DK157572B - Fremgangsmaade til drift af et gasturbineanlaeg, der er kombineret med et braendstofforgasningsanlaeg - Google Patents

Description

i

DK 157572 B

Opfindelsen angår en fremgangsmåde til drift af et gasturbineanlæg, som er kombineret med et brændstofforgasningsanlæg, og som er indrettet til at anvende brændstofgas med et højt kalorieindhold og en varmeværdi fra 30 til 50 MJ/kg, og som har et 5 brændkammer, som forsynes med brændstofgas og med i en luftkompressor komprimeret luft, hvoraf en del, fortrinsvis 8-12 vægt% af den komprimerede luft opdeles i et luftnedbrydningsanlæg i oxygenfattig luft og i oxygen, som ved forgasning med fast brændstof under anvendelse af vanddamp anvendes til frem-10 stilling af brændstofgas med et middelstort kalorieindhold og en varmeværdi fra 10 til 16 MJ/kg.

Fra østrigsk patentskrift nr. 342.372 kendes et anlæg indrettet til at drives ved en fremgangsmåde af denne art. Dette an-15 læg har et gasturbi nanlæg, der dannes af en kompressor, et brændkammer og en turbine såvel som af et oxygenfremsti 11ings-anlæg, som arbejder sammen med en trykgasfremsti Iler og forsynes med en del af den komprimerede luft. Trykgasfremstille-ren forsynes med fossile brændstoffer, som forgasses under 20 indføring af oxygen. Brændstofgassen, der fremstilles på denne måde, tilføres gasturbineanlæggets brændkammer, hvor den forbrændes med komprimeret luft til drivgas for turbinen.

I et på denne måde drevet gasturbineanlæg (At patentskrift nr.

25 342.372) må kompressoren, brændkammeret og gasturbinen dimen sioneres specielt til den opståede brændstofgas, og de må ligeledes tilpasses til hinanden. I dette tilfælde kan der derfor ikke anvendes luftkompressorer, gasturbiner og brændkamre, som er dimensioneret til andre anvendelsestilfælde og som for 30 det meste leveres i serier, hvorved omkostningerne er væsentligt forhøjede til en sådan fremgangsmåde.

Hertil kommer endvidere, at der kræves en særlig hjælpekompressor til 1 uftt i 1 før i ngen til luftnedbrydningsanlsgget, 35 hvilket hæver omkostningerne yderligere.

Formålet med den foreliggende opfindelse er at anvise en fremgangsmåde af den indledningsvis nævnte art til drift af et

DK 157572 B

2 gasturbineanlæg, der især er tilsluttet til et efterfølgende dampkraftværk, hvilken fremgangsmåde kan gennemføres med reducerede omkostninger til følge, især hvad angår kompressoren, brændkammeret og gasturbinen. Derudover skal fremgangsmåden 5 også medføre en gunstigere virkningsgrad.

Fremgangsmåden er ejendommelig ved, at brændstofgassen med middelstort kalorieindhold efter at være renset i en gasrenser og herefter være blandet med den oxygenfattige luft for at 10 forhøje massestrømmen til forbedring af anlæggets totale virkningsgrad, før fyringen, foropvarmes ved hjælp af den fra luftkompressoren til luftnedbrydningsanlægget strømmende luft og derefter som brændstofgas med lavt kalorieindhold fra 3 til 7 MJ/kg tilføres gasturbinanlæggets brændkammer og efter reak-15 tion med den fra luftkompressoren tilførte komprimerede luft strømmer gennem gasturbinen og en spildvarmedampkedel for at frembringe vanddamp, hvoraf en del udnyttes til at forsyne brændstofforgasningsanlægget og en anden del udnyttes til at drive en dampturbine.

20

Herigennem er det muligt, fortrinsvis via én aksel, med en 1 uftkompressor, et brændkammer og en gasturbine at drive gasturbineanlægget, der egentlig er indrettet til at drives med en gas med højt kalorieindhold (en gas med høj brændværdi), 25 f.eks. naturgas. Da den ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen til disposition for brændkammeret stående luft fra den førnævnte luft, der tilføres fra luftnedbrydningsanlægget, er forringet, kan der i brændkammeret kun fremstilles en lignende ringere massestrøm med følgen af en forringet og dermed til 30 driftstab førende drivgasti1 føring til gasturbinen. Dette kan dog afhjælpes ved, at den i luftnedbrydningsanlægget opstående oxygenfattige luft sammenblandes med brændstofgassen før forbrændingen, og dermed udjævnes dette gasunderskud. Herved står en brændstofgas henholdsvis drivgas med tilstrækkelig 35 massestrøm til disposition, således at driften af gasturbine anlægget i det mindste er mulig med omtrent de førnævnte data, som gasturbineanlægget er konstrueret til. Ved hjælp af frem-

DK 157572 B

3 gangsmåden til driften ifølge opfindelsen lader der sig på enkel måde indsætte bestemte gasturbineanlæg, som er beregnet til at drives med brændstofgas med højt kalorieindhold, idet der ikke kræves en særlig dimensionering og fremstilling til 5 driften med den kombinerede gasturbine-brændstof forgasnings proces, udover i givet fald en tilpasning af brændkammerets egentlige brænder, og herved medfører anvendelsen af gasturbineanlæggets 1 uftkompressor til luftforsyning af luftnedbrydningsanlægget en yderligere forenkling og en forringelse af 10 omkostningerne.

For at forbedre anlæggets totale virkningsgrad tilrådes det, at brændstofgas-1 uftbland i ngen før forbrændingen foropvarmes ved hjælp af den fra luftkompressoren til 1 uftnedbrydningsan-15 lægget strømmende luft. På den samme måde opnås en anden og ligeså gunstig foranstaltning, idet den fra brændstofforgasningsanlægget kommende brændstofgas foropvarmes ved hjælp af den fra luftkompressoren til luftnedbrydningsanlægget strømmende luft. Da den gennem kompressoren opvarmede luft herved 20 afkøles, opnås samtidig en mulighed for at tilføre luft med en egnet temperatur til luftnedbrydningsanlægget.

Yderligere fordele og ejendommeligheder ved opfindelsen fremgår af den følgende beskrivelse af f remgangsmåden i forbin-25 delse med eksempler på gasturbineanlæg, som altid er kombineret med et dampkraftværk til dannelse af et gasturbineværk.

Opfindelsen forklares nedenfor under henvisning til tegningen, hvor 30 fig. 1 viser et diagram af et gasturbinekraftværk, der er kombineret med et brændstofforgasningsanlæg, f i g. 2 en anden udførelsesform af den i fig. 1 med II betegne- 35 de og med stiplet linie indrammede del af anlægget, og fig. 3 en anden udførelsesform for anlægget vist på samme måde som i fig. 1.

DK 157572 B

4

Det i fig. 1 viste enakslede gasturbineanlæg, som er forenet og kombineret med et brændstofforgasningsanlæg til dannelse af et gasturbine-kraftværk, har en luftkompressor 10, der ved hjælp af en aksel 12 er sammenkoblet med gasturbinen 14 og en 5 elektrisk generator 16. Luftkompressoren 10 er forsynet med en indsugningsledning 18, der udmunder i yderrummet 20, samt en trykledning 22, der fører til brændkammeret 24. Brændkammerets udgang er ved hjælp af en drivgasledning 26 forbundet med gasturbinen 14, der ved hjælp af en forbrændingsgasledning 28 er 10 tilsluttet en spildvarmedampkedel 30. Denne spildvarmedampke del 30 forsyner en dampturbine 32 med drivdamp, hvilken dampturbine 32 er koblet til en anden elektrisk generator 34. For at kunne bortføre den resterende varme fra dampturbineproces-sen er der tilsluttet endnu en dampkondensator 36 til damptur-15 binens 32 udgang.

Kompressoren, brændkammeret og gasturbinen fremstilles hver for sig ved serieproduktion, og hvad angår deres dimensionering er de afstemt til driften med en brændstofgas med højt 20 kalorieindhold, idet der ved en brændstofgas med højt kalorieindhold skal forstås en brændstofgas med en brændværdi på 30.000-50.000 KJ/kg. Kompressoren, brændkammeret og gasturbinen er ved den foreliggende udførelsesform udformet som særskilte konstruktionsdele og bestanddele af gasturbineanlægget.

25

Fra trykledningen 22 fører en forgrening i form af en luftledning 38 til luftnedbrydningsanlægget 40, som nedbryder den tilførte luft i oxygen og oxygenfattig luft. Ved oxygenfattig luft skal herved forstås luft, hvis ni trogenandel i det mind-30 ste udgør 90% volumenmæssigt. Til indstilling af den til luftnedbrydningsanlægget flydende massestrøm kan der i luftledningen 38 være indrettet en reguleringsventil, eller der kan i forgreningen være indrettet en fordelerventil i trykledningen 22. Det i luftnedbrydningsanlægget udvundne oxygen ledes gen-35 nem en oxygenledning 42 til et brændstofforgasningsanlæg, hvortil der samtidig kan tilføres fast brændstof, f.eks. kul, ved hjælp af en antydet transport indretning 46. Da der kræves

DK 157572 B

5 vanddamp til brændstofforgasm'ngen, er der indrettet endnu en dampledning 48, som forbinder brændstofforgasningsanlægget 44 med spildvarmedampkedlen 30. Hvis det skønnes nødvendigt, kan der tilføres tilsætningsluft til luftnedbrydningsanlægget 40 5 ved hjælp af en yderligere ikke vist kompressor. Dette er dog også nødvendigt for opstarten af anlægget.

Den i brændstofforgasningsanlægget fremstillede brændstofgas strømmer gennem en gasledning 50 til en gasrenser 52, således 10 at der fra gasrenserens 52 udgangsledning 54 kan udtages en renset brændstofgas, dvs. syntesegas med middelstort kalorieindhold og dermed en brændværdi på omtrent 10.000-16.000 KJ/ kg. Opbygningen og funktionen af luftnedbrydningsanlægget, brændstofforgasningsanlægget og dettes gasrenser kendes, såle-15 des at nærmere forklaring ikke er nødvendig her.

Udgangsledningen 54 fører til en gasblander 56, hvortil den pågældende oxygenfattige luft, der opstår i luftnedbrydningsanlægget 40, tilføres ved hjælp af en ledning, der i det fore-20 liggende tilfælde betegnes som en nitrogenledning 58. Inden i gasblanderen er der indrettet i det mindste to mod h i nanden rettede finner 60, som bevirker en god sammenblanding af de gennem udgangs 1 edn i ngen 54 tilførte brændstofgasser og den gennem nitrogenledningen 58 fra luftnedbrydningsanlægget 40 25 ti 1 strømmende oxygenfattige luft. Endelig fører der fra gas blanderens 56 udgang en brændstofgasledning 62 til brændkam-meret 24. Hvis det ønskes, kan nitrogenledningen 58 være udrustet med en ventil eller en fordelingsventil, når en del af den oxygenfattige luft ikke skal føres til gasblanderen 60. I 30 dette tilfælde kan den under overtryk stående udskilte oxygenfattige luft udnyttes i en efterfølgende turbine (afspændingsturbine) eller blæse ud i det fri.

Under driften indsuger luftkompressoren 10 luft fra yderrummet 35 20 gennem indsugningsledningen, hvorefter den komprimerer den ne og videregiver den til trykledningen 22, hvorigennem luften kan strømme til brændkammeret 24. På samme tid ledes en del af

DK 157572 B

6 den komprimerede luft, ca. 5-20¾ vægtmæssigt, fortrinsvis 8-12¾ vægtmæssigt, gennem luftledningen 38 til luftnedbrydningsanlægget 40 og opdeles i oxygen såvel som oxygenfattig luft, der i hovedsagen indeholder nitrogen. Den oxygenfattige 5 luft ledes gennem nitrogenledningen 58 til gasblanderen 56, hvorimod oxygenet gennem oxygenledningen 42 strømmer til brændstofforgasningsanlægget 44. Her omdannes kul til gas ved hjælp af det tilførte oxygen, hvilket kul indbringes ved hjælp af transportinstallationen 46. Den fremkomne brændstofgas med 10 middelstort kalorieindhold strømmer gennem gasledningen 50, gasrenseren 52 såvel vom udgangsledningen 54 til gasblanderen 56.

I gasblanderen 56 sammenblandes den. tilførte brændstofgas med 15 middelstort kalorieindhold inderligt med oxygenfattig luft, der opstår som affaldsprodukt i luftnedbrydningsanlægget 40. Herved opstår der fra brændstofgassen med et middelstort ka-lorieindhol en brændstofgas med ringe kalorieindhold og en brændværdi på omtrent 3000-7000 KJ/kg, der også her betegnes 20 som en brændstofgas-luftblanding. Denne brændstofgas med ringe kalorieindhold føres derefter gennem brændstofgasledningen 62 til brændkammeret 24 og forbrændes dér ved hjælp af den ind gennem trykledningen 22 ledte luft. Fortrinsvis sammenblandes al den opstående oxygenfattige luft med brændstofgassen, i det 25 mindste dog 50¾ vægtmæssigt, hvorved resten f.eks. i luftnedbrydningsanlægget udnyttes til fremstilling af en mekanisk arbedsydelse. Den andel der ikke udnyttes ved forbrændingen vil derved alligevel blive udnyttet og samtidig ved driften af 1 uftnedbrydningsanlægget.

30

Den i brændkammeret 24 dannede drivgas strømmer derefter gennem drivgasledningen 26 til gasturbinen 14, idet drivgassen her udnyttes og derefter strømmer gennem forbrændingsgasledningen 28 og ind i spildvarmedampkedlen 30. Her fremstilles 35 den damp, der hovedsageligt anvendes til at drive dampturbinen 32, som driver den anden generator 34 til fremstilling af elektrisk energi. Yderligere elektrisk energi leveres af gene-

DK 157572 B

7 ratoren 16, der drives af gasturbinen 14. En del af dampmængden ledes ved hjælp af en dampledning 48 fra dampkedlen 30 til brændstofforgasningsanlægget 44 og udnyttes til forgasning af brændstoffet.

5

Dampturbinens 32 spilddamp slås i dampkondensatoren 36 ned ved hjælp af et afkølingsmiddel, og det opståede kondensat tilføres igen til dampkredsløbet på kendt måde. Kraftværkets røggasser føres ved hjælp af en ledning 64 til en skorsten.

10

Med den beskrevne fremgangsmåde ifølge opfindelsen til drift af et gasturbinekraftværk, der er kombineret med et brændstofforgasningsanlæg, opnås det på særlig enkel måde, at der kan indkobles et gasturbineanlæg, der er dimensioneret til at dri-15 ves med en brændstofgas med et højt kalorieindhold, og som kan fremstilles ved serieproduktion, hvorved omkostningerne kan holdes meget lave.

I f i g. 2 er vist en anden udførelsesform for en del af anlæg-20 get, der i fig. 1 er betegnet med II. Her er en overfladevarmevekslers 66 sekundærside indkoblet i luftledningen 38, og varmevekslerens 66 primærside er indført i brændstofgaslednin-gen 62. Da den fra 1 uf tkompressoren 10 kommende og gennem luftledningen 38 førte luftmængde opvarmes under komprime-25 ringsprocessen, opnås en foropvarmning af brændstofgasserne med det lave kalorieindhold, før de træder ind i forbændings-kammeret 24, og dermed forbedres deres forbrænding. Samtidig falder temperaturen af den luft, der strømmer til luftnedbrydningsanlægget 40, og temperaturen bringes derved ned på en 30 bedre egnet værdi til driften af luftnedbrydningsanlægget. Det er muligt at opnå en regulering af foropvarmningstemperaturen ved hjælp af en indstillelig omløbsventil 68 i form af en reguleringsventil, hvormed den gennem overfladevarmeveksleren 66 strømmende mængde brændstofgas med lavt kalorieindhold kan æn-35 dres.

I fig. 3 er vist en anden udførelsesform af gasturbinekraftværket ifølge opfindelsen, som i forhold til det i fig. 1

DK 157572 B

8 viste gasturbinekraftværk adskiller sig ved tre forskelle.

Den ene forskel består i, at gasturbineanlæggets luftkompressor 210, brændkammer 224 og gasturbine 214 er sammenbygget som 5 én konstruktionsenhed i form af en gasturboindretning. Denne er antydet ved hjælp af rammen 70, der er angivet med stiplede linier. Da det ved sammenbygningen herved opnås, at brænd-kammeret 224 er forbundet direkte med luftkompressoren 210 og gasturbinen 214, og dermed også at de enkelte forbindelsesled-10 ninger falder væk, er den til luftnedbrydningsanlægget 40 førende luftledning 238 tilsluttet et luftførende område af brændkammeret 224. Luftkompressoren 210 fører altså direkte ind i brændkammeret 224, og den til luftnedbrydningen krævede mængde luft udtages fra et luftførende område af brændkamme-15 ret. Den anden forskel i forhold til det i fig. 1 viste anlæg består i, at blandingen af oxygenfattig luft og gas ikke sker i en gasblander, men sker direkte i brændkammeret 224. Desuden er den fra luftnedbrydningsanlægget udgående nitrogenledning 258 tilsluttet direkte til brændkammeret, hvilket også er 20 tilfældet med udgangsledningen 254, hvorigennem brændkammerets 224 forbrændingsgas føres til gasrenseren 52. Blandingen af gassen med middelstort kalorieindhold og oxygenfattig luft til brændstofgas med lavt kalorieindhold henholdsvis brændstofgasluftblandingen sker lige umiddelbart før forbrændingen i 25 brændkammeret 224. Endelig er der i forhold til fig. 1 endnu en forskel, hvad angår brændstofgassernes foropvarmning. Ved den i fig. 3 viste udførelsesform er den i luftledningen 238 indførte overflade-varmevekslers 266 primærside ført ind i udgangsledningen 254, således at brændstofgassen foropvarmes 30 umiddelbart før, den sammenblandes med den oxygenfattige luft.

Til ændring af massestrømmen kan der også her, på samme måde som ved den i fig. 1 viste udførelsesform, være indrettet ventiler henholdsvis fordelingsventiler i luftledningen 238 og/ 35 eller i nitrogenledningen 258.

Driften af anlægget vist i fig. 3 svarer til driften af anlægget vist i fig. 1, således at yderligere forklaring ikke behø-

DK 157572 B

9 ves hen.

Især ved anvendelse af et gasturbinekraftværk, med de tidligere nævnte enheder sammenbygget til én konstruktionsenhed i en 5 gasturbogruppe, viser fordelen ved at anvende fremgangsmåden ifølge opfindelsen til driften af anlægget sig særligt tydeligt. På grund af at luftkompressoren 210, brændkammeret 224 og gasturbinen 214 i en sådan gasturbogruppe 70, hvad angår luftføringen og gasgennemløbet er indbyrdes afstemt til at 10 drives med en brændstofgas med højt kalorieindhold, har det ved de hidtil kendte driftsmåder ikke været muligt at udtage en del af den fra luftkompressoren 210 førte luft til andre formål, uden at virkningsgraden blev forringet og derved kom til at ligge væsentligt under den beregnede virkningsgrad for 15 anlægget. Udtages nemlig en luftmængde fra luftkompressoren til andre formål, vil dr ivgasti 1før i ngen til gasturbinen og dermed også dennes ydelse formindskes. Da den udtagne luft til luftnedbrydningsanlægget 40 ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen erstattes af oxygenfattig luft, der tilføres til brænd-20 kammeret 224 er det muligt at opnå en sådan gennemstrømning af luft og brændstofgas, at virkningsgraden svarende til den beregnede for anlægget opretholdes.

Det er indlysende, at gasforopvarmningen i overf 1ade-varmevek-25 sleren 266 ifølge den i fig. 3 viste udførelsesform ikke kan udnyttes ved indkobling af en gasturbogruppe; den finder tværtimod anvendes ved den i fig. 1 viste udførelsesform. Det skal også bemærkes, at der ved den med lav temperatur forløbende forbrænding af gasserne med lavt kalorieindhold, som bi-30 effekt kun fremkommer meget ringe og for det meste uskadelige mængder af giftstoffer.

Forståeligt nok kan gasturbineanlægget også have flere luftkompressorer, brændkamre og gasturbinder; i det foregående er 35 disse udelukkende af terminologiske grunde nævnt i ental.

Claims (1)

1. DK 157572B Patentkrav. Fremgangsmåde til drift af et gasturbineanlæg, som er kombine-5 ret med et brændstofforgasningsanlæg (44), og som er indrettet til at anvende brændstofgas med et høj kalorieindhold og en varmeværdi fra 30 til 50 MJ/kg, og som har et brændkammer (24), som forsynes med brændstofgas og med i en luftkompressor (10) komprimeret luft, hvoraf en del, fortrinsvis 8-12 10 vægt% af den komprimerede luft i et luftnedbrydningsanlæg (40) opdeles i oxygefattig luft og i oxygen, som ved forgasning med fast brændstof under anvendelse af vanddamp anvendes til fremstilling af brændstofgas med et middelstort kalorieindhold og en varmeværdi fra 10 til 16 MJ/kg, kendetegnet ved, 15 at brændstofgassen med middelstort kalorieindhold efter at være renset i en gasrenser (52) og herefter være blandet med den oxygenfattige luft for at forhøje massestrømmen til forbedring af anlæggets totale virkningsgrad, før fyringen foropvarmes ved hjælp af den fra luftkompressoren (10) til luft-20 nedbrydningsanlægget (40) strømmende luft og derefter som brændstofgas med lavt kalorieindhold fra 3 til 7 MJ/kg tilføres gasturbineanlæggets brændkammer (24) og efter reaktion med den fra luftkompressoren (10) tilførte komprimerede luft strømmer gennem gasturbinen (14) og en spildvarmedampkedel 25 (30) for at frembringe vanddamp, hvoraf en del udnyttes til at forsyne brændstofforgasningsanlægget (44) og en anden del udnyttes til at drive en dampturbine (32). 30 35