CH699804A1

CH699804A1 - Gasturbinenanlage mit Abgasrückführung sowie Verfahren zum Betrieb einer solchen Anlage.

Info

Publication number: CH699804A1
Application number: CH01700/08A
Authority: CH
Inventors: Hans Dr Wettstein; Manfred Wirsum; Steffen Schulz
Original assignee: Alstom Technology Ltd
Priority date: 2008-10-29
Filing date: 2008-10-29
Publication date: 2010-04-30
Also published as: US8661780B2; WO2010049277A1; US20140130507A1; DE112009002607A5; US20120036860A1

Abstract

Eine Gasturbinenanlage (10) mit Abgasrückführung umfasst eine Hauptgasturbine (11, 12, 13) mit einem Hauptverdichter (11) und einer Hauptturbine (12), welche einen Hauptgenerator (14) antreiben, sowie eine Brennkammer (16), deren Ausgang mit dem Eingang der Hauptturbine (12) der Hauptgasturbine verbunden ist, eine Brennstoffzufuhr (18) aufweist und über die Hochdruckseite eines Rekuperators (15) Verbrennungsluft vom Ausgang des Hauptverdichters (11) der Hauptgasturbine erhält, wobei der Ausgang der Hauptturbine (12) und der Eingang des Hauptverdichters (11) der Hauptgasturbine zur Abgasrückführung über die Niederdruckseite des Rekuperators (15) und einen Kühler (17) verbunden sind, und wobei auf der Niederdruckseite des Rekuperators (15) eine Ladegruppe (36) mit einem Verdichter (23) und einer Turbine (24) angeordnet ist, welche Ladegruppe (36) über einen Lufteinlass (20) Luft ansaugt und mit dem Ausgang ihres Verdichters (23) an den Ausgang der Niederdruckseite des Rekuperators (15) und mit dem Eingang ihrer Turbine (24) an eine Überschussgas-Entnahmeleitung (19) auf der Niederdruckseite des Rekuperators (15) angeschlossen ist. Bei gleichzeitig kompaktem Aufbau der Anlage ist eine effektive CO 2 -Abscheidung dadurch möglich, dass Mittel (26–32) zur Abscheidung von CO 2 vorgesehen sind, welche entweder aus den nach aussen abgegebenen Abgasen (19) oder aus dem rezirkulierten Teilstrom (43) CO 2 abscheiden.

Description

Technisches Gebiet

[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Gasturbinen. Sie betrifft eine Gasturbinenanlage mit Abgasrückführung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Anlage. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Anwendung resp. Verwendung der Gasturbinenanlage resp. des Verfahrens zum Betrieb einer solchen Anlage.

Stand der Technik

[0002] Aus der Druckschrift DE-A1-10 307 374 ist ein Verfahren zum Betrieb eines teilgeschlossenen, aufgeladenen Gasturbinenkreislaufs sowie ein Gasturbinensystem zur Durchführung des Verfahrens bekannt geworden, bei denen Abgasturbolader sowohl als Hauptmaschinen als auch zur Aufladung eingesetzt werden. Nachteil dieser bekannten Lösung ist aber, dass die Potentiale dieser Lösung zur effizienten CO2 Abscheidung, zur fast unbegrenzten Leistungssteigerung und zu konkurrenzlos hohem Teillastwirkungsgrad bei einem bemerkenswert hohen Gesamtwirkungsgrad von der Fachwelt nicht erkannt worden sind.

[0003] Aus der WO-A1 -2008/065 036 ist andererseits ein Verfahren zum Betrieb eines Kraftwerks mit Gasturbine, mit einem halbgeschlossenen, rekuperierten Gasturbinen-Kreisprozess sowie ein Kraftwerk zur Durchführung des Verfahrens bekannt geworden, bei welchem aus dem zirkulierenden Arbeitsfluid bei niedrigem oder hohem Druck auf nicht weiter beschriebene Weise CO2abgeschieden wird. Eine Aufladung durch eine Ladegruppe ist hierbei nicht vorgesehen.

Darstellung der Erfindung

[0004] Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Gasturbinenanlage vorzuschlagen, welche die besonderen Vorteile eines teilgeschlossenen, aufgeladenen Gasturbinenkreislaufs für die CO2-Abscheidung nutzbar macht, sowie ein Verfahren zu deren Betrieb anzugeben.

[0005] Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale der Ansprüche 1 und 28 gelöst. Wesentlich für die Erfindung ist eine Abgasrückführung über die Niederdruckseite eines Rekuperators, wobei auf der Niederdruckseite desselben eine Ladegruppe mit einem Verdichter und einer Turbine angeordnet ist, welche Ladegruppe über einen Einlass Luft ansaugt und mit dem Ausgang ihres Verdichters an den Ausgang der Niederdruckseite des Rekuperators und mit dem Eingang ihrer Turbine an eine Überschussgas-Entnahmeleitung auf der Niederdruckseite im Rekuperator angeschlossen ist, und optionale Mittel zur Abscheidung von CO2 vorgesehen sind, welche aus dem ganzen oder einem Teilstrom der zurückgeführten Abgase der Hauptgasturbine CO2 abscheiden.

[0006] Gemäss einer Ausgestaltung der Erfindung sind innerhalb der Ladegruppe der Verdichter und die Turbine über eine gemeinsame Welle mit einem Generator/Motor verbunden.

[0007] In einer anderen Ausgestaltung sind Verdichter und Turbine der Ladegruppe mit separaten Motor/Generator-Einheiten verbunden, welche mit verschiedenen geregelten Drehzahlen betrieben werden können.

[0008] Eine andere Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen dem Ausgang des Rekuperators und dem Eingang des Hauptverdichters ein Vorkühler für das zurückgeführte Abgas angeordnet ist, welcher Vorkühler mit einem von aussen zugeführten Kühlmedium, insbesondere in Form von Wasser oder Dampf, betrieben wird und einen Kondensat-Auslass zum Ablassen des im Vorkühler kondensierten Wassers aufweist. Vorzugsweise tauscht der Vorkühler dabei über eine Wärmeübertragungsvorrichtung Wärme mit den Mitteln zur Abscheidung von CO2oder mit einer anderen Einrichtung zur Nutzung der Abwärme aus.

[0009] Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang der Turbine der Ladegruppe mit den Mitteln zur Abscheidung von CO2 in Verbindung steht, und dass in dieser Verbindung ein Überschussgas-Kühler angeordnet ist.

[0010] Gemäss einer anderen Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Mittel zur Abscheidung von CO2 eine CO2-Absorptionssäule und eine CO2-Desorptionssäule, welche untereinander über eine erste Verbindungsleitung für CO2-reduziertes Sorptionsmittel und eine zweite Verbindungsleitung für CO2-angereichertes Sorptionsmittel wechselseitig in Verbindung stehen.

[0011] Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass in der Verbindung zwischen dem Hauptverdichter und der Brennkammer, insbesondere auf der kalten Seite des Rekuperators, ein Schnellentlastungsventil angeordnet ist.

[0012] Mit Vorteil können die Hauptgasturbine und der Rekuperator und ggf. der Vorkühler in einem gemeinsamen Druckbehälter angeordnet sein, wobei für unerwartete Betriebszustände am Druckbehälter ein Ablassventil und/oder ein Überdruckbegrenzungsventil vorgesehen ist. Dabei kann der Hauptgenerator entweder innerhalb des Druckbehälters angeordnet sein und ein Wasserstoffkühlsystem aufweisen, oder ausserhalb des Druckbehälters angeordnet sein und eine Luft- oder Wasserstoffkühlung, oder sonst eine andere Fluidkühlung aufweisen.

[0013] Eine Weiterbildung dieser Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter für Inspektion und/oder Service begehbar ausgebildet ist, wenigstens ein Mannloch sowie Mittel zur Ventilation und zur sicheren Absperrung der Brennstoffzufuhr vor der Begehung aufweist.

[0014] Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass zur Kühlfluidversorgung der Hauptturbine und anderer thermisch belasteter Teile der Hauptgasturbine eine oder mehrere Teilströme aus dem Rekuperator abgezweigt und über Versorgungsleitungen an die zu kühlenden Stellen geführt werden.

[0015] Eine andere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptverdichter der Hauptgasturbine in zwei oder mehrere Teile aufgeteilt ist, und dass zwischen diesen Teilen mit Kühlwasser betriebene Zwischenkühler angeordnet sind.

[0016] Eine andere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptturbine ein geschlossenes Kühlsystem aufweist, welches über einen Druckerhöhungsverdichter mit stromab des Hauptverdichters entnommenem Kühlfluid versorgt wird und das erwärmte Kühlfluid stromauf der Brennkammer in den Hauptkreislauf zurückgibt.

[0017] Die Mittel zur Abscheidung von CO2 können insbesondere auch zwischen dem Vorkühler und dem Eingang des Hauptkompressors angeordnet sein und zum Beispiel ein unter Druck arbeitendes CO2-Absorptionssystem umfassen.

[0018] Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemässen Betriebsverfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Restsauerstoffgehalt am Ausgang der Brennkammer mindestens 0,5% beträgt.

[0019] Eine andere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass vor der Brennkammer reiner Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Fluid über ein Regelventil zugegeben wird.

[0020] Eine andere Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Leistung der Gasturbinenanlage durch Regelung des Gasinventars im Kreislauf von Hauptgasturbine/Rekuperator geregelt wird. Dabei werden die Massenströme von Verdichter und Turbine der Ladegruppe unabhängig voneinander geregelt. Insbesondere kann zur Regelung dieser Maschinen variable Drehzahlen und/oder bewegliche Leitreihen im Verdichter und/oder der Turbine verwendet werden.

[0021] Für die Ladegruppe wird vorzugsweise ein Druckverhältnis zwischen einen Minimalwert und einem maximalen Auslegungswert zwischen 4 bis 10 verwendet, wobei die Maximaiwerte bei Teillastbetrieb zwischen dem Minimalwert und dem maximalen Auslegungswert liegen.

[0022] Kurze Erläuterung der Figuren

[0023] Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind weggelassen worden. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtung der verschiedenen Medien innerhalb der Anlage ist mit Pfeilen angegeben. Es zeigen
<tb>Fig. 1<sep>ein vereinfachtes Prozessschema einer Gasturbinenanlage mit Ladegruppe und CO2-Abscheidung aus dem an die Atmosphäre abgegebenen Überschussfluid gemäss einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

<tb>Fig. 2<sep>ein vereinfachtes Anordnungsschema einer Gasturbinenanlage mit gemeinsamem Druckbehälter für die Hauptgasturbine gemäss einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ohne CO2-Abscheidung,

<tb>Fig. 3<sep>ein vereinfachtes Anordnungsschema einer Gasturbinenanlage mit gemeinsamem Druckbehälter für die Hauptgasturbine und unter Druck arbeitendem CO2-Absorptionssystem gemäss einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

<tb>Fig. 4<sep>ein vereinfachtes Prozessschema einer Gasturbinenanlage mit Ladegruppe und CO2-Abscheidung sowie mit einem offenen und einem geschlossenen Kühlsystem der Hauptturbine gemäss einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung und

<tb>Fig. 5<sep>ein vereinfachtes Prozessschema mit Aufteilung der Ladegruppe in zwei separate Maschinengruppen, wobei hier die Ladeturbine mit einem elektrischen Notbremswiderstand gezeigt ist.

Wege zur Ausführung der Erfindung

[0024] In den Fig. 1 bis 5 sind verschiedene Ausführungsbeispiele einer Gasturbinenanlage 10, 10 und 40, 40 mit Abgasrückführung wiedergegeben. Jede der Gasturbinenanlagen umfasst eine Hauptgasturbine mit einem Hauptverdichter 11 bzw. 11a, 11b und einer Hauptturbine 12, welche zum Beispiel über eine gemeinsame Welle einen Hauptgenerator 14 antreiben. Eine Brennkammer 16, deren Ausgang mit dem Eingang der Hauptturbine 12 verbunden ist, weist eine Brennstoffzufuhr 18 auf und erhält über die Hochdruckseite eines Rekuperators 15 sauerstoffhaltiges Fluid vom Ausgang des Hauptverdichters 11 bzw. 11a, 11b der Hauptgasturbine. Der Ausgang der Hauptturbine 12 und der Eingang des Hauptverdichters 11 bzw. 11a, 11b sind zur Abgasrückführung über die Niederdruckseite des Rekuperators 15 und den Kühler (17) miteinander verbunden.

Auf der Niederdruckseite des Rekuperators 15 ist weiterhin eine Ladegruppe 36 mit einem Verdichter 23 und einer Turbine 24 angeordnet. Die Ladegruppe 36 saugt über einen Lufteinlass 20 Luft an. Sie ist mit dem Ausgang ihres Verdichters 23 an den Ausgang der Niederdruckseite des Rekuperators 15 und mit dem Eingang ihrer Turbine 24 an eine Überschussfluid-Entnahmeleitung 19 auf der Niederdruckseite des Rekuperators 15 angeschlossen.

[0025] Die inhärente Abgasrezirkulation des Prozesses erzeugt eine erhöhte CO2-Konzentration im Abgas (typisch 12-13 Massen %). Damit kann der Prozess gut mit einer CO2-Abscheidung aus dem Abgas verbunden werden. Erfindungsgemäss sind daher Mittel zur Abscheidung von CO2 vorsehbar, welche aus dem ganzen oder einem Teilstrom der zurückgeführten Abgase der Hauptgasturbine CO2 abscheiden.

[0026] Eine derartige Anlage, insbesondere auch eine solche, welche mit den nachfolgenden beschriebenen zusätzlichen Merkmalen versehen ist, kann grundsätzlich viel kompakter gebaut werden, als eine konventionelle Gasturbinen-Kombianlage gleicher Leistung, sei es mit oder ohne zusätzlicher CO2 Abscheidung. Das liegt einmal an der auf den Ansaugluftmassestrom bezogenen höheren Leistungsdichte (spezifische Leistung) von bis zu über 1200 kJ/kg (im Vergleich zu den 670 kJ/kg der besten Gasturbinen-Kombianlagen). Dadurch können Ansaugsystem und Abgassystem in der spezifischen Grösse etwa halbiert werden. Die Hauptgasturbine bzw. Hauptmaschine 11, 12, 13, 15, 16 kann in ihren Querschnittsflächen um einen Faktor, der dem Aufladedruckverhältnis entspricht, kleiner gebaut werden. Zudem hat sie vorzugsweise auch ein kleineres Druckverhältnis als eine konventionelle Gasturbine.

[0027] Die Ladegruppe 36 hat infolge ihres kleineren Massestromes ebenfalls einen um mehr als den Faktor 2 kleineren Ansaugquerschnitt als eine konventionelle Gasturbine gleicher Leistung. Die folgenden Komponenten einer Kombianlage werden nicht gebraucht:
Abhitzekessel (HRSG),
Dampfturbine,
Kondensator,
Speisewasseraufbereitung.

[0028] Dafür wird der Rekuperator 15 gebraucht (der aber wegen des höheren Druckes kleiner ist als der vergleichbare HRSG), sowie ein Vorkühler 17, der zwischen dem Niederdruckausgang des Rekuperators 15 und dem Eingang des Hauptverdichters 11 angeordnet ist. Insbesondere ist die Ausrüstung für die CO2-Abscheidung kleiner als bei einer vergleichbaren Kombianlage, da nur etwa der halbe Massenstrom zu verarbeiten ist. Es ist aber auch möglich, das CO2 unter Druck abzuscheiden (siehe das unter Druck arbeitende CO2-Absorptionssystem 49 in Fig. 3), wodurch die CO2 Abscheideanlage bezogen auf die elektrische Leistung noch kleiner gebaut werden kann.

[0029] Als Brennstoff für die Brennkammer 16 kann grundsätzlich alles eingesetzt werden, was heute in Gasturbinen und verwandten Prozessen verwendet wird (brennbare Gase aller Art, flüssige Kohlenwasserstoffe, etc.). Dazu könnte auch mehr oder weniger reiner Wasserstoff gehören, wobei man dann natürlich auf eine CO2-Abscheidung verzichten wird. Alle über die CO2-Abscheidung hinausgehenden anderen Vorteile des erfindungsgemässen Konzeptes, wie z.B. die hohe Leistungsdichte und die konkurrenzlose Betriebsfähigkeit im Teillastbereich, bleiben ohne Wirkungsgradeinbusse und ohne erhöhte Abgasemissionen erhalten, dies gilt auch beim Einsatz eines wasserstoffhaltigen Gases für die Verbrennung.

[0030] Das Wirkungsgradpotential einer erfindungsgemässen Anlage ohne CO2-Abscheidung ist vergleichbar mit einer konventionellen Kombianlage ohne CO2 Abscheidung, besonders wenn wirkungsgradsteigernde Merkmale eingebaut werden, wie Kompression mit Zwischenkühlung, geschlossene Kühlsysteme und Brennstoffvorwärmung.

[0031] Wird für die CO2-Abscheidung einer der bekannten Absorptionsprozesse eingesetzt, kann dabei die von dem Vorkühler 17 und/oder einem am Ausgang der Turbine 24 der Ladegruppe 36 angeordneten Überschussgas-Kühler 21 gelieferte Abwärme (im Bereich von 100[deg.]C bis 300[deg.]C) genutzt werden, ohne dass eine Wirkungsgradeinbusse entsteht, wie das bei einem bekannten Kombiprozess (auch "CC" oder "GUD" genannt) sonst der Fall wäre. Eine CO2-Absorptionsanlage kann gemäss dem vereinfachten Beispiel aus Fig. 1oder Fig. 4eine CO2-Absorptionssäule 26 und eine CO2-Desorptionssäule 27 umfassen, welche untereinander über eine erste Verbindungsleitung 30 für CO2-reduziertes Sorptionsmittel und eine zweite Verbindungsleitung 31 für CO2-angereichertes Sorptionsmittel wechselseitig in Verbindung stehen.

[0032] Für den thermodynamischen Prozess wäre es an sich günstig, den Sauerstoff der angesaugten Luft vollständig für die Verbrennung aufzubrauchen. Das hätte aber folgende Nachteile zur Folge: Das Risiko unvollständiger Verbrennung, die mögliche Bildung anderer Schadstoffe, die Korrosion an den heissen Bauteilen in Zonen mit reduzierendem Heissgas. Ein minimaler Sauerstoffüberschuss in der Brennkammer sollte daher aufrechterhalten werden. Die Gasturbinenanlage der Erfindung wird daher vorzugsweise mit einem mittleren Restsauerstoffgehalt nach der Brennkammer 16 von mindestens 0,5% betrieben.

[0033] Die Leistungsdichte kann weiterhin durch Zugabe eines sauerstoffhaltigen Gases oder einer sauerstoffhaltigen Flüssigkeit noch erhöht werden. Diese Zugabe erfolgt zweckmässigerweise zwischen der letzten Kühlfluidabzweigung (Versorgungsleitung 33) im Rekuperator 15 und der Brennkammer 16. Eine solche (variable) Zugabe eines sauerstoffhaltigen Fluids kann auch zur vorübergehenden (schnellen) Leistungserhöhung (aus einem Vorratsbehälter) erfolgen. Das letztere wird auch Power Augmentation genannt.

[0034] Bei einem Verlust der elektrischen Netzverbindung der Hauptmaschine sollte, wie bei Gasturbinen üblich, der Brennstoffzustrom über die Brennstoffzufuhr 18 sofort automatisch stark gedrosselt werden. Wegen des Rekuperators 15 ist dies aber unter Umständen nicht genügend wirksam, um eine unzulässige Überdrehzahl zu vermeiden. Als zusätzliches Merkmal ist daher vorzugsweise ein Schnellentlastungsventil 35 in der Verbindung zwischen Hauptverdichter 11 und Brennkammer 16 angeordnet (Fig. 1 und Fig. 4). Dieses Ventil öffnet bei Überschreiten von gewissen Drehzahlgrenzen automatisch, teilweise oder ganz, und senkt den Druck in dieser Verbindung ab (parallel zum gleichzeitig auszulösenden Brennstoffschnellschluss). Das Schnellentlastungsventil 35 wird zweckmässigerweise auf der kalten Seite des Rekuperators 15 angeordnet, wie dies in den Figuren gezeigt ist.

[0035] Die Anordnung der Hauptmaschine mit Rekuperator 15 und Vorkühler 17 in einem gemeinsamen Druckbehälter 40, 40 (Fig. 2 und Fig. 3), mit dem Druckniveau der Ansaugung von Hauptverdichter 11, erlaubt, die kostengünstige Auslegung der Niederdruckseite der Wärmetauscher auf Druckdifferenzen in der Grössenordnung des eigenen Druckabfalls. In dem Druckbehälter 40, 40 ist die Hauptmaschine mit dem zweiteiligen Hauptverdichter 11a und 11b mit Zwischenkühler 38, der Brennkammer 41 mit Brennstoffzufuhr 18 und der Hauptturbine 12 auf der linken Seite angeordnet.

Das Abgas der Hauptturbine 12 wird über einen Diffusor 42 in die Niederdruckseite des nachfolgenden Rekuperators 15 eingeführt, dann durch den unmittelbar anschliessenden Vorkühler 17 geschickt und als Rezirkulationsströmung 43 im Zwischenraum zwischen Druckbehälterwand und Rekuperator 15 zur Ansaugseite des Niederdruckverdichters 11a zurückgeführt. Der Druckbehälter wird daher auf dem Temperaturniveau der Abströmung aus dem Vorkühler gehalten, also etwa auf Raumtemperatur, was seine Auslegung vereinfacht. Das im Hauptverdichter 11a, 11b verdichtete Fluid wird im Gegenstrom zur Niederdruckseite des Rekuperators 15 zur Brennkammer 41 geleitet. Der Zwischenkühler 38 wird mit Kühlwasser 39 betrieben, der Vorkühler 17 mit einem Kühlmedium 44, das Wasser und/oder Dampf sein kann.

Der Vorkühler 17 arbeitet gleichzeitig als Kondensator und weist entsprechend ein Kondensatauslass 34 auf. Die ausserhalb des Druckbehälters 40, 40 angeordnete Ladegruppe 36 saugt über einen Lufteinlass 20 Luft an, verdichtet sie im Verdichter 23 und speist sie zwischen Rekuperator 15 und Vorkühler 17 in den Rezirkulationsweg ein. Der über eine Überschussgas-Entnahmeleitung 19 entnommene Abgas-Teilstrom wird durch die Turbine 24 der Ladegruppe 36 geführt und über einen Abgasauslass 45 an die Atmosphäre, einen Vorkühler oder an eine (in Fig. 2 nicht dargestellte) CO2-Abscheideanlage gemäss Fig. 1oder dgl. abgegeben.

[0036] Der Hauptgenerator 14 kann dabei innerhalb oder ausserhalb des Druckbehälters 40, 40 angeordnet werden. Bei Anordnung innerhalb des Druckbehälters 40, 40, wie sie in Fig. 2 und Fig. 3 dargestellt ist, sollte der Hauptgenerator 14 ein Wasserstoffkühlsystem haben, um die Spaltreibungsverluste klein zu halten. Bei Anordnung ausserhalb des Druckbehälters 40, 40 ist auch ein Generator mit Luftkühlung möglich. Für unerwartete Betriebszustände kann in der Konfiguration mit Druckbehälter 40 gemäss Fig. 2ein Ablassventil 53 sowie ein Überdruckbegrenzungsventil 54 aus diesem Druckbehälter vorgesehen werden.

[0037] Bei grösseren Anlagen ist der Druckbehälter 40, 40 bei abgestellter Maschine und nach Spülung mit sauberer Luft für Inspektion und Service begehbar. Hierzu dient gemäss Fig. 3 wenigstens ein Mannloch 55 sowie eine (nicht dargestellte) Schaltung, bei welcher die Ladegruppe 36 zusammen mit der langsam angetriebenen Hauptmaschine 11, 12, 13, 14 zum Spülen mit Luft eingesetzt wird, wobei die Brennstoffzufuhr 18 durch mindestens zwei serielle Ventile abgesperrt bleiben muss.

[0038] Ein Spülzyklus, wie soeben beschrieben, ist auch vor jedem Start nötig, insbesondere bei gasförmigen Brennstoffen, welche sich durch Undichtheiten in den Kavitäten der Maschinen und Wärmetauscher angesammelt haben könnten und ein Explosionsrisiko darstellen. Besonderes Merkmal wäre eine Verriegelung der Brennstoffzufuhr und der Zündung, dies so lange, bis eine Spülung des Systems im relevanten Zeitintervall nachgewiesen ist.

[0039] Die Nutzung des von der Ladegruppe 36 aufgebauten Aufladedruckes zur Leistungsregulierung bei (nahezu) konstant gehaltener Hauptturbineneintrittstemperatur hat den Vorteil eines nahezu konstanten Teillastwirkungsgrades und eines konstanten CO2-Gehaltes im Abgas auch bei Teillastbetrieb (lediglich die Abgasmenge wird etwa proportional zur Leistung kleiner). Da die Verbrennung auch bei sehr tiefer Teillast im nominellen Temperaturbereich gehalten wird, und da auch die Verweilzeiten in der Brennkammer konstant gehalten werden können, sind auch keine erhöhten NOx, CO und UHC Konzentrationen im Abgas zu erwarten. Diese sogenannte "Inventarregelung" mit einer Ladegruppe 36 ist dann besonders vorteilhaft, wenn sie sowohl den eintretenden wie auch den austretenden Gasstrom unabhängig voneinander regulieren kann.

Dabei werden vorzugsweise eine variable Drehzahl und/oder bewegliche Leitreihen bei Verdichter 23 und Turbine 24 verwendet. Der Motor 25 soll dabei auch als Generator arbeiten können, und über einen elektronischen Frequenzkonverter mit dem elektrischen Netz verbunden sein. Letzterer kann auch dazu benutzt werden, die Ladegruppe 36 anzuwerfen. Eine vorteilhafte Alternative gemäss Fig. 5 sind separate Antriebe von Ladekompressor mit Motor 57 bzw. Ladeturbine mit Generator 59, deren Drehzahlen über Frequenzkonverter separat regelbar sind.

[0040] Für die Ladegruppe 36 wird vorteilhaft ein Druckverhältnis zwischen kapp über 1 und einem maximalen Auslegungswert von 4 bis 10 verwendet, wobei Teillastzustände mit einem Druckverhältnis zwischen den beiden Werten gefahren werden. Wenn die Ladegruppe 36 für ein minimales Druckverhältnis kleiner als 1 ausgelegt wird, können aber auch noch tiefere Teillastbetriebszustände als etwa 10... 25% gefahren werden. Es wäre auch denkbar, die Ladegruppe mit einem Druckverhältnis von etwa 1 zu betreiben, was technisch durch zuschaltbare Bypassleitungen mit oder ohne Drosselungen anstelle von Ladeverdichter und Ladeturbine bewerkstelligt werden könnte.

In den letzten beiden Fällen könnten auch an verschobenen Anschlussstellen mit dem Prozess der Hauptgasturbine verwendet werden, z.B der Frischlufteintritt (direkt oder nach Drosselung oder nach einem Expander) zwischen Vorkühler und Hauptkompressor.

[0041] Für die Hauptmaschine 11,12 wird vorteilhaft ein Druckverhältnis von 6 bis 12 verwendet. Diese Maschine braucht keine verstellbaren Leitschaufeln wegen der Regelung durch den Aufladedruck. Es ist aber denkbar, dass das Betriebskonzept oder die schon erwähnte Power Augmentation mit sauerstoffhaltigem Fluid doch eine Volumenstromregelung benötigen. Das könnte dann entweder mit verstellbaren Verdichterleitschaufeln im Hauptverdichter 11 oder mit einem verstellbaren Bypass der Brennkammer 16 erfolgen.

[0042] Die Turbineneintrittstemperatur der Hauptmaschine wird vorteilhaft im Bereich 1000[deg.]C bis über 1300[deg.]C (sogenannte ISO-Mischtemperatur) festgelegt. Dabei werden die höheren Temperaturbereiche vorzugsweise mit einem höheren Druckverhältnis der Hauptmaschine kombiniert, um die Turbinenaustrittstemperatur auf den Auslegungsbereich des Rekuperators 15 zu begrenzen. Die Eintrittstemperatur des Turbinenabgases in den Rekuperator 15 liegt dabei im Bereich von 600 bis 800[deg.]C.

[0043] Für die Kühlfluidversorgung der Hauptturbine 12, des Rotors und/oder der Heissgasliner wird vorzugsweise über eine Versorgungsleitung 33 ein Teilstrom auf dem passenden Temperaturniveau (etwa 300[deg.]-500[deg.]C) aus dem Rekuperator 15 abgezweigt. Bei hochgezüchteten Anlagen können es auch mehrere Teilströme auf verschiedenen Temperaturniveaus sein und/oder dazu auch direkt aus dem Hauptverdichter 11 entnommene Teilströme, welche auch ein tieferes Druckniveau haben können.

[0044] Wenn der Hauptverdichter 11 der Hauptmaschine mit einer Zwischenkühlung ausgeführt wird (Aufteilung in Niederdruckverdichter 11a und Hochdruckverdichter 11b mit Zwischenkühler 38 gemäss Fig. 2 und Fig. 3), können 3 bis 6 Wirkungsgrad-Prozentpunkte gewonnen werden. Mit mehreren derartigen Zwischenkühlungen könnte der Wirkungsgrad noch weiter erhöht werden.

[0045] In Fig. 1 und Fig. 4 wird der mittels der Überschussfluid-Entnahmeleitung 19 an der Niederdruckseite des Rekuperators 15 entnommene Abgassteilstrom über die Turbine 24 der Ladegruppe 36 und einen Überschussfluid-Kühler 21 an eine Anlage zur CO2-Abscheidung weitergeleitet, die eine CO2-Absorptionssäule 26 und eine CO2-Desorptionssäule 27 umfasst, die untereinander durch eine erste Verbindungsleitung 30 für CO2-reduziertes Sorptionsmittel und eine zweite Verbindungsleitung 31 für CO2-angereichertes Sorptionsmittel wechselseitig in Verbindung stehen und einen CO2-Auslass 29 aufweisen bzw. CO2-reduziertes Abgas 28 abgeben. Zusätzlich wird aus dem Vorkühler 17 Wärme über eine Wärmeübertragungseinrichtung 32 an die CO2-Desorptionssäule 27 übertragen. Die gleiche Anordnung zur CO2-Abscheidung Hesse sich auch am Abgasauslass 45 der Ladegruppe 36 in Fig.2 vorsehen.

[0046] Als Alternative zu der in Fig. 1, 2 und 4 vorgesehenen CO2-Abscheidung kann auch eine CO2 Abscheidung unter Druck eingesetzt werden, die gemäss Fig. 3 zwischen dem Vorkühler 17 und dem Eintritt in den Hauptverdichter 11 in einem unter Druck stehenden CO2-Absorptionssystem 49 erfolgt. Das hat den Vorteil kleinerer Volumenströme, wodurch das CO2-Abscheidungssystem kleiner gebaut werden kann. In diesem Fall ist es zweckmässig, die vom Verdichter 23 der Ladegruppe 36 kommende Ladeluft mittels eines mit Kühlwasser 48 betriebenen Kühlers 47 separat nachzukühlen und erst nach der CO2-Abscheidung vor dem Hauptverdichter 11a, 11b zuzumischen. Die unter Druck arbeitende CO2-Absorptionsanlage 49 kann gleichzeitig oder später an das System angebaut werden, wobei im letzteren Fall die Sperrwände dann weggelassen werden, wie dies in Fig. 2dargestellt ist.

[0047] Um den Wirkungsgrad und die Leistungsdichte der Gasturbinenanlage noch weiter zu steigern, kann neben einer oder mehreren Zwischenkühlungen des Hauptverdichters 11 bzw. 11a, 11b für die Hauptturbine 12 und Brennkammerteile ein geschlossenes Kühlsystem 52 verwendet werden (Fig. 4). Das dafür notwendige Kühlfluid wird gemäss Fig. 4 stromab des Hauptverdichters 11 bzw. 11a, 11b entnommen, in einem Druckerhöhungsverdichter 50 weiter verdichtet und dann zur Kühlung von Brennkammer 16, Brennkammerliner, Übergangsstück oder/und vor allem der Hauptturbine 12, vorzugsweise im Bereich der heissesten Stufen, eingesetzt. Das verbrauchte (erwärmte) Kühlfluid wird stromauf der Brennkammer 16 an den Hauptkreislauf zurückgegeben.

Durch ein solches Kühlsystem können die Mischverluste in der Hauptturbine 12 vermindert werden, wodurch deren polytroper Wirkungsgrad gesteigert wird. Da in diesem Fall auch das (erwärmte und sauerstoffhaltige) Kühlfluid an der Verbrennung teilnimmt, erhöht sich auch die Leistungsdichte. Die Anordnung des Druckerhöhungsverdichters 50, wie gezeigt, hat den Vorteil, dass im geschlossenen Kühlsystem ein Überdruck gegen das umgebende Heissgas herrscht. Dadurch verhält sich das System im Falle von Undichtheiten sicherer, weil kein Heissgas in die Kühlkanäle eindringen kann. Als Variante könnte auch Dampf für ein solches geschlossenes Kühlsystem verwendet werden. Der erhitzte (genutzte) Kühldampf könnte dann entweder wie das genutzte Kühlfluid stromauf der Brennkammer 16 in den Hauptkreis eingeleitet werden oder in einem Bottoming-Cycle entspannt werden.

Ein derartiges Kühlsystem darf in den gekühlten Teilen auch etwas Kühlfluid in den Hauptprozess abgeben, sei es durch Leckagen oder lokal nötige Filmkühlung. Wesentlich ist, dass mindestens ein Teil des im Druckerhöhungsverdichter 50 auf einen höheren Druck gebrachten Kühlfluids nach Durchströmung der zu kühlenden Teile stromauf der Brennkammer 16 an den Hauptkreislauf zurückgegeben wird.

[0048] Der Vorkühler 17 und/oder der Kühler 21 (Fig. 1 und Fig. 4) können als Wärmetauscher oder aber auch als Spray-Kühler ausgebildet werden. Dabei wird in den aufsteigenden Fluidstrom extern zurückgekühltes Wasser eingesprüht. Das aus dem Fluid kondensierende Wasser erhöht die Menge des eingesprühten Wassers, so dass der Überschuss anderweitig verwendet werden kann, gegebenenfalls auch für einen externen Nasskühlturm oder als Brauchwasser.

[0049] Wegen des je nach Auslegung hohen Druckes in der Brennkammer 16 muss ein gasförmiger Brennstoff aus einer Pipeline gegebenenfalls komprimiert und nachfolgend auf seine Verwendungstemperatur erwärmt werden. Bei Flüssiggas wird die Verdampfung vorzugsweise erst nach dem Pumpen auf den erforderlichen Druck für Regelung und Einspritzung bewerkstelligt. Bei Flüssigbrennstoff wird der erforderliche Druck durch eine oder mehrere Pumpen erzeugt. Bei Teillastbetrieb kann Energie gespart werden, wenn der durch Kompressoren oder Pumpen erzeugte Brennstoffdruck dem Druckniveau der Brennkammer (zuzüglich Druckabfälle in Ventilen, Leitungen und Einspritzdüsen) angepasst wird.

[0050] Um den Sauerstoffgehalt im Abgas der Turbine 24 der Ladegruppe 36 so tief wie möglich zu halten, ist es zweckmässig, das Kühlmedium in der Versorgungsleitung 33 nicht - wie in Fig. 1 gezeichnet - dem Rekuperator 15 zu entnehmen, sondern es aus dem abgekühlten Abgas der Hauptturbine 12 direkt zu entnehmen und als Kühlfluid aufzubereiten. Dieses Fluid enthält weniger Sauerstoff und mehr CO2 als das vom Hauptverdichter 11 kommende Fluid. Vorteilhaft ist dabei die Fluidentnahme aus dem Abgas der Hauptturbine 12 vor der Zumischung der Frischluft aus dem Verdichter 23 der Ladegruppe 36 und separate Abkühlung (mit oder ohne Wasserkondensation) in einem zusätzlichen Nachkühler sowie Kompression in einem separaten Kompressor auf den von der Hauptturbine 12 (und gegebenenfalls der Brennkammer 16) benötigten Druck des Kühlfluids.

Diese Massnahme erhöht auch die Leistungsdichte, da mit dem so aufbereiteten Kühlfluid weniger Sauerstoff an der Brennkammer vorbei geleitet wird.

[0051] Unabhängig davon, ob eine CO2-Abscheidung durchgeführt wird oder nicht, kann die beschriebene Gasturbinenanlage weitere vorteilhafte Ausgestaltungen bzw. Merkmale aufweisen, die für sich genommen Erfindungsqualität besitzen und nachfolgend erläutert werden sollen:

[0052] Insbesondere können radiale und/oder axiale Bauarten der Beschaufelungen von Kompressoren und Turbinen sowie von volumetrisch arbeitenden Kompressions und/oder Expansionsmaschinen verwendet werden, wobei die axialen Turbomaschinenbauarten besonders bei höherer Leistung und im Hinblick auf hohe Beschaufelungswirkungsgrade zum Einsatz kommen sollen und die volumetrischen Maschinen bei kleinen Leistungen.

[0053] Besonders bei axialer Bauweise der Beschaufelung der Hauptmaschine (Hauptverdichter 11 und Hauptturbine 12) ist zu beachten, dass die Schaufelbiegespannungen proportional zum Aufladedruckverhältnis erhöht werden. Um das zu kompensieren, muss die Schaufelzahl pro Kranz verkleinert und die Schaufelsehnen müssen entsprechend vergrössert werden. Ein besonderes Merkmal der Turbomaschinen sind dabei Schaufelzahlen von unter 50 mindestens bei einzelnen Schaufelkränzen (gegenüber den sonst bei grossen Maschinen üblichen Schaufelzahlen von 50 bis über 200).

[0054] Beim Start muss die Hauptmaschine 11, 12, 13, 14 zusammen mit der Ladegruppe 36 angeworfen werden, wobei entweder die Generatoren 14 und 25 (bzw. der Motor 57) als Anwurfmotoren eingesetzt werden oder unabhängige Anwurfmaschinen mit elektrischem oder anderem Antrieb verwendet werden. Ein besonderes Merkmal wäre daher das Vorhandensein eines vom normalen Betriebszustand unabhängigen Anwurfsystems.

[0055] Bei einer Drehzahl des Hauptrotors (Welle 13) von z.B. 50 Umdrehungen pro Sekunde ist der technisch mögliche maximale Volumenstrom der Prozessluft durch die vorhandenen Werkstofffestigkeitseigenschaften (am Verdichtereintritt und am Turbinenaustritt) begrenzt. Das bewirkt bei einer klassischen (offenen) Gasturbine eine Leistungslimite von heute noch unter 400 MW. Durch die Aufladung des vorliegenden Prozesses mit der Ladegruppe 36 kann diese Limite proportional zum Verhältnis von Ladedruck zu Umgebungsdruck erhöht werden, bis die Ladegruppe 36, welche Luft bei Atmosphärendruck ansaugt, an dieselbe Grenze stösst. Das erlaubt die Erweiterung des Prozesses nach Fig. 1 auf Leistungsgrössen bis über 1000 MW mit einer Ladegruppe 36, und noch wesentlich höher bei Verwendung mehrerer parallel geschalteter Ladegruppen.

[0056] In einer noch besser regelbaren Konfiguration (Fig. 5) wird der Verdichter 23 der Ladegruppe 36 von einem separaten Elektromotor (57) getrieben, während die Turbine 24 der Ladegruppe 36 einen extra Generator (59) antreibt, wobei bei beiden Drehzahl/Drehmoment elektrisch regelbar sein kann. Im letzteren Fall muss der Turbinenteil entweder eine elektrische (zuschaltbarer Widerstand 62, 63) oder mechanische Notbremsvorrichtung haben und/oder ein Schnellschlussventil (56) (Siehe Fig. 5) in der Überschussgas-Entnahmeleitung 19. Die Fig. 5 zeigt des Weiteren, in einer summarischen qualitativen Darstellung, die vorzugsweise gemeinsame elektrische Netzverbindung 60 über einen gemeinsamen Netzschalter der Generatoren/Motoren 14, 57, 59.

Als besondere Merkmale können hierbei auch die Regelbarkeit der Differenz von Verdichter (23)- und Turbinen (24)-Massestrom mit einem oder mehreren der oben erwähnten Mittel bezeichnet werden, sowie die Verwendung des Ladeverdichterantriebes (57) als Anwurfmotor.

[0057] Für den Fall eines besonders tiefen Teillastbetriebes könnte der Ladeverdichter 23 bzw. eine parallel zuschaltbare Maschine als Expander arbeiten, wodurch der Ansaugdruck des Hauptverdichters 11 unter dem Umgebungsdruck liegen würde. Umgekehrt müsste dann die Ladeturbine 24 als Verdichter arbeiten. Besonderes Merkmal wäre dabei die Möglichkeit eines Druckverhältnisses unter 1 bei der Ladegruppe 36.

[0058] Sollte das System mit zwei oder mehr Generatoren und Motoren ausgebildet sein, so ist es zweckmässig, diese Maschinen derart parallel zusammenzuschalten, dass nur eine gemeinsame Netzverbindung (Fig. 5, Pos. 60) besteht. Das erlaubt, bei Verlust der Netzverbindung die Eigenversorgung der Anlage im Leerlaufbetrieb aufrecht zu erhalten.

[0059] Die Ladegruppe 36 (Verdichter 23 und/oder Turbine 24) kann in Ergänzung zur erwähnten variablen Drehzahl auch mit beweglichen Leitschaufeln ausgerüstet sein. Dadurch wird der Regelbereich noch grösser.

[0060] Zur Verbesserung der Regelfähigkeit können auch mehrere Verdichter 23 und/oder Turbinen 24 verschiedener Grösse in der Ladegruppe 36 parallel verwendet werden. Im Teillastbetrieb bleiben dann die grösseren Lademaschinen abgeschaltet und nur die kleinen bzw. die kleinste arbeiten. Dadurch kann auch der Teillastwirkungsgrad noch verbessert werden.

[0061] Bei insgesamt kleinen Einheitsgrössen ist auch die Verwendung von volumetrischen Maschinen (wie Kolbenmaschinen, Schraubenpumpen und/oder Schraubenmotoren oder Zahnradpumpen und/oder Zahnradmotoren etc.) als Ladeverdichter 23 bzw. Ladeturbine 24 sinnvoll. Bei diesen Maschinentypen lassen sich die Massenströme besonders gut über die Drehzahl regeln.

[0062] Anstelle von Zwischenkühlung kann auch Wasser in den Hauptverdichter 11 eingesprüht werden. Das ist technisch einfacher als Zwischenkühlung(en). Es wird heute an konventionellen Gasturbinen unter den Namen "High Fogging", "Over-fogging" oder ähnlich praktiziert. Merkmal ist dabei eine Wassereinsprühvorrichtung mit feinen Düsen am Verdichtereintritt oder/und zwischen einzelnen Verdichterstufen oder/und nach einer Zwischenkühlungsstufe. "High Fogging" kann sowohl beim Ladeverdichter 23 als auch beim Hauptverdichter 11 angewendet werden.

[0063] Zur weiteren Wirkungsgradsteigerung, welche mit den oben bereits erwähnten Massnahmen kombinierbar ist, kann der Brennstoff mit Wärme vorgewärmt werden, welche je nach Version und Temperaturniveau von einem der Vorkühler 17 oder 21 oder von einer Verdichter-Zwischenkühlung entnommen wird. Es wäre auch thermodynamisch vorteilhaft, einen Verdichter-Nachkühler für die Brennstoffvorwärmung einzusetzen. Allgemeines Merkmal ist eine Brennstoffvorwärmung, für welche die Abwärme aus einem oder mehreren in den Prozess integrierten Kühlern verwendet wird.

[0064] Vorteilhaft ist auch die Verwendung eines Isothermverdichters als Hauptverdichter 11, wie er z.B. in der Druckschrift DE-A1-10 050 697 beschrieben ist.

[0065] Vorteilhaft sind auch spezielle Anwendungen der oben beschriebenen Gasturbinenanlagen:

[0066] Die Anlagen können insbesondere als Schiffsantrieb eingesetzt werden: Heute werden Gasturbinen eingesetzt, wenn entweder geringe Vibrationen (Kreuzfahrtschiffe) oder eine hohe Spitzenleistung (Kriegsschiffe) gewünscht werden. Im letztgenannten Fall werden Gasturbinen oft in Kombination mit Dieselmotoren verwendet (sogenannte CODOG-Antriebe bei den Kriegsmarinen "Combined Diesel Or Gas turbines"). Konventionelle Gasturbinen haben aber einen deutlich tieferen Wirkungsgrad als Dieselmotoren und sind ungeeignet für tiefen Teillastbetrieb. Beide Nachteile werden durch ein oben erläutertes System (mit oder ohne CO2-Abscheidung) behoben, welches zudem leichter ist und eine kühlere thermische Signatur ausstösst. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemässen Systeme sind die gasturbinentypisch niedrigeren NOx-Emissionen im Vergleich zu Schiffdieselmotoren.

Merkmale sind dabei ein Schiffsantrieb mit einer oder mehreren Primärenergiequellen in der vorliegenden Form mit Kraftübertragung auf das Propulsionssystem durch Getriebe oder elektrisch, wobei elektrische Leistung auch für die schiffsinterne Stromversorgung ("Hotellast") verwendet werden kann.

[0067] Da in der Brennkammer 16 ein stickstoffhaltiges Gemisch verbrannt wird, müssen wie bei konventionellen Gasturbinen Massnahmen gegen die Entstehung von NOx getroffen werden. Besondere Merkmale dazu sind eine oder mehrere der folgenden Technologien: Verwendung von Vormischbrennern, Wasser- oder Dampfeinspritzung in die Flamme, Sequentielle Verbrennung (wie Gasturbine vom Typ GT26 der Anmelderin, deren Publikationen integrale Bestandteile der vorliegenden Beschreibung sind), Verwendung einer in den Rekuperator 15 im richtigen Temperaturbereich integrierten SCR ("Selective Catalytic Reduction")-Anlage oder einer SNCR("Selective non Catalytic Reduction")-Anlage 61. Das erfindungsgemässe System kann statt zur Stromerzeugung mit einem Generator auch als mechanischer Antrieb (z.B. für Pumpen, Kompressoren oder Propulsion eines Schiffes) benutzt werden.

In diesem Fall kann es zweckmässig sein, die Hauptmaschine 11, 12, 14 zweiwellig auszuführen, mit einer separaten Leistungsturbine (power turbine). Damit kann der Drehzahlbereich für den Betrieb erweitert werden. In diesem Fall könnte die Ladegruppe 36 für die Stromversorgung des Eigenbedarfs ausgelegt werden, falls kein elektrischer Netzanschluss zur Verfügung steht. Ein Hilfsdiesel oder eine andere Starthilfemethode wäre dann allerdings nötig.

[0068] Schliesslich kann für Anwendungen, bei welchen ein Maximum des Wirkungsgrades gewünscht wird, der höher temperierte Teil der Abwärme, welcher nicht für die CO2-Abscheidung oder/und Brennstoffvorwärmung gebraucht wird, in einem "Bottoming Cycle" (Beispiele: Rankine-Cycle oder Kalina-Cycle) zur Leistungsgewinnung oder Stromerzeugung genutzt werden. Ohne CO2-Abscheidung steht dafür natürlich mehr Abwärme zur Verfügung. Dabei entsteht ein Potential für einen noch höheren thermischen Nettowirkungsgrad.

Bezugszeichenliste

[0069]
<tb>10, 10, 40, 40<sep>Gasturbinenanlage

<tb>11<sep>Hauptverdichter

<tb>11a<sep>Niederdruckverdichter

<tb>11b<sep>Hochdruckverdichter

<tb>12<sep>Hauptturbine

<tb>13,22<sep>Welle

<tb>14<sep>Hauptgenerator

<tb>15<sep>Rekuperator

<tb>16<sep>Brennkammer

<tb>17<sep>Vorkühler

<tb>18<sep>Brennstoffzufuhr

<tb>19<sep>Überschussgas-Entnahmeleitung

<tb>20<sep>Lufteinlass

<tb>21<sep>Überschussgas-Kühler

<tb>23<sep>Verdichter (Ladegruppe)

<tb>24<sep>Turbine (Ladegruppe)

<tb>25<sep>Generator/Motor (Ladegruppe)

<tb>26<sep>CO2-Absorptionssäule

<tb>27<sep>CO2-Desorptionssäule

<tb>28<sep>Abgas (CO2-reduziert)

<tb>29<sep>CO2-Auslass

<tb>30<sep>Verbindungsleitung (CO2-reduziertes Sorptionsmittel)

<tb>31<sep>Verbindungsleitung (CO2-angereichertes Sorptionsmittel)

<tb>32<sep>Wärmeübertragungseinrichtung

<tb>33<sep>Versorgungsleitung (Kühlmedium)

<tb>34<sep>Kondensatauslass

<tb>35<sep>Schnellentlastungsventil

<tb>36<sep>Ladegruppe

<tb>38<sep>Zwischenkühler

<tb>39<sep>Kühlwasser

<tb>40<sep>Druckbehälter gemäss Fig. 2

<tb>40<sep>Druckbehälter gemäss Fig. 3

<tb>42<sep>Diffusor

<tb>43<sep>Rezirkulationsströmung (gekühltes Abgas)

<tb>44<sep>Kühlmedium (Dampf oder Wasser)

<tb>45<sep>Abgasauslass (CO2-Abscheidung)

<tb>46<sep>Abgasauslass (Kamin oder Kühler)

<tb>47<sep>Kühler

<tb>48<sep>Kühlwasser

<tb>49<sep>CO2-Absorptionssystem unter Druck

<tb>50<sep>Druckerhöhungsverdichter für das Kühlfluid

<tb>51<sep>Rückgabeleitung für das aufgewärmte Kühlfluid

<tb>52<sep>Geschlossenes Kühlsystem

<tb>53<sep>Ablassventil

<tb>54<sep>Überdruckbegrenzungsventil

<tb>55<sep>Mannloch

<tb>56<sep>Regel- und Schnellschlussventil in der Entnahmeleitung 19

<tb>57<sep>Motor des Ladeverdichters

<tb>58<sep>Rückschlagventil in der Ableitung des Ladeverdichters

<tb>59<sep>Generator der Ladeturbine

<tb>60<sep>Elektrisches Netz

<tb>61<sep>SCR- oder SNCR-System

<tb>62<sep>gekoppelte Umschaltung auf den Notbremswiderstand

<tb>63<sep>Notbremswiderstand

Claims

1. Gasturbinenanlage (10, 10; 40, 40) mit Abgasrückführung, umfassend mindestens eine ein- oder mehrwellige Hauptgasturbine (11, 12, 13, 16) mit mindestens einem Hauptverdichter (11; 11a, 11b) und mindestens einer Hauptturbine (12), welche einen Hauptgenerator (14) oder eine andere Maschine antreibt, sowie mindestens eine Brennkammer (16; 41), deren Ausgang mit dem Eingang der Hauptturbine (12) der Hauptgasturbine verbunden ist, eine Brennstoffzufuhr (18) aufweist und über die Hochdruckseite eines Rekuperators (15) Verbrennungsluft vom Ausgang des Hauptverdichters (11; 11a, 11b) der Hauptgasturbine erhält, wobei der Ausgang der Hauptturbine (12) und der Eingang des Hauptverdichters (11;

11a, 11b) der Hauptgasturbine zur Abgasrückführung über die Niederdruckseite des Rekuperators (15) und einen Kühler (17) verbunden sind, und wobei auf der Niederdruckseite des Rekuperators (15) eine Ladegruppe (36) mit einem Verdichter (23) und einer Turbine (24) angeordnet ist, welche Ladegruppe (36) über einen Lufteinlass (20) Luft ansaugt und mit dem Ausgang ihres Verdichters (23) an den Ausgang der Niederdruckseite des Rekuperators (15) und mit dem Eingang ihrer Turbine (24) an eine Überschussgas-Entnahmeleitung (19) auf der Niederdruckseite des Rekuperators (15) angeschlossen ist, und wobei Mittel (26, ..., 32; 49) zur Abscheidung von CO2 einsetzbar sind, welche aus den zurückgeführten Abgasen der Hauptgasturbine (11, 12, 13, 16) und/oder aus dem aus der Ladeturbine (24) kommenden Abgas CO2 abscheiden.

2. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittstemperatur der Abgase aus der Hauptturbine (12) in den Rekuperator (15) im Bereich von 600[deg.]-800[deg.]C liegt.

3. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die Verdichter (11, 11 a, 11 b) mit Zwischenkühlungen (38) betreibbar sind.

4. Gasturbinenanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Prozessabwärme aus einem oder mehreren Kühlern an den Brennstoff übertragbar ist.

5. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptturbine 12 Schaufelkränze mit weniger als 50 Schaufeln aufweisen.

6. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladegruppe (36) eine elektrische Notbremsvorrichtung (62,63) und/oder ein Regel- bzw. Schnellschlussorgan (56) in der Überschussgas-Entnahmeleitung (19) aufweist.

7. Gasturbinenanlage nach den Ansprüchen 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Generatoren (14, 59) und die Motoren (57, 25) parallel geschaltet sind, dergestalt, dass nur eine gemeinsame Netzverbindung (60) besteht.

8. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Ladegruppe (36) gehörenden Strömungsmaschinen (23, 24) mit beweglichen Leitschaufeln ausgerüstet sind.

9. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Ladegruppe (36) gehörenden Strömungsmaschinen (23, 24) mehrfach vorgesehen sind und verschiedene Grössen aufweisen.

10. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Ladegruppe (36) gehörenden Strömungsmaschinen aus volumetrischen Maschinen bestehen.

11. Gasturbinenanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die volumetrischen Maschinen Kolbenmaschinen, Schraubenpumpen oder Schraubenmotoren, Zahnradpumpen oder Zahnradmotoren sind.

12. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Ladegruppe (36) der Verdichter (23) und die Turbine (24) über eine gemeinsame Welle (22) mit einem Generator/Motor (25) verbunden sind.

13. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühler (17) als Vorkühler mit einem von aussen zugeführten Kühlmedium (44), insbesondere in Form von Wasser oder Dampf, betrieben wird und einen Kondensatauslass (34) zum Ablassen des im Vorkühler (17) kondensierten Wassers aufweist.

14. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorkühler (17) über eine Wärmeübertragungsvorrichtung (32) Wärme mit den Mitteln (26,..,32) zur Abscheidung von CO2 oder für andere thermische Zwecke austauscht.

15. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang der Turbine (24) der Ladegruppe (36) mit den Mitteln (26, ..., 32) zur Abscheidung von CO2 in Verbindung steht, und dass in dieser Verbindung ein Überschussgas-Kühler (21) angeordnet ist.

16. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Abscheidung von CO2 zwischen dem Vorkühler (17) und dem Eingang des Hauptverdichter (11) angeordnet sind.

17. Gasturbinenanlage nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Abscheidung von CO2 ein unter Druck arbeitendes CO2-Absorptionssystem (49) ist.

18. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (26, ..., 32; 49) zur Abscheidung von CO2 eine CO2-Absorptionssäule (26) und eine CO2-Desorptionssäule (27) umfassen, welche untereinander über eine erste Verbindungsleitung (30) für CO2-reduziertes Sorptionsmittel und eine zweite Verbindungsleitung (31) für CO2-angereichertes Sorptionsmittel wechselseitig in Verbindung stehen.

19. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verbindung zwischen dem Hauptverdichter (11) und der Brennkammer (16), insbesondere auf der kalten Seite des Rekuperators (15), ein Schnellentlastungsventil (35) angeordnet ist.

20. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptgasturbine (11, 12, 13, 16) und der Rekuperator (15) und/oder der Vorkühler (17) in einem gemeinsamen Druckbehälter (40, 40) angeordnet sind, und dass für unerwartete Betriebszustände am Druckbehälter (40, 40) ein Ablassventil (53) und/oder ein Überdruckbegrenzungsventil (54) vorgesehen sind.

21. Gasturbinenanlage nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptgenerator (14) innerhalb des Druckbehälters (40, 40) angeordnet ist und ein Wasserstoffkühlsystem aufweist.

22. Gasturbinenanlage nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptgenerator (14) ausserhalb des Druckbehälters ((40, 40) angeordnet ist und eine Luftkühlung und/oder eine Wasserstoffkühlung aufweist.

23. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter (40, 40) für Inspektion und/oder Service begehbar ausgebildet ist und wenigstens ein Mannloch (55) sowie Mittel zur Ventilation mit Luft und eine sichere Absperrung der Brennstoffzufuhr vor Inangriffnahme der Inspektion aufweist.

24. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kühlfluidversorgung der Hauptturbine (12) und anderer thermisch belasteter Teile der Hauptgasturbine ein oder mehrere Teilströme aus dem Rekuperator (15) abgezweigt und über mindestens eine Versorgungsleitung (33) an die zu kühlenden Stellen geführt ist.

25. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 1-24, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptturbine (12) ein geschlossenes Kühlsystem (52) aufweist, welches über einen Druckerhöhungsverdichter (50) mit stromab des Hauptverdichters (11) entnommenem Kühlfluid versorgt ist und das erwärmte Kühlfluid stromauf der Brennkammer (16) im oder nach dem Rekuperator (15) in den Hauptkreislauf einströmbar ist.

26. Gasturbinenanlage nach den Ansprüchen 1 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (26, ..., 32; 49) zur Abscheidung von CO2 zwischen dem Vorkühler (17) und dem Eingang des Hauptkompressors (11) angeordnet sind, und dass die Mittel ein unter Druck arbeitendes CO2-Absorptionssystem (49) umfassen.

27. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 1-26, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsgrösse über 400 MW ist, und dass eine oder mehrere parallel geschaltete Ladegruppen (36) verschiedener Grösse verwendet werden.

28. Verfahren zum Betrieb einer Gasturbinenanlage in einem teilgeschlossenen, aufgeladenen Gasturbinenkreislauf, bei welchem Verfahren-Brennstoff in einer Brennkammer (16) unter Zuführung eines Verbrennungsluft enthaltenden gasförmigen komprimierten Arbeitsmediums verbrannt, das heisse Verbrennungsgase enthaltende Arbeitsmedium in der Hauptturbine (12) der Hauptgasturbine (11, 12, 13, 16) unter Arbeitsleistung entspannt, dem entspannten Arbeitsmedium in einem nachfolgenden Rekuperator (15) und einem Kühler (17) Wärme entzogen wird, das abgekühlte Arbeitsmedium anschliessend in dem Verdichter (11) der Hauptgasturbine (11, 12, 13, 16) komprimiert und dem komprimierten Arbeitsmedium vor dem erneuten Eintritt in die Brennkammer (16) im Rekuperator (15) Wärme zugeführt wird, und bei welchem Verfahren auf der Niederdruckseite des Rekuperators (15)

ein Teilstrom des entspannten Arbeitsmediums an einer auf einem geeigneten ersten Temperaturniveau befindlichen Entnahmestelle (19) entnommen und in der Turbine (24) der Ladegruppe (36) weiter entspannt wird, und durch den Verdichter (23) der Ladegruppe (36) Luft angesaugt und verdichtet und die verdichtete Luft dem Arbeitsmedium auf der Niederdruckseite des Rekuperators (15) zugeführt wird.

29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass aus den rückgeführten Abgasen der Hauptturbine (11, 12, 13, 16) und/oder aus den Abgasen der Ladeturbine (24) CO2abgeschieden wird.

30. Verfahren nach einem der Ansprüche 28, 29, dadurch gekennzeichnet, Verdichter (23) und Turbine (24) der Ladegruppe (36) mit separaten Motor/Generator Einheiten (57, 59) verbunden sind, welche mit verschiedenen geregelten Drehzahlen betrieben werden.

31. Verfahren nach einem der Ansprüche 28, 29, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kühlung der Hauptturbine (12) oder eines Heissgasliners über eine Versorgungsleitung (33) ein Teilstrom aus dem Rekuperator (15) entnommen wird.

32. Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilstrom an Kühlmedium auf einem Temperaturniveau von 300[deg.]-500[deg.] C entnommen wird.

33. Verfahren nach den Ansprüchen 31 und/oder 32, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kühlung der Aggregate mehrere Teilströme auf unterschiedlichen Temperaturniveaus entnommen werden.

34. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptturbine (12) ein geschlossenes Kühlsystem aufweist, welches über einen Druckerhöhungsverdichter (50) mit stromab des Hauptverdichters (11) entnommenem Kühlfluid versorgt wird und das erwärmte Kühlfluid stromauf der Brennkammer (16) in den Hauptkreislauf zurückströmt.

35. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 34 dadurch gekennzeichnet, dass vor der Brennkammer (16) über mindesten ein Regelorgan eine Zugabe eines reinen Sauerstoffs oder eines sauerstoffhaltigen Fluids in den Kreislauf vorgenommen wird.

36. Verfahren nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass zu einer vorübergehenden schnellen Leistungssteigerung der Anlage die Zugabe zwischen einer Versorgungsleitung (33) im Rekuperator (15) und der Brennkammer (16) erfolgt.

37. Verfahren nach einem der Ansprüche 28, 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasturbinenanlage vor jedem Start einem Spülzyklus unterzogen wird.

38. Verfahren nach einem der Ansprüche 28, 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptgasturbine (11) zusammen mit der Ladegruppe (36) angeworfen wird, entweder durch Generatoren (14, 25), welche als Anwurfmotoren geschaltet werden, den Motor (57) oder durch andere unabhängige Anwurfmaschinen.

39. Verfahren nach einem der Ansprüche 28, 29, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladekompressor (23) die zu Atmosphärendruck angesaugte Luft genau auf den Druck am Eintritt in den Kühler (17) komprimiert.

40. Verfahren nach einem der Ansprüche 28, 29, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff vorgewärmt wird, und dass die Wärme für die Vorwärmung des Brennstoffes aus einem oder mehreren der in den Prozess integrierten Kühler kommt.

41. Verfahren nach einem der Ansprüche 28, 29, dadurch gekennzeichnet, dass die zur CO2-Abscheidung und/oder Brennstoffvorwärmung nicht benötigte Wärme zum Betrieb eines Bottoming-Cycle verwendet wird.

42. Verfahren nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, dass der Bottoming-Cycle ein Rankine-Cycle oder Kalina-Cycle ist.

43. Verfahren nach einem der Ansprüche 28, 29, dadurch gekennzeichnet, dass Fluid aus dem kalten Ende des Niederdruckteils des Rekuperators vor der Zumischung der Frischluft entnommen wird, welches nach separater Abkühlung und Kompression als sauerstoffarme und CO2-reiche alternative Kühlfluidversorgung (33) eingesetzt wird.

44. Verfahren nach einem der Ansprüche 28, 29, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Restsauerstoffgehalt am Ausgang der Brennkammer (16) mindestens 0,5% beträgt.

45. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung der Gasturbinenanlage durch Regelung des durch den Verdichter (23) der Ladegruppe (36) aufgebauten Aufladedruckes geregelt wird.

46. Verfahren nach Anspruch 45, dadurch gekennzeichnet, dass der durch den Verdichter (23) der Ladegruppe (36) strömende Gasstrom und der durch die Turbine (24) der Ladegruppe (36) strömende Gasstrom separat geregelt werden, entweder durch variable Drehzahl der gemeinsamen Welle oder variable Drehzahl bei Einzelantrieb mit zwei Motor/Generatoren und/oder bewegliche Leitreihen im Verdichter (23) und/oder Turbine (24).

47. Verfahren nach einem der Ansprüche 45 bis 46, dadurch gekennzeichnet, dass für die Ladegruppe (36) ein Druckverhältnis zwischen einen Minimalwert und einem maximalen Auslegungswert zwischen 4 bis 10 verwendet wird, wobei Teillastbetrieb mit einem Ladedruckverhältnis zwischen dem Minimalwert und dem maximalen Auslegungswert erfolgt.

48. Verfahren nach Anspruch 47, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladegruppe (36) mit einem Kompressor-Druckverhältnis von etwa 1 oder darunter durch zuschaltbare Bypassleitungen mit oder ohne Drosselung anstelle von Ladeverdichter und Ladeturbine betrieben wird, wobei auch verschobene Anschlussstellen zum Prozess der Hauptgasturbine vorsehbar sind.

49. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 28-48, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leistungssteigerung durch Zuführung eines zerstäubten liquiden Fluids in mindestens einen der Verdichter (11, 11a, 11b, 23) bewerkstelligt wird.

50. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 28-49, dadurch gekennzeichnet, dass das Öffnen des oder der Brennstoffventile und die Zündung verriegelt bleiben, soweit nicht ein Spülzyklus mit Luft innerhalb einer Sperrfrist abgelaufen ist.

51. Anwendung und Verwendung von einer oder mehreren Gasturbinenanlagen und/oder des Verfahren zum Betrieb der Gasturbinenanlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 -50 als Alternative zu CODOG-Antrieben (Combined Diesel or Gas Turbinen), mit Verwendung der Nutzleistung zur Propulsion und/oder Stromversorgung von Schiffen.