Verhalten einer Gasturbine mit sequentieller Verbrennung unter Abgasrezirkulations- und Oxyfuel-Bedingungen

Behavior of a Gas Turbine with Sequential Combustion under Flue Gas Recirculation and Oxyfuel Conditions

URN urn:nbn:de:gbv:705-opus-31846
URL
Dokumentart: Dissertation
Institut: Fakultät Maschinenbau/Allgemein
Fakultät: Fakultät Maschinenbau
Hauptberichter: Prof. Dr.-Ing. Franz Joos
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 08.12.2017
Erstellungsjahr: 2018
Publikationsdatum:
SWD-Schlagwörter: Oxyfuel-Verfahren , Verbrennung , Oxidation , Gasturbine
Freie Schlagwörter (Deutsch): Abgasrezirkulation, Oxyfuel-Verfahren,
Freie Schlagwörter (Englisch): Flue gas recirculation, oxyfuel, gas-turbine, sequential combustion
DDC-Sachgruppe: Ingenieurwissenschaften

Kurzfassung auf Deutsch:

Soll das Treibhausgas Kohlenstoffdioxid aus dem Abgas von Gasturbinenkraftwerken abgetrennt werden, kann dies in einer nachgeschalteten Rauchgaswäsche geschehen. Dabei hängt die Effizienz dieser Anlagen von der Konzentration des Kohlenstoffdioxids im Abgas ab. Durch den Einsatz einer Abgasrezirkulation lässt sich das Kohlenstoffdioxid im Abgas anreichern. Ein andere Möglichkeit die Kohlenstoffdioxidkonzentration zu erhöhen ist der Oxyfuel-Prozess. Um die Einflüsse der Abgasrezirkulation und des Oxyfuel-Prozesses auf den Betrieb einer Gasturbine mit zweistufiger Verbrennung zu untersuchen, werden in dieser Arbeit sowohl numerische Simulationen des thermodynamischen Kreisprozesses und der Verbrennung als auch experimentelle Untersuchungen der Verbrennung durchgeführt. Die Simulation des Kreisprozesses wurde mit einem selbst entwickelten Simulationstool durchgeführt. Es wurde zunächst ein Referenzprozess für den Betrieb der Gasturbine mit Luft definiert anhand dessen feste Randbedingungen für den Kreisprozess festgelegt wurden. Anschließend wurde der Kreisprozess unter Abgasrezirkulations- und Oxyfuel-Bedingungen für verschiedene Verbrennungssauerstoffverhältnisse in den Brennkammern simuliert. Für die experimentellen Versuche wurde ein Versuchsstand mit einer generischen Gasturbinenbrennkammer aufgebaut. In diesem wurden Verbrennungsversuche unter Abgasrezirkulationsbedingungen und mit einem stickstofffreien Oxidator aus Kohlenstoffdioxid und Sauerstoff durchgeführt, um die Abgaszusammensetzung und Temperatur zu messen. Für die numerische Untersuchung der Verbrennung wurden mit geeigneter Software die Flammengeschwindigkeit und die Zündverzugszeiten für verschieden Sauerstoffgehalte berechnet. Die Ergebnisse zeigen, dass die thermodynamischen Eigenschaften des Oxidators durch die veränderte Zusammensetzung stark beeinflusst werden und sich dies direkt auf die thermodynamischen Zustandsänderungen auswirkt, aus welchen sich der Kreisprozess zusammensetzt. So führte der Oxyfuel-Betrieb zu einem deutlich niedrigeren Druckverhältnis und einer höheren Austrittstemperatur am Auslass der Gasturbine. Ebenso fällt die Leistung der Gasturbine ab und es sinkt dabei der Nettowirkungsgrad. Die Ergebnisse für den Betrieb der Gasturbine unter Abgasrezirkulationsbedingungen weisen die selbe Tendenz auf, sind jedoch sehr viel schwächer ausgeprägt. Unter Abgasrezirkulationsbedingungen nimmt der Anteil des Kohlenstoffdioxids im Abgas deutlich zu. Sein Anteil lässt sich mit 12 Vol.-% fast verdoppeln. Für den Oxyfuel-Prozess wurde gezeigt, dass sich theoretisch Kohlenstoffdioxidkonzentrationen von fast 100 Vol.-% erreichen lassen. Dafür würde jedoch reiner Sauerstoff benötigt, der in der Praxis aus wirtschaftlichen Gründen nicht zur Verfügung steht. Deshalb wird ebenfalls dargestellt wie die erreichbare Kohlenstoffdioxid-Konzentration von der Sauerstoffreinheit abhängt.

Kurzfassung auf Englisch:

If the greenhouse gas carbon dioxide should be separated from the flue gas of gas turbine power plants, it can be removed in a downstream flue gas scrubbing. The efficiency of these systems are depending on the carbon dioxide concentration. With flue gas recirculation, the carbon dioxide in the flue gas can be enriched. Another way to increase the carbon dioxide concentration is the oxyfuel process. To study the effects of flue gas recirculation and oxyfuel process on the operation of a gas turbine with two-stage combustion, numerical simulations of the thermodynamic cycle and the combustion process had been carried out. For further examination of the combustion process, experimental investigations of the combustion are shown in this work. The thermodynamic cycle was calculated with a self-developed simulation tool. First of all, a reference process for the operation of the gas turbine with air was adjusted to values from literature. On this basis fixed boundary conditions for the cycle were defined. Then the cycle was simulated under exhaust gas recirculation and oxyfuel conditions for different combustion oxygen ratios in the combustion chambers. For the experimental tests, a test stand with a generic gas turbine combustion chamber was set up. In this, combustion tests were conducted under flue gas recirculation conditions and with a nitrogen-free oxidizer consisting of carbon dioxide and oxygen to measure the exhaust gas composition and temperature. For the numerical investigation of the combustion, the flame speed and the ignition delay times for different oxygen concentrations were calculated with suitable software. The results show that the thermodynamic properties of the oxidizer are strongly influenced by the altered composition and this directly affects the thermodynamic states on which the the thermodynamic cycle is based. Thus, the oxyfuel operation led to a significantly lower pressure ratio and a higher temperature at the outlet of the gas turbine. Similarly, the performance of the gas turbine drops and it decreases the net efficiency. The results for the operation of the gas turbine under flue gas recirculation conditions have the same tendency, but are much less pronounced. Under flue gas recirculation conditions, the ratio of carbon dioxide in the exhaust gas increases significantly. Its concentration can almost be doubled to 12 Vol.-%. For the oxyfuel process, it has been shown that carbon dioxide concentrations of nearly 100 Vol.-% can be achieved theoretically. However, this would require pure oxygen, which is not available in practice for economic reasons. Therefore, it is also shown how the achievable carbon dioxide concentration depends on the oxygen purity.

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