DE3907217A1 - Verfahren zum betreiben eines kombinierten gasturbinen-/dampfturbinen-prozesses - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines kombinierten gasturbinen-/dampfturbinen-prozesses

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines kombinierten Gasturbinen-/Dampfturbinen-Prozesses bei dem der aufgeladene Vorschaltgasturbinen-Prozeß mittels komprimierter Luft und einem Brennfluid und der Dampfturbinen-Prozeß mittels einer mit kohlenstoffhaltigem festen Brennstoff gespeisten Wirbelschichtfeuerung betrieben wird, wobei die Verbrennung in der Wirbelschichtfeuerung mit den sauerstoffhaltigen Abgasen des Vorschaltgasturbinen-Prozesses erfolgt und mit beiden Turbinenprozessen elektrische Energie erzeugt werden kann.
Aus der DE-OS 36 12 888 ist ein solches Verfahren bekannt, bei dem als Brennfluid ein aus einem festen kohlenstoffhaltigen Material durch Druckvergasung in einer zirkulierenden Wirbelschicht gewonnenes Gas verwendet wird. Das in der Druckvergasung erzeugte Gas wird auf eine sehr niedrige Druckstufe, z. B. 1,35 bar entspannt und einer zirkulierenden atmosphärischen Wirbelschicht zugeleitet. Der bei der bekannten Verfahrensführung erreichbare Gesamtwirkungsgrad beträgt 42%.
Aus der DE-OS 35 36 451 ist ein Verfahren zum Betreiben eines kombinierten Gasturbinen-Dampfturbinen-Prozesses bekannt, bei der die Verdichtung der für den Betrieb der Druckwirbelschicht erforderlichen Verbrennungs- u. Fluidisierungsluft in zwei Stufen erfolgt, von denen die erste in dem Verdichter eines Turboladers erfolgt, und die zweite in einem von einer Gasturbine angetriebenen Verdichter. Zwischen den beiden Stufen wird die Luft zwischengekühlt, um die Verdichtungsarbeit insgesamt klein zu halten. Die verdichtete Luft wird vor ihrem Eintritt in den Feuerraum der Druckwirbelschicht in einem Luftvorwärmer vorgewärmt, der von dem in der Gasturbine teilexpandiertem Rauchgas der Druckwirbelschichtfeuerung beaufschlagt wird. Im Luftvorwärmer wird aus dem noch immer unter höherem Druck stehenden Rauchgas Wärme an die verdichtete Luft abgeführt. Dem Luftvorwärmer ist noch ein Speisewasservorwärmer nachgeschaltet, in dem noch Wärme an das Speisewasser übertragen wird. Die im Rauchgas dann noch verbliebene Energie reicht zum Betrieb des Turboladers der ersten Kompressionsstufe aus. Bei der bekannten Verfahrensweise wird ein Nettowirkungsgrad von 38% erreicht. Die Verbrennungstemperatur von 850°C in der Druckwirbelschicht setzt somit dem Kombiprozeß mit Druckwirbelschicht eine Grenze für die Steigerung des Wirkungsgrades und der spezifischen Arbeit.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Wirkungsgrad des bekannten kombinierten Gasturbinen-/ und Dampfturbinen-Prozesses mit aufgeladener Vorschaltgasturbine zu erhöhen. Zur Lösung der Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Abgase des Vorschaltgasturbinen-Prozesses nur soweit entspannt werden, daß die Wirbelschichtfeuerung als Druckwirbelschicht betrieben werden kann, und daß die Abgase der Druckwirbelschichtfeuerung nach Entstaubung in einem zweiten Gasturbinen-Prozeß entspannt werden und danach einem Wärmetausch mit der komprimierten Luft des Vorschaltgasturbinen-Prozesses unterzogen werden und daß die Luft für den Vorschaltgasturbinen-Prozeß einer zweistufigen Kompression mit Rückkühlung unterzogen wird, wobei die Kompressionsenergie für die erste Stufe von dem zweiten Gasturbinen-Prozeß und die Kompressionsenergie für die zweite Stufe von dem Vorschaltgasturbinen-Prozeß aufgebracht wird.
Auf diese Weise kann die von der Wirbelschichtfeuerung gesetzte Begrenzung der Turbinen-Eintrittstemperatur auf 850°C im Kombiprozeß durch das Einbinden der aufgeladenen Vorschaltgasturbine in den Prozeß aufgehoben werden. Es kann ein Wirkungsgrad bis über 50% erreicht werden. Weiterhin wird eine Verminderung des CO2-Emissionswertes erreicht, der sonst nur von Erdgasanlagen erreicht wird. Das Verfahren bietet außerdem eine sehr große Brennstoffflexibilität, so können als Brennstofffluide Erdgas und Öl in kurzfristig zu bauenden Anlagen eingesetzt werden. Mit fortschreitender Entwicklung kann die Vorschaltgasturbine jedoch auch mit aus der Vergasung von Kohle stammendem Kohlegas, Wasserstoff oder Methanol/Äthanol gefeuert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren führt zu Anlagen hoher Leistungsdichte, die sich insbesondere durch ein gutes Teillastverhalten auszeichnen.
Wenn als Brennfluid ein aus einem festen kohlenstoffhaltigen Material durch Druckvergasung gewonnenes Gas, insbesondere Kohlegas verwendet wird, ist es weiter von Vorteil, wenn die Vergasung in einer Wirbelschicht, insbesondere hochexpandierter Wirbelschicht mit Fangrinnenabscheidung erfolgt.
Zum verbesserten Teillastverhalten ist es zweckmäßig, wenn der Druckwirbelschichtfeuerung neben den Abgasen des Vorschaltturbinen-Prozesses teilkomprimierte Luft der ersten Kompressionsstufe zugeführt wird.
Weitere Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens und eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens.
Die Erfindung soll nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert werden.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Druckwirbelschichtfeuerung mit aufgeladener Vorschaltgasturbine, Abgasturbine und Dampfturbinenanordnung, wobei die Vorschaltgasturbine mit Erdgas betrieben wird und
Fig. 2 eine Schaltung vergleichbar Fig. 1 bei der jedoch die Vorschaltgasturbine mit einem in einer Druckteilvergasung erzeugtem Kohlegas betrieben wird.
Bei der Anordnung gemäß Fig. 1 wird Verbrennungsluft in dem Verdichter 1, der zusammen mit einer Niederdruckturbine 2 einem Gasturbosatz 3 aufbaut, in einer ersten Stufe verdichtet. Über ein Ventil 4 wird ein Teilstrom dieser verdichteten Luft dem Feuerraum 5 einer schematisch dargestellten Druckwirbelschichtfeuerung 6 zugeführt. Ein anderer Teilstrom wird in einem in den Speisewasserkreislauf einer der Druckwirbelschichtfeuerung 6 nachgeschalteten Dampfturbinenanlage 7 liegenden Rückkühler 8 rückgekühlt und danach in einem Hochdruckverdichter 9 weiterverdichtet. Die verdichtete Luft wird in einem Vorwärmer 10 vorgewärmt und in eine mit Erdgas 11 gefeuerte Brennkammer 12 einer Vorschaltgasturbine 13 eingeleitet. Das Verbrennungsgas wird in der Gasturbine auf einen für den Betrieb der Druckwirbelschichtfeuerung geeigneten und dem Druck des über Ventil 4 herangeführten Luftteilstrom entsprechenden Druck expandiert und dann dem Feuerraum 5 der Druckwirbelschichtfeuerung 6 zugeführt.
Das Rauchgas aus der Druckwirbelschichtfeuerung 6 wird in einem Heißgasfilter 14 gefiltert und der Niederdruckturbine 2 zugeführt. Das Rauchgas kühlt sich entsprechend dem Druckverhältnis bei der Expansion ab. Seine fühlbare Wärme wird in dem Luftvorwärmer 10 auf die komprimierte Luft und in einem dem Rückkühler 8 nachgeschalteten Speisewasservorwärmer 15 ausgenutzt. In der Fig. 1 sind beispielsweise absolute Massenströme und Leistungen angegeben. Der noch nicht optimierte Prozeß hat einen Wirkungsgrad von 47,5%, erbringt eine spezifische Nutzleistung von 3,8 und einen CO2-Emissionswert von 0,189 kg/MJ bei einem Erdgasanteil von 24,3% der gesamten Brennstoffleistung. Wird das Ventil 4 geschlossen, d. h. wird nur noch das Verbrennungsgas aus der erdgasgefeuerten Gasturbine als Sauerstoffträger der Druckwirbelschichtfeuerung 6 zugeführt, so steigt der Wirkungsgrad auf über 51%, die spezifische Nutzarbeit auf 5,48 und der CO2-Emessionswert sinkt auf 0,17 kg/MJ bei einem Erdgasanteil von 39,7% an der gesamten Brennstoffleistung. In der Fig. 1 ist dargestellt, daß der Gasturbosatz 3 und die aufgeladene Vorschaltgasturbine 13 über Kupplungen 16 a bzw. 16 b mit einem Generator 17 koppelbar sind. Es ist von Vorteil, Kupplung 16 b beim Anfahren des Gasturbosatzes 3 bzw. bei extremer Schwachlast und zu niedriger Eintrittstemperatur der Turbine 3 zu trennen, so daß der Gasturbosatz frei läuft.
Die Anlage gemäß Fig. 1 bietet für die Regelung den günstigen Weg, Teillasten durch eine Minderung der Luftmenge der Wirbelschichtfeuerung über Ventil 4 bei festem Betrieb der Vorschaltgasturbine 13 einzustellen. Bei Anfahren der Anlage wird zunächst eine der Turbine 2 zugeordneten Bypass-Leitung 18 geöffnet und dann die Gasturbine 13 angefahren. Das Gasturbinenabgas ist heiß genug zum Aufheizen der Wirbelschicht auf die Zündtemperatur der über 5 a herangeführten Kohle.
Bei der Fig. 2 sind für vergleichbare Bestandteile der Anlage die gleichen Bezugszeichen verwendet worden. Als Brenngas wird der Brennkammer 12 Kohlegas aus einer Wirbelschichtteilvergasung 19 nach einer Entstaubung und ggf. Entschwefelung und Enthalagonisierung zugeleitet. Hiervon ist nur die Entstaubung 20 schematisch dargestellt. Der in der Teilvergasung 19 entstehende Koks wird über Leitung 21 zusammen mit dem abgeschiedenen Staub 22 der Druckwirbelschichtfeuerung 6 zusammen mit der Kohle 5 a zugeführt.
Der Druckwirbelschichtteilvergasung 19 wird über eine Zweigleitung 23 ein Teilstrom der komprimierten Luft zugeführt.
Die der Teildruckvergasung 19 zugeführte Kohle 19 a kann in einem an sich bekannten Dampfwirbelschichttrockner 24 vorgetrocknet werden. Weiterhin ist in der Fig. 2 angedeutet, daß die Druckteilvergasungswirbelschicht 18 und die Druckwirbelschichtfeuerung 6 expandierte Wirbelschichten mit im Reaktorinnenraum angeordneten Fangrinnenabscheider 25 sein können, wie sie aus der DE-OS 36 40 377.6 bekannt sind.
Bei der Druckteilvergasung erfolgt keine Wasser- oder Dampfkühlung bei der erreichbaren Reaktionstemperatur von 850°C. Die Leistung der Turbine 13 wird wieder überwiegend im Verdichter zur Kompression des Verbrennungsgases und der Vergasungsluft benutzt. Die Überschußleistung wird über den Generator 17 als Netzleistung abgegeben.
Bei der in der Fig. 2 gezeigten Ausführungsform sind die Verdichterturbinengruppen 1/2 und 9/13 voneinander getrennt angeordnet und ihnen ist jeweils ein Generator 17 a bzw. 17 b zugeordnet.
Beispiel gemäß Fig. 1 und bevorzugte Bereiche

Claims (8)

1. Verfahren zum Betreiben eines kombinierten Gasturbinen-/Dampfturbinen-Prozesses, bei dem der aufgeladene Vorschaltgasturbinen-Prozeß mittels komprimierter Luft und einem Brennfluid und der Dampfturbinen-Prozeß mit einer mit kohlestoffhaltigem festen Brennstoff gespeisten Wirbelschichtfeuerung betrieben wird, wobei die Verbrennung in der Wirbelschichtfeuerung mit den sauerstoffhaltigen Abgasen des Vorschaltgasturbinen-Prozesses erfolgt und mit beiden Turbinenprozessen elektrische Energie erzeugt werden kann, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Abgase des Vorschaltgas­ turbinen-Prozesses nur soweit entspannt werden, daß die Wirbelschichtfeuerung als Druckwirbelschicht betrieben werden kann und daß die Abgase der Druckwirbelschichtfeuerung nach Entstaubung in einem zweiten Gasturbinen-Prozeß entspannt werden und danach einem Wärmetausch mit der komprimierten Luft des Vor­ schaltgasturbinen-Prozesses unterzogen werden und daß die Luft für den Vorschaltgasturbinen-Prozeß einer zweistufigen Kompression mit Rückkühlung unterzogen wird, wobei die Kompressionsenergie für die erste Stufe von dem zweiten Gasturbinen-Prozeß und die Kompressionsenergie für die zweite Stufe von dem Vorschaltgasturbinen-Prozeß aufgebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Druckwirbel­ schichtfeuerung neben den Abgasen des Vorschaltgasturbinen-Prozesses teilkomprimierte Luft der ersten Kompressionsstufe zugeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgase nach dem Wärmetausch mit der komprimierten Luft einem Wärmetausch mit dem Speisewasser des Dampferzeugungsprozesses unterzogen werden.
4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Brennfluid Erdgas eingesetzt wird.
5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Brennfluid ein aus einem festen kohlenstoffhaltigen Material durch Druckvergasung gewonnenes Gas verwendet wird und kohlenstoffhaltige Vergasungsrückstände in der Druckwirbelschicht ggf. unter Zufuhr weiteren Brennstoffes verbrannt werden.
6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckvergasung in einem Dampfwirbelschichttrockner getrocknetes kohlenstoffhaltiges Material zugeführt wird.
7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß beim Anfahren des zweiten Gasturbinen-Prozesses bei zu niedriger Eintrittstemperatur der zugeordnete Gasturbosatz frei läuft.
8. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7 mit einer mit einem kohlenstoffhaltigen festen Brennstoff gespeisten Wirbelschichtfeuerung, einer der Wirbelschichtfeuerung vorgeschalteten aufgeladenen Gasturbine und einem der Wirbelschichtfeuerung nachgeschalteten Dampfturbinen-Prozeß, wobei die Vorschaltgasturbine abgasseitig mit der Wirbelschichtfeuerung verbunden ist und mit den Turbinen zugeordneten elektrischen Generatoren, dadurch gekennzeich­ net, daß die Wirbelschichtfeuerung als Druckwirbelschichtfeuerung (6) ausgebildet ist und der Druckwirbelschichtfeuerung abgasseitig ein Heißgasfilter (13), eine Gasturbine (2) und ein Luftvorwärmer (10) nachgeschaltet sind, der luftseitig von der der Vorschaltgasturbine (13) zugeführten Luft beaufschlagt ist und für die Kompression der der Vorschaltgasturbine zugeführten Luft ein Verdichter (1) angetrieben von der Gasturbine (2) und ein zweiter Verdichter (9) angetrieben von der Vorschaltgasturbine (13) vorgesehen sind, wobei zwischen den beiden Verdichtern ein in den Wasser-Dampf-Kreislauf der Wirbelschichtfeuerung eingebundener Rückkühler (8) vorgesehen ist.
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