DE102009025914A1 - Turbinensystem mit Abgasrückführung und Zwischenüberhitzung - Google Patents

Turbinensystem mit Abgasrückführung und Zwischenüberhitzung Download PDF

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Abstract

Ein Turbinensystem (2) enthält einen ersten Verdichter (6), der zum Verdichten von Gasen (8) konfiguriert ist; eine erste Brennkammer (10), die zum Mischen der verdichteten Gase (9) mit Brennstoff (12) zum Verbrennen des Gemisches konfiguriert ist; eine erste Turbine (16), die für einen Antrieb durch Verbrennungsgase (14) der ersten Brennkammer (10) konfiguriert ist; eine zweite Brennkammer (20), die zum Mischen von Abgasen (18) aus der ersten Turbine (16) mit Brennstoff (22) und zum Verbrennen des Gemisches konfiguriert ist; eine zweite Turbine (26), die für einen Antrieb durch Verbrennungsgase (24) aus der zweiten Brennkammer (20) konfiguriert ist; und einen Generator (4), der für einen Antrieb durch das Turbinensystem (2) konfiguriert ist. Ein erster Anteil (32) der Abgase (28) aus der zweiten Turbine (26) wird zur Mischung in der ersten Brennkammer (10) zurückgeführt. Ein Verfahren zum Betreiben eines Turbinensystems (2) beinhaltet das Verdichten von Gasen (8) mit einem ersten Verdichter (6); Mischen der verdichteten Gase (9) mit Brennstoff (12) zum Erzeugen eines ersten Gemisches und Verbrennen des ersten Gemisches; Antreiben einer ersten Turbine (16) mit Verbrennungsgasen (14) aus der Verbrennung des ersten Gemisches; Mischen von Abgasen (18) aus der ersten Turbine (16) mit Brennstoff (22) zum Erzeugen eines zweiten Gemisches und zum Verbrennen des zweiten Gemisches; Antreiben einer zweiten Turbine (26) mit Verbrennungsgasen (24) aus der Verbrennung des zweiten ...

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Turbinensystem mit einer Gasturbine mit einem Zwischenüberhitzungs-Verbrennungssystem und einem Abgasrückführungs-(AGR)-System für die Reduzierung von thermischem NOx.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Mit der Zunahme von Bedenken hinsichtlich des Umgebungseinflusses von industriellen Emissionen haben auch die Einschränkungen bezüglich zulässiger Emissionen zugenommen. Große Gasturbinensysteme sind aufgrund der erheblichen Mengen des benötigten Brennstoffs zum Erfüllen des elektrischen Bedarfs ein spezielles Problem. Es wurden bereits mehrere Verbrennungsverfahren entwickelt, um Emissionen zu reduzieren, die sich aus den hohen Turbinenbrenntemperaturen ergeben, welche derzeit in den meisten kommerziellen Systemen eingesetzt werden. Einige von diesen Verbrennungsverfahren beinhalten eine Vorgemischsverbrennung, Stufenverbrennung, zerstäubten Flüssigbrennstoff, Einspritzung verschiedener Verdünnungsmittel, katalytische Verbrennung, Abgasrückführung (AGR) und Zwischenüberhitzung.
  • In einem typischen Turbinensystem befindet sich die Zwischenüberhitzungsbrennkammer stromabwärts von der primären Brennkammer und liefert typischerweise eine größeren Wirkungsgrad und niedrigere Emissionen. Eine AGR wird oft eingesetzt, um Abgase in einen Abschnitt der Turbine, wie z. B. den Einlass oder die Brennkammer wieder einzuführen, um Emissionsgewinne durch Absenken der Temperatur in Hochtemperaturgastaschen zu verbessern und um auch die Sauerstoffkonzentration zu reduzieren.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • In einer Ausführungsform weist ein Turbinensystem auf: einen ersten Verdichter, der zum Verdichten von Gasen konfiguriert ist; eine erste Brennkammer, die zum Mischen der verdichteten Gase mit Brennstoff und zum Verbrennen des Gemisches konfiguriert ist; eine erste Turbine, die für einen Antrieb durch die Verbrennungsgase der ersten Brennkammer konfiguriert ist; eine zweite Brennkammer, die zum Mischen von Abgasen aus der ersten Turbine mit Brennstoff und zum Verbrennen des Gemisches konfiguriert ist; eine zweite Turbine, die für einen Antrieb durch die Verbrennungsgase aus der zweiten Brennkammer konfiguriert ist; und einen Generator, der für einen Antrieb durch das Turbinensystem konfiguriert ist. Ein erster Anteil der Abgase aus der zweiten Turbine wird zur Vermischung in die erste Brennkammer zurückgeführt.
  • In einer weiteren Ausführungsform weist ein Verfahren zum Betreiben eines Turbinensystems die Schritte auf: Verdichten von Gasen mit einem ersten Verdichter; Mischen der verdichteten Gase mit Brennstoff zum Erzeugen eines ersten Gemisches und zum Verbrennen des ersten Gemisches; Antreiben der ersten Turbine mit Verbrennungsgasen aus der Verbrennung des ersten Gemisches; Mischen von Abgasen aus der ersten Turbine mit Brennstoff zum Erzeugen eines zweiten Gemisches und Verbrennen des zweiten Gemisches; Antreiben einer zweiten Turbine mit Verbrennungsgasen aus der Verbrennung des zweiten Gemisches; und Rückführen eines ersten Anteils der Abgase aus der zweiten Turbine in das erste Gemisch.
  • In einer weiteren Ausführungsform weist ein Turbinensystem auf: mehrere Verdichter, wobei jeder Verdichter zum Verdichten von Gasen konfiguriert ist; mehrere Brennkammern, wobei jede Brennkammer zum Mischen verdichteter Gase mit Brennstoff und zum Verbrennen des Gemisches konfiguriert ist; mehrere Turbinen, wobei jede Turbine für einen Antrieb durch die Verbrennungsgase von wenigstens einer von den mehreren Brennkammern konfiguriert ist; und einen Generator, der für einen Antrieb durch das Turbinensystem konfiguriert ist. Anteile der Abgase von wenigstens einigen Turbinen werden zurückgeführt und in wenigstens einige von den Verdichtern eingeführt.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 stellt schematisch eine Beispielausführungsform eines Zwischenüberhitzungsturbinensystems mit nur einer Welle dar;
  • 2 stellt schematisch eine weitere Beispielausführungsform eines Zwischenüberhitzungsturbinensystems mit nur einer Welle dar;
  • 3 stellt schematisch eine weitere Beispielausführungsform eines Zwischenüberhitzungsturbinensystems mit nur einer Welle dar;
  • 4 stellt schematisch eine Beispielausführungsform eines Zwischenüberhitzungsturbinensystems mit einer Doppelwellenkonfiguration dar;
  • 5 stellt schematisch eine weitere Beispielausführungsform eines Zwischenüberhitzungsturbinensystems mit einer konzentrischen Doppelwellenkonfiguration dar.
  • 6 stellt schematisch eine weitere Beispielausführungsform eines Zwischenüberhitzungsturbinensystems mit einer konzentrischen Wellenanordnung dar.
  • 7 stellt schematisch eine Beispielausführungsform eines Zwischenüberhitzungsturbinensystems mit einer konzentrischen Wellenanordnung dar.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Laut 1 weist ein Turbinensystem 2 gemäß einer Beispielausführungsform einen Generator 4 auf, der funktionell mit einem Verdichter 6 über eine Welle 36 verbunden ist. Der Verdichter 6 kann mit einer konstanten Drehzahl betrieben werden, sodass die Menge der Einlassluft 8 konstant gehalten wird. Die verdichtete Luft wird einer primären Verbrennungskammer oder Brennkammer 10 zugeführt, wo sie mit Brennstoff 12 gemischt wird. Die Herstellung des Brennstoffs 12 kann beispielsweise durch ein Kohlevergasungssystem ausgeführt werden.
  • Die Menge der der primären Brennkammer 10 durch den Verdichter 6 zugeführten Luft überschreitet die für die Verbrennung des Brennstoffs 12 erforderliche Menge. Die Verbrennungsgase 14 aus der primären Brennkammer 10, welche die Überschussluft enthalten, werden einer Hochdruckturbine 16 zugeführt, welche mit dem Verdichter über die Welle 36 verbunden ist. Das Hochdruckturbinenabgas 18 wird einer sekundären oder Zwischenüberhitzungsbrennkammer 20 zugeführt und mit Brennstoff 22 vermischt. Die Verbrennungsgase 24 aus der sekundären Brennkammer 20 werden einer Niederdruckturbine 26 zugeführt, welche mit der Hochdruckturbine 16, dem Verdichter 6 und dem Generator 4 über die Welle 36 verbunden ist. Die Verbindung des Generators 4, des Verdichters 6, der Hochdruckturbine 16 und der Niederdruckturbine 26 ermöglicht einen Betrieb der Komponenten bei der gleichen Drehzahl.
  • Die Niederdruckturbinenabgase 28 werden in Atmosphärenabgase 30 und Rückführungsabgase 32 aufgeteilt. Die Atmosphärenabgase 30 werden an Atmosphäre beispielsweise durch einen (nicht dargestellten) optionalen Wärmetauscher abgegeben.
  • Die Rückführungsabgase 32 werden durch einen Wärmetauscher 34 geführt und die gekühlten, nicht verdichteten Rückführungsabgase 33 werden dann in den Verdichter 6 mit der Einlassluft eingeführt. Die aus den Rückführungsabgasen 32 durch den Wärmetauscher 34 entnommene Wärme kann zum Betreiben einer Dampfturbinenvorrichtung beispielsweise so genutzt werden, dass das System ein Kombinationszyklussystem sein kann.
  • Gemäß 2 werden in einer weiteren Beispielausführungsform eines Turbinensystems 2 die Rückführungsabgase 32 durch den Wärmetauscher 34 geführt und die gekühlten, unverdichteten Rückführungsabgase 33 einem Verdichter zugeführt, welcher durch einen Motor 38 oder eine andere Vorrichtung angetrieben wird. Das verdichtete, gekühlte Rückführungsabgas 42 wird der Leitung von dem Verdichter 6 zu der primären Brennkammer 10 zugeführt. Das verdichtete Rückführungsabgas 42 wird somit mit der verdichteten Einlassluft 8 vermischt und die sich daraus ergebende verdichtete Luft und die Gase 9 werden der primären Brennkammer 10 zugeführt.
  • Wie in 3 dargestellt, werden gemäß einer weiteren Beispielausführungsform eines Turbinensystems 2 teilweise gekühlte, unverdichtete Rückführungsabgase 47 aus dem Wärmetauscher 34 einem durch einen zweiten Motor 44 betriebenen zweiten Verdichter 46 zugeführt. Die verdichteten, teilweise gekühlten Rückführungsabgase 48 werden aus dem Verdichter 46 der Leitung von der Hochdruckturbine 16 zu der sekundären Brennkammer 20 zur Vermischung mit dem Hochdruckturbinenabgas 18 zugeführt.
  • Ein zweiter Anteil 35 der Niederdruckturbinenabgase 28 kann einem HRSG (Wärmerückgewinnungsdampfgenerator – Heat Recovery Steam Generator) 80 zugeführt werden. Der HRSG 80 erzeugt Dampf zum Betreiben einer Dampfturbine 82 so, dass das System eine Kombinationszykluskonfiguration haben kann. Es sei angemerkt, dass alle von den hierin beschriebenen Ausführungsformen mit einem HRSG und einer Dampfturbine versehen sein können, um eine Kombinationszykluskonfiguration bereitzustellen.
  • Laut 4 weist ein Turbinensystem 2 gemäß einer weiteren Beispielausführungsform zwei Wellen 50, 52 auf. Der Verdichter 6 und die Hochdruckturbine 16 sind über eine erste Welle 50 verbunden und die Niederdruckturbine 26 und der Generator 4 sind über eine zweite Welle 52 verbunden. Die erste Welle 50 stellt sicher, dass sich der Verdichter 6 und die Hochdruckturbine 16 mit derselben Drehzahl drehen und die zweite Welle 52 stellt sicher, dass sich die Niederdruckturbine 26 und der Generator 4 mit derselben Geschwindigkeit drehen.
  • Gemäß 5 ist der Wärmetauscher 34 dafür vorgesehen, das Niederdruckturbinenabgas 28 direkt aufzunehmen. Nach dem Passieren des Wärmetauschers 34 werden die Niederdruckturbinenabgase 28 in gekühltes Atmosphärenabgas 31, welches an Atmosphäre ausgegeben wird, und das gekühlte, unverdichtete Rückführungsabgas 33 aufgeteilt, das mit Einlassluft 8 kombiniert wird, welche in den Niederdruckverdichter 54 eingeführt wird. Der Niederdruckverdichter 54 ist mit einem Hochdruckverdichter 56 verbunden, welcher die verdichtete Luft und die Ga se der primären Brennkammer 10 zur Vermischung mit Brennstoff 12 zuführt.
  • Der Niederdruckverdichter 54, die Niederdruckturbine 26 und der Generator 4 werden von einer gemeinsamen Welle 58 gelagert. Eine zweite Welle 60 verbindet den Hochdruckverdichter 56 und die Hochdruckturbine 16, um sicherzustellen, dass sich der Hochdruckverdichter 56 und die Hochdruckturbine 16 mit derselben Drehzahl drehen.
  • Wie es in 6 dargestellt ist, wird gemäß einer weiteren Beispielausführungsform des Turbinensystems 2 das Niederdruckturbinenabgas 28 in Atmosphärenabgas 30, welches an Atmosphäre beispielsweise durch einen (nicht dargestellten) optionalen Wärmetauscher ausgegeben wird, und einen ersten Anteil unterteilt, der unverdichtetes, ungekühltes Rückführungsabgas 62 aufweist, welches durch den Wärmetauscher 34 geführt wird. Das Niederdruckturbinenabgas 28 wird ferner in das Rückführungsabgas 32, welches durch einen Rückführungsabgasverdichter 68 verdichtet wird, aufgeteilt. Das verdichtete ungekühlte Rückführungsabgas 43 wird ebenfalls durch den Wärmetauscher 34 geführt und das verdichtete, gekühlte Rückführungsabgas 42 wird der Leitung von dem Verdichter 6 zu der primären Brennkammer 10 zur Zusetzung zu der verdichteten Einlassluft 9 zugeführt. Das gekühlte, unverdichtete Rückführungsabgas 62, welches den Wärmetauscher 34 verlässt, und die kombinierte Luft und die Gase werden anschließend dem Verdichter 6 zugeführt.
  • Der Verdichter 6, die Hochdruckturbine 16 und der Rückführungsabgasverdichter 68 sind über eine erste Welle 64 verbunden. Die Niederdruckturbine 26 und der Generator 4 sind über eine zweite Welle 66 verbunden, die sicherstellt, dass sich die Niederdruckturbine 26 und der Generator 4 mit derselben Drehzahl drehen.
  • Gemäß 7 ist eine Mitteldruckturbine 70 zwischen der Hochdruckturbine 16 und der Niederdruckturbine 26 vorgesehen. Das verdichtete, gekühlte Rückführungsabgas 42 wird der Leitung von dem Verdichter 6 zu der primären Brennkammer 10 zur Zusetzung zu der verdichteten Einlassluft 9 zugeführt. Der zweite Anteil des nicht verdichteten, ungekühlten Rückführungsabgases 62 wird durch den Wärmetauscher 34 geführt und der zweite Anteil des gekühlten, unverdichteten Rückführungsabgases 63 wird der in den Verdichter 6 eingeführten Einlassluft 8 zugesetzt. Das verdichtete, teilweise gekühlte Rückführungsabgas 48 wird aus dem Wärmetauscher der Leitung zwischen der Mitteldruckturbine 70 und der sekundären Brennkammer 20 zur Zusetzung zu dem Mitteldruckturbinenabgas 72 zugeführt.
  • Der Verdichter 6 und die Hochdruckturbine 16 sind über eine erste Welle 74 verbunden, um sicherzustellen, dass die primäre Verdichtung durch die Hochdruckturbine 16 angetrieben wird. Die Mitteldruckturbine 70 und der Rückführungsabgasverdichter 68 werden von einer zweiten Welle 76 gelagert. Die Niederdruckturbine 26 und der Generator 4 sind über eine dritte Welle 78 verbunden, die sicherstellt, dass sich die zwei Komponenten mit derselben Drehzahl drehen.
  • Obwohl die Erfindung in Verbindung mit dem beschrieben wurde, was derzeit als die praktikabelste und bevorzugteste Ausführungsform betrachtet wird, dürfte es sich verstehen, dass die Erfindung nicht auf die offengelegte Ausführungsform beschränkt ist, sondern dass sie im Gegenteil verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen mit abdecken soll, die in dem Erfindungsgedanken und Schutzumfang der beigefügten Ansprüche enthalten sind.
  • Ein Turbinensystem 2 enthält einen ersten Verdichter 6, der zum Verdichten von Gasen 8 konfiguriert ist; eine erste Brennkammer 10, die zum Mischen der verdichteten Gase 9 mit Brennstoff 12 zum Verbrennen des Gemisches konfiguriert ist; eine erste Turbine 16, die für einen Antrieb durch Verbrennungsgase 14 der ersten Brennkammer 10 konfiguriert ist; eine zweite Brennkammer 20, die zum Mischen von Abgasen 18 aus der ersten Turbine 16 mit Brennstoff 22 und zum Verbrennen des Gemisches konfiguriert ist; eine zweite Turbine 26, die für einen Antrieb durch Verbrennungsgase 24 aus der zweiten Brennkammer 20 konfiguriert ist; und einen Generator 4, der für einen Antrieb durch das Turbinensystem 2 konfiguriert ist. Ein erster Anteil 32 der Abgase 28 aus der zweiten Turbine 26 wird zur Mischung in der ersten Brennkammer 10 zurückgeführt. Ein Verfahren zum Betreiben eines Turbinensystems 2 beinhaltet das Verdichten von Gasen 8 mit einem ersten Verdichter 6; Mischen der verdichteten Gase 9 mit Brennstoff 12 zum Erzeugen eines ersten Gemisches und Verbrennen des ersten Gemisches; Antreiben einer ersten Turbine 16 mit Verbrennungsgasen 14 aus der Verbrennung des ersten Gemisches; Mischen von Abgasen 18 aus der ersten Turbine 16 mit Brennstoff 22 zum Erzeugen eines zweiten Gemisches und zum Verbrennen des zweiten Gemisches; Antreiben einer zweiten Turbine 26 mit Verbrennungsgasen 24 aus der Verbrennung des zweiten Gemisches; und Rückführen eines ersten Anteils 32 der Abgase 28 aus der zweiten Turbine 26 in das erste Gemisch.

Claims (10)

  1. Turbinensystem (2), aufweisend: einen ersten Verdichter (6), der zum Verdichten von Gasen (8) konfiguriert ist; eine erste Brennkammer (10), die zum Mischen der verdichteten Gase (9) mit Brennstoff (12) und zum Verbrennen des Gemisches konfiguriert ist; eine erste Turbine (16), die für einen Antrieb durch Verbrennungsgase (14) der ersten Brennkammer (10) konfiguriert ist; eine zweite Brennkammer (20), die zum Mischen von Abgasen (18) aus der ersten Turbine (16) mit Brennstoff (22) und zum Verbrennen des Gemisches konfiguriert ist; eine zweite Turbine (26), die für einen Antrieb durch Verbrennungsgase (24) aus der zweiten Brennkammer (20) konfiguriert ist; und einen Generator (4), der für einen Antrieb durch das Turbinensystem (2) konfiguriert ist, wobei ein erster Anteil (32) der Abgase (28) aus der zweiten Turbine (26) zur Mischung in der ersten Brennkammer (10) zurückgeführt wird.
  2. Turbinensystem nach Anspruch 1, wobei der erste Anteil (32) der Abgase (28) aus der zweiten Turbine (26) zur Einführung in den ersten Verdichter (6) zurückgeführt wird.
  3. Turbinensystem nach Anspruch 1, ferner aufweisend: einen zweiten Verdichter (40), der zum Verdichten des ersten Anteils (32) der Abgase (28) aus der zweiten Turbine (26) konfiguriert ist, wobei der verdichtete erste Anteil (42) der Abgase (28) aus der zweiten Turbine (26) mit verdichteter Luft (8) aus dem ersten Verdichter (6) vor der ersten Brennkammer (10) gemischt wird.
  4. Turbinensystem nach Anspruch 3, wobei der zweite Verdichter (40) dafür konfiguriert ist, den ersten Anteil (32) der Abgase (28) aus der zweiten Turbine (26) zu verdichten, bevor oder nachdem der erste Anteil (32) der Abgase (28) aus der zweiten Turbine (26) durch einen Wärmetauscher (34) gekühlt wird.
  5. Turbinensystem nach Anspruch 3 oder 4, ferner aufweisend: einen dritten Verdichter (46), der zum Verdichten eines zweiten Anteils (47) der Abgase (28) aus der zweiten Turbine (26), die teilweise durch einen Wärmetauscher (34) gekühlt worden sind, konfiguriert ist, wobei der verdichtete zweite Anteil (48) der Abgase (28) aus der zweiten Turbine (26) mit den Abgasen (18) aus der ersten Turbine (16) vor der zweiten Brennkammer (20) gemischt wird.
  6. Turbinensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner aufweisend: einen Dampfgenerator (80), der zur Erzeugung von Dampf konfiguriert ist; und eine Dampfturbine (82), die zum Antrieb durch den durch den Dampfgenerator erzeugten Dampf konfiguriert ist, wobei ein zweiter Anteil (35) der Abgase (28) aus der zweiten Turbine (26) dem Dampfgenerator (80) zum Erzeugen des Dampfes zugeführt wird.
  7. Verfahren zum Betreiben eines Turbinensystems (2) mit den Schritten: Verdichten von Gasen (8) mit einem ersten Verdichter (6); Mischen der verdichteten Gase (9) mit Brennstoff (12) zum Erzeugen eines ersten Gemisches und Verbrennen des ersten Gemisches; Antreiben einer ersten Turbine (16) mit Verbrennungsgasen (14) aus der Verbrennung des ersten Gemisches; Mischen von Abgasen (18) aus der ersten Turbine (16) mit Brennstoff (22) zum Erzeugen eines zweiten Gemisches und zum Verbrennen des zweiten Gemisches; Antreiben einer zweiten Turbine (26) mit Verbrennungsgasen (24) aus der Verbrennung des zweiten Gemisches; und Rückführen eines ersten Anteils (32) der Abgase (28) aus der zweiten Turbine (26) in das erste Gemisch.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, ferner mit den Schritten: Kühlen des ersten Anteils (32) der Abgase (28) aus der zweiten Turbine (26); Einführen des gekühlten ersten Anteils (33) der Abgase in den ersten Verdichter (6); und Kombinieren des gekühlten ersten Anteils (33) der Abgase mit Einlassluft (8).
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, ferner mit dem Schritt: Verdichten des ersten Anteils (32) der Abgase (28) aus der zweiten Turbine (26) vor oder nach dem Kühlen des ersten Anteils (32) der Abgase (28) aus der zweiten Turbine (26).
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, ferner mit den Schritten: Führen eines zweiten Anteils (35) der Abgase (28) aus der zweiten Turbine (26) zu einem Dampfgenerator (80) zum Erzeugen von Dampf; und Betreiben einer Dampfturbine (82) mit dem Dampf aus dem Dampfgenerator (80).
DE102009025914A 2008-06-04 2009-06-03 Turbinensystem mit Abgasrückführung und Zwischenüberhitzung Withdrawn DE102009025914A1 (de)

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US12/133,065 2008-06-04
US12/133,065 US20090301054A1 (en) 2008-06-04 2008-06-04 Turbine system having exhaust gas recirculation and reheat

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