DE2437782B2 - Verfahren zum Anfahren einer Gasturbinen-Anlage zur Stromerzeugung aus Brenngas von einem Kohle-Druckvergaser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anfahren einer Gasturbinenanlage zur Stromerzeugung aus Brenngas von einem Kohle-Druckvergaser, das zunächst in einer einen Generator und einen Druckluft an den Kohle-Druckvergaser liefernden Luftendverdichter antreibenden Gasentspannungsturbine entspannt und anschließend eirier Brennkammer aufgegeben wird, deren Rauchgase in einer weiteren Gasturbine entspannt werden, die einen Generator und einen Luftvorverdichter antreibt, wobei der Kohle-Druckvergaser während der Inbetriebnahme mit Druckluft aus einem Anfahrverdichter betrieben und das von ihm erzeugte Brenngas solange abgefackelt wird, bis es zur Inbetriebnahme der Brennkammer und der ihr angeschlossenen Gasturbine in ausreichender Menge erzeugt wird.

Außerdem betrifft die Erfindung eine Anlage zur Durchführung dieses Verfahrens.

Derartige Anlagen arbeiten mit verhältnismäßig großem Wirkungsgrad, weil in einer Gasturbine verhältnismäßig höhere Eintrittstemperaturen als bei Dampfturbinen möglich sind; die Anlagen sind zudem billiger. Die Gasturbine wird in der Regel in einem Kraftwerksblock mit einer Dampfturbine kombiniert. Die Dampfturbine wird mit einem Dampfkessel betrieben, der der Brennkammer nachgeschaltet ist, in der das Gas zum Betrieb der Gasturbine erzeugt wird. Dieses Gas entsteht aus der Verbrennung von Gas oder öl. Das Betriebsgas der Brennkammer wird von einem Druckvergaser geliefert, sofern Kohle als Brennstoff eingesetzt wird. Dieses Gas entsteht dabei in einem Druckvergaser aus der Einsatzkohle, aus Dampf und einer entsprechend verdichteten Verbrennungsluft.

Die bekannten Anlagen dieser Art dienen in der Regel zur Erzeugung von Spitzenstrom. Sie müssen daher häufig und schnell angefahren werden können. Da die für das Anfahren der Kohledruckvergasung benötigte Verbrennungsluft nicht vom Vorverdichter geliefert werden kann, weil die Gasturbine noch nicht in Betrieb ist, wird hierfür Fremdluft erzeugt.

Bei bekannten Anlagen dieser Art benutzt man eine von einem Motor angetriebene Anfahrturbine und einen Luftspeicher. Dieser Luftspeicher ist so ausgelegt, daß er die zum Anfahren des Druckvergasers erforderliche Verbrennungsluft während eines Zeitraumes von ca. 15 Minuten liefern kann. Man geht nun so vor, daß man die Brennkammer mit Zündöl in Retrieb nimmt, so daß die Gasturbine anlaufen und den Vorverdichter antreiben kann. Der Druckvergaser wird mit der Fremdluft aus dem Speicher gestartet. Das dabei entstehende Anfahrgas wird vor der Entspannungsturbine abgeleitet und abgefackelt. Das ist notwendig, weil die Entspannungsturbine beim Anfahren des Druckvergasers nicht hinreichend gekühlt werden kann, aber Schleppverluste wegen der mit der Entspannungsturbine gekuppelten Anlagenteüe — Anwurfmotor mit

Getriebe und Endverdichter — entstehen.

Wenn der Druckvergaser ca. 20% des Betriebsgases erzeugt, werden die Gasventile vor der Brennkammer geöffnet Dadurch beginnt sich die Entspuinungsturbine zu drehen. Erst dann wird der Anwurfmotor der Entspannungsturbine eingeschalte·, der deshalb die Turbine und den Endverdichter zusammen antreiben muß. Erst nachdem die erforderliche Verbrennungsluft von der Anlage selbst erzeugt wird, kann die Fremdluftversorgung abgeschaltet werden. ι ο

Bei diesen Verfahren und Anlagen zeigen sich eine Reihe von schwerwiegenden Nachteilen. Die Brennkammer muß für die Verbrennung von Druckgas und von Leichtöl eingerichtet sein. Das verteuert diesen Aniagenteil nicht unerheblich. Zudem können hieraus is Störungen beim Anfahren der Anlage entstehen. Fällt z. B. der Zündbrenner in der Brennkammer aus, so kann die Gasturbine nicht rechtzeitig in Betrieb genommen werden mit der Folge, daß sich de. Luftspeicher frühzeitig erschöpft Da das Aufladen des Speichers ca. 3 Stunden in Anspruch nimmt fällt die Stromversorgung während dieser Zeit aus. Außerdem ist natürlich der verhältnismäßig hohe Leichtölverbrauch, der beim Anfahren der Anlage entsteht ungünstig.

Da bei den bekannten Anlagen die Entspannungsturbine, der Endverdichter und der Antriebsmotor auf der gleichen Welle sitzen, muß beim Anfahren des Endverdichters durch den Motor die Turbine mitgeschleppt werden, wodurch in der Entspannungsturbine Reibungsverluste (Pumpverluste) und somit hohe Wärmeentwicklung entstehen. Deshalb muß die Entspannungsturbine mit Gas aus dem Druckvergaser gekühlt werden, das jedoch in der ersten Anfahrphase nicht in ausreichender Menge zur Verfügung steht. Daher ist man gezwungen, den Druckvergaser in unangemessen kurzer Zeit auf die Erzeugung von Betriebsgas zu bringen, um die Überhitzung der Entspannungsturbine zu vermeiden.

Dieses schnelle Hochfahren des Druckvergasers ist für seinen Betrieb nachteilig. Einerseits läßt sich die Druckvergaserregelung in diesem Falle schlecht beherrschen. Andererseits verschlechtert sich die Gasqualität, es kommt zu großen Qualitätsschwankungen und auch zum Mitreißen von Staub. Durch plötzlichen örtlichen Temperaturanstieg und nicht zu beherrschende Verteilung des Manteldampfes entstehen zudem häufig Schäden im Druckvergaser.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Anfahrvorgang j:u erleichtern und das Anfahren der Anlage ohne Zündöl ausschließlich mit dem von dem 5« Druckvergaser gelieferten Gas zu bewerkstelligen.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die im Anfahrverdichter komprimierte Luft dem Luftendverdichte." zugeführt wird, daß mit dem Brenngas vor dessen Abfackeln die ^r>5 von dem Luftendverdichter getrennte Gasentspannungsturbine auf ihre Betriebsdrehzahl beschleunigt wird und daß nach Erzeugung von ausreichenden Mengen von Brenngas der Luftendverdichter angekuppelt wird und der Anfahrverdichter nach Inbetriebnah- f>o me der Gasturbine abgeschaltet wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also zunächst der Druckvergaser in Betrieb genommen, wobei die Brennkammer und die Gasturbine abgeschaltet bleiben, bis der Kohle-Druckvergaser Betriebsgas μ mit dem erforderlichen Gasdruck und in der benötigten Menge zur Verfügung stellen kann. Mengenmäßig ist das bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in der Regel dann der Fall, wenn ca. 30% der im Betrieb der Aniage erzeugten Betriebsgasmenge zur Verfügung stehen. Das bis zu diesem Zeitpunkt erzeugte Anfahrgas braucht jedoch nicht mehr unter Umgehung der Gasentspannungsturbine abgefackelt zu werden, weil diese keine Schleppverluste erzeugt Deshalb kann die Gasentspannungsturbine langsam anlaufen, bis sie die Drehzahl des Luftendverdichters erreicht mit dem -ie dann gekuppelt wird.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht zunächst in einer Verbesserung des Wirkungsgrades durch die beschriebene Energieeinsparung und in einer Vereinfachung der Anlagenteile, die zu der Brennkammer gehören. Andere Vorteile ergeben sich aus der Tatsache, daß für das Anfahren des Kohle Druckvergasers nicht nach einer bestimmten Zeit eine ausreichende Menge an Betriebsgas zur Verfügung stehen muß. Man ist vielmehr bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ohne Zeitdruck in der Lage, die richtigen Betriebsverhältnisse, also insbesondere Druck und Menge des Betriebsgases vor der Brennkammer einzustellen, die man zum Start und zum Betrieb der Brennkammer und der Gasturbine ohne Zündöl benötigt.

Das während des Anfahrens des Kohle-Druckvergasers erzeugte Anfahrgas wird sofort über die Gasentspannungsturbine entspannt, bevor es abgefackelt wird. Solange die Drehzahlen der Gasentspannungsturbine geringer als die des Endverdichters sind, braucht sie keine Leistung abzugeben. Sie läuft langsam an und erreicht schließlich die Drehzahl des Luftendverdichters. Wenn das der Fall ist, reicht die Gasproduktion des Kohle-Druckvergasers in der Regel aus, um nun auch die Brennkammer und die Gasturbine in Betrieb nehmen zu können.

Die erfindungsgemäße Anlage zur Durchführung des Verfahrens unterscheidet sich von der vorbekannten Anlage dadurch, daß der Anfahrverdichter an die Leitung zwischen Luftvorverdichter und Luftendverdichter angeschlossen und durch eine in der Leitung angeordnete Rückschlagkappe gegen den Luftvorverdichter gesichert ist und daß die Gasentspannungsturbine über eine Freilaufkupplung an den Luftendverdichter angeschlossen ist, der seinerseits unter Zwischenschaltung eines Getriebes an einen Anwurfmotor anschließbar ist.

Beim Anfahren dieser Anlage wird der Luftendverdichter, der die vom Anfahrverdichter stammende Fremdluft erhält, mit dem Anwurfmotor betrieben, bis die Gasentspannungsturbine die Drehzahl des Luftendverdichters erreicht und über die Freilaufkupplung mit dem Luftendverdichter gekuppelt wird.

Weitere Energieeinsparungen lassen oich erzielen bei einer Anlage mit einem an die Brennkammer angeschlossenen Dampfkessel, in dem Dampf für den Betrieb einer Dampfturbine mit nachgeschaltetem Kondensator erzeugt wird und bei der der Kondensator über eine Kondensatleitung mit einem dem Luftendverdichter vorgeschalteten Kühler verbunden ist. Erfindungsgemäß wird dann der Anschluß des Anfahrverdichters in Strömungsrichtung der vorverdichteten Verbrennungsluft vor den mit Kondensat betriebenen Kühler gelegt. Infolgedessen dient das Kondensat zur Kühlung der verdichteten Luft. Die Kühlung der auf ca. 7 atü vorverdichteten Luft ist günstig für die spätere Endverdichtung. Zur Kühlung der Luft reicht das ohnehin anfallende Kondensat aus, so daß die Zufuhr besonderen Kühlwassers überflüssig wird.

Für den Anfahrvorgang der erfindungsgemäßen Anlage ist hinter der Gasentspannungsturbine eine Abzweig-Leitung zu einer Fackel für aus der Kohledruckvergasung stammendes Gas angeordnet, die über wechselweise schließende bzw. öffnende Schnellschlußventile in der Leitung bzw. Absperrventile in der Abzweig-Leitung mit Gas beaufschlagbar ist. In diese Abzweig-Leitung kann zum Kondensieren des in dem Anfahrgas enthaltenen Wasserdampfes und der darin weiter enthaltenen Kohlenwasserstoffe, sowie zur Verwertung der Wärme des Anfahrgases ein Wärmeaustauscher eingebaut sein. Das Anfahrgas besteht nämlich zu mindestens 30% aus Wasserdampf, so daß sich Schwierigkeiten beim Abfackeln des Anfahrgases in der Atmosphäre ergeben, die darin bestehen, daß die Fackel infolge des zu geringen Heizwertes des Anfahrgases erlischt. Außerdem befinden sich in dem Anfahrgas Kohlenwasserstoffe, die beim Erlöschen der Fackel in Form von Teertröpfchen die Umgebung verschmutzen.

Schließlich läßt sich die erfindungsgemäße Anlage auch durch eine Trennung des Kondensates nach Wasser, Kohlenwasserstoffen in Richtung größerer Wirtschaftlichkeit verbessern. Denn das kondensierte Wasser kann wieder verwendet, beispielsweise als Waschwasser benutzt werden. Die kondensierten Kohlenwasserstoffe können entweder im Gaserzeugungsprozeß oder anderweitig benutzt werden. Die gewonnene Abwärme läßt sich ebenfalls in der Anlage benutzen.

Die Einzelheiten und weiteren Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles der Erfindung anhand der Zeichnung, die in schematischer Darstellung eine Anlage gemäß der Erfindung wiedergibt, welche zur Erzeugung von Spitzenstrom dient.

Die dargestellte Anlage besitzt eine Gasturbine 1, die mit einem aus Motor 2 und Getriebe 3 bestehenden Antrieb hochgefahren werden kann. Mit der Gasturbine ! starr gekuppelt sind ein Luftvorverdichter 4 und ein Generator 5. Der Luftvorverdichter 4 saugt über einen Ansaugstutzen 6 Luft an und verdichtet sie auf ca. 7 atü. Der Luftvorverdichter 4 ist für die Verdichtung von ca. 1 000 000 NmVh ausgelegt.

Der Luftvorverdichter 4 gibt die vorverdichtete Luft in Leitungen 7, 8 ab. Ca. 90% der verdichteten Luft werden einer Brennkammer 9 zugeführt, während die restlichen 10% durch die Leitung 7 über eine in der Leitung 7 angeordnete Rückschlagklappe 10, einen Kühler 11 und einen Endverdichter 12 in einen Kohle-Druckvergaser 13 gelangen. Die im Kühler 11 gekühlte Luft wird im Luftendverdichter 12 auf ca. 20 atü, den Vergasungsdruck, verdichtet.

Dem Kohle-Druckvergaser 13 werden außer der verdichteten Luft auch Kohle und Dampf zugeführt, was im einzelnen nicht dargestellt ist. Das im Kohle-Druckvergaser 13 erzeugte Gas gelangt über einen Gaswäscher 14 in eine Gasentspannungsturbine 15, in der es auf ca. 10 atü entspannt wird. Die in der Gasentspannungsturbine 15 freiwerdende Leistung wird zum Antrieb des Luftendverdichters 12 verwendet. Dazu ist die Gasentspanungsturbine 15 mit dem Luftendverdichter 12 durch eine Freilaufkupplung 23 gekuppelt

Das entspannte Gas gelangt aus der Gasentspannungsturbine 15 fiber eine Leitung 16 in die Brennkammer 9 und wird dort mit der über die Leitung 8 herangeführten Luft verbrannt

An die Brennkammer 9 schließt sich ein Dampfkessel 17 an, dessen Heizrohre 18 von einer nicht dargestellten Kesselspeisepumpe mit Kesselspeisewasser versorgt werden. Der im Dampfkessel 17 erzeugte Dampf dient zum Antrieb einer Dampfturbine 19, die mit einem ^r, Generator 20 gekuppelt ist.

Der in der Dampfturbine 19 entspannte Dampf kondensiert in einem Kondensator 21. Der Kondensator 21 ist über eine Kondensatleitung 22 mit dem Kühler 11 verbunden, so daß das Kondensat zur Kühlung der im

κι Luftvorverdichter 4 verdichteten Luft verwendet wird.

Die in der Brennkammer 9 verbrannten Gase dienen, nachdem sie den Dampfkessel 17 passiert haben, zum Antrieb der Gasturbine 1.

Die Anlage wird in zwei Stufen angefahren. Zunächst

r> wird der Kohle-Druckvergaser 13 angefahren. Die für den Anfahrvorgang des Kohle-Druckvergasers 13 erforderliche Luft wird von einem Anfahrverdichter 24 erzeugt, der von einem Motor 25 angetrieben ist Der Anfahrverdichter 24 kann etwa 40 000 NmVh auf ca.

7 atü verdichten. Diese vorverdichtete Luft gibt er über eine Leitung 26 in die Leitung 7 ab. Die Leitung 26 ist in Strömungsrichtung hinter der Rückschlagklappe 10 an die Leitung 7 angeschlossen, so daß die im Anfahrverdichter 24 verdichtete Luft nicht in den Luftvorverdichter 4 gelangen kann.

Die von dem Anfahrverdichter 24 abgegebene Luft wird anschließend im Luftendverdichter 12, der einen eigenen, aus Anwurfmotor 27 und Getriebe 28 bestehenden Antrieb besitzt, auf den Reaktordruck von

3d ca. 20 atü verdichtet Bei entsprechender Zuführung von Dampf und Kohle setzt nunmehr die Gasproduktion im Kohle-Druckvergaser 13 ein. Das erzeugte Gas wird über den Gaswäscher 14 zur Gasentspannungsturbine 15 geleitet, die entsprechend der jeweiligen Gasproduk-

J5 tion langsam anläuft weil sie von dem Luftendverdichter 12 durch die Freilaufkupplung 23 getrennt ist.

Das aus der Gasentspannungsturbine 15 austretende Gas wird über eine zur Fackel 29 führende Abzweig-Leitung 30 abgeleitet und in der Atmosphäre verbrannt.

Damit dieses Gas nicht in die Brennkammer 9 gelangt, ist in der Leitung 16 zwischen dem Anschluß der Abzweig-Leitung 30 und der Brennkammer 9 ein Schnellschlußventil 31 angeordnet, das während des Anfahrvorganges geschlossen ist. Dieses Schnellschlußventil 31 kann auch bei betrieblichen Störungen dazu verwendet werden, die Anlage stillzusetzen.

Wenn der Kohle-Druckvergaser 13 ca. 30% seiner im Betriebszustand erzeugten Gasmenge liefert wird die Gasturbine 1 mit Hilfe des Motors 2 und des Getriebes 3

so hochgefahren. Anschließend wird das Schnellschlußventil 31 geöffnet und ein in der Abzweig-Leitung 30 angeordnetes Absperrventil 32 geschlossen. Nunmehr strömt das Gas in die Brennkammer 9 und wird dort gezündet Mit den Verbrennungsgasen wird die Gasturbine 1 angetrieben, deren Leistung zum Antrieb des Luftvorverdichters 4 ausreicht Deswegen kann der Anfahrverdichter 24 abgeschaltet werden. Der Auswurfmotor 27 für den Antrieb des Luftendverdichters 12 wird leistungsmäßig entlastet, weil die Gasentspannungsturbine 15 inzwischen eine solche Drehzahl erreicht hat daß die Freilaufkupplung 23 kuppelt Die Leistung der Gasentspannungsturbine 15 zum Antrieb des Luftendverdichters 12 reicht allein nicht aus. Die Leistung für die Erzeugung von Vergasung im Luftendverdichter 12 wird zwischen 40 und 100% gemeinsam vom Anwurfmotor 27 und der Gasentspannungsturbine 15 aufgebracht Der endgültige Betriebszustand der Anlage stellt sich danach in kurzer Zeit ein,

so daß von den Generatoren 5, 20 Leistung an das Netz abgegeben werden kann.

Da nach dem Abschalten der Anlage die Gasproduktion des Kohle-Druckvergasers 13 nicht unmittelbar endet, ist er über eine Leitung 33, in der sich auch ein Absperrventil 34 befindet, mil der Fackel 29 verbunden. Über die Leitung 33 wird das restliche, nach dem Abschalten der Anlage noch entstehende Gas abgefakkelt.

In die Gasleitung 33 zur Fackel 29 ist ein nicht dargestellter Wärmetauscher eingebaut, der den Wasserdampf und die Kohlenwasserstoffe aus dem Anfahrgas kondensiert, so daß der Heizwert des Gases sich entsprechend erhöht und die Fackel stabil bleibt.

Das kondensierte Wasser kann wieder verwendet werden. Der kondensierte Teer wird gesammelt und im Gaserzeugungsprozeß oder anderweitig verwertet. Die im Wärmetauscher gewonnene Abwärme kann ebenfalls in der Anlage oder anderweitig ausgenutzt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Anfahren einer Gasturbinenanlage zur Stromerzeugung aus Brenngas von einem Kohle-Druckvergaser, das zunächst in einer einen Generator und einen Druckluft an den Kohle-Druckvergaser liefernden Luftendverdichter antreibenden Gasentspannungsturbine entspannt und anschließend einer Brennkammer aufgegeben wird, deren Rauchgase in einer weiteren Gasturbine entspannt werden, die einen Generator und einen Luftvorverdichter antreibt, wobei der Kohle-Dmckvergaser während der Inbetriebnahme mit Druckluft aus einem Anfahrverdichter betrieben und das von ihm erzeugte Brenngas solange abgefackelt wird, bis es zur Inbetriebnahme der Brennkammer und der ihr angeschlossenen Gasturbine in ausreichender Menge erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die im Anfahrverdichter (24, 25) komprimierte Luft dem Luftendverdichter (12) zugeführt wird, daß mit dem Brenngas vor dessen Abfackeln die von dem Luftendverdichter (12) getrennte Gasentspannungsturbine (15) auf ihre Betriebsdrehzahl beschleunigt wird und daß nach Erzeugen von ausreichenden Mengen von Brenngas der Lüftend- 2^r> verdichter (12) angekuppelt wird und der Anfahrverdichter (24,25) nach Inbetriebnahme der Gasturbine (1) abgeschaltet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Inbetriebnahme der Brennkammer jo (9) erfolgt, nachdem die Kohledruckvergasung ca. 30% der Betriebsgasmenge liefert.

3. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, bei der während der Anfahrphase eine von einem Motor angetriebene Anfahrturbine für eine vorgegebene Zeitspanne den Kohle-Druckvergaser mit der notwendigen Verbrennungsluft versorgt, bis über die Leitung zwischen dem von der Gasturbine angetriebenen Luftvorverdichter und dem von der Gasentspannungsturbine angetriebenen Luftendverdichter ausreichend Verbrennungsluft herangeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Anfahrverdichter (24, 25) an die Leitung (7) zwischen Luftvorverdichter (4) und Luftendverdichter (12) angeschlossen und durch eine in der Leitung angeordnete Rückschlagkappe (10) gegen den Luftvorverdichter (4) gesichert ist und daß die Gasentspannungsturbine (15) über eine Freilaufkupplung (23) an den Luftendverdichter (12) angeschlossen ist, der seinerseits unter Zwischen- w schaltung eines Getriebes (28) an einen Anwurfmotor (27) anschließbar ist.

4. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschluß des Anfahrverdichters (24,25) in Strömungsrichtung der vorverdichteten Verbren- ^r>^r> nungsluft vor einem mit Kondensat betriebenen Kühler (U) liegt.

5. Anlage nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Leitung (16) von der Gasentspannungsturbine (15) zu der Brennkammer «> (9) eine Abzweig-Leitung (30) zu einer Fackel (29) für aus der Kohledruckvergasung (13) stammendes Gas angeordnet ist, die über wechselweise schließende bzw. öffnende SchneilschluQventile (31) in der Leitung (16) bzw. Absperrventile (32) in der *>■> Abzweig-Leitung (30) mit Gas beaufschlagbar ist.

6. Anlage nach den Ansprüchen 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet. d?.P in Her Abzweig-I.eitung (30) bzw. in die Leitung zur Fackel (29) zum Kondensieren des im Anfahrgas enthaltenden Wasserdampfes und der darin enthaltenen Kohlenwasserstoffe, sowie zur Verwertung der Wärme des Anfahrgases ein Wärmeaustauscher eingebaut ist

7. Anlage nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Trennung des Kondensates nach Wasser und Kohlenwasserstoffen.