CH701822A2 - Elektrischer Anlauferhitzer für ein Brennstoffgas, Gasturbinenkraftwerk mit einem elektrischen Anlauferhitzer und Verfahren zum Betrieb eines Gasturbinenkraftwerks. - Google Patents

Abstract

In einem Gasturbinenkraftwerk wird Brennstoffgas einer Druckreduktion und Gasexpansion unterworfen, bevor es einer Gasturbine zugeführt wird. Es können sich Kondensationen bilden, die die Turbine beschädigen können, da sich das Brennstoffgas abkühlt, wenn das Brennstoffgas die Druckreduktion und Expansion erfährt. Ein elektrischer Anlauferhitzer (300) wird verwendet, um das Brennstoffgas zu überhitzen, um die Bildung von Kondensationen im Wesentlichen zu verhindern. Der elektrische Anlauferhitzer (300) enthält Bandheizeinrichtungen (320), die eine Brennstoffgasleitung (310) von aussen umhüllen, um das Brennstoffgas im Inneren von aussen zu erwärmen. Im Vergleich zu herkömmlichen Erhitzern, die eine Überhitzung durch interne Heizelemente erzielen, reduziert der elektrische Anlauferhitzer (300) Kosten und ergibt eine erhöhte Sicherheit, Flexibilität, Betriebseffizienz und Fähigkeit zur Anpassung an variierende Brennstoffgaseigenschaften.

Description

[0001] Diese Erfindung betrifft ein System und Verfahren zur Überhitzung von Brennstoffgas vor der Zuführung des Brennstoffgases zu einer Gasturbine.

Hintergrund der Erfindung

[0002] Gasförmiger Brennstoff wird für Kraftwerke häufig eingesetzt. Fig. 1 veranschaulicht eine vereinfachte Ansicht einer Gasturbinenkraftwerksanlage 100. Die Anlage 100 enthält ein Koaleszenzfilter 110, einen Hochleistungserhitzer 120, einen Anlauferhitzer 130, einen Gaswäscher 140 und verschiedene Ventile, zu denen ein ASV (Auxilliary Stop Valve, Hilfsabsperrventil) 150, SRV (Speed Ratio Valve, Übersetzungsventil) 160 und ein GCV (Gas Control Valve, Gassteuerventil) 170 gehören, sowie eine Gasturbine 180.

[0003] Aus betriebsbedingten und sicherheitsrelevanten Gründen sollte ein Brennstoff, der zu der Gasturbine geliefert wird, frei von Flüssigkeiten, wie beispielsweise Feuchtigkeit aus Wasser und flüssigen Kohlenwasserstoffen, sein. Eine Flüssigkeit ist unerwünscht, weil sie sich mit Kohlenwasserstoffen, wie beispielsweise Methan, verbinden kann, um feste Hydrate zu bilden, die die Turbine beschädigen können. Flüssige Kohlenwasserstoffe stellen ein besonderes Problem dar, weil sie zu unerwünschten Situationen, wie beispielsweise einer unkontrollierten Wärmezufuhr, einer Gasturbinenüberdrehzahl, Selbstzündung, einem Flammenrückschlag und Widerzünden sowie anderen, führen kann.

[0004] Das zu dem Kraftwerk gelieferte Brennstoffgas wird normalerweise unter Druck gesetzt und einer Druckreduktion und Expansion unterzogen, während das Brennstoffgas durch die Ventile 150, 160, 170 strömt, bevor es der Turbine 80 zugeführt wird. In Folge dieser Druckreduktion und Gasexpansion kommt es zu einer Gasabkühlung, die auch als der Joule-Thomson-Effekt bezeichnet wird. Wenn eine deutliche Abkühlung auftritt, kann eine Kondensation von Wasser und flüssigem Kohlenwasserstoff entstehen und die Gefahren bieten, wie sie vorstehend beschrieben sind.

[0005] Um eine Entstehung von Kondensation zu vermeiden, wird das Brennstoffgas stromaufwärts von den Ventilen 150, 160, 170 überhitzt. Dies bedeutet, dass das Brennstoffgas hinreichend über die Feuchtigkeits- und Kohlenwasserstofftaupunkte hinaus erhitzt wird. Durch Überhitzung des Brennstoffgases an einer stromaufwärtigen Stelle wird eine Kondensation an einer stromabwärtigen Stelle verhindert, wenn das Brennstoffgas entspannt und expandiert, wenn das Gas durch die Ventile 150, 160, 170 strömt. Dies stellt sicher, dass lediglich der Brennstoff in gasförmigen Zustand dem Einlass der Gasturbine 180 zugeführt wird.

[0006] Wie in Fig. 1 veranschaulicht, werden gewöhnlich zwei Arten von Heizeinrichtungen -der Hochleistungserhitzer 120 und der Anlauferhitzer 130 - dazu verwendet, das Brennstoffgas zu überhitzen. Während eines normalen Betriebs verwendet der Hochleistungserhitzer 120 heisses Wasser als Wärmequelle, um das Brennstoffgas zu überhitzen. Das heisse Wasser wird von einem (in Fig. 1 nicht veranschaulichten) Abhitzedampferzeuger (HSRG) geliefert, der wiederum das heisse Abgas von der Gasturbine 180 nutzt, um das Wasser zu erwärmen.

[0007] Wenn sich die Gasturbine 180 im Anlaufbetrieb befindet, steht heisses Wasser von dem HSRG noch nicht zur Verfügung. Bis die Gasturbine 180 ihren normalen Betrieb erreicht, sorgt der Anlauferhitzer 130 für die erforderliche Erhitzung. Gewöhnlich werden elektrische Heizeinrichtungen aufgrund ihrer relativen Einfachheit und Zweckdienlichkeit eingesetzt. Eine Ansicht von aussen auf einen herkömmlichen elektrischen Anlauferhitzer ist in Fig. 2veranschaulicht. Der herkömmliche Anlauferhitzer kann sehr gross sein, selbst bei einer Anlage, die eine bescheidene Menge an Leistung erzeugt. Um ein Beispiel anzugeben, kann der Rahmen für den herkömmlichen Anlauferhitzer sogar so gross sein wie 15 Fuss (Länge) x 8 Fuss (Weite) x 12 Fuss (Höhe) für ein Gasturbinenkraftwerk mit einer Erzeugungskapazität von 0,28 Megawatt.

[0008] In dem herkömmlichen elektrischen Anlauferhitzer sind die aktiven Heizelemente im Inneren der (nicht veranschaulichten) Rohrleitung montiert, in der das Brennstoffgas strömt. Dies ermöglicht es, dass eine starke Wärmeübertragung stattfindet, so dass die Brennstoffgastemperatur schnell angehoben werden kann.

[0009] Es versteht sich, dass der herkömmliche elektrische Anlauferhitzer zu sicherheitsrelevanten Problemen neigt, was darauf zurückzuführen ist, dass die Heizelemente in direktem Kontakt mit dem Brennstoffgas stehen. Weil die Heizelemente in dem Pfad der Brennstoffgasströmung angeordnet sind, tragen die Heizelemente selbst zu einem unerwünschten Druckabfall bei. Aufgrund der internen Anordnung der Heizelemente gestalten sich Instandhaltung und Aufrüstung schwierig, die Ventile, Dichtungen und andere Einrichtungen erfordern, so dass die die Heizelemente enthaltenden Rohre für die Instandhaltungs- und Aufrüstungsmassnahmen getrennt werden können. In betrieblicher Hinsicht kann es erforderlich sein, dass das Brennstoffgas strömt, während die Heizelemente eingeschaltet sind, um die Gefahr eines Heizelementausfalls zu reduzieren. Ausserdem ist der herkömmliche elektrische Anlauferhitzer sehr kostspielig - ein System kann über $ 265.000 kosten. Es bleibt folglich ein Bedarf nach (einem) System(en) und/oder Verfahren zur Überhitzung des Brennstoffgases während eines Systemanlaufs, das/die die mit herkömmlichen elektrischen Anlauferhitzern verbundenen Nachteile verringert/verringern, wenn nicht sogar beseitigt/beseitigen.

Kurzbeschreibung der Erfindung

[0010] Ein beispielhafter, nicht beschränkender Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen elektrischen Anlauferhitzer für ein Gasturbinenkraftwerk. Der beispielhafte Anlauferhitzer enthält eine Brennstoffgasleitung, die eingerichtet ist, um Brennstoffgas zu ermöglichen, durch diese hindurch zu strömen, und eine oder mehreren elektrische Bandheizeinrichtungen, die an der Aussenseite der Brennstoffgasleitung um diese gelegt bzw. gewickelt sind und mit dieser in Kontakt stehen. Die Bandheizeinrichtungen sind eingerichtet, um das durch die Brennstoffgasleitung strömende Brennstoffgas zu überhitzen. Eine Überhitzung kann als eine hinreichende Anhebung der Temperatur des in der Brennstoffgasleitung strömenden Brennstoffgases, um so eine Entstehung von Kondensation im Wesentlichen zu verhindern, wenn das Brennstoffgas stromabwärts von der Brennstoffgasleitung einer Expansion unterworfen wird.

[0011] Gemäss einem weiteren nicht beschränkenden Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Gasturbinenkraftwerk, das eine Brennstoffgasversorgung enthält, die eingerichtet ist, um Brennstoffgas zu einer Gasturbine zuzuführen, und es enthält ein Gasbrennstoffmodul, das stromabwärts von der Brennstoffgasversorgung und stromaufwärts von der Gasturbine angeordnet ist. Das Gasbrennstoffmodul ist eingerichtet, um die Lieferung des Brennstoffgases zu der Gasturbine zu steuern. Das Kraftwerk enthält ferner einen elektrischen Anlauferhitzer, der eingerichtet ist, um das Brennstoffgas zu überhitzen, und der stromabwärts von der Brennstoffgasversorgung und stromaufwärts von dem Gasbrennstoffmodul angeordnet ist. Der elektrische Anlauferhitzer weist eine Brennstoffgasleitung auf, die eingerichtet ist, um dem Brennstoffgas von der Brennstoffgasversorgung zu ermöglichen, durch diese hindurch zu dem Gasbrennstoffmodul zu strömen, und die eine oder mehrere elektrische Bandheizeinrichtungen enthält, die extern an der Brennstoffgasleitung umgelegt bzw. umgewickelt sind und mit dieser in Berührung stehen. Die elektrischen Bandheizeinrichtungen sind eingerichtet, um das durch die Brennstoffgasleitung strömende Brennstoffgas zu überhitzen, um die Temperatur des Brennstoffgases stromaufwärts von dem Gasbrennstoffmodul hinreichend anzuheben, um eine Erzeugung von Kondensation im Wesentlichen zu verhindern, wenn das Brennstoffgas eine Expansion erfährt, während das Brennstoffgas durch das Gasbrennstoffmodul strömt.

[0012] Gemäss einem weiteren nicht beschränkenden Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Gasturbinenkraftwerks, das ein Gasbrennstoffmodul, das stromaufwärts von einer Gasturbine angeordnet ist, und einen elektrischen Anlauferhitzer aufweist, der stromabwärts von einer Gasversorgung und unmittelbar stromaufwärts von dem Gasbrennstoffmodul angeordnet ist. Der elektrische Anlauferhitzer weist eine Brennstoffgasleitung und eine oder mehrere elektrische Bandheizeinrichtungen auf, die an der Aussenseite der Brennstoffgasleitung umgelegt oder umgewickelt sind und mit dieser in Berührung stehen. Der elektrische Anlauferhitzer ist auch frei von aktiven Heizelementen intern, im Innern der Brennstoffgasleitung. In dem Verfahren wird das Brennstoffgas von der Gasversorgung unter Verwendung des elektrischen Anlauferhitzers überhitzt, in dem die Temperatur des Brennstoffgases hinreichend angehoben wird, um eine Entstehung von Kondensation im Wesentlichen zu verhindern, wenn das Brennstoffgas einer Expansion unterzogen wird, während das Gas durch das Gasbrennstoffmodul strömt. Das Verfahren enthält ferner eine Steuerung der Zufuhr des überhitzten Brennstoffgases von dem elektrischen Anlauferhitzer zu der Gasturbine unter Verwendung des Gasbrennstoffmoduls.

[0013] Die Erfindung wird nun in grösseren Einzelheiten in Verbindung mit den Zeichnungen beschrieben, wie sie nachstehend angegeben sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0014] <tb>Fig. 1<sep>zeigt ein Blockschaltbild eines herkömmlichen Gasturbinenkraftwerks; <tb>Fig. 2<sep>zeigt eine Ansicht eines herkömmlichen Anlauferhitzers; <tb>Fig. 3A<sep>zeigt eine Perspektivansicht einer beispielhaften nicht beschränkenden Ausführungsform eines elektrischen Anlauferhitzers; <tb>Fig. 3B, 3C und 3D<sep>zeigen nicht beschränkende beispielhafte Querschnittsansichten des elektrischen Anlauferhitzers; <tb>Fig. 4<sep>zeigt ein Blockschaltbild einer beispielhaften nicht beschränkenden Ausführungsform eines Gasturbinenkraftwerks; und <tb>Fig. 5 und 6<sep>zeigen Flussdiagramme beispielhafter nicht beschränkender Verfahren zum Betreiben eines Gasturbinenkraftwerks.

Detaillierte Beschreibung der Erfindungen

[0015] Wie vorstehend erläutert, wird das Brennstoffgas überhitzt, um eine Entstehung von Kondensationen zu vermeiden, wenn das Brennstoffgas beim Durchgang durch die Ventile expandiert, bevor es der Gasturbine zugeführt wird. Wenn das Kraftwerk sich in der Anlaufbetriebsphase befindet, sorgt der Anlauferhitzer für die notwendige Überhitzung. Eine Überhitzung des Brennstoffgases auf etwa 50°F oberhalb des Feuchtigkeitstaupunkts oder des Kohlenwasserstofftaupunkts (welcher auch immer höher ist) ist gewöhnlich ausreichend. Einige Gasturbinen haben keine Toleranz in Bezug auf das Vorliegen einer Kondensation. Somit kann die Überhitzung als eine Anhebung der Brennstoffgastemperatur, um die Entstehung von Kondensationen im Wesentlichen zu verhindern, angesehen werden. Natürlich ist eine vollständige oder nahezu vollständige Verhinderung höchst erwünscht.

[0016] Eine oder mehrere nicht beschränkende Ausführungsformen des elektrischen Anlauferhitzers verwenden ein neues Heizkonzept. In dieser/diesen Ausführungsformen (en) sind aktive Heizelemente ausserhalb der Brennstoffgasströmung angeordnet, und es wird Wärme von der Aussenseite nach innen übertragen. Die Heizelemente können relativ einfache, hochleistungsfähige elektrische Heizbänder oder Bandheizeinrichtungen sein, die rings um eine Rohrleitung, durch die das Brennstoffgas strömt, diese umhüllend gelegt werden.

[0017] Für eine Effizienz der Wärmeübertragung stehen die Bandheizeinrichtungen vorzugsweise in Kontakt mit der Aussenfläche der Rohrleitung. Die Bandheizeinrichtungen können aus Heizelementen ausgebildet sein, die zwischen einem Material eingefügt sind, das elektrisch isolierend und thermisch leitfähig ist. Dies hat zur Folge, dass die Bandheizeinrichtungen eine kleine Masse haben, was bedeutet, dass sich die Bandheizeinrichtungen selbst schnell, beispielsweise in weniger als zwei Minuten für die Bandheizeinrichtungen und die Rohrleitung erwärmen können. Dies wiederum ermöglicht dem Heizabschnitt der Rohrleitung, schnell die Zieltemperatur zu erreichen.

[0018] Der Heizabschnitt kann gegebenenfalls nur eine geringfügig grössere Rohrleitungslänge (etwa 18 Fuss) im Vergleich zu dem herkömmlichen Erhitzer, der in etwa 15 Fuss lang ist, erfordern. Die Standflächenanforderung ist nicht viel grösser als bei dem herkömmlichen elektrischen Anlauferhitzer. In der Tat ist die Standfläche eigentlich wahrscheinlich deutlich kleiner, falls ein höherer Wärmestrom in Betracht gezogen wird. Ein sehr wesentlicher Vorteil von einem oder mehreren beispielhaften elektrischen Anlauferhitzern gemäss der Erfindung liegt darin, dass der Erhitzer nahtlos in eine bereits vorhandene Rohrleitung integriert werden kann, weil er keine zusätzliche Weite für die Brennstoffgasleitungen erfordert. Ferner können vorhandene Steuerungen verwendet werden, um die Ausführungsform(en) des elektrischen Anlauferhitzers zu steuern.

[0019] Fig. 3A-3D veranschaulichen eine beispielhafte nicht beschränkende Ausführungsform eines elektrischen Anlauferhitzers 300. Wie in Figur 3Averanschaulicht, enthält der elektrische Anlauferhitzer 300 ein Brennstoffgasrohr bzw. eine Brennstoffgasleitung 310, durch das bzw. die das Brennstoffgas strömt. An der Aussenseite der Brennstoffgasleitung 310 sind eine oder mehrere elektrische Bandheizeinrichtungen 320 umgewickelt bzw. umgelegt. Die Bandheizeinrichtungen 320 stehen vorzugsweise in engem Kontakt mit der Brennstoffgasleitung, um die Wärmeübertragung zu maximieren.

[0020] Fig. 3B, 3C und 3Dveranschaulichen beispielhafte nicht beschränkende Querschnittsansichten des Innenraums der Brennstoffgasleitung 310. Wie veranschaulicht, kann die Leitung 310 mit einer oder mehreren Rippen oder Lamellen 330 versehen sein, um eine Wärmeübertragung von den Bandheizeinrichtungen 320 auf das Brennstoffgas weiter zu fördern. Wie zu ersehen, ragen die Lammellen 330 von der Innenwand der Gasleitung 310 vor. Vorzugsweise sind die Lamellen 330 so dünn wie möglich geschaffen, um eine Störung der Brennstoffströmung zu minimieren. Um die Oberfläche für den Wärmetransfer zu erhöhen, können die Lamellen sich in einer Längsrichtung (bei den Fig. 3B, 3C und 3Din die Seite hinein) entlang wenigstens eines Abschnitts der Längserstreckung der Leitung 310 erstrecken.

[0021] Die Lamellen 330 können auf vielfältige Weise geformt sein, um den Oberflächenbereich zu erhöhen. Zum Beispiel sind die Lamellen 330 in Fig. 3Czickzackförmig gestaltet. Die Anzahl von Lamellen 330 ist nicht auf irgendeine bestimmte Anzahl beschränkt. Ferner müssen die Lamellen nicht notwendigerweise stets unmittelbar in Richtung auf die Mitte der Leitung 310 ausgerichtet sein - d.h. die Lamellen 330 können, wie in Fig. 3D veranschaulicht, unter einem Winkel ausgerichtet sein. Die spezielle Orientierung der Vorkragung und die Gestalt der Lamellen können auf der Basis verschiedener Konstruktionsbetrachtungen und -anforderungen, wie beispielsweise einer Grösse des Oberflächenbereichs, die zur Erzielung der Wärmeübertragung benötigt wird, bestimmt werden. Die Lamellen 330 können gemeinsam mit der Rohrleitung 310 integral hergestellt sein, oder sie können unter Berücksichtigung von Faktoren, wie beispielsweise Wärmeübertragungseigenschaften, Beständigkeit gegen Verformung, Kosten, etc., aus anderen Materialien ausgebildet sein.

[0022] Die Lamellen 330 können insofern vorteilhaft sein, als die erforderliche Zieltemperatur der Brennstoffleitung 310 reduziert werden kann. Zum Beispiel kann es für eine Brennstoffgasleitung 310 mit einer Länge von 20 Fuss, um mit einer Durchflussrate von 9 Pfund/Sek. strömendes Brennstoffgas zu überhitzen, erforderlich sein, die Temperatur der Leitung 310 ohne die Lamellen 330 auf nahezu 500°F anzuheben, um eine ausreichende Wärmeübertragung zu erzielen. Mit den Lamellen 330 kann die Zieltemperatur der Leitung 310 auf 400°F erniedrigt und dennoch eine hinreichende Wärmeübertragung erzielt werden. In anderen Worten kann die Leitung 310 mit den Lamellen 330 die Zieltemperatur eher erreichen, und der Betrieb kann aufgrund der geringeren Rohleitungstemperatur sicherer sein.

[0023] Obwohl dies nicht veranschaulicht ist, wird in Erwägung gezogen, dass zusätzlich zu den externen Bandheizeinrichtungen aktive Heizelemente auch intern, im Inneren der Brennstoffgasleitung 310 vorgesehen sein können. Gemeinsam können die Bandheizeinrichtung 320 und die internen Heizelemente die Brennstoffgastemperatur schnell anheben.

[0024] Jedoch wird es mehr bevorzugt, dass die Brennstoffgasleitung 310 frei von internen Heizelementen ist. Wie vorstehend erwähnt, können die internen Heizelemente zu einem deutlichen Druckabfall beitragen, weil sie normalerweise nicht wie die Lamellen 330 gestaltet werden können. Ferner gestaltet sich die Wartung der internen Elemente aufgrund der internen Anordnung schwierig. Ferner würden Ventile, Dichtungen und Spanneinrichtungen erforderlich sein, um die Gasleitung 310 zu trennen, um eine Wartungsmassnahme zu ermöglichen.

[0025] Gasleitungen, die frei von aktiven internen Heizelementen sind, würden weniger kompliziert, leichter instand zu halten, weniger kostspielig sein und weniger Raum erfordern. Ausserdem würden keine Ventile, Dichtungen oder Spannvorrichtungen erforderlich sein, weil keine Notwendigkeit bestehen würde, auf die internen Heizelemente zuzugreifen. Eine Wartung der Bandheizeinrichtungen 320 gestaltet sich vergleichsweise einfach, weil sie extern, an der Aussenseite angeordnet und somit ohne weiteres zugänglich sind.

[0026] Die Konfiguration des beispielhaften elektrischen Anlauferhitzers 300 hat wichtige Vorteile. Ein wesentliches Beispiel ist, wie vorstehend erwähnt, dass der Erhitzer nahtlos in eine bereits vorhandene Rohrleitung integriert werden kann, weil er keine zusätzliche Weite für die Brennstoffgasleitungen erfordert. Somit kann eine vorhandene Leitung nachgerüstet werden, um als der Anlauferhitzer zu dienen, indem die elektrischen Bandheizeinrichtungen rings um die vorhandene Leitung gelegt bzw. gewunden werden. Weil die Bandheizeinrichtungen kompakt sind, können auch Leitungen mit Krümmungen und/oder Biegungen (nicht veranschaulicht) konfiguriert werden, um als der Anlauferhitzer zu dienen. Dies stellt bei beengten Platzverhältnissen eine deutliche Flexibilität bei der Anordnung des Anlauferhitzers dar.

[0027] Der beispielhafte elektrische Anlauferhitzer kann einen Teil eines Gasturbinenkraftwerks 400 bilden, wie es in Fig. 4 veranschaulicht ist. In der Figur enthält das Kraftwerk 400 einen Koaleszenzfilter 410, einen Hochleistungserhitzer 420, einen Anlauferhitzer 430, einen Gaswäscher 440, ein ASV 450, ein SRV 460, ein GCV 470 und eine Gasturbine 480. Die Ventile 450, 460, 470 können gemeinsam in einem Gasbrennstoffmodul 475 untergebracht und eingerichtet sein, um die Zufuhr des Brennstoffgases von der Gasversorgung zu der Turbine 480 zu steuern. Das Gasbrennstoffmodul ist stromaufwärts von der Gasturbine 480 und stromabwärts von der Brennstoffgasversorgung angeordnet.

[0028] Der elektrische Anlauferhitzer 430 ist stromabwärts von der Brennstoffgasversorgung und stromaufwärts von dem Gasbrennstoffmodul 475 angeordnet. Im Sinne einer Betriebseffizienz ist es erwünscht, den Anlauferhitzer 430 möglichst nahe an der Gasturbine 480 zu positionieren. In Fig. 4ist der Anlauferhitzer 430 unmittelbar stromaufwärts von dem Gasbrennstoffmodul 475 angeordnet.

[0029] Die Gasturbine 480 und das Gasbrennstoffmodul 475 sind häufig in einer Gebäudestruktur, wie beispielsweise einem Kraftwerksgebäude 485 in Fig. 4, angeordnet. Um dem Anlauferhitzer 430 zu ermöglichen, möglichst nahe an der Gasturbine 480 positioniert zu sein, ist es auch erwünscht, den Anlauferhitzer 430 innerhalb desselben Kraftwerksgebäudes 485 mit anzuordnen. Eine gemeinsame Anordnung des herkömmlichen elektrischen Anlauferhitzers in derselben Gebäudestruktur wie die Gasturbine wäre schwierig und/oder nicht ratsam. Die beträchtliche Grösse des herkömmlichen Erhitzers macht eine gemeinsame Unterbringung problematisch. Was vielleicht noch wichtiger ist, benötigt der herkömmliche Anlauferhitzer, wie vorstehend beschrieben, Ventile, Dichtungen und andere Halteeinrichtungen. Ventile, Dichtungen oder Haltereinrichtungen sind Quellen für mögliche Brennstofflecktagen, die Sicherheitsrelevante Probleme darstellen, wenn der herkömmliche Erhitzer gemeinsam untergebracht wird. Der beispielhafte Anlauferhitzer 430 benötigt jedoch keine Ventile, Dichtungen und Haltevorrichtungen, was die Brennstofflecktageprobleme deutlich verringert. Dies wiederum ermöglicht dem Anlauferhitzer 430, gemeinsam in dem gleichen Kraftwerksgebäude 485 mit untergebracht und somit nahe an der Gasturbine 480 angeordnet zu sein.

[0030] In Fig. 4 kann der Hochleistungserhitzer 420, der stromabwärts von der Gasversorgung und stromaufwärts von dem Anlauferhitzer 430 angeordnet ist, dazu verwendet werden, ganz wie bei der herkömmlichen Kraftwerksanlage, wie sie in Fig. 1veranschaulicht ist, das Brennstoffgas während eines normalen Betriebs zu überhitzen.

[0031] Jedoch kann der Hochleistungserhitzer 420 unter bestimmten Umständen nicht in der Lage sein, eine hinreichende Überhitzung zu erzielen. Zum Beispiel kann es erforderlich sein, dass die Gasturbine 480 mit unterschiedlichen Arten von Brennstoffgasen, wie beispielsweise Erdgas und synthetischen Gasen, arbeiten muss. Selbst beim Erdgas ist es allgemein bekannt, das Erdgas nicht homogen ist, d.h. das Gas ist zeitlich oder geographisch nicht gleichwertig. Es kann deutliche Schwankungen hinsichtlich der Zusammensetzung (z.B. Anteil von Methan, Ethan, Propan, etc.) und hinsichtlich der Eigenschaften des dem Kraftwerk zugeführten Erdgases geben. Diese Schwankungen bedeuten, dass die Taupunkte des Brennstoffgases ebenfalls variieren können. Somit kann es in Abhängigkeit von den Eigenschaften des zu dem Kraftwerk 400 zugeführten Brennstoffgases vorkommen, dass der Hochleistungserhitzer 420 keine hinreichende Überhitzung schaffen kann (oder es nicht wirtschaftlich ist, diese zu schaffen). Als ein weiteres Beispiel kann der Hochleistungserhitzer 420 funktionsfähig, aber nicht mit voller Kapazität funktionsfähig sein, wie beispielsweise wenn ein Teil des Hochleistungserhitzer 420 für Wartungs- oder Reparaturzwecke abgeschaltet wird.

[0032] Somit wird in einem nicht beschränkenden Aspekt der elektrische Anlauferhitzer 430 dazu verwendet, eine Erhitzung während eines normalen Betriebs zu ergänzen, d.h. eine zusätzliche Heizung während des normalen Betriebs zu erzielen um sicherzustellen, dass das Brennstoffgas hinreichend überhitzt wird, bevor es der Gasturbine 480 zugeführt wird. Obwohl dies nicht veranschaulicht ist, enthält der elektrische Anlauferhitzer 430 eine Steuereinrichtung, die den Betrieb des Anlauferhitzers 430 steuert.

[0033] Der Anlauferhitzer 430 kann auch dazu verwendet werden, auf der Basis von Umgebungs- und/oder Brennstoffgaseigenschaften zur Optimierung des Kraftwerkbetriebs einen feinen Grad an zusätzlicher Heizung zu liefern. Zum Beispiel können Sensoren dazu verwendet werden, die durch den Hochleistungserhitzer 420 zugeführte Wärmemenge, die Durchflussrate des Brennstoffgases, die Brennstoffgaseigenschaften und dergleichen zu überwachen, und die Steuereinrichtung kann die zusätzliche Wärme auf der Basis des Überwachungsergebnisses fein steuern. Eine derart feine Abstimmung der Brennstofftemperatur kann in einen Steuer- oder Regelkreis integriert werden, um Emissionen von NOx und CO zu verringern, um gesetzliche Auflagen zu erfüllen.

[0034] Fig. 5 veranschaulicht ein beispielhaftes nicht beschränkendes Verfahren 500 zum Betreiben einer Gasturbinenkraftwerksanlage, wie beispielsweise des in Fig. 4 veranschaulichten Kraftwerks. In Schritt 510 bestimmt der elektrische Anlauferhitzer (z.B. die Steuerung des Anlauferhitzers), ob sich das Kraftwerk in dem Anlaufbetriebsmodus befindet. Falls dies der Fall ist, überhitzt der Anlauferhitzer das Brennstoffgas in Schritt 520, und das Gasbrennstoffmodul steuert die Zufuhr des überhitzten Brennstoffgases zu der Gasturbine in Schritt 530.

[0035] Falls der Anlauferhitzer feststellt, dass das Kraftwerk nicht in dem Anlaufmodus arbeitet (d.h. das Kraftwerk arbeitet im normalen Betriebsmodus), bestimmt der Anlauferhitzer anschliessend in Schritt 540, ob die Überhitzung von dem Hochleistungserhitzer ausreicht. Wenn er feststellt, dass die Überhitzung nicht ausreichend ist, sorgt der Anlauferhitzer für eine zusätzliche Heizung in Schritt 550, um ein hinreichendes Überhitzen sicherzustellen. Das Verfahren geht anschliessend zum Schritt 530 über, nachdem das Brennstoffgas hinreichend überhitzt worden ist (entweder nach Schritt 540 oder nach Schritt 550). Der Betrieb fährt fort, bis in Schritt 560 festgestellt wird, dass die Anlage abgeschaltet werden soll.

[0036] Es ist zu beachten, dass die Unterscheidung, ob das Kraftwerk sich in dem Anlauf - oder dem normalen Betriebsmodus befindet oder nicht ein Zweckmässigkeitsmechanismus ist und aus der Perspektive des Anlauferhitzers nicht unbedingt erforderlich ist. Aus dieser Perspektive ist es nur erforderlich, dass dem Gasbrennstoffmodul hinreichend überhitztes Brennstoffgas zugeführt wird.

[0037] Dies ist in Fig. 6 gezeigt, die ein weiteres beispielhaftes nicht beschränkendes Verfahren 600 zum Betreiben der Kraftwerksanlage veranschaulicht. In Schritt 610 bestimmt der Anlauferhitzer, ob das durch die Brennstoffgasleitung strömende Brennstoffgas hinreichend überhitzt ist. Falls dies nicht der Fall ist, gibt er hinreichend Überhitzungswärme in Schritt 620 zu. Eine unzureichende Überhitzung kann beispielsweise auftreten, wenn der Hochleistungserhitzer gar nicht arbeitet, nicht mit voller Kapazität arbeitet oder das Brennstoffgas selbst mehr Wärme benötigt, als durch den Hochleistungserhitzer selbst mit voller Kapazität geliefert werden kann. Das Gasbrennstoffmodul steuert die Zufuhr des überhitzten Brennstoffgases zu der Gasturbine in Schritt 630 (entweder nach Schritt 610 oder nach Schritt 620). Der Überhitzungsbetrieb fährt fort, bis in Schritt 640 festgestellt ist, dass die Anlage abzuschalten ist.

[0038] Es ist somit zu verstehen, dass der nicht beschränkende beispielhafte elektrische Anlauferhitzer und das Gasturbinenkraftwerk, das den Anlauferhitzer enthält, viele Vorteile bieten. Eine nicht ausschliessliche Liste derartiger Vorteile enthält: reduzierter Aufwand, Möglichkeit, eine existierende Rohrleitung nachzurüsten, den Anlauferhitzer näher an der Gasturbine anzuordnen, den Anlauferhitzer und die Gasturbine gemeinsam in der gleichen Gebäudestruktur anzuordnen, leichtere Instandhaltung und Aufrüstung, relative Einfachheit (z.B. keine Ventile und Haltevorrichtungen erforderlich), reduzierte Raumbedarf und reduzierter Druckabfall sowie erhöhte Sicherheit (z.B. befinden sich die Heizelemente nicht in dem direkten Pfad der Brennstoffströmung).

[0039] Während die Erfindung in Verbindung mit einem Ausführungsbeispiel beschrieben worden ist, das momentan als die praktikabelste und bevorzugte Ausführungsform angesehen wird, ist es zu verstehen, das die Erfindung nicht auf die Offenbarte Ausführungsform beschränkt sein soll. Z.B. ist die Verwendung des beispielhaften elektrischen Anlauferhitzers nicht auf Gasturbinenkraftwerke beschränkt. Der Anlauferhitzer kann in vielen Brennstoffsystemen eingesetzt werden, in denen eine Erwärmung, nicht nur eine Überhitzung, des Brennstoffgases von Vorteil sein würde. Die Erfindung soll verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen mit umfassen, die in dem Rahmen und Schutzumfang der beigefügten Ansprüche enthalten sind.

[0040] In einem Gasturbinenkraftwerk 400 wird Brennstoffgas einer Druckreduktion und Gasexpansion unterworfen, bevor es eine Gasturbine 480 zugeführt wird. Es können sich Kondensationen bilden, die die Turbine 480 beschädigen können, da sich das Brennstoffgas abkühlt, wenn das Brennstoffgas die Druckreduktion und Expansion erfährt. Ein elektrischer Anlauferhitzer 300, 430 wird verwendet, um das Brennstoffgas zu überhitzen, um die Bildung von Kondensationen im Wesentlichen zu verhindern. Der elektrische Anlauferhitzer 300, 430 enthält Bandheizeinrichtungen 320, die eine Brennstoffgasleitung 310 von aussen umhüllen, um das Brennstoffgas im Inneren von aussen zu erwärmen. Im Vergleich zu herkömmlichen Erhitzern 130, die eine Überhitzung durch interne Heizelemente erzielen, reduziert der elektrische Anlauferhitzer 300, 430 Kosten und ergibt eine erhöhte Sicherheit, Flexibilität, Betriebseffizienz und Fähigkeit zur Anpassung an variierende Brennstoffgaseigenschaften.

Bezugszeichenliste

[0041] <tb>Gasturbinenkraftwerk<sep>100, 400 <tb>Koaleszenzfilter<sep>110, 410 <tb>Hochleistungserhitzer<sep>120, 420 <tb>Anlauferhitzer<sep>130, 300, 430 <tb>Gaswäscher<sep>140, 440 <tb>Hilfsabsperrventil<sep>150, 450 <tb>Geschwindigkeitsverhältnisventil<sep>160, 460 <tb>Gassteuerungsventil<sep>170, 470 <tb>Gasturbine<sep>180, 480 <tb>Elektrische Bandheizeinrichtungen<sep>320 <tb>Lamellen<sep>330 <tb>Gasbrennstoffmodul<sep>475 <tb>Kraftwerksgebäude<sep>485

Claims (20)

1. Elektrischer Anlauferhitzer (300, 430), der aufweist: eine Brennstoffgasleitung (310), die eingerichtet ist, um Brennstoffgas zu ermöglichen, durch diese hindurchzuströmen; und eine oder mehrere elektrische Bandheizeinrichtungen (320), die extern in Bezug auf die Brennstoffgasleitung (310) um diese herum und mit dieser in Kontakt stehend angeordnet sind, wobei die eine oder die mehreren elektrischen Bandheizeinrichtungen (320)eingerichtet sind, um das durch die Brennstoffgasleitung (310) strömende Brennstoffgas zu überhitzen, wobei eine Überhitzung definiert ist als eine hinreichende Anhebung der Temperatur des Brennstoffgases, um eine Entstehung von Kondensation im Wesentlichen zu verhindern, wenn das Brennstoffgas stromabwärts von der Brennstoffgasleitung (310) einer Expansion unterzogen wird.

2. Elektrischer Anlauferhitzer (300, 430) nach Anspruch 1, der ferner aufweist: eine oder mehreren Lamellen (330), die intern, im Inneren der Brennstoffgasleitung (310) vorgesehen sind, wobei die eine oder mehreren Lamellen (330) eingerichtet sind, um eine Wärmeübertragung der Wärme von der einen oder den mehreren Bandheizeinrichtungen (320) auf das durch die Brennstoffgasleitung (310) strömende Brennstoffgas zu fördern.

3. Elektrischer Anlauferhitzer (300, 430) nach Anspruch 2, wobei sich die eine oder mehreren Lamellen (330) im Wesentlichen in einer Längsrichtung der Brennstoffgasleitung (310) erstrecken.

4. Elektrischer Anlauferhitzer (300, 430) nach einem beliebigen der Ansprüche 2-3, wobei die eine oder mehreren Lamellen (330) mit der Brennstoffgasleitung (310) integral ausgebildet sind.

5. Elektrischer Anlauferhitzer (300, 430) nach einem beliebigen der Ansprüche 1-4, wobei die Brennstoffgasleitung (310) frei von internen aktiven Heizelementen ist.

6. Elektrischer Anlauferhitzer (300, 430) nach einem beliebigen der Ansprüche 1-5, wobei der elektrische Anlauferhitzer (300, 430) eingerichtet ist, um in einem Gasturbinenkraftwerk (400) eingesetzt zu werden.

7. Gasturbinenkraftwerk (400), das aufweist: eine Brennstoffgasversorgung, die eingerichtet ist, um Brennstoffgas einer Gasturbine (480) zuzuführen; ein Gasbrennstoffmodul (475), das stromaufwärts von der Gasturbine (480) und stromabwärts von der Brennstoffgasversorgung angeordnet ist, wobei das Gasbrennstoffmodul (475) eingerichtet ist, um die Zufuhr des Brennstoffgases von der Brennstoffgasversorgung zu der Gasturbine (480) zu steuern; und einen elektrischen Anlauferhitzer (300, 430), der stromabwärts von der Brennstoffgasversorgung und stromaufwärts von dem Gasbrennstoffmodul (475) angeordnet ist, wobei der elektrische Anlauferhitzer (300, 430) aufweist: eine Brennstoffgasleitung (430), die eingerichtet ist, um dem Brennstoffgas von der Brennstoffgasversorgung zu ermöglichen, durch diese hindurch zu dem Gasbrennstoffmodul (475) zu strömen; eine oder mehrere elektrische Bandheizeinrichtungen (320), die extern an der Brennstoffgasleitung (310) um diese herum und in Kontakt mit dieser angeordnet sind, wobei die eine oder mehreren elektrischen Bandheizeinrichtungen eingerichtet sind, um das durch die Brennstoffgasleitung (310) strömende Brennstoffgas zu überhitzen, und wobei eine Überhitzung definiert ist als eine hinreichende Anhebung der Temperatur des Brennstoffgases stromaufwärts von dem Gasbrennstoffmodul (475), um so eine Entstehung von Kondensation im Wesentlichen zu verhindern, wenn das Brennstoffgas eine Expansion erfährt, wenn das Brennstoffgas durch das Gasbrennstoffmodul (475) strömt.

8. Gasturbinenkraftwerk (400) nach Anspruch 7, wobei der elektrischer Anlauferhitzer (300, 430) unmittelbar stromaufwärts von dem Gasbrennstoffmodul (475) angeordnet ist.

9. Gasturbinenkraftwerk (400) nach einem beliebigen der Ansprüche 7-8, wobei der elektrische Anlauferhitzer (300, 430) im Innern eines Kraftwerksgebäudes (485), in dem die Gasturbine (480) und das Gasbrennstoffmodul (475) angeordnet sind, gemeinsam mit diesen angeordnet ist.

10. Gasturbinenkraftwerk (400) nach einem beliebigen der Ansprüche 7-9, wobei der elektrische Anlauferhitzer (300, 430) ferner aufweist: eine oder mehrere Lamellen (330), die intern, im Inneren der Brennstoffgasleitung (310) vorgesehen sind, wobei die eine oder mehreren Lamellen (330) eingerichtet sind, um eine Wärmeübertragung von Wärme von der einen oder mehreren Bandheizeinrichtungen (320) auf das durch die Brennstoffgasleitung (310) strömende Brennstoffgas zu fördern.

11. Gasturbinenkraftwerk (400) nach einem beliebigen der Ansprüche 7-10, wobei keine Ventile und Einrichtungen zur Isolierung der Brennstoffgasleitung (310) des elektrischen Anlauferhitzers (300, 430) vorgesehen sind.

12. Gasturbinenkraftwerk (400) nach einem beliebigen der Ansprüche 7-11, das ferner aufweist: einen Hochleistungserhitzer (420), der stromabwärts von der Brennstoffgasversorgung und stromaufwärts von dem elektrischen Anlauferhitzer (300, 430) angeordnet ist, wobei der Hochleistungserhitzer (420) eingerichtet ist, um das hindurchfliessende Brennstoffgas zu überhitzen.

13. Gasturbinenkraftwerk (400) nach Anspruch 12, wobei der Hochleistungserhitzer (420) eingerichtet ist, um das Brennstoffgas während eines normalen Betriebs des Kraftwerks (400) zu überhitzen, und wobei der elektrische Anlauferhitzer (300, 430) eingerichtet ist, um das Brennstoffgas während eines Anlaufbetriebs des Kraftwerks (400) zu überhitzen.

14. Gasturbinenkraftwerk (400) nach einem beliebigen der Ansprüche 7-13, wobei der elektrische Anlauferhitzer (300, 430) eingerichtet ist, um während des normalen Betriebs des Kraftwerks (400) zusätzliche Wärme zu dem Brennstoffgas zu liefern.

15. Gasturbinenkraftwerk (400) nach Anspruch 14, das ferner aufweist: eine Steuereinrichtung, die eingerichtet ist, um den elektrischen Anlauferhitzer (300, 430) zu steuern, um so die zugeführte zusätzliche Wärme auf der Basis von Umgebungs- und/oder Brennstoffgaseigenschaften zu steuern/regeln.

16. Verfahren zum Betreiben eines Gasturbinenkraftwerks (400), das ein Gasbrennstoffmodul (475), das stromaufwärts von einer Gasturbine (480) angeordnet ist, und einen elektrischen Anlauferhitzer (300, 430) aufweist, der Stromabwärts von einer Gasversorgung und unmittelbar stromaufwärts von dem Gasbrennstoffmodul (475) angeordnet ist, wobei der elektrische Anlauferhitzer (300, 430) eine Brennstoffgasleitung (310) und eine oder mehrere elektrische Bandheizeinrichtungen (320) aufweist, die extern an der Brennstoffgasleitung (310) um diese herum und in Kontakt mit dieser stehend angeordnet sind, wobei der elektrische Anlauferhitzer (300, 430) ferner frei von internen aktiven Heizelementen im Inneren der Brennstoffgasleitung (310) ist, wobei das Verfahren aufweist: Überhitzen des Brennstoffgases von der Gasversorgung, das durch die Brennstoffgasleitung (310) strömt, unter Verwendung des elektrischen Anlauferhitzers (300, 430), um so die Temperatur des Brennstoffgases hinreichend anzuheben, um die Entstehung von Konversation im Wesentlichen zu verhindern, wenn das Brennstoffgas eine Expansion erfährt, wenn das Brennstoffgas durch das Gasbrennstoffmodul (475) strömt; und Steuern einer Zufuhr des überhitzen Brennstoffgases von dem elektrischen Anlauferhitzer (300, 430) zu der Gasturbine (480) unter Verwendung des Gasbrennstoffmoduls (475).

17. Verfahren zum Betreiben des Gasturbinenkraftwerks (400) nach Anspruch 16, wobei der elektrische Anlauferhitzer (300, 430) den Überhitzungsschritt durchführt, wenn sich das Kraftwerk (400) in einem Anlaufmoduls befindet.

18. Verfahren zum Betreiben des Gasturbinenkraftwerks (400) nach einem beliebigen der Ansprüche 16-17, das ferner aufweist: Zuführen, unter Verwendung des elektrischen Anlauferhitzer (300, 430), zusätzlicher Wärme zu dem Brennstoffgas, das durch einen Hochleistungserhitzer (420) überhitzt worden ist, der stromaufwärts von dem elektrischen Anlauferhitzer (300, 430) angeordnet ist, wenn die durch den Hochleistungserhitzer (420) gelieferte Überhitzungswärme unzureichend ist, um die Entstehung von Kondensation im Wesentlichen zu verhindern.

19. Verfahren zum Betreiben des Gasturbinenkraftwerks (400) nach Anspruch 18, wobei der elektrische Anlauferhitzer (300, 430) den Schritt des Zuführens der zusätzlichen Wärme durchführt, wenn sich das Kraftwerk (400) in einem normalen Betriebsmodus befindet.

20. Verfahren zum Betreiben des Gasturbinenkraftwerks (400) nach einem beliebigen der Ansprüche 18-19, wobei der Schritt des Zuführens der zusätzlichen Wärme aufweist: Steuern der zusätzlichen Wärme, die zugeführt wird, auf der Basis von Umgebungs- und/oder Brennstoffgaseigenschaften unter Verwendung des elektrischen Anlauferhitzers (300, 430).