CH706151A1 - Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine sowie Gasturbinenkraftwerk mit Zuführung von sauerstoffreduziertem Gas, insbesondere Abgas. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine, in dem einem Verdichter (1) der Gasturbine ein sauerstoffreduziertes Gas (21) und Frischluft (2) radial gestuft zugeführt werden, wobei die Frischluft (2) über einen äusseren Sektor (3´) des Eintrittsquerschnitts relativ zur Rotationsachse des Verdichters (1) zugeführt wird und das sauerstoffreduzierte Gas (21) über einen inneren Sektor (3´´) des Eintrittsquerschnitts relativ zur Rotationsachse des Verdichters (1) zugeführt wird. Weiter betrifft die Erfindung ein Gasturbinenkraftwerk mit einer Gasturbine, deren Verdichtereinlass (3), an die der Strömungskanal des Verdichters (1) anschliesst, in einen inneren Sektor (3´´) und einen äusseren Sektor (3´) aufgeteilt ist, wobei eine Zuführung für ein sauerstoffreduziertes Gas an den inneren Sektor (3´´) des Verdichtereinlasses (3) angeschlossen ist und eine Frischluftzuleitung an den äusseren Sektor (3´) des Verdichtereinlasses (3) angeschlossen ist.

Description

Technisches Gebiet

[0001] Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine mit zwei Eintrittsströmen unterschiedlicher Gaszusammensetzungen sowie eine Gasturbine mit geteiltem Verdichtereintritt.

Stand der Technik

[0002] Dem Verdichter von Gasturbinen wird herkömmlich ein möglichst homogenes Gas zur Verdichtung zugeführt. Bei Anwendungen, in denen Gase mit verschiedener Zusammensetzung zur Verfügung stehen, werden diese zunächst vermischt und dann dem Verdichter zugeführt. Beispielsweise wird bei Rezirkulation von Abgasen ein Abgas mit einer von der Frischluft abweichenden Gaszusammensetzung verwendet. Rezirkulation ist eine Technologie, welche grundsätzlich für unterschiedlichste Zwecke bei Gasturbinen eingesetzt werden kann. So beispielsweise für die Kontrolle der Emissionen, für die Reduktion des Abgasvolumens für die Kohlendioxid-Abscheidung etc. Bei der Rezirkulation von Abgasen bei einer Gasturbine wird ein wesentlicher Anteil des Abgases aus dem gesamten Abgasstrom abgezweigt und wird normalerweise, nach Kühlung und Reinigung, dem Eingangsmassenstrom der Turbine respektive dem Kompressor der Turbine wieder zugeführt. Die Abgaszusammensetzung unterscheidet sich erheblich von der Zusammensetzung von frischer Umgebungsluft. Herkömmlich wird der rückgeführte Abgasstrom mit frischer Luft aus der Umgebung vermischt und diese Mischung anschliessend dem Kompressor zugeführt.

[0003] Vorteilhaft kann durch Abgasrezirkulation der Kohlendioxid- Partialdruck in den Abgasen erhöht werden, um die Leistungsverluste und Wirkungsgradverluste von Kraftwerken mit Kohlendioxid-Abscheidung zu reduzieren. Weiter ist Abgasrezirkulation mit dem Ziel vorgeschlagen worden, den Sauerstoffgehalt in den Ansauggasen von Gasturbinen zu reduzieren, um dadurch die NOx-Emissionen zu reduzieren.

[0004] Zur Abgasrezirkulation beschreibt beispielsweise die US 7 536 252 B1 ein Verfahren zum Steuern eines Abgasrezirkulationsstroms einer Turbomaschine, der über ein Abgasrezirkulationssystem zu dem Einlass der Turbomaschine zurückgeführt wird. Bei diesem Verfahren wird ein Soll-Abgasrezirkulationsanteil bestimmt, der den Anteil des Abgasstroms an dem Eintrittsstrom der Turbomaschine beinhaltet, und der Ist- Wert auf den Soll- Wert eingestellt wird.

[0005] Aus der EP 2 248 999 ist ein Kraftwerk mit Abgasrezirkulation, sowie ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Kraftwerks bekannt, indem lastabhängig die Rezirkulationsrate und die Temperatur, auf die die rezirkulierten Abgase rückgekühlt werden, geregelt werden.

[0006] Typischerweise ist es vorteilhaft eine möglichst hohe Rezirkulationsrate zu erzielen. Die Rezirkulationsrate wird typischerweise durch die Anforderungen der Brennkammer begrenzt, da sonst der Sauerstoffgehalt der Brenngase zu tief wird und eine vollständige, CO und UHC (unburned hydrocarbon) freie Verbrennung nicht gewährleistet werden kann.

[0007] Im Stand der Technik wird, um bei niedrigem Sauerstoffgehalt der Brenngase eine gute Verbrennung zu gewährleisten, die Frischluft mit den rezirkulierten Abgasen möglichst gut vermischt, um bei Brennkammereintritt ein homogenes Gasgemisch zur Verfügung zu stellen. Ein zur druckverlustarmen Vermischung von Frischluft mit rezirkulierten Abgasen geeigneter Mischer ist beispielsweise aus der WO 2010/142 573 A2 bekannt.

[0008] Die Anlagenteile zur Abgasrezirkulation, wie Mischer, Rezirkulationsleitungen, Kühler für die rezirkulierten Abgase usw. sind gross, teuer und benötigen zusätzlichen Platz auf einem Kraftwerk. Weiterführen sie zu Druckverlusten und beeinträchtigen die Leistung und Wirkungsgrad des Kraftwerkes.

Darstellung der Offenbarung

[0009] Ein Ziel der vorliegenden Offenbarung ist es, ein Verfahren zum zuverlässigen Betrieb einer Gasturbine mit zwei Eintrittsströmen unterschiedlicher Gaszusammensetzungen anzugeben, bei dem die Wirkung eines sauerstoffreduzierten Einstrittsstroms auf die Verbrennung maximiert wird. Weiter ist eine Gasturbine, die zur Ausführung des Verfahrens geeignet ist, Gegenstand der Offenbarung.

[0010] Das offenbarte Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass bei einer Gasturbine sauerstoffreduziertes Gas und Frischluft getrennt so zugeführt werden, dass der grösste Teil des sauerstoffreduzierten Gases die Brennkammer der Gasturbine erreicht und Frischluft so zugeführt wird, dass ein möglichst hoher Anteil an der Brennkammer vorbeigeführt wird. Die Gasturbine umfasst einen Verdichter mit einem Eintrittsquerschnitt, eine dem Verdichter nachgeschaltete Brennkammer in der die verdichteten Gase mit Brennstoff verbrannt werden und eine Turbine in der die heissen Verbrennungsgase entspannt werden.

[0011] Als sauerstoffreduziertes Gas wird ein Gas bezeichnet, welches eine Sauerstoffkonzentration hat, die kleiner als die mittlere Sauerstoffkonzentration des Verdichteransaugstroms ist. Typischerweise ist die Sauerstoffkonzentration des sauerstoffreduzierten Gases mindestens 1% kleiner als die mittlere Sauerstoffkonzentration des Verdichteransaugstroms, bevorzugt ist die Sauerstoffkonzentration des sauerstoffreduzierten Gases mindestens 2% kleiner als die mittlere Sauerstoffkonzentration des Verdichteransaugstroms.

[0012] Nach einer Ausführung des Verfahrens wird dem Verdichter ein sauerstoffreduziertes Gas und Frischluft radial gestuft zugeführt, wobei die Frischluft über einen äusseren Sektor des Eintrittsquerschnitts relativ zur Rotationsachse des Verdichters zugeführt wird und das sauerstoffreduzierte Gas über einen inneren Sektor des Eintrittsquerschnitts relativ zur Rotationsachse des Verdichters zugeführt wird.

[0013] Nach einer Ausgestaltung des Verfahrens werden die Abgase der Gasturbine in einen ersten Abgasstrom zur Rezirkulation in den Ansaugstrom der Gasturbine und in einen zweiten Abgasstrom zur Abgabe an die Umgebung geteilt und der erste Abgasstrom als sauerstoffreduziertes Gas dem Verdichter über den inneren Sektor des Ansaugquerschnittes zugeführt.

[0014] Nach einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens werden mindestens 95% des rezirkulierten ersten Abgasstroms in die Brennkammer der Gasturbine geleitet, so dass diese die Verbrennung beeinflussen.

[0015] Weiter kann die Frischluft ohne Vermischung mit dem ersten Abgasstrom in den Verdichtereinlass eingeleitet werden. Dabei wird zur Kühlung von Heissgasteilen mindestens ein Teil der in dem Verdichter komprimierten Frischluft als Kühlgas abzweigt.

[0016] Durch dies Verfahren kann die Zumischung von sauerstoffreduziertem Gas in die Kühlluft vermieden werden oder zumindest reduziert werden. Die Sauerstoffkonzentration der Gase, die die Brennkammer erreichen, wird so gegenüber einem herkömmlichen Verfahren, in dem Frischluft mit sauerstoffreduziertem Gas erst vermischt wird und dann dem Verdichter zugeführt wird, reduziert. Dies erlaubt die Verwendung von einem gegenüber dem Stand der Technik kleineren Massenstrom von Gas mit reduziertem Sauerstoffanteil, um einen bestimmten Effekt auf die Verbrennung zu realisieren.

[0017] Der kleinere Massenstrom an sauerstoffreduziertem Gas erlaubt eine Reduktion der Anlagengrösse und damit der Anlagen- und Betriebskosten.

[0018] Nach einer Ausgestaltung des Verfahren wird dem Verdichter die Frischluft über einen äusseren Kreisring zugeführt und das sauerstoffreduzierte Gas über einen inneren Kreisring zugeführt.

[0019] Nach einer alternativen Ausgestaltung des Verfahren wird der erste Abgasstrom über vor dem Verdichterdichtereinlass auf einem Durchmesser des Ansaugkanals konzentrisch zur Rotationsachse des Verdichters in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Zuführungen eingeleitet. Dies erlaubt eine Regelung der rezirkulierten Abgasmenge, ohne dass das Strömungsfeld am Eintritt in den Verdichter durch eine starre Geometrie, die den Eintrittsquerschnitt aufteilt, stark beeinflusst wird.

[0020] Weiter wird nach einer Ausführung des Verfahrens der Sauerstoffgehalt des vom Verdichter komprimierten und in die Brennkammer eingeleiteten Gases mindestens 3% unter dem mittleren Sauerstoffgehalt der aus dem Verdichter abgezweigten Kühlgase gehalten.

[0021] Nach einer alternativen Ausgestaltung des Verfahrens wird das Flächenverhältnis der Anschlussfläche des äusseren Sektors an den Strömungskanal des Verdichters zu der Anschlussfläche des inneren Sektors an den Strömungskanal des Verdichters durch ein Regelelement variiert. Es wird dabei so variiert, dass das Flächenverhältnis an Änderungen des Verhältnisses zwischen zugeführter Frischluft und rezirkuliertem ersten Abgasstrom angeglichen wird.

[0022] Nach einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird dem Verdichter ein Schwachgas als sauerstoffreduziertes Gas über den inneren Sektor des Ansaugquerschnittes des Verdichters zugeführt.

[0023] Als Schwachgas ist ein Gasgemisch mit einer Methankonzentration von weniger als 3 Vol.-% (Volumenprozent) definiert. Typischerweise wird die Methankonzentration unter 2 Vol.-% gehalten. Schwachgas entsteht beispielsweise bei der Absaugung von Gas aus bewetterten Steinkohlebergwerken. Neben dem Methananteil bestehen Schwachgase typischerweise hauptsächlich aus Luft, die dem Bergwerk mit der Bewetterung zugeführt wird.

[0024] Herkömmlich werden Schwachgase oft direkt an die Umgebung abgeblasen, was eine erhebliche Umweltbelastung zur Folge hat, da Methan ein starkes Treibhaus ist. Ausserdem geht der Energiegehalt des Methans ungenutzt verloren. Durch die vorgeschlagene Zuführung in eine Gasturbine wird das Methan nutzbringend verbrannt.

[0025] Nach einer weiteren Ausführung des Verfahrens werden der rezirkulierte erste Abgasstrom und das Schwachgas dem Verdichter über den inneren Sektor zugeführt und frische Luft über den äusseren Sektor zugeführt.

[0026] Je nach Betriebskonzept und Gasturbine wird zum Start und bei Teillast der Gasturbine die Abgasrezirkulation ausgeschaltet oder reduziert. Dies ist beispielsweise erforderlich, um eine stabile, CO-arme (kohlenmonoxidarme) Verbrennung zu gewährleisten oder beim Zündvorgang eine Rezirkulation von unverbranntem Brennstoff in den Ansaugstrom der Gasturbine zu vermeiden. Je nach Trennung des inneren und äusseren Sektors des Eintrittsquerschnitts kann es durch eine Reduktion des rezirkulierten Abgasstroms zu einer Fehlanströmung des Verdichters kommen. Um diese Fehlanströmung zu vermeiden, wird nach einer Ausführung des Verfahrens beim Start oder bei Teillast der Gasturbine dem ersten Abgasstrom Frischluft zugemischt, bevor dieser in den Verdichter eingeleitet wird. Die Zumischung von frischer Luft wird über ein Regelelement, z.B. ein Ventil oder eine Klappe, geregelt. Bei einem Abschalten der Abgasrezirkulation kann über dieses Regelelement reine Frischluft in den inneren Sektor des Eintrittsquerschnitts zugeleitet werden, so dass eine gleichmässige Anströmung des Verdichters gewährleistet wird.

[0027] Neben dem Verfahren ist ein Gasturbinenkraftwerk zur Durchführung des Verfahrens Gegenstand der Offenbarung. Ein derartiges Gasturbinenkraftwerk umfasst eine Gasturbine mit einem Verdichtereinlass, einem Verdichter, einer dem Verdichter nachgeschalteten Brennkammer, und einer der Brennkammer nachgeschalteten Turbine. Gemäss der Offenbarung ist der Verdichtereinlass, an sich der Strömungskanal des Verdichters anschliesst, in einen inneren Sektor und einen äusseren Sektor aufgeteilt, wobei eine Zuführung für ein sauerstoffreduziertes Gas an den inneren Sektor des Verdichtereinlasses angeschlossen ist und eine Frischluftzuleitung an den äusseren Sektor des Verdichtereinlasses angeschlossen ist. Dabei ist das sauerstoffreduzierte Gas ein Gas, das eine Sauerstoffkonzentration hat, die kleiner als die mittlere Sauerstoffkonzentration des Verdichteransaugstroms während des Betriebes der Gasturbine ist.

[0028] In einer Ausführungsform des Gasturbinenkraftwerks umfasst das Gasturbinenkraftwerk einen Abgasteiler, der durch eine Rezirkulationsleitung mit dem inneren Sektor des Verdichtereinlasses zur Rezirkulation eines ersten Abgasstroms verbunden ist und mit einer Abgasleitung zur Abgabe eines zweiten Abgasstroms an die Umgebung verbunden ist. Das rezirkulierte Abgas wird als sauerstoffreduziertes Gas in den Verdichter eingeleitet.

[0029] In einer weiteren Ausführungsform des Gasturbinenkraftwerks sind der innere Sektor und der äussere Sektor durch ein Einlassleitblech getrennt. In einer noch weiteren Ausgestaltung sind der innere Sektor und der äussere Sektor des Verdichtereinlasses beim Anschluss an den Strömungskanal des Verdichters als konzentrische Kreisringe ausgeführt. Um optimale Einströmung in den Verdichter bei Auslegungsbedingungen des Gasturbinenkraftwerks zu gewährleisten ist nach einer Ausführungsform das Flächenverhältnis der Anschlussfläche des äusseren Sektors an den Strömungskanal des Verdichters zu Anschlussfläche des inneren Sektors an den Strömungskanal des Verdichters gleich dem Verhältnis der Volumenströme von zugeführter Frischluft zu rezirkuliertem ersten Abgasstrom bei Auslegungsbedingungen der Gasturbine gewählt.

[0030] In einer weiteren Ausführungsform des Gasturbinenkraftwerks ist ein Regelelement vorgesehen, welches das Flächenverhältnis der Anschlussfläche variiert und einer möglichen Änderung des Verhältnisses zwischen zugeführter Frischluft und rezirkuliertem ersten Abgasstrom angleicht. Dazu ist mindestens eine Trennwand zwischen Frischluftzuführung und Zuführung rezirkuliertem ersten Abgasstrom flexibel oder verschiebbar ausgeführt.

[0031] Weiter ist in einer Ausführungsform der Verdichtereinlass in drei oder mehr Sektoren geteilt über die dem Verdichter wahlweise Frischluft oder rezirkuliertes Abgas zugeführt werden kann. Die Sektoren sind dabei vorzugsweise von einem inneren Sektor nahe der Rotationsachse des Verdichters zu nach aussen konzentrisch angeordnet. Mit zunehmenden rezirkulierten ersten Abgasstrom werden beispielsweise beginnend von dem innersten Sektor nach einander in die Sektoren rezirkuliertes Abgas zugeführt und die Frischluftzuführung auf die oder den aussen liegenden Sektor beschränkt.

[0032] In einer Ausführungsform des Gasturbinenkraftwerks ist eine Vielzahl von Zuführungskanälen auf einem Kreis konzentrisch zur Achse der Gasturbine in Umfangsrichtung verteilt angeordnet. Diese Zuführungskanäle sind zur Einleitung des sauerstoffreduzierten Gases in den inneren Sektor des Verdichtereinlasses in dem Verdichtereinlass nahe der Rotationsachse des Verdichters angeordnet.

[0033] In einer weiteren Ausführungsform des Gasturbinenkraftwerks ist ein Regelelement vorgesehen, welches eine kontrollierte Zumischung von Frischluft in den rezirkulierten ersten Abgasstrom erlaubt. Dies Regelelement, zu dem Umgebungsluft über eine Leitung oder einen Luftkanal zugeführt wird, ist beispielsweise eine Klappe oder ein Ventil. Um die Druckverluste des Regelelements und der Zuführung sowie der Zumischung zu kompensieren, kann ein Gebläse in der Zuleitung vorgesehen sein.

[0034] Um im Verdichter eine bessere Trennung der Ansaugluft von den rezirkulierten Abgasen zu realisieren wird der erste Abgasstrom bevorzugt mit einer gegenüber der Frischluft erhöhten Temperatur auf dem inneren Durchmesser des Verdichtereinlasses eingeführt und die Frischluft auf dem äusseren Durchmesser. Da die Dichte der rezirkulierten Abgase aufgrund der höheren Temperatur tiefer gehalten werden kann, als die Dichte von frischer Luft ist, führt der Dichteunterschied im Verdichter aufgrund der Radialkomponente der Strömungsgeschwindigkeit und der damit resultierenden höheren volumenspezifischen Zentrifugalkräfte der frischen Luft zu einer Schichtung im Verdichter bzw. reduziert die Vermischung von rezirkulierten Abgasstrom und Frischluft im Verdichter.

[0035] Typischerweise wird ein Grossteil der Kühlluft einer Gasturbine über Verdichterentnahmestellen von der Aussenwand des Verdichtergehäuses abgezweigt. Werden bei einer derartigen Gasturbine die frische Luft auf dem äusseren Durchmesser des Verdichtereinlasses zugeführt und eine Vermischung mit Frischluft vermieden, wird die frische Luft im Verdichter entnommen und an der Brennkammer als Kühlgas vorbeigeführt, während ein sauerstoffarmer Strom im Verdichter bleibt und vom Verdichteraustritt der Brennkammer zugeführt wird.

[0036] Um die Vermischung von erstem Abgasstrom und Frischluft im Verdichter zu reduzieren, wird weiter eine Verdichterschaufel mit Trennbandsegment für eine Gasturbine mit Abgasrezirkulation vorgeschlagen. Diese Verdichterschaufel umfasst einen Schaufelfuss und ein Schaufelblatt, wobei zwischen Schaufelfuss und dem freien, dem Schaufelfuss abgewandten Ende des Schaufelblatts, ein Trennbandsegment angeordnet ist. Dieses Trennbandsegment bildet typischerweise einen rechten Winkel zur Längsachse der Schaufel. In der normalen Einbauposition bilden die Trennbandsegmente aller Schaufeln einer Verdichterstufe einen im Wesentlichen geschlossenen, senkrecht zur Achse der Gasturbine liegenden Kreisring und hemmen im Verdichter eine Vermischung des rezirkulierten ersten Abgasstroms mit Frischluft.

[0037] Trennbandsegmente können auf Leit- und auf Laufschaufeln vorgesehen sein. Aufgrund der resultierenden erhöhten Zentrifugalkräfte sind in einer Ausführungsform Trennbandsegmente nur auf den Leitschaufeln vorgesehen.

[0038] In einer weiteren Ausführungsform werden bei mindestens einer Verdichterstufe Trennbandsegmente nur auf den Laufschaufeln vorgesehen und keine Trennbandsegmente auf den Leitschaufeln vorgesehen. Dies kann beispielsweise bei verstellbaren Leitschaufeln vorteilhaft sein, da die Trennbandsegmente der Leitschaufeln bei einem Verstellen der Leitschaufelposition ineinander laufen würden, oder falls sie, um eine Verstellbarkeit zu gewährleisten, gekürzt oder gerundet ausgeführt sind, die aerodynamischen Eigenschaften der Stufe negativ beeinflussen.

[0039] In einer weiteren Ausführungsform sind die Trennbandsegmente nur bis zur ersten oder bis zur zweiten Verdichterentnahmestelle vorgesehen, da bis dort effektiv, verdichtete sauerstoffreiche Frischluft aus dem Verdichter entnommen werden kann.

[0040] Alle erläuterten Vorteile sind nicht nur in den jeweils angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Offenbarung zu verlassen. Beispielsweise kann anstelle der Verwendung eines Abgasgebläses ein Booster vorgesehen werden.

[0041] Die Offenbarung ist ohne Einschränkung für Gasturbinen mit einer Brennkammer sowie für Gasturbinen mit sequentieller Verbrennung, wie sie beispielsweise aus der EP 0 718 470 bekannt sind, anwendbar.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0042] Bevorzugte Ausführungsformen der Offenbarung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben, die lediglich zur Erläuterung dienen und nicht einschränkend auszulegen sind. In den Zeichnungen zeigen: <tb>Fig. 1<sep>eine schematische Darstellung eines Gasturbinenkraftwerks mit Rückführung der Abgase nach Stand der Technik; <tb>Fig. 2<sep>eine schematische Darstellung eines Gasturbinenkraftwerks mit Rückführung der Abgase und koaxialer Einleitung von Abgasen und Frischluft in den Verdichter, <tb>Fig. 3<sep>eine schematische Darstellung eines geteilten Verdichtereinlasses und Verdichters eines Gasturbinenkraftwerks mit Rückführung der Abgase; <tb>Fig. 4<sep>eine schematische Darstellung eines Ausschnitts aus Verdichtereinlass und Verdichter einer Gasturbine mit Rückführung der Abgase und Trennbandsegmenten an Verdichterleit- und Verdichterlaufschaufeln; <tb>Fig. 5<sep>eine schematische Darstellung eines Verdichtereinlasses und Verdichters eines Gasturbinenkraftwerks mit Rückführung der Abgase über eine Vielzahl von kreisförmig um die Gasturbinenachse im Verdichtereinlass angeordneten Zuführungskanälen.

Detaillierte Beschreibung

[0043] Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung die wesentlichen Elemente eines Gasturbinenkraftwerks. Die Gasturbine 6 umfasst einen Verdichter 1 (Kompressor), die darin verdichtete Verbrennungsluft wird einer Brennkammer 4 zugeführt und dort mit Brennstoff 5 verbrannt. Anschliessend werden die heissen Verbrennungsgase in einer Turbine 7 entspannt. Die in der Turbine 7 erzeugte Nutzenergie wird dann zum Beispiel mit einem auf der gleichen Welle 37 angeordneten ersten Generator 25 in elektrische Energie umgewandelt.

[0044] Die aus der Turbine 7 austretenden heissen Abgase 8 werden zur optimalen Nutzung der darin noch enthaltenen Energie in einem Abhitzedampferzeuger 9 (Heat recovery steam generator, HRSG) dazu verwendet, Frischdampf 30 für eine Dampfturbine 13 oder für andere Anlagen zu erzeugen. Die in der Dampfturbine 13 erzeugte Nutzenergie wird dann zum Beispiel mit einem auf der gleichen Welle 37 angeordneten zweiten Generator 26 in elektrische Energie umgewandelt. Der Wasserdampfkreislauf ist in dem Beispiel vereinfacht und nur schematisch dargestellt. Verschiedene Druckstufen, Speisewasserpumpen usw. werden nicht gezeigt, da diese nicht Gegenstand der Erfindung sind.

[0045] Die Abgase vom Abhitzedampferzeuger 19 werden bei einer solchen Anlage hinter dem Abhitzedampferzeuger 9 in einem Abgasteiler 29, welcher geregelt sein kann, in einen ersten Abgasteilstrom 21 und einen zweiten Abgasteilstrom 20 geteilt. Der erste Abgasteilstrom 21 wird in die Ansaugleitung der Gasturbine 6 zurückgeführt und dort mit Frischluft 2 vermischt. Der nicht zurückgeführte zweite Abgasteilstrom 20 wird an die Umgebung abgegeben oder wie in diesem Beispiel über einem Abgasrückkühler 23 weiter gekühlt und einem CO2-Abscheidsystem 18 zugeführt. Von diesem werden CO2-arme Abgase 22 über einen Kamin 32 an die Umgebung abgegeben. Um die Druckverluste des CO2-Abscheidsystems 18 und der Abgasleitung zu überwinden kann ein Abgasgebläse 10 vorgesehen sein. Das in dem CO2-Abscheidsystem 18 abgeschiedene CO2 31 wird typischerweise komprimiert und zur Lagerung oder weiteren Behandlung abgeleitet. Das CO2-Abscheidsystem 18 wird über eine Dampfextraktion mit aus der Dampfturbine 13 abgezweigtem Dampf versorgt.

[0046] Der zweite Abgasteilstrom kann auch direkt über einen Abgasbypass 24 mit Bypassklappe 12 zu dem Kamin 32 geführt werden.

[0047] Der zurückgeführte erste Abgasstrom 21 wird in einem Abgasrückkühler 27, welcher mit Kondensator ausgestattet sein kann, auf etwas über Umgebungstemperatur abgekühlt. Stromab dieses Abgasrückkühlers 27 kann ein Booster oder Abgasgebläse 11 für den Rezirkulationsstrom 21 angeordnet sein. Dieser zurückgeführte Abgasstrom 21 wird mit der Frischluft 2 vermischt, bevor das Gemisch als Ansaugstrom über den Verdichtereinlass 3 der Gasturbine 6 zugeführt wird.

[0048] Im Gegensatz zu Fig. 1ist in Fig. 2 eine Gasturbine mit sequentieller Verbrennung dargestellt. Das Verfahren ist für Gasturbinen mit einer Brennkammer sowie für Gasturbinen mit sequentieller Verbrennung anwendbar. Entsprechend sind auch Ausführungen für Gasturbinen mit einer Brennkammer sowie für Gasturbinen mit sequentieller Verbrennung möglich.

[0049] Fig. 2 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Gasturbinenkraftwerks mit einem Verdichtereinlass, der in zwei Sektoren aufgeteilt ist, wobei eine Zuführung für Frischluft 2 in einem äusseren Sektor 3 ́ des Verdichtereinlasses 3 mündet und eine Zuführung für Abgasstrom 21 in einen inneren Sektor 3 ́ ́ des Verdichtereinlasses 3 mündet.

[0050] Die beiden Einlasssektoren 3 ́, 3 ́ ́ schliessen auf der dem Kompressor zugewandten Seite des Verdichtereinlasses 3 unmittelbar an den Strömungskanal des Verdichters 1 an. Der äussere Sektor 3 ́ für Frischluft mündet dabei an eine äussere Ringfläche des Strömungskanals und der innere Sektor 3 ́ ́ für Abgasrezirkulation an eine innere Ringfläche des Strömungskanals.

[0051] Von der radialen Aussenwand des Verdichters 1 wird Nieder- und Mitteldruck-Kühlgas 33, 34 abgezweigt und den Heissgasteilen der Gasturbine zur Kühlung zugeführt. Weiter wird am Ende des Verdichters von der radialen Aussenwand des Verdichters oder des anschliessenden Diffusors Hochdruckkühlgas 28 abgezweigt und den Heissgasteilen der Gasturbine zur Kühlung zugeführt. In den Fig. 2ist vereinfachend nur eine Kühlgaszuführung zu der Hochdruckturbine 16 und zur Niederdruckturbine 17 dargestellt. Vereinfachend ist eine Kühlgaszuführung zu den Brennkammern 14, 15 nicht dargestellt, wobei die Hochdruckbrennkammer 14 typischerweise mit Hochdruckkühlluft 28 gekühlt wird und die Niederdruckbrennkammer 15 typischerweise mit Mitteldruckkühlluft 34 gekühlt wird. Da die sauerstoffreiche Frischluft in den Aussenbereich des Verdichters geleitet wird, wird diese zu einem grossen Teil als Kühlgas 33, 34, 28 um die Brennkammern 14, 15 herumgeführt, während die sauerstoffarmen rezirkulierten Abgase im Kernbereich des Verdichters 1 bis zum Verdichterende verdichtet wird und in die Hochdruckbrennkammer 14 gelangt. Durch die Trennung der Gaszuführung im Verdichtereinlass 3 wird ein grosser Anteil an sauerstoffarmen rezirkulierten Abgasen in die Hochdruckbrennkammer 14 geleitet. Somit ist auch der Sauerstoffanteil in den Eintrittsgasen der Niederdruckbrennkammer 15 deutlich gegenüber einer Anlage reduziert, bei der die rezirkulierten Abgase 21 mit Frischluft 2 vermischt werden.

[0052] Um bei verschiedenen Betriebszuständen der Gasturbine und den damit verbunden Änderungen des Anteils an rezirkuliertem Abgas 21 und der Verdichteransaugmenge ein homogenes Geschwindigkeitsprofil in der Zuströmung zu dem Verdichter zu realisieren, ist in dem in Fig. 2gezeigten Ausführungsbeispiel ein Regelelement 42 vorgesehen, über das dem ersten Abgasstrom 21 Frischluft 2 zugemischt wird, bevor diese über den inneren Sektor 3 ́ ́ des Verdichtereinlasses 3 in den Verdichter 1 eingeleitet wird.

[0053] Fig. 3 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines geteilten Verdichtereinlasses und Verdichters eines Gasturbinenkraftwerks mit Rückführung der Abgase. In dem gezeigten Beispiel ist der Verdichtereinlass 3 durch ein Einlassleitblech 45 in einen äusseren Sektor 3 ́ für Frischluft 2 und einen inneren Sektor 3 ́ ́ für rezirkulierte Abgase 21 geteilt. Diese Teilung des Verdichtereinlasses 3 führt zu einer im wesentlichen koaxialen Einströmung von rezirkuliertem Abgas 21 und Frischluft in den Verdichter 1. In dem gezeigten Beispiel werden die rezirkulierten Abgase 21 durch einen innen, an die Welle 37 angrenzenden Ringraum im Verdichter 1 verdichtet. Die Frischluft 2 wird in einen aussen an das Verdichtergehäuse 40 angrenzenden Ringraum im Verdichter 1 verdichtet. In dem gezeigten Beispiel wird an zwei Stellen des Verdichters 1 Gas für das Sekundärgassystem der Gasturbine 6 über Verdichterentnahmestellen 41 abgezweigt. Das Sekundärgas wird typischerweise zur Kühlung von Heissgasteilen verwendet und je nach Design ausserdem beispielsweise im Lagerbereich als Spül- oder Sperrluft verwendet. Aus der ersten Entnahmestelle 41 wird Niederdruckkühlgas 33 abgezweigt und aus der zweiten Entnahmestelle 41 wird Mitteidruckkühlgas 34 abgezweigt. Aus dem Verdichterplenum 36 wird Hochdruckkühlgas 28 abgezweigt.

[0054] Auch bei einer koaxialen Zuführung von Frischluft 2 und rezirkulierten Abgas 21 kommt es aufgrund von Sekundärströmungen im Verdichter 1 zu einer Vermischung von Frischluft 2 und rezirkulierten Abgas 21. Dies kann den positiven Effekt der separaten Zuführung von Frischluft 2 und rezirkulierten Abgas 21 im Verdichtereinlass reduzieren. Um diese Vermischung im Verdichter 1 zu minimieren ist ein Verdichter mit Schaufeln mit Trennbandsegmente vorgeschlagen.

[0055] In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, in dem alle Verdichterleitschaufeln 43 und alle Verdichterlaufschaufeln 44 mit Trennbandsegmenten 38 ausgeführt sind, die sich im zusammengebauten Zustand bei jeder Stufe zu einem zusammenhängenden Trennband zusammenfügen.

[0056] Im Schnitt B-B ist am Beispiel der ersten Verdichterstufe eine Ausführung eines Trennbadens gezeigt. In dem Beispiel ist bei jeder Laufschaufel bei etwa 50% der Höhe des Schaufelblattes ein Trennbandsegment 38 angeordnet, dass sich im Wesentlichen senkrecht zum Schaufelblatt in Radialrichtung erstreckt.

[0057] Fig. 5 zeigt eine alternative Zuführung der rezirkulierten Abgase 21. Anstelle einer separaten Zuführung der rezirkulierten Abgase 21 über einen durch ein Blech abgeteilten inneren Sektor 3 ́ ́ des Verdichtereinlasses für rezirkulierte Abgase 21 wird ein ungeteilter Verdichtereinlass 3 benutzt, in den die rezirkulierten Abgase 21 über eine Vielzahl von kranzförmig axial an der Innenwand des Verdichtereinlasses 3 anordneten Zuführungskanälen 39 eingeleitet werden. Als Zuführungskanal 39 eignen sich beispielsweise Rohre oder Rohrstutzen, deren Austrittsenden parallel zur Hauptströmung in Richtung Verdichtereintritt ausgerichtet sind. In dem gezeigten Beispiel reichen die Rohrstutzen bis in die Einlaufdüse (Bellmouth) des Verdichters 1 hinein, um eine Vermischung mit Frischluft 2 zu minimieren.

[0058] Die Rohrstutzen können auch noch im eigentlichen Verdichtereinlass 3 enden oder schon an der Wand des Verdichtereinlasses 3 enden. Bevorzugt sollten die Enden ringförmig um die Achse der Gasturbine angeordnet sein.

[0059] Die Ausführung mit einer Vielzahl von Zuführungskanälen 39 hat den Vorteil, dass kein Einlassleitblech 45 zur Trennung des Verdichtereinlasses 3 benötigt wird. Dies hat im Betrieb den Vorteil, dass das Verhältnis von Frischluft zu rezirkuliertem Abgas unabhängig von dem Flächenverhältnis der Einlasssektoren geändert werden kann.

Bezugszeichenliste

[0060] <tb>1<sep>Verdichter <tb>2<sep>Frischluft <tb>3<sep>Verdichtereinlass <tb>3 ́<sep>äusserer Sektor: Verdichtereinlasssektor für Frischluft <tb>3 ́ ́<sep>innerer Sektor: Verdichtereinlasssektor für sauerstoffreduziertes Gas <tb>4<sep>Brennkammer <tb>5<sep>Brennstoff <tb>6<sep>Gasturbine <tb>7<sep>Turbine <tb>8<sep>Heisse Abgase der Gasturbine <tb>9<sep>Abhitzedampferzeuger (heat recovery steam generator, HRSG) <tb>10<sep>Abgasgebläse für den zweiten partiellen Abgasstrom (zum CO2-Abscheidesystem) <tb>11<sep>Abgasgebläse für den ersten Abgasteilstrom (Abgasrezirkulation) <tb>12<sep>Bypassklappe oder Ventil <tb>13<sep>Dampfturbine <tb>14<sep>Hochdruckbrennkammer <tb>15<sep>Niederdruckbrennkammer <tb>16<sep>Hochdruckturbine <tb>17<sep>Niederdruckturbine <tb>18<sep>CO2-Abscheidesystem <tb>19<sep>Abgas vom Abhitzedampferzeuger <tb>20<sep>Zweiter Abgasteilstrom (Abgasleitung zum CO2-Abscheidesystem) <tb>21<sep>Erster Abgasteilstrom (Abgasrezirkulation) <tb>22<sep>CO2-armes Abgas <tb>23<sep>Abgasrückkühler (für den zweiten Abgasteilstrom) <tb>24<sep>Abgasbypass zum Kamin <tb>25<sep>Erster Generator <tb>26<sep>Zweite Generator <tb>27<sep>Abgasrückkühler (für den ersten Abgasteilstrom) <tb>28<sep>Hochdruck-Kühlgas <tb>29<sep>Abgasteiler <tb>30<sep>Frischdampf <tb>31<sep>Abgeschiedenes CO2 <tb>32<sep>Kamin <tb>33<sep>Niederdruck-Kühlgas <tb>34<sep>Mitteldruck-Kühlgas <tb>35<sep>Rotorkühlgas <tb>36<sep>Verdichterplenum <tb>37<sep>Welle (auch als Rotor bezeichnet) <tb>38<sep>Trennbandsegment <tb>39<sep>Zuführungskanal <tb>40<sep>Verdichtergehäuse <tb>41<sep>Verdichterentnahmestelle <tb>42<sep>Frischluft-Regelelement <tb>43<sep>Verdichterleitschaufel <tb>44<sep>Verdichterlaufschaufel <tb>45<sep>Einlassleitblech <tb>46<sep>Wellenabdeckung

Claims (15)

1. Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine (6) umfassend einen Verdichter (1) mit einem Eintrittsquerschnitt, eine Brennkammer (4, 14, 15) und eine Turbine (7, 16, 17), dadurch gekennzeichnet, dass dem Verdichter ein sauerstoffreduziertes Gas, das eine Sauerstoffkonzentration hat, die kleiner als die mittlere Sauerstoffkonzentration des Verdichteransaugstroms ist, und Frischluft (2) radial gestuft zugeführt werden, wobei die Frischluft über einen äusseren Sektor (3 ́) des Eintrittsquerschnitts relativ zu einer Rotationsachse des Verdichters (1) zugeführt wird und das sauerstoffreduzierte Gas über einen inneren Sektor (3 ́ ́) des Eintrittsquerschnitts relativ zur Rotationsachse des Verdichters (1) zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgase der Gasturbine (6), in einen ersten Abgasstrom (21) zur Rezirkulation in den Ansaugstrom (3) der Gasturbine (6) und in einen zweiten Abgasstrom (20) zur Abgabe an die Umgebung geteilt werden, und der erste Abgasstrom (21) als sauerstoffreduziertes Gas über den inneren Sektor (3 ́ ́) des Eintrittsquerschnitts dem Verdichter (1) zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens 95% des sauerstoffreduzierten Gases (21) in die Brennkammer (4) der Gasturbine(6) geleitet werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Frischluft ohne Vermischung mit dem sauerstoffreduzierten Gas (21) in den Verdichtereinlass (3) eingeleitet wird und zur Kühlung von Heissgasteilen mindestens ein Teil der in dem Verdichter (1) komprimierten Frischluft als Kühlgas (28, 33, 34) abzweigt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das sauerstoffreduzierte Gas (21) über vor dem Verdichterdichtereinlass auf einem Durchmesser des Ansaugkanals konzentrisch zur Rotationsachse des Verdichters (1) in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Zuführungen (39) eingeleitet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffgehalt der von dem Verdichter (1) komprimierten und in die Brennkammer eingeleiteten Gase mindestens 3% unter dem mittleren Sauerstoffgehalt der aus dem Verdichter (1) abgezweigten Kühlgase (28, 33, 34) ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schwachgas über den inneren Sektor (3 ́ ́) des Ansaugquerschnittes des Verdichters (1) zugeführt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, das der erste Abgasstrom (21) und Schwachgas über den inneren Sektor (3 ́ ́) zugeführt werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei Teillast und/oder beim Start der Gasturbine Frischluft über ein Regelelement (42) in den inneren Sektor (3 ́ ́) des Verdichtereinlasses (3) geleitet wird.

10. Gasturbinenkraftwerk umfassend eine Gasturbine (6) mit einem Verdichtereinlass (3), einem Verdichter (1), einer dem Verdichter (1) nachgeschalteten Brennkammer (4), einer der Brennkammer nachgeschalteten Turbine (7), dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichtereinlass an die der Strömungskanal des Verdichters (1) anschliesst, in einen inneren Sektor (3 ́ ́) relativ zur Rotationsachse des Verdichters (1) und einen äusseren Sektor (3 ́) relativ zur Rotationsachse des Verdichters (1) aufgeteilt ist, wobei eine Zuführung für ein sauerstoffreduziertes Gas, das eine Sauerstoffkonzentration hat, die kleiner als die mittlere Sauerstoffkonzentration des Verdichteransaugstroms während des Betriebes der Gasturbine ist, an den inneren Sektor (3 ́ ́) des Verdichtereinlasses (3) angeschlossen ist und eine Frischluftzuleitung an den äusseren Sektor (3 ́) des Verdichtereinlasses (3) angeschlossen ist.

11. Gasturbinenkraftwerk nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasturbinenkraftwerk einen Abgasteiler (29), der durch eine Rezirkulationsleitung mit dem inneren Sektor (3 ́ ́) zur Rezirkulation eines ersten Abgasstroms (21) als sauerstoffreduziertes Gas verbunden ist, und mit einer Abgasleitung zur Abgabe eines zweiten Abgasstroms (20) an die Umgebung verbunden ist, umfasst.

12. Gasturbinenkraftwerk nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Sektor (3 ́ ́) und der äussere Sektor (3 ́) durch ein Einlassleitblech (45) getrennt sind, und dass der innere Sektor (3 ́ ́) und der äussere Sektor (3 ́) des Verdichtereinlasses beim Anschluss an den Strömungskanal des Verdichters (1) als konzentrische Kreisringe ausgeführt sind.

13. Gasturbinenkraftwerk nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Flächenverhältnis der Anschlussfläche des äusseren Sektors (3 ́) an den Strömungskanal des Verdichters (1) zu Anschlussfläche des inneren Sektors (3 ́ ́) an den Strömungskanal des Verdichters (1) gleich dem Verhältnis der Volumenströme von zugeführter Frischluft zu erstem Abgasstrom (21) bei Auslegungsbedingungen der Gasturbine (6) gewählt ist.

14. Gasturbinenkraftwerk nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Regelelement umfasst, durch dass das Flächenverhältnis der Anschlussfläche des äusseren Sektors (3 ́) an den Strömungskanal des Verdichters (1) zu Anschlussfläche des inneren Sektors (3 ́ ́) an den Strömungskanal des Verdichters (1) variiert werden kann, um das Flächenverhältnis an Änderungen des Verhältnisses zwischen zugeführter Frischluft (21) und rezirkuliertem ersten Abgasstrom (2) anzugleichen.

15. Gasturbinenkraftwerk nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Zuführungskanälen (39) zur Einleitung des sauerstoffreduzierten Gases in den inneren Sektor (3 ́ ́) des Verdichtereinlasses (3) in dem Verdichtereinlass auf einem Kreis konzentrisch zur Achse der Gasturbine in Umfangsrichtung verteilt angeordnet ist.