WO2012031309A1 - Elektrisches kraftwerk - Google Patents

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WO2012031309A1
WO2012031309A1 PCT/AT2011/000361 AT2011000361W WO2012031309A1 WO 2012031309 A1 WO2012031309 A1 WO 2012031309A1 AT 2011000361 W AT2011000361 W AT 2011000361W WO 2012031309 A1 WO2012031309 A1 WO 2012031309A1
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power plant
gas
charge air
gas turbine
engine
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PCT/AT2011/000361
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Friedrich Gruber
Johann Klausner
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Ge Jenbacher Gmbh & Co Ohg
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B63/00—Adaptations of engines for driving pumps, hand-held tools or electric generators; Portable combinations of engines with engine-driven devices
    • F02B63/04—Adaptations of engines for driving pumps, hand-held tools or electric generators; Portable combinations of engines with engine-driven devices for electric generators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B43/00—Engines characterised by operating on gaseous fuels; Plants including such engines
    • 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
    • F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use
    • F02C6/04—Gas-turbine plants providing heated or pressurised working fluid for other apparatus, e.g. without mechanical power output
    • F02C6/10—Gas-turbine plants providing heated or pressurised working fluid for other apparatus, e.g. without mechanical power output supplying working fluid to a user, e.g. a chemical process, which returns working fluid to a turbine of the plant
    • F02C6/12—Turbochargers, i.e. plants for augmenting mechanical power output of internal-combustion piston engines by increase of charge pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D29/00—Controlling engines, such controlling being peculiar to the devices driven thereby, the devices being other than parts or accessories essential to engine operation, e.g. controlling of engines by signals external thereto
    • F02D29/06—Controlling engines, such controlling being peculiar to the devices driven thereby, the devices being other than parts or accessories essential to engine operation, e.g. controlling of engines by signals external thereto peculiar to engines driving electric generators
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    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/30—Use of alternative fuels, e.g. biofuels

Definitions

  • the present invention relates to a power plant block or a power plant, with at least two electric generators for power generation, being provided as a drive for one of the at least two generators, a gas turbine and is provided as a drive for the other of the at least two generators, a reciprocating engine, wherein the reciprocating engine at least a charge air inlet for pre-compressed charge air and the gas turbine has at least one compression stage.
  • the subject invention is preferably directed to power generation systems from 10 to 100 MW electrical power, wherein the load can be varied between 30% and 115% of the full load.
  • US 3,498,053 (Johnston) describes a reciprocating machine-turbine combination in which exhaust gas from the piston engine is fed into the turbine and the turbine drives a compressor which in turn supplies compressed air for supercharging and cooling the piston engine. In this case, the entire material flow of the compressor / turbine bandage is conducted via the piston engine. The turbine does not have its own combustion chamber.
  • EP2096277A1 MAGNETI MARELLI
  • a supercharged internal combustion engine is described, wherein turbine (13) and compressor (14) of the charging group are mechanically decoupled. Again, the charger is not through its own combustion chamber able to deliver power.
  • US 3,444,686 (Ford Motors) describes an engine and gas turbine arrangement in which the engine exhaust gases are mixed with the turbine exhaust gases to reduce pollutants. A use of compressed air from the compressor (16) in the internal combustion engine (12) is not provided.
  • gas turbine systems, gas and steam turbine combinations (combined cycle) and gas or diesel engine systems are used in the aforementioned power segment.
  • Gas engine systems are very economical for power plant outputs up to approx. 100 MW. They have high full load and part load efficiencies and can respond quickly to changes in load requirements. If the engine waste heat is used in addition to power generation, overall efficiency (electrical + thermal) of up to 90% can be achieved.
  • One of the disadvantages of gas engine plants is the relatively high costs for maintenance and servicing and the relatively large specific space requirements.
  • EP 1 990 518 A2 deals with at least two electric generators for power generation, wherein a gas turbine is provided as the drive for one of the at least two generators and a reciprocating motor is provided as the drive for the other of the at least two generators wherein the reciprocating engine has at least one charge air inlet for pre-compressed charge air and the gas turbine at least one compression stage.
  • EP 1 990 518 A2 deals with a special propulsion system for aircraft, because with aircraft a particular problem is that, at low speeds and high pitch angles (eg during starting), a stall in the turbine can occur.
  • the US 6,282,897 has set itself the task of increasing the range of a motor vehicle with hybrid drive.
  • the object of the invention is to develop a generic power plant block such that there is a possible advantageous way of generating electricity.
  • a possible mode of operation of the power plant block according to the invention could be as follows, wherein in the following simple way is assumed by a reciprocating engine in the form of a gas engine:
  • the gas engine and the gas turbine each drive a generator, which feed the electricity generated in the consumer network.
  • the engine is started and run at nominal speed and synchronized with the grid, while the start preparation procedure for the gas turbine is running simultaneously. In mains parallel operation, the motor is started up to the maximum suction power (about 15% of the full load). • The gas turbine is driven to rated speed. The engine increases with the load in accordance with the increasing boost pressure.
  • the generator of the gas turbine is synchronized with the grid and the combustion chamber (s) are activated.
  • the fuel supply to the combustion chamber (s) takes place according to the power requirement in a manner such that an optimum efficiency or the max. possible performance is achieved.
  • swirl throttles are advantageously used in front of the compressors.
  • the adaptation and optimization of the air quantity for the gas engine is preferably carried out by one or more throttle valve (s) (for example, throttle valve (s)), wherein as far as possible no throttling should take place in steady-state full load operation.
  • the fuel supply to the turbine combustion chambers is varied.
  • the performance of the unit should always be above approximately 75% of full load to achieve optimum efficiency.
  • modular designed power plant parks with a number of individual power plant blocks as smaller power units, prove to be very cheap, with the reduced power being able to be displayed in full load operation of part of the power plant blocks while the remainder are shut down.
  • the gas turbine After starting and starting up the power plant block consisting of the gas engine and the gas turbine, it is operated in the power range between approximately 60 and approximately 115% of the full load power, wherein the 1 5% corresponds to the overload that can be temporarily driven to cover fuel consumption peaks.
  • the gas turbine has a high-pressure combustion chamber (HP combustion chamber) and a low-pressure combustion chamber (LP combustion chamber), wherein preferably the energy supplied to the turbine burners is divided in such a way that in a high-pressure combustion chamber about 3 A and the low-pressure combustion chamber receives about% of the turbine system supplied amount of gas.
  • the high-pressure combustion chamber supplied energy is determined by the max. permissible gas temperature for entry into the turbine limited, the combustion air ratio and the compression end temperature are the most important parameters influencing the gas temperature.
  • the shutdown of the unit takes place in the reverse manner to the startup process, wherein the power supply to the burners is interrupted and the turbine generator is disconnected from the network.
  • the gas engine is throttled in performance via the throttle valves for the air and for the gas.
  • a blow-off line with check valve is provided, which ensures rapid pressure relief in the mixture distribution line of the engine.
  • the injection of a reducing agent is provided in the engine exhaust gas in one embodiment, wherein the reducing agent is mixed via a mixing section with the exhaust gas and triggers a thermally assisted reduction reaction with the NOx after heating.
  • the NOx can be reduced to a level that does not exceed the limits for gas turbines.
  • the gas engine can assist and shorten the start-up and start-up procedure of the gas turbine.
  • the engine exhaust heats up the LP combustion chamber and the LP turbine and pre-heats the HP combustion chamber via the recuperator.
  • the relatively large moment of inertia of the turbine rotor keeps the motor within the frequency within the permissible limits (grid codes).
  • the CO and HC emissions of the gas engine are eliminated without catalytic after-treatment.
  • the amount of exhaust gas is based on the electrical power generated less than in pure gas turbine or gas and steam power plants.
  • Air intake quantity of the LP compressor 113 kg / sec
  • Air supply amount to the engine 22.6 kg / sec
  • Delivery quantity of HD compressor 90 kg / sec
  • Power output of the LP turbine 60.7 MW mech.
  • Net power of the power plant block 74 MW
  • the power of the turbine plant may e.g. be increased by that of the low-pressure burner chamber supplied
  • FIG. 1 shows schematically a power plant block according to the invention of a first embodiment
  • Fig. 2 shows schematically a power plant block according to the invention a second
  • Fig. 3 shows schematically a power plant block according to the invention in a third
  • Fig. 1 shows a power plant block according to the invention with a gas turbine 1 and a reciprocating engine 2, which is designed here as a gas engine.
  • the gas turbine 1 drives an electric generator 3 for power generation.
  • the reciprocating engine 2 drives another electric generator 3 'also for power generation.
  • the gas turbine 1 is constructed according to the prior art and has at least one compression stage 11 and an expansion stage 14, which are connected here by a common shaft 17 with each other for transmitting a rotational movement.
  • the invention can also be used if instead of a single common shaft 17 coupled rotating components are provided.
  • a line 110 of the compression stage 11 ambient air is supplied. This compresses the ambient air and passes a portion of the compressed air via a line 111 to a turbine combustor 16 on.
  • the turbine combustor 16 further includes a propellant gas supply 19.
  • another line 112 leads from the turbine combustion chamber 16 to the expansion stage 14, where the medium is depressurized while giving off power.
  • the reciprocating engine 2 is also provided with a gas line 22 through which propellant gas can be supplied to the engine.
  • the reciprocating engine 2 further has a charge air inlet 21, which is connected according to the invention via a charge air line 41 to an output of the compression stage 11.
  • a charge air line 41 to an output of the compression stage 11.
  • Exhaust gas can be removed via an exhaust gas outlet 23 (not shown in FIG. 1).
  • the charge air line 41 is shown extending from the end of the compression stage 1, starting.
  • the variant shown in the other figures will be more realistic, in which the charge air line 41 branches off in an intermediate region of the compression stage 11 thereof.
  • the location of the branch is favorably chosen so that the charge air branched off there already has the boost pressure required for the reciprocating engine 2 (the pressure in the compression stage changes in a known manner).
  • the power plant block of FIG. 2 substantially corresponds to that of FIG. 1, although additional advantageous measures are provided, such as the arrangement of coolers 42, 43 for the charge air and 412 for the propellant gas.
  • the gas turbine 1 here has a first compression stage 11 and a second compression stage 12 and a first expansion stage 14 and a second expansion stage 15.
  • the just discussed unit consisting of the compression stages 11, 12 and the expansion stages 14, 15 is arranged along a common shaft 17 , About gear 18, a generator 3 for generating electricity and a gas compressor 13 for compressing the propellant gas supply 19 'supplied propellant gas coupled to the shaft.
  • the compressed by the gas compressor 13 propellant gas is cooled by a radiator 412 before it is supplied via a throttle valve 413 and the line 19 of the turbine combustor 16 and on the other hand via a further throttle valve 413 and the line 22 to the gas engine 2.
  • Propellant gas can also be supplied via a further throttle valve 413 and the line 411 to a reaction chamber 410, which serves to further treat exhaust gas of the reciprocating piston engine 2 (see description below).
  • a reducing agent can additionally be added via the reducing agent supply 415.
  • FIG. 2 differs from that of FIG. 1, namely in that the reciprocating piston engine 2 has an exhaust outlet 23, with an exhaust line 49 leading into the transition from the high-pressure stage 14 to the low-pressure stage 15 of the gas turbine 1.
  • the efficiency of the arrangement according to the invention can be additionally increased.
  • the exhaust gas of the reciprocating engine 2 is treated in a reaction chamber 410. This is for raising the temperature also via a line 411 propellant fed.
  • a reactant can be added to the exhaust gas in the exhaust line 49 through a reagent supply 415.
  • the transition region between the high and the low pressure stage 14, 15, in which the exhaust gas of the engine is introduced there is a pressure level that corresponds to an energetically favorable exhaust back pressure.
  • FIG. 2 Also recognizable in FIG. 2 are some throttle valves 413 through which the respective media can be throttled. Visible is further a gear 18 for speed adjustment.
  • a blow-off line with a check valve 414 is additionally provided here, via which a rapid pressure relief in the mixture distribution of the reciprocating engine 2 can be achieved.
  • the reciprocating engine 2 has an effective Nutzschtik of 30 bar and an efficiency of 48%.
  • the first turbine stage 14 is designed as a high-pressure turbine.
  • the second turbine stage 15 is designed as a low-pressure turbine.
  • a further advantageous embodiment of the invention is apparent from the Fig. 3.
  • a naturally existing propellant gas supply 19 ' is not shown.
  • the exhaust gas may be heated by an exhaust heater 416 before being supplied to the turbine stage 15.
  • an intercooler 42 and an expansion turbine 47 are provided, which lead to a further cooling of the charge air and thereby allow extremely high performance of the reciprocating engine 2.
  • the power of the expansion turbine 47 can be converted, for example via a generator 3 'in electrical power and fed into the grid.
  • the reciprocating engine 2 has here an effective Nutzschdruck of 35 bar, which corresponds to the capacity and the speed of the motor used a power of 17.5 MW. The efficiency is again about 48%.
  • the turbine combustor 16 is supplied with pre-compressed air at a pressure of 20 bar at a temperature of 335 ° C.
  • the amount of gas supplied to the combustion chamber corresponds to a capacity of 90 MW.
  • the inlet temperature to the high pressure expansion stage (turbine 14) is about 1100 ° C.
  • the medium leaves the first expansion stage 14 with a pressure of 7 bar and a temperature of 830 ° C.
  • Exhaust gas leaves the second expansion stage (low-pressure turbine) 15 with a temperature of 450 ° C.
  • the net achievable power is 33.1 MW with an efficiency of 39%.
  • the overall system thus has a capacity of 50.6 MW with an efficiency of 42%.

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Abstract

Kraftwerksblock mit wenigstens zwei elektrischen Generatoren (3, 3') zur Stromerzeugung, wobei als Antrieb für einen der wenigstens zwei Generatoren (3, 3') eine Gasturbine (1) vorgesehen ist und als Antrieb für den anderen der wenigstens zwei Generatoren (3, 3') ein Hubkolbenmotor (2) vorgesehen ist, wobei der Hubkolbenmotor (2) wenigstens einen Ladelufteingang (21) für vorverdichtete Ladeluft und die Gasturbine (1) wenigstens eine Verdichtungsstufe (11) aufweist, wobei der wenigstens eine Ladelufteingang (21) des Hubkolbenmotors (2) über eine Ladeluftleitung (41) mit einem Ausgang der wenigstens einen Verdichtungsstufe (11) verbunden ist.

Description

Elektrisches Kraftwerk
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kraftwerksblock oder ein Kraftwerk, mit wenigstens zwei elektrischen Generatoren zur Stromerzeugung, wobei als Antrieb für einen der wenigstens zwei Generatoren eine Gasturbine vorgesehen ist und als Antrieb für den anderen der wenigstens zwei Generatoren ein Hubkolbenmotor vorgesehen ist, wobei der Hubkolbenmotor wenigstens einen Ladelufteingang für vorverdichtete Ladeluft und die Gasturbine wenigstens eine Verdichtungsstufe aufweist.
Die gegenständliche Erfindung richtet sich bevorzugt auf Anlagen zur Stromerzeugung von 10 bis 100 MW elektrischer Leistung, wobei die Last zwischen 30% und 115% der Volllast variiert werden kann.
Stand der Technik:
Die US 3,498,053 (Johnston) beschreibt eine Kolbenhubmaschinen-Turbinen- Kombination, bei der Abgas aus dem Kolbenmotor in die Turbine gespeist wird und die Turbine einen Kompressor antreibt, der wiederum komprimierte Luft zur Aufladung und Kühlung des Kolbenmotors liefert. Hierbei wird der gesamte Stoffstrom des Verdichter/Turbine-Verbandes wird über den Kolbenmotor geleitet wird. Die Turbine weist keine eigene Brennkammer auf. In der EP2096277A1 (MAGNETI MARELLI) ist ein aufgeladener Verbrennungsmotor beschrieben, wobei Turbine (13) und Kompressor (14) der Ladegruppe mechanisch entkoppelt sind. Auch hier ist die Aufladeeinheit nicht durch eine eigene Brennkammer in der Lage Leistung abzugeben. Die US 3,444,686 (Ford Motors) beschreibt eine Anordnung von Motor und Gasturbine, bei der die Motorabgase zur Verringerung von Schadstoffen mit den Turbinenabgasen vermischt werden. Eine Nutzung von komprimierter Luft aus dem Kompressor (16) im Verbrennungsmotor (12) ist nicht vorgesehen. In dem angesprochenen Leistungssegment kommen in der Regel Gasturbinen- Anlagen, Gas- und Dampfturbinen-Kombinationen (GuD) sowie Gas- oder Dieselmotorenanlagen zum Einsatz.
Diese Technologien weisen jeweils unterschiedliche Vorzüge und Nachteile auf, sodass je nach Anforderungen oder Randbedingungen die Auswahl entsprechend eingeschränkt ist. So sind die Vorteile einer reinen Gasturbinenanlage eine hohe Leistungsdichte und die mit zunehmender Leistung sinkenden spezifischen Investitionskosten sowie die geringen Kosten für Wartung und Instandhaltung. Nachteilig ist der im Vergleich zu einer GuD-Anlage geringe Wirkungsgrad. GuD-Anlagen wiederum weisen sehr hohe Wirkungsgrade bis ca. 60 % auf, können aber wirtschaftlich nur für Anlagen über ca. 200 MW Leistung realisiert werden. Darüber hinaus ist deren Teillastverhalten ungünstig.
Gasmotorenanlagen sind für Kraftwerksleistungen bis ca. 100 MW sehr wirtschaftlich. Sie weisen hohe Volllast und Teillastwirkungsgrade auf und können auf Änderungen der Lastanforderungen rasch reagieren. Wenn zusätzlich zur Stromerzeugung auch die Motorabwärme genützt wird, können Gesamtwirkungsgrade (elektrisch + thermisch) von bis zu 90% erreicht werden. Einer der Nachteile der Gasmotorenanlagen sind die relativ hohen Kosten für Wartung und Instandhaltung sowie der relativ große spezifische Platzbedarf.
Aus der EP 1 990 518 A2 und der US 6,282,897 B1 gehen Anordnungen hervor mit wenigstens zwei elektrischen Generatoren zur Stromerzeugung, wobei als Antrieb für einen der wenigstens zwei Generatoren eine Gasturbine vorgesehen ist und als Antrieb für den anderen der wenigstens zwei Generatoren ein Hubkolbenmotor vorgesehen ist, wobei der Hubkolbenmotor wenigstens einen Ladelufteingang für vorverdichtete Ladeluft und die Gasturbine wenigstens eine Verdichtungsstufe aufweist. Die EP 1 990 518 A2 beschäftigt sich dabei mit einem speziellen Antriebssystem für Flugzeuge, weil bei Flugzeugen eine besondere Problematik darin besteht, dass es bei niedrigen Geschwindigkeiten und großen Steigungswinkeln (z.B. beim Startvorgang) zu einem Strömungsabriss in der Turbine kommen kann.
Die US 6,282,897 hat es sich zur Aufgabe gemacht, die Reichweite eines Kraftfahrzeuges mit Hybridantrieb zu vergrößern.
Es ist klar, dass die Lehren dieser Entgegenhaltungen bzgl. eines erfindungsgemäßen stationären Krafftwerksblocks nicht relevant sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen gattungsgemäßen Kraftwerksblock derart weiterzuentwickeln, dass sich eine möglichst vorteilhafte Möglichkeit der Stromerzeugung ergibt.
Diese Aufgabe wird durch einen Kraftwerksblock mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Eine mögliche Betriebsweise des erfindungsgemäßen Kraftwerksblock könnte wie folgt aussehen, wobei im Folgenden einfacher Weise von einem Hubkolbenmotor in Form eines Gasmotors ausgegangen wird: Der Gasmotor und die Gasturbine treiben jeweils einen Generator an, die den erzeugten Strom in das Verbrauchernetz einspeisen.
Ausgehend vom Stillstand der Anlage erfolgt die Inbetriebnahme, der Start und das auf Last fahren zum Beispiel auf folgende Art und Weise:
• Der Motor wird gestartet und auf Nenndrehzahl gefahren und mit dem Netz synchronisiert, gleichzeitig läuft die Startvorbereitungsprozedur für die Gasturbine. Im Netzparallelbetrieb wird der Motor auf die maximale Saugleistung (ca. 15 % der Volllast) hochgefahren. • Die Gasturbine wird auf Nenndrehzahl gefahren, entsprechend dem damit steigendem Ladedruck fährt der Motor mit der Last hoch.
• Der Generator der Gasturbine wird mit dem Netz synchronisiert und die Brennkammer(n) werden aktiviert.
Die Brennstoffzuführung zu der bzw. den Brennkammer(n) erfolgt nach Leistungsanforderung in einer Art und Weise, dass ein optimaler Wirkungsgrad oder die max. mögliche Leistung erzielt wird.
Zur optimalen Anpassung der Verdichter-Förderleistung an die Gasturbinenleistung bzw. an die Betriebserfordernisse werden vor den Verdichtern günstiger Weise Drall- Drosseln eingesetzt. Die Anpassung und Optimierung der Luftmenge für den Gasmotor erfolgt vorzugsweise durch ein oder mehrere Drosselventil(e) (z.B. Drosselklappe(n)), wobei im stationären Volllastbetrieb möglichst keine Drosselung erfolgen soll.
Zur Leistungsregelung der Turbine wird die Brennstoffzufuhr zu den Turbinen- Brennkammern variiert.
Die Leistung der Einheit sollte sich zur Erzielung eines optimalen Wirkungsgrades grundsätzlich oberhalb ca. 75 % der Volllast bewegen. Bei Leistungsanforderungen unterhalb von 75 % erweisen sich modular konzipierte Kraftwerksparks, mit einer Anzahl von einzelnen Kraftwerksblöcken als kleinere Leistungseinheiten als sehr günstig, wobei die reduzierten Leistungen im jeweiligen Volllastbetrieb eines Teiles der Kraftwerksblöcke dargestellt werden können, während die restlichen abgeschaltet sind.
Nach Start und Hochfahren des aus Gasmotor und Gasturbine bestehenden Kraftwerksblockes, wird dieser im Leistungsbereich zwischen ca. 60 und ca. 115 % der Volllastleistung betrieben, wobei die 1 5 % der kurzzeitig zur Abdeckung von Verbrauchsspitzen fahrbaren Überlast entsprechen. Zur Erzielung eines maximalen Wirkungsgrades ist es günstig, wenn die Gasturbine eine Hochdruck-Brennkammer (HD-Brennkammer) und eine Niederdruck- Brennkammer (ND-Brennkammer)aufweist, wobei vorzugsweise die zu den Turbinenbrennern zugeführte Energie in einer Art und Weise aufgeteilt wird, dass in eine Hochdruck-Brennkammer ca. 3A und die Niederdruck-Brennkammer ca. % der der Turbinenanlage zugeführten Gasmenge erhält.
Die der Hochdruck-Brennkammer zugeführte Energie wird durch die max. zulässige Gastemperatur für den Eintritt in die Turbine begrenzt, wobei das Verbrennungsluftverhältnis und der Verdichtungsendtemperatur die wichtigsten Einflussparameter auf die Gastemperatur sind.
Die Abstellung der Einheit erfolgt in umgekehrter Weise zum Hochfahrvorgang, wobei die Energiezufuhr zu den Brennern unterbrochen wird und der Turbinengenerator vom Netz genommen wird.
Der Gasmotor wird in der Leistung gedrosselt über die Drosselventile für die Luft und für das Gas. Zur schnelleren Entlastung des Gasmotors ist eine Abblaseleitung mit Sperrventil vorgesehen, die für eine rasche Druckentlastung in der Gemischverteilleitung des Motors sorgt.
Zur Reduktion der NOx-Konzentration im Motorabgas ist in einem Ausführungsbeispiel die Eindüsung eines Reduktionsmittel in das Motorabgas vorgesehen, wobei das Reduktionsmittel über eine Mischstrecke mit dem Abgas vermischt wird und nach Erhitzung eine thermisch gestützte Reduktions-Reaktion mit dem NOx auslöst. Das NOx kann dadurch auf ein Niveau reduziert werden, dass die für Gasturbinen vorgesehenen Grenzwerte nicht überschritten werden.
Weitere Vorteile, die sich aus der vorgeschlagenen Integration von Gasmotor und Gasturbine ergeben, sind unter anderem Folgende:
Der Gasmotor kann die Start- und Hochfahrprozedur der Gasturbine unterstützen und abkürzen. Beispielsweise heizt das Motorabgas die ND-Brennkammer und die ND- Turbine auf und wärmt über den Rekuperator die HD-Brennkammer vor. Bei Netzkurzunterbrechungen hält das relativ große Massenträgheitsmoment des Turbinenläufers den Motor in der Frequenz innerhalb der zulässigen Grenzwerte (Grid- Codes). In der Niederdruck-Brennkammer wird die CO- und HC-Emission des Gasmotors ohne katalytische Nachbehandlung eliminiert.
Die Abgasmenge ist bezogen auf die erzeugte elektrische Leistung geringer als bei reinen Gasturbinen- oder GuD-Anlagen.
Dies hat Vorteile für die Dimensionierung der Abgasanlage und bez. Minimierung des Abgasverlustes.
Ausführungsbeispiel: Luftansaugmenge des ND-Verdichters: 113 kg/sec
Druck nach dem ND-Verdichter (4a): 8 bar
Leistungsaufnahme des ND-Verdichters: 28,6 MW
Luftzufuhrmenge zum Motor: 22,6 kg/sec
zugeführte Energie zu Motor: 31 MW
Leistung des Gasmotors: 15 MW
Abgastemperatur des Motors: 680 °C
Liefermenge des HD-Verdichters: 90 kg/sec
Druck nach HD-Verdichter: 25 bar
Leistungsaufnahme des HD-Verdichters: 12,8 MW
zugeführte Brennstoff-Energie in die HD-Brennkammer: 90 MW
Temperatur nach HD-Brennkammer: 1300 °C Druck nach HD-Turbine: 7 bar
Temperatur nach HD-Turbine: 950 °C
mech. Leistungsabgabe der HD-Turbine: 39,5 MW
Massenstrom durch die ND-Brennkammer: 1 15 kg/sec
zugeführte Brennstoff-Energie in die ND-Brennkammer: 25 MW Temperatur nach ND-Brennkammer: 1060 °C
Temperatur nach ND-Turbine: 630 °C
Leistungsabgabe der ND-Turbine: 60,7 MW mech. Nettoleistung des Kraftwerkblocks: 74 MW
mech. Wirkungsgrad des Kraftwerkblockes: 50,5 %
Die Leistung der Turbinenanlage kann z.B. dadurch gesteigert werden, dass die der Niederdruck-Brennerkammer zugeführte
Energie gesteigert wird. Dies ist möglich, da hier die Turbineneintrittstemperatur noch deutlich unterhalb der für den Werkstoff der Turbinenblätter zulässigen Grenztemperatur liegt. Durch diese Maßnahme sinkt zwar der Wirkungsgrad des Turbinenprozesses etwas ab, dieser Nachteil kann aber durch den Vorteil der Mehrleistung z.B. zur Abdeckung von Verbraucherspitzen, zur rascheren Leistungsanhebung oder zur Kompensation von Leistungsminderungen bei sehr hohen Außentemperaturen mehr als aufgewogen werden.
Bezogen auf das oben angeführte Zahlenbeispiel, ergibt eine Steigerung der Brennstoffenergie in die ND-Brennkammer von 25 MW auf 50 MW eine Steigerung der Nettoleistung des Kraftwerksblockes von 74 MW auf 84 MW bei gleichzeitiger Abnahme des mech. Gesamtwirkungsgrades von 50,5 % auf 48,6 %
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand der Figuren sowie der dazugehörigen Figurenbeschreibung. Dabei zeigen: Fig. 1 schematisch einen erfindungsgemäßen Kraftwerksblock einer ersten Ausführungsform,
Fig. 2 schematisch einen erfindungsgemäßen Kraftwerksblock einer zweiten
Ausführungsform und
Fig. 3 schematisch einen erfindungsgemäßen Kraftwerksblock in einer dritten
Ausführungsform.
Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Kraftwerksblock mit einer Gasturbine 1 und einem Hubkolbenmotor 2, welcher hier als Gasmotor ausgebildet ist. Die Gasturbine 1 treibt einen elektrischen Generator 3 zur Stromerzeugung an. Der Hubkolbenmotor 2 treibt einen weiteren elektrischen Generator 3' ebenfalls zur Stromerzeugung an.
Die Gasturbine 1 ist an sich nach dem Stand der Technik aufgebaut und weist wenigstens eine Verdichtungsstufe 11 und eine Expansionsstufe 14 auf, welche hier durch eine gemeinsame Welle 17 miteinander zur Übertragung einer Drehbewegung verbunden sind. Die Erfindung kann natürlich auch zum Einsatz kommen, wenn statt einer einzigen gemeinsamen Welle 17 gekoppelte rotierende Bauteile vorgesehen sind.
Über eine Leitung 110 wird der Verdichtungsstufe 11 Umgebungsluft zugeführt. Diese verdichtet die Umgebungsluft und leitet einen Teil der verdichteten Luft über eine Leitung 111 an eine Turbinenbrennkammer 16 weiter. Die Turbinenbrennkammer 16 weist weiters eine Treibgaszufuhr 19 auf. In an sich bekannter Weise führt eine weitere Leitung 112 von der Turbinenbrennkammer 16 zu der Expansionsstufe 14, wo das Medium unter Abgabe von Leistung entspannt wird.
Der Hubkolbenmotor 2 ist ebenfalls mit einer Gasleitung 22 versehen, über welche dem Motor Treibgas zuführbar ist. Der Hubkolbenmotor 2 weist weiters einen Ladelufteingang 21 auf, der erfindungsgemäß über eine Ladeluftleitung 41 mit einem Ausgang der Verdichtungsstufe 11 verbunden ist. Auf diese Weise wird die für den Betrieb des Hubkolbenmotors 2 erforderliche Ladeluft durch die Gasturbine 1 zur Verfügung gestellt. Über einen in der Fig. 1 nicht dargestellten Abgasausgang 23 kann Abgas abgeführt werden. In Fig. 1 ist die Ladeluftleitung 41 als vom Ende der Verdichtungsstufe 1 ausgehend verlaufend eingezeichnet. In der Praxis wird die in den anderen Figuren dargestellte Variante realistischer sein, bei welchen die Ladeluftleitung 41 in einem Zwischenbereich der Verdichtungsstufe 11 von dieser abzweigt. Der Ort der Abzweigung ist günstiger Weise so gewählt, dass die dort abgezweigte Ladeluft bereits den für den Hubkolbenmotor 2 erforderlichen Ladedruck aufweist (der Druck ändert sich in der Verdichtungsstufe in bekannter Weise).
Der Kraftwerksblock der Fig. 2 entspricht im Wesentlichen jenem der Fig. 1 , wobei allerdings zusätzlich vorteilhafte Maßnahmen vorgesehen sind, wie beispielsweise die Anordnung von Kühlern 42, 43 für die Ladeluft sowie 412 für das Treibgas.
Die Gasturbine 1 weist hier eine erste Verdichtungsstufe 11 sowie eine zweite Verdichtungsstufe 12 auf sowie eine erste Expansionsstufe 14 und eine zweite Expansionsstufe 15. Die soeben diskutierte Einheit bestehend aus den Verdichtungsstufen 11 , 12 und den Expansionsstufen 14, 15 ist entlang einer gemeinsamen Welle 17 angeordnet. Über Getriebe 18 sind ein Generator 3 zur Stromerzeugung sowie ein Gaskompressor 13 zur Verdichtung des über die Treibgaszufuhr 19' zugeführten Treibgases mit der Welle gekoppelt. Das vom Gaskompressor 13 verdichtete Treibgas wird über einen Kühler 412 gekühlt bevor es einerseits über eine Drosselklappe 413 und der Leitung 19 der Turbinenbrennkammer 16 und andererseits über eine weitere Drosselklappe 413 und der Leitung 22 dem Gasmotor 2 zugeführt wird. Über eine weitere Drosselklappe 413 und der Leitung 411 kann Treibgas auch einer Reaktionskammer 410 zugeführt werden, welche dazu dient, Abgas des Hubkolbenmotors 2 weiterzubehandeln (siehe Beschreibung weiter unten). Zur Nachbehandlung des Abgases kann zusätzlich ein Reduktionsmittel über die Reduktionsmittelzuführung 415 beigegeben werden.
In einem wichtigen Punkt unterscheidet sich die Ausführung der Fig. 2 von jener der Fig. 1 , nämlich darin, dass der Hubkolbenmotor 2 einen Abgasausgang 23 aufweist, wobei eine Abgasleitung 49 in den Übergang von der Hochdruckstufe 14 zur Niederdruckstufe 15 der Gasturbine 1 mündet. Auf diese Weise kann der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Anordnung zusätzlich gesteigert werden. Vorteilhafter Weise ist dabei vorgesehen, dass das Abgas der Hubkolbenmotors 2 in einer Reaktionskammer 410 behandelt wird. Dieser ist zur Erhöhung der Temperatur auch über eine Leitung 411 Treibgas zuführbar. Dem Abgas kann in der Abgasleitung 49 durch eine Reaktionsmittelzuführung 415 ein Reaktionsmittel zugefügt werden. Im Übergangsbereich zwischen der Hoch- und der Niederdruckstufe 14, 15, in den das Abgas des Motors eingeleitet wird, liegt ein Druckniveau vor, das einem energetisch günstigen Abgasgegendruck entspricht.
Erkennbar sind in Fig. 2 auch noch einige Drosselklappen 413, durch welche die jeweiligen Medien drosselbar sind. Erkennbar ist weiters ein Getriebe 18 zur Drehzahlanpassung.
Zur schnelleren Entlastung des Hubkolbenmotors 2 ist hier zusätzlich eine Abblaseleitung mit einem Sperrventil 414 vorgesehen, über welches eine rasche Druckentlastung in der Gemischverteilung des Hubkolbenmotors 2 erreichbar ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiels weist der Hubkolbenmotor 2 einen effektiven Nutzmitteldruck von 30 bar und einen Wirkungsgrad von 48 % auf.
Die erste Turbinenstufe 14 ist als Hochdruckturbine ausgeführt. Die zweite Turbinenstufe 15 ist als Niederdruckturbine ausgeführt.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung geht aus der Fig. 3 hervor. Diese unterscheidet sich vom vorhergehenden Ausführungsbeispiel zum einen darin, dass in Bezug auf den Hubkolbenmotor 2 eine zu- und wegschaltbare Aufladegruppe 24 sowie eine zu- und wegschaltbar Abgasturbine 25 vorgesehen sind. Diese ermöglichen den Betrieb des Hubkolbenmotors 2 auch dann, wenn die Gasturbine 1 nicht läuft. Im Betrieb der Gasturbine 1 können diese zusätzlichen Gruppen 24, 25 weggeschalten werden. Eine natürlich vorhandene Treibgaszufuhr 19' ist nicht dargestellt. Das Abgas kann durch eine Abgasheizung 416 vor Zufuhr zur Turbinenstufe 15 geheizt werden. Zum anderen sind hier zwischen der Ladeluftleitung 41 , die vom Gasturbinenverdichter 12 zum Hubkolbenmotor 2 führt, ein Zwischenkühler 42 und eine Expansionsturbine 47 vorgesehen, die zu einer weiteren Abkühlung der Ladeluft führen und dadurch extrem hohe Leistungen des Hubkolbenmotors 2 ermöglichen. Die Leistung der Expansionsturbine 47 kann beispielsweise über einen Generator 3' in elektrischen Strom umgewandelt und ins Netz eingespeist werden. Einige Zahlen zur Ausführung der Fig. 3:
Der Hubkolbenmotor 2 weist hier einen effektiven Nutzmitteldruck von 35 bar auf, was bei dem Hubraum und der Drehzahl des eingesetzten Motors einer Leistung von 17,5 MW entspricht. Der Wirkungsgrad beträgt wieder ca. 48 %.
In einem konkreten Ausführungsbeispiel wird der Turbinenbrennkammer 16 vorverdichtete Luft mit einem Druck von 20 bar bei einer Temperatur 335° C zugeführt. Die der Brennkammer zugeführte Gasmenge entspricht einer Leistung von 90 MW. Die Eintrittstemperatur in die Hochdruckexpansionsstufe (Turbine 14) beträgt ca. 1100 °C. Das Medium verlässt die erste Expansionsstufe 14 mit eine Druck von 7 bar und einer Temperatur von 830° C. Abgas verlässt die zweite Expansionsstufe (Niederdruckturbine) 15 mit einer Temperatur von 450° C. Die erzielbare Nettoleistung beträgt 33,1 MW bei einem Wirkungsgrad von 39 %.
Das Gesamtsystem weist somit eine Leistung von 50,6 MW bei einem Wirkungsgrad von 42 % auf.

Claims

Patentansprüche
Kraftwerksblock mit wenigstens zwei elektrischen Generatoren (3, 3') zur Stromerzeugung, wobei als Antrieb für einen der wenigstens zwei Generatoren (3, 3') eine Gasturbine (1) vorgesehen ist und als Antrieb für den anderen der wenigstens zwei Generatoren (3, 3') ein Hubkolbenmotor (2) vorgesehen ist, wobei der Hubkolbenmotor (2) wenigstens einen Ladelufteingang (21) für vorverdichtete Ladeluft und die Gasturbine (1) wenigstens eine Verdichtungsstufe (11) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Ladelufteingang (21) des Hubkolbenmotors (2) über eine Ladeluftleitung (41) mit einem Ausgang der wenigstens einen Verdichtungsstufe (11) verbunden ist.
Kraftwerksblock nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeluftleitung (41) zwischen dem Ausgang der wenigstens einen Verdichtungsstufe (11) und dem Ladelufteingang (21) des Hubkolbenmotors (2) durch wenigstens einen, vorzugsweise durch zwei Kühler (42, 43) verläuft.
Kraftwerksblock nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasturbine (1) wenigstens zwei Verdichtungsstufen (11 , 12) aufweist und dem Hubkolbenmotor (2) Ladeluft mit unterschiedlichem Druckniveau aus unterschiedlichen Verdichtungsstufen (1 1 , 12) zuführbar ist.
Kraftwerksblock nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hubkolbenmotor (2) ein Gasmotor ist.
Kraftwerksblock nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hubkolbenmotor (2) einen Gaseingang (22) für die Zufuhr von Treibgas aufweist und der Gaseingang über eine Gasleitung (44) mit einem von der Gasturbine (1) angetriebenen Gaskompressor (13) verbunden ist.
6. Kraftwerksblock nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeluftleitung zwischen dem Ausgang der wenigstens einen Verdichtungsstufe (11) und dem Ladelufteingang (4121) über eine durch einen Elektromotor (45) angetriebene Verdichterstufe (46) verläuft, wobei das Ausmaß der Druckerhöhung durch die Drehzahl des Elektromotors (45) Steuer- oder regelbar ist.
Kraftwerksblock nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeluft für den Hubkolbenmotor (2) nach Rückkühlung durch den wenigstens einen Kühler über eine Expansionsturbine (47) geleitet wird, die einen Elektromotor (48) antreibt, sodass eine weitere Abkühlung der Ladeluft nach dem Prinzip des äußeren Miller-Verfahrens erzielbar ist.
Kraftwerksblock nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Hubkolbenmotor (2) einen Abgasausgang (23) und die Gasturbine (1) wenigstens zwei Expansionsstufen (14, 15) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass Abgas über den Abgasausgang (23) und eine Abgasleitung (49) zwischen die wenigstens zwei Expansionsstufen (14, 15) der Gasturbine (1) einleitbar ist.
9. Kraftwerksblock nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasleitung (49) zwischen dem Abgasausgang (23) aus dem Hubkolbenmotor (2) und der wenigstens einen Expansionsstufe (14, 15) der Gasturbine (1) über eine Reaktionskammer (410) verläuft, wobei vorzugsweise der Reaktionskammer (410) zusätzlich über eine Leitung (411) durch eine der wenigstens einen Verdichtungsstufe (11 , 12) verdichtetes Treibgas zuführbar ist.
10. Kraftwerksblock nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass vorverdichtete Ladeluft von einer Verdichterstufe der Gasturbine - gegebenenfalls über eine Brennkammer - einer Expansionsstufe der Gasturbine zuführbar ist.
1 1. Kraftwerksblock nach Anspruch 2 und einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass - vorzugsweise ungekühlte - komprimierte Luft (Ladeluft) einer Expansionsstufe (14, 15) der Gasturbine (1) zwischen den Expansionsstufen (14, 15) nach Anspruch 9 zuführbar ist.
12. Kraftwerksblock nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine zuschaltbare gesonderte Ladegruppe für den Hubkolbenmotor (2) vorgesehen ist, sodass dieser auch bei stillstehender Gasturbine (1) betreibbar ist.
13. Kraftwerksblock mit einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
14. Kraftwerksblock nach Anspruch 13, wobei pro Gasturbine (1) wenigstens zwei Hubkolbenmotore (2) vorgesehen sind, von denen jeder Hubkolbenmotor (2) einen eigenen Generator (3') antreibt.
15. Kraftwerk mit wenigstens zwei Kraftwerksblöcken nach Anspruch 13 oder 14einem der Ansprüche 1 bis 13.
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