DE102011102720B4

DE102011102720B4 - Kraftwerk mit kombiniertem Zyklus und mit Abgasrückführung

Info

Publication number: DE102011102720B4
Application number: DE102011102720.7A
Authority: DE
Inventors: Marta de la Cruz Garcia; Thierry Lachaux; Andre Burdet; Jaan Hellat
Original assignee: Ansaldo Energia Switzerland AG
Current assignee: Ansaldo Energia IP UK Ltd
Priority date: 2010-05-26
Filing date: 2011-05-20
Publication date: 2021-10-28
Anticipated expiration: 2031-05-21
Also published as: US9828912B2; US20110289899A1; DE102011102720A1; JP5836645B2; JP2011247265A

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Kraftwerks mit kombiniertem Zyklus (CCPP) mit einer Gasturbine (6) und einem Wärmerückgewinnungsdampfgenerator (9) mit einem Abgasrückführungssystem, bei dem Rauchgase nach einem Austritt aus der Gasturbine (6) durch den Wärmerückgewinnungsdampfgenerator (9) geleitet und anschließend ein erster Teilstrom (21) der Rauchgase mit Umgebungsluft (2) zu einem Kompressoreinlassgas (3) gemischt wird, wobei ein auferlegtes Verbrennungsinhomogenitätsverhältnis (ri) als Funktion einer Abgasrückführungsrate (rFRG) von Abgasen, die in einem Kompressoreinlassgas (3) der Gasturbine (6) durch das Abgasrückführungssystem zurückgeführt werden, geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das auferlegte Verbrennungsinhomogenitätsverhältnis (ri) ferner als Funktion einer Heißgastemperatur (Thot) geregelt wird und/oder als Funktion eines Verbrennungsdrucks geregelt wird, dass eine Zielabgasrückführungsrate in einem offenen Regelkreis als Funktion eines Kompressorauslassdrucks (pk2) bestimmt wird und eine tatsächliche Abgasrückführungsrate (rFRG) mit einem geschlossenen Regelkreis innerhalb eines zulässigen Bereichs zwischen einem minimalen Abgasrückführungsbereich (rmin) und einem maximalen Abgasrückführungsbereich (rmax) , die für den jeweiligen Kompressorauslassdruck (pk2) gegeben sind, bestimmt und/oder dass die Zielabgasrückführungsrate in einem offenen Regelkreis als Funktion der Heißgastemperatur (Thot) bestimmt wird, und dass die tatsächliche Abgasrückführungsrate (rFRG) mit einem geschlossenen Regelkreis innerhalb eines zulässigen Bereichs zwischen dem minimalen Abgasrückführungsbereich (rmin) und dem maximalen Abgasrückführungsbereich (rmax) , die für die jeweilige Heißgastemperatur (Thot) gegeben sind, eingestellt wird.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftwerks mit kombiniertem Zyklus und mit Abgasrückführung (Abgasrezirkulation) sowie auf eine Anlage zum Ausführen eines solchen Verfahrens.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In den letzten Jahren wurde es offensichtlich, dass die Erzeugung von Treibhausgasen zu einer globalen Erwärmung führt und dass eine weitere Steigerung der Treibhausgaserzeugung die globale Erwärmung beschleunigt. CO2 (Kohlenstoffdioxid) ist als Haupttreibhausgas identifiziert und es wird angenommen, dass NOx signifikant zum Treibhauseffekt als indirektes Treibhausgas durch Erzeugen von Ozon in der Troposphäre beiträgt. Daher werden CCS (Kohlenstoffabscheidung und -speicherung) und die Verringerung von NOx-Emissionen als potentielle Hauptmittel zum Verringern und zum Kontrollieren der globalen Erwärmung betrachtet.
Die Verringerung von NOx-Emissionen wird entweder durch katalytische Reinigung der Abgase oder vorzugsweise durch Reduktion der NOx-Erzeugung während der Verbrennung durchgeführt.
Es gab ein kontinuierliches Bestreben für eine Anlage mit höheren Heißgastemperaturen, um die Kraftwerkwirkungsgrade zu erhöhen. NOx-Emissionen nehmen jedoch mit höherer Verbrennungstemperatur zu. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, wurde eine Abgasrückführung vorgeschlagen.
CCS ist als Prozess der Abscheidung, der Kompression, des Transports und der Speicherung von CO2 definiert. Die Abscheidung ist als Prozess definiert, in dem CO2 entweder aus den Abgasen nach der Verbrennung eines Brennstoffs auf Kohlenstoffbasis entfernt wird, oder als Entfernung und Verarbeitung von Kohlenstoff vor der Verbrennung. Die Regeneration durch irgendwelche Absorptionsmittel, Adsorptionsmittel oder andere Mittel, um CO2 von einem Abgas- oder Brenngasstrom zu entfernen, wird als Teil des Abscheidungsprozesses betrachtet.
Die CO2-Abscheidung am Hinterende oder die Abscheidung nach der Verbrennung ist eine kommerziell vielversprechende Technologie für mit fossil befeuerte Kraftwerke, einschließlich CCPP (Kraftwerke mit kombiniertem Zyklus). Bei der Abscheidung nach der Verbrennung wird CO2 aus einem Abgas entfernt. Das restliche Abgas wird an die Atmosphäre freigesetzt und das CO2 wird zum Transport und zur Speicherung komprimiert. Es gibt mehrere Technologien, von denen bekannt ist, dass sie CO2 aus einem Abgas entfernen, wie z. B. Absorption, Adsorption, Membrantrennung und Tieftemperaturtrennung. Kraftwerke mit Abscheidung nach der Verbrennung sind der Gegenstand dieser Erfindung.
Alle bekannten Technologien für die CO2-Abscheidung erfordern relativ große Mengen an Energie. Aufgrund der relativ niedrigen CO2-Konzentration von nur etwa 4% in den Abgasen eines herkömmlichen CCPP ist das CO2-Abscheidungssystem (auch CO2-Abscheidungsanlage oder CO2-Abscheidungsausrüstung genannt) für ein herkömmliches CCPP kostspieliger und energieaufwändiger pro kg von abgeschiedenem CO2 als diejenigen für andere Typen von fossilen Kraftwerken, wie mit Kohle befeuerte Anlagen, die eine relativ höhere CO2-Konzentration aufweisen.
Die CO2-Konzentration im CCPP-Abgas hängt von der Brennstoffzusammensetzung, vom Gasturbinentyp und von der Last ab und kann in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen der Gasturbine beträchtlich variieren. Diese Veränderung der CO2-Konzentration kann für die Leistung, den Wirkungsgrad und die Betriebsfähigkeit des CO2-Abscheidungssystems schädlich sein.
Um die CO2-Konzentration in den Abgasen eines CCPP zu erhöhen, sind zwei Hauptkonzepte bekannt. Eines ist die Rückführung von Abgasen, wie beispielsweise von O. Bolland und S. Saether in „NEW CONCEPTS FOR NATURAL GAS FIRED POWER PLANTS WHICH SIMPLIFY THE RECOVERY OF CARBON DIOXIDE" (Energy Convers. Mgmt Band 33, Nr. 5-8, S. 467-475, 1992) beschrieben. Ein weiteres ist die sequentielle Anordnung von Anlagen, wobei das Abgas eines ersten CCPP abgekühlt und als Einlassgas für ein zweites CCPP verwendet wird, um ein Abgas mit erhöhtem CO2 im Abgas des zweiten CCPP zu erhalten. Eine solche Anordnung ist beispielsweise in US 2008 / 0 060 346 A1 beschrieben. Diese Verfahren verringern die Gesamtmenge an Abgas, das an die Außenumgebung abgeführt wird, und erhöhen die CO2-Konzentration und verringern dadurch die erforderliche Durchflusskapazität eines Absorbers, den Leistungsverbrauch des Abscheidungssystems, den Investitionsaufwand für das Abscheidungssystem und erhöhen den Wirkungsgrad des CO2-Abscheidungssystems. Die Abgasrückführung verringert jedoch den Sauerstoffgehalt in den Einlassgasen der Gasturbine und wirkt sich auf die Verbrennung aus. Neben positiven Auswirkungen auf die NOx-Emission kann der verringerte Sauerstoffgehalt zu einer unvollständigen instabilen Verbrennung führen und zu hohen CO-Emissionen führen, was sehr unerwünscht ist.
Um die Flammenstabilität zu verbessern, sind verschiedene Maßnahmen, um der Flamme eine geregelte Inhomogenität aufzuerlegen, bekannt. Beispielsweise sind Pilotierung, Stufung, abgestufte Vorgemischeinspritzung, wie beispielsweise in EP 1 292 795 A1 beschrieben, oder das Zuführen von individuellen Brennstoffströmen zu verschiedenen Brennergruppen, wie in US 7 484 352 B2 beschrieben, bekannt.
Aus der US 2007 / 0 034 171 A1 und der DE 10 2009 003 481 A1 sind Gasturbinen mit externer Rauchgasrezirklulation bekannt.
Bei der US 2007 / 0 034 171 A1 wird der Volumenstrom und/oder die Temperatur der rezirkulierten Rauchgase in Abhängigkeit von einer Soll-Temperatur des in den Kompressor eintretenden Frischgas-Abgas-Gemischs geregelt.
Aus der DE 102 97 365 T5 ist eine Gasturbine mit interner Rauchgasrezirklulation bekannt. Die Rezirkulationsrate ist relativ groß und ermöglicht eine adiabate Verbrennung.
Aus der US 2006 / 0 040 225 A1 ist ein Brenner-System für Gasturbinen bekannt: Mindestens ein Brenner dieses Systems wird in Abhängigkeit der im Brennerraum auftretenden Druckpulsationen geregelt.
Aus der US 6 260 400 B1 ist ein GuD-Kraftwerk bekannt, dessen Gasturbine mit interner Rauchgasrezirklulation arbeitet.
Aus der US 2009 / 0 037 029 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine bekannt, bei dem Druckpulsationen erfasst und mit vorgegeben Grenzwerte verglichen werden. Abhängig vom Ergebnis dieses Vergleichs wird die Brennstoffzufuhr gesteuert.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Das Hauptziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Betriebsverfahren für ein Kraftwerk mit kombiniertem Zyklus (CCPP) mit einer niedrigen CO-Emission und einer niedrigen NOx-Emission mit mindestens einer Gasturbine mit Abgasrückführung, einem Wärmerückgewinnungsdampfgenerator (HRSG) und einer Dampfturbine sowie eine Anlage, die dazu ausgelegt ist, gemäß diesem Verfahren zu arbeiten, zu schaffen.
Ein Ziel besteht darin, eine hohe Abgasrückführungsrate zu ermöglichen, während eine stabile, saubere Verbrennung aufrechterhalten wird, und ein flexibles Betriebsverfahren für den Abgasrückführungsvorgang zu schaffen.
Das Wesentliche der Erfindung besteht darin, die Feststellung, dass das Ausbrennen von CO, mit anderen Worten die Reaktion von CO mit Sauerstoff unter Bildung von CO2, durch einen hohen Verbrennungsdruck erleichtert wird, und die vorteilhaften Effekte eines niedrigen Sauerstoffgehalts der Einlassgase einer Brennkammer auf die NOx-Emissionen, zu nutzen. Dies ermöglicht den Betrieb bei hohen Flammentemperaturen mit stabiler Verbrennung und niedrigen NOx-Emissionen. Um diese Effekte zu nutzen, wird ein Betriebsverfahren vorgeschlagen, in dem die Flammenstabilität verbessert wird, indem der Flamme eine Inhomogenität auferlegt wird, die als Funktion der Abgasrückführungsrate und/oder des Verbrennungsdrucks geregelt wird. Die Abgasrückführungsrate r_FRG ist als Verhältnis des Abgasmassenstroms von der Gasturbine, die zum Kompressoreinlass zurückgeführt wird, zum gesamten Abgasmassenstrom der Gasturbine definiert. In Kombination mit dem NOx-Verringerungseffekt der Abgasrückführung ermöglicht dies ein Betriebsverfahren, das sowohl zu niedrigen NOx- als auch niedrigen CO-Emissionen führt, während eine stabile Flamme aufrechterhalten wird. Maßnahmen zum Auferlegen einer geregelten Inhomogenität sind beispielsweise eine Pilotierung oder Stufentrennung.
Die Pilotierung ist die Stabilisierung einer vorgemischten Flamme mit einer Diffusionsflamme, wobei das Pilotverhältnis das Verhältnis von in der Pilotflamme verbranntem Brenngas relativ zum gesamten Brenngasmassenstrom, die in Brenner einer Brennkammer eingespritzt wird, ist.
Zur Stufentrennung werden zwei Verfahren vorgeschlagen: das erste ist die Stabilisierung durch abgestufte Vorgemischgaseinspritzung in einen Brenner. In diesem Verfahren werden mindestens zwei vorgemischte Brennstoff/Oxidationsmittel-Gasgemische an verschiedenen Stellen in einen Vorgemischbrenner eingespritzt und/oder vorgemischte Brennstoff/Oxidationsmittel-Gasgemische mit verschiedenen Brennstoffkonzentrationen werden in einen Vorgemischbrenner eingespritzt. Dieses Verfahren und entsprechende Brenner sind in EP 1 292 795 A1 für eine herkömmliche Gasturbine ohne Abgasrückführung im Einzelnen beschrieben.
Das zweite Verfahren ist die Stabilisierung durch Gruppieren von Brennern einer Brennkammer in mindestens zwei Brennergruppen, die eine gemeinsame Hauptbrennstoffquelle aufweisen. In diesem Verfahren wird der Brennstoffstrom zu jeder Brennergruppe geregelt, um effektiv zwischen Brennern in der Umfangsrichtung in einer ringförmigen Brennkammer abzustufen, z. B. ist der brennerspezifische Brennstoff, der in die Brenner einer Gruppe eingespritzt wird, vom brennerspezifischen Brennstoff, der in die Brenner der anderen Gruppe eingespritzt wird, verschieden. Dieses Verfahren und entsprechende Brennkammern sind in US 7 484 352 B2 im Einzelnen beschrieben.
Das Brennerstufenverhältnis ist als Verhältnis des Äquivalenzverhältnisses des Brennstoff/Luft-Gemisches, das zu einem Teil der Vorgemischeinspritzorte geleitet wird, und des gesamten Äquivalenzverhältnisses eines Brenners definiert.
Das Gruppenstufenverhältnis ist als Verhältnis des Äquivalenzverhältnisses, das in einer Gruppe von Brennern erreicht wird, zum mittleren Äquivalenzverhältnis aller Brenner einer Brennkammer definiert.
Pilotierung, abgestufte Vormischeinspritzung und abgestufte Gruppierung von Brennern können als separate Maßnahmen oder in Kombination ausgeführt werden. Im Folgenden werden diese und andere Maßnahmen, um der Flamme eine geregelte Inhomogenität aufzuerlegen, einfach als auferlegte Verbrennungsinhomogenität bezeichnet. Das entsprechende Pilotverhältnis oder Stufenverhältnis oder die Kombination beider werden als auferlegtes Verbrennungsinhomogenitätsverhältnis bezeichnet.
Ein weiterer Faktor, der die CO- und NOx-Emissionen beeinflusst, ist die Verbrennungstemperatur oder Heißgastemperatur. In einer raffinierteren Methode ist das auferlegte Verbrennungsinhomogenitätsverhältnis als Funktion des Verbrennungsdrucks und/oder der Abgasrückführungsrate plus der Heißgastemperatur gegeben.
Der Kompressorauslassdruck oder ein anderer Druck, der zum Brennkammerdruck proportional ist, wie beispielsweise ein geeigneter Kühlluftdruck, kann anstelle des Verbrennungsdrucks verwendet werden. Typischerweise wird der Kompressorauslassdruck verwendet, da er leicht zu messen ist. Ferner ist die Kompressorauslasstemperatur zum Druckverhältnis proportional und kann daher auch verwendet werden. Wenn die Kompressorauslasstemperatur verwendet wird, sollte sie typischerweise hinsichtlich der Umgebungstemperatur korrigiert werden.
In einer Ausführungsform wird ein Regelband, das ein zulässiges auferlegtes Verbrennungsinhomogenitätsverhältnis als Funktion des Verbrennungsdrucks und/oder der Heißgastemperatur gibt, vorgeschlagen. Ein Zielwert für das auferlegte Verbrennungsinhomogenitätsverhältnis wird als Funktion des Verbrennungsdrucks und/oder der Heißgastemperatur berechnet. Die tatsächliche Abgasrückführungsrate wird durch eine Feinregelung korrigiert, die die Abgasrückführungsrate in Abhängigkeit von den CO-Emissionen einstellt. Die CO-Emissionen werden für dieses Regelverfahren online gemessen.
In einer Ausführungsform wird eine Zwei-Punkt-Regelung verwendet, um das auferlegte Verbrennungsinhomogenitätsverhältnis einzustellen: sobald die CO-Emissionen über einen ersten Schwellenwert ansteigen, wird das auferlegte Verbrennungsinhomogenitätsverhältnis verringert. Sobald die CO2-Emissionen unter einen zweiten Schwellenwert fallen, wird das auferlegte Verbrennungsinhomogenitätsverhältnis erhöht. Anstelle von Schwellenwerten kann eine Korrekturfunktion des auferlegten Verbrennungsinhomogenitätsverhältnisses, die verwendet wird, um die erforderliche Korrektur des auferlegten Verbrennungsinhomogenitätsverhältnisses zu berechnen, auch verwendet werden. Die Korrekturfunktion liefert den Versatz zwischen der Zielrückführungsrate, die auf der Basis des Verbrennungsdrucks berechnet wurde, und dem tatsächlichen auferlegten Verbrennungsinhomogenitätsverhältnis, das erforderlich ist, um die CO-Emissionen auf das gewünschte Niveau zu bringen. Typischerweise kann eine einfache Proportionalregelung, die einen zur Differenz der CO-Emissionen und eines Ziel-CO-Emissionswerts proportionalen Versatz gibt, für die Korrektur verwendet werden. In einer weiteren Ausführungsform hängen die Schwellenwerte oder Korrekturfunktionen auch von der relativen Last des CCPP ab.
Als Alternative wird ein auferlegtes Verbrennungsinhomogenitätsverhältnis als Funktion der gemessenen Emissionen von unverbrannten Kohlenwasserstoffen der Abgase vorgeschlagen. Analog zur Regelung als Funktion der CO-Emission kann eine Zwei-Punkt-Regelung verwendet werden. Wieder analog zur CO-Regelung kann alternativ eine Korrekturfunktion der Rückführungsrate, die von der Emission von unverbrannten Kohlenwasserstoffen abhängt, auch verwendet werden. Die Korrekturfunktion liefert den Versatz zwischen der Zielrückführungsrate, die auf der Basis des Verbrennungsdrucks berechnet wurde, und dem tatsächlichen auferlegten Verbrennungsinhomogenitätsverhältnis, das erforderlich ist, um die Emissionen von unverbrannten Kohlenwasserstoffen auf das gewünschte Niveau zu bringen. Typischerweise kann eine einfache Proportionalregelung, die einen zur Differenz der Emissionen von unverbrannten Kohlenwasserstoffen und eines Zielemissionswerts von unverbrannten Kohlenwasserstoffen proportionalen Versatz gibt, zur Korrektur verwendet werden. In einer weiteren Ausführungsform hängen die Schwellenwerte oder Korrekturfunktionen auch von der relativen Last des CCPP ab.
Analog kann das auferlegte Verbrennungsinhomogenitätsverhältnis als Funktion von NOx-Emissionen geregelt werden.
Ferner hat die tatsächliche O2-Konzentration, die im Kompressoreinlassgas verbleibt, einen signifikanten Einfluss auf den Verbrennungsprozess und kann verwendet werden, um das auferlegte Verbrennungsinhomogenitätsverhältnis einzustellen. Anstelle der Verwendung der O2-Konzentration in der Einlassluft als Regelparameter ist die Verwendung der O2- und/oder CO2-Konzentration in anderen Gasströmen, die eine Abschätzung der Abgas-O2-Konzentration am Brennkammereinlass ermöglichen, durchführbar. Die Verwendung der CO2-Konzentration im Abgas der Turbine kann beispielsweise verwendet werden. Ferner kann die Restsauerstoffkonzentration in den zurückgeführten Abgasen oder die Sauerstoffkonzentration in den Kühlluftströmen verwendet werden. Die Verwendung einer Kombination von diesen Konzentrationen ist auch durchführbar.
Die optimalen Zielwerte für diese Parameter hängen von der spezifischen Anlagenkonstruktion ab und sind eine Funktion der Umgebungsbedingungen und der Anlagenlast. Ihr Einfluss auf den Gesamtwirkungsgrad hängt von den Anlagenbetriebsbedingungen ab. Die erforderliche O2-Konzentration hängt vom Verbrennungsdruck und von der Temperatur ab. Daher kann auch die erforderliche O2-Konzentration als Funktion des Verbrennungsdrucks und/oder der Heißgastemperatur berechnet werden. Auf der Basis dieser erforderlichen O2-Konzentration kann die Abgasrückführungsrate derart geregelt werden, dass das Einlassfluid der Gasturbine die erforderliche O2-Konzentration aufweist.
Bei einem gegebenen auferlegten Verbrennungsinhomogenitätsverhältnis ist die maximale Rückführungsrate häufig durch die Sauerstoffkonzentration begrenzt, die für eine stabile, vollständige Verbrennung erforderlich ist. Eine stabile, vollständige Verbrennung bedeutet in diesem Zusammenhang, dass CO-Emissionen und Emissionen von unverbrannten Kohlenwasserstoffen (UHC) unter dem erforderlichen Niveau bleiben, das für CO-Emissionen und Emissionen von unverbrannten Kohlenwasserstoffen festgelegt ist, das in der Größenordnung von ppm oder einstelligen ppms liegt, und dass die Verbrennungspulsationen innerhalb der normalen Auslegungswerte bleiben. Emissionsniveaus werden typischerweise durch Garantiewerte vorgeschrieben. Auslegungswerte für die Pulsation hängen von der Gasturbine, vom Betriebspunkt und von der Brennkammerkonstruktion sowie von der Pulsationsfrequenz ab. Sie sollten gut unterhalb 10% des Brennkammerdrucks bleiben. Typischerweise bleiben sie unter 1 oder 2% des Brennkammerdrucks. In einer Ausführungsform wird die Rückführungsrate in Abhängigkeit von der Pulsation eingestellt oder feinabgestimmt. Ein Zielwert für die Rückführungsrate wird beispielsweise auf der Basis des Kompressorauslassdrucks oder des Kompressordruckverhältnisses berechnet. Er wird für hohe Verbrennungspulsationen verringert oder bei sehr niedrigen Verbrennungspulsationen erhöht. Diese Einstellungen werden typischerweise nur innerhalb einer Bandbreite um den vom Druck abhängigen Zielwert zugelassen und ausgeführt.
Um die Betriebsflexibilität zu erhöhen und eine höhere Rückführungsrate bei einem gegebenen auferlegten Verbrennungsinhomogenitätsverhältnis zu ermöglichen, und um die CO2-Konzentration in den Abgasen bei Grundlast und Teillast weiter zu erhöhen, wird eine Sauerstoffanreicherung der Kompressoreinlassgase in einer weiteren Ausführungsform vorgeschlagen. Dafür wird Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherte Luft in die Kompressoreinlassgase der Gasturbine eingemischt. In einer Ausführungsform ist die Zumischung von Sauerstoff zum Kompressorauslassdruck umgekehrt proportional.
In einer ersten Näherung ist der spezifische Energieverbrauch des Abscheidungssystems zur CO2-Konzentration der Abgase proportional. In diesem Zusammenhang ist der spezifische Energieverbrauch des Abscheidungssystems als Energie, die erforderlich ist, um eine Masseneinheit von CO2 aus dem Abgas zu entfernen, definiert. Da die CO2-Konzentration in den Abgasen zur Rückführungsrate proportional ist, ist ein Optimierungsziel eine hohe Rückführungsrate.
Die höhere Rückführungsrate erhöht nicht nur die CO2-Konzentration, sondern führt auch zu einer Verringerung der Abgasmasse und des Volumenstroms, der durch das CO2-Abscheidungssystem strömt. Die niedrigere Strömung verringert auch den Druckabfall des Systems, was für die Gesamtleistung vorteilhaft ist oder die Verwendung einer kleineren, weniger kostspieligen Ausrüstung ermöglicht. Bei Grundlast unter Auslegungsbedingungen ist die Abgasrückführungsrate maximiert. Sie ist durch die minimale Sauerstoffkonzentration begrenzt, die für den Betrieb der Gasturbine erforderlich ist. Typische Rückführungsraten liegen in der Größenordnung von 30% bis 50% für den Grundlastbetrieb.
Beim Teillastbetrieb der Gasturbine ist die CO2-Konzentration in herkömmlichen Gasturbinenabgasen niedriger als im Grundlastbetrieb und der Sauerstoffverbrauch für die Verbrennung nimmt ab.
Um die Differenzen der CO2-Erzeugung für unterschiedliche Last- und Betriebsbedingungen zu berücksichtigen, wird ein Ziel-CO2- oder Zielrestsauerstoffgehalt als Funktion des Verbrennungsdrucks in einer anderen Ausführungsform verwendet.
Flammenlöschung oder teilweise Löschung, die bei Teillast auftreten kann, hängt auch von den Kühlluftmassenströmen und Kühllufttemperaturen ab. Für die meisten Gasturbinenkonstruktionen sind die Kühllufttemperaturen und -massenströmen eine Funktion der Kompressoreinlassbedingungen und der Position von variablen Einlassleitschaufeln. Daher wird die Verwendung einer zusätzlichen Funktion vorgeschlagen, die den Einfluss der Einlassbedingungen und/oder der Position von variablen Einlassleitschaufeln auf die erforderliche minimale Sauerstoffkonzentration berücksichtigt. Das auferlegte Verbrennungsinhomogenitätsverhältnis wird dementsprechend korrigiert, z. B. wird das auferlegte Verbrennungsinhomogenitätsverhältnis für eine niedrige Kühllufttemperatur verringert, wenn der Löscheffekt der Kühlluft auf die Flamme hoch ist, und das auferlegte Verbrennungsinhomogenitätsverhältnis wird für eine hohe Kühllufttemperatur erhöht, wenn der Löscheffekt der Kühlluft geringer ist.
Eine Kombination der vorstehend beschriebenen Regelverfahren ist denkbar. Insbesondere kann ein vom Verbrennungsdruck abhängiges auferlegtes Verbrennungsinhomogenitätsverhältnis oder eine vom Verbrennungsdruck abhängige Funktion der Zieleinlasssauerstoffkonzentration mit einer Korrektur auf der Basis der Messung von Verbrennungsparametern, wie CO-Emissionen, NOx-Emissionen und/oder Emissionen von unverbrannten Kohlenwasserstoffen, und/oder Pulsationen kombiniert werden.
Die Abgasrückführungsrate und/oder das auferlegte Verbrennungsinhomogenitätsverhältnis können auf einen optimalen Wert in Kombination mit dem Zumischen von Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereichertem Gas, bei dem die Sauerstoffkonzentration so gehalten wird, dass sie das minimale erforderliche Niveau erfüllt, erhöht werden, wobei auf die optimalen thermodynamischen und wirtschaftlichen Leistungen der Anlage abgezielt wird. Das Zumischen von Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereichter Luft kann angewendet werden, soweit es in Anbetracht der Abwägung der ASU (Lufttrenneinheit) und der Vorteile aufgrund von verringerten Emissionen gerechtfertigt ist.
In einer Ausführungsform wird das Zumischen von Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherter Luft in die Kompressoreinlassgase durchgeführt, um die Sauerstoffkonzentration am Einlass zu regeln. Die Zielsauerstoffkonzentration am Kompressoreinlass ist beispielsweise als Funktion des Verbrennungsdrucks und/oder des auferlegten Verbrennungsinhomogenitätsverhältnisses gegeben. Die Sauerstoffkonzentration in der Einlassluft kann ferner durch Veränderung der Abgasrückführungsrate (r_FRG ) in Kombination mit dem Zumischen von Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherter Luft geregelt werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird das Zumischen von Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherter Luft in die Kompressoreinlassgase als Funktion von CO oder unverbrannten Kohlenwasserstoffen ausgeführt. Sobald die CO-Emissionen und/oder Emissionen von unverbrannten Kohlenwasserstoffen über einen ersten Schwellenwert zunehmen, wird die Zumischung von Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherter Luft erhöht. Sobald sie unter einem zweiten Schwellenwert liegen, wird die Einmischung verringert. Anstelle der Schwellenwerte kann eine Korrekturfunktion der Zumischung, die von den CO-Emissionen und/oder den Emissionen von unverbrannten Kohlenwasserstoffen abhängt, auch verwendet werden. In einer weiteren Ausführungsform hängen die Schwellenwerte oder Korrekturfunktionen auch von der relativen Last des CCPP ab. Dieses Verfahren kann ferner mit einer Einstellung der Abgasrückführungsrate kombiniert werden.
Flammen- oder Brennkammerpulsationen, die typischerweise zunehmen, wenn die Verbrennung unvollständig ist, können auch gemessen und analog als Regelparameter für die Zumischung von Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherter Luft verwendet werden. In einer Ausführungsform wird eine Zwei-Punkt-Regelung verwendet, um das auferlegte Verbrennungsinhomogenitätsverhältnis einzustellen: sobald das Pulsationsniveau über einen ersten Schwellenwert ansteigt, wird das auferlegte Verbrennungsinhomogenitätsverhältnis erhöht. Sobald sie unter einem zweiten Schwellenwert liegen, wird das auferlegte Verbrennungsinhomogenitätsverhältnis verringert. In Abhängigkeit von der Brennkammer kann ein spezifisches Pulsationsfrequenzband für die Pulsation in Abhängigkeit von der Regelung des auferlegten Verbrennungsinhomogenitätsverhältnisses verwendet werden. Anstelle von Schwellenwerten kann eine Korrekturfunktion der Rückführungsrate, die vom Pulsationsniveau abhängt, auch verwendet werden. Typischerweise kann eine einfache Proportionalregelung, die einen Versatz des auferlegten Verbrennungsinhomogenitätsverhältnisses, das zur Differenz der gemessenen Pulsation proportional ist, und eines Zielpulsationswerts gibt, zur Korrektur verwendet werden.
Für ein Regelverfahren, das die Brennkammerpulsationen als Regelparameter verwendet, muss mindestens eine entsprechende Pulsationsmessvorrichtung mit der Brennkammer verbunden werden.
Für ein Regelverfahren, das die CO-, NOx-Emissionen oder Emissionen von unverbrannten Kohlenwasserstoffen als Regelparameter verwendet, muss mindestens eine entsprechende Messvorrichtung stromabwärts der Gasturbine installiert werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Regelung der Rückführungsrate mit einer Regelung der Einmischung von Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherter Luft kombiniert. Verschiedene Möglichkeiten zum Kombinieren dieser Regelverfahren sind denkbar.
Eine Rückführungsrate kann beispielsweise als Funktion des Drucks gegeben werden, um NOx zu minimieren und/oder die Strömung im CO2-Abscheidungssystem zu optimieren, und die Zumischung kann verwendet werden, um die stabile vollständige Verbrennung zu regeln. In einem zweiten Beispiel wird die Zumischung von Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherter Luft aufgrund der Größe der ASU auf einem konstanten Niveau gehalten und die Rückführungsrate wird verwendet, um die stabile vollständige Verbrennung zu regeln.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Regelung der Rückführungsrate mit einer Regelung des auferlegten Verbrennungsinhomogenitätsverhältnisses kombiniert. Verschiedene Möglichkeiten zum Kombinieren dieser Regelverfahren sind denkbar.
Eine Rückführungsrate kann beispielsweise als Funktion des Drucks gegeben werden, um NOx zu minimieren und/oder die Strömung im CO2-Abscheidungssystem zu optimieren, und das auferlegte Verbrennungsinhomogenitätsverhältnis kann verwendet werden, um die stabile vollständige Verbrennung zu regeln. In einem zweiten Beispiel wird das auferlegte Verbrennungsinhomogenitätsverhältnis auf einem konstanten oder vorbestimmten Niveau gehalten und die Rückführungsrate wird verwendet, um die stabile vollständige Verbrennung zu regeln.
Ferner wird der Abgasstrom mit verringerter Last kleiner. Eine Erhöhung der Rückführungsrate in Kombination mit niedrigerem Abgasmassenstrom der Gasturbine kann zu einem signifikanten Abfall der Abgasmassenströmung, die das Kraftwerk verlässt, führen. Der Abgasstrom, der zur CO2-Abscheidungseinheit geschickt wird, wird daher für den Betrieb mit CO2-Abscheidung verringert. In Abhängigkeit von der Konstruktion sollte jedoch ein optimaler Massenstrom oder Strömungsgeschwindigkeit im CO2-Abscheidungssystem aufrechterhalten werden. Diese optimale Strömung kann die Rückführungsrate begrenzen. In Abhängigkeit von der Konstruktion des CO2-Abscheidungssystems kann daher eine Verringerung der Rückführungsrate bei niedrigen Lasten erforderlich sein, um die optimale Strömung durch das CO2-Abscheidungssystem aufrechtzuerhalten. In Abhängigkeit von der CO2-Abscheidungseinheit könnte der Wirkungsgrad der Abscheidungseinheit von der Strömung ohne ausgeprägten maximalen Wirkungsgrad über der Durchflussrate fast unabhängig sein. Sie sind jedoch typischerweise immer noch durch eine minimale Strömung begrenzt, unter der Strömungsinstabilitäten auftreten können, die zu Vibrationen im CO2-Abscheidungssystem führen können. In diesem Fall wird die Regelung vereinfacht, um die minimale Strömung sicherzustellen.
Während des Grundlastbetriebs fällt die Anlagenleistung typischerweise mit zunehmender Gasturbineneinlasstemperatur. Die Zielrückkühlungstemperatur ist daher typischerweise so niedrig wie möglich. Sie ist normalerweise durch die Kapazität des Rückkühlers begrenzt. Nur wenn ein großer Niedertemperaturwärmeableiter verfügbar ist, z. B. niedrige Umgebungstemperatur und/oder Kühlwasser mit niedriger Temperatur, oder wenn eine Vereisungsgefahr oder andere Betriebsparameter der Anlage den Betrieb einschränken könnten, könnte die Rückkühlungstemperatur auf eine höhere Zieltemperatur geregelt werden.
Bei Teillast, wenn die Gesamtmassenströme verringert sind, nimmt der gesamte Rückführungsmassenstrom typischerweise auch ab und der Rückkühler hat typischerweise die Kapazität zum Kühlen auf eine niedrigere Temperatur als bei Grundlast. Für die meisten Anlagenkonstruktionen kann jedoch das Erhöhen der Kompressoreinlasstemperatur der Gasturbine den Teillastwirkungsgrad auf einen bestimmten Lastsollwert erhöhen.
Typischerweise ist der Wirkungsgrad eines CCPP zur Last proportional. Wenn mit einer festen absoluten Last gearbeitet wird, nimmt die relative Last mit zunehmender Einlasstemperatur der Gasturbine zu. Der Wirkungsgradvorteil aufgrund der Erhöhung ist höher als der Wirkungsgradnachteil, der durch eine Erhöhung der Einlasstemperatur verursacht werden könnte.
Die Auslasstemperatur des Rückkühlers, der die zurückgeführten Abgase kühlt, und daher die Rückkühlungstemperatur können bei Teillast erhöht werden, um die höhere Gasturbinenkompressor-Einlasstemperatur zu verwirklichen, solange die Kompressoreinlasstemperatur innerhalb der Betriebsgrenzen der Gasturbine bleibt. Daher wird eine von der Last und Rückführungsrate abhängige Rückkühlungstemperatur vorgeschlagen. In Abhängigkeit von der Rückführungsrate wird die Rückkühlungstemperatur derart geregelt, dass nach dem Mischen von Umgebungsluft mit den rückgekühlten Abgasen die Einlasstemperatur erhalten wird, die zum besten Wirkungsgrad bei der aktuellen Ausgangsleistung führt.
Im Fall einer Anlage mit CO2-Abscheidung soll die Abgastemperatur für die CO2-Abscheidungsanlage nach dem Kühlen auch für das CO2-Abscheidungssystem optimiert werden, wobei die Kühlerbegrenzungen berücksichtigt werden.
Das CO2-Abscheidungssystem selbst kann aus mehr als einer Abscheidungsreihe bestehen. Um den Teillastbetrieb zu optimieren, kann es vorteilhaft sein, mindestens eine Abscheidungsreihe abzuschalten. Folglich kann die optimale Rückführungsrate zu einer Funktion der aktiven Abscheidungsreihen werden. Die Integration des Abscheidungssystembetriebs mit dem CCPP-Betrieb ist für den Anlagengesamtwirkungsgrad vorteilhaft.
In einem ersten Regelschritt wird die Anzahl von aktiven Abscheidungsreihen auf die Anlagenlast eingestellt. In einem zweiten Schritt wird die Rückführungsrate eingestellt, um den Anlagenwirkungsgrad bei der spezifischen Last und mit der spezifischen Anzahl von aktiven Abscheidungsreihen zu optimieren. Dafür werden zwei alternative Optimierungsstrategien vorgeschlagen. Entweder wird die Rückführungsrate verwendet, um die CO2-Konzentration in den Abgasen auf das optimale Niveau für die aktiven Reihen des Abscheidungssystems zu regeln, oder sie wird verwendet, um die Strömungsgeschwindigkeit in den Abscheidungsreihen auf der optimalen Geschwindigkeit zu halten.
Neben dem Verfahren ist eine Anlage zum Arbeiten gemäß diesem Verfahren ein Teil der Erfindung. Eine Anlage, die für einen optimierten Betrieb ausgelegt ist, umfasst mindestens eine Gasturbine, ein Abgasrückführungssystem mit einem Abgaskanal, der eine erste Teilstrom der Strömungsgase zum Kompressoreinlassgasstrom lenkt, mindestens ein Regelorgan, um das Rückführungsverhältnis zu regeln, einen Rückkühler mit Temperaturregelung, um die Rückführungsabgase zu kühlen, mindestens eine Verbrennungsdruckmess- und mindestens eine CO2- und/oder Sauerstoffkonzentrations-Messvorrichtung. Anstelle der Verbrennungsdruck-Messvorrichtung kann eine Kompressorauslassdruck-Messvorrichtung oder eine Kompressorauslass-Temperaturvorrichtung verwendet werden. Die Kompressorauslasstemperatur kann für die Näherung des Kompressorauslassdrucks verwendet werden. Für eine bessere Genauigkeit wird dies vorzugsweise in Kombination mit einer Kompressoreinlass-Temperaturmessung durchgeführt.
Ferner umfasst die Anlage gemäß der vorliegenden Erfindung mindestens einen Brenner und/oder ein Brennstoffverteilungssystem, der/das dazu konfiguriert ist, eine Flammeninhomogenität aufzuerlegen.
Der Brenner zum Auferlegen einer Flammeninhomogenität umfasst eine Pilotstufe und/oder ist für eine abgestufte Einspritzung von vorgemischtem Brennstoff konfiguriert.
Ein Brenner mit Pilotstufe umfasst mindestens einen Brennstoffeinspritzpunkt für die Einspritzung eines Teils des Brenngases der Brennkammer ohne vorheriges Vormischen des Brennstoffs mit Verbrennungsluft. In einer Ausführungsform wird eine Brennstofflanze als Pilotstufe verwendet, um Pilotbrennstoff in einen Brenner einzuspritzen. Typischerweise ist die Brennstoffverteilung derart konfiguriert, dass die Aufteilung des Brennstoffs, der zu den Vorgemischbrennstoff-Einspritzpunkten und zur Pilotierung gelenkt wird, geregelt werden kann.
Ein Brenner, der für eine abgestufte Einspritzung von vorgemischtem Gas konfiguriert ist, umfasst mindestens zwei Einspritzpunkte für die Einspritzung von vorgemischten Brennstoff/Oxidationsmittel-Gasgemischen und Brenngas-Regelventile zum Regeln der Brennstoffeinspritzung in jedes der vorgemischten Brennstoff/Oxidationsmittel-Gasgemische. Ein Einspritzpunkt ist eine Öffnung, die die Einspritzung von Brennstoff an einer spezifischen Stelle in einem Brenner ermöglicht. Typischerweise ist ein Einspritzpunkt ein einfaches Loch oder eine Düse. Er kann auch eine Reihe oder eine Anordnung von Löchern oder Düsen sein.
Eine Gasturbine mit einer Brennkammer mit abgestuften Brennergruppen umfasst mindestens zwei Brennergruppen mit einer Hauptbrennstoffquelle, einer Hauptbrennstoffregelvorrichtung zum Regeln des gesamten Brennstoffstroms zur Brennkammer und mindestens einer Brennergruppen-Brennstoffregelvorrichtung zum Regeln der auf die Brennergruppen aufgeteilten Brennstoffströme.
Die Pilotstufe, die abgestufte Vorgemischeinspritzung und die abgestufte Gruppierung von Brennern können als separate Merkmale oder in Kombination installiert sein. Im Folgenden werden diese Merkmale, äquivalente Merkmale und eine Kombination davon einfach als Brennkammer zum Auferlegen einer geregelten Flammeninhomogenität bezeichnet. Im Zusammenhang mit dieser Anmeldung umfasst eine Gasturbine mit einer Brennkammer zum Auferlegen einer geregelten Flammeninhomogenität ein Brennstoffverteilungssystem, das dazu konfiguriert ist, die Brennstoffzufuhr zur Brennkammer zu regeln.
Typischerweise umfasst ein Rückführungssystem eine Abgasrückführungsleitung oder einen Abgasrückführungskanal, ein Regelorgan, um die Rückführungsrate zu regeln, und einen Rückführungsabgaskühler. Für die Rückführung wird der Abgasstrom in mindestens zwei Teilströme stromabwärts des HRSG unterteilt. Eine erster Teilstrom wird zum Einlass der Gasturbine über eine Abgasrückführungsleitung zurückgeführt, und ein zweiter Teilstrom wird zum Kamin zur Freisetzung an die Umgebung gelenkt. Im Fall von CCS wird der zweite Teilstrom über das CO2-Abscheidungssystem zum Kamin gelenkt. Im CCS-Fall kann eine Umleitung um das CO2-Abscheidungssystem vorgesehen sein, um die Betriebsflexibilität zu erhöhen. Dies ermöglicht, irgendeine Kombination von Rückführungsrate, von Abgasstrom zur CO2-Abscheidungseinheit und direktem Abgasstrom zum Kamin zu wählen.
Um die Rückführungsrate zu regeln, können der Auslassstrom und/oder der Rückführungsstrom durch mindestens ein Regelorgan geregelt werden. Dies kann beispielsweise eine regelbare Drosselklappe oder ein fester Verteiler in Kombination mit einem Regelorgan in einer oder beiden der Abgasleitungen stromabwärts des Verteilers sein.
Wie vorstehend erwähnt, muss der erste Teilstrom, der zurückgeführt wird, typischerweise durch einen Rückkühler vor dem Mischen mit Umgebungsluft für die erneute Einführung in den Kompressor der Gasturbine weiter gekühlt werden. In einer Ausführungsform ist das Regelorgan, beispielsweise eine Klappe oder ein Ventil, zum Regeln der Rückführungsrate stromabwärts dieses Rückkühlers installiert, um die Wärmebelastung an diesem Regelorgan zu verringern.
In einer weiteren Ausführungsform ist ein Gebläse in den Rückführungsleitungen und/oder den Abgasleitungen installiert. Das Gebläse kann vorteilhaft sein, um die Anlagengröße zu verringern, da der zulässige Druckabfall erhöht wird. Praktische Anlagengrößen können nur mit einem angemessenen Druckabfall über dem Abscheidungssystem und den Rückführungsleitungen verwirklicht werden. Begrenzungen durch die Gasturbinen und HRSG-Konstruktion können beseitigt werden.
Die Gebläse sind typischerweise stromabwärts der Kühler angeordnet, was die Wärmebelastung verringert, der sie standhalten müssen. Ferner arbeiten sie unter einer stabilen Abgastemperatur und kleineren Volumenströmen im Vergleich zu einer Konstruktion, in der die Gebläse stromaufwärts der Kühler angeordnet sind.
Um den Leistungsverbrauch des Gebläses zu minimieren, wird ferner eine Regelung mit variabler Drehzahl vorgeschlagen. Folglich kann das Gebläse verwendet werden, um die Rückführungsrate zu regeln. Variable Drosselklappen, Klappen oder Regelventile, die von Natur aus einen Druckabfall verursachen, können vermieden werden. Daher kann der gesamte Druckabfall des Systems durch die Verwendung von Gebläsen mit variabler Drehzahl verringert werden. Alternativ ist ein Gebläse mit regelbaren Schaufel- oder Leitschaufelwinkeln auch denkbar. In Abhängigkeit von der Konstruktion und den Drücken im Abgas und dem Rückführungssystem können Booster anstelle von Gebläsen verwendet werden.
Um eine kontinuierliche Sauerstoffanreicherung der Kompressoreinlassgase oder Brennkammereinlassgase zu ermöglichen, umfasst eine Ausführungsform der Anlage eine Lufttrenneinheit oder eine Sauerstoffanreicherungseinheit auf Membranbasis, um den erforderlichen Sauerstoff zu erzeugen.
Für die Sauerstoffanreicherung der Kompressoreinlassgase umfasst die Anlage Sauerstoffeinspritzöffnungen im Lufteinlasssystem der Gasturbine. Für die Sauerstoffanreicherung der Brennkammereinlassgase oder Verbrennungsgase umfasst die Anlage Sauerstoffeinspritzöffnungen in der Brennkammer oder in das Kompressorplenum.
Die vorstehend beschriebene Gasturbine kann eine Einfachverbrennungs-Gasturbine oder eine Gasturbine mit sequentieller Verbrennung sein, wie beispielsweise aus EP 0 620 363 A1 oder EP 0 718 470 A2 bekannt. Um die vorteilhaften Effekte eines hohen Verbrennungsdrucks auf CO-Emissionen sicherzustellen, sollte die Gasturbine mit sequentieller Verbrennung derart ausgelegt sein, dass der Druck in der zweiten Brennkammer über 15 bar bei Volllastbetrieb liegt.
Figurenliste
Die Erfindung, ihr Charakter sowie ihre Vorteile sollen nachstehend mit Hilfe der begleitenden Zeichnungen genauer beschrieben werden. Es wird auf die Zeichnungen Bezug genommen.

1 zeigt schematisch ein CCPP mit Abgasrückführung und Gebläsen mit variabler Drehzahl.
2 zeigt schematisch ein CCPP mit einer Gasturbine mit sequentieller Verbrennung, Abgasrückführung und Gebläsen mit variabler Drehzahl.
3 zeigt schematisch ein CCPP mit CO2-Absorption am Hinterende und mit Abgasrückführung und Gebläsen mit variabler Drehzahl.
4 zeigt schematisch ein Beispiel der Abgasrückführungsrate als Funktion des Kompressorauslassdrucks und der Heißgastemperatur.
5 zeigt schematisch ein Beispiel der Zielabgasrückführungsrate als Funktion des Kompressorauslassdrucks mit zulässiger Bandbreite für die Abgasrückführungsrateneinstellung für eine gegebene Heißgastemperatur.
6 zeigt schematisch ein Beispiel der Zielabgasrückführungsrate als Funktion der Heißgastemperatur und der zulässigen Bandbreite für die Abgasrückführungsrateneinstellung für einen gegebenen Kompressorauslassdruck.
7 zeigt schematisch ein Beispiel eines vorgemischten Brenners mit einer ersten Gruppe von Brennstoffauslassöffnungen für die Einführung einer ersten Vorgemischbrennstoffmenge in den Brenner und einer zweiten Gruppe von Brennstoffauslassöffnungen, um Brennstoff in die zweiten Brennstoffzufuhröffnungen unabhängig von den ersten Brennstoffzufuhröffnungen einzulassen.
8 zeigt schematisch ein Beispiel eines vorgemischten Brenners mit zwei Gruppen von Brennstoffauslassöffnungen für die Einführung eines Vorgemischbrennstoffs und eine Zuführung für Pilotbrennstoff.
9 und 10 zeigen schematisch Beispiele von Brennstoffverteilungssystemen für Brenner mit zwei Gruppen von Brennstoffauslassöffnungen für die Einführung eines ersten und eines zweiten Vorgemischbrennstoffs.
11 zeigt schematisch ein Beispiel eines Brennstoffverteilungssystems für Brenner mit zwei Gruppen von Brennstoffauslassöffnungen für die Einführung eines ersten und eines zweiten Vorgemischbrennstoffs und eine Zufuhr von Pilotbrennstoff.
12 zeigt schematisch ein Beispiel eines Brennstoffverteilungssystems mit zwei Brennergruppen zur Stufentrennung in einer ringförmigen Brennkammer.
13 zeigt schematisch ein Beispiel eines Brennstoffverteilungssystems mit einer Brennergruppe und einer zusätzlichen individuell geregelten Brenngaszufuhr zu vier Brennern zur Stufentrennung in einer ringförmigen Brennkammer.
14 zeigt schematisch ein Beispiel eines Brennstoffverteilungssystems mit einem Brenngas-Regelventil für den gesamten Brennstoffmassenstrom und einem Brenner-Brenngas-Regelventil für jeden Brenner zur Stufentrennung in einer ringförmigen Brennkammer.
15 zeigt schematisch ein Beispiel des zulässigen auferlegten Verbrennungsinhomogenitätsverhältnisses als Funktion der Abgasrückführungsrate, um die NOx-Emissionen auf ein bestimmtes Niveau zu begrenzen.
16 zeigt schematisch ein Beispiel der Heißgastemperatur für den Betrieb mit konstanten NOx-Emissionen als Funktion der Abgasrückführungsrate und des auferlegten Verbrennungsinhomogenitätsverhältnisses.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN UND DER ERFINDUNG
Ein Kraftwerk zur Ausführung des vorgeschlagenen Verfahrens umfasst ein herkömmliches CCPP und eine Anlage für die Abgasrückführung.
Eine typische Anordnung mit Abgasrückführung ist in 1 gezeigt. Eine Gasturbine 6, die einen ersten Generator 25 antreibt, wird mit Kompressoreinlassgas 3 und Brennstoff 5 versorgt. Das Kompressoreinlassgas 3 ist ein Gemisch von Umgebungsluft 2 und Abgas, das über eine Abgasrückführungsleitung zurückgeführt wird. Das Kompressoreinlassgas 3 wird in einem Kompressor 1 komprimiert. Das komprimierte Gas wird für die Verbrennung des Brennstoffs 5 in einer Brennkammer 4 verwendet und die heißen Druckgase expandieren in einer Turbine 7. Ihre Hauptausgaben sind elektrische Leistung und heiße Abgase 8. Der Brennstoff wird durch ein Brennstoffverteilungssystem 40 zur Brennkammer zugeführt. In einigen Fällen wird in den beispielhaften Ausführungsformen auf die Einspritzung von gasförmigem Brennstoff Bezug genommen. Es ist jedoch an sich offensichtlich, dass flüssige Brennstoffe auch in den Verbrennungsluftstrom über die Brennstoffauslassöffnungen eingeführt werden können.
Die heißen Abgase 8 der Gasturbine strömen durch einen HRSG 9, der Frischdampf 30 für eine Dampfturbine 13 erzeugt. Die Dampfturbine 13 ist entweder in einer Einwellenkonfiguration mit der Gasturbine 6 und einem ersten Generator 25 angeordnet oder ist in einer Mehrwellenkonfiguration angeordnet, um einen zweiten Generator 26 anzutreiben. Der Dampf, der die Dampfturbine 13 verlässt, wird zu einem Kondensator 14 geschickt und zum HRSG zurückgeführt. Der Dampfzyklus ist vereinfacht und schematisch ohne verschiedene Dampfdruckpegel, Speisewasserpumpen usw. gezeigt, da diese nicht Gegenstand der Erfindung sind.
Ein erster Teilstrom 21 der Abgase vom HRSG 19 wird zum Einlass des Kompressors 1 der Gasturbine 6 zurückgeführt, wo sie mit Umgebungsluft 2 vermischt wird. Der erste Teilstrom 21 wird im Rückführungsabgaskühler 27 vor dem Mischen mit der Umgebungsluft 2 gekühlt.
Ein zweiter Teilstrom 20 der Abgase vom HRSG 19 wird durch die Drosselklappe 29 zum Kamin 32 gelenkt. Um den Abgasstrom zu erhöhen und die Rückführungsrate zu regeln, ist ein Abgasgebläse 10 mit variabler Drehzahl für den Kamin 32 zwischen der Drosselklappe 29 und dem Kamin 32 installiert. Ferner ist ein Abgasgebläse mit variabler Drehzahl für die Rückführung 11 stromabwärts des Rückführungsabgaskühlers 27 vor dem Mischen des zurückgeführten ersten Teilstroms 21 der Abgase mit der Umgebungsluft 2 installiert.
2 zeigt schematisch ein CCPP mit einer Gasturbine mit sequentieller Verbrennung, Abgasrückführung und Gebläsen mit variabler Drehzahl. Anstelle einer einzelnen Brennkammer 4 mit einer Turbine 7 weist die Gasturbine mit sequentieller Verbrennung eine Brennkammer 4, gefolgt von einer Hochdruckturbine 33, auf. Die teilweise expandierten Gase, die die Hochdruckturbine verlassen, werden in der zweiten Brennkammer 34 erneut erhitzt, bevor sie in der Niederdruckturbine 35 weiter expandiert werden.
Eine typische Anordnung mit Abscheidung nach der Verbrennung und Abgasrückführung ist in 3 gezeigt. Zusätzlich zum in 1 gezeigten CCPP umfasst die Anlage von 3 ein CO2-Abscheidungssystem. Die heißen Abgase 8 der Gasturbine strömen durch einen HRSG 9, der Frischdampf 30 für eine Dampfturbine 13 erzeugt. Die Dampfturbine 13 ist entweder in einer Einwellenkonfiguration mit der Gasturbine 6 und einem ersten Generator 25 angeordnet oder ist in einer Mehrwellenkonfiguration angeordnet, um einen zweiten Generator 26 anzutreiben. Ferner wird Dampf aus der Dampfturbine 13 entnommen und über eine Dampfleitung 15 zum CO2-Abscheidungssystem 18 zugeführt. Der Dampf wird mit verringerter Temperatur oder als Kondensat über die Rückführungsleitung 17 zum Dampfzyklus zurückgeführt und wird wieder in den Dampfzyklus eingeführt. Der Dampfzyklus ist vereinfacht und schematisch ohne verschiedene Dampfdruckpegel, Speisewasserpumpen usw. gezeigt, da diese kein Gegenstand der Erfindung sind.
Ein erster Teilstrom 21 der Abgase vom HRSG 19 wird zum Einlass des Kompressors 1 der Gasturbine 6 zurückgeführt, wo sie mit Umgebungsluft 2 vermischt wird. Der erst Teilstrom 21 wird im Rückführungsabgaskühler 27 vor dem Mischen mit der Umgebungsluft 2 gekühlt.
Ein zweiter Teilstrom 20 der Abgase vom HRSG 19 wird zum CO2-Abscheidungssystem 18 durch die Drosselklappe 29 gelenkt. Der Abgaskühler 23 stromaufwärts des CO2-Abscheidungssystems 18 kühlt diesen zweiten Teilstrom 20. Um den Abgasstrom zu erhöhen und die Rückführungsrate zu regeln, ist ein Abgasgebläse mit variabler Drehzahl für das CO2-Abscheidungssystem 10 zwischen dem Abgaskühler 23 und dem CO2-Abscheidungssystem 18 installiert und ein Abgasgebläse mit variabler Drehzahl für die Rückführung 11 ist stromabwärts des Rückführungsabgaskühlers 27 vor dem Mischen des zurückgeführten ersten Teilstroms 21 der Abgase mit der Umgebungsluft 2 installiert.
Das an CO2 verarmte Abgas 22 wird aus dem CO2-Abscheidungssystem 18 über einen Kamin 32 an die Umgebung freigesetzt. Falls das CO2-Abscheidungssystem 18 nicht arbeitet, kann es über die Abgasumleitung 24 umgangen werden.
Während des normalen Betriebs wird das abgeschiedene CO2 31 in einem CO2-Kompressor komprimiert und das komprimierte CO2 wird zur Speicherung oder Weiterbehandlung weitergeleitet.
Messvorrichtungen zum Messen der Sauerstoff- und/oder CO2-Konzentration werden vorgeschlagen, um die Sauerstoffkonzentration der verschiedenen Gasströme besser zu regeln.
Durch Regeln des Rückführungsmassenstroms, Regeln der Temperatur nach dem Rückführungsabgasrückkühler 27 und Berücksichtigen der Temperatur der Umgebungsluft und des Einlassmassenstroms des Kompressors 1 kann die Einlasstemperatur des Kompressors 1 geregelt werden.
Bei Grundlast ist die Rückkühlungstemperatur typischerweise durch die Kapazität des Rückführungsabgasrückkühlers 27 begrenzt und hängt vom verfügbaren Wärmeableiter ab. Im Fall eines Kühlwasserkühlers mit Kühlwasser von einem Fluss oder vom Meer gibt die Wassertemperatur die mögliche Rückkühlungstemperatur vor. Im Fall eines Luftkühlers liegt die minimale Rückkühlungstemperatur typischerweise 5 bis 10°C über der Umgebungstemperatur. In Abhängigkeit von der Rückführungsrate ist der Temperaturanstieg in der Kompressoreinlasstemperatur kleiner.
Wenn eine spezifische Teillastausgangsleistung vom CCPP erforderlich ist, wird die Turbineneinlasstemperatur oder Heißgastemperatur verringert und die variablen Einlassleitschaufeln werden gemäß dem Betriebskonzept geschlossen, bis die Zielleistung erfüllt ist. Beides führt zu einer Verringerung des Anlagenwirkungsgrades, die zur relativen Lastverringerung proportional ist. Durch Regeln der Kompressoreinlasstemperatur kann die Grundlastleistung der Anlage geregelt werden. Insbesondere führt eine Erhöhung der Kompressoreinlasstemperatur zu einer Verringerung der Grundlastleistung. Folglich könnte die vorstehend erwähnte spezifische Ausgangsleistung bei der Grundlast oder bei einer erhöhten relativen Leistung erreicht werden. Solange der Wirkungsgradgewinn aufgrund des Betriebs bei erhöhter relativer Last größer ist als der Wirkungsgradnachteil aufgrund des Betriebs bei einer erhöhten Einlasstemperatur, kann das Erhöhen der Kompressoreinlasstemperatur den Gesamtwirkungsgrad erhöhen. Eine anlagenspezifische optimale Kompressoreinlasstemperatur kann für jeden Lastsollwert bestimmt werden. Auf der Basis der optimalen Kompressoreinlasstemperatur, der Temperatur der Umgebungsluft 2 und der lastspezifischen Gasturbinenrückführungsrate r_GT kann eine optimale Rückkühlungstemperatur T_recool bestimmt werden. Bei der Grundlast ist diese durch die Kühlkapazität des Rückkühlers begrenzt. Bei niedrigeren Lasten kann die Rückkühlungstemperatur T_recool erhöht werden, bis das Gemisch von Umgebungsluft und zurückgekühlten Abgasen die zulässige maximale Kompressoreinlasstemperatur erreicht. In diesem Beispiel ist die maximale zulässige Kompressoreinlasstemperatur ein fester Wert. Da jedoch die Gasturbinenrückführungsrate sich über die Last ändert, ändert sich die Rückkühlungstemperatur T_recool, die erforderlich ist, um die konstante Mischtemperatur zu erhalten, auch über die Last.
In Abhängigkeit von der Konstruktion der Gasturbine 6 ist die zulässige maximale Kompressoreinlasstemperatur nicht konstant. Dies könnte beispielsweise der Fall sein, wenn die Kompressorendtemperatur oder eine Kühlluftentlüftungstemperatur vom Mittelkompressor der begrenzende Faktor ist. Folglich würde eine andere Begrenzungsfunktion für die Rückkühlungstemperatur T_recool erhalten werden.
In einer raffinierteren Ausführungsform kann der Einfluss des Umgebungsdrucks, der Feuchtigkeit und des Einlass/Auslass-Druckabfalls beispielsweise auch berücksichtigt werden, um die lastspezifische optimale Kompressoreinlasstemperatur und die entsprechende optimale Rückkühlungstemperatur zu bestimmen.
4 zeigt schematisch ein Beispiel der Abgasrückführungsrate als Funktion des Kompressorauslassdrucks und der Heißgastemperatur. Der Kompressorauslassdruck p_k2 ist auf den Kompressorauslassdruck bei voller Last unter Auslegungsbedingungen normiert, die Heißgastemperatur T_hot ist auf die Heißgastemperatur bei voller Last unter Auslegungsbedingungen normiert und die Abgasrückführungsrate r_FRG ist auf die Abgasrückführungsrate bei voller Last unter Auslegungsbedingungen normiert. Bei voller Last sind der normierte Kompressorauslassdruck p_k2 , die Heißgastemperatur T_k2 und die Abgasrückführungsrate r_FRG gleich eins. Die Abgasrückführung r_FRG ist für einen niedrigeren Kompressorauslassdruck p_k2 und für eine niedrigere Heißgastemperatur T_hot verringert.
Im Fall einer Gasturbine 6 mit sequentieller Verbrennung ist die Abgasrückführungsrate eine Funktion der Heißgastemperaturen der ersten Brennkammer 4 und der zweiten Brennkammer 34. Dies führt zu einer Anordnung von Kurven, die hier nicht gezeigt ist. Typischerweise wird die Heißgastemperatur T_hot der ersten Brennkammer in einem breiten Lastbereich bis zu etwa 50% relativer Last, z. B. Betriebslast relativ zur vollen Last, nahezu konstant gehalten. Daher kann diese Anordnung von Kurven vereinfacht werden und die Heißgastemperatur T_hot der zweiten Brennkammer kann verwendet werden, um die Abgasrückführungsrate r_FRG zu bestimmen.
Die Heißgastemperatur ist typischerweise als mittlere Heißgastemperatur der heißen Gase, die in eine Turbine eintreten, definiert. Anstelle der Heißgastemperatur kann die so genannte TIT, Turbineneinlasstemperatur, die eine theoretische Mischtemperatur der heißen Gase mit der Kühlluft der Turbine ist, auch verwendet werden.
5 zeigt schematisch ein Beispiel der Zielabgasrückführungsrate r_T als Funktion des Kompressorauslassdrucks p_k2 mit einem zulässigen Bereich für die Abgasrückführungsrateneinstellung für eine gegebene Heißgastemperatur T_hot . Der Kompressorauslassdruck p_k2 ist auf den Kompressorauslassdruck bei voller Last unter Auslegungsbedingungen normiert. Die Abgasrückführungsrate r_FRG sowie die Zielabgasrückführungsrate r_T , die minimale r_min und die maximale Abgasrückführungsrate r_max sind auf die Abgasrückführungsrate r_FRG bei voller Last unter Auslegungsbedingungen normiert. In diesem Beispiel wird die Zielabgasrückführungsrate in einem offenen Regelkreis als Funktion des Kompressorauslassdrucks p_k2 bestimmt. Die tatsächliche Abgasrückführungsrate r_FRG wird mit einem geschlossenen Regelkreis innerhalb des zulässigen Bereichs zwischen dem minimalen Abgasrückführungsbereich rmin und dem maximalen Abgasrückführungsbereich r_max , die für den jeweiligen Kompressorauslassdruck p_k2 gegeben sind, eingestellt.
Für die Einstellung der Abgasrückführungsrate r_FRG im geschlossenen Regelkreis wird beispielsweise der CO-Gehalt in den Abgasen oder die Brennkammerpulsation verwendet.
Die in 5 gezeigte Funktion ist für eine Heißgastemperatur T_hot gültig. In Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen und der Konstruktion der Gasturbine kann der Einfluss der Heißgastemperaturen vernachlässigt werden und einfach eine Funktion des Kompressorauslassdrucks p_k2 kann verwendet werden, um die Rückführungsrate r_FRG für alle Betriebsbedingungen zu regeln, ohne die Heißgastemperatur T_hot zu berücksichtigen.
6 zeigt schematisch ein Beispiel der Zielabgasrückführungsrate r_t als Funktion der Heißgastemperatur T_hot und der zulässigen Bandbreite für die Abgasrückführungsrateneinstellung für einen gegebenen Kompressorauslassdruck p_k2 .
Die Heißgastemperatur T_hot ist auf die Heißgastemperatur T_hot bei voller Last unter Auslegungsbedingungen normiert. Die Abgasrückführungsrate r_FRG sowie die Zielabgasrückführungsrate r_T , die minimale rmin und die maximale Abgasrückführungsrate r_max sind auf die Abgasrückführungsrate r_FRG bei voller Last unter Auslegungsbedingungen normiert. In diesem Beispiel wird die Zielabgasrückführungsrate in einem offenen Regelkreis als Funktion der Heißgastemperatur T_hot bestimmt. Die tatsächliche Abgasrückführungsrate r_FRG wird mit einem geschlossenen Regelkreis innerhalb des zulässigen Bereichs zwischen dem minimalen Abgasrückführungsbereich rmin und dem maximalen Abgasrückführungsbereich r_max , die für die jeweilige Heißgastemperatur T_hot gegeben sind, eingestellt.
Als Eingangsvariable für die Einstellung der Abgasrückführungsrate r_FRG im geschlossenen Regelkreis wird beispielsweise der CO-Gehalt der Abgase oder die Brennkammerpulsation verwendet. In einer Ausführungsform ist die Einstellung zur Abweichung eines Zielwerts im CO-Gehalt der Abgase und/oder der Brennkammerpulsation proportional.
Um die Betriebsflexibilität weiter zu verbessern und die Einschränkungen der Rückführungsrate bei Teillast und Grundlast zu beseitigen, wird eine Sauerstoffanreicherung der Gasturbineneinlassgase für eine weitere Ausführungsform vorgeschlagen.
In einem gewissen Verbrennungssystem wird eine Stufentrennung von Brennern in radialer Richtung verwendet, um die Flammenstabilität und das Pulsationsverhalten der Verbrennung zu verbessern. Die Stufentrennung erhöht typischerweise die lokalen Heißgastemperaturen, was zu höheren NOx führt und daher begrenzt ist. Im vorgeschlagenen Betriebsverfahren verringert jedoch die Abgasrückführung die NOx-Emissionen und ermöglicht daher eine Stufentrennung in einem anderen Betriebsbereich. Um dieses vergrößerte Betriebsfenster zu nutzen, wird ein Verfahren, in dem das Stufenverhältnis eine Funktion des Verbrennungsdrucks und/oder der Abgasrückführungsrate ist, vorgeschlagen. Das Stufenverhältnis kann beispielsweise als maximaler Brennstoffstrom zu einem Brenner oder einer Gruppe von Brennern mit erhöhtem Brennstoffstrom, dividiert durch den mittleren Brennstoffstrom pro Brenner, definiert sein. Analog zum Abgasrückführungsverhältnis als Funktion des Kompressorauslassdrucks p_k2 , das in 5 gezeigt ist, wird eine Regelung der Brennerstufentrennung als Funktion des Kompressorauslassdrucks p_k2 vorgeschlagen.
Als weitere Maßnahme zum Verbessern der Flammenstabilität und des Pulsationsverhaltens der Verbrennung ist eine Pilotierung mit einer Diffusionsflamme bekannt. Die Pilotierung erhöht auch typischerweise die lokalen Heißgastemperaturen, was zu höheren NOx führt und daher begrenzt ist. Im vorgeschlagenen Betriebsverfahren verringert jedoch die Abgasrückführung die NOx-Emissionen und ermöglicht daher die Pilotierung in einem anderen Betriebsbereich. Um dieses vergrößerte Betriebsfenster zu nutzen, wird ein Verfahren, in dem der Pilotbrennstoffstrom eine Funktion des Verbrennungsdrucks und/oder der Abgasrückführungsrate ist, vorgeschlagen. Analog zum Abgasrückführungsverhältnis, das als Funktion des Kompressorauslassdrucks p_k2 in 5 gezeigt ist, wird eine Regelung des Pilotbrennstoffstroms als Funktion des Kompressorauslassdrucks p_k2 vorgeschlagen.
Beispielhafte Ausführungsformen, die vorstehend beschrieben und in den Zeichnungen sind, offenbaren für einen Fachmann auf dem Gebiet Ausführungsformen, die sich von den beispielhaften Ausführungsformen unterscheiden und die im Schutzbereich der Erfindung enthalten sind. Beispielsweise könnte ein flüssiger Brennstoff in der Gasturbine anstelle des Brennstoffs 5 verbrannt werden.
Um ein Regelverfahren zu verwirklichen, das die CO-Emissionen oder Emissionen von unverbrannten Kohlenwasserstoffen als Regelparameter verwendet, muss eine Messvorrichtung für CO-Emissionen oder Emissionen von unverbrannten Kohlenwasserstoffen stromabwärts der Gasturbine 6 installiert werden. Beispielsweise kann sie an dem Ort der Gasturbinenabgas-CO2- und/oder -O2-Messvorrichtungen 37 oder am Ort der HRSG-Abgas-CO2- und/oder -O2-Messvorrichtungen entsprechend der Messvorrichtung 38 installiert werden. Sie könnte auch eine kombinierte Messvorrichtung sein.
Beispiele von Brennern, die mit dem Verfahren gemäß der Erfindung betrieben werden können, sind in 7 und 8 dargestellt. Die dargestellten Brenner umfassen einen konischen Wirbelkörper 51, in dessen äußerer Hülle an den Einlassströmungskanten der Lufteinlassschlitze Auslassöffnungen 56, 58 für Vorgemischgas angeordnet sind.
7 zeigt eine Anordnung mit einer ersten Zufuhrleitung 55 für Brennstoff und einer zweiten Zufuhrleitung 57 für Brennstoff. Die zweite Zufuhrleitung 57 für die zweite Vorgemischbrennstoffmenge F2 ist benachbart zur ersten Zufuhrleitung 55 für eine erste Vorgemischbrennstoffmenge F1 in der äußeren Hülle dieses Wirbelkörpers 51 an den Einlassströmungskanten der Lufteinlassschlitze angeordnet, wie sie dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt sind. Vorgemischbrennstoff kann in diese zwei Zufuhrleitungen unabhängig voneinander eingelassen werden, d. h. der Massenstrom der zweiten Vorgemischbrennstoffmenge F2, die durch die zweite Zufuhrleitung 57 strömt, kann beispielsweise unabhängig von dem Massenstrom der ersten Vorgemischbrennstoffmenge F1 durch die erste Zufuhrleitung 55 festgelegt werden. Die Pfeile durch die verschiedenen Zufuhrleitungen geben die erste und die zweit Vorgemischbrennstoffmenge F1, F2 an. Es ist an sich offensichtlich, dass mehrere von diesen Zufuhrleitungspaaren 55, 57 vorzugsweise symmetrisch um die Brennerlängsachse angeordnet sind. Von den Zufuhrleitungen 55, 57 wird der Brennstoff in den Brenner über n1 Auslassöffnungen in einer ersten Gruppe und n₂ Auslassöffnungen in einer zweiten Gruppe eingespritzt.
Ein zweites Beispiel eines Brenners, der mit dem Verfahren gemäß der Erfindung betrieben werden kann, ist in 8 dargestellt. Die dargestellten Brenner umfassen den konischen Wirbelkörper 51, in dessen äußerer Hülle an den Einlassströmungskanten der Lufteinlassschlitze eine erste Gruppe von Auslassöffnungen 56 für Vorgemischgas angeordnet ist. Die Brenner sind ferner mit einer zentralen Brennstofflanze 59 ausgestattet, die eine Düse an ihren Brennkammerenden aufweisen kann, d. h. an ihrer Spitze - wie im vorliegenden Beispiel - wobei die Düse für einen flüssigen Brennstoff oder für einen Pilotbrennstoff FP verwendet werden kann. Auslassöffnungen für Abdeckluft 52 können in einer bekannten Weise um diese Düse vorgesehen sein. Zusätzlich zu den Brennstoffzufuhrleitungen zur ersten Gruppe von Auslassöffnungen 56 und einer Brennstoffzufuhrleitung zum Einspritzen von flüssigem Brennstoff oder für einen Pilotbrennstoff FP an der Spitze der Brennstofflanze 59 weisen die dargestellten Brenner eine weitere Brennstoffzufuhrleitung zu einer zweiten Gruppe von Auslassöffnungen 58 in der Brennstofflanze 59 auf. Die Auslassöffnungen 58 der zweiten Gruppe sind im Wesentlichen in der äußeren Oberfläche der Brennstofflanze 59 in der Richtung der Brennerlängsachse angeordnet und sind vorzugsweise radialsymmetrisch um die Längsachse der Brennstofflanze 59 verteilt. Sie ermöglichen die Einspritzung von Brennstoff von der Brennstofflanze 59 in den Wirbelraum in einer solchen Weise, dass er radial nach außen gerichtet wird. Die Anzahl und die Größe dieser Auslassöffnungen 58 und ihre Verteilung an der Brennstofflanze 59 in der axialen Richtung und Umfangsrichtung werden als Funktion der jeweiligen Anforderungen des Brenners wie z. B. Löschgrenzen, Pulsationen und Flammenrückschlaggrenzen ausgewählt.
Die Brennstofflanze 59 kann sich relativ weit in den Wirbelraum erstrecken oder auch nur um einen kurzen Abstand in den Wirbelraum vorstehen. In beiden Fällen ist die zweite Gruppe von Auslassöffnungen 58 vorzugsweise an der Brennstofflanze 59 im hinteren Bereich des Wirbelraums, d. h. in dem Bereich, der von der Brennkammer am weitesten entfernt ist, angeordnet, wie es in der Figur angegeben ist.
In dieser Ausführungsform dient die Brennstofflanze als Pilotstufe und als Einspritzpunkt für die Erzeugung von vorgemischtem Brennstoff.
In diesen beispielhaften Ausführungsformen ist es auch offensichtlich möglich, einen offenen Regelkreis oder geschlossenen Regelkreis der Brennstoffzufuhr zur ersten Gruppe von Auslassöffnungen 56 unabhängig von der Brennstoffzufuhr zur zweiten Gruppe von Auslassöffnungen 58 zu haben. Die Ausführungsform von 7 und 8 ermöglicht eine sehr vorteilhafte abgestufte Betriebsart des Brenners, in welcher Betriebsart sowohl die Brennstoffzufuhrleitungen zur ersten Gruppe von Auslassöffnungen 56 als auch die Brennstoffzufuhrleitungen zur zweiten Gruppe von Auslassöffnungen 58 mit Vorgemischgas gespeist werden. Die Möglichkeit der unabhängigen Regelung der Brennstoffzufuhr zur ersten und zur zweiten Gruppe von Auslassöffnungen 56, 58 ermöglicht eine Betriebsart, die optimal an die jeweiligen Betriebsbedingungen des Brenners oder der Einrichtung unter Verwendung des Brenners angepasst ist. Es ist auch möglich, ausschließlich die erste und die zweite Gruppe von Auslassöffnungen 56, 58 mit Brennstoff zu versorgen, d. h. ohne die andere jeweilige Gruppe zu versorgen.
Die Brennstoffzufuhr zu den zwei Zufuhrkanälen kann unabhängig voneinander mittels Regelventilen festgelegt werden, die in 7 und 8 nicht explizit gezeigt sind. Die Anordnung der Brennstoffregelventile ist in den Figuren nicht dargestellt. Beispiele für geeignete Brenngassysteme 40 mit entsprechenden Brennstoffregelventilen sind in 9 bis 11 gegeben.
9 bis 11 zeigen Beispiele des Brennstoffverteilungssystems, wobei eine Brennstoffmenge F0 zum Brenner zugeführt wird. In den Beispielen von 9 und 10 verzweigt sich die Brennstoffleitung, um die gesamte Brennstoffmenge F0 zwischen einer Brennstoffmenge F1 für die erste Gruppe von Auslassöffnungen 56 und einer Brennstoffmenge F2 für die zweite Gruppe von Auslassöffnungen 58 aufzuteilen.
9 zeigt eine Ausführungsform, in der ein Regelventil 45 im Zweig für die erste Gruppe von Auslassöffnungen 56 (in 7 und 8 gezeigt) angeordnet ist und in der ein Regelventil 46 im Zweig für die zweite Gruppe von Auslassöffnungen 58 angeordnet ist.
In diesem Beispiel regeln die Regelventile 45 und 46 die Brennstoffmassenströme separat. Der gesamte Brennstoffmassenstrom zur Brennkammer ist die Summe von beiden.
10 zeigt eine Ausführungsform, in der das eine Regelventil 41 vor dem Zweig zum Einstellen der gesamten Brennstoffmenge F0 angeordnet ist und ein Regelventil 45 im Zweig für die erste Gruppe von Auslassöffnungen 56 (in 7 und 8 gezeigt) angeordnet ist. Durch Regeln des Regelventils 45 ist es möglich, das Massenstromverhältnis zwischen F1 und F2 zu ändern. In diesem Beispiel kann das Regelventil 45 natürlich auch im Zweig zur zweiten Gruppe von Auslassöffnungen 58 angeordnet sein.
11 zeigt eine Ausführungsform, in der ein zusätzliches Regelventil 47 in einem zusätzlichen Zweig zum Regeln eines Brennstoffstroms zu einer Pilotierung angeordnet ist. In diesem Beispiel regeln die Regelventile 45, 46 und 47 die Brennstoffströme separat. Die gesamte Brennstoffmenge zur Brennkammer ist die Summe aller drei Ströme.
In allen beispielhaften Ausführungsformen werden die Brennstoffmengenverhältnisse F1/F0, F2/F0 und FP/F0 durch Aktivieren der Regelventile als Funktion der Betriebsbedingung des Kraftwerks geändert. Die Änderung am Mengenverhältnis kann in einer Weise mit offenem Regelkreis oder geschlossenem Regelkreis, als Funktion von verschiedenen gemessenen Betriebswerten, wie bereits in einem vorherigen Teil der vorliegenden Beschreibung angegeben wurde, geregelt werden. Die dargestellten Konstruktionen sind von der Brennergeometrie unabhängig.
Außerdem ermöglicht eine solche Anordnung auch, dass mehrere Brenner gleichzeitig mit Brennstoff mit dem festgelegten Brennstoffmengenverhältnis versorgt werden, wie durch die gestrichelten Linien in den Figuren angegeben.
12 bis 14 zeigen beispielhafte Querschnitte von ringförmigen Brennkammern mit Brennstoffverteilungssystemen, die dazu konfiguriert sind, eine geregelte Inhomogenität in Umfangsrichtung einer ringförmigen Brennkammer aufzuerlegen. Sie zeigen einen Querschnitt der ringförmigen Brennkammer mit einer Anzahl von individuellen Brennern 66.
12 zeigt schematisch ein Beispiel eines Brennstoffverteilungssystems 40 zur Stufentrennung von zwei Brennergruppen in einer ringförmigen Brennkammer. Die gesamte Brennstoffmenge F0 wird zu den Brennern 66 über das Brennstoffverteilungssystem 40 zugeführt. Das Brennstoffverteilungssystem 40 umfasst ein Brennstoffregelventil 63 für die erste Brennergruppe, ein Brennstoffregelventil 64 für die zweite Brennergruppe, einen Rohrverteiler 61 für die erste Brennergruppe und einen Rohverteiler 62 für die zweite Brennergruppe und Brennstoffzuführungen 60 zu den individuellen Brennern 66. In dem gezeigten Beispiel wird die Strömung zu den Rohrverteilern 61, 62 für die erste und die zweite Brennergruppe durch die jeweiligen Brennstoffregelventile 63, 64 geregelt. Die Brennstoffmengen F1 und F2 werden zu den individuellen Brennern der jeweiligen Brennergruppen über die jeweiligen Rohrverteiler und Brennerzuführungen 60 zugeführt.
13 zeigt schematisch ein Beispiel eines Brennstoffverteilungssystems 40 mit einer Brennergruppe. Das Brennstoffverteilungssystem 40 umfasst ein Hauptbrennstoffregelventil 41, einen Rohrverteiler 39 und Brennstoffzuführungen 60 zu den individuellen Brennern 66.
Zur Stufentrennung sind zusätzliche einzelne Brennerregelventile 65 zur Regelung der Brennstoffmenge FX zu individuellen Brennern 66 installiert. Die Stufentrennung wird durch geregeltes Schließen der einzelnen Brennerregelventile 65 verwirklicht, um die Brennstoffmenge FX zu verringern, die den individuellen Brennern stromabwärts des jeweiligen einzelnen Brennerregelventils 65 zugeführt wird. Zu allen anderen Brennern 66 wird eine Brennstoffmenge F1 über den Rohrverteiler 39 und die Brennstoffzuführungen 60 zugeführt.
In einer alternativen Ausführungsform ist eine Düse (nicht dargestellt) in einem Teil oder allen der Brennstoffzuführungen 60 installiert, die nicht mit einem einzelnen Brennerregelventil 65 ausgestattet sind. Die Stufentrennung wird durch geregeltes Öffnen oder Schließen der einzelnen Brennerregelventile 65 verwirklicht. In dieser Ausführungsform ermöglicht eine Öffnung der einzelnen Brennerregelventile 65 die Einspritzung einer Brennstoffmenge FX in individuelle Brenner stromabwärts des jeweiligen einzelnen Brennerregelventils 65, die größer ist als die Brennstoffmenge F1, die über den Rohrverteiler 39, die Düse und die Brennstoffzuführungen 60 zugeführt wird.
In diesem Zusammenhang umfasst das geregelte Öffnen oder Schließen jegliche Ventilposition zwischen vollständig offen und geschlossen. Das geregelte Schließen umfasst beispielsweise ein teilweises Schließen des Ventils.
14 zeigt schematisch ein drittes Beispiel eines Brennstoffverteilungssystems. Hier umfasst das Brennstoffverteilungssystem 40 ein Hauptbrennstoffregelventil 41, einen Rohrverteiler 39, Brennstoffzuführungen 60 zu den individuellen Brennern 66 und ein einzelnes Brennerregelventil in der Brennstoffzufuhrleitung 60 jedes Brenners 66. Dies ermöglicht eine flexible Änderung des Stufenmusters unter allen Betriebsbedingungen.
15 zeigt schematisch das zulässige auferlegte Verbrennungsinhomogenitätsverhältnis r_i als Funktion der Abgasrückführungsrate rFRG, die theoretisch erforderlich ist, um die NOx-Emissionen auf einem bestimmten Niveau zu halten. Sie zeigt drei Beispiele für Betriebskurven, die zum gleichen Niveau von NOx-Emissionen führen. Mögliche Grenzen, wie Brennkammerpulsationen, Verbrennungsinstabilitäten, CO-Emissionen oder andere Einschränkungen, sind ignoriert. Die Kurven zeigen die Abhängigkeit des zulässigen auferlegten Verbrennungsinhomogenitätsverhältnisses r_i als Funktion der Abgasrückführungsrate r_FRG . Mit zunehmender Heißgastemperatur T_hot wird das zulässige auferlegte Verbrennungsinhomogenitätsverhältnis r_i zum Aufrechterhalten desselben Niveaus von NOx-Emissionen bei einer gegebenen Abgasrückführungsrate r_FRG verringert. Die Strich-Punkt-Linie entspricht dem Betrieb mit der niedrigsten Heißgastemperatur T_hot . Die durchgezogene Linie entspricht dem Betrieb mit der höchsten Heißgastemperatur T_hot .
Für eine gegebene Heißgastemperatur T_hot ist das zulässige auferlegte Verbrennungsinhomogenitätsverhältnis r_i zum Abgasrückführungsverhältnis r_FRG proportional, d. h. ein höheres auferlegtes Verbrennungsinhomogenitätsverhältnis r_i kann mit einer Abgasrückführung für ein gegebenes NOx-Emissionsniveau verwirklicht werden. Folglich kann der gesamte Betriebsbereich durch Regeln des auferlegten Verbrennungsinhomogenitätsverhältnisses r_i als Funktion der Abgasrückführungsrate r_FRG erweitert werden.
16 zeigt schematisch ein Beispiel der Heißgastemperatur T_hot für einen theoretischen Betrieb mit konstanten NOx-Emissionen als Funktion der Abgasrückführungsrate r_FRG und des auferlegten Verbrennungsinhomogenitätsverhältnisses r_i . Mögliche Grenzen, wie Brennkammerpulsationen, Verbrennungsinstabilitäten, CO-Emissionen oder andere Einschränkungen, sind in der Gesamtfunktion ignoriert. Die Heißgastemperatur T_hot für ein gegebenes Niveau von NOx-Emissionen ist zur Abgasrück-führungsrate r_FRG proportional und zum auferlegten Verbrennungsinhomogenitätsverhältnis r_i umgekehrt proportional. Zusätzlich zur Funktion der Heißgastemperatur T_hot für den theoretischen Betrieb mit konstanten NOx-Emissionen als Funktion der Abgasrückführungsrate r_FRG und des auferlegten Verbrennungsinhomogenitätsverhältnisses r_i ist die Pulsationsgrenze PL angegeben. Eine Erhöhung des auferlegten Verbrennungsinhomogenitätsverhältnisses r_i führt zu einer besseren Flammenstabilität, was eine höhere Abgasrückführungsrate r_FRG ermöglicht, und führt schließlich zu einem stabilen Betrieb bei erhöhter Heißgastemperatur T_hot . Infolge der erhöhten Heißgastemperatur T_hot kann die Effizienz, d. h. die Leistung und der Wirkungsgrad, der Anlage erhöht werden, während dasselbe Niveau von NOx-Emissionen aufrechterhalten wird. Alternativ können die NOx-Emissionen ohne Effizienznachteile verringert werden.
In 15 und 16 werden normierte Größen verwendet. Die Heißgastemperatur T_hot ist auf die Heißgastemperatur bei voller Last unter Auslegungsbedingungen normiert und die Abgasrückführungsrate r_FRG ist auf die Abgasrückführungsrate bei voller Last unter Auslegungsbedingungen normiert. Bei voller Last sind die normierte Heißgastemperatur T_hot und Abgasrückführungsrate r_FRG gleich eins. Das auferlegte Verbrennungsinhomogenitätsverhältnis r_i ist auf eine maximale Inhomogenität normiert, die bei Auslegungsbedingungen mit der entsprechenden Apparatur, d. h. Brennergruppierung, Stufentrennung oder Pilotierung, verwirklicht werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Kompressor
2: Umgebungsluft
3: Kompressoreinlassgas
4: Brennkammer
5: Brenngas für GT
6: Gasturbine GT
7: Turbine
8: Heißes Abgas von der Gasturbine
9: HRSG (Wärmerückgewinnungsdampfgenerator)
10: Abgasgebläse für zweiten Teilstrom (zum CO2-Abscheidungssystem)
11: Abgasgebläse für ersten Teilstrom (Abgasrückführung)
12: Umleitungsklappe oder -ventil
13: Dampfturbine
14: Kondensator
15: Dampfentnahme für CO2-Abscheidung
16: Speisewasser
17: Kondensatrückführungsleitung
18: CO2-Abscheidungssystem
19: Abgas vom HRSG
20: Zweiter Teilstrom (Abgasleitung zum CO2-Abscheidungssystem)
21: Erster Teilstrom (Abgasrückführung)
22: An CO2 verarmtes Abgas
23: Abgaskühler (für zweiten Teilstrom)
24: Abgasumleitung zum Kamin
25: Erster Generator
26: Zweiter Generator
27: Rückführungsabgasrückkühler (für ersten Teilstrom)
28: Kompressorauslassdruck- oder -auslasstemperatur- Messvorrichtung
29: Drosselklappe
30: Frischdampf
31: Abgeschiedenes CO2
32: Kamin
33: Hochdruckturbine
34: Zweite Brennkammer
35: Niederdruckturbine
36: Einlassluft-CO2- und/oder -O2-Messvorrichtungen
37: Gasturbinenabgas-CO2- und/oder -O2-Messvorrichtungen
38: HRSG-Abgas-CO2- und/oder -O2-Messvorrichtungen
39: Rohrverteiler
40: Brennstoffverteilungssystem
41: Hauptbrennstoffregelventil
45, 46, 47: Regelventil
51: Wirbelkörper
52: Abdeckluft
53: Brennerlängsachse
55: Erste Zufuhrleitung
56: Erste Gruppe von Auslassöffnungen
57: Zweite Zufuhrleitung
58: Zweite Gruppe von Auslassöffnungen
59: Brennstofflanze
60: Brennstoffzufuhr
61: Rohrverteiler für erste Brennergruppe
62: Rohrverteiler für zweite Brennergruppe
63: Brennstoffregelventil für erste Brennergruppe
64: Brennstoffregelventil für zweite Brennergruppe
65: Einzelnes Brennerregelventil
66: Brenner
CCPP: Kraftwerk mit kombiniertem Zyklus
F0: Gesamte Brennstoffmenge
F1,: F2 Brennstoffmenge
FP: Pilotbrennstoffmenge
n1: Anzahl von Auslassöffnungen in der ersten Gruppe
n2: Anzahl von Auslassöffnungen in der zweiten Gruppe
pk2: Kompressorauslassdruck
rFRG: Abgasrückführungsrate
ri: Auferlegtes Verbrennungsinhomogenitätsverhältnis
rT: Zielrückführungsrate
rmin: Minimale Rückführungsrate
rmax: Maximale Rückführungsrate
Thot: Heißgastemperatur

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Kraftwerks mit kombiniertem Zyklus (CCPP) mit einer Gasturbine (6) und einem Wärmerückgewinnungsdampfgenerator (9) mit einem Abgasrückführungssystem, bei dem Rauchgase nach einem Austritt aus der Gasturbine (6) durch den Wärmerückgewinnungsdampfgenerator (9) geleitet und anschließend ein erster Teilstrom (21) der Rauchgase mit Umgebungsluft (2) zu einem Kompressoreinlassgas (3) gemischt wird, wobei ein auferlegtes Verbrennungsinhomogenitätsverhältnis (r_i) als Funktion einer Abgasrückführungsrate (r_FRG) von Abgasen, die in einem Kompressoreinlassgas (3) der Gasturbine (6) durch das Abgasrückführungssystem zurückgeführt werden, geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das auferlegte Verbrennungsinhomogenitätsverhältnis (r_i) ferner als Funktion einer Heißgastemperatur (T_hot) geregelt wird und/oder als Funktion eines Verbrennungsdrucks geregelt wird, dass eine Zielabgasrückführungsrate in einem offenen Regelkreis als Funktion eines Kompressorauslassdrucks (p_k2) bestimmt wird und eine tatsächliche Abgasrückführungsrate (r_FRG) mit einem geschlossenen Regelkreis innerhalb eines zulässigen Bereichs zwischen einem minimalen Abgasrückführungsbereich (rmin) und einem maximalen Abgasrückführungsbereich (r_max) , die für den jeweiligen Kompressorauslassdruck (p_k2) gegeben sind, bestimmt und/oder dass die Zielabgasrückführungsrate in einem offenen Regelkreis als Funktion der Heißgastemperatur (T_hot) bestimmt wird, und dass die tatsächliche Abgasrückführungsrate (r_FRG) mit einem geschlossenen Regelkreis innerhalb eines zulässigen Bereichs zwischen dem minimalen Abgasrückführungsbereich (rmin) und dem maximalen Abgasrückführungsbereich (r_max) , die für die jeweilige Heißgastemperatur (T_hot) gegeben sind, eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherte Luft in die Kompressoreinlassgase (3) eines Gasturbinenkompressors (1) der Gasturbine (6) und/oder in eine Brennkammer (4) der Gasturbine (6) eingemischt wird, um eine höhere Abgasrückführungsrate (r_FRG) zu ermöglichen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zielsauerstoffkonzentration im Kompressoreinlassgas (3) als Funktion des auferlegten Verbrennungsinhomogenitätsverhältnisses (r_i) gegeben ist und dass eine Sauerstoffkonzentration in der Einlassluft durch Veränderung der Abgasrückführungsrate (r_FRG) und/oder Zumischen von Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherter Luft geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das auferlegte Verbrennungsinhomogenitätsverhältnis (r_i) und/oder ein Zumischen von Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherter Luft als Funktion von gemessenen CO-Emissionen und/oder Emissionen von unverbrannten Kohlenwasserstoffen eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das auferlegte Verbrennungsinhomogenitätsverhältnis (r_i) als Funktion einer gemessenen Brennkammerpulsationen eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrückführungsrate (r_FRG) über einem minimalen Wert gehalten wird, um eine erforderliche minimale Strömung durch ein CO2-Abscheidungssystem (18) sicherzustellen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zielkompressoreinlasstemperatur der Gasturbine (6) als Funktion einer relativen Last gegeben ist und dass eine Kompressoreinlasstemperatur durch Einstellen einer Rückkühlungstemperatur (T_recool) geregelt wird.
Kraftwerk mit kombiniertem Zyklus (CCPP), das zum Betrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche ausgelegt ist, mit einer Gasturbine (6), einem Wärmerückgewinnungsdampfgenerator (9), einer Dampfturbine (13), einer Abgasrückführungsleitung mit einem Rückführungsabgasrückkühler (27), mindestens einer Kompressorauslassdruck- und/oder Kompressorauslasstemperatur-Messvorrichtung und mindestens einer Sauerstoff- und/ oder CO2-Messvorrichtung (36) zwischen einem Mischpunkt von zurückgeführtem Abgas und Umgebungsluft (2) und einem Kompressor (1) der Gasturbine (6) und/oder mindestens einer Sauerstoff- und/oder CO2-Messvorrichtung (37, 38) und/oder mindestens einer Messvorrichtung für CO und/oder unverbrannten Kohlenwasserstoff stromabwärts der Gasturbine (6) und einer Brennkammer (4, 34) und einem Brennstoffverteilungssystem (40), das zum Auferlegen einer geregelten Flammeninhomogenität nach einem Verfahren nach mindestens einem der Verfahrensansprüche 1 bis 7 konfiguriert ist.
Kraftwerk mit kombiniertem Zyklus (CCPP) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Gasturbine (6) mit einer Pilotstufe in mindestens einem Brenner (4, 34) und/oder mit abgestufter Einspritzung von vorgemischtem Gas umfasst.
Kraftwerk mit kombiniertem Zyklus (CCPP) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Gasturbine (6) mit mindestens einer Brennkammer (4, 34) mit abgestuften Brennergruppen umfasst.
Kraftwerk mit kombiniertem Zyklus (CCPP) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Gasturbine (6) mit einem Auslegungskompressordruckverhältnis von größer als 26 umfasst.
Kraftwerk mit kombiniertem Zyklus (CCPP) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Gasturbine (6) mit sequentieller Verbrennung mit einem Auslegungsdruck einer zweiten Brennkammer (34), der größer ist als 15 bar, umfasst.
Kraftwerk mit kombiniertem Zyklus (CCPP) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Abgasgebläse mit variabler Drehzahl zur Rückführung (11) und/oder ein CO2-Abscheidungssystem (18) und ein Abgasgebläse mit variabler Drehzahl für das CO2-Abscheidungssystem (10) für die Abgase, die zum CO2-Abscheidungssystem (18) gelenkt werden, für die Regelung der Rückführungsrate umfasst.
Kraftwerk mit kombiniertem Zyklus (CCPP) nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass es Einspritzöffnungen zum Einspritzen von Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherter Luft in die Kompressoreinlassgase (3) des Kompressors (1) und/oder in die Brennkammer (4, 34) oder ein Kompressorplenum umfasst.