DE3142995C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbinenkraftwerksanlage.

In der US-A-37 91 137 und der US-A-39 24 402 sind Gasturbi­ nenkraftwerksanlagen beschrieben, die eine unter Druck ge­ setzte Wirbelbettbrennkammer, eine Verbrennungsgasreini­ gungsanlage zur Entfernung von mitgeführten Festkörperbrenn­ stoffen sowie eine Gasturbinenanordnung mit einem dieser zu­ geordneten Luftkompressor aufweisen. Obwohl in den erwähnten Druckschriften eine Verbrennungsgasreinigungsanlage nicht beschrieben ist, ist bei den bekannten Gasturbinenkraftwerks­ anlagen eine derartige Verbrennungsgasreinigungsanlage er­ forderlich, um mitgeführte Festkörperstoffe aus den Verbren­ nungsgasen zu entfernen, bevor diese an die Gasturbine wei­ tergeleitet werden.

Beim Betrieb dieser bekannten Gasturbinenkraftwerksanlagen ist es nachteilig, daß dann, wenn die Wirbelbettbrennkammer und/oder die Verbrennungsgasreinigungsanlage einer Inspek­ tion, Wartung oder Reparatur unterzogen werden müssen, die Energieerzeugung während einer solchen Stillegung unterbro­ chen wird. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß nach der Stillegung keine Energie während der langen Zeitdauer er­ zeugt werden kann, die erforderlich ist, den Gasdruck und die Gastemperatur im Inneren der Wirbelbettbrennkammer und der Verbrennungsgasreinigungsanlage soweit herabzusetzen, daß das Innere dieser Anlagenteile zugänglich und/oder die Durchführung von Reparaturen ermöglicht wird.

Aus der DE-29 20 069 ist eine weitere Gasturbinenkraftwerks­ anlage bekannt, bei der in einer Wirbelbettbrennkammer er­ zeugte Verbrennungsgase über eine Verbrennungsgasreinigungs­ anlage und eine ein Rückschlagventil enthaltende Verbren­ nungsgasleitung einer Gasturbinenanordnung zugeführt werden können, die eine Last, z. B. einen elektrische Energie erzeu­ genden Generator, und einen Luftkompressor antreibt. Die Aus­ laßseite des Luftkompressors ist dabei über eine Hauptluft­ leitung und eine ein Ventil enthaltende Luftleitung mit der Wirbelbettbrennkammer verbunden, so daß vom Luftkompressor erzeugte Druckluft in die Verbrennungszone der Wirbelbett­ brennkammer eingeleitet werden kann.

Außerdem ist eine Zusatzbrennkammer vorgesehen, der über eine ein Ventil enthaltene Luftleitung, die an die Hauptluft­ leitung angeschlossen ist, vom Luftkompressor Druckluft zu­ führbar ist. Die in der Zusatzverbrennungskammer erzeugten Verbrennungsgase werden über eine Verbrennungsgasleitung, die in Durchströmrichtung hinter dem Rückschlagventil in die Verbrennungsgasleitung zwischen der Verbrennungsgasreini­ gungsanlage und der Gasturbinenanordnung mündet, der Gastur­ binenanordnung zugeführt.

Die Zusatzbrennkammer wird dabei benötigt, um während des Anfahrens der Gasturbinenkraftwerksanlage die Gasturbinen­ anordnung so zu beaufschlagen, daß sie den mit ihr verbun­ denen Luftkompressor zur Erzeugung von Druckluft antreibt.

Aus der DE 24 37 782 A1 ist eine weitere Gasturbinenkraft­ werksanlage bekannt, bei der zur Erzeugung von Brenngas ein Kohledruckreaktor verwendet wird, dessen Auslaßseite über einen Gaswäscher mit einer Entspannungsturbine und weiter mit einer Brennkammer verbunden ist. Da nach dem Abschalten dieser bekannten Kraftwerksanlage die Brenngasproduktion im Kohledruckreaktor nicht unmittelbar endet, ist hinter dem Gaswäscher eine Fackel über ein Absperrventil angeschlossen, über die nicht benötigtes Brenngas abgefackelt werden kann.

Aus der US-A-40 33 117 ist eine weitere Gasturbinenkraft­ werksanlage bekannt, bei der einer Gasturbinenanordnung, die mit einer Last, z. B. einem Generator, und einem Luftkompres­ sor verbunden ist, in einer Wirbelbettbrennkammer erzeugte Verbrennungsgase über eine Verbrennungsgasreinigungsanlage zugeführt werden. An die Verbrennungsgasreinigungsanlage ist dabei eine Entlüftungsvorrichtung angeschlossen.

In keiner dieser Druckschriften wird angegeben, wie eine Unterbrechung der Erzeugung elektrischer Energie während lnspektions-, Wartungs- und/oder Reparaturarbeiten vermieden werden kann.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbinenkraftwerksanlage zu schaffen, bei dem während der Durchführung von Inspektions-, Wartungs­ und/oder Reparaturarbeiten an der Wirbelbettbrennkammer und/oder der Verbrennungsgasreinigungsanlage weiter Energie erzeugt werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.

Erfindungsgemäß werden also zur Durchführung entsprechender Inspektions-, Wartungs- und/oder Reparaturarbeiten die Luft­ leitungen vom Luftkompressor zur Wirbelbettbrennkammer und die Verbrennungsgasleitung von der Verbrennungsgasreinigungs­ anlage zur Generatoranordnung abgesperrt, so daß die Wirbel­ bettbrennkammer und die Verbrennungsgasreinigungsanlage vom Luftkompressor und von der Gasturbinenanordnung getrennt und damit stillgelegt sind. Über eine Entlüftungsanordnung las­ sen sich die Wirbelbettbrennkammer und die Verbrennungsgas­ reinigungsanlage entlüften und damit abkühlen und druckent­ lasten, so daß diese Baugruppen der Gasturbinenkraftwerksan­ lage relativ schnell für die erforderlichen Arbeiten zugäng­ lich sind. Gleichzeitig werden in der Zusatzbrennkammer Ver­ brennungsgase erzeugt, welche die Gasturbinenanordnung wei­ ter antreiben. Dies erlaubt dann ein kontinuierliches An­ treiben der Last, und damit, wenn die Last z. B. ein strom­ erzeugender Generator ist, eine kontinuierliche Stromerzeu­ gung.

Die erfindungsgemäß vorgesehene Kombination der Verkürzung der für Inspektions-, Wartungs- und/oder Reparaturarbeiten erforderlichen Stillstandszeit mit der gleichzeitigen Erzeu­ gung von Verbrennungsgasen zum Antrieb der Gasturbinenanord­ nung ermöglicht es in zweckmäßiger Weise die nicht für Dauer­ betrieb ausgelegte Zusatzbrennkammer für die Erzeugung von Energie einzusetzen, da diese dann nur für relativ kurze Zei­ ten eingesetzt zu werden braucht.

Um ein möglichst schnelles Ablassen der erhitzten und unter hohem Druck stehenden Gase in die Atmosphäre zu ermöglichen, ist die Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 vorgese­ hen. Hierdurch lassen sich die erforderlichen Stillstandszei­ ten der Wirbelbettbrennkammer und der Verbrennungsgasreini­ gungsanlage und damit auch der Betrieb der Zusatzbrennkammer weiter verkürzen.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben, in der eine erfindungsgemäße Gas­ turbinenkraftwerksanlage gezeigt wird.

Nach der Zeichnung weist die Gasturbinenkraftwerksanlage 10 im allgemeinen eine Wirbelbettbrennkammer 12 mit turbulent fluidisiertem Brennstoff, eine Verbrennungsgasreinigungsanlage 14 sowie eine Gasturbinen-Luftkompressor-Anordnung 16 auf. Die Anordnungen 14 und 16 sind in der Zeichnung von strichpunktierten Linien umschlossen.

Die Wirbelbettbrennkammer 12 weist drei sich in Querrichtung erstreckende Trennwände 18, 20 und 22 auf, die das Innere der Wirbelbettbrennkammer 12 in eine Reaktions- oder Verbrennungszone 24, zwei Einlaßkammern 26 und 28 sowie in eine Auslaßkammer 30 unterteilen. Die Wirbelbettbrennkammer 12 ist über eine Leitung 32 mit einer Brennstoff- Versorgungseinrichtung 34 verbunden, über die der Verbrennungszone 24 Festbrennstoff wie z. B. stark schwefelhaltige Kohle in Form von Partikeln geeigneter Größe zugeführt wird. Die Wirbelbettbrennkammer 12 ist ferner über eine Leitung 38 mit einer Versorgungseinrichtung 36 verbunden, über die der Verbrennungszone 24 ein Schwefeldioxid absorbierendes Material wie z. B. grob gemahlener Dolomit zugeführt wird. Die Trennwand 18 kann perforiert oder mit Düsen versehen sein, um komprimierte Luft aus der Kammer 26 in die Verbrennungszone 24 zu leiten und in dieser zu verteilen. Um die Reaktionstemperatur in der Ver­ brennungszone 24 in einem Bereich von etwa 507° C bis 954° C zu steuern, ist in der Verbrennungszone 24 ein Wärmetauscher 40 angeordnet, der so verbunden ist, daß er komprimierte Luft von der Einlaßkammer 28 aufnimmt und die erhitzte Luft an die Auslaßkammer 30 abgibt. Die in der Verbrennungszone 24 erzeugten Verbrennungs­ rückstände werden mittels einer Abflußleitung 42, eines Verbrennungsrückständekühlers 44 und eines Verbrennungs­ rückstandetrichters 45 aus der Verbrennungszone 24 entfernt.

Die Gasturbinen-Luftkompressor-Anordnung 16 weist einen Luftkompressor 46 auf, der mit einer Gasturbine 48 gekoppelt ist und von dieser angetrieben wird. Die Gasturbine 48 ist so verbunden, daß die Verbrennungsgase über Leitungen 52 und 54 zu einer freien Leistungsturbine 50 hin ausgestoßen werden. Zur Kontrolle des Abgasflusses von der Gasturbine 48 in die Leistungsturbine 50 ist in die Leitung 54 ein Trennventil 56 eingebracht. Ferner ist eine ventilgesteuerte Umgehungsleitung 58 vorgesehen, um das Abgas von der Gasturbine 48 zu einer Abflußleitung 60 der Leistungsturbine 50 zu leiten. Eine Leitung 62 ist dafür vorgesehen, das Abgas von der Abflußleitung 60 der freien Leistungsturbine 50 oder von der Austritts-Leitung 52 der Gasturbine 48 zu einem Abwärmeboiler (nicht gezeigt) zu führen. In die Leitung 62 ist ein Ventil 64 eingebracht, so daß das Abgas von der Gasturbine 48 dann, wenn dieses Ventil 64 offen und ein Ventil 57 in der Umgehungsleitung 58 geschlossen ist, unter Umgehung der freien Leistungsturbine 50 direkt dem Abwärmeboiler zugeführt werden kann.

Die freie Leistungsturbine 50 ist so verbunden, daß eine Last wie z. B. ein Wechselstromgenerator 66 angetrieben wird. Die Gasturbinen-Luftkompressor-Anordnung 16 weist ferner eine erste Zusatzbrennkammer 68 auf, die weiter unten ausführlicher beschrieben wird.

Die in der Anlage 10 vorgesehene Verbrennungsgasreinigungsanlage 14 weist eine Vielzahl von Separatoren 70, 72, 74 und 76 auf, die über Leitungen 78, 80 und 82 in Reihe geschaltet sind, so daß sie das von der Wirbelbettbrennkammer 12 über eine Abflußleitung 84 abgegebene Verbrennungsgas nacheinander aufnehmen. Der Separator 70 ist über eine Leitung 86 mit der Wirbelbettbrennkammer 12 verbunden, so daß die in den Verbrennungsgasen mitgeführten und von diesen im Separator 70 ausgeschiedenen unverbrannten Brennstoffpartikel zur Verbrennung wieder in die Verbrennungszone 24 zurückgeführt werden. Die im wesentlichen gereinigten Verbrennungsgase werden vom Separator 76 über eine Austrittsleitung 88 weitergeleitet. Die Austrittsleitung 88 ist ferner mit einer Entlüftungsanordnung verbunden, die ein Rohr 90 mit einem Ventil 92 aufweist. Dieses Rohr ist wiederum mit einem unter Druck gesetztem Naßreiniger 94 verbunden, der über ein Rohr 96 entlüftet wird, wobei der Fluidfluß durch dieses Rohr mittels eines Ventils 98 gesteuert wird. Das Ventil 92 ist nur während der Start- oder Abschaltphase der Kraftwerksanlage 10 geöffnet. Der Separator 76 ist von einem solchen Typ, der Luft benötigt, wie z. B. der von der Firma Aerodyne Development Corporation, 28086 Solon Road, Cleveland, Ohio, USA hergestellte Series SV Dust Collector. Um den Separator 76 mit Luft zu versorgen, ist der Separator 76 mit der Wirbelbettbrennkammer 12 über eine Leitung 100 verbunden, die an einem Ende mit der Auslaßkammer 30 der Wirbelbettbrennkammer 12 und am anderen Ende mit dem Separator 76 in Verbindung steht. Ein Teil der komprimierten Luft kann dem Separator 76 über eine Umgehungsleitung 102 direkt zugführt werden. Diese Umgehungsleitung 102 ist mit einer komprimierte Luft liefernden Hauptluftleitung 104 verbunden, die einen Teil einer zweiten Leitungsanordnung bildet, über die komprimierte Luft vom Kompressor 46 zur Wirbelbettbrennkammer 12 geleitet wird. Zur Steuerung des Flusses durch die Umgehungsleitung 102 ist in die Umgehungsleitung 102 ein Ventil 106 eingebracht. Die komprimierte Luft kann so weitergeleitet werden, daß sie den Separator 76 umgeht und über eine ein Ventil 112 aufweisende Umgehungsleitung 110 in eine gereinigtes Verbrennungsgas führende Verbrennungsgasleitung 108 hineinfließt. Die Verbrennungsgasleitung 108 bildet eine erste Leitungsanordnung, durch die die Reinigungsanlage 14 mit der Gasturbinen-Luftkompressor-Anordnung 16 zur Versorgung der Gasturbine 48 mit gereinigtem, auf eine hohe Temperatur und hohen Druck gebrachtem Verbrennungsgas verbunden ist.

Die zweite Leitungsanordnung weist zusätzlich zur komprimierte Luft liefernden Hauptluftleitung 104 Zweig-Luftleitungen 114 und 116 auf. Die Zweig-Luftleitung 114 ist zur Weiterleitung der komprimierten Luft zur Einlaßkammer 26 am einen Ende mit der Hauptluftleitung 104 und am entgegengesetzten Ende mit der Einlaßkammer 26 verbunden. Die Zweig-Luftleitung 116 ist am einen Ende mit der Hauptluftleitung 104 und am entgegengesetzten Ende mit der Einlaßkammer 28 verbunden. Der Fluß der komprimierten Luft durch die Zweig-Luftleitungen 114 und 116 wird durch in diese Leitungen eingebrachte Ventile 118 und 120 gesteuert. Normalerweise werden die Ventile 118 und 120 eingestellt, daß die vom Luftkompressor 46 in die Hauptluftleitung 104 abgegebene komprimierte Luft derart verteilt wird, daß der Einlaßkammer 26 zur Aufwirbelung der Brennstoffpartikel und zur Unterstützung der Brennstoffverbrennung etwa ein Drittel (¹/₃) und der Einlaßkammer 28 zur Durchflutung des Wärmetauschers 40 und Abkühlung der Verbrennungszone 24 etwa zwei Drittel (²/₃) zugeführt werden.

Eine Umgehungsluftleitung 122 ist am einen Ende mit der Hauptluftleitung 104 verbunden, so daß sie aus dieser Hauptluftleitung komprimierte Luft aufnimmt und die komprimierte Luft zu einer zweiten Zusatzbrennkammer 124 weiterleitet, Brennstoff, wie z. B. Öl oder Gas, wird wahlweise in die Zusatzbrennkammer 124 eingespritzt, um erhitzte Gase über diese Luftleitung 114 zur Einlaßkammer 26 der Wirbelbettbrennkammer 12 weiterzuleiten, wenn es, wie z. B. während der Startphase, erforderlich ist, die komprimierte Luft zu erhitzen. Zur Steuerung des Flusses der komprimierten Luft zur zweiten Zusatzbrennkammer 124 ist in der Umgehungsluftleitung 122 ein Ventil 126 vorgesehen.

Eine Inspektion, Wartung und Reparatur der Gasturbinenkraftwerksanlage 10 kann ohne völlige Stillegung der Anlage dadurch erfolgen, daß eine Ventileinrichtung zur Trennung der Wirbelbettbrennkammer 12 und der Verbrennungsgasreinigungsanlage 14 von der Gasturbinen-Luftkompressor- Anordnung 16 vorgesehen ist. Diese Ventileinrichtung weist die Ventile 106, 118, 120 und 126 sowie ein Ventil 130 auf, das in der Verbrennungsgasleitung 108 zwischen der Verbindungsstelle einer von der ersten Zusatzbrennkammer 68 ausgehenden und mit der Verbrennungsleitung 108 verbundenen Verbrennungsgasleitung 132 und der Verbindungsstelle der Verbrennungsgasleitung 108 mit der Umgehungsleitung 110 angeordnet ist. Werden die Ventile 106, 118, 120, 126 und das Ventil 130 geschlossen, so steht die Gasturbinen-Luftkompressor- Anordnung nicht mehr in Verbindung mit der Wirbelbettbrennkammer 12 und der Verbrennungsgasreinigungsanlage 14. Wird die erste Zusatzbrennkammer 68 aktiviert, indem Brennstoff, wie z. B. Öl oder Gas, eingespritzt und über die Luftleitung 132 bei offenem Zustand eines in dieser Luftleitung 132 angeordneten Ventils 134 für den Durchfluß von komprimierter Luft in dieser ersten Zusatzbrennkammer 68 gesorgt wird, so kann über die Leitungen 132 und 108 der Gasturbine 48 und der Leistungsturbine 50 Verbrennungsgas zugeführt werden. Somit kann während der Stillegungsphase der Kraftwerksanlage 10 in gewissem Umfang Energie erzeugt werden. Ferner werden für eine beschleunigte innere Inspektion und Reparatur die hohe Gastemperatur und der hohe Druck in der Wirbelbettbrennkammer 12 und in der Verbrennungsgasreinigungsanlage 14 dadurch herabgesetzt, daß diese Teile über das Rohr 90, den Naßreiniger 94 und das Rohr 96 bei offenen Ventilen 92 und 98 entlüftet werden.

Um ein Pumpen des Luftkompressors 46 zu verhindern, ist eine Pumpverhinderungseinrichtung in der Form eines Rückschlagventils 136 und einer Umgehungsleitung 138 sowie eines Ventils 140 vorgesehen.

Es wurde gezeigt, daß die vorliegende Erfindung eine Gasturbinenkraftwerksanlage mit einer Wirbelbettbrennkammer 12, einer Verbrennungsgasreinigungsanlage 14 und einem Gasturbinen-Luftkompressor-Anordnung 16 schafft, bei der die Wirbelbettbrennkammer 12 und die Verbrennungsgasreinigungsanlage 14 zur Inspektion, Wartung und Reparatur der Wirbelbettbrennkammer 12 und der Verbrennungsgasreinigungsanlage 14 von der Gasturbinen-Luftkompressor-Anordnung 16 so getrennt werden können, daß die Kraftwerksanlage immer noch effektiv arbeiten, z. B. mittels der Zusatzbrennkammer 68 in gewissem Umfang Energie erzeugen kann. Diese Kraftwerksanlage ist ferner in der Lage, die erhitzten und unter hohen Druck gesetzten Gase in der Wirbelbettbrennkammer 12 und in der Verbrennungsgasreinigungsanlage 14 relativ schnell zu entspannen, so daß das Innere dieser Anlagenteile für eine lnspektion und/oder Reparatur relativ schnell zugäng­ lich gemacht werden kann.

Claims (2)

1. Verfahren zum Betreiben einer Gasturbinenkraftwerksanlage

• - mit einer Wirbelbettbrennkammer (12), der von Versor­ gungseinrichtungen (34, 36) Brennstoff in Partikelform und Schwefel absorbierendes Material zuführbar sind,
• - mit einer an die Wirbelbettbrennkammer (12) angeschlos­ senen Verbrennungsgasreinigungsanlage (70, 72, 74, 76), an die eine eine Last (66) antreibende Gasturbinenan­ ordnung (48, 50) über eine ein Ventil (130) aufweisende Verbrennungsgasleitung (108) angeschlossen ist,
• - mit einem von der Gasturbinenanordnung (48, 50) ange­ triebenen Luftkompressor (46), dessen Auslaßseite über eine Hauptluftleitung (104) und eine ein Ventil (118) enthaltende Luftleitung (114) an die Wirbelbettbrenn­ kammer (12) angeschlossen ist, und mit einer Zusatz­ brennkammer (68), die über eine ein Ventil (134) auf­ weisende Luftleitung (132) und die Hauptluftleitung (104) mit der Auslaßseite des Luftkompressors (46) verbunden ist und die zur Zuführung von Verbrennungs­ gasen zur Gasturbinenanordnung (48, 50) über eine Ver­ brennungsgasleitung (132) in Durchströmrichtung hinter dem Ventil (130) an die zur Gasturbinenanordnung (48) führende Verbrennungsgasleitung (108) angeschlossen ist,
• - bei dem zur Durchführung von Inspektions-, Wartungs­ und/oder Reparaturarbeiten an der Wirbelbettbrennkammer (12) und/oder der Verbrennungsgasreinigungsanlage (70, 72, 74, 76) die Luftleitung (104, 114) vom Luftkompres­ sor (46) zur Wirbelbettbrennkammer (12) und die von der Verbrennungsgasreinigungsanlage (70, 72, 74, 76) zur Gasturbinenanordnung (48, 50) führende Verbrennungsgas­ leitung (108) abgesperrt werden,
• - bei dem die Verbrennungsgasreinigungsanlage (70, 72, 74, 76) und die Wirbelbettbrennkammer (12) über eine Entlüftungsanordnung (90, 92, 94, 96, 98) entlüftet werden und
• - bei dem während der Durchführung der Inspektions-, War­ tungs- und/oder Reparaturarbeiten in der Zusatzbrennkam­ mer (68) Verbrennungsgase erzeugt werden, die der Gas­ turbinenanordnung (48, 50) zugeführt werden, um die Last (66) weiter anzutreiben.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entlüftung der Wirbelbettbrennkammer (12) und der Verbrennungsgasreinigungsanlage (70, 72, 74, 76) über einen in der Entlüftungsanordnung enthaltenen Naßreiniger (94) vorgenommen wird.