WO1999014533A1 - Adapterarmatur zum einsatz in einer stationären gasturbinenanlage - Google Patents

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WO1999014533A1
WO1999014533A1 PCT/DE1998/002641 DE9802641W WO9914533A1 WO 1999014533 A1 WO1999014533 A1 WO 1999014533A1 DE 9802641 W DE9802641 W DE 9802641W WO 9914533 A1 WO9914533 A1 WO 9914533A1
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WO
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inlet
flue gas
outlet
fluidized bed
process air
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PCT/DE1998/002641
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English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Weber
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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    • 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
    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/10—Final actuators
    • F01D17/12—Final actuators arranged in stator parts
    • F01D17/14—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits
    • F01D17/141—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of shiftable members or valves obturating part of the flow path
    • F01D17/145—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of shiftable members or valves obturating part of the flow path by means of valves, e.g. for steam turbines
    • 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
    • F02C3/00—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
    • F02C3/04—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid having a turbine driving a compressor
    • F02C3/13—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid having a turbine driving a compressor having variable working fluid interconnections between turbines or compressors or stages of different rotors

Definitions

  • the invention relates to an adapter fitting for use in a stationary gas turbine system, which is provided with a compressor, turbine, combustion chamber and an external pressure-charged fluidized bed furnace.
  • connection fitting can be, for example, a concentric double-pipe arrangement in which the flue gas originating from the fluidized bed furnace is passed to the gas turbine in the inner pipe and the compressed process air generated by the compressor of the gas turbine system is passed to the fluidized bed combustion system in the outer annular space.
  • the low-calorific fuel gas is supplied at a high temperature level by mixing the hot flue gases from the pressure fluidized bed with compressed air from the compressor outlet of the gas turbine system and using them as combustion air.
  • the air inlet temperature at these burners is around 760 ° C.
  • the fluidized bed flue gas can carry ash particles which can melt when passing through the flame while the coal gas is being fired. - Elaborate hot gas fittings are necessary.
  • burner types have already been developed which are designed for the combustion of low-caliber synthesis gas with hot combustion air and at the same time acceptable NO x emissions.
  • problems with the melting of ash particles, the use of expensive hot gas fittings and the heat losses caused by the use of concentric pipes remain unsolved due to the cooling of the inside of the flue gas.
  • the invention proposes an adapter fitting with the attachment in the characterizing part of claim 1. given characteristics.
  • This adapter fitting is characterized by
  • a housing which can be used between a combustion chamber connecting flange and a combined connecting flange for the process air compressed by the compressor and for the flue gas leading to the turbine,
  • outlets for the compressed process air are connected to the inlet thereof and can be opened and closed alternately via closing members, and
  • a flow channel is provided between the burner-side inlet for the flue gas and its outlet to the turbine, which is connected to the inlet for the flue gas originating from the pressure vortex firing for admixing it with the burner flue gas via at least one closing element which can be activated and closed.
  • this adapter fitting By designing this adapter fitting according to the invention, conventional gas turbines with external combustion chambers can be used.
  • the adapter fitting is inserted between the actual gas turbine and the respective combustion chamber. puts.
  • the intended connection of the inlet for the flue gas originating from the fluidized bed furnace with the flow channel between the burner-side inlet for the burner flue gas and its outlet to the turbine enables hot flue gases to be injected from the fluidized bed furnace downstream of the combustion chamber. So there is no passage of the flue gases from the fluidized bed furnace through the flame in the combustion chamber, which largely prevents melting of ash particles that may be carried in the fluidized bed flue gases.
  • the combustion air By guiding the compressed process air on the inlet side, it is fed directly to the combustion chamber, which means that the combustion air can be operated at low air inlet temperatures corresponding to the compressor outlet temperature of approx. 400 ° C to 420 ° C. This brings significant reductions in NO x emissions when using conventional type burners.
  • compressed process air can also be discharged simultaneously to the fluidized-bed furnace and / or a coal gasification plant, as a result of which no separate plant components are necessary for the supply of process air to these components.
  • Figure 1 is a schematic section of an adapter fitting in its position between the gas turbine system and the combustion chamber
  • Figure 2 shows a section through the adapter fitting according to the
  • Fig. 1 the actual gas turbine system 1 is shown only in a small section, which shows a combined connection flange 2. This has a ring mouth 3 for the compressed process air brought in by the compressor 4 and a concentrically located insert line 5 for the hot flue gas flowing to the turbine 6.
  • the adapter fitting 7 is placed between the combined connecting flange 2 and a connecting flange 8 of a combustion chamber 9.
  • the connecting flange 8 of the combustion chamber 9 has an external ring line 10 with an opening which is open towards the connecting flange 8 and which leads to the head 11 of the burner chamber 9.
  • the process air is led through the ring line 10 to the burners 12 in the head 11 of the combustion chamber 9, where it is used for the combustion of natural gas or synthesis gas.
  • the combustion process is indicated by the flames 14.
  • the interior 13 of the conventional combustion chamber 9 is formed by a pot insert 16 arranged concentrically in the burner housing 15. Towards the connecting flange 8, this pot insert 16 forms an opening 17 for the hot flue gas generated by the combustion chamber 9.
  • the housing 18 of the adapter fitting 7 is essentially designed as a pot with a cylinder-jacket-shaped outer wall 19, a base 20, a cover 21 and a concentrically arranged ring insert 22.
  • the housing 18 basically has a first line connection 23 with which the adapter fitting on the combined Niert connection flange 2 is attached. With a second line connection 24, the housing 18 is attached to the connecting flange 8 of the combustion chamber 9.
  • Third and fourth line connections 25, 26 are with the flue gas discharge line 27, which is only indicated as lines, of the pressure-charged fluidized bed furnace 28 or the process air supply 29 to this fluidized bed furnace 28 and to a coal gasification plant 30, which may be present.
  • Fluidized bed furnace 28 and Coal gasification system 30 are also only indicated in the form of a block diagram by rectangles in FIG. 1.
  • the third and fourth line connections 25, 26 are located at diametrically opposite positions of the adapter fitting 7 and are each formed by attached rectangular tubes, as can be seen from an overview of FIGS. 1 and 2.
  • the first line connection 23 is provided with an inlet 31 for the process air compressed by the compressor 4.
  • the second line connection 24 has an inlet 32 for the flue gas flowing out of the combustion chamber interior 13 and an outlet 33 for the process air generated by the compressor.
  • an inlet 34 for the flue gas originating from the fluidized bed furnace and an outlet 35 for discharging compressed process air to the fluidized bed furnace 28 and to the coal gasification plant 30 are provided at the third line connection 25.
  • the two outlets 33, 35 for the compressed process air are connected to their inlet 31 together and can alternately be opened and closed by closing members 36.
  • a flow channel 37 is centered in the housing 18 between the burner-side inlet 32 for the flue gas and its outlet 38 at the first line connection 23 to the turbine intended.
  • the flow channel 37 has a passage 39 up to the inlet 34 at the third line connection 25, as a result of which flue gas originating from the fluidized bed furnace can be mixed with the combustion chamber flue gas.
  • the passage 39 and the inlet 34 at the third line connection 25 can be opened and closed by a closing element 40 to be explained in more detail.
  • an inlet space 42 is formed between the inlet 34 and the passage 39 for the flue gas originating from the fluidized bed furnace in the annular space formed between the outer wall 19 and the ring insert 22.
  • an outlet space 43 is provided in the annular space, which creates the connection between the two outlets 33 and 35 and the inlet 31 for the compressed process air.
  • the inlet space 42 and the outlet space 43 are separated from one another by radially extending partition walls 44, 45 in the annular space, the inlet space 42 taking up a circumferential angle UE which is approximately 40 ° greater than the circumferential angle UA of the outlet space 43, since the fluidized bed flue gas has a larger volume flow and mass flow than that Combustion air has.
  • the inlet 31 for the process air brought in by the compressor 4 is formed by a row of holes 46 arranged in a circular arc in the base 20 of the housing 18.
  • the row of holes runs along the wall of the ring insert 22 over the circumferential angle UA of the outlet space 43. Aligning axially with these holes 46, the cover 21 of the housing 18 also has holes 47 which form the outlet 33 for the compressed process air.
  • a row of holes 48 is provided in the outer wall 19 of the housing 18 facing the fourth line connection 26, which holes 48 define the outlet 35 for the compressed process form air.
  • a series of holes 49 are also diametrically opposite in the outer wall of the housing 18, which form the inlet 34 for the flue gas arriving from the fluidized bed furnace 28. Holes 50 in the part of the ring insert 22 facing the inlet space 42 form the passage 39 for this flue gas to the flow channel 37
  • the rows of holes 47, 48 can be opened and closed by a common closing element 36, which is formed from two perforated screens 52, 53 connected to one another. These perforated diaphragms 52, 53 run along the walls of the housing carrying the holes 47 and 48, respectively, and are displaceable in the circumferential direction. As from Fig. 1 and
  • the aperture openings 54, 55 corresponding to the holes 47 and 48 in the aperture plates 52, 53 are arranged in such a way that, when the cover openings 55 are completely covered, for example, the aperture openings 55 in the aperture plate 53 with the holes 48 (fitting position in FIG 1 and 2) the diaphragm openings 54 of the perforated diaphragm 52 do not align with the holes 47 of the outlet 33.
  • Outlet 33 is thus closed, whereas outlet 35 is fully open.
  • the closing member 36 is rotated in the circumferential direction, the holes 48 are closed successively, whereas the holes 47 are opened successively until finally in the other end position (not shown) of the closing member 36, the outlet 33 is fully opened and the outlet 35 is completely closed.
  • the closing member 40 which opens and closes the inlet 34 and the passage 39, in turn has two perforated apertures 56, 57, which are used to open or close the holes 49, 50.
  • the diaphragm openings 58, 59 in the perforated diaphragms 56, 57 are arranged relative to one another such that in the one end position (Fig. 1, 2) all holes 49, 50 are fully open.
  • the closing member 40 By turning the closing member 40, the holes 49, 50 are successively closed by the perforated diaphragm 56, 57 until smoke gas can no longer pass through.
  • baffles 60 are arranged for the flow guidance of the flue gas. This will make a smaller one
  • the ring insert 22 to high temperature as the inner shell is executed. It thus can absorb the thermal stress of the fitting.
  • the outer shell formed by the outer wall is made of low-alloy cast steel and increases the mechanical Load on the adapter fitting 7. It therefore forms the actual "backbone" of the fitting.
  • the adapter fitting 7 offers variable operating and control options, which are to be discussed as follows:
  • the inlet 34 and the passage 38 are closed by appropriate adjustment of the closing member 40.
  • the flue gas path from the fluidized bed furnace 28 into the turbine 6 is thus blocked.
  • the closing member 36 is adjusted so that outlet 33 is fully open and outlet 35 is completely closed.
  • the over the always open inlet 31 in the Compressed process air flowing through the outlet space 43 thus reaches the burners 12 completely and is used there for the combustion of the synthesis gas supplied from the coal gasification system 30 via the feed line 61 or of the natural gas made available via a feed line 62.
  • the process air flowing in the ring line 10 to the burner head 11 cools the combustion chamber 9.
  • Exclusive fluidized bed firing mode The closing member 40 is set so that the inlet 34 and the passage 39 are completely open. Closing member 36 is positioned so that outlet 33 is fully closed and outlet 35 is fully open. Thus, on the one hand, the flue gas path from the fluidized bed furnace via the inlet space 42 and the flow channel 37 to the turbine 6 is open, as a result of which the fluidized bed flue gas is used to operate the turbine. The closure member 36 is positioned so that the outlet 33 is completely closed and the outlet 35 is fully open. The compressed process air thus passes completely to the fluidized bed furnace 28 and is used there for combustion.
  • the closing member 36 is arranged in a central position, so that both the outlet 33 and the outlet 35 are partially open. Care should be taken to ensure that a similar pressure drop is produced via both outlets 33, 35, so that the compressed process air does not only flow through one of the two outlets. In particular, in the case of combined operation, constructive measures must be provided in the area of the outlet 33 towards the combustion chamber 9 so that a corresponding pressure drop is caused.
  • a relatively high back pressure is caused by the fluidized bed, gas cleaning and a usually existing a fluid bed cooler.
  • the compressed process air reaches the combustion chamber 9 on the one hand and the fluidized bed furnace 28 on the other hand, thus serves on the one hand for combustion in the fluidized bed furnace 28 and on the other hand for the operation of the combustion chamber 9
  • the power distribution between fluidized bed furnace 28 and combustion chamber 9 can be adjusted via the outlets 33, 35.
  • the closing element 40 is positioned in the open position, so that the flue gas path from the fluidized bed furnace 28 to the flow channel 37 is open.
  • the fluidized-bed flue gas arriving at a temperature of approximately 750 to 950 ° C. is mixed with the combustion chamber flue gas (temperature approximately 1400 ° C.) in the flow channel 37, so that a flue gas temperature at the inlet to the turbine 6 of approx. 1000 to 1200 ° C.
  • the closing member 40 is to be provided with a quick adjustment.
  • an emergency quick close outlet 35 is now closed by the closing member 36 and outlet 33 is fully opened.
  • the entire compressed process air thus flows into the combustion chamber 9, where, however, the fuel supply is severely throttled or completely interrupted at the same time.
  • the excess process air flows through the combustion chamber 9 and the flow channel 37 through the turbine 6, where, however, no power is generated in the combustion chamber 9 due to the lack of heating.
  • inlet 34 and passage 39 are quickly closed, so that no more flue gas can get from the fluidized bed furnace 28 to the turbine 6.
  • the turbine 6 cannot run up.

Abstract

Eine Adapterarmatur zum Einsatz in einer stationären Gasturbinenanlage (1), die mit Verdichter (4), Turbine (6), Brennkammer (9) und externer druckaufgeladener Wirbelschicht-Feuerung (28) versehen ist, ist zwischen Turbine (6) und Brenner (9) einzusetzen. Über verschiedene steuerbare Ein- und Auslässe (32 bis 35) sind mit Hilfe der Adapterarmatur verschiedene Betriebszustände der Gasturbinenanlage (1) fahrbar.

Description

Beschreibung
Adapterarmatur zum Einsatz in einer stationären Gasturbinenanlage
Die Erfindung betrifft eine Adapterarmatur zum Einsatz in einer stationären Gasturbinenanlage, die mit Verdichter, Turbine, Brennkammer und einer externen druckaufgeladenen Wirbelschicht-Feuerung versehen ist.
Für den Einsatz in Kraftwerken eignen sich herkömmliche Gasturbinen, bei denen statt der Brennkammer eine druckaufgeladene Wirbelschicht-Feuerung zur Erzeugung des heißen Rauchgases eingesetzt wird. Dazu können herkömmliche Gasturbinen- anlagen mit zwei extern angeflanschten Brennkammern verwendet werden, wobei zum Anschluß der Gasturbinen an das druckaufgeladene Wirbelschicht-Feuerungssyste lediglich die beiden Brennkammern entfernt und durch eine Anschlußarmatur für das Wirbelschicht-Feuerungssystem ersetzt werden müssen. Bei die- ser Anschlußarmatur kann es sich beispielsweise um eine konzentrische Doppelrohranordnung handeln, bei der im Innenrohr das von der Wirbelschicht-Feuerung herrührende Rauchgas zur Gasturbine geleitet und im äußeren Ringraum die vom Verdichter der Gasturbinenanlage erzeugte komprimierte Prozeßluft zum Wirbelschicht-Feuerungssystem geleitet wird.
Der Nachteil der geringen Turbineneintrittstemperatur des Rauchgases bei solchen Wirbelschichtsystemen wird durch eine Fortentwicklung eliminiert, bei der ein Teil der eingebrach- ten Kohle vergast wird und dieses niederkalorische Brenngas für eine weitere Erhitzung des Wirbelschichtrauchgases vor dem Eintritt in die Turbine eingesetzt wird.
Bei bereits erprobten Konfigurationen für ein solche Gastur- bine mit druckaufgeladener Wirbelschicht-Feuerung findet die Zufeuerung des niederkaloriεchen Brenngases auf hohem Temperaturniveau statt, indem die heißen Rauchgase von der Druckwirbelschicht mit komprimierter Luft vom Verdichteraustritt der Gasturbinenanlage gemischt und als Verbrennungsluf genutzt werden. Die Lufteintrittstemperatur an diesen Brennern liegt bei ca. 760 °C.
Aufgrund dieser Konfiguration treten verschiedene Probleme auf :
- Es sind hohe NOx-Werte bei der Verbrennung mit heißer Verbrennungsluft zu erwarten.
- Es treten Schwierigkeiten bei der Verbrennung von einerseits Erdgas und anderseits niederkalorischem Kohlegas mit einer einzigen Brennkammer auf, der mit hoher Lufteintrittstemperatur betrieben wird.
- Das Wirbelschicht-Rauchgas kann Aschepartikel mitführen, die beim Durchgang durch die Flamme während der Zufeuerung des Kohlegases schmelzen können. — Es werden aufwendige Heißgas-Armaturen notwendig.
- Ein Schutz der Gasturbine gegen unbeabsichtigtes Hochlaufen durch Wirbelschicht-Rauchgase ist problematisch.
Im Stand der Technik wurden bereits Brennertypen entwickelt, die für die Verbrennung von niederkalσrischem Synthesegas mit heißer Verbrennungsluft bei gleichzeitig akzeptablen NOx- Emissionen ausgelegt sind. Ungelöst sind dabei jedoch die Probleme mit dem Schmelzen von Aschepartikeln, mit dem Einsatz von aufwendigen Heißgas-Armaturen und der durch die Ver- wendung konzentrischer Rohre hervorgerufenen Wärmeverluste durch die Abkühlung des innen geführten Rauchgases geblieben.
Zur Lösung dieser Probleme schlägt die Erfindung eine Adapterarmatur mit dem im Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 an- gegebenen Merkmalen vor. Demnach ist diese Adapterarmatur charakterisiert durch
- ein Gehäuse, das zwischen einem Brennkammer-Anschlußflansch und einem kombinierten Anschlußflansch für die vom Verdichter komprimierte Prozeßluft und für das zur Turbine abgehende Rauchgas einsetzbar ist,
- einen ersten Leitungsanschluß am Gehäuse zur Anbringung am kombinierten Anschlußflansch mit einem Einlaß für die vom Verdichter komprimierte Prozeßluft und mit einem Aus- laß für das Rauchgas,
- einen zweiten Leitungsanschluß am Gehäuse zur Anbringung des Brennkammer-Anschlußflansches mit einem Einlaß für das von der Brennkammer herrührende Rauchgas und mit einem Auslaß für die vom Verdichter komprimierte Prozeß- luft,
- einen dritten Leitungsanschluß mit einem Einlaß für von der Wirbelschicht-Feuerung herrührendes Rauchgas, und
- einen vierten Leitungsanschluß mit einem Auslaß zur Abführung von verdichteter Prozeßluft zur Wirbelschicht- Feuerung und/oder einer Kohlevergasungsanlage, wobei
- die Ausl sse für die verdichtete Prozeßluft mit deren Einlaß gemeinsam in Verbindung stehen und wechselseitig über Schließorgane auf- und zusteuerbar sind, und
- wobei ein Strömungskanal zwischen dem brennerseitigen Einlaß für das Rauchgas und dessen Auslaß zur Turbine vorgesehen ist, der über mindestens ein auf- und zusteuerbares Schließorgan mit dem Einlaß für das von der Druckwirbelfeuerung herrührende Rauchgas zu dessen Zumi- schung zum Brennerrauchgas verbunden ist.
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung dieser Adapterarmatur können herkömm.liche Gasturbinen mit externen Brennkammern benutzt werden. Dabei wird die Adapterarmatur zwischen der eigentlichen Gasturbine und der jeweiligen Brennkammer einge- setzt. Durch die vorgesehene Verbindung des Einlasses für das von der Wirbelschicht-Feuerung herrührende Rauchgas mit dem Strömungskanal zwischen dem brennerseitigen Einlaß für das Brennerrauchgas und dessen Auslaß zur Turbine ist die Ein i- schung heißer Rauchgase von der Wirbelschicht-Feuerung stromabwärts der Brennkammer möglich. Es erfolgt also kein Durchgang der Rauchgase von der Wirbelschicht-Feuerung durch die Flamme in der Brennkammer, womit ein Schmelzen von Aschepartikeln, die in den Wirbelschicht-Rauchgasen möglicherweise mitgeführt werden, weitgehend verhindert wird.
Durch die eintrittsseitige Führung der verdichteten Prozeßluft wird diese direkt der Brennkammer zugeführt, wodurch mit niedrigen Lufteintrittstemperaturen der Verbrennungsluft ent- sprechend der Verdichteraustrittstemperatur von ca. 400 °C bis 420 °C gearbeitet werden kann. Dies bringt erhebliche Reduktionen der NOx-Emissionen bei Verwendung von Brennern herkömmlicher Bauart .
Durch die erfindungsgemäße Auslegung der Adapterarmatur kann ferner verdichtete Prozeßluft gleichzeitig zur Wirbelschicht- Feuerung und/oder einer Kohlevergasungsanlage abgeführt werden, wodurch für die Prozeßluft-Versorgung dieser Komponenten keine eigenständigen Anlagenkomponente notwendig sind.
Die Unteransprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Adapterarmatur an, die zur Vermeidung von Wiederholungen in der Beschreibung des Ausführungsbeispiels erörtert werden.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteil der Erfindung ergeben sich ferner aus dieser nun folgenden Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert wird. Es zeigen: WO 99/14533 PCTYDE98/02641 "-
5 Figur 1 einen schematischen Schnitt einer Adapterarmatur in ihrer Position zwischen Gasturbinenanlage und Brennkammer, und
Figur 2 einen Schnitt durch die Adapterarmatur gemäß der
Schnittlinie II-II nach Figur 1.
In Fig. 1 ist die eigentliche Gasturbinenanlage 1 nur in einem kleinen Ausschnitt gezeigt, der einen kombinierten An- schlußflansch 2 wiedergibt. Dieser weist eine Ringmündung 3 für die vom Verdichter 4 herangeführte verdichtete Prozeßluft sowie eine konzentrisch darin sitzende Einsatzleitung 5 für das zur Turbine 6 strömende heiße Rauchgas auf.
Die Adapterarmatur 7 ist zwischen den kombinierten Anschlußflansch 2 und einen Anschlußflansch 8 einer Brennkammer 9 gesetzt. Der Anschlußflansch 8 der Brennkammer 9 weist eine außenliegende Ringleitung 10 mit zum Anschlußflansch 8 hin offener Mündung auf, die zum Kopf 11 der Brεnnerkammer 9 führt. Durch die Ringleitung 10 wird die Prozeßluft zu den Brennern 12 im Kopf 11 der Brennkammer 9 geführt, wo sie zur Verbrennung von Erdgas bzw. Synthesegas dient. Der Verbrennungεvor- gang ist durch die Flammen 14 angedeutet. Der Innenraum 13 der konventionellen Brennkammer 9 ist dabei durch einen kon- zentrisch im Brennergehäuse 15 angeordneten Topfeinsatz 16 gebildet. Zum Anschlußflansch 8 hin bildet dieser Topfeinsatz 16 eine Mündungsöffnung 17 für das von der Brennkammer 9 erzeugte heiße Rauchgas .
Wie aus Fig. 1 und 2 hervorgeht, ist das Gehäuse 18 der Adapterarmatur 7 im wesentlichen als Topf mit einer zylinderman- telförmigen Außenwand 19, einem Boden 20, einem Deckel 21 und einem konzentrisch angeordneten Ringeinsatz 22 ausgebildet. Das Gehäuse 18 weist dabei grundsätzlich einen ersten Lei- tungsanschluß 23 auf, mit dem die Adapterarmatur am kombi- nierten Anschlußflansch 2 angebracht ist. Mit einem zweiten Leitungsanschluß 24 ist das Gehäuse 18 am Anschlußflansch 8 der Brennkammer 9 angebracht. Dritte und vierte Leitungsan- schlüsse 25, 26 sind mit der nur als Linien angedeuteten Rauchgas-Ableitung 27 der druckgeladenen Wirbelschicht-Feuerung 28 bzw. der Prozeßluftzuführung 29 zu dieser Wirbelschicht-Feuerung 28 und zu einer gegebenenfalls vorhanden Kohlevergasungsanlage 30. Wirbelschicht-Feuerung 28 und Koh- levergasungsanlage 30 sind ebenfalls nur nach Art eines Blockdiagram es durch Rechtecke in Fig. 1 angedeutet. Die dritten und vierten Leitungsanschlüsse 25, 26 sitzen an diametral gegenüberliegenden Positionen der Adapterarmatur 7 und sind jeweils durch angesetzte Rechteckröhren gebildet, wie aus einer Zusammenschau der Fig. 1 und 2 hervorgeht.
Im folgenden werden Ein-, Aus- und Durchlässe der Adapterarmatur erläutert, die in den Fig. 1 und 2 jeweils durch Pfeile repräsentiert sind. So ist der erste Leitungsanschluß 23 ist mit einem Einlaß 31 für die vom Verdichter 4 komprimierte Prozeßluft versehen. Der zweite Leitungsanschluß 24 weist einen Einlaß 32 für das vom Brennkammerinnenraum 13 abströmende Rauchgas und einen Auslaß 33 für die vom Verdichter erzeugte Prozeßluft auf. Ferner ist am dritten Leitungsanschluß 25 ein Einlaß 34 für das von der Wirbelschicht-Feuerung herrührende Rauchgas sowie am vierten Leitungsanschluß 26 ein Auslaß 35 zur Abführung von verdichtete Prozeßluft zur Wirbelschicht- Feuerung 28 und zur Kohlevergasungsanlage 30 vorgesehen.
In noch näher zu erläuternder Weise stehen die beiden Ausläs- se 33, 35 für die verdichtete Prozeßluft mit deren Einlaß 31 gemeinsam in Verbindung und sind wechselweise durch Schließorgane 36 auf- und zusteuerbar. Ferner ist durch den Ringeinsatz 22 ein Strömungskanal 37 zentrisch im Gehäuse 18 zwischen dem brennerseitigen Einlaß 32 für das Rauchgas und des- sen Auslaß 38 am ersten Leitungsanschluß 23 zur Turbine hin vorgesehen. Der Strömungskanal 37 weist einen Durchlaß 39 zum Einlaß 34 am dritten Leitungsanschluß 25 hinauf, wodurch von der Wirbelschicht-Feuerung herrührendes Rauchgas dem Brennkammerrauchgas zugemischt werden kann. Der Durchlaß 39 und der Einlaß 34 am dritten Leitungsanschluß 25 sind durch ein noch näher zu erläuterndes Schließorgan 40 auf- und zusteuerbar.
Wie aus Fig. 1 und 2 hervorgeht, ist in den zwischen der Au- ßenwand 19 und dem Ringeinsatz 22 gebildeten Ringraum einerseits ein Einlaßraum 42 zwischen dem Einlaß 34 und dem Durchlaß 39 für das von der Wirbelschicht-Feuerung herrührende Rauchgas ausgebildet. Andererseits ist im Ringraum ein Auslaßraum 43 vorgesehen, der die Verbindung zwischen den beiden Auslässen 33 und 35 und dem Einlaß 31 für die verdichtete Prozeßluft herstellt. Einlaßraum 42 und Auslaßraum 43 sind durch radial verlaufende Zwischenwände 44, 45 im Ringraum voneinander getrennt, wobei der Einlaßraum 42 einen gegenüber dem Umfangswinkel UA des Auslaßraumes 43 etwa 40 ° größeren Umfangswinkel UE einnimmt, da das Wirbelschicht-Rauchgas einen größeren Volumenstrom und Massenstrom als die Verbrennungsluft aufweist.
Im folgenden wird die Ausbildung und Anordnung der einzelnen Ein- und Auslässe näher erörtert. So ist der Einlaß 31 für die vom Verdichter 4 herangeführte Prσzeßluft durch eine auf einem Kreisbogen angeordnete Reihe von Löchern 46 im Boden 20 des Gehäuses 18 gebildet. Die Lochreihe verläuft dabei entlang der Wand des Ringeinsatzes 22 über den Umf ngswinkel UA des Auslaßraumes 43. In Axialrichtung fluchtend mit diesen Löchern 46 weist der Deckel 21 des Gehäuses 18 ebenfalls Löcher 47 auf, die den Auslaß 33 für die verdichtete Prozeßluft bilden. Ferner ist in der dem vierten Leitungsanschluß 26 zugewandten Außenwand 19 des Gehäuses 18 eine Reihe von Löchern 48 vorgesehen, die den Auslaß 35 für die verdichtete Prozeß- luft bilden. Diametral gegenüberliegend sind ebenfalls wieder eine Reihe von Löchern 49 in der Außenwand des Gehäuses 18 eingelassen, die den Einlaß 34 für das von der Wirbelschicht- Feuerung 28 ankommende Rauchgas bilden. Löcher 50 in dem den Einlaßraum 42 zugewandten Teil des Ringeinsatzes 22 bilden den Durchlaß 39 für dieses Rauchgas zum Strömungskanal 37 hin
Wie aus Fig. 1 hervorgeht, sind die Reihen von Löchern 47, 48 durch ein gemeinsames Schließorgan 36 auf- und zusteuerbar, das aus zwei miteinander verbundenen Lochblenden 52, 53 gebildet ist. Diese Lochblenden 52, 53 verlaufen entlang der jeweiligen die Löcher 47 bzw. 48 tragenden Wände des Gehäuses und sind in Umfangsrichtung verschiebbar. Wie aus Fig. 1 und
2 hervorgeht, sind die in ihrer Öffnungsflache den Löchern 47 bzw. 48 entsprechenden Blendenöffnungen 54, 55 in den Lochblenden 52, 53 so angeordnet, daß bei vollständiger Oberdeckung beispielsweise der Blendenöffnungen 55 in der Lochblende 53 mit den Löchern 48 (Armatur-Stellung in Fig. 1 und 2) die Blendenöffnungen 54 der Lochblende 52 mit den Löchern 47 des Auslasses 33 nicht fluchten. Auslaß 33 ist somit verschlossen, wogegen der Auslaß 35 vollständig geöffnet ist. Bei einem Verdrehen des Schließorgans 36 in Umfangsrichtung werden die Löcher 48 sukzessive geschlossen, wogegen die Löcher 47 sukzessive geöffnet werden, bis schließlich in der anderen Endstellung (nicht gezeigt) des Schließorgans 36 der Auslaß 33 vollständig geöffnet und de Auslaß 35 vollständig geschlossen sind. Die durch die Betätigung des Schließorgans
36 herbeiführbaren Betriebszustände werden am Schluß der Beschreibung noch näher erörter .
Das den Einlaß 34 und den Durchlaß 39 auf- und zusteuernde Schließorgan 40 weist wiederum zwei miteinander verbundene Lochblenden 56, 57 auf, die zum Öffnen bzw. Schließen der Löcher 49, 50 dienen. Die Blendenöffnungen 58, 59 in den Loch- blenden 56, 57 sind dabei so zueinander angeordnet, daß in der einen Endstellung (Fig. 1, 2) alle Löcher 49, 50 vollständig geöffnet sind. Durch ein Verdrehen des Schließorgans 40 werden die Löcher 49, 50 durch die Lochblende 56, 57 sukzessive verschlossen, bis kein Durchtritt von Rauchgas mehr erfolgen kann.
Schließlich ist darauf hinzuweisen, daß im Einlaßraum 42 für das von der Wirbelschicht-Feuerung 28 herrührende Rauchgas schräg gestellte Leitbleche 60 für die Strömungsführung des Rauchgases angeordnet sind. Dadurch wird ein geringerer
Druckverlust sowie eine gute Durchmischung des Wirbelschicht- Rauchgases mit dem aus der Brennkammer 13 abströmenden Rauchgas erreicht .
Bezüglich" der für die Adapterarmatur 7 verwendete Materialien ist darauf hinzuweisen, daß der Ringeinsatz 22 als innere Schale hochtemperaturfest ausgeführt ist. Er kann also die thermische Belastung der Armatur aufnehmen. Die durch die Außenwand gebildete äußere Schale besteht aus niedrig legiertem Stahlguß und nimmt die mechanische Belastung auf die Adapterarmatur 7 auf. Sie bildet also das eigentliche "Rückgrat" der Armatur .
Aufgrund der beiden Schließorgane 36, 40 bietet die Adapter- armatur 7 variable Betriebs- und Regelungεmöglichkeiten, die wie folgt zu erörtern sind:
Standard-Betrieb der Gasturbinenanlage nur mit Erdgas oder Synthesegas : Der Einlaß 34 und der Durchlaß 38 sind durch entsprechende Einstellung des Schließorgans 40 geschlossen. Damit ist der Rauchgasweg von der Wirbelschicht-Feuerung 28 in die Turbine 6 gesperrt. Ferner ist das Schließorgan 36 so eingestellt, daß Auslaß 33 vollständig geöffnet und Auslaß 35 vollständig geschlossen sind. Die über den stets offenen Einlaß 31 in den Auslaßraum 43 strömende verdichtete Prozeßluft gelangt damit vollständig zu den Brennern 12 und dient dort zur Verbrennung des von der Kohlevergasungsanlage 30 über die Zuleitung 61 zugeführten Synthesegases bzw. der über eine Einspeisungslei- tung 62 zur Verfügung gestellten Erdgases. Gleichzeitig kühlt die in der Ringleitung 10 zum Brennerkopf 11 strömende Prozeßluft die Brennkammer 9.
Ausschließlicher Wirbelschicht-Feuerungsbetrieb: Das Schließorgan 40 ist so eingestellt, daß der Einlaß 34 und der Durchlaß 39 vollständig offen sind. Schließorgan 36 ist so positioniert, daß Auslaß 33 vollständig geschlossen und Auslaß 35 vollständig offen sind. Damit ist einerseits der Rauchgasweg von der Wirbelschicht-Feuerung über den Einlaß- räum 42 und den Strömungskanal 37 zur Turbine 6 offen, wodurch das Wirbelschich -Rauchgas zum Betrieb der Turbine genutzt wird. Das Schließorgan 36 ist so positioniert, daß der Auslaß 33 vollständig geschlossen und der Auslaß 35 vollständig offen sind. Damit gelangt die verdichtete Prozeßluft vollständig zur Wirbelschicht-Feuerung 28 und dient dort zur Verbrennung .
Kombinierter Betrieb mit Wirbelschicht-Feuerung, Kohlevergasung und Synthese-Gasbrenner: Das Schließorgan 36 ist in einer Mittelstellung angeordnet, so daß sowohl der Auslaß 33 als auch der Auslaß 35 teilweise geöffnet sind. Hierbei ist darauf zu achten, daß über beide Ausl sse 33, 35 ein ähnlicher Druckabfall hervorgerufen wird, damit die verdichtete Prozeßluft nicht nur durch einen der beiden Auslässe strömt. Insbesondere sind bei kombiniertem Betrieb konstruktive Maßnahmen im Bereich des Auslasses 33 zur Brennkammer 9 hin vorzusehen, damit ein entsprechender Druckausfall hervorgerufen wird. Zur Wirbelschicht-Feuerung 28 hin wird nämlich ein relativ hoher Gegendruck durch die Wirbelschicht, Gasreinigung und einen üblicherweise vorhande- nen Fließbettkühler aufgebaut. Die verdichtete Prozeßluft gelangt jedenfalls einerseits zur Brennkammer 9 und andererseits zur Wirbelschicht-Feuerung 28, dient also einerseits zur Verbrennung in der Wirbelschicht-Feuerung 28 und anderer- seits zum Betrieb der Brennkammer 9. Durch das über die Stellung des Schließorganes 36 einstellbare Verhältnis der Luftmengen über die Auslässe 33, 35 kann die Leistungsverteilung zwischen Wirbelschicht-Feuerung 28 und Brennkammer 9 eingestellt werden. Ferner ist bei dieser Betriebsart das Schließ- organ 40 auf Offenstellung positioniert, so daß der Rauchgasweg von der Wirbelschicht-Feuerung 28 zum Strömungskanal 37 offen ist. Das mit einer Temperatur von ca. 750 bis 950 °C ankommende Wirbelschicht-Rauchgas wird mit dem Brennkammer- Rauchgas (Temperatur ca. 1400 °C) im Strömungskanal 37 ver- mischt, so daß sich eine Rauchgas-Temperatur am Eintritt zur Turbine 6 von ca. 1000 bis 1200 °C einstellt.
Schnellschluß der Gasturbine:
Im Störungsfall, etwa bei einem Lastabwurf der Gasturbine, muß diese vor einem Hochlaufen durch die Wirbelschicht-Rauchgase geschützt werden. Dazu ist das Schließorgan 40 mit einer Schnellverstellung zu versehen. Bei einem Not-Schnellschluß wird nun Auslaß 35 durch das Schließorgan 36 geschlossen und Auslaß 33 vollständig geöffnet. Damit strömt die gesamte ver- dichtete Prozeßluft in die Brennkammer 9, wo jedoch gleichzeitig die Brennstoffzufuhr stark gedrosselt bzw. ganz unterbrochen wird. Die überschüssige Prozeßluft strömt über die Brennkammer 9 und den Strömungskanal 37 durch die Turbine 6 ab, wo jedoch aufgrund der fehlenden Heizung in der Brennkam- mer 9 keine Leistung erzeugt wird. Gleichzeitig wird Einlaß 34 und Durchlaß 39 schnell geschlossen, womit kein Rauchgas mehr von der Wirbelschicht-Feuerung 28 zur Turbine 6 gelangen kann. Die Turbine 6 kann also nicht hochlaufen.

Claims

Patentansprüche
1. Adapterarmatur zum Einsatz in einer stationären Gasturbinenanlage (1), die mit Verdichter (4), Turbine (6), Brennkam- mer (9) und externer druckaufgeladener Wirbelschicht-Feuerung (28) versehen ist, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h
- ein Gehäuse (18) , das zwischen einem Brennkammer-Anschlußflansch (8) und einem kombinierten Anschlußflansch (2) für die vom Verdichter (4) erzeugte Prozeßluft und für das zur Turbine abgehende Rauchgas einsetzbar ist,
- einen ersten Leitungsanschluß (23) am Gehäuse (18) zur Anbringung am kombinierten Anschlußflansch (2) mit einem Einlaß (31) für die vom Verdichter (4) erzeugte Prozeßluft und mit einem Auslaß (38) für das Rauchgas,
- einen zweiten Leitungsanschluß (24) am Gehäuse (18) zur Anbringung des Brennkammer-Anschlußflansches (8) mit einem Einlaß (32) für das von der Brennkammer (9) herrührende Rauchgas und mit einem Auslaß (33) für die vom Verdichter erzeugte Prozeßluft,
- einen dritten Leitungsanschluß (25) mit einem Einlaß (34) für von der Wirbelschicht-Feuerung (28) herrührendes Rauchgas, und
- einen vierten Leitungsanschluß (26) mit einem Auslaß (35) zur Abführung von verdichteter Prozeßluft zur Wirbelschicht-Feuerung (28) und/oder einer Kohlevergasungsanlage (30) ,
- wobei die Auslässe (33, 35) für die verdichtete Prozeßluft ic deren Einlaß (31) gemeinsam in Verbindung stehen und wechselseitig über Schließorgane (36) auf- und zusteuerbar sind, und
- wobei ein Strömungskanal (37) zwischen dem brennerseitigen Einlaß (32) für das Rauchgas und dessen Auslaß (38) zur Turbine (6) vorgesehen ist, der über mindestens ein auf- und zusteuerbares Schließorgan (40) mit dem Einlaß (34) für das von der Wirbelschicht-Feuerung herrührende Rauchgas zu dessen Zumischung zum Brennkammerrauchgas verbunden ist.
2. Adapterarmatur 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 das Gehäuse (18) im wesentlichen als Topf mit einer Außenwand (19), einem Boden (20), einem Deckel (21) und einem konzentrisch angeordneten Ringeinsatz (22) ausgebildet ist.
3. Adapterarmatur nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß an der Außenwand (19) an diametral gegenüberliegenden Positionen der Einlaß (34) für das von der Wirbelschicht-Feuerung (28) herrührende Rauchgas und der Auslaß (35) für die zur Wirbelschicht-Feuerung (28) und/oder zur Kohlevergasungsanlage (30) abgehende Prozeßluft angeordnet sind, wobei der zwischen der Außenwand (19) und dem Ringeinsatz (22) gebildete Ringraum durch Zwischenwände (44, 45) in einen Einlaßraum (42) für das Rauchgas und einen Auslaßraum (43) für die Prozeßluft geteilt sind.
4. Adapterarmatur 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 Einlaßraum (42) einen vorzugsweise um 15° bis 25° größeren Umfangswinkelbereich (UE) einnimmt als der Auslaßraum (43) .
5. Adapterarmatur nach einem der Ansprüche 2 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Einlaß (31) für die Prozeßluft im Boden (20) des Gehäuses (18) angeordnet ist und in den Auslaßraum (43) für die Prozeßluft mündet .
6. Adapterarmatur nach einem der Ansprüche 2 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Aus- laß (33) für die zur Brennkammer (9) abzuführende Prozeßluft im Deckel (21) des Gehäuses (18) angeordnet ist.
7. Adapterarmatur nach einem der Ansprüche 2 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zwischen dem Strömungskanal (37) für das Brennkammer-Rauchgas und dem Einlaßraum (42) für das von der Wirbelschicht-Feuerung herrührende Rauchgas ein Durchlaß (39) im Ringeinsatz (22) vorgesehen ist.
8. Adapterarmatur 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 alle Einlasse (31, 32, 34), Auslässe (33, 35) und der Durchlaß
(39) als Reihen von Öffnungen (46 - 50) in den entsprechenden Wänden (19, 20, 21, 22) des Gehäuses (18) ausgebildet sind, die durch verschiebbare Lochblenden (52, 53; 56, 57) auf- und zusteuerbar sind.
9. Adapterarmatur nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Lochblenden (52, 53) für die beiden Prozeßgas-Auslässe (33, 35) im Auslaßraum (43) derart miteinander gekoppelt sind, daß eine Aufsteuerung des einen Auslasses (33 bzw. 35) eine Zusteuerung des anderen Auslasses (33 bzw. 35) bewirkt.
10. Adapterarmatur nach Anspruch 8 od<§r 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die beiden Lochblenden (56, 57) des Einlasses (34) und des Durchlasses (39) für die von der Wirbelschicht-Feuerung (28) herrührenden Rauchgase derart gekoppelt sind, daß Einlaß (34) und Durchlaß (39) gleichzeitig auf- und zusteuerbar sind.
11. Adapterarmatur mindestens 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 im Einlaßraum (42) für das von der Wirbelschich -Feuerung (28) herrührende Rauchgas Leitbleche (60) für die S römungsführung des Rauchgases angeordnet sind.
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