserstoffhaltigem Brennstoff als eine erste Gemischkomponente, z.B. Erdgas, Biogas oder Metha- nol, und aus einem Hilfsstoff als zweite Gemischkomponente, z.B. Wasserdampf und/oder Kohlendioxid oder Wasser, verwendet.
Beispielsweise wird die erste Expansionsstufe einer Gastur- bine, insbesondere die Turbinenschaufeln, durch ein Erdgas- Wasserdampf-Gemisch gekühlt, das endotherm in den Turbinenschaufeln reformiert wird. Anstelle des Erdgas-Wasserdampf- Gemisches kann auch ein Erdgas-Kohlendioxid-Gemisch oder ein Erdgas-Wasserdampf-Kohlendioxid-Gemisch verwendet werden. Alle Turbinenteile, die nicht durch ein derartiges Brenn- stoffgemisch gekühlt werden, werden zweckmäßigerweise durch aus einem Verdichter entnommener Luft oder Wasserdampf gekühlt. Dabei kann ein beliebiges Mengenverhältnis zwischen durch chemische Reaktion gebildetem Kühlmittel und aus dem Verdichter entnommenem Kühlmittel zur Kühlung der Gasturbine eingesetzt werden.
Um insbesondere in einer Kombikraftanlage, z.B. in einem GuD- Prozeß, eine hohe Dampfentnähme für eine Reformierung zu ver- meiden, ist als zweite Gemischkomponente des Brennstoffgemischtes besonderes Kohlendioxid günstig, das vorzugsweise aus dem Abgas der Gasturbine entnommen wird. Bei einem Prozeß mit einem einer Gasturbine nachgeschalteten Abhitzekessel wird zweckmäßigerweise als zweite Gemischkomponente des Brenn- stoffgemisches Wasserdampf aus der Abwärme der Gasturbine erzeugt. Der Wasserdampf und/oder das Kohlendioxid werden anschließend dem Brennstoff, z. B. Erdgas, beigemischt, wobei das dabei entstehende Brennstoffgemisch als Ausgangsstoff für eine Kühlung durch Reformierung in heißen Turbinenteile ver- wendet wird.
Die z.B. luftgekühlten Turbinenteile sowie die mit dem Brennstoffgemisch gekühlten Turbinenteile weisen zweckmäßigerweise ein offenes Kühlsystem in Form eines Kühlkanalsystems auf. Bei dem offenen Kühlkanalsystem wird die Luft oder das Brennstoffgemisch vorzugsweise direkt durch Öffnungen in den heißen Turbinenteilen in den Arbeitsraum der Turbine geführt. Zusätzlich kann auch ein geschlossenes Kühlsystem in Form einer Kühlschleife verwendet werden. Bei dem geschlossenen Kühlsystem wird das Brennstoffgemisch über eine in dem heißen Turbinenteil verlaufende Kühlschleife der Brennkammer und somit dem Verbrennungsprozeß wieder zugeführt.
Um in besonders einfacher Weise eine Zwischenerhitzung im In- nern der Turbine durch eine Expansion des Reformats zu erzie- len, wird das Reformat bei dem offenen Kühlkanalsystem z.B. durch Öffnungen in den Turbinenschaufeln in den Arbeitsraum der Turbine geführt oder herausgelassen, wo es mit noch unverbrauchtem Sauerstoff aus der Brennkammer verbrennt und da- bei das Arbeitsmedium erhitzt. Beispielsweise erfolgt der Auslaß des Reformats am kälteren Teil der Turbinenschaufel/ z.B. an der Hinterkante, wo eine Druckentspannung vorhanden ist. Die thermisch besonders belasteten Stellen der Schaufeloberflächen, z.B. in der Nähe der Flamme, werden durch verstärkte Reformierung besonders gekühlt. Zum einen wird dies erreicht durch beschleunigte Reformierung bei höheren Temperaturen und zum anderen wird dies durch einen effizienteren Katalysator oder durch eine erhöhte Beschichtung der Oberfläche mit Katalysator erreicht.
Um einen möglichst hohen Reaktionsumsatzgrad bei der endothermen Reformierung der ersten und der zweiten Gemischkomponente des Brennstoffgemisches oder des Kühlmittels zu erreichen, wird ein Katalysator eingesetzt. Dabei wird als Kataly- satormaterial vorzugsweise ein nickelhaltiges Material oder ein Edelmetall verwendet. Der Katalysator ist vorteilhafterweise Bestandteil der zu kühlenden heißen Turbinenteiler, z.B. in Form einer katalytischen Beschichtung des Innenraumes der heißen Turbinenteile, insbesondere der Turbinenschaufeln.
Bezüglich der Gasturbinenanlage mit einem Verdichter, einer Brennkammer und einer Gasturbine, in deren Arbeitsraum ein in der Brennkammer erzeugtes Arbeitsmedium entspannbar ist, wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Erzeugung eines Brennstoffgemisches eine Mischvorrichtung und eine Kühlmittelleitung zum Zuführen des erzeugten Brennstoffgemisches als Kühlmittel in die Gasturbine vorgesehen sind, wobei ein heißes Turbinenteil mit einem Innenraum, dessen Innenoberfläche katalytisch beschichtet ist, mittels des Brenn- stoffgemisches kühlbar ist, und ein in dem heißen Turbinen- teil entstehendes Reformat über Austrittsöffnungen des heißen
Turbinenteils in den Arbeitsraum der Turbine einleitbar ist.
Der Innenraum in dem heißen Turbinenteil ist zweckmäßiger- weise als Kühlschleife oder als offenes Kühlkanalsystem ausgebildet. Dabei ist das Brennstoffgemisch über das offene Kanalsystem, beispielsweise über Austrittsöffnungen eines Kühlkanals, dem Arbeitsraum der Turbine zuführbar. Bei der Kühlschleife ist das als Kühlmittel eingesetzte und in der Kühl- schleife aufgeheizte und umgewandelte Brennstoffgemisch zweckmäßigerweise über eine Abgangsleitung für aufgeheiztes Kühlmittel aus dem heißen Turbinenteil, und demzufolge aus der Turbine, in die Brennkammer führbar.
Das heiße Turbinenteil, über das das Brennstoffgemisch oder durch das das Brennstoffgemisch der Turbine bzw. der Brennkammer zugeführt wird, ist vorteilhafterweise eine Schaufelreihe, insbesondere eine Laufschaufei- oder eine Leitschaufelreihe. Dabei ist bevorzugt jede einzelne Lauf- oder Leit- schaufei durch die Kühlschleife oder das offene Kühlkanalsystem, die im Inneren der Turbinenschaufeln angeordnet sind, von innen kühlbar.
Im Hinblick auf eine Kombikraftanlage mit einer Gasturbinen- anläge und mit einem der Gasturbine nachgeschalteten Dampferzeuger sowie mit einer Dampfturbine, die dem Dampferzeuger nachgeschaltet ist, ist die Aufgabe nach einer Variante der Erfindung gelöst durch eine Anzapfleitung von der Dampfturbine zum Zuführen von Wasserdampf und eine Brennstoffleitung zum Zuführen von Brennstoff, die beide in eine Mischvorrichtung münden, sowie durch eine von der Mischvorrichtung abgehende Kühlmittelleitung, die in die Gasturbine mündet. Diese Vorrichtung ermöglicht es, heiße Turbinenteile mit dem in der Mischvorrichtung erzeugten Kühlmittel besonders effektiv zu kühlen sowie mit besonders einfachen Mitteln, z.B. durch Aus- trittsöffnungen in den heißen Turbinenteilen, eine Zwischenerhitzung im Arbeitsraum der Turbine zu bewerkstelligen.
Im Hinblick auf eine Kombikraftanlage mit einer Gasturbine und einem der Gasturbine nachgeschalteten Dampferzeuger sowie einer Dampfturbine, die dem Dampferzeuger nachgeschaltet ist, wobei an den Dampferzeuger ein C02-Abscheider angeschlossen ist, ist die Aufgabe nach einer anderen Variante der Erfindung dadurch gelöst, daß eine Leitung vom C02-Abscheider zum Zuführen von Kohlendioxid und eine Brennstoffleitung zum Zuführen von Brennstoff in eine Mischvorrichtung münden und eine von der Mischvorrichtung abgehende Kühlmittelleitung in die Gasturbine mündet. Eine derartige Kombikraftanlage ermöglicht es, daß anstelle der üblichen Kühlung der heißen Turbi- nenteile mit Luft oder Wasserdampf ein Brennstoffgemisch aus kohlenwasserstoffhaltigem Brennstoff und Kohlendioxid einsetzbar ist. Dabei erfolgt eine Kühlwirkung auf die heißen Turbinenteile nicht nur durch ein Aufheizen des Brennstoffgemisches, wie bei Luft- oder Wasserdampf-Kühlung, sondern auch eine Kühlwirkung durch den Warmeverbrauch der C02-Reformierung.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch eine auf Wasserdampf- und/oder Kohlen- dioxidreformierung basierende Kühlung von heißen Turbinenteilen der Wirkungsgrad einer Gasturbine und/oder einer Kombikraftanlage erhöht wird. Bedingt durch die hohe Kühlwirkung der Reformierung ist eine Erhöhung der maximalen Arbeitstemperatur der Gasturbine und damit verbunden auch eine Erhöhung des Wirkungsgrades möglich. Durch die Zuführung des in den heißen Turbinenteilen entstehenden Reformats in den Arbeitsraum der Turbine ist darüber hinaus mit besonders einfachen Mitteln eine Zwischenerhitzung in der Turbine gewährleistet, wobei die chemisch eingebundene Reaktionsenergie sowie die aufgenommene Wärme des Reformats in dem Verbrennungsprozeß freigesetzt werden. Dies bewirkt eine Verminderung des Brennstoffverbrauchs. Demzufolge wird der Wirkungsgrad der Gasturbine und/oder einer Kombikraftanlage erhöht.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
FIG 1 schematisch eine Gasturbinenanlage mit einer Mischvorrichtung zur Erzeugung von Kühlmittel,
FIG 2 eine mit einem Kühlkanalsystem oder einer Kühlschleife versehene Lauf- bzw. Leitschaufel einer Turbine gemäß Figur 1,
FIG 3 schematisch eine Kombikraftanlage mit einer Anzapfleitung und einer Brennstoffleitung, die in eine Mischvorrichtung münden, und
FIG 4 eine Kombikraftanlage mit einer Leitung vom C02-Ab- scheider und einer Brennstoffleitung, die in eine
Mischvorrichtung münden.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Figur 1 zeigt eine Gasturbinenanlage 1 mit einer Gasturbine 2, die über eine Turbinenwelle 4 einen Verdichter 6 antreibt, welcher über eine Luftleitung 8 einer Brennkammer 10 verdichtete oder komprimierte Luft a zuführt. Der Verdichter 6 weist saugseitig eine Ansaugleitung 12 auf. Der Brennkammer 10 wird über eine Brennstoffleitung 14 ein Brennstoff b, z.B. Erdgas, zugeführt, der mit der verdichteten Luft a in der Brennkammer 10 unter Bildung eines Rauchgases c verbrennt. Über eine Rauchgasleitung 16 wird das Rauchgas c dem Arbeitsraum 17 der Gasturbine 2 zugeführt, wobei sich das Rauchgas c in der
Gasturbine 2 unter Arbeitsleistung entspannt.
Darüber hinaus ist eine Mischvorrichtung 18 vorgesehen. An die Mischvorrichtung 18 sind eingangsseitig eine von der
Brennstoffleitung 14 abgehende Abzweigungsleitung 20 und eine Zugangsleitung 22 zum Zuführen eines Hilfsstoffes d angeschlossen. Abgangsseitig weist die Mischvorrichtung 18 eine Anzahl von Kühlmittelleitungen 23, 24, 26, 28 auf, die in die Gasturbine 2 münden. Die Gasturbine 2 weist außerdem eine Ab- gasleitung 30 sowie Kühlluftleitungen 32, 34, 36 auf, die von der Luftleitung 8 abgezweigt sind und z.B. über Hohlräume 35, 37 in Turbinenschaufeln (Leitschaufeln 50, Laufschaufeln 52, Figur 2) bzw. der Welle 4 in den Arbeitsraum münden. An die Gasturbine 2 ist außerdem eine Abgangsleitung 38 angeschlossen, die in die Brennkammer 10 mündet.
Beim Betrieb der Gasturbinenanlage 1 wird der Brennkammer 10 über die Brennstoffleitung 14 fossiler Brennstoff b, z.B. Erdgas, Biogas, Kohlegas oder Methanol, zugeführt. Darüber hinaus wird der Brennkammer 10 über die Luftleitung 8 Frischluft oder verdichtete Luft a zugeführt. Über die Abgangsleitung 38 wird der Brennkammer 10 ferner ein in Innenräumen der Turbinenschaufeln (Leitschaufeln 50, Laufschaufeln 52, Figur 2) erzeugtes und aufgeheiztes Reformat e zugeführt. Der
Brennstoff b, die verdichtete Luft a sowie das Reformat e werden zusammen in der Brennkammer 10 verbrannt. Das bei der Verbrennung entstehende heiße Rauchgas c oder Arbeitsmittel wird über die Rauchgasleitung 16 in die Gasturbine 2 gelei- tet. Dort entspannt sich das Rauchgas c und treibt die
Gasturbine 2 an. Diese wiederum treibt den Verdichter 6 sowie einen über die Turbinenwelle 4 mit der Gasturbine 2 verbundenen Generator 40 an. Das Rauchgas c verläßt die Gasturbine 2 als Abgas f über die Abgasleitung 30 in Richtung auf einen nicht näher dargestellten Kamin. Das Rauchgas c weist bei Eintritt in die Gasturbine 2 eine hohe Temperatur von mehr als 1100 °C auf. Daher müssen thermisch hoch belastete Teile der Gasturbine 2, insbesondere die Turbinenschaufeln (Leitschaufeln 50, Laufschaufel 52, Fi- gur 2), gekühlt werden. Dabei erfolgt die Kühlung der heißen Teile der Gasturbine 2 mittels verdichteter Luft a, die als Kühlluft eingesetzt wird, oder mittels einem in der Mischvorrichtung 18 erzeugten Kühlmittel g, die die heißen Turbinenteile in einem offenen Kühlkanalsystem (56 in Figur 2) oder in einer Kühlschleife (54 in Figur 2) durchströmen.
Bedingt durch die besonders hohe thermische Belastung von Teilen der Gasturbine 2 im Einlaßbereich 42 wird anstelle der üblichen Kühlung mit verdichteter Luft a das in der Mischvor- richtung 18 erzeugte Kühlmittel g verwendet. Als Kühlmittel g wird dabei in der Mischvorrichtung 18 z.B. ein Erdgas-Wasserdampf-Gemisch, ein Erdgas-Kohlendioxid-Gemisch oder ein Erdgas-Wasserdampf-Kohlendioxid eingesetzt. Je nach Art der gewünschten Zusammensetzung des Kühlmittels g wird der Misch- Vorrichtung 18 über die Abzweigungsleitung 20 als erste Gemischkomponente des Kühlmittels g ein Brennstoff b, z.B. Erdgas, zugeführt. Als zweite Gemischkomponente des Kühlmittels g wird der Mischvorrichtung 18 über die Zugangsleitung 22 ein Hilfsstoff d, z.B. Wasserdampf, Wasser oder Kohlendioxid, zu- geführt.
Die in der Mischvorrichtung 18 erzeugten Stoffgemische, die als Kühlmittel g der Gasturbine 2 zugeführt werden, werden in heißen Teilen der Gasturbine 2, insbesondere in den Innenräu- men 39 der Leitschaufelreihen 44 und Laufschaufelreihen 46, aufgeheizt. Zusätzlich findet in den Leitschaufelreihen 44 und in den Laufschaufelreihen 46 eine endotherme Reformierung statt. Das dabei entstehende sowie gleichzeitig erhitzte Reformat e wird dann beispielsweise über nicht näher darge- stellte Austrittsöffnungen in den Laufschaufelreihen 46 in den Arbeitsraum 17 der Gasturbine 2 entlassen, wo es mit noch unverbrauchtem Sauerstoff aus der Brennkammer 10 verbrennt und dabei das Arbeitsgas (Rauchgas c) erhitzt. Das in den
Leitschaufelreihen 44 entstehende Reformat e wird über die bereits beschriebene Abgasleitung 38 in die Brennkammer 10 geführt.
Bei den üblichen Eintrittstemperaturen fehlendem Oxidans und einem entsprechenden Mischungsverhältnis des Kühlmittels g zwischen dem Brennstoff b und dem Hilfsstoff d ist eine Zündung des Kühlmittels g vor dem Eintritt in die Gasturbine 2 ausgeschlossen. Somit kann das Kühlmittel g vor Eintritt in den Arbeitsraum der Gasturbine 2 die thermisch hoch belasteten Turbinenteile, wie die Laufschaufelreihen 46, kühlen, ohne daß sich das Kühlmittel g entzündet. Nach Zuführung des aus dem Kühlmittel g erzeugten Reformats e zu dem extrem heißen und Sauerstoffreichen Rauchgas c im Einlaßbereich 42 des Arbeitsraumes 17 der Gasturbine 2 entzündet sich das Reformat e , so daß eine Zwischenerhitzung in der Gasturbine 2, vor- zugsweise in und/oder hinter dem Einlaßbereich 42 bewirkt worden ist. Dadurch wird die Leistung des thermodynamischen Prozesses von der Gasturbinenanlage 1 sowie der Wirkungsgrad des thermodynamischen Prozesses in einer -Gas- und Dampfturbinenanlage (Figur 3, 4), wobei ein dampfförmiges Strömungs- mittel durch die Abgase f der Gasturbinenanlage 1 erzeugt wird, beachtlich gesteigert.
Die Leitschaufelreihen 44 und Laufschaufelreihen 46, welche im Auslaßbereich 48 der Gasturbine 2 angeordnet sind, und demzufolge einer wesentlich geringeren thermischen Belastung ausgesetzt sind, werden, wie schon bekannt, durch verdichtete Luft a gekühlt. Die aufgeheizte verdichtete Luft a tritt in nicht näher dargestellter Art und Weise aus Öffnungen der Leitschaufelreihen 44 und der Laufschaufelreihen 46 aus und wird innerhalb der Gasturbine 2 dem Strom des Rauchgases c zugeführt .
Prinzipiell ist eine beliebige Kombination der verschiedenen Kühlarten, Kühlung mittels Luft oder mittels Brennstoff sowie Reformierungen, von heißen Teilen der Gasturbine 2 möglich. Vorzugsweise werden die vorderen im Einlaßbereich 42 angeordneten Lauf- und Leitschaufelreihen 46 bzw. 44 mittels dem Brennstoffgemisch sowie Reformierung und die hinteren im Aus- laßbereich 48 angeordneten Lauf- und Leitschaufelreihen 46 bzw. 44 durch Luft gekühlt.
Figur 2 zeigt eine Leitschaufel 50 und eine Laufschaufel 52 der Leitschaufelreihe 44 bzw. der Laufschaufelreihe 46 der Gasturbine 2 mit einer Kühlschleife 54 bzw. einem Kühlkanalsystem 56. Die Leitschaufel 50 und die Laufschaufei 52 werden mittels in der Kühlschleife 54 bzw. in dem Kühlkanalsystem 56 geführtem Kühlmittel g gekühlt. Die Kühlschleife 54 und das Kühlkanalsystem 56 sind dabei in Form von Hohlkanälen oder Hohlbohrungen ausgeführt, wobei die Innenoberfläche mit einem Katalysator h, z.B. Nickel oder Edelmetall, beschichtet ist. Durch die katalytische Beschichtung des Innenraums der Leitschaufel 50 und der Laufschaufel 52 reagieren die Ausgangsstoffe des Kühlmittels g, zum einen der Brennstoff b als er- ste Gemischkomponente und zum anderen der Hilfsstoff d als zweite Gemischkomponente, gemäß der Gleichung:
CH4 + H20 -> 3H2 + CO zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid oder CH4 + C02 -> 2CO + 2H2 zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff.
Bei diesen endothermen Umwandlungen oder Reformierungsreak- tionen des Kühlmittels g zu dem Reformat e wird der Wandober- fläche der Leitschaufel 50 und der Laufschaufel 52 Wärme ent- zogen. Darüber hinaus wird durch die Erwärmung des erzeugten
Reformats e zusätzlich der Wandoberfläche Wärme entzogen, so daß die Leitschaufel 50 und die Laufschaufel 52 durch den besonders großen Kühleffekt vor Überhitzung geschützt sind. Durch eine derartige doppelte Kühlung, zum einen durch Reformierung und zum anderen durch einen Wärmeübergang, ist eine Erhöhung der maximalen Arbeitstemperatur und demzufolge eine Erhöhung der Gasturbineneintrittstemperatur gewährleistet.
Bei der Leitschaufel 50 wird das erzeugte Reformat e über die Kühlschleife 54 in die Abgangsleitung 38 geführt, wobei über die Abgangsleitung 38 das Reformat e in die Brennkammer 10 geführt und demzufolge dem Verbrennungsprozeß wieder zugeführt wird.
Bei der Laufschaufel 52 wird das im Kühlkanalsystem 56 erzeugte Reformat e über Öffnungen am kälteren Teil der Laufschaufel 52 in den Arbeitsraum der Gasturbine 2 entlassen. Die thermisch besonders belasteten Stellen der Oberfläche der Laufschaufei 52, z.B. in der Nähe der Flamme, werden durch verstärkte Reformierung besonders gekühlt. Dabei erfolgt die verstärkte Reformierung zum Teil inhärent durch erhöhte Reaktivität bei erhöhter Temperatur sowie durch einen effizienteren Katalysator h oder eine erhöhte katalytische Beschichtung der Innenoberfläche der Laufschaufel 52 mit dem Katalysator h.
Figur 3 zeigt eine Kombikraftanlage 58, insbesondere eine Gas- und Dampfturbinenanlage, mit einer Gasturbinenanlage 1 gemäß Figur 1, die über die das heiße Abgas f führende Abgas- leitung 30 mit einer Dampfturbinenanlage 59 verbunden ist. Die Dampfturbinenanlage 59 umfaßt einen Dampferzeuger 60 sowie eine dem Dampferzeuger 60 nachgeschaltete Dampfturbine 62, der über eine Dampfleitung 64 heißer Wasserdampf i zuge- führt wird. Der Dampfturbine 62 ist ein Kondensator 66, an den ein Speisewasserbehälter 68 angeschlossen ist, nachgeschaltet. An den Speisewasserbehälter 68 ist eine Speisewasserleitung 70 zum Zuführen von Speisewasser j in den Dampferzeuger 60 angeschlossen. Die Dampfturbine 62 ist über eine Turbinenwelle 72 mit einem zweiten Generator 74 verbunden.
Zur Kühlung der heißen Teile der Gasturbine 2 umfaßt die Kombikraftanlage 58 die Mischvorrichtung 18, an die die Abzweigungsleitung 20 zum Zuführen von Brennstoff b, insbesondere Erdgas, angeschlossen ist. Von der Dampfturbine 62 mündet eine Anzapfleitung 76 zum Zuführen von Wasserdampf k in die Mischvorrichtung 18. Der Brennstoff b sowie der Wasserdampf k werden in der Mischvorrichtung 18 zu dem Kühlmittel g, insbesondere ein Erdgas-Wasserdampf-Gemisch, gemischt, das über die Kühlmittelleitung 23 der Gasturbine 2 zugeführt wird. In der Gasturbine 2 wird das in der Mischvorrichtung 18 erzeugte Kühlmittel g zur Kühlung von heißen Teilen der Gasturbine 2 genutzt. Das dabei durch Reformierung in den heißen Teilen der Gasturbine 2 entstehende Reformat e wird über die Ab- gangsleitung 38 der Brennkammer 10 zugeführt oder über nicht näher dargestellte Öffnungen in den heißen Teilen in den Arbeitsraum der Gasturbine 2 geführt.
Figur 4 zeigt eine Kombikraftanlage 80 mit einer Gasturbinen- anläge 1 gemäß Figur 1 und einer Dampfturbinenanlage 59 gemäß Figur 3 mit einem Cö2-Abscheider 82, der an den Dampferzeuger 60 über eine Rauchgasableitung 84 angeschlossen ist.
Zur Kühlung der heißen Teile der Gasturbine 2 umfaßt die Kom- bikraftanlage 80 die Mischvorrichtung 18, an die wie bei der Kombikraftanlage 58 die Abzweigungsleitung 20 zum zuführen von Brennstoff b, insbesondere Erdgas, angeschlossen ist. Anstelle der Anzapfleitung 76 umfaßt die Kombikraftanlage 80 eine vom C02-Abscheider 82 abgehende und C02 führende Leitung 86, die in die Mischvorrichtung 18 mündet. In der Mischvor- richtung 18 wird der Brennstoff b mit dem Kohlendioxid gemischt. Das erzeugte Brennstoffgemisch, insbesondere ein Erdgas-Kohlendioxidgemisch, wird als Kühlmittel g der Gasturbine 2 zur Kühlung von heißen Teilen zugeführt. Wie bereits oben beschrieben, werden die mittels eines solchen Kühlmittels g gekühlten Turbinenteile zusätzlich durch die in den heißen' Turbinenteilen stattfindende C02-Reformierung gekühlt. Analog zu der Kombikraftanlage 58 wird das in den heißen Turbinenteilen entstehende Reformat e entweder der Brennkammer 10 oder dem Arbeitsraum der Gasturbine 2 zugeführt.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß in besonders einfacher Weise und mit geringem baulichen Aufwand eine Zwischenerhitzung von Rauchgas in der Gasturbine, bedingt durch einen besonders hohen Kühleffekt mittels Reformierung in heißen Turbinenteilen, gewährleistet ist. Dadurch ist der thermodynamische Prozeß in der Gasturbine optimiert. Insbesondere durch die Erhöhung der maximalen Arbeitstemperatur, bedingt durch die Kühlung mittels Refor- mierung, wird der Wirkungsgrad der Gasturbine und demzufolge auch der Wirkungsgrad eines der Gasturbine nachgeschalteten Dampfturbinenanlage verbessert.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine (2), in deren Arbeitsraum (17) ein in einer Brennkammer (10) erzeugtes Ar- beitsmedium entspannt wird, wobei der Gasturbine (2) ein
Kühlmittel (g) zugeführt und dieses im Innern der Gasturbine (2) entspannt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß mindestens einem im Betrieb heißen Turbinenteil als Kühlmittel (g) ein Brennstoffgemisch zugeführt, das Brennstoffgemisch im Innern des heißen Turbinenteils endotherm reformiert und dabei entstehendes Reformat (e) zumindest teilweise in den Arbeitsraum (17) der Gasturbine (2) eingeleitet und entspannt wird, wobei das Reformat (e) verbrennt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß als eine erste Gemischkomponente des Brennstoffgemisches ein kohlen- wasserstoffhaltiger Stoff verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß als eine zweite Gemischkomponente des Brennstoffgemisches Wasserdampf (k) und/oder Kohlendioxid verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Wasserdampf (k) aus der Abwärme der Gasturbine (2) erzeugt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Kohlendioxid aus dem Abgas der Gasturbine (2) entnommen wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zur Reaktion einer ersten und einer zweiten Gemischkomponente des Brennstoffgemisches ein Katalysator (h) verwendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß als Katalysator (h) nickelhaltiges Material oder ein Edelmetall verwendet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Reformat (e) das heiße Turbinenteil in einem offenen Kühlkanalsystem (56) oder einer Kühlschleife (54) durchströmt.
9. Gasturbinenanlage (1) mit einem Verdichter (6), einer Brennkammer (10) und einer Gasturbine (2) , in deren Arbeitsraum (17) ein in der Brennkammer (10) erzeugtes Arbeitsmedium entspannbar ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß eine Mischvorrichtung (18) zur Erzeugung eines Brennstoffgemisches und eine Kühlmittelleitung (23) zum Zuführen des erzeugten Brennstoffgemisches als Kühlmittel (g) in die Gasturbine (2) vorgesehen sind, wobei ein im Betrieb heißes Turbinenteil mit einem Innenraum, dessen Innenoberfläche katalytisch beschichtet ist, mittels des Brennstoffgemisches kühlbar ist, und wo- bei ein in dem im Betrieb heißen Turbinenteil entstehendes
Reformat (e) über Austrittsöffnungen dieses Turbinenteils in den Arbeitsraum der Gasturbine (2) einleitbar ist.
10. Gasturbinenanlage (1) nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Innenraum in dem Turbinenteil als Kühlschleife (54) oder als offenes Kühlkanalsystem (56) ausgebildet ist.
11. Gasturbinenanlage (1) nach Anspruch 9 oder 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß eine Abgangsleitung (38) für aufgeheiztes Kühlmittel (g) aus der Gasturbine (2) in die Brennkammer (10) mündet.
12. Gasturbinenanlage (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß eine Schaufelreihe (44, 46) das Turbinenteil bildet.
13. Kombikraftanlage (58) mit einer eine Gasturbine (2) enthaltenden Gasturbinenanlage (1) und mit einer der Gasturbinenanlage (1) nachgeschalteten Dampfturbinenanlage (59), umfassend einen Dampferzeuger (60) sowie eine Dampfturbine (62), die dem Dampferzeuger (60) nachgeschaltet ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß eine Anzapfleitung (76) von der Dampfturbine (62) zum Zuführen von Wasserdampf (k) und eine Brennstoffleitung (14) zum Zuführen von Brennstoff (b) in eine Mischvorrichtung (18) münden, und daß eine von der Mischvorrichtung (18) abgehende Kühlmittellei- tung (23) durch den Innenraum eines im Betrieb heißen Turbinenteils in den Arbeitsraum (17) der Gasturbine (2) führt.
14. Kombikraftanlage (80) mit einer eine Gasturbine (2) enthaltenden Gasturbinenanlage (1) und mit einer der Gasturbi- nenanlage (1) nachgeschalteten Dampfturbinenanlage (59), umfassend einen Dampferzeuger (60) sowie eine Dampfturbine (62), die dem Dampferzeuger (60) nachgeschaltet ist, wobei an den Dampferzeuger (60) ein C02-Abscheider (82) angeschlossen ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß eine Leitung (86) vom C02-Abscheider (82) zum Zuführen von Kohlendioxid und eine Brennstoffleitung (14) zum Zuführen von Brennstoff (b) in eine Mischvorrichtung (18) münden, und daß eine von der Mischvorrichtung (18) abgehende Kühlmittelleitung (23) durch den Innenraum eines im Betrieb heißen Turbinenteils in den Arbeitsraum (17) der Gasturbine (2) führt.
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