DE112006002028B4 - Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine sowie Gasturbine zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine (11), welche insbesondere in einem Kombikraftwerk (30) 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, undwobei ein Teil der verdichteten Luft zur Kühlung der von den heißen Gasen belasteten Teile der Gasturbine (11) verwendet wird, wobei die Erzeugung des Syngases so durchgeführt wird, dass das erzeugte Syngas direkt der ersten Brennkammer (18) zugeführt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass- eine Gasturbine (11) mit Zwischenüberhitzung verwendet wird, welche einen Niederdruckverdichter (13), einen Hochdruckverdichter (14), zwei Brennkammern (18, 19) und zwei Turbinen (16, 17) umfasst, dass der Niederdruckverdichter (13), der Hochdruckverdichter (14) und die Turbinen (16, 17) auf einer gemeinsamen Welle (15) angeordnet sind,wobei in der ersten Brennkammer (18) Syngas unter Einsatz der verdichteten Luft bei Drücken im Bereich von 40-65 bar 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- dem bei der Kohlevergasung entstehenden Gas CO2entzogen wird, und dass die Entziehung des CO2bei Drücken > 40 bar vorgenommen wird.

Description

  • 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 5 577 378 A oder „State-of-the-art gas turbines - a brief update‟, ABB Review 02/1997, 15, Turbinentyp GT26), die einen flexiblen Betrieb mit sehr niedrigen Abgasemissionswerten kombiniert.
  • Aus der DE 100 02 084 A1 ist eine Gas- und Dampfturbinenanlage bekannt, bei der in einer vorgelagerten Vergasungseinrichtung Kohleerdgas oder Öl, ein Synthesegas aus einem fossilen Brennstoff erzeugt wird, das der Gasturbine zugeführt wird.
  • Die US 4 896 499 A beschreibt eine Gasturbinenanlage mit insgesamt drei Wellen und zwei Brennkammern.
  • Aus der DE 198 32 294 C1 ist ein gattungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine bekannt.
  • Die DE 41 18 962 A1 beschreibt eine kombinierte Gas/Dampf-Kraftwerksanlage, welche im Wesentlichen aus einer fossil befeuerten Gasturbogruppe und einem Dampfkreislauf mit einem dazwischengeschalteten Abhitzekessel besteht.
  • Die im Verdampfer gebildete Dampfmenge wird in eine Turbine des Dampfkreislaufes eingeleitet, wodurch eine Wirkungsgradverbesserung resultiert. Stromab der ersten Turbine ist eine zweite Brennkammer vorgesehen, in welcher die Abgase aus der ersten Turbine zu Heißgasen für die zweite Turbine aufbereitet werden. Die Abgase aus dieser zweiten Turbine durchströmen den Abhitzekessel, in welchem eine maximierte Dampfleistung bereitgestellt wird, woraus eine weitere Wirkungsgradverbesserung resultiert.
  • 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 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 Zwischenüberhitzungsbrennkammer 19, 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 Lufteinlass 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 = Heat 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 4 785 622 A oder US 6 513 317 B2 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 =Iintegrated 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 5 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 die Erzeugung des Syngases so durchgeführt wird, dass das erzeugte Syngas direkt der ersten Brennkammer zugeführt werden kann. Dem bei der Kohlevergasung entstehenden Gas wird CO2 entzogen, und die Entziehung des CO2 wird bei Drücken > 40 bar vorgenommen.
  • Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnen sich dadurch aus, dass die Luftzerlegung bei Drücken > 40 bar vorgenommen wird, oder die Vergasung der Kohle bei Drücken > 40 bar vorgenommen wird, oder dass bei der Kohlevergasung entstehende Gas einer Reinigung unterzogen wird, und die Reinigung des Gases bei Drücken > 40 bar vorgenommen wird.
  • Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gasturbine sind dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage zur Erzeugung von Syngas eine Luftzerlegungsanlage umfasst, und die Luftzerlegungsanlage bei Drücken > 40 bar arbeitet, oder dass die Anlage zur Erzeugung von Syngas eine Kohlevergasungsanlage umfasst, und die Kohlevergasungsanlage bei Drücken > 40 bar arbeitet, oder dass die Anlage zur Erzeugung von Syngas eine Reinigungsanlage umfasst, und die Reinigungsanlage bei Drücken > 40 bar arbeitet.
  • Figurenliste
  • Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
    • 1 das vereinfachte Schema eines Kombikraftwerks mit einer Gasturbine mit Zwischenüberhitzung bzw. sequentieller Verbrennung nach dem Stand der Technik; und
    • 2 das vereinfachte Schema einer IGCC-Anlage mit einer Gasturbine mit Zwischenüberhitzung bzw. sequentieller Verbrennung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
  • Bei einer Gasturbine mit Zwischenüberhitzung, wie sie vom Typ GT26 repräsentiert wird und in 1 wiedergegeben ist, wird am Verdichter 13, 14 Luft bei mittleren Drücken (11-20 bar) und bei hohen Drücken (> 30 bar) entnommen.
  • Die erste Brennkammer 18 benötigt Syngas mit einem Druck, der dem Enddruck des Verdichters 13, 14 plus einem Druckverlust in den Leitungen und in der Brennkammer entspricht. Bei einer herkömmlichen IGCC-Anlage mit einer Gasturbine mit nur einer Brennkammer beträgt der Druck in der Kohlevergasungsanlage etwa 30 bar. Würde in einer solchen Anlage anstelle der Gasturbine mit nur einer Brennkammer eine Gasturbine mit Zwischenüberhitzung eingesetzt werden, müsste das Syngas aus der Kohlevergasungsanlage mittels eines oder mehrerer Verdichter vom Enddruck der Kohlevergasungsanlage (ca. 30 bar) auf das Druckniveau der ersten Brennkammer von > 45 bar verdichtet werden.
  • Würde man andererseits den Druck in der Kohlevergasungsanlage für eine Gasturbine ohne Zwischenüberhitzung auf beispielsweise 60 bar erhöhen, müsste eine Expansionsmaschine eingesetzt werden, um das Syngas auf das Druckniveau der Brennkammer zu entspannen.
  • Die Idee der vorliegenden Erfindung besteht darin, in einer IGCC-Anlage mit einer Gasturbine mit Zwischenüberhitzung den Kohlevergasungszweig der Anlage, der üblicherweise eine Luftzerlegungsanlage, eine Kohlevergasungsanlage, eine Gasreinigungsanlage und einen CO2-Abscheider umfasst, auf einem Druckniveau zu betreiben, das dem Druckniveau der ersten Brennkammer der Gasturbine angepasst ist und im Bereich zwischen 40 und 65 bar und damit deutlich über dem Druckniveau bei einer Gasturbine ohne Zwischenüberhitzung liegt. Auf diese Weise wird der Einsatz eines zusätzlichen Verdichters für die Verdichtung des Syngases vermieden.
  • In der 2 ist in einem stark vereinfachten Schema eine IGCC-Anlage mit einer Gasturbine mit Zwischenüberhitzung bzw. sequentieller Verbrennung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. 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 CO2-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 Verdichter 13, 14. 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 austretende Abgas wird über eine Abgasleitung 28 nach außen abgegeben.
  • In einer solchen Anlagenkonfiguration wird nun der Anlagenzweig für die Erzeugung des Syngases, der die Luftzerlegungsanlage 32, die Kohlevergasungsanlage 34, die Reinigungsanlage 36 und den CO2-Abscheider 37 umfasst, so ausgelegt und betrieben, dass das entstehende Syngas direkt der ersten Brennkammer 18 zugeführt werden kann. Hierzu kann entweder die Luftzerlegungsanlage 32 oder die Kohlevergasungsanlage 34 oder die Reinigungsanlage 36 oder der CO2-Abscheider 37 bei Drücken > 40 bar arbeiten. Um die durch diesen Anlagenzweig strömenden Gase auf das dazu erforderliche Druckniveau zu bringen, kann an einer geeigneten Stelle ein zusätzlicher Verdichter 39 vorgesehen werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 10,30
    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

Claims (8)

  1. Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine (11), welche insbesondere in einem Kombikraftwerk (30) 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, wobei die Erzeugung des Syngases so durchgeführt wird, dass das erzeugte Syngas direkt der ersten Brennkammer (18) zugeführt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass - eine Gasturbine (11) mit Zwischenüberhitzung verwendet wird, welche einen Niederdruckverdichter (13), einen Hochdruckverdichter (14), zwei Brennkammern (18, 19) und zwei Turbinen (16, 17) umfasst, dass der Niederdruckverdichter (13), der Hochdruckverdichter (14) und die Turbinen (16, 17) auf einer gemeinsamen Welle (15) angeordnet sind, wobei in der ersten Brennkammer (18) Syngas unter Einsatz der verdichteten Luft bei Drücken im Bereich von 40-65 bar 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 - dem bei der Kohlevergasung entstehenden Gas CO2 entzogen wird, und dass die Entziehung des CO2 bei Drücken > 40 bar vorgenommen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzerlegung bei Drücken > 40 bar vorgenommen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergasung der Kohle bei Drücken > 40 bar vorgenommen wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das bei der Kohlevergasung entstehende Gas einer Reinigung unterzogen wird, und dass die Reinigung des Gases bei Drücken > 40 bar vorgenommen wird.
  5. 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 bei Drücken im Bereich von 40-65 bar 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 der Niederdruckverdichter (13), der Hochdruckverdichter (14) und die Turbinen (16, 17) auf einer gemeinsamen Welle (15) angeordnet sind, dass eine Anlage (32,..,39) zur Erzeugung von Syngas aus Kohle mittels Kohlevergasung vorgesehen ist, welche ausgangsseitig mit den Brennkammern (18, 19) in Verbindung steht und die Brennkammern (18, 19) mit dem Syngas als Brennstoff versorgt, und dass der Ausgang der Anlage (32,..,39) zur Erzeugung von Syngas mit der ersten Brennkammer (18) direkt verbunden ist, dass die Anlage (32,..,39) zur Erzeugung von Syngas einen CO2-Abscheider (37) umfasst, und dass der CO2-Abscheider (37) bei Drücken > 40 bar arbeitet..
  6. Gasturbine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage (32, .., 39) zur Erzeugung von Syngas eine Luftzerlegungsanlage (32) umfasst, und dass die Luftzerlegungsanlage (32) bei Drücken > 40 bar arbeitet.
  7. Gasturbine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage (32,..,39) zur Erzeugung von Syngas eine Kohlevergasungsanlage (34) umfasst, und dass die Kohlevergasungsanlage (34) bei Drücken > 40 bar arbeitet.
  8. Gasturbine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage (32,..,39) zur Erzeugung von Syngas eine Reinigungsanlage (36) umfasst, und dass die Reinigungsanlage (36) bei Drücken > 40 bar arbeitet.
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