DE112009001834T5

DE112009001834T5 - System und Verfahren zum Betreiben eines Energieerzeugungssystems mit einem alternativen Arbeitsfluid

Info

Publication number: DE112009001834T5
Application number: DE112009001834T
Authority: DE
Inventors: John Frederick Ackermann; Matthew Timothy Franer; Brian Francis Towler; Morris Dee Argyle; David Allen Bell; Randy Lee Lewis
Original assignee: General Electric Co; University of Wyoming
Current assignee: General Electric Co; University of Wyoming
Priority date: 2008-07-30
Filing date: 2009-07-08
Publication date: 2011-09-29
Also published as: JP2011530035A; JP5658665B2; US20100024381A1; GB2474389B; CA2732273C; GB2474389A; CA2732273A1; WO2010039318A1; GB201100837D0; US8806849B2

Abstract

Es werden ein Verfahren zum Betreiben eines Turbinenmaschinensystems und ein Turbinenmaschinensystem bereitgestellt. Das Verfahren weist Schritte der Zuführung eines Sauerstoffstroms zu einer Brennkammer, die in mehreren seriell miteinander in dem Turbinenmaschinensystem gekoppelten Turbinen definiert ist, der Zuführung eines Stroms von Kohlenwasserstoffbrennstoff zu den Brennkammern von jeder der mehreren Turbinen in dem Turbinenmaschinensystem und der Zuführung eines Arbeitsfluids zu einem Einlass einer ersten mit dem Turbinenmaschinensystem gekoppelten Turbinenmaschine auf, wobei das Arbeitsfluid im Wesentlichen stickstofffrei ist, und wobei jede von den in dem Turbinenmaschinensystem gekoppelten Turbinen mit dem sich ergebenden Brennstoff-Sauerstoff-Arbeitsfluid-Gemisch betrieben werden kann.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Beschreibung betrifft allgemein Gasturbinenmaschinen und insbesondere Energieerzeugungssysteme, die mit einem alternativen Arbeitsfluid arbeiten.
Gasturbinenmaschinen erzeugen mechanische Energie unter Nutzung eines den Maschinen zugeführten Arbeitsfluids. Insbesondere ist das Arbeitsfluid in bekannten Gasturbinenmaschinen Luft, die verdichtet und zusammen mit Brennstoff und Sauerstoff einem Brenner zugeführt wird, wo das Brennstoff/Luft-Gemisch gezündet wird. Während das Brennstoff/Luft-Gemisch brennt, wird seine Energie in das Arbeitsfluid als Wärme abgegeben. Der Temperaturanstieg bewirkt einen entsprechenden Anstieg in dem Druck des Arbeitsfluids und anschließend an die Verbrennung expandiert das Arbeitsfluid, während es aus dem Brenner stromabwärts zu wenigstens einer Turbine hin ausgegeben wird. Während das Arbeitsfluid jede Turbine durchströmt, wird die Turbine gedreht und wandelt die Wärmeenergie in mechanische Energie in der Form von Schub oder Wellenenergie um.
Luftverschmutzungsprobleme haben weltweit zu strengeren Emissionsgesetzen sowohl im Inland als auch im internationalen Bereich geführt. Verschmutzungsemissionen aus wenigstens einigen Gasturbinen unterliegen Vorschriften der Environmental Protection Agency (EPA), die die Emission von Stickstoffoxiden (NO_x), unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) und Kohlenmonoxid (CO) regeln. Im Allgemeinen fallen Maschinenemissionen in zwei Klassen: diejenigen, welche aufgrund hoher Flammentemperaturen erzeugt werden (NO_x) und diejenigen, die aufgrund niedriger Flammentemperaturen erzeugt werden, welche ein Fortschreiten der Brennstoff/Luft-Reaktion nicht bis zum Abschluss zulassen (HC & CO).
Luft wurde bisher als Arbeitsfluid verwendet, da sie ohne Weiteres zur Verfügung steht, kostenlos ist und vorhersagbare Verdichtungs-, Wärmekapazitäts- und Reaktivitäts(Sauerstoffgehalt)-Eigenschaften besitzt. Jedoch kann aufgrund des hohen Prozentsatzes von Stickstoff in der Luft während des Verbrennungsprozesses Stickstoffoxid (NO_x) erzeugt werden. Zusätzlich kann sich in dem Brennstoff enthaltener Kohlenstoff mit in der Luft enthaltenem Sauerstoff unter Erzeugung von Kohlenmonoxid (CO) und/oder Kohlendioxid (CO₂) verbinden.
Um eine Verringerung von NO_x-Emissionen zu ermöglichen, arbeiten wenigstens einige bekannte Gasturbinenmaschinen mit verringerten Verbrennungstemperaturen und/oder einer selektiven katalytischen Reduktionseinrichtung (SCR). Jedoch verringert ein Betrieb bei verringerten Verbrennungstemperaturen den Gesamtwirkungsgrad der Gasturbinenmaschine. Ferner können alle Vorteile, die durch die Verwendung einer bekannten SCR-Einrichtung erzielt werden, durch die Kosten der Einrichtung und/oder die Entsorgungskosten von NO_x aufgehoben werden. Ebenso leiten, um eine Verringerung von CO und/oder CO₂-Emissionen zu ermöglichen, wenigstens einige bekannte Gasturbinen Turbinenabgas durch eine Gasabscheideeinheit, um CO₂ von N₂, der Hauptkomponente, zu trennen, wenn Luft als Arbeitsfluid verwendet wird, und durch wenigstens einen Sequestrationsverdichter. Jedoch können auch die durch die Verwendung einer derartigen Einrichtung erzielten Vorteile durch die Kosten der Einrichtung aufgehoben werden.
Kurzbeschreibung der Erfindung
In einem Aspekt wird ein Verfahren zum Betreiben eines Turbinenmaschinensystems bereitgestellt. Das Verfahren weist Schritte der Zuführung eines Sauerstoffstroms zu jeder Brennkammer, die in mehreren seriell miteinander in dem Turbinenmaschinensystem gekoppelten Turbinen definiert ist, der Zuführung eines Stroms von Kohlenwasserstoffbrennstoff zu den Brennkammern von jeder der mehreren Turbinen in dem Turbinenmaschinensystem und der Zuführung eines Arbeitsfluids zu einem Einlass einer ersten mit dem Turbinenmaschinensystem gekoppelten Turbinenmaschine auf, wobei das Arbeitsfluid im Wesentlichen stickstofffrei ist, und wobei jede von den in dem Turbinenmaschinensystem gekoppelten Turbinen mit dem sich ergebenden Brennstoff-Sauerstoff-Arbeitsfluid-Gemisch betrieben werden kann.
In einem weiteren Aspekt wird ein Gasturbinenmaschinensystem bereitgestellt. Das Gasturbinenmaschinensystem enthält mehrere Gasturbinenmaschinen und ein Abgasaufbereitungssystem. Jede Gasturbinenmaschine enthält wenigstens eine Brennkammer und wenigstens eine Turbine stromabwärts von der Brennkammer. Jede Brennkammer ist in Strömungsverbindung mit einer Quelle von Kohlenwasserstoffbrennstoff und einer Quelle von Sauerstoff gekoppelt. Jede von den Gasturbinenmaschinen kann mit einem Arbeitsfluid betrieben werden, das im Wesentlichen stickstofffrei ist. Das Abgasaufbereitungssystem ist zwischen einen Ausgabeauslass einer Letzten von den in dem System gekoppelten Gasturbinenmaschinen und einen Einlass einer Ersten von den in dem System gekoppelten Gasturbinenmaschinen gekoppelt.
In einem weiteren Aspekt wird ein Energieerzeugungssystem bereitgestellt. Das Energieerzeugungssystem enthält eine erste Turbinenmaschine mit einem Einlass und einem Ausgabeauslass und eine zweite Turbinenmaschine mit einem Einlass und einem Ausgabeauslass. Der Einlass der zweiten Turbinenmaschine ist mit dem Ausgabeauslass der ersten Maschine zur Aufnahme der daraus ausgegebenen Abgase zur Nutzung als ein Arbeitsfluid in der zweiten Turbinenmaschine gekoppelt. Jede von den ersten und zweiten Turbinen enthält wenigstens eine Brennkammer und wenigstens eine Turbine stromabwärts von der wenigstens einen Brennkammer. Jede von den Brennkammern ist in Strömungsverbindung mit einer Quelle von Kohlenwasserstoffbrennstoff und einer Quelle von Sauerstoff gekoppelt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Darstellung einer exemplarischen Gasturbinenmaschine.
2 ist eine schematische Darstellung eines exemplarischen Turbinenmaschinensystems, das die in 1 dargestellte Gasturbinenmaschine enthalten kann.
3 ist eine schematische Darstellung eines exemplarischen Energieerzeugungssystems, das mit dem in 2 dargestellten Turbinenmaschinensystem verwendet werden kann.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 ist eine schematische Darstellung einer exemplarischen Gasturbinenmaschine 10. In der exemplarischen Ausführungsform enthält die Maschine 10 einen Niederdruckverdichter 14, einen Hochdruckverdichter 18 stromabwärts von dem Niederdruckverdichter 14, eine Brenneranordnung 22 stromabwärts von dem Hochdruckverdichter 18, eine Hochdruckturbine 26 stromabwärts von der Brenneranordnung 22 und eine Niederdruckturbine 30 stromabwärts von der Hochdruckturbine 26. Ferner sind in der exemplarischen Ausführungsform die Verdichter 14 und 18, die Brenneranordnung 22 und die Turbinen 26 und 30 miteinander in einer seriellen Strömungsverbindung gekoppelt.
In der exemplarischen Ausführungsform drehen sich die drehbaren Komponenten der Gasturbinenmaschine 10 um eine als 34 dargestellte Längsachse. Eine typische Konfiguration für Maschinen dieses Typs ist eine doppelkonzentrische Wellenführungsanordnung, wobei die Niederdruckturbine 30 antreibend mit dem Niederdruckverdichter 14 über eine erste Welle 38 gekoppelt ist, und die Hochdruckturbine 26 antreibend mit dem Hochdruckverdichter 18 über eine zweite Welle 42 gekoppelt ist, die sich innerhalb und konzentrisch ausgerichtet zu der Welle 38 befindet. In der exemplarischen Ausführungsform ist die Niederdruckturbine 30 direkt mit dem Niederdruckverdichter 14 und einer Last 46 gekoppelt. Beispielsweise ist in einer Ausführungsform die Maschine 10 von General Electric Company of Evendale Ohio unter der Bezeichnung LM 6000 hergestellt. Obwohl die vorliegende Erfindung unter Nutzung der Gasturbinenmaschine 10 beschrieben wird, dürfte es sich verstehen, dass sie auch bei Schiffs- und Industriegasturbinenmaschinen mit anderen Konfigurationen genutzt werden kann, wie z. B. bei einer, die eine getrennte Energieerzeugungsturbine stromabwärts von der Niederdruckturbine 30 enthält, die mit einer Last verbunden ist (z. B. bei einer von General Electric Company hergestellten LM 1600), oder bei einer Einverdichter-Turbinenanordnung (wie z. B. der von General Electric Company hergestellten LM 2500) sowie bei Raumfahrtgasturbinenmaschinen und/oder Schwerlastturbinenmaschinen, die entsprechend modifiziert worden sind.
Während des Betriebs tritt Luft durch einen Einlass ein und wird dem Hochdruckverdichter 14 und dann dem Niederdruckverdichter 18 zugeführt. Die verdichtete Luft wird dem Brenner 22 zugeführt, wobei die Luft wenigstens mit Brennstoff vermischt und entzündet wird. Der aus dem Brenner 18 ausgegebene Luftstrom treibt die Hochdruckturbine 26 und die Niederdruckturbine 30 an, bevor er die Gasturbinenmaschine 10 verlässt.
2 ist eine schematische Darstellung eines exemplarischen Turbinenmaschinensystems 100, das mit der (in 1 dargestellten) Gasturbinenmaschine 10 verwendet werden kann. Alternativ kann das System 100 mit einer landgestützten und/oder Luftfahrtturbine, Einfach- oder Zweifachbrennstoff-Turbine und/oder jede Turbine verwendet werden, die modifiziert wurde, um zu ermöglichen, dass das System 100 wie hierin beschrieben funktioniert. Ferner kann das System 100 als eine Einfachzyklusmaschine verwendet werden oder kann in einem Kombinationszyklussystem einschließlich eines Kombinationszyklussystems mit integrierter Vergasung (IGCC) verwendet werden.
In der exemplarischen Ausführungsform enthält das System eine Turbinenmaschine 110, einen Wärmetauscher oder eine Luftabscheidereinheit (ASU) 112 und ein Sequestrations-Subsystem 114. Insbesondere enthält die Turbinenmaschine 110 in der exemplarischen Ausführungsform eine Brennkammer 120, die stromaufwärts vor wenigstens einer Turbine 122 eingekoppelt ist. In weiteren Ausführungsformen kann die Maschine 110 weitere Komponenten, wie z. B., jedoch nicht darauf beschränkt, eine (nicht dargestellte) Bläseranordnung und/oder wenigstens einen Verdichter, wie z. B. einen (in 1 dargestellten) Verdichter 14, enthalten. Ferner kann das System 100 in weiteren Ausführungsformen irgendeine andere Abgasaufbereitungseinrichtung als einen Wärmetauscher oder eine ASU enthalten, der es dem System 100 ermöglicht, so wie hierin beschrieben zu funktionieren.
Die Maschine ist in Strömungsverbindung mit einer Quelle von Kohlenwasserstoffbrennstoff 130 und einer Quelle von Sauerstoff 132 verbunden. In der exemplarischen Ausführungsform kann der von der Brennstoffquelle 130 zugeführte Brennstoff aus Erdgas, Synthesegas und/oder Destillaten bestehen, ist jedoch nicht darauf beschränkt. In einer Ausführungsform wird der Maschine 110 Sauerstoff von einem Druckzyklus und/oder einem anderen O₂-Abscheider zugeführt. In einer weiteren Ausführungsform ist die Sauerstoffquelle 132 ein Sauerstoffdruckbehälter. Ferner ist in einer weiteren Ausführungsform die Sauerstoffquelle 132 mit einer (nicht dargestellten) Druckquelle, wie z. B. einem Verdichter, verbunden, um sicherzustellen, dass die Sauerstoffzufuhr der Maschine 110 mit einem vorbestimmten Betriebsdruck erfolgt.
Ein Wärmetauscher oder eine Luftabscheidereinheit (ASU) 112 sind stromabwärts von und in Strömungsverbindung mit der Turbine 110 so gekoppelt, dass von der Turbine 110 ausgegebene Abgase 108 durch den Wärmetauscher 112 geleitet werden. In der exemplarischen Ausführungsform ermöglicht der Wärmetauscher 112 den Entzug von Wärme und Wasserdampf aus den dadurch hindurchgeführten Abgasen 108. Insbesondere ist in der exemplarischen Ausführungsform der Wärmetauscher 112 in Strömungsverbindung mit einer Quelle von Kühlfluid wie z. B., jedoch nicht darauf beschränkt, Luft oder Wasser gekoppelt.
Der Wärmetauscher 112 ist auch stromabwärts von und in Strömungsverbindung mit der Turbine 110 so gekoppelt, dass der Wärmetauscher 112 während des Turbinenbetriebs Arbeitsfluid an die Turbine 110 liefert. Insbesondere gibt, wie es nachstehend detaillierter beschrieben wird, der Wärmetauscher 112 in der exemplarischen Ausführungsform einen Strom von CO₂ und Dampf, d. h., einen Arbeitsfluidstrom 150 aus dem Turbinenabgas 108 an die Turbinenmaschine 110 zur Verwendung in der Brennkammer 120 aus.
Ein Sequestrations-Subsystem 114 ist in Strömungsverbindung mit und/oder stromabwärts von dem Wärmetauscher 112 gekoppelt. Somit wird während des Turbinenbetriebs, wie es nachstehend detaillierter beschrieben wird, ein Anteil von CO₂ und Dampf, d. h., ein Sequestrationsstrom 152 aus dem Turbinenabgas 108 in den Wärmetauscher 112 durch das Sequestrations-Subsystem 114 geleitet. In der exemplarischen Ausführungsform entfernt der Wärmetauscher 112 effektiv den Dampf als kondensiertes Wasser aus dem Turbinenabgas 108 und aus dem Sequestrationsstrom 152. Ferner enthält das Subsystem 114 in der exemplarischen Ausführungsform eine Speicherkammer 140 und einen Verdichter 142, der den aus dem Wärmetauscher 112 übertragenen Fluidstrom unter Druck setzt, um ihn in der Kammer 140 zu speichern. In einer alternativen Ausführungsform ist der Verdichter 142 in Strömungsverbindung mit einem (nicht dargestellten) zweiten Turbinensystem gekoppelt, das den Sequestrationsstrom 152 als ein Arbeitsfluid verwendet. Ferner enthält in einer weiteren alternativen Ausführungsform das Subsystem 114 keinen Verdichter 142, sondern enthält stattdessen irgendeine andere bekannte Komponente, die den durch die Kammer 140 geführten Fluidstrom, wie hierin beschrieben, unter Druck setzt. In einer Ausführungsform ist die Speicherkammer 140 eine unterirdische Sequestrations-Kammer. In einer weiteren Ausführungsform ist die Kammer 140 eine unterirdische geologische Formation und/oder ein leerer Erdgasdom.
Während des Betriebs wird die Turbinenmaschine 110 unter Verwendung eines Arbeitsfluids 150 betrieben, das im Wesentlichen stickstofffrei ist. Beispielsweise ist in der exemplarischen Ausführungsform das Arbeitsfluid 150 zwischen angenähert 99 bis 100 Prozent frei von Stickstoff. Insbesondere ist, und wie es detaillierter in der exemplarischen Ausführungsform beschrieben wird, der Arbeitsfluidstrom 150 im Wesentlichen Kohlenstoffdioxid CO₂. Beispielsweise ist in der exemplarischen Ausführungsform das Arbeitsfluid 150 zwischen angenähert 98 und 100 Prozent CO₂.
Um den Startvorgang der Turbinenmaschine 110 zu ermöglichen, ist in einer Ausführungsform die Turbinenmaschine 110 auch mit einer Quelle von unter Druck stehenden CO₂ gekoppelt. Während des Betriebs wird in der exemplarischen Ausführungsform CO₂ an einen (nicht dargestellten) Einlass der Brennkammer 120 geführt. In weiteren Ausführungsformen kann CO₂ einem (nicht dargestellten) Einlass der Turbinenmaschine 110 zugeführt werden und kann in die Turbinenmaschine 110 stromaufwärts von der Brennkammer 120 eintreten, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, stromaufwärts von einer (nicht dargestellten) Bläserbaugruppe. Ferner wird die Maschine 110 mit einem Strom aus Kohlenwasserstoffbrennstoff aus der Brennstoffquelle 130 und Sauerstoff aus der Sauerstoffquelle 132 versorgt. In der exemplarischen Ausführungsform sind die Brennstoffquelle 130 und Sauerstoffquelle 132 jeweils mit der Brennkammer 120 verbunden und liefern entsprechende Ströme von Brennstoff und Sauerstoff direkt an die Brennkammer 120. Der Brennstoff und Sauerstoff werden mit dem CO2-Strom 120 gemischt und das sich ergebende Gemisch wird in der Brennkammer 120 gezündet. Die erzeugten resultierenden Verbrennungsgase werden stromabwärts geführt und bewirken die Drehung der Turbine 122. Die Drehung der Turbine 122 liefert Energie an die Last 46. Von der Turbinenmaschine 110 ausgegebene Abgase 108 werden einem Wärmetauscher 112 zugeführt.
Durch der Wärmetauscher 112 strömendes Kühlfluid ermöglicht eine Verringerung der Betriebstemperatur von Gasen 108 so, dass in den Abgasen 108 enthaltener Wasserdampf kondensiert wird und dass in den Gasen 108 enthaltenes CO₂ im Wesentlichen von dem Wasserdampf abgetrennt wird. Abhängig von Lastanforderungen an die Turbinenmaschine 110 wird das von den Abgasen 108 abgetrennte Kohlenstoffdioxid CO₂ entweder an die Maschine 110 über einen Arbeitsfluidstrom 150 zurückgeführt oder zur Sequestration in der Speicherkammer 140 über einen Sequestrationsstrom 152 geleitet.
Da die Turbinenmaschine 110 einen Arbeitsfluidstrom 150 verwendet, und da der Strom 150 im Wesentlichen während des Maschinenbetriebs im Wesentlichen stickstofffrei ist, wird im Wesentlichen nur wenig oder kein NO_x erzeugt. Somit kann die Brennkammer 120 bei höherer Temperatur als die bekannten Brennkammern betrieben werden, die mit Luft als Arbeitsfluid arbeiten, während gleichzeitig die NO_x-Emissionen innerhalb vorbestimmter Grenzwerte gehalten werden. Die höheren Betriebstemperaturen ermöglichen einen Betrieb der Brennkammer 120 näher an oder an ihrem thermodynamischen Optimum. Ferner ermöglicht die Nutzung von stickstofffreiem Arbeitsfluid 150 eine preiswertere Produktion von Energie aus dem Turbinenmaschinensystem 100 im Vergleich zu bekannten Turbinenmaschinensystemen, welche eine teurere/weniger zuverlässige Stickstoff/Kohlendioxid-Sequestrationseinrichtung nutzen.
Zusätzlich kann, da der Strom 150 im Wesentlichen stickstofffrei ist oder im Wesentlichen nur Kohlendioxid enthält, die Turbinenmaschine 110 während des Turbinenmaschinenbetriebs mit einer höheren Wärmekapazität betrieben werden. In einigen Ausführungsformen ermöglicht die höhere Wärmekapazität den Betrieb des Turbinenmaschinensystems 100 mit höheren Verdichterausgangsdrücken bei äquivalenten Temperaturen (d. h., mehr Verdichterstufen bei gleicher Temperatur) im Vergleich zu herkömmlichen Turbinenmaschinensystemen. Somit ist der Gesamtwirkungsgrad des Turbinenmaschinensystems 100 im Vergleich zu anderen bekannten Turbinenmaschinensystemen höher. Ferner sind durch die Verwendung des Arbeitsfluids 150 Verbrennungsraten in dem Turbinenmaschinensystem 100 leichter über die Steuerung der der Turbine 110 zugeführten Sauerstoffmenge im Vergleich zu der der Turbine 110 zugeführten Kohlendioxidmenge steuerbar, d. h., über ein O₂/CO₂-Verhältnis im Vergleich zu bekannten Turbinenmaschinensystemen. Somit wird eine gleichmäßigere Wärmefreisetzung und/oder Erzielung einer verbesserten Nacherwärmungsverbrennung ermöglicht.
3 ist eine schematische Darstellung eines exemplarischen Energieerzeugungssystems 300, das mit dem Turbinenmaschinensystem 100 zum Erzeugen von Energie verwendet werden kann. In der exemplarischen Ausführungsform enthält das Energieerzeugungssystem 300 mehrere Turbinenmaschinen 110, die jeweils in dem Maschinensystem 100 betrieben werden können, wie es nachstehend detaillierter beschrieben wird. Insbesondere sind, wie es in 3 dargestellt ist, Turbinen 300 jeweils in einer Serienströmungsanordnung 302 gekoppelt. Im Wesentlichen und wie es nachstehend detaillierter beschrieben wird, wird das von jeder in serieller Strömungsanordnung gekoppelten Turbine 110 ausgegebene Abgas in eine nachfolgende Turbine 110 ausgegeben, die sich stromabwärts von dieser Turbine 110 befindet, und das von der in der Serienströmungsanordnung 302 gekoppelten letzten Turbine 110 ausgegebene Abgas wird an ein gemeinsames Sequestrations-Subsystem 314 ausgegeben.
In der exemplarischen Ausführungsform enthält das System 300 Turbinenmaschinen 110, eine Wärmetauscher- oder eine Luftabscheidereinheit (ASU) 312 und ein Sequestrations-Subsystem 314. Insbesondere enthält in der exemplarischen Ausführungsform jede Turbinenmaschine 110 eine (in 3 nicht dargestellte) Brennkammer, die stromaufwärts von wenigstens einer (in 3 nicht dargestellten) Turbine eingefügt ist. In weiteren Ausführungsformen enthält jede Maschine 110 weitere Komponenten, wie z. B., jedoch nicht darauf beschränkt, eine (nicht dargestellte) Bläseranordnung und/oder wenigstens einen Verdichter, wie z. B. einen (in 1 dargestellten) Verdichter 14. Ferner kann das System 300 in weiteren Ausführungsformen irgendeine andere Abgasaufbereitungseinrichtung als ein Wärmetauscher oder eine ASU enthalten, die es dem System 300 ermöglicht, so wie hierin beschrieben zu funktionieren.
In der exemplarischen Ausführungsform sind die Maschinen 110 im Wesentlichen untereinander identisch. Beispielsweise kann jede Turbinenmaschine 110 eine von General Electric Company of Evendale Ohio hergestellte Maschine LM 6000 sein. Obwohl drei Maschinen 110 in 3 dargestellt sind, kann das System 300 mehr oder weniger als drei Maschinen 110 enthalten. In jeder Ausführungsform enthält das System 300 wenigstens eine erste Maschine 320 und eine letzte Maschine 322 auf der Basis ihrer Kopplungsanordnung in der Seriendurchflussanordnung 302. Zusätzlich, und wie in 3 dargestellt, kann das System 300 auch wenigstens eine Turbine 324 enthalten, die in Seriendurchflussverbindung zwischen die erste Maschine 320 und die letzte Maschine 322 gekoppelt ist. Alternativ kann jede in dem System 300 gekoppelte Maschine 110 beispielsweise in Abhängigkeit von Lastanforderungen unterschiedlich sein.
Eine Wärmetauscher- oder Luftabscheidereinheit (ASU) 312 ist stromabwärts von und in Strömungsverbindung mit den Turbinen 110 so gekoppelt, dass von den Turbinen 110 ausgegebene Abgase 108 durch den Wärmetauscher 312 geführt werden. Insbesondere ist der Wärmetauscher 312 in der exemplarischen Ausführungsform im Wesentlichen dem (in 2 dargestellten) Wärmetauscher 110 ähnlich und ist in serieller Strömungsverbindung mit der Turbine 322 so gekoppelt, dass das von der Turbine 322 ausgegebene gesamte Abgas durch den Wärmetauscher 312 geführt wird.
In der exemplarischen Ausführungsform funktioniert der Wärmetauscher 312 ähnlich wie der Wärmetauscher 112 und ermöglicht den Entzug von Wärme und Wasserdampf aus den dadurch geführten Abgasen 108. Der Wärmetauscher 312 ist auch stromabwärts von und in Strömungsverbindung mit der ersten Turbine 320 so gekoppelt, dass der Wärmetauscher 312 Arbeitsfluid an die Turbine 320 während des Maschinenbetriebs liefert. Insbesondere gibt, wie es nachstehend detaillierter beschrieben wird, der Wärmetauscher 312 in der exemplarischen Ausführungsform einen Strom von CO₂, d. h., einen Arbeitsfluidstrom 150 aus dem Turbinenabgas 108 an die Turbinenmaschine 320 aus.
Das Sequestrations-Subsystem 114 ist in Strömungsverbindung mit und stromabwärts von dem Wärmetauscher 312 gekoppelt. Somit wird während des Turbinenbetriebs, wie es nachstehend detaillierter beschrieben wird, ein Anteil von CO₂, d. h., ein Sequestrationsstrom 152 aus dem Inneren des Wärmetauschers 312 durch das Sequestrations-Subsystem 114 geführt. In der exemplarischen Ausführungsform enthält das Subsystem 114 eine Speicherkammer 140 und einen Verdichter 142, der den aus dem Wärmetauscher 312 übertragenen Fluidstrom zur Speicherung in der Kammer 140 unter Druck setzt. Ferner enthält in einer alternativen Ausführungsform das Subsystem 114 keinen Verdichter 142, sondern enthält stattdessen irgendeine andere bekannte Komponente, die den durch die Kammer 140 geleiteten Fluidstrom unter Druck setzt, wie es hierin beschrieben wird. In einer Ausführungsform ist die Speicherkammer 140 eine unterirdische Sequestrations-Kammer.
Während des Betriebs wird jede Turbinenmaschine 110 unter Verwendung eines Arbeitsfluids 150 betrieben, das im Wesentlichen stickstofffrei ist. Beispielsweise ist in der exemplarischen Ausführungsform das Arbeitsfluid 150 zwischen angenähert 99% und 100% frei von Stickstoff. Insbesondere, und wie es nachstehend detaillierter beschrieben wird, ist in der exemplarischen Ausführungsform der Arbeitsfluidstrom 150 im Wesentlichen Kohlendioxid CO₂. Beispielsweise ist in der exemplarischen Ausführungsform das Arbeitsfluid 150 zwischen angenähert 98% und 100% CO₂.
Um einen Startbetrieb des Systems 300 zu ermöglichen, ist in einer Ausführungsform die Anordnung 302 auch mit einer Quelle von unter Druck stehendem CO₂ verbunden. Während des Betriebs wird jede Turbine 110 direkt mit einem Strom von Kohlenwasserstoffbrennstoff aus einer Brennstoffquelle und Sauerstoff aus einer Sauerstoffquelle versorgt. In der exemplarischen Ausführungsform liefern die Brennstoffquelle und die Sauerstoffquelle jeweils entsprechende Ströme von Brennstoff und Sauerstoff direkt an eine (in 3 nicht dargestellte) Brennkammer, die in jeder entsprechenden Turbinenmaschine 110 definiert ist. Der Brennstoff und Sauerstoff werden mit dem CO₂-Strom 150 vermischt und das sich ergebende Gemisch wird in jeder entsprechenden Turbinenmaschine 110 gezündet. Die erzeugten resultierenden Verbrennungsgase 108 werden stromabwärts zu einer unmittelbar stromabwärts befindlichen Turbinenmaschine, d. h., von der Turbinenmaschine 320 in einen Einlass einer Turbinenmaschine 324, und von der Turbinenmaschine 324 in einen Einlass der Turbinenmaschine 322 geleitet. Von der Turbinenmaschine 312 ausgegebene Abgase 108 werden durch einen Wärmetauscher 312 geführt.
Zusätzlich kann, da der Strom 150 im Wesentlichen stickstofffrei ist, und im Wesentlichen nur Kohlenstoffdioxid während des Maschinenbetriebs enthält, jede Turbine 110 mit einer höheren Wärmekapazität betrieben werden. In einigen Ausführungsformen ermöglicht die höhere Wärmekapazität den Betrieb des Turbinenmaschinensystems 300 mit höheren Verdichterausgangsdrücken bei äquivalenten Temperaturen (d. h., mehr Verdichterstufen bei gleicher Temperatur) im Vergleich zu herkömmlichen Turbinenmaschinensystemen. Somit ist der Gesamtwirkungsgrad des Turbinenmaschinensystems 300 im Vergleich zu anderen bekannten Turbinenmaschinensystemen höher. Ferner sind durch die Verwendung des Arbeitsfluids 150 Verbrennungsraten in dem Turbinenmaschinensystem 300 leichter über die Steuerung der jeder Turbine 110 in dem System 300 zugeführten Sauerstoffmenge im Vergleich zu der jeder Turbine 110 in dem System 300 zugeführten Kohlendioxidmenge im Vergleich zu bekannten Turbinenmaschinensystemen steuerbar. Somit wird eine gleichmäßigere Wärmefreisetzung und/oder Erzielung einer verbesserten Nacherwärmungsverbrennung ermöglicht.
Der Wärmetauscher 312 ermöglicht eine Verringerung der Betriebstemperatur des Stroms 150. Die verringerte Betriebstemperatur ermöglicht eine Dichteerhöhung des Stroms 150, was die Ausgabe eines Stroms 356 aus dem Wärmetauscher 312 an die Speicherkammer 140 bei einem höheren Druck ermöglicht, als es normalerweise mit Strömen 150 mit einer höheren Betriebstemperatur möglich wäre. Der erhöhte Druck ermöglicht die Verdichtung des Stroms 150 in dem Verdichter 142 und in der Speicherkammer 140. Zusätzlich wird in der exemplarischen Ausführungsform abhängig von den Lastanforderungen ein Anteil 360 des in jede Turbine 110 eintretenden Arbeitsfluids 150 aus jeder Turbine, d. h., 320, 322 und 324, zur Sequestration abgezweigt. Insbesondere ist der exemplarischen Ausführungsform der Anteil 360 des von jeder Turbinenmaschine 320, 322 und 324 abgezweigten CO2-Stroms 150 angenähert gleich dem Volumen-(oder Massen-)-Anteil des während der Verbrennung in jeder der entsprechenden Turbine 320, 322 und 324 erzeugten CO₂. In der exemplarischen Ausführungsform hat der CO₂-Arbeitsfluidstrom 150 mit der höheren Wärmekapazität einen ausreichenden Druck, um die Führung des von jeder Turbine 110 abgezweigten Anteils 360 direkt in die Speicherkammer 140 zu ermöglichen.
Ferner ermöglicht während des Turbinenbetriebs in der exemplarischen Ausführungsform ein durch den Wärmetauscher 112 strömendes Kühlfluid eine Verringerung der Betriebstemperatur des Abgases 108 dergestalt, dass in den Abgasen enthaltenes Wasser kondensiert und in den Abgasen enthaltenes Kohlendioxid CO₂ im Wesentlichen von dem Wasserdampf getrennt wird. In der exemplarischen Ausführungsform wird der gesamte erzeugte restliche CO₂-Strom an die Maschine 110 über den Arbeitsfluidstrom 150 zurückgeführt.
Das vorstehend beschriebene Verfahren und System zum Betreiben eines Turbinenmaschinensystems mit einem im Wesentlichen stickstofffreien Arbeitsfluid ermöglicht die Erzeugung von Energie aus einem Turbinenmaschinensystem in einer kosteneffizienten und zuverlässigen Weise. Ferner ermöglichen das vorstehend beschriebene Verfahren und System die Verringerung der Erzeugung von Stickstoffoxid und Kohlendioxid im Vergleich zu bekannten Turbinenmaschinensystemen. Demzufolge wird ein Turbinenmaschinensystem bereitgestellt, das die Erzeugung von sauberer und relativ preiswerter Energie ermöglicht, während gleichzeitig die Erzeugung von NO_x, CO und CO₂ verringert wird.
Exemplarische Ausführungsformen eines Verfahrens und Systems zum Betreiben einer Turbinenmaschine mit einem im Wesentlichen stickstofffreien Arbeitsfluid sind vorstehend im Detail beschrieben. Das Verfahren und die Systeme sind nicht auf die hierin beschriebenen spezifischen Ausführungsformen beschränkt, sondern Schritte des Verfahrens und/oder Komponenten des Systems können unabhängig und getrennt von anderen Schritten und/oder hierin beschriebenen Komponenten verwendet werden. Ferner können die beschriebenen Verfahrensschritte und/oder Systemkomponenten auch in weiteren Verfahren und/oder Systemen definiert oder in Kombination damit verwendet werden und sind nicht darauf beschränkt, nur mit dem hierin beschriebenen Verfahren und System in die Praxis umgesetzt zu werden.
Wenn Elemente der vorliegenden Erfindung oder bevorzugter Ausführungsformen davon eingeführt werden, sollen die Artikel ”einer, eines, eine”, ”der, die, das” und ”besagter, besagte, besagtes” die Bedeutung haben, dass eines oder mehrere von den Elementen vorhanden sein können. Die Begriffe ”aufweisend”, ”enthaltend” und ”habend” sollen einschließend sein und die Bedeutung haben, dass zusätzliche weitere Elemente außer den aufgelisteten Elementen vorhanden sein können.
Da zahlreiche Änderungen an den vorstehenden Aufbauten und Verfahren vorgenommen werden könnten, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, soll der gesamte in der vorstehenden Beschreibung und in den beigefügten Zeichnungen dargestellte Erfindungsgegenstand nur im veranschaulichenden Sinne und nicht in einem einschränkenden Sinne interpretiert werden.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Turbinenmaschinensystems, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Zuführen eines Sauerstoffstroms zu jeder Brennkammer, die in mehreren in Reihe miteinander in dem Turbinenmaschinensystem gekoppelten Turbinen definiert ist; Zuführen eines Kohlenwasserstoffbrennstoffstroms zu den Brennkammern von jeder von den mehreren Turbinen in dem Turbinenmaschinensystem; und Zuführen eines Arbeitsfluids zu einem Einlass einer in dem Turbinenmaschinensystem gekoppelten ersten Turbinenmaschine, wobei das Arbeitsfluid im Wesentlichen stickstofffrei ist, und wobei jede von den in dem Turbinenmaschinensystem gekoppelten Turbinen mit dem sich ergebenden Brennstoff-Sauerstoff-Arbeitsfluid-Gemisch betrieben werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit dem Schritt: Führen des Abgases aus der ersten Turbinenmaschine, zur Verwendung als ein Arbeitsfluid in dem Turbinenmaschinensystem, zu einem Einlass einer zweiten Turbinenmaschine, die in Strömungsverbindung mit der ersten Turbinenmaschine gekoppelt ist.
Verfahren nach Anspruch 2, ferner mit dem Schritt: Führen des Abgases von einer Letzten von den in dem Turbinenmaschinensystem miteinander gekoppelten Turbinenmaschinen zu einem Abgasaufbereitungssystem, das zwischen einen Ausgabeauslass der letzten Gasturbinenmaschine und den Einlass der Ersten von den in dem Turbinenmaschinensystem miteinander gekoppelten Turbinenmaschinen gekoppelt ist.
Verfahren nach Anspruch 3, ferner mit dem Schritt: Führen eines Anteils des Abgases aus dem Abgasaufbereitungssystem zu einem Sequestrations-Speichersystem.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Führung des Abgases aus der letzten Turbinenmaschine zu einem Abgasaufbereitungssystem ferner den Schritt der Führung des Abgases aus der letzten Turbinenmaschine zu wenigstens einem von einem Wärmetauscher und einer Luftabscheidereinheit aufweist.
Gasturbinenmaschinensystem, aufweisend: mehrere Gasturbinenmaschinen, die miteinander in serieller Strömungsverbindung gekoppelt sind, wobei jede von den Gasturbinenmaschinen wenigstens eine Brennkammer und wenigstens eine Turbine stromabwärts von der Brennkammer aufweist, jede Brennkammer in Strömungsverbindung mit einer Quelle für Kohlenwasserstoffbrennstoff und einer Quelle für Sauerstoff gekoppelt ist, und jede Gasturbinenmaschine mit einem Arbeitsfluid betrieben werden kann, das im Wesentlichen stickstofffrei ist; und ein Abgasaufbereitungssystem, das zwischen einen Ausgabeauslass einer Letzten von den in dem System miteinander gekoppelten Gasturbinen und einen Einlass einer Ersten von den in dem System miteinander verbundenen Gasturbinen gekoppelt ist.
Gasturbinenmaschinensystem nach Anspruch 6, das ferner eine Sequestrations-Kammer aufweist, die stromabwärts von dem Abgasaufbereitungssystem zum Speichern wenigstens eines Anteils des von dem Gasturbinenmaschinensystem ausgegebenen Abgases gekoppelt ist.
Gasturbinenmaschinensystem nach Anspruch 7, wobei die Sequestrations-Kammer eine unterirdische Speicherkammer aufweist.
Gasturbinenmaschinensystem nach Anspruch 7, wobei das Abgasaufbereitungssystem wenigsten eines von einem Wärmetauscher und einer Luftabscheidereinheit aufweist, die in Strömungsverbindung zwischen die letzte Gasturbinenmaschine und die Sequestrations-Kammer und zwischen den Einlass der ersten Gasturbine und den Ausgabeauslass der letzten Gasturbinenmaschine gekoppelt sind.
Gasturbinenmaschinensystem nach Anspruch 9, wobei das Abgasaufbereitungssystem den Entzug von wenigstens einem von Wärme und Wasserdampf aus dem von dem Gasturbinenmaschinensystem ausgegebenen Abgas ermöglicht.
Gasturbinenmaschinensystem nach Anspruch 9, wobei jede von den mehreren Gasturbinenmaschinen mit einem Strom von Kohlendioxid, der aus dem Abgasaufbereitungssystem zur Verwendung als ein Arbeitsfluid geliefert wird, betrieben werden kann.
Gasturbinenmaschinensystem nach Anspruch 6, wobei das Abgasaufbereitungssystem eine Verbesserung des Betriebswirkungsgrades von jeder von den mehreren Gasturbinenmaschinen ermöglicht.
Gasturbinenmaschinensystem nach Anspruch 6, wobei das Abgasaufbereitungssystem eine Verringerung der von dem Gasturbinenmaschinensystem erzeugten Stickstoffoxidemissionen ermöglicht.
Energieerzeugungssystem, aufweisend: eine erste Turbinenmaschine mit einem Einlass und einem Ausgabeauslass; und und eine zweite Turbinenmaschine mit einem Einlass und einem Ausgabeauslass, wobei der Einlass der zweiten Turbinenmaschine mit dem Ausgabeauslass der ersten Maschine zur Aufnahme der daraus ausgegebenen Abgase zur Nutzung als ein Arbeitsfluid in der zweiten Turbinenmaschine gekoppelt ist, wobei jede von den ersten und zweiten Turbinen wenigstens eine Brennkammer und wenigstens eine Turbine stromabwärts von der wenigstens einen Brennkammer aufweist, und wobei jede von den Brennkammern in Strömungsverbindung mit einer Quelle von Kohlenwasserstoffbrennstoff und einer Quelle von Sauerstoff gekoppelt ist.
Energieerzeugungssystem nach Anspruch 14, wobei jede von den ersten und zweiten Turbinenmaschinen mit einem Arbeitsfluid betrieben werden kann, das im Wesentlichen stickstofffrei ist.
Energieerzeugungssystem nach Anspruch 14, das ferner ein Abgasaufbereitungssystem aufweist, das zwischen den Ausgabeauslass der zweiten Turbinenmaschine und den Einlass der ersten Turbinenmaschine gekoppelt ist, wobei das Abgasaufbereitungssystem das gesamte von der zweiten Turbinenmaschine ausgegebene Abgas aufnimmt.
Energieerzeugungssystem nach Anspruch 16, das ferner eine Sequestrations-Kammer zum Speichern von Kohlendioxid aufweist, wobei die Sequestrations-Kammer mit dem Abgasaufbereitungssystem gekoppelt ist, um einen Anteil des von dem Abgasaufbereitungssystem ausgegebenen Abgases aufzunehmen.
Energieerzeugungssystem nach Anspruch 16, wobei die Sequestrations-Kammer ferner mit jeder von den mehreren Turbinenmaschinen gekoppelt ist, um einen Anteil eines von jeder von den mehreren Turbinenmaschinen abgezweigten Arbeitsfluids aufzunehmen.
Energieerzeugungssystem nach Anspruch 16, wobei die Sequestrations-Kammer ferner eine unterirdische Kammer aufweist.
Energieerzeugungssystem nach Anspruch 16, wobei das Abgasaufbereitungssystem wenigstens eines von einem Wärmetauscher und einer Luftabscheidereinheit aufweist.