DE10297365T5

DE10297365T5 - Gasturbine

Info

Publication number: DE10297365T5
Application number: DE10297365T
Authority: DE
Inventors: Elisabetta Dr. Carrea; Timothy Dr. Griffin; Peter Dr. Jansohn
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: Ansaldo Energia Switzerland AG
Priority date: 2001-10-26
Filing date: 2002-10-18
Publication date: 2005-02-17
Anticipated expiration: 2022-10-19
Also published as: GB2399600B; US20070261408A1; US7305831B2; JP2005516141A; DE10297365B4; WO2003036064A1; GB0409240D0; GB2399600A

Abstract

Gasturbine, die in einem hoch verdünnten Modus betrieben wird, wobei die Gasturbine Folgendes umfasst:
einen Kompressor, der Oxidationsmittel verdichtet;
eine Verbrennungskammer, die das verdichtete Oxidationsmittel aufnimmt und einen Ausgang für ein Rauchgas besitzt;
eine Turbine und
ein Rauchgasrezirkulationsmittel, um das Rauchgas von der Verbrennungskammer zu rezirkulieren und das Rauchgas mit dem verdichteten Oxidationsmittel aus dem Kompressor zu vermischen, um einen hoch verdünnten Verbrennungsmodus mit einem Rauchgasrezirkulationsdurchfluss von 100% bis 200% bereitzustellen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasturbine und ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine.

Gasturbinen funktionieren auf der Grundlage der Verbrennung von fossilem Brennstoff. Die Prozesse der Verbrennung von fossilem Brennstoff unterliegen heute zwei Hauptauflagen, die miteinander kontrastieren. Einerseits sollte ein Verbrennungsprozess die höchst mögliche Effizienz erzielen (um Brennstoff zu sparen und CO₂-Emissionen zu verringern), andererseits sollte der Prozess die Schadstoffemissionen (zum Beispiel NOx) minimieren.

Eine der am weitesten verbreiteten Methoden zum Verbessern der Effizienz eines Verbrennungsprozesses ist die Verwendung des starken Vorheizens der Verbrennungsluft. Dieser Ansatz bewirkt, dass die Verbrennung bei relativ hohen Flammentemperaturen stattfindet und die Energie der Hochtemperaturverbrennungsgase schließlich auf die Verbrennungsluft übertragen wird, indem ein rückgewinnender oder regenerierender Wärmeübertrager verwendet wird. Ein Nachteil der hoch vorgewärmten Verbrennungsluft besteht darin, dass die Flamme gesteigerte Spitzentemperaturen aufweist, die sich katastrophal auf den thermalen NOx-Bildungsverlauf auswirken.

Hinsichtlich der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen wurden Forschungen ausgeführt, wobei verdünnte Reaktionsgemische verwendet wurden, die durch die Rezirkulation von Rauchgasen auf einer Temperatur über der Selbstentzündungsschwelle gehalten werden. Die Verwendung der Rauchgase verdünnt das Reaktionsgemisch und liefert die Energie für eine Selbstentzündung.

Die Rezirkulation von Rauchgasen steigert den Gehalt an inerten Stoffen in einem Gemisch. Frühere Nachforschungen im Bereich der Entflammbarkeitsgrenzen für die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen und Luft [Zabetakis, 1965] zeigten, dass es möglich ist, entflammbare Gemische bei Rezirkulationsdurchflüssen von bis zu 50% zu erzielen. Neuere Nachforschungen zielten auf die Bereitstellung zuverlässiger Betriebsbedingungen für praktische Systeme ab und haben gezeigt, dass Rezirkulationsdurchflüsse von bis zu 30% als NOx-reduzierende Technik verwendet werden können [Wilkes und Gerhold, 1890]. Der Rezirkulationsdurchfluss R wird als das Verhältnis der Durchflussrate des rezirkulierten Rauchgases und der Durchflussrate des frischen Gemischs definiert, das in die Verbrennungskammer eingespeist wird:

wobei:
G_IR = das in der Verbrennungskammer rezirkulierte Rauchgas ist;
G_ER = das außerhalb der Verbrennungskammer rezirkulierte Rauchgas ist,
F = der Brennstoff und
Ox = das frische Oxidationsmittel (gewöhnlich Luft) ist.

Kürzlich wurde festgestellt, dass es möglich ist, eine Flamme bei einem viel höheren Rauchgasrezirkulationsdurchfluss zu stabilisieren. Das kann einen Verbrennungsmodus ergeben, der eine nicht sichtbare, nicht hörbare Flamme ergibt. Eine solche Flamme geht mit gleichförmigen Temperatur- und Konzentrationsprofilen und Abwesenheit heißer Stellen einher.

Dieser alternative Verbrennungsmodus, der für den Zweck des vorliegenden Dokuments als "hoch verdünnte Verbrennung" bezeichnet wird, ergibt sich als ein Ergebnis des sehr hohen Verdünnungsniveaus des Reaktionsgemischs. Das hohe Verdünnungsniveau verhindert das Bilden lokaler Temperaturspitzen und verringert dadurch die NOx-Bildung. Um eine Betriebsanordnung zu erzielen, die die Selbstentzündung des entflammbaren verdünnten Gemisches nutzt, ist es notwendig, eine Gemischtemperatur bereitzustellen, die über dem Schwellenwert der Selbstentzündung liegt. Eine solche Bedingung ergibt einen sehr niedrigen Temperaturunterschied zwischen der ursprünglichen und der adiabatischen Flammentemperatur im Vergleich zu herkömmlichen sichtbaren unverdünnten Flammen.

wobei:
Tad = die adiabatische Temperatur (K);
T_in = die ursprüngliche Temperatur des Reaktionsgemischs (K);
ΔH_R = die Hitze der Reaktion (KJ/kg);
c_p = die spezifische Hitze des Reaktionsgemischs;
Y_Brenn = der molare Anteil des verbrannten Brennstoffs;
R = der Rezirkulationsdurchfluss;
F = der Molardurchfluss des Brennstoffs und
Ox = der molare Durchfluss des Oxidationsmittels ist.

Die beiden oben stehenden Gleichungen geben an, dass der Unterschied zwischen der adiabatischen Temperatur (T_ad) und der ursprünglichen Temperatur (T_in) des Gemisches sinkt, während R steigt. Der Rezirkulationsdurchfluss R wirkt auf den Wert der ursprünglichen Temperatur (T_in) ein, denn dies ist das Ergebnis eines Energiegleichgewichts zwischen dem rezirkulierten Rauchgas und dem frischen Oxidationsmittelstrom, der in die Verbrennungskammer eingespeist wird. Der Wert von R wirkt sich jedoch nicht auf den Wert der adiabatischen Temperaturen (T_ad) aus, wie die weitere Ausarbeitung der oben stehenden Gleichungen verbunden mit Standardgleichungen adiabatischer Verbrennung zeigt:

wobei:

T_oxi = die Einlasstemperatur des Oxidationsmittels;
ϕ = das Äquivalenzverhältnis und
Y_oxi = der molare Anteil des Oxidationsmittels ist.

Die Anwendung der hoch verdünnten Verbrennung stützte sich bisher auf ein getrenntes Einspritzverfahren von Brennstoff und Luft in die Verbrennungskammer, um einen zweiteiligen Mischprozess zu erzielen. Frische Luft wird mit dem rezirkulierten Rauchgas gemischt, das weiter mit Brennstoff gemischt wird, um die gewünschten Wärmebedingungen des Gemischs zu erzielen, bevor das Zünden stattfinden kann. US 5154599 offenbart, dass eine stabile, hoch verdünnte, nicht verschmutzende Flamme nur bei Rauchgasrezirkulationsdurchflüssen von mehr als 200% erzielt werden kann. Ferner wurde hoch verdünnte Verbrennung praktisch nur auf Hochtemperaturprozesse angewandt, die bei Luftdruck funktionieren, wie zum Beispiel die, die in der Stahlherstellungsindustrie verwendet werden, und die, die mit der Glasherstellung verbunden sind.

Den Äquivalenzverhältnisparameter (ϕ) trifft man oft in der Standardliteratur der Verbrennung an, und er wird einfach wie folgt definiert:

Das relative Verhältnis Luft zu Brennstoff λ wird wie folgt definiert:

wobei:
%Brennstoff und %Luft der molare Prozentsatz. (oder der molare Anteil) des Brennstoffs und der Luft sind, die sich jeweils ergeben aus:

und wobei:
F_Luft und F_Brennstoff die molaren Durchflüsse von Luft und Brennstoff sind.

Überschüssige Luft wird wie folgt definiert: e(%) = (λ–1)×100.

Die Verbrennung wird gewöhnlich durch die Stöchiometrie des Reaktionsgemischs gekennzeichnet.

λ<1 (φ>1): brennstoffreiche Gemische – hohe Stöchiometrie
λ = φ1: stöchiometrische Bedingungen
λ>1 (φ<1): magere Brennstoffbedingungen – magere Stöchiometrie

Gasturbinen werden typischerweise mit einer sehr mageren Flamme (λ≥2) bei etwa 20 bar mit einem Oxidationsmittel (gewöhnlich Luft), die durch Kompression auf 720 K vorgewärmt wird, und mit einer Flammentemperatur von etwa 1750 K betrieben. Typische Systeme haben Zündverzögerungszeiten in der Größenordnung von 3 bis 5 ms, mit Verweilzeiten in der Größenordnung von 20 ms. Die Zielemissionsniveaus sind die Folgenden: UHC und CO unter 10 ppm und einstelliger NOx-ppm (normalisiert bei 15% O₂). Diese Beispielbedingungen beziehen sich auf eine Gasturbine, die in der Betriebsart mit voller Maschinenlast funktioniert, und es ist erforderlich, die oben genannten Einschränkungen einzuhalten.

Der hoch verdünnte Verbrennungsmodus wird durch Rezirkulieren einer ausreichenden Menge von Rauchgas in das frische Gemisch erstellt, so dass die Mischtemperatur, die sich aus dieser Verdünnung ergibt, über der Selbstentzündungsschwelle liegt.

Der Stand der Technik (zum Beispiel US 5154599 ), der hoch verdünnte Verbrennung betrifft, bezieht sich auf Hochtemperaturprozesse (zum Beispiel in Hochöfen), die bei Luftdruck ausgeführt werden (das heißt 1 bar). In diesen Situationen wird die Verbrennung gewöhnlich bei 1<λ<1,5 (spezifisch bei λ = 1,1 das heißt mit überschüssiger Luft von 10%) betrieben. Um einen hoch verdünnten Verbrennungsmodus mit nicht sichtbarer Flamme zu erstellen, wird ein Rezirkulationsdurchfluss von mehr als 200% als erforderlich offenbart. Der Stand der Technik offenbart auch, dass das Vorheizen des Oxidationsmittels eine Forderung für hoch verdünnte Verbrennung ist.

Das Implementieren des hoch verdünnten Verbrennungsmodus bei einer Gasturbine würde es erlauben, die Flammentemperatur mit einer viel niedrigeren Differenz zwischen der adiabatischen und der ursprünglichen Temperatur (ΔT) auf dem gewünschten Betriebswert zu halten. Dies würde dazu beitragen, das Problem des Eliminierens von Hochtemperaturstellen zu lösen und könnte sich hinsichtlich der Emissionsniveaus und der Verbrennungseffizienz als günstig erweisen, indem ein gleichförmiges Temperaturfeld bereitgestellt wird.

Um hoch verdünnte Verbrennung in Gasturbinen zu implementieren, müssten die charakteristischen Zeitmaßstäbe berücksichtigt werden, die mit Gasturbinen verbunden sind. Das Verdünnen des Reaktionsgemischs bewirkt das Verlangsamen der Kinetik des Prozesses, was daher sowohl die Zündverzögerungszeiten als auch die allgemeinen Reaktionszeiten beeinflusst.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Anwendung der hoch verdünnten Verbrennungstechnik auf Gasturbinen bereitzustellen, die die zugehörigen Betriebsbedingungen und -auflagen berücksichtigt.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Gasturbine bereitgestellt, die in einem hoch verdünntem Modus funktionieren kann, wobei die Turbine Folgendes umfasst: einen Kompressor, der das Oxidationsmittel verdichten kann; eine Verbrennungskammer, die das verdichtete Oxidationsmittel aufnehmen und ein Ausgangsmittel für Rauchgas bereitstellen kann; eine Turbine und ein Rauchgasrezirkulationsmittel, die das Rauchgas aus der Verbrennungskammer rezirkulieren und das Rauchgas mit dem vom Kompressor verdichteten Oxidationsmittel vermischen kann, um einen hoch verdünnten Verbrennungsmodus mit einem Rauchgasrezirkulationsdurchfluss von 100 bis 200% zu liefern.

Eine derartige Gasturbine eignet sich für den Betrieb in einem hoch verdünnten Verbrennungsmodus ohne Erfordernis des zusätzlichen Vorheizens des Oxidationsmittels, bevor es in die Verbrennungskammer eintritt. Das ergibt sich daraus, dass das Oxidationsmittel durch Verdichtungsarbeit in dem Kompressor erwärmt wird. Das unterscheidet sich von den Anwendungen hoch verdünnter Verbrennung des Stands der Technik, bei welchen ein getrenntes Vorheizmittel des Oxidationsmittels erforderlich ist, um die Selbstzündung des verdünnten Brennstoff-/Oxidationsmittelgemischs zu erzielen, die erforderlich ist, um die charakteristischen Verbrennungsbedingungen zu erzielen.

Bei herkömmlichen Gasturbinenanlagen wird eine magere Vorgemischflamme verwendet, die typischerweise aerodynamisch über eine Wirbelvorrichtung stabilisiert wird. Im Gegensatz dazu brauchen Gasturbinen gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung keine solche aerodynamische Stabilisierung.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann das Rauchgasrezirkulationsmittel einen Rauchgasrezirkulationsdurchfluss von 100% bis 150% bereitstellen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann das Rauchgasrezirkulationsmittel eine Rauchgasrezirkulation innerhalb der Verbrennungskammer bereitstellen. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann das Rauchgasrezirkulationsmittel Rauchgasrezirkulation außerhalb der Verbrennungskammer bereitstellen. Das Rauchgasrezirkulationsmittel kann dazu geeignet sein, Rauchgas, das aus der Turbine austritt, zu rezirkulieren. Vorzugsweise kann die Gasturbine das rezirkulierte Rauchgas, das aus der Turbine austritt, kühlen und das rezirkulierte Rauchgas, das aus der Turbine austritt, gemeinsam mit dem Oxidationsmittel in den Kompressor einspeisen. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann das Rauchgasrezirkulationsmittel Rauchgasrezirkulation durch eine Kombination von Mitteln innerhalb und außerhalb der Verbrennungskammer liefern.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Gasturbine ferner ein Vorheizmittel des Oxidationsmittels, das das verdichtete Oxidationsmittel erhitzen kann, bevor das Oxidationsmittel in die Verbrennungskammer eintritt. Vorzugsweise umfasst das Vorheizmittel des Oxidationsmittels einen Wärmeübertrager, der die Hitze des Gases verwenden kann, das aus der Turbine austritt, um das verdichtete Oxidationsmittel zu erhitzen. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst der Wärmeübertrager einen Rückgewinner oder einen Regenerator. Vorzugsweise wird das rezirkulierte Rauchgas, das aus der Turbine austritt, mittels des Wärmeübertragers abgekühlt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann das Rauchgasrezirkulationsmittel das rezirkulierte Rauchgas mit einem vorgemischten Strom aus Brennstoff und Oxidationsmittel mischen, bevor der vorgemischte Strom in die Verbrennungskammer eintritt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Vorheizmittel des Oxidationsmittels eine externe Hitzequelle. Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die externe Hitzequelle einen katalytischen Vorbrenner.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Oxidationsmittel Sauerstoff.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine flammenlose Gasturbine mit Dampfeinspritzung bereitgestellt mit: einer Gasturbine gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung und einem Dampfgenerator, der Dampf durch Verwenden der Energie des Verbrennungsgases, das aus der Turbine austritt erzeugen und den Dampf in die Verbrennungskammer einspeisen kann, um das Oxidationsmittel-Brennstoffgemisch noch mehr zu verdünnen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform funktioniert die flammenlose Gasturbine mit Dampfeinspritzung als geschlossenes Schleifensystem und umfasst ferner einen Kondensator, der den Dampf kondensieren und das daraus resultierende Wasser wieder in den Dampfgenerator einführen kann.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform funktioniert die flammenlose Gasturbine mit Dampfeinspritzung als ein offenes Schleifensystem, wobei der Dampfgenerator kontinuierlich mit Wasser nachgefüllt wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Anteil des vom Dampfgenerator produzierten Dampfs in die Turbine eingespeist, um den Leistungsausgang der Turbine zu steigern.

Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine bereitgestellt, das Folgendes umfasst: Verwenden eines Kompressors zum Verdichten des Oxidationsmittels; Verwenden einer Verbrennungskammer zum Aufnehmen des verdichteten Oxidationsmittels und Bereitstellen eines Ausgangsmittels für Rauchgas; Verwenden einer Turbine und Verwenden eines Rauchgasrezirkulationsmittels zum Rezirkulieren des Rauchgases von der Verbrennungskammer und Mischen des Rauchgases mit dem verdichteten Oxidationsmittel aus dem Kompressor, um einen hoch verdünnten Verbrennungsmodus mit einem Rauchgasrezirkulationsdurchfluss von 100% bis 200% zu liefern.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner das Verwenden des Rauchgasrezirkulationsmittels zum Bereitstellen eines Rauchgasrezirkulationsdurchflusses von 100% bis 150%.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren das Verwenden des Rauchgasrezirkulationsmittels zum Bereitstellen von Rauchgasrezirkulation innerhalb der Verbrennungskammer. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren das Verwenden des Rauchgasrezirkulationsmittels zum Bereitstellen von Rauchgasrezirkulation außerhalb der Verbrennungskammer. Das Verfahren kann das Verwenden des Rauchgasrezirkulationsmittels zum Rezirkulieren von Rauchgas, das aus der Turbine austritt, umfassen. Vorzugsweise umfasst das Verfahren ferner das Abkühlen des rezirkulierten Rauchgases, das aus der Turbine austritt, bevor das Rauchgas, das aus der Turbine austritt, mit dem Oxidationsmittel in den Kompressor eingespeist wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner das Verwenden des Rauchgasrezirkulationsmittels zum Bereitstellen von Rauch gasrezirkulation durch eine Kombination von Mitteln innerhalb und außerhalb der Verbrennungskammer.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren das Verwenden eines Vorheizmittels des Oxidationsmittels zum Erhitzen des verdichteten Oxidationsmittels, bevor das Oxidationsmittel in die Verbrennungskammer eintritt. Vorzugsweise umfasst das Verfahren das Verwenden eines Wärmeübertragers zum Bereitstellen des Vorheizmittels des Oxidationsmittels und das Verwenden des Wärmeübertragers zum Erhitzen des verdichteten Oxidationsmittels unter Verwenden der Hitze von Gas, das aus der Turbine austritt. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren das Bereitstellen des Wärmeübertragers in der Form eines Rückgewinners oder eines Regenerators. Das Verfahren kann das Verwenden des Wärmeübertragers zum Abkühlen des rezirkulierten Rauchgases, das aus der Turbine austritt, umfassen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren das Verwenden des Rauchgasrezirkulationsmittels zum Mischen des rezirkulierten Rauchgases mit einem vorgemischten Strom aus Brennstoff und Oxidationsmittel, bevor der vorgemischte Strom in die Verbrennungskammer eintritt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren das Verwenden einer externen Hitzequelle zum Bereitstellen des Vorheizmittels des Oxidationsmittels. Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren das Verwenden eines katalytischen Vorbrenners zum Bereitstellen der externen Hitzequelle.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren das Verwenden von Sauerstoff als Oxidationsmittel.

Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine mit flammenloser Dampfeinspritzung bereitgestellt, das Folgendes umfasst: das Verwenden einer Gasturbine gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung und das Verwenden eines Dampfgenerators zum Produzieren von Dampf unter Verwendung der Energie des Rauchgases, das aus der Turbine austritt, und Einspeisen des Dampfes in die Verbrennungskammer, um das Oxidationsmittel- und Brennstoffgemisch noch weiter zu verdünnen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren das Betreiben der flammenlosen Gasturbine mit Dampfeinspritzung als ein geschlossenes Schleifensystem und das Verwenden eines Kondensators zum Kondensieren des Dampfes und Wiedereinführen des resultierenden Wassers in den Dampfgenerator.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren das Betreiben der flammenlosen Gasturbine mit Dampfeinspritzung als ein offenes Schleifensystem und das ständige Auffüllen des Dampfgenerators mit Wasser.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren das Einspeisen eines Anteils des vom Dampfgenerator erzeugten Dampfs in die Turbine, um die Leistung der Turbine zu steigern.

Zum besseren Verstehen der Erfindung werden nun mehrere Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Gasturbine unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 eine schematische Skizze einer Gasturbine gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist;
2 eine schematische Skizze einer Gasturbine gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist;
3 eine schematische Skizze einer Gasturbine gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung ist;
4 eine schematische Darstellung einer Gasturbine gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung ist;
5 eine schematische Darstellung einer Gasturbine gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung ist;
6 eine schematische Darstellung einer Gasturbine gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung ist;
7 eine schematische Darstellung einer Gasturbine gemäß einer siebten Ausführungsform der Erfindung ist;
8 eine schematische Darstellung einer Gasturbine mit Dampfeinspritzung gemäß einer achten Ausführungsform der Erfindung ist;
9 eine schematische Skizze einer Gasturbine mit Dampfeinspritzung gemäß einer neunten Ausführungsform der Erfindung ist;
10 eine Grafik von NOx-Niveaus im Vergleich zu Temperaturen sowohl für eine hoch verdünnte Flamme mit einem Rezirkulationsdurchfluss von 100% als auch eine nicht verdünnte Flamme mit einem Rezirkulationsdurchfluss von Null ist;
11 eine Grafik der Mindestverweilzeit des Gemischs im Vergleich zum Betriebsdruck für verschiedene Rezirkulationsdurchflüsse ist;
12 eine Grafik des Rezirkulationsdurchflusses im Vergleich zur Last ist;
13 eine grafische Darstellung sowohl des Betriebsdrucks als auch der Stöchiometrie (λ oder Lambda) im Vergleich zur Last für eine typische Gasturbinenmaschine ist und
14 eine Grafik des Druckabfalls im Vergleich zum Rezirkulationsdurchfluss ist.
1 ist eine schematische Skizze einer Gasturbine gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, versehen mit einem Kompressor 2, einer Verbrennungskammer 3 und einer Turbine 4. Die Betriebskonzepte einer Gasturbine und die betriebliche Beziehung zwischen dem Kompressor 2, der Verbrennungskammer 3 und der Turbine 4 sind dem Fachmann gut bekannt und werden hier nicht detailliert besprochen. Die vorliegende Erfindung wird nicht durch den Typ des Kompressors 2, der Turbine 4 oder der Verbrennungskammer 3, die verwendet werden, eingeschränkt. Die Verbrennungskammer 3 kann zum Beispiel des Typs Behälter, ringförmig oder behälter-ringförmig sein. Die Auswahl des Typs der Verbrennungskammer 3 hängt von Raumauflagen, Mischkapazitäten, Emissionspotenzialen und den gewünschten Leistungsausgangsniveaus ab. Ferner ist die vorliegende Erfindung auch nicht durch den Typ des verwendeten Brennstoffs eingeschränkt, und jeder für Gasturbinen geeignete Brennstoff kann mit dieser oder anderen Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden.
Der Kompressor 2 saugt das Oxidationsmittel 5, das bei dieser Ausführungsform Luft ist, aus der externen Umgebung an und verdichtet es auf den erforderlichen Betriebsdruck. Alternativ können andere Oxidationsmittel verwendet werden, wobei der Kompressor mit Gas aus einem geeigneten Lagermittel versorgt wird. Der erforderliche Betriebsdruck beträgt 20 bar, und das Oxidationsmittel wird durch die Verdichtungsarbeit auf 720 K erwärmt. Andere Turbinenkonfigurationen oder die Verwendung anderer Oxidationsmittel können jedoch die Verwendung anderer Drücke erfordern.
Das verdichtete Oxidationsmittel 6 tritt aus dem Kompressor 2 aus, und ein Anteil des verdichteten Oxidationsmittels 8 wird so geleitet, dass es die Verbrennungskammer 3 umgeht, um als ein Kühlmittel stromaufwärts von der Turbine 4 verwendet zu werden. Dieser Anteil des verdichteten Oxidationsmittels 8 kann 10 bis 25% des gesamten verdichteten Oxidationsmittels 6 ausmachen, das der Kompressor 2 ausgibt. Alternativ kann das gesamte verdichtete Oxidationsmittel 6 des Kompressors direkt in die Verbrennungskammer 3 geführt werden. Bei einem Volllastbetrieb hätte das verdichtete Oxidationsmittel 6 typischerweise eine Temperatur von 725 K und einen Druck von 20 bar.
Der Anteil des verdichteten Oxidationsmittels 7, der nicht als ein Kühlmittel verwendet wird, wird dann mit dem rezirkulierten Rauchgas 12, 13 gemischt, bevor er in die Verbrennungskammer 3 eingeführt wird. In der Verbrennungskammer 3 wird das Gemisch aus Brennstoff und verdichtetem Oxidationsmittel in einem hoch verdünnten Modus mit zugehöriger nicht sichtbarer, nicht hörbarer Flamme verbrannt. Innerhalb der Verbrennungskammer haben die Gase typischerweise 1800 K. Die NOx-Niveaus sind typischerweise geringer als 5 ppm und die CO-Niveaus geringer als 10 ppm.
Das frische Oxidationsmittel 7 und der frische Brennstoff werden in die Verbrennungskammer 3 so eingespritzt, dass das korrekte Mischen zwischen dem Oxidationsmittel 7, dem Brennstoff und dem Rauchgas 12, 13 stattfindet. Diese Ausführungsform verwendet ein Vorgemischeinspritzsystem, bei dem das Oxidationsmittel 7 und das Rauchgas 12, 13 vor der Berührung mit dem frischen Brennstoff vermischt werden. Alternativ kann frischer Brennstoff mit dem Rauchgas 12, 13 vor der Berührung mit dem frischen Oxidationsmittel 7 vermischt werden. Es können jedoch gemäß den spezifischen Konfigurationen und Anforderungen des Betriebssystems andere Mischanordnungen verwendet werden. Bei anderen Ausführungsformen könnte ein Zweistufen-Vormischbrenner verwendet werden, in dem ein Anteil des Rauchgases 12, 13 mit dem frischen Oxidationsmittel 7 und der Rest mit dem frischen Brennstoff vorgemischt wird, wobei das komplette Mischen der zwei resultierenden Gemische stromabwärts in einem Mischer zweiter Stufe eintritt.
Bei anderen Ausführungsformen wiederum könnten frisches Oxidationsmittel 7 und frischer Brennstoff über ein Einspritzsystem des Diffusionstyps eingespeist werden, wobei die Aerodynamik so ausgelegt werden könnte, dass das Mischen in der Verbrennungskammer 3 stattfindet, so dass frisches Oxidationsmittel 7 mit Rauchgas 12, 13 vor der Berührung mit dem Brennstoff in Berührung gerät, wobei das Oxidationsmittel 7 und der Brennstoff in einer letzten Stufe in Berührung geraten. Alternativ könnte ein Einspritzsystem des Diffusionstyps sicherstellen, dass der Brennstoff zuerst mit dem Rauchgas 12, 13 in Berührung gerät, bevor es mit dem Oxidationsmittel 7 in Berührung kommt.
Die optimale Mischlösung wird von Raumauflagen, zulässigen Druckabfällen und geforderten Mindestverweilzeiten des Systems bestimmt.
Die Stöchiometrie des Brennstoff-/Luftgemischs braucht nicht extrem mager zu sein, wie das für herkömmliche. Gasturbinenanlagen mit magerem Vorgemisch erforderlich ist. Das Äquivalenzverhältnis (ϕ) kann eingestellt werden, so dass ein Reaktionsgemisch über der Selbstentzündungstemperatur bereitgestellt wird, dessen Verbrennung die geforderte Turbineneinlasstemperatur, die niedrige Emissionen ergibt, erfüllt. In dieser Hinsicht wird das Äquivalenzverhältnis des Reaktionsgemischs fein abgestimmt, um solchen Forderungen gemeinsam mit dem Rauchgasrezirkulationsdurchfluss zu entsprechen.
Bei dieser Ausführungsform wird die Rauchgasrezirku lation über eine Kombination von Mitteln innerhalb 12 und außerhalb 13 der Verbrennungskammer 3 durchgeführt. Alternativ kann die Rauchgasrezirkulation komplett innerhalb oder außerhalb der Verbrennungskammer 3 durchgeführt werden.
Sobald die Verbrennung stattgefunden hat, tritt Rauchgas 9 aus der Verbrennungskammer 3 aus und gelangt zum Anteil des verdichteten Oxidationsmittels 8, der als ein Kühlstrom verwendet wird. Das Gemisch 10 des Rauchgases 9 und des Oxidationsmittels 8, das als ein Kühlstrom verwendet wird, fließt dann zur Turbine 4. Dieses Gemisch 10 aus Gasen treibt die Turbine 4 an, und die Gase werden dann als Abgas 11 abgeleitet.
Ein hohes Niveau an Rauchgasrezirkulation ist erforderlich, um eine nicht sichtbare hoch verdünnte Flamme zu erzeugen. Der Rezirkulationsdurchfluss kann je nach Ausführungsform variieren und während des Betriebs variiert werden, um verschiedene Maschinenlastanforderungen innerhalb des gleichen Verbrennungssystems zu bewältigen. Die genaue Auswahl des Rezirkulationsdurchflusses und sein Aufteilen auf die Mittel innerhalb 12 und außerhalb 13 der Verbrennungskammer 3 wird von Faktoren, wie zum Beispiel dem Selbstentzündungsschwellenwert des Gemischs, den ausgewählten Rezirkulationssystemen, der Mindestverweilzeit, den zulässigen Druckabfällen und der Mischkapazität der Anlage bestimmt. Wird eine Gasturbine mit einem Rezirkulationsdurchfluss von Null betrieben, würde eine nicht verdünnte Standardverbrennung des Flammentyps durchgeführt.
10 zeigt einen Vergleich experimenteller Ergebnisse für eine hoch verdünnte Flamme mit einem Rezirkulationsdurchfluss von 100% und einer nicht verdünnten Standardflamme mit einem Rezirkulationsdurchfluss gleich Null. Die Versuche wurden mit Erdgas als Brennstoff und einer Einlasstemperatur von 600°C durchge führt. 10 zeigt, dass die Menge an NOx, die durch die hoch verdünnte Flamme erzeugt wird, weniger empfindlich auf die Flammentemperatur reagiert als die Grundlinienflamme. Bei 1800 K zeigt die verdünnte Flamme eine 40%ige Verringerung der produzierten Menge an NOx im Vergleich zur Grundlinienflamme.
10 zeigt an, dass die Verbrennung, die ein hohes Niveau an Rauchgasrezirkulation verwendet, die NOx-Produktion effektiv reduziert, besonders bei hohen Verbrennungstemperaturen, bei welchen die NOx-Produktion aufgrund der hohen Wärmeabhängigkeit der NOx-Produktion kritisch wird. Auf dieser Grundlage kann die Rauchgasrezirkulation und hoch verdünnte Verbrennung die gut bekannten Probleme der Wärme-NOx-Produktion bei mageren Flammen, die typischerweise in Gasturbinen verwendet werden, lindern. Versuche haben gezeigt, dass das Verwenden einer höheren Einlasstemperatur als 600°C eine Steigerung in der Reduzierung des NOx ergibt, was mit der hoch verdünnten Flamme verbunden ist. Es bewirkt auch das Ausdehnen des Temperaturbetriebsbereichs, bei dem die hoch verdünnte Verbrennung besseres NOx-Potenzial hat als die Grundlinienflamme.
Visuelle Beobachtungen der Flamme beim Betrieb unter typischen Gasturbinenbedingungen (zum Beispiel magere Flamme mit Äquivalenzverhältnissen von weniger als 0,6) haben es erlaubt, ein Limit hinsichtlich des Einsetzens einer nicht sichtbaren Flamme zu identifizieren, die mit hoch verdünnter Verbrennung verbunden ist. Es wurde festgestellt, dass bei Rezirkulationsdurchflüssen von 100% unter typischen Gasturbinenbetriebsbedingungen ein nicht sichtbarer Modus erstellt wird. Ein solcher Rezirkulationsdurchfluss ist signifikant geringer als der Rezirkulationsdurchfluss von 300%, der beim Stand der Technik als Anforderung offenbart wurde.
Bei Hochtemperaturanwendungen bei Luftdruck des Stands der Technik wird die Verbrennung gewöhnlich bei 1<λ1,5 (insbesondere bei λ = 1,1, d.h. mit überschüssiger Luft von 10%) durchgeführt. Bei Gasturbinenanlagen sind die Betriebsbedingungen sehr unterschiedlich, und λ ist typischerweise größer oder gleich 2, und der Druck beträgt typischerweise 20 bar. Unter solchen Bedingungen wurde experimentell beobachtet, dass bei λ größer oder gleich 2 ein Rauchgasrezirkulationsdurchfluss größer als 100% reicht, um die nicht sichtbare Flamme zu ergeben, die mit hoch verdünnter Verbrennung verbunden ist.
13 zeigt eine grafische Darstellung eines typischen Gasturbinenmaschinenbetriebs über die Last, was den Betriebsdruck und die Stöchiometrie (λ) betrifft. Visuelle Beobachtungen haben aufgezeigt, dass der Rauchgasrezirkulationsdurchfluss, der erforderlich ist, um das Einsetzen des hoch verdünnten Verbrennungsmodus zu erlauben, umso geringer ist als der Wert von λ kleiner ist. Die Prozesstemperatur einer Gasturbine wird im Wesentlichen durch die Stöchiometrie des Reaktionsgemischs gesteuert, und eine magere Stöchiometrie ergibt eine niedrige adiabatische Flammentemperatur und daher niedrige NOx-Emissionen.
Der Stand der Technik offenbart, dass Rauchgasrezirkulation die Prozesstemperatur einschränkt. Bei hohen Niveaus an Oxidationsmittelvorheizen ist eine hohe Rauchgasrezirkulation erforderlich, um die Prozesstemperatur zu steuern, um NOx-Emissionen einzuschränken.
Beim Stand der Technik steuert die Rauchgasrezirkulation im Wesentlichen die Prozesstemperatur, weil das System nicht adiabatisch ist, wobei das Rauchgas abgekühlt wird, bevor es rezirkuliert wird. Die Verbrennungskammer 3 einer Gasturbine muss jedoch unter Bedingungen funktionieren, die möglichst nahe an den adiabatischen Bedingungen liegen, um eine hohe Zykluseffizienz zu ergeben. Das resultiert in einer quasi- adiabatischen Rauchgasrezirkulation bei den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, da das Kühlen des Rauchgases 12, 13 vor der Rezirkulation minimiert wird, und daher die Rauchgase 12, 13 bei einer sehr hohen Temperatur rezirkuliert werden. Diese quasi-adiabatischen Bedingungen helfen auch, das Erstellen des hoch verdünnten Verbrennungsmodus in der Gasturbinenverbrennungskammer 3 bei Rezirkulationsdurchflüssen zu erlauben, die geringer sind als die Werte, die beim Stand der Technik als erforderlich angegeben wurden.
Der optimale Rezirkulationsdurchfluss ist je nach Design und spezifischen Betriebsbedingungen der Gasturbine unterschiedlich. Chemische kinetische Untersuchungen haben es erlaubt, Informationen in Zusammenhang mit den charakteristischen Zeitmaßstäben und dem Emissionenpotenzial einer Gasturbinenanlage, die in einem hoch verdünnten Verbrennungsmodus läuft, zu berechnen. 11 zeigt im Vergleich zum Betriebsdruck eine Grafik der berechneten Verweilzeit, die erforderlich ist, um ein Ausbrennen des Gemisches zu erzielen. 11 zeigt an, dass bei Rauchgasrezirkulationsdurchflüssen ein signifikanter Effekt auf die Mindestverweilzeit und die Zündfrist von 100% bis 200% besteht. Diese Studien haben jedoch gezeigt, dass Rauchgasrezirkulationsdurchflüsse von mehr als 200% keinen nennenswerten zusätzlichen Vorteil in diesem Hinblick ergeben.
Im weiteren Gegensatz zu atmosphärischen Systemen müssen Gasturbinen strengen Druckabfallauflagen entsprechen. Je niedriger der Druckabfall in Zusammenhang mit einem Gasturbinenverbrennungssystem ist, desto höher ist die Zykluseffizienz.
Bei der Ausführungsform der 1 wird die Rauchgasrezirkulation innerhalb 12 der Verbrennungskammer 3 durch die Verwendung von Hochgeschwindigkeitsstrahlen erzielt. Je größer die Geschwindigkeit oder die Wucht eines Strahls ist, desto höher ist der Durchfluss an rezirkuliertem Gas. Höhere Strahlgeschwindigkeiten sind jedoch auch mit höheren Druckabfällen verbunden.
Aerodynamische Untersuchungen haben gezeigt, dass der maximale Rezirkulationsdurchfluss, der bei einer typischen Gasturbinenanlage mit einfachen Hochgeschwindigkeitsstrahlen unter Einhaltung der Druckabfallauflagen erzielt werden kann, von 100% bis 200% schwankt (siehe 12).
Wie 12 zeigt, kann der Rezirkulationsdurchfluss durch das Verwenden zusätzlicher Geräte wie zum Beispiel eines Wirbelbauteils gesteigert werden. Aber auch mit solchen Vorrichtungen besteht immer noch ein Druckabfalllimit von weit unter den 200%, die als eine Anforderung für hoch verdünnte Verbrennung in atmosphärischen Systemen nach dem Stand der Technik offenbart werden.
Bei einer typischen Gasturbinenanlage beträgt der maximale Druckabfall, der für das Brennermodul zulässig ist, 3% des Gesamtbetriebsdrucks. Das Verwenden einzelner freier Strahlen könnte Rezirkulationsdurchflüsse von mehr als 200% liefern, während der Druckabfall des Brenner-/Einspritzmoduls unter dem 3%-Limit gehalten wird. Da Gasturbinen jedoch mit sehr hohen Luft-/Brennstoffverhältnissen (das heißt sehr mageren Gemischen) und strengen Raumauflagen funktionieren, können sie keinen Brenner auf der Basis einzelner freier Strahlen verwenden. Die Konzeption von Hochgeschwindigkeitsstrahleinspritzern wird durch die inhärenten Raumauflagen im Zusammenhang mit Gasturbinen und dem Druckabfalllimit eingeschränkt. Zwischen jedem Strahl und daneben liegenden Strahlen treten daher Interferenzen auf, und die Nennmitreißkapazität jedes einzelnen Strahls wird erschöpft.
14 ist eine Grafik des Druckabfalls im Vergleich zum Zirkulationsdurchfluss für eine Gasturbine mit einem Brennermodul, der 18 Düsen zu 20 mm Durchmesser umfasst, die unter den folgenden Bedingungen funktioniert: P = 22 bar; T_in = 470°C; Luft pro Brenner = 5,5 kg/s; Brennstoff zum Brenner = 0,17 kg/s.
14 zeigt, dass für das unter den oben stehenden Bedingungen funktionierende System das Druckabfalllimit bei Rezirkulationsdurchflüssen von mehr als um 150% überschritten wird.
Auf der Grundlage der zwei oben genannten Untersuchungen wird die hoch verdünnte Verbrennung vorzugsweise bei Gasturbinenanlagen (mit ihren charakteristischen hohen Drücken und sehr magerer Stöchiometrie) bei Rezirkulationsdurchflüssen größer als 100% durchgeführt. Das ergibt die nicht sichtbare Flamme, die mit hoch verdünnter Verbrennung verbunden ist, ohne zugehörige heiße Stellen und mit gleichmäßigen Temperatur- und Konzentrationsprofilen.
Die Ergebnisse der chemischen Studie zeigen an, dass ein signifikanter Vorteil hinsichtlich der Prozesszeitmaßstäbe besteht, die mit Rezirkulationsdurchflüssen von mehr als 100% verbunden sind. Die gleiche Untersuchung zeigt, dass dieser günstige Effekt bei Rezirkulationsdurchflüssen von mehr als 200% nicht stark steigt. Auf dieser Grundlage wird die hoch verdünnte Verbrennung in Gasturbinenanlagen vorzugsweise bei Rezirkulationsdurchflüssen von 100 bis 200% durchgeführt. Aerodynamische Untersuchungen zeigen jedoch, dass hohe Rezirkulationsdurchflüsse mit unerwünschten hohen Druckabfällen verbunden sind. Daher sollte vorgezogen werden, eine Gasturbine im hoch verdünnten Modus mit Rezirkulationsdurchflüssen von weniger als 200% und vorzugsweise weniger als 150% zu betreiben.
Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der Rauchgasrezirkulationsdurchfluss nicht ausreichen, um die angestrebten Wärmebedingungen des reagierenden Brennstoff-/Oxidationsmittelgemischs zu erfüllen. Die Temperatur der Gemischverbrennungskammer 3 könnte zum Beispiel geringer sein als der Selbstentzündungsschwellenwert des Gemischs aus Brennstoff und Oxidationsmittel. Diese Situation könnte einem Teillastbetrieb entsprechen, bei dem das Oxidationsmittel 1 auf einen niedrigeren Druck als beim Volllastbetrieb verdichtet wird, so dass es beim Verlassen des Kompressors 2 eine niedrigere Temperatur hat. In einer derartigen Situation wird ein zusätzliches Oxidationsmittel-Vorheizmittel zum Überwinden dieses Problems verwendet.
2 zeigt eine schematische Skizze einer Gasturbine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, die einen Wärmeübertrager 14 verwendet, um zusätzliches Erhitzen für das verdichtete Oxidationsmittel 7 zu liefern. Ein Anteil des Abgases 11 aus der Turbine 4 wird zum Wärmeübertrager 14 abgeleitet, der die Restwärme des Abgases 11 aus der Turbine 4 verwendet, um das verdichtete Oxidationsmittel 7 aufzuwärmen. Bei dieser Ausführungsform ist der Wärmeübertrager 14 vom Typ Rückgewinner. Alternativ könnte der Wärmeübertrager 14 vom Regeneratortyp sein.
Wenn die Restwärme des Abgases 11 aus der Turbine nicht reicht, um das verdichtete Oxidationsmittel 7 auf die erforderliche Temperatur zu erhitzen, wird eine externe Hitzequelle 16 (3) verwendet.
Alternativ könnte das verdichtete Oxidationsmittel 7 auf die für die Selbstentzündung des Gemischs/Oxidationsmittel erforderliche Temperaturen durch einen katalytischen Vorbrenner 17, wie in 4 dargestellt, erhitzt werden. Bei dieser Ausführungsform, die einen Teillastbetrieb verwendet, hat das verdichtete Oxidationsmittel typischerweise einen Druck von 13 bar und eine Temperatur von 650 K.
Der Anteil des verdichteten Oxidationsmittels 7, der für die Verbrennung verwendet werden soll, wird mit Brennstoff unter sehr mageren Bedingungen vermischt und durch den katalytischen Vorbrenner 17 geleitet, um in die Verbrennungskammer 3 mit einer höheren Temperatur einzutreten. Der katalytische Vorbrenner 17 funktioniert unter sehr mageren Bedingungen, was sicherstellt, dass zusätzliche Wärmeenergie zu dem Strom über Oberflächenreaktion auf der katalytischen Oberfläche allein hinzugefügt wird, so dass die Emissionsniveaus minimiert werden. Das sehr magere Betreiben des katalytischen Vorbrenners 17 hilft auch sicherzustellen, dass das Reaktionsgemisch, das in den Katalysator eintritt, jede Gefahr einer Katalysatordeaktivierung oder Überhitzung vermeidet.
Bei Ausführungsformen wie der in 4 dargestellten, wird das außerhalb 13 der Verbrennungskammer 3 rezirkulierte Rauchgas über eine Kombination von Verläufen stromaufwärts 18 und stromabwärts 19 des katalytischen Vorbrenners 17 rezirkuliert, um zusätzliche Wärmeenergie und Verdünnung zu liefern. Alternativ kann das außerhalb 13 der Verbrennungskammer 3 rezirkulierte Rauchgas entweder ausschließlich stromaufwärts 18 oder stromabwärts 19 vom katalytischen Vorbrenner 17 rezirkuliert werden. Rauchgas kann als Effekt das Vergiften der katalytischen Aktivität haben. Es kann daher wünschenswert sein, das Rauchgas 13, das in den katalytischen Vorbrenner 17 fließt, auf die Mindestmenge zu beschränken, die erforderlich ist, um die Oberflächenreaktion und die Temperatur des katalytischen Prozesses zu steuern.
Als Alternative zum Durchführen des gesamten verdichteten Oxidationsmittels 7 durch den katalytischen Vorbrenner 17, können Ausführungsformen so eingerichtet werden, dass ein Teil des verdichteten Oxidationsmittels 7 den katalytischen Vorbrenner 17 umgeht. Das könnte erforderlich sein, um für den katalytischen Vorbrenner 17 optimale Stöchiometrie sicherzustellen, oder für Heiz- oder Kühlzwecke. Ähnlich könnte es wünschenswert sein, einen Teil des Brennstoffs in den katalytischen Vorbrenner 17 einzuspritzen, während der Rest direkt in die Verbrennungskammer 3 eingespritzt wird.
Der katalytische Vorbrenner 17 kann ausgelegt werden, um unter sehr mageren (λ>2,5) oder sehr reichen (λ<0,5) Bedingungen je nach dem optimalen Betriebsmodus des Katalysators zu funktionieren. Die Auswahl des Betriebsmodus bestimmt das spezielle Verhältnis von Rauchgas 13, verdichtetem Oxidationsmittel 7 und Brennstoff, das in den katalytischen Vorbrenner 17 läuft oder ihn umgeht.
Die typischen Bedingungen innerhalb der Verbrennungskammern 3 von Ausführungsformen wie zum Beispiel der in 4 gezeigten umfassen eine Temperatur von 1650 K. Die NOx-Niveaus sind typischerweise niedriger als 3 ppm, und die CO-Niveaus sind niedriger als 2 ppm.
Bei anderen Ausführungsformen ist der katalytische Vorbrenner 17 mit einem zusätzlichen Heizmittel zum weiteren Boosten der Vorheizwirkung am verdichteten Oxidationsmittel 7 gekoppelt. 5 stellt schematisch eine Ausführungsform der Erfindung vor, die eine externe Hitzequelle 16 verwendet, die stromaufwärts vom katalytischen Vorbrenner 17 liegt, um das verdichtete Oxidationsmittel 7 weiter zu erhitzen.
Bei anderen Ausführungsformen ist das zusätzliche Heizmittel ein Wärmeübertrager 14 des Rückgewinnertyps, wie in 6 dargestellt. Alternativ könnte der Wärmeübertrager 14 ein Regeneratortyp sein. In beiden Fällen verwendet der Wärmeübertrager 14 die Restwärme der Abgase aus der Turbine 4, um das verdichtete Oxidationsmittel 7 zu erhitzen, bevor es in den katalytischen Vorbrenner 17 eintritt.
Alle bisher beschriebenen Ausführungsformen haben Rauchgasrezirkulation über Rauchgas 12 verwendet, das innerhalb der Verbrennungskammer 3 rezirkuliert wird, oder über Rauchgas 13, das direkt nach dem Austreten aus der Verbrennungskammer 3 rezirkuliert wird, oder eine Kombination beider. Bei alternativen Ausführungsformen kann Rauchgas 15 vom Austritt aus der Turbine 4 wie in 7 schematisch dargestellt rezirkuliert werden.
Die Ausführungsform der 7 könnte verwendet werden, wenn eine hohe Rauchgasrezirkulation innerhalb der Verbrennungskammer 3 nicht ganz erzielt werden kann, und wenn Rauchgasrezirkulation außerhalb der Verbrennungskammer 3 zu hohe Druckverluste verursacht. Die Rauchgase 15 werden vom Austritt aus der Turbine 4 geleitet und zum Eingang des Kompressors 2 rezirkuliert, wo sie mit frischem Oxidationsmittel 5 vermischt werden. Ausführungsformen, die Rauchgasrezirkulation auf diese Art verwenden, können in Kombination mit Rauchgasrezirkulation innerhalb 12 der Verbrennungskammer 3 und/oder Hochdruck-Rauchgasrezirkulation außerhalb 13 der Verbrennungskammer 3 kombiniert werden. Die Menge an Rezirkulation über jeden möglichen Durchflussverlauf würde von mehreren Auflagen abhängen, wie zum Beispiel Druckabfall und Wärmebedingungen und Auflagen, um ein Reaktionsgemisch über dem Selbstentzündungsschwellenwert innerhalb der Verbrennungskammer 3 zu erzielen.
Das vom Austritt aus der Turbine 4 rezirkulierte Rauchgas 15 muss abgekühlt werden, bevor es mit dem frischen Oxidationsmittelstrom 5 vermischt wird, da dies vom Standpunkt der Maschineneffizienz her vorzuziehen ist. Bei der in 7 gezeigten Ausführungsform wird die extrahierte Hitze verwendet, um das verdichtete Oxidationsmittel 7 vorzuheizen, bevor es in die Verbrennungskammer 3 über einen Wärmeübertrager 14 eintritt. Danach wird es weiter durch das Extrahieren der restlichen Wärmeenergie durch ein Hilfsbauteil 20 abgekühlt. Alternativ kann die Restwärme des vom Austritt aus der Turbine 4 rezirkulierten Rauchgases zu einem anderen Zweck verwendet oder über alternative Mittel abgekühlt werden.
Diese Konfiguration kann an alle vorher beschriebenen Ausführungsformen angewandt werden, mit all den verschiedenen Lösungen für das Vorwärmen des verdichteten Oxidationsmittelstroms 7 oder mit anderen Verwendungen der Restwärme der Rauchgase 15.
Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsformen wird eine Gasturbine, die in einem hoch verdünnten Verbrennungsmodus funktionieren kann, mit einem Dampferzeugungsprozess gekoppelt, um eine Gasturbine mit Dampfeinspritzung wie schematisch in 8 dargestellt zu bilden. Das Einspritzen von Dampf ergibt eine zusätzliche Verdünnung des bereits hoch verdünnten Verbrennungsgemisches, die sich aus den hohen Niveaus von Rauchgasrezirkulation 12, 13 ergibt. Ein solches System kann "Flameless Steam Injected Gas Turbine" (FSIGT) genannt werden.
Dampf wird in einem Dampfgenerator 21 erzeugt, der die Energie aus dem Abgas 11 aus der Gasturbine 4 zum Erzeugen von Dampf verwendet. Dampf 22 wird dann in die Verbrennungskammer 3 eingespeist, um das Verbrennungsgemisch weiter zu verdünnen und die NOx-Bildung über die kinetischen N₂O-Verläufe zu unterbinden.
Wie in 8 gezeigt, wird Dampf 23 auch stromabwärts von der Verbrennungskammer 3 eingespritzt, um das Antreiben der Turbine 4 zu unterstützten. Das steigert die Gesamtleistungsausgabe der Anlage. Alternativ könnte der ganze Dampf 22 in die Verbrennungskammer 3 eingespritzt werden.
Die in 8 dargestellte Anlage funktioniert in einer geschlossenen Schleife, und stromabwärts von der Gasturbine mit dem Abgas 11 ausgelassener Dampf wird in einem Kondensator 24 zurückgewonnen. Das resultierende Wasser 25 wird dann in den Dampfproduktionsprozess zurückgeleitet. Das restliche Rauchgas 26 wird nach dem Durchlaufen des Kondensators 24 abgeleitet. Alternativ könnte die Anlage in einem offenen Zyklus funktionieren, und sauberes Frischwasser könnte über die Wasserleitung 27 kontinuierlich in den Dampfgenerator 21 nachgespeist werden.
Ein Vorteil, den eine FSIGT-Anlage liefert, ist eine Steigerung der Gasturbineneffizienz. Bei einem gegebenen Oxidationsstrom durch den Kompressor 2 einer FSIGT bleibt der Leistungsbedarf im Vergleich zu dem einer Gasturbine ohne Dampfeinspritzung unverändert. Der Massestrom durch die Turbine 4 wird jedoch gesteigert, was die Leistungsausgabe der FSIGT steigert. Das erlaubt es erfindungsgemäßen FSIGT-Anlagen, den besonders niedrigen NOx-Anforderungen unter Maximieren ihrer Effizienz zu entsprechen.
Bei anderen Ausführungsformen könnte an Stelle von Luft Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet werden. Das würde das Betreiben eines Null-Emissionssystems erlauben. Jede der zuvor beschriebenen Ausführungsformen könnte zum Verwenden von Sauerstoff als Oxidationsmittel angepasst werden.
Ein Beispiel einer solchen Anlage ist in 9 dargestellt. Der Sauerstoff 5 wird von dem Kompressor 2 verdichtet und in die Verbrennungskammer 3 eingespeist, wo durch Mittel innerhalb 12 und außerhalb 13 der Verbrennungskammer 3 ein hohes Niveau an Rauchgasrezirkulation bereitgestellt wird. Die Rauchgasrezirkulation vermindert den explosiven Effekt des Reaktionsgemischs aus Sauerstoff und Brennstoff. Die Verbrennung findet ohne jede NOx-Produktion statt, weil Stickstoff im ganzen Prozess fehlt.
Bei Ausführungsformen, die Sauerstoff als Oxidationsmittel verwenden, wirkt die Rauchgasverdünnung zum Steuern der Flammentemperatur. Die Abgase 11, die von der Verbrennungskammer 3 erzeugt werden, treiben die Turbine 4 an, und ihre Energie wird damit zum Erzeugen von Dampf (über den Dampfgenerator 21) verwendet. Ein Anteil des Dampfs 22 wird dann in die Verbrennungskammer 3 eingespritzt, um die Prozesstemperatur zu steuern, während ein anderer Anteil 23 verwendet wird, um den Leistungsausgang der Turbine 4 zu boosten.
Dampf vermischt sich mit den Verbrennungsprodukten und wird dann stromabwärts vom Dampfgenerator in einem Kondensator 24 zurückgewonnen. Die restlichen Rauchgase 25, im wesentlichen Kohlendioxid, werden danach von einem Kühlmittel 28 abgekühlt und können zum Teil zum Kompressor 2 rezirkuliert werden, um zu der Rauchgasverdünnung beizutragen, die erforderlich ist, um den Verbrennungsprozess zu steuern. Das überschüssige Kohlendioxid 26 kann entfernt und für einen alternativen Gebrauch gelagert werden.
Viele weitere Variationen und Änderungen bieten sich dem Fachmann unter Bezugnahme auf die vorangegangen beispielhaften Ausführungsformen an, die als bloße Beispiele gegeben werden und die Reichweite der Erfindung nicht einschränken, die von den anliegenden Ansprüchen festgelegt wird.
ZUSAMMENFASSUNG
Eine Gasturbine, die in einem hoch verdünnten Modus funktionieren kann, umfasst einen Kompressor 3, der Oxidationsmittel 5 verdichten kann; eine Verbrennungskammer 3, die verdichtetes Oxidationsmittel 7 aufnehmen und ein Ausgangsmittel für Rauchgas 9 bereitstellen kann; eine Turbine 4 und ein Rauchgasrezirkulationsmittel 12, 13, das das Rauchgas 9 aus der Verbrennungskammer 3 rezirkulieren und das Rauchgas mit dem verdichteten Oxidationsmittel 7 vom Kompressor 2 vermischen kann, um einen hoch verdünnten Verbrennungsmodus mit einem Rauchgasrezirkulationsdurchfluss von 100% bis 200% bereitzustellen.
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Claims

Gasturbine, die in einem hoch verdünnten Modus betrieben wird, wobei die Gasturbine Folgendes umfasst: einen Kompressor, der Oxidationsmittel verdichtet; eine Verbrennungskammer, die das verdichtete Oxidationsmittel aufnimmt und einen Ausgang für ein Rauchgas besitzt; eine Turbine und ein Rauchgasrezirkulationsmittel, um das Rauchgas von der Verbrennungskammer zu rezirkulieren und das Rauchgas mit dem verdichteten Oxidationsmittel aus dem Kompressor zu vermischen, um einen hoch verdünnten Verbrennungsmodus mit einem Rauchgasrezirkulationsdurchfluss von 100% bis 200% bereitzustellen.
Gasturbine nach Anspruch 1, wobei das Rauchgasrezirkulationsmittel einen Rauchgasrezirkulationsdurchfluss von 100% bis 150% erzeugt.
Gasturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Rauchgasrezirkulationsmittel eine Rauchgasrezirkulation innerhalb der Verbrennungskammer erzeugt.
Gasturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Rauchgasrezirkulationsmittel eine Rauchgasrezirkulation außerhalb der Verbrennungskammer erzeugt.
Gasturbine Anspruch 4, wobei das Rauchgasrezirkulationsmittel Rauchgas, das aus der Turbine austritt, rezirkuliert.
Gasturbine nach Anspruch 5, wobei die Gasturbine das rezirkulierte Rauchgas, das aus der Turbine austritt, abkühlt und das rezirkulierte Rauchgas, das aus der Turbine austritt, mit dem Oxidationsmittel in den Kompressor einspeist.
Gasturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Rauchgasrezirkulationsmittel die Rauchgasrezirkulation durch eine Kombination von Mitteln innerhalb und außerhalb der Verbrennungskammer bewirkt.
Gasturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Rauchgasrezirkulationsmittel das rezirkulierte Rauchgas mit einem vorgemischten Strom aus Brennstoff und Oxidationsmittel vermischt, bevor der vorgemischte Strom in die Verbrennungskammer eintritt.
Gasturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner ein Vorheizmittel des Oxidationsmittels umfasst, das das verdichtete Oxidationsmittel erhitzt, bevor das Oxidationsmittel in die Verbrennungskammer eintritt.
Gasturbine nach Anspruch 9, wobei Vorheizmittel des Oxidationsmittels einen Wärmeübertrager umfasst, der die Wärme des Gases, das aus der Turbine austritt, zum Erhitzen des verdichteten Oxidationsmittels verwendet.
Gasturbine nach Anspruch 10, wobei der Wärmeübertrager einen Rückgewinner oder einen Regenerator umfasst.
Gasturbine nach Anspruch 10 oder 11, wenn von Anspruch 5 abhängig, wobei das rezirkulierte Rauchgas, das aus der Turbine austritt, mittels des Wärmeübertragers abgekühlt wird.
Gasturbine nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei das Vorheizmittel des Oxidationsmittels eine externe Hitzequelle umfasst.
Gasturbine nach Anspruch 13, wobei die externe Hitzequelle einen katalytischen Vorbrenner umfasst.
Gasturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Oxidationsmittel Sauerstoff ist.
Flammenlose Gasturbine mit Dampfeinspritzung, die Folgendes umfasst: eine Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 15 und einen Dampfgenerator, der Dampf erzeugt, indem er Energie aus dem Rauchgas verwendet, das aus der Turbine austritt, und den Strom in die Verbrennungskammer einspeist, um das Oxidationsmittel-Brennstoffgemisch weiter zu verdünnen.
Flammenlose Gasturbine mit Dampfeinspritzung nach Anspruch 16, wobei die flammenlose Gasturbine mit Dampfeinspritzung in einem geschlossenen Schleifensystem funktioniert und ferner einen Kondensator umfasst, der den Dampf kondensiert und das resultierende Wasser in den Dampfgenerator zurückführt.
Flammenlose Gasturbine mit Dampfeinspritzung nach Anspruch 16, wobei die flammenlose Gasturbine mit Dampfeinspritzung in einem offenen Schleifensystem funktioniert und wobei der Dampfgenerator ständig mit Wasser nachgefüllt wird.
Flammenlose Gasturbine mit Dampfeinspritzung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei ein Anteil des vom Dampfgenerator erzeugten Dampfs in die Turbine eingespeist wird, um den Leistungsausgang der Turbine zu steigern.
Betriebsverfahren einer Gasturbine, umfassend: Verwenden eines Kompressors zum Verdichten des Oxidationsmittels; Verwenden einer Verbrennungskammer zum Aufnehmen des verdichteten Oxidationsmittels und Bereitstellen eines Ausgangsmittels für Rauchgas; Verwenden einer Turbine und Verwenden eines Rauchgasrezirkulationsmittels zum Rezirkulieren des Rauchgases von der Verbrennungskammer und zum Vermischen des Rauchgases mit dem verdichteten Oxidationsmittel aus dem Kompressor, um einen hoch verdünnten Verbrennungsmodus mit Rauchgasrezirkulationsdurchfluss von 100% bis 200% bereitzustellen.
Verfahren nach Anspruch 20, das ferner das Verwenden des Rauchgasrezirkulationsmittels zum Bereitstellen eines Rauchgasrezirkulationsdurchflusses von 100% bis 150% umfasst.
Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, das das Verwenden des Rauchgasrezirkulationsmittels zum Bereitstellen von Rauchgasrezirkulation innerhalb der Verbrennungskammer umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, das das Verwenden des Rauchgasrezirkulationsmittels zum Bereitstellen von Rauchgasrezirkulation außerhalb der Verbrennungskammer umfasst.
Verfahren nach Anspruch 23, das ferner das Verwenden des Rauchgasrezirkulationsmittels zum Rezirkulieren von Rauchgas, das aus der Turbine austritt, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 24, das ferner das Abkühlen des rezirkulierten Rauchgases, das aus der Turbine austritt, vor dem Einspeisen des Rauchgases, das aus der Turbine austritt, gemeinsam mit dem Oxidationsmittel in den Kompressor umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 25, das das Verwenden des Rauchgasrezirkulationsmittels zum Bereitstellen von Rauchgasrezirkulation durch eine Kombination von Mitteln innerhalb und außerhalb der Verbrennungskammer umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 26, das das Verwenden des Rauchgasrezirkulationsmittels zum Vermischen des rezirkulierten Rauchgases mit einem vorgemischten Strom aus Brennstoff und Oxidationsmittel, bevor der vorgemischte Strom in die Verbrennungskammer eintritt, umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 27, das das Verwenden eines Vorheizmittels des Oxidationsmittels zum Erhitzen des verdichteten Oxidationsmittels, bevor das Oxidationsmittel in die Verbrennungskammer eintritt, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 28, das ferner das Verwenden eines Wärmeübertragers zum Bereitstellen des Vorheizmittels des Oxidationsmittels und das Verwenden des Wärmeübertragers zum Erhitzen des verdichteten Oxidationsmittels unter Verwendung der Wärme des Gases, das aus der Turbine austritt, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 29, das ferner das Bereitstellen des Wärmeübertragers in der Form eines Rückgewinners oder eines Regenerators umfasst.
Verfahren nach Anspruch 29 oder 30, wenn abhängig von Anspruch 24, das das Verwenden des Wärmeübertragers zum Abkühlen des rezirkulierten Rauchgases, das aus der Turbine austritt, umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 31, das das Verwenden einer externen Hitzequelle zum Bereitstellen des Vorheizmittels des Oxidationsmittels umfasst.
Verfahren nach Anspruch 32, das ferner das Verwenden eines katalytischen Vorbrenners zum Bereitstellen der externen Hitzequelle umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 33, das das Verwenden von Sauerstoff als das Oxidationsmittel umfasst.
Verfahren zum Betreiben einer flammenlosen Gasturbine mit Dampfeinspritzung, umfassend: das Verwenden einer Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 15 und das Verwenden eines Dampfgenerators zum Produzieren von Dampf unter Verwendung der Energie aus dem Rauchgas, das aus der Turbine austritt, und Einspeisen des Dampfs in die Verbrennungskammer, um das Oxidationsmittel- und Brennstoffgemisch weiter zu verdünnen.
Verfahren zum Betreiben einer flammenlosen Gasturbine mit Dampfeinspritzung nach Anspruch 35, das das Betreiben der flammenlosen Gasturbine mit Dampfeinspritzung als ein geschlossenes Schleifensystem und das Verwenden eines Kondensators zum Kondensieren des Dampfs und Wiedereinführen des resultierenden Wassers in den Dampfgenerator umfasst.
Verfahren zum Betreiben einer flammenlosen Gasturbine mit Dampfeinspritzung nach Anspruch 36, das das Betreiben der flammenlosen Gasturbine mit Dampfeinspritzung als ein offenes Schleifensystem und das ständige Nachfüllen des Dampfgenerators mit Wasser umfasst.
Verfahren zum Betreiben einer flammenlosen Gasturbine mit Dampfeinspritzung nach einem der Ansprüche 33 bis 35, das ferner das Einspeisen eines Anteils des vom Dampfgenerator erzeugten Dampfs in die Turbine zum Steigern des Leistungsausgangs der Turbine umfasst.
Gasturbine wie im Wesentlichen oben unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben.
Flammenlose Gasturbine mit Dampfeinspritzung wie im Wesentlichen oben unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben.
Verfahren zum Betreiben einer Dampfturbine wie im Wesentlichen oben unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben.
Verfahren zum Betreiben einer flammenlosen Gasturbine mit Dampfeinspritzung wie im Wesentlichen oben unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben.