WO2007017486A1 - Verfahren zum betrieb einer gasturbine sowie gasturbine zur durchführung des verfahrens - Google Patents

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    • Y02E20/18—Integrated gasification combined cycle [IGCC], e.g. combined with carbon capture and storage [CCS]

Definitions

  • the present invention relates to the field of power plant technology. It relates to a method for operating a (stationary) gas turbine according to the preamble of claim 1, as well as a gas turbine for carrying out the method.
  • a reheat gas turbine gas turbine is known (see eg US-A-5,577,378 or "State-of-the-art gas turbines - a letter update", ABB Review 02/1997, Fig. 15, turbine type GT26 ), which combines flexible operation with very low exhaust emissions.
  • the machine architecture of the gas turbine type GT26 is unique and is ideally suited to the realization of a concept, which is the subject of the present invention, because: - there is already a significant diversion of compressor air at medium compressor pressures,
  • the principle of the known gas turbine with reheat is shown in Fig. 1.
  • the gas turbine 11, which is part of a combined cycle power plant 10, comprises two compressors connected in series on a common shaft 15, namely a low-pressure compressor 13 and a high-pressure compressor 14, and two combustion chambers, namely a high-pressure combustion chamber 18 and a reheat combustion chamber 19, and associated turbines, namely one High pressure turbine 16 and a low pressure turbine 17.
  • the shaft 15 drives a generator 12 at.
  • the cooling air flowing through the cooling lines 25, 26 is injected at suitable locations of the combustion chambers 18, 19 and turbines 16, 17 to the
  • the exhaust gas coming from the low-pressure turbine 17 is passed through a heat recovery steam generator
  • the OTC coolers 23, 24 are part of the water-steam cycle; superheated steam is generated at their outputs.
  • Burns in the combustion chambers 18 and 19 is achieved a great flexibility in operation; the combustion chamber temperatures can be adjusted so that the maximum efficiency is achieved within the existing limits.
  • the low emissions of the sequential combustion system are due to the inherently low levels of emissions that can be achieved during reheat (under certain conditions, the second combustion even results in NOx consumption).
  • the present invention is based on the recognition that the use of gas turbines with reheating in an IGCC plant, the advantages of this type of gas turbine for the system can be made useful in a special way.
  • the described cooling can be used in gas turbines of known construction rate with reheating such. Due to the specific secondary air system, the type GT26 gas turbine can be realized particularly easily.
  • An embodiment of the inventive method is characterized in that the gas turbine comprises a first compressor for compressing sucked air to a first pressure stage and a second compressor for further compression of the air from the first pressure stage to a second, higher pressure stage, that part of The first coming compressor air is decomposed into oxygen and nitrogen, and that the resulting nitrogen in this decomposition nitrogen is used for cooling the second combustion chamber and the second turbine.
  • a portion of the branched off for the decomposition compressed air is diverted from the first compressor before the decomposition and with the at the
  • An embodiment of the gas turbine according to the invention is characterized in that a branch line is provided, which branches off from the input side of the air separation plant and opens at a designated point in the nitrogen line, and that in the nitrogen line between the output the air separation plant and the predetermined point of the junction of the branch line a compressor for the compression of the nitrogen is arranged.
  • the gas turbine on two compressors connected in series the air separation plant is the input side to the output of the first
  • Compressor connected, and the nitrogen line is led to the second combustion chamber and the second turbine.
  • the air separation plant has in particular on the output side an oxygen line for discharging the oxygen produced during the separation, which is guided to a plant for the production of syngas by means of coal gasification, and that a Syngaszutechnisch transported syngas generated by the plant for the production of syngas to the combustion chambers.
  • Fig. 1 shows the simplified diagram of a combined cycle power plant with a
  • FIG. 2 is a simplified schematic of an IGCC plant with a reheat gas turbine or sequential combustor suitable for practicing the invention.
  • Fig. 3 shows an embodiment of the cooling according to the invention with the nitrogen obtained in the air separation in a plant of the type shown in Fig. 2.
  • FIG. 2 shows in a greatly simplified scheme an IGCC system with a reheat gas turbine or sequential combustion gas, as is suitable for realizing the invention.
  • the combined cycle power plant 30 comprises a gas turbine 11 with a low-pressure compressor 13, a subsequent high-pressure compressor 14, a high-pressure combustion chamber 18 with a subsequent high-pressure turbine 16 and a reheat combustion chamber 19 with a following
  • Low-pressure turbine 17 The compressor 13, 14 and the turbines 16, 17 sit on a common shaft 15, from which a generator 12 is driven.
  • the combustion chambers 18 and 19 are supplied via a Syngaszutechnisch 31 with syngas as fuel, which is produced by gasification of coal (coal feed 33) in a coal gasification plant 34.
  • the coal gasification plant 34 is a cooling apparatus 35 for the syngas, a cleaning plant 36, and a CO 2 - downstream separator 37 with a CO 2 output 38 for discharging the separated CO 2.
  • oxygen (O 2) is used, which is obtained in an air separation plant 32 and supplied via an oxygen line 32 a.
  • the air separation plant 32 receives compressed air from the outlet of the low-pressure compressor 13.
  • the nitrogen (N 2 ) which is likewise formed during the decomposition is supplied to the low-pressure combustion chamber 19, for example via a nitrogen line 32 b.
  • condensed cooling air is tapped at the outputs of the two compressors 13 and 14, cooled in a downstream OTC cooler 23 and 24, and then via corresponding cooling lines 25 and 26 fed to the bodies to be cooled.
  • a heat recovery steam generator 27 is arranged, which is part of a water-steam cycle together with a connected steam turbine 29. The exiting from the heat recovery steam generator 27 exhaust gas is discharged via an exhaust pipe 28 to the outside.
  • the cooling is now switched according to FIG. 3.
  • the high-pressure combustion chamber 18 and the high-pressure turbine 16 are still cooled by compressed air, which is branched off at the outlet of the high-pressure compressor 14 and then cooled down in an OTC cooler 24.
  • the cooling of the reheat combustion chamber 19 and the low-pressure turbine 17 now takes place in other ways.
  • branched compressed air is decomposed to 50% in the air separation plant 32 in oxygen and nitrogen.
  • the other 50% are passed in a branch line 39 to the air separation plant 32.
  • the oxygen discharged via the oxygen line 32a from the air separation plant 32 is used - as shown in FIG. 2 - for coal gasification.
  • the generated, relatively cool nitrogen is supplied through the nitrogen line 32 b to a compressor 41 and mixed after compression with the 50% air from the branch line 39.
  • the gas temperature after mixing is then about 300-400 0 C, so that a cooling of the extracted at the low-pressure compressor 13 cooling air is not necessary.
  • the resulting mixture is then used to cool the hot components of reheat combustor 19 and low pressure turbine 17.
  • Cooling critical components are used while the warmer air from the compressor is used to cool less critical components can be used; This also improves the efficiency of the system.
  • the described cooling can be used in gas turbines of known construction rate with reheating such. Due to the specific secondary air system, the type GT26 gas turbine can be realized particularly easily.
  • the inherent in the reheat advantage over NOx can also be transferred to the syngas when the combustion temperatures are optimally selected in the two combustion chambers, in particular with a moderate temperature increase in the first stage (high-pressure combustion chamber 18).
  • the stability of the combustion and the flexibility in the operation of the gas turbine with reheat are greater than in a comparable gas turbine with single-stage combustion.
  • the operating limits are typically determined by the Flame extinction and the flashback and / or emission levels given for a given flame temperature, resulting in a permitted range of fuel qualities and fuel reactivities. In the superheated gas turbine, this operating limit is significantly increased because two combustion systems allow operation at two independent flame temperatures, eg lower first stage temperature and second stage higher temperature, with minor disadvantages with respect to NOx. 3.
  • the requirements for gas pressure can be minimized if the fuel gas is injected undiluted (without nitrogen) into the first and second combustion systems, which typically operate at pressures in the range> 30 bar and between 15 and 20 bar. 4.
  • the concept of extraction of cooling air, which is then cooled down and fed back into the machine, is particularly well suited for the use of nitrogen as a cooling medium.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine (11 ) in einem Kombikraftwerk (40), bei welchem Verfahren durch die Gasturbine (11 ) Luft angesaugt und verdichtet wird, welche zur Verbrennung eines aus Kohle gewonnenen Syngases einer Brennkammer (18, 19) zugeführt wird, und wobei ein Teil der verdichteten Luft in Sauerstoff und Stickstoff zerlegt wird. Ein verbesserter Wirkungsgrad wird dadurch erreicht, dass eine Gasturbine (11 ) mit Zwischenüberhitzung verwendet wird, welche zwei Brennkammern (18, 19) und zwei Turbinen (16, 17) umfasst, wobei in der ersten Brennkammer (18) Syngas unter Einsatz der verdichteten Luft verbrannt und die entstehenden heissen Gase in der ersten Turbine (16) entspannt werden, und wobei in der zweiten Brennkammer Syngas unter Einsatz der aus der ersten Turbine (16) kommenden Gase verbrannt und die entstehenden heissen Gase in der zweiten Turbine (17) entspannt werden, und dass der bei der Luftzerlegung entstehende Stickstoff zur Kühlung der Gasturbine (11 ) verwendet wird.

Description

BESCHREIBUNG
VERFAHREN ZUM BETRIEB EINER GASTURBINE SOWIE GASTURBINE ZUR
DURCHFÜHRUNG DES VERFAHRENS
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Kraftwerkstechnik. Sie betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer (stationären) Gasturbine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , sowie eine Gasturbine zur Durchführung des Verfahrens.
STAND DER TECHNIK
Es ist eine Gasturbine mit Zwischenüberhitzung (reheat gas turbine) bekannt (siehe z.B. die US-A-5,577,378 oder „State-of-the-art gas turbines - a brief update", ABB Review 02/1997, Fig. 15, Turbinentyp GT26), die einen flexiblen Betrieb mit sehr niedrigen Abgasemissionswerten kombiniert.
Die Maschinenarchitektur der Gasturbine vom Typ GT26 ist einzigartig und eignet sich ausgezeichnet für die Realisierung eines Konzeptes, welches Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, weil: - es beim Verdichter bereits eine bedeutsame Abzweigung von Verdichterluft bei mittleren Verdichterdrücken gibt,
- das Konzept der sequentiellen Verbrennung eine erhöhte Stabilität der Verbrennung bei verringerten Werten des Sauerstoffüberschusses ermöglicht, und - ein Sekundärluftsystem vorhanden ist, welches es ermöglicht, Luft aus dem
Verdichter abzuzweigen, herunterzukühlen, und die heruntergekühlte Luft zur Kühlung der Brennkammer und der Turbine zu verwenden.
Das Prinzip der bekannten Gasturbine mit Zwischenüberhitzung ist in Fig. 1 dargestellt. Die Gasturbine 11 , die Teil eines Kombikraftwerkes 10 ist, umfasst auf einer gemeinsamen Welle 15 angeordnet zwei hintereinander geschaltete Verdichter, nämlich einen Niederdruckverdichter 13 und einen Hochdruckverdichter 14, sowie zwei Brennkammern, nämlich eine Hochdruckbrennkammer 18 und eine Zwischenüberhitzungsbrennkammer19, und zugehörige Turbinen, nämlich eine Hochdruckturbine 16 und eine Niederdruckturbine 17. Die Welle 15 treibt einen Generator 12 an.
Die Arbeitsweise der Anlage ist die folgende: Luft wird über einen Luftein lass 20 vom Niederdruckverdichter 13 angesaugt und zunächst auf ein Zwischendruckniveau (ca. 20 bar) verdichtet. Der Hochdruckverdichter 14 verdichtet die Luft dann weiter auf ein Hochdruckniveau (ca. 32 bar). Kühlluft wird sowohl auf dem Zwischendruckniveau als auch auf dem Hochdruckniveau abgezweigt und in zugehörigen OTC-Kühlem (OTC = Once Through Cooler) 23 und 24 abgekühlt und über Kühlleitungen 25 und 26 zur Kühlung an die Brennkammern 18, 19 und Turbinen 16, 17 weitergeleitet. Die verbleibende Luft aus dem Hochdruckverdichter 14 wird zur Hochdruckbrennkammer 18 geführt und dort durch Verbrennung eines über die Brennstoffzufuhr 21 zugeführten Brennstoffs aufgeheizt. Das entstehende Abgas wird dann in der nachfolgenden Hochdruckturbine 16 unter Arbeitsleistung auf ein mittleres Druckniveau entspannt. Nach der Entspannung wird das Abgas in der Zwischenüberhitzungsbrennkammer 19 durch Verbrennung eines über die Brennstoffzufuhr 22 zugeführten Brennstoffs wieder erhitzt, bevor es in der nachfolgenden Niederdruckturbine 17 unter weiterer Arbeitsleistung entspannt wird.
Die durch die Kühlleitungen 25, 26 strömende Kühlluft wird an geeigneten Stellen der Brennkammern 18, 19 und Turbinen 16, 17 eingedüst, um die
Materialtemperaturen auf ein vertretbares Mass zu begrenzen. Das aus der Niederdruckturbine 17 kommende Abgas wird durch einen Abhitzedampferzeuger
27 (HRSG = JHeat Recovery Steam Generator) geschickt, um Dampf zu erzeugen, der innerhalb eines Wasser-Dampf-Kreislaufs durch eine Dampfturbine 29 strömt und dort weitere Arbeit leistet. Nach dem Durchströmen des
Abhitzedampferzeugers 27 wird das Abgas schliesslich durch eine Abgasleitung
28 nach aussen abgegeben. Die OTC-Kühler 23, 24 sind Teil des Wasser-Dampf- Kreislaufs; an ihren Ausgängen wird überhitzter Dampf erzeugt.
Durch die beiden voneinander unabhängigen, aufeinanderfolgenden
Verbrennungen in den Brennkammern 18 und 19 wird eine grosse Flexibilität im Betrieb erreicht; die Brennkammertemperaturen können so eingestellt werden, dass innerhalb der bestehenden Grenzen der maximale Wirkungsrad erreicht wird. Die niedrigen Abgaswerte des sequentiellen Verbrennungssystems sind durch die inhärent niedrigen Emissionswerte gegeben, die bei der Zwischenüberhitzung erreichbar sind (unter bestimmten Bedingungen führt die zweite Verbrennung sogar zu einem Verbrauch an NOx).
Es sind andererseits Kombikraftwerke mit einstufiger Verbrennung in den Gasturbinen bekannt (siehe z.B. die US-A-4,785,622 oder US-B2-6,513,317), in denen eine Kohlevergasungsanlage integriert ist, um den für die Gasturbine benötigten Brennstoff in Form von aus Kohle gewonnenem Syngas bereitzustellen. Solche Kombikraftwerke werden als IGCC-Anlagen (IGCC = Integrated Gasification Combined Cycle) bezeichnet.
Die vorliegende Erfindung geht nun von der Erkenntnis aus, dass durch den Einsatz von Gasturbinen mit Zwischenüberhitzung in einer IGCC-Anlage die Vorteile dieses Gasturbinentyps für die Anlage in besonderer Weise nutzbar gemacht werden können.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb einer mit einer Kohlevergasungsanlage zusammenarbeitenden Gasturbine anzugeben, welches sich durch einen verbesserten Wirkungsgrad auszeichnet und sich mit vorhandenen Komponenten besonders günstig realisieren lässt, sowie eine Gasturbine zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen.
Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale der Ansprüche 1 und 6 gelöst. Wesentlich ist, dass in einer mit Syngas aus einer Kohlevergasungsanlage arbeitenden Gasturbinenanlage eine Gasturbine mit Zwischenüberhitzung verwendet wird, welche zwei Brennkammern und zwei Turbinen umfasst, wobei in der ersten Brennkammer Syngas unter Einsatz der verdichteten Luft verbrannt und die entstehenden heissen Gase in der ersten Turbine entspannt werden, und wobei in der zweiten Brennkammer Syngas unter Einsatz der aus der ersten Turbine kommenden Gase verbrannt und die entstehenden heissen Gase in der zweiten Turbine entspannt werden, und der bei der Luftzerlegung entstehende Stickstoff zur Kühlung der Gasturbine verwendet wird. Die erfindungsgemässe Lösung hat die folgenden Vorteile:
Es wird kein OTC-Kühler benötigt, wodurch sich der Wirkungsgrad erhöht. - Es wird weniger Kühlluft benötigt, was ebenfalls dem Wirkungsgrad zugute kommt. Der vergleichsweise kalte Stickstoff aus der Luftzerlegungsanlage kann zur Kühlung kritischer Komponenten verwendet werden, während die wärmere Luft aus dem Verdichter zur Kühlung weniger kritischer Komponenten herangezogen werden kann; auch dies verbessert den Wirkungsgrad der Anlage.
Die beschrieben Kühlung kann bei Gasturbinen bekannter Baurat mit Zwischenüberhitzung wie z.B. der Gasturbine vom Typ GT26 aufgrund des spezifischen Sekundärluftsystems besonders einfach realisiert werden.
Eine Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Gasturbine einen ersten Verdichter zur Verdichtung von angesaugter Luft auf eine erste Druckstufe und einen zweiten Verdichter zur weiteren Verdichtung der Luft von der ersten Druckstufe auf eine zweite, höhere Druckstufe umfasst, dass ein Teil der aus dem ersten Verdichter kommenden Luft in Sauerstoff und Stickstoff zerlegt wird, und dass der bei dieser Zerlegung entstehende Stickstoff zur Kühlung der zweiten Brennkammer und zweiten Turbine verwendet wird.
Insbesondere wird dabei ein Teil der für die Zerlegung abgezweigten verdichteten Luft aus dem ersten Verdichter vor der Zerlegung abgezweigt und mit dem bei der
Zerlegung entstehenden und für die Kühlung vorgesehenen Stickstoff vermischt.
Besonders günstige Verhältnisse ergeben sich, wenn etwa 50% der für die
Zerlegung abgezweigten verdichteten Luft aus dem ersten Verdichter vor der
Zerlegung abgezweigt und mit dem bei der Zerlegung entstehenden und für die Kühlung vorgesehenen Stickstoff vermischt werden. Bevorzugt wird der bei der
Zerlegung entstehende Stickstoff vor der Vermischung mit der vor der Zerlegung abgezweigten verdichteten Luft verdichtet.
Eine Ausgestaltung der Gasturbine nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Abzweigleitung vorgesehen ist, welche von der Eingangsseite der Luftzerlegungsanlage abzweigt und an einem vorgesehenen Punkt in die Stickstoffleitung mündet, und dass in der Stickstoffleitung zwischen dem Ausgang der Luftzerlegungsanlage und dem vorgegebenen Punkt der Einmündung der Abzweigleitung ein Verdichter zur Verdichtung des Stickstoffs angeordnet ist.
Vorzugsweise weist die Gasturbine zwei hintereinandergeschaltete Verdichter auf, ist die Luftzerlegungsanlage eingangsseitig an den Ausgang des ersten
Verdichters angeschlossen, und ist die Stickstoffleitung zur zweiten Brennkammer und zur zweiten Turbine geführt.
Die Luftzerlegungsanlage weist insbesondere ausgangsseitig eine Sauerstoffleitung zur Abgabe des bei der Zerlegung entstehenden Sauerstoffs auf, welche zu einer Anlage zur Erzeugung von Syngas mittels Kohlevergasung geführt ist, und dass eine Syngaszuleitung das erzeugte Syngas von der Anlage zur Erzeugung von Syngas zu den Brennkammern transportiert.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
Fig. 1 das vereinfachte Schema eines Kombikraftwerks mit einer
Gasturbine mit Zwischenüberhitzung bzw. sequentieller
Verbrennung nach dem Stand der Technik;
Fig. 2 das vereinfachte Schema einer IGCC-Anlage mit einer Gasturbine mit Zwischenüberhitzung bzw. sequentieller Verbrennung, wie sie zur Verwirklichung der Erfindung geeignet ist; und
Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel für die Kühlung nach der Erfindung mit dem bei der Luftzerlegung gewonnenen Stickstoff in einer Anlage der in Fig. 2 gezeigten Art. WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
In der Fig. 2 ist in einem stark vereinfachten Schema eine IGCC-Anlage mit einer Gasturbine mit Zwischenüberhitzung bzw. sequentieller Verbrennung gezeigt, wie sie zur Verwirklichung der Erfindung geeignet ist. Das Kombikraftwerk 30 umfasst eine Gasturbine 11 mit einem Niederdruckverdichter 13, einem nachfolgenden Hochdruckverdichter 14, einer Hochdruckbrennkammer 18 mit einer nachfolgenden Hochdruckturbine 16 und einer Zwischenüberhitzungsbrennkammer 19 mit einer nachfolgenden
Niederdruckturbine 17. Die Verdichter 13, 14 und die Turbinen 16, 17 sitzen auf einer gemeinsamen Welle 15, von der ein Generator 12 angetrieben wird. Die Brennkammern 18 und 19 werden über eine Syngaszuleitung 31 mit Syngas als Brennstoff versorgt, welches durch Vergasung von Kohle (Kohlezufuhr 33) in einer Kohlevergasungsanlage 34 erzeugt wird. Der Kohlevergasungsanlage 34 ist eine Kühlvorrichtung 35 für das Syngas, eine Reinigungsanlage 36 und ein CO2- Abscheider 37 mit einem Cθ2-Ausgang 38 zur Abgabe des abgeschiedenen CO2 nachgeschaltet.
Zur Kohlevergasung in der Kohlevergasungsanlage 34 wird Sauerstoff (O2) verwendet, welcher in einer Luftzerlegungsanlage 32 gewonnen und über eine Sauerstoffleitung 32a zugeführt wird. Die Luftzerlegungsanlage 32 erhält verdichtete Luft vom Ausgang des Niederdruckverdichters 13. Der bei der Zerlegung ebenfalls entstehenden Stickstoff (N2) wird beispielsweise über eine Stickstoffleitung 32b der Niederdruckbrennkammer 19 zugeführt.
Zur Kühlung der vom Heissgas belasteten Komponenten der Brennkammern 18, 19 und Turbinen 16, 17 wird verdichtete Kühlluft an den Ausgängen der beiden Verdichter 13 und 14 abgezapft, in einem nachgeschalteten OTC-Kühler 23 bzw. 24 abgekühlt, und dann über entsprechende Kühlleitungen 25 und 26 den zu kühlenden Stellen zugeführt. Am Ausgang der Niederdruckturbine 17 ist ein Abhitzedampferzeuger 27 angeordnet, der zusammen mit einer angeschlossenen Dampfturbine 29 Teil eines Wasser-Dampf-Kreislaufs ist. Das aus dem Abhitzedampferzeuger 27 austretende Abgas wird über eine Abgasleitung 28 nach aussen abgegeben.
In einer solchen Anlagenkonfiguration wird nun gemäss Fig. 3 die Kühlung umgestellt. In dem Kombikraftwerk 40 der Fig. 3 werden zwar die Hochdruckbrennkammer 18 und die Hochdruckturbine 16 nach wie vor durch verdichtete Luft gekühlt, die am Ausgang des Hochdruckverdichters 14 abgezweigt und dann in einem OTC-Kühler 24 heruntergekühlt wird. Die Kühlung der Zwischenüberhitzungsbrennkammer 19 und der Niederdruckturbine 17 erfolgt jedoch nunmehr auf andere Weise. Dazu wird am Ausgang des Niederdruckverdichters 13 abgezweigte verdichtete Luft zu 50% in der Luftzerlegungsanlage 32 in Sauerstoff und Stickstoff zerlegt. Die anderen 50% werden in einer Abzweigleitung 39 an der Luftzerlegungsanlage 32 vorbeigeführt. Der über die Sauerstoffleitung 32a aus der Luftzerlegungsanlage 32 abgeführte Sauerstoff wird - wie in Fig. 2 gezeigt - zur Kohlevergasung eingesetzt. Der erzeugte, relativ kühle Stickstoff wird durch die Stickstoffleitung 32b einem Verdichter 41 zugeführt und nach der Verdichtung mit den 50% Luft aus der Abzweigleitung 39 vermischt. Die Gastemperatur nach der Vermischung beträgt dann etwa 300-4000C, so dass eine Kühlung der am Niederdruckverdichter 13 extrahierten Kühlluft nicht nötig ist. Die entstehende Mischung wird dann zur Kühlung der heissen Komponenten der Zwischenüberhitzungsbrennkammer 19 und der Niederdruckturbine 17 verwendet.
Die Vorteile dieser Art der Kühlung sind:
Es wird kein OTC-Kühler benötigt, wodurch sich der Wirkungsgrad erhöht. Es wird weniger Kühlluft benötigt, was ebenfalls dem Wirkungsgrad zugute kommt. - Der vergleichsweise kalte Stickstoff aus der Luftzerlegungsanlage kann zur
Kühlung kritischer Komponenten verwendet werden, während die wärmere Luft aus dem Verdichter zur Kühlung weniger kritischer Komponenten herangezogen werden kann; auch dies verbessert den Wirkungsgrad der Anlage.
Die beschrieben Kühlung kann bei Gasturbinen bekannter Baurat mit Zwischenüberhitzung wie z.B. der Gasturbine vom Typ GT26 aufgrund des spezifischen Sekundärluftsystems besonders einfach realisiert werden.
Voraussetzung für die Verwirklichung dieses Konzeptes ist, dass in den beiden Brennkammern der Gasturbine unverdünntes Kohlegas verwendet werden kann. Die hauptsächlichen technischen Herausforderungen bei der Verbrennung solches unverdünnten Kohlegases in der Brennkammer einer Gasturbine sind:
- das Erreichen niedriger Emissionswerte,
- ein ausreichender Abstand zu den Grenzen von Flammenrückschlägen und Pulsationen,
- die Aufrechterhaltung der Flexibilität im Betrieb bei Änderungen IN DER Qualität des Kohlegases, sowie die Möglichkeit der Unterstützung mit anderen Brennstoffen (Erdgas oder Öl), und
- das Abzapfen und Einspeisen von Kühlluft in die Bereiche des Heissgaskanals in der Brennkammer und in der Turbine.
Diese Herausforderungen können bei IGCC-Anlagen von der Konzeption her aus folgenden Gründen besonders gut durch eine Gasturbine mit Zwischenüberhitzung bewältigt werden:
1. Der bei der Zwischenüberhitzung inhärente Vorteil bezüglich NOx kann auch auf das Syngas übertragen werden, wenn die Verbrennungstemperaturen in den beiden Brennkammern optimal ausgewählt werden, insbesondere mit einer gemässigten Temperaturerhöhung in der ersten Stufe (Hochdruckbrennkammer 18).
2. Die Stabilität der Verbrennung und die Flexibilität beim Betrieb der Gasturbine mit Zwischenüberhitzung sind grösser als bei einer vergleichbaren Gasturbine mit einstufiger Verbrennung. Die Betriebsgrenzen werden typischerweise durch die Flammenauslöschung und den Flammenrückschlag und/oder Emissionsniveaus für eine vorgegebene Flammentemperatur gegeben, was zu einem erlaubten Bereich von Brennstoffqualitäten und Brennstoffreaktivitäten führt. In der Gasturbine mit Zwischenüberhitzung ist diese Betriebsgrenze deutlich erhöht, weil zwei Verbrennungssysteme den Betrieb bei zwei unabhängigen Flammentemperaturen ermöglichen, z.B. mit einer niedrigeren Temperatur in der ersten Stufe und einer höheren Temperatur in der zweiten Stufe, mit geringen Nachteilen bezüglich des NOx. 3. Die Anforderungen für den Gasdruck können minimiert werden, wenn das Brenngas unverdünnt (ohne Stickstoff) in das erste und zweite Verbrennungssystem injiziert wird, die typischerweise mit Drücken im Bereich > 30 bar bzw. zwischen 15 und 20 bar arbeiten. 4. Das Konzept der Extraktion von Kühlluft, die anschliessend heruntergekühlt und in die Maschine wieder eingespeist wird, eignet sich besonders gut für die Verwendung von Stickstoff als Kühlmedium.
BEZUGSZEICHENLISTE
10,30,40 Kombikraftwerk
11 Gasturbine
12 Generator
13 Niederdruckverdichter
14 Hochdruckverdichter
15 Welle (Gasturbine)
16 Hochdruckturbine
17 Niederdruckturbine
18 Hochdruckbrennkammer
19 Zwischenüberhitzungsbrennkammer
20 Lufteinlass
21 ,22 Brennstoffzufuhr
23,24 OTC-Kühler
25,26 Kühlleitung
27 Abhitzedampferzeuger
28 Abgasleitung
29 Dampfturbine (Dampfkreislauf)
31 Syngaszuleitung
32 Luftzerlegungsanlage
32a Sauerstoffleitung
32b Stickstoffleitung
33 Kohlezufuhr
34 Kohlevergasungsanlage
35 Kühlvorrichtung
36 Reinigungsanlage
37 CO2-Abscheider
38 CO2-Ausgang
39 Abzweigleitung
41 Verdichter

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine (11 ), welche insbesondere in einem Kombikraftwerk (30, 40) eingesetzt ist, bei welchem Verfahren durch die Gasturbine (11 ) Luft angesaugt und verdichtet wird, die verdichtete Luft zur Verbrennung eines aus Kohle gewonnenen Syngases einer Brennkammer (18, 19) zugeführt wird, und die bei der Verbrennung entstehenden heissen Gase in einer nachfolgenden Turbine (16, 17) unter Verrichtung von Arbeit entspannt werden, wobei ein Teil der verdichteten Luft in Sauerstoff und Stickstoff zerlegt wird, und der Sauerstoff in einer Kohlevergasungsanlage (34) zur Erzeugung des Syngases eingesetzt wird, und wobei ein Teil der verdichteten Luft zur Kühlung der von den heissen Gasen belasteten Teile der Gasturbine (11 ) verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass
- eine Gasturbine (11 ) mit Zwischenüberhitzung verwendet wird, welche zwei Brennkammern (18, 19) und zwei Turbinen (16, 17) umfasst, wobei in der ersten Brennkammer (18) Syngas unter Einsatz der verdichteten Luft verbrannt und die entstehenden heissen Gase in der ersten Turbine (16) entspannt werden, und wobei in der zweiten Brennkammer Syngas unter
Einsatz der aus der ersten Turbine (16) kommenden Gase verbrannt und die entstehenden heissen Gase in der zweiten Turbine (17) entspannt werden, und
- der bei der Luftzerlegung entstehende Stickstoff zur Kühlung der Gasturbine (11 ) verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Gasturbine (11 ) einen ersten Verdichter (13) zur Verdichtung von angesaugter Luft auf eine erste Druckstufe und einen zweiten Verdichter (14) zur weiteren Verdichtung der Luft von der ersten Druckstufe auf eine zweite, höhere Druckstufe umfasst, dass ein Teil der aus dem ersten Verdichter (13) kommenden Luft in Sauerstoff und Stickstoff zerlegt wird, und dass der bei dieser Zerlegung entstehende Stickstoff zur Kühlung der zweiten Brennkammer (18) und zweiten Turbine (17) verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der für die Zerlegung abgezweigten verdichteten Luft aus dem ersten Verdichter (13) vor der Zerlegung abgezweigt und mit dem bei der Zerlegung entstehenden und für die Kühlung vorgesehenen Stickstoff vermischt wird.
4. Verfahren nach Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass etwa 50% der für die Zerlegung abgezweigten verdichteten Luft aus dem ersten Verdichter (13) vor der Zerlegung abgezweigt und mit dem bei der Zerlegung entstehenden und für die Kühlung vorgesehenen Stickstoff vermischt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der bei der Zerlegung entstehende Stickstoff vor der Vermischung mit der vor der Zerlegung abgezweigten verdichteten Luft verdichtet wird.
6. Gasturbine (11 ) zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 , welche Gasturbine (11 ) als Gasturbine mit Zwischenüberhitzung ausgelegt ist und Verdichter (13, 14) zur Verdichtung von angesaugter Luft sowie zwei Brennkammern (18, 19) und zwei Turbinen (16, 17) umfasst, wobei in der ersten Brennkammer (18) ein Brennstoff unter Einsatz der verdichteten Luft verbrannt und die entstehenden heissen Gase in der ersten Turbine (16) entspannt werden, und wobei in der zweiten Brennkammer der Brennstoff unter Einsatz der aus der ersten Turbine (16) kommenden Gase verbrannt und die entstehenden heissen Gase in der zweiten Turbine (17) entspannt werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine Luftzerlegungsanlage (32) vorgesehen ist, welche eingangsseitig an die Verdichter (13, 14) angeschlossen ist und ausgangsseitig eine Stickstoffleitung (32b) zur Abgabe des bei der Zerlegung entstehenden Stickstoffs aufweist, und dass die Stickstoffleitung (32b) mit durch die heissen Gase belasteten Teilen der Gasturbine (11 ) in Verbindung steht.
7. Gasturbine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abzweigleitung (39) vorgesehen ist, welche von der Eingangsseite der Luftzerlegungsanlage (32) abzweigt und an einem vorgesehenen Punkt in die Stickstoffleitung (32b) mündet.
8. Gasturbine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Stickstoffleitung (32b) zwischen dem Ausgang der Luftzerlegungsanlage (32) und dem vorgegebenen Punkt der Einmündung der Abzweigleitung (39) ein Verdichter (41 ) zur Verdichtung des Stickstoffs angeordnet ist.
9. Gasturbine nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasturbine (11 ) zwei hintereinandergeschaltete Verdichter (13, 14) aufweist, das die Luftzerlegungsanlage (32) eingangsseitig an den Ausgang des ersten Verdichters (13) angeschlossen ist, und dass die Stickstoffleitung (32b) zur zweiten Brennkammer (18) und zur zweiten Turbine (17) geführt ist.
10. Gasturbine nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzerlegungsanlage (32) ausgangsseitig eine Sauerstoffleitung (32a) zur Abgabe des bei der Zerlegung entstehenden
Sauerstoffs aufweist, welche zu einer Anlage (33,..,38) zur Erzeugung von Syngas mittels Kohlevergasung geführt ist, und dass eine Syngaszuleitung (31 ) das erzeugte Syngas von der Anlage (33, ..,38) zur Erzeugung von Syngas zu den Brennkammern transportiert.
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