Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung oder Regelung einer PFBC-Kraftwerksanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 für den Fall einer Betriebsstörung, welche sich auf eine Gasturbineneinheit auswirkt. Die Erfindung bezieht sich auch auf eine PFBC-Kraftwerksanlage mit Einrichtungen für eine solche Steuerung oder Regelung. Ein solches Verfahren und eine solche Kraftwerksanlage sind bekannt aus der US-A-4 498 286.

Es können verschiedene Formen Von Betriebsstörungen auftreten, zum Beispiel eine zu hohe Geschwindigkeit im Falle eines Lastabfalles, Schwingungen, Pumpvorgänge im Kompressor, Fehler im Hilfssystem oder andere Stabilitätsprobleme, die zu einer GT-Auslösung (gas turbine trip, d.h. Abschaltens einer Gasturbine) führen durch Öffnen eines Kurzschlußventils zwischen der Gasleitung zu der Turbine und der Luftleitung vom Kompressor zum Druckgefäß und durch Schließen von ventilen in der eben genannten Gas- und Luftleitung. Die Erfindung soll die Gasturbine und den Kompressor schützen, d.h. so schnell wie möglich die Geschwindigkeit sowie den Druck und die Temperatur auf ungefährliche Werte zurückführen.

Wenn die Gasturbineneinheit einer Anlage nicht schnell genug die normalen Betriebsbedingungen wiedererlangt, beispielsweise durch Wiedersynchronisierung des Generators einer Leistungsturbine, dann hat der sehr große Energieinhalt der PFBC-Kraftwerksanlage in dem heißen Bett, in dem umgebenden Druckgefäß und in dem unverbrannten Brennstoff im Bett besondere und schwierige Probleme zur Folge. Wenn ein schnelles Wiederanschließen des Generators der Leistungsturbine an das Energienetz nicht möglich ist, muß der Energieinhalt des Bettes und des unverbrannten Brennstoffes in einer unschädlichen Weise abgeführt werden. Wenn die Turbine abgeschaltet wird, wird der Gasstrom durch das Bettgefäß und die Turbine auf ein Niveau reduziert, der durch den unvermeidbaren Leckstrom durch das Ventil in der Heißgasleitung zwischen dem Bettgefäß und der Trubine strömt. Die Luftzufuhr zu dem Bett reicht dabei nicht mehr aus zur Fluidisierung des Bettes und zur vollständigen Verbrennung des im Bett vorhandenen Brennstoffes. Dies bedeutet, daß das fluidisierte Bett zusammenfällt, was die Gefahr begründet, daß das Bettmaterial zusammensintert und sich Kohlenmonoxyd (CO) bildet, was Explosionsgefahr bedeutet und auch bedeutet, daß der Leckfluß energiereiche, brennbare Gase enthält. Die Verbrennung dieses Gases stromabwärts des Ablaßventils kann eine unzulässig hohe Gastemperatur in der Gasturbine zur Folge haben, und der Energiegehalt kann zu einer unzulässig hohen Drehzahl der Turbinen der Anlage führen.

Es wurde bereits vorgeschlagen, die heißen Verbrennungsgase aus dem Bettgefäß der Anlage in die Atmosphäre abzulassen. Die Gase haben eine Temperatur von 800-900ºC und sind mit etwa 200 ppm Staub vermischt. Es ist schwierig, wenn nicht unmöglich, ein Ventil, daß bei einer so hohen Temperatur und in einer derart aggressiven Umgebung arbeitet, vollständig zu schließen. Außerdem ist es sehr schwierig, den großen Gasstrom bei einer so hohen Temperatur ausreichend zu reinigen. Ein geeignetes Ventil würde teuer sein, und seine Lebensdauer wäre kurz. Ein Vorschlag zur verminderung des Nachteils des Leckflusses in einem Ventil für das Ablassen von Verbrennungsgasen aus dem Bettgefäß besteht darin, zur selben Zeit die komprimierte Verbrennungsluft in dem das Bettgefäß umgebenden Druckgefässes in einer Weise abzulassen, wie sie in der US-A-4 498 285 beschrieben ist. Die Verbrennungsgase werden dabei mit Luft gemischt und gekühlt, so daß ein Ventil in der Wand des Druckgefässes nicht Gasen von extrem hohen Temperaturen ausgesetzt ist.

Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß die komprimierte Verbrennungsluft in großem Umfange zur Kühlung der Verbrennungsgase, die das Bettgefäß verlassen, verbraucht wird und nicht durch das Bett strömt. Dies kann bedeuten, daß der im Bett vorhandene Brennstoff nicht vollständig verbrannt wird und daß das Bettmaterial nicht in dem gewünschten Maße abgekühlt wird. Die brennbaren Gase können die Gefahr einer Explosion hervorrufen. Eine hohe Temperatur nach einem Ablassen kann zu einem Sintern des Bettmaterials führen. Bei einem Ventil in der Wand eines Bettgefässes kann ein gewisser Leckstrom in das Bettgefäß toleriert werden. Das Verfahren ist jedoch nicht völlig zufriedenstellend.

Die EP-A-0 234 265 beschreibt ein Verfahren zur Überwindung der Probleme durch die Zuführung eines inerten Gases, zweckmäßigerweise Stickstoff, in das Bettgefäß, wenn die Turbine abgeschaltet wird. Hierdurch wird die Zufuhr von Sauerstoff zu dem Bett und folglich die Verbrennung unterbrochen, wodurch die Bildung von Kohlenmonoxyd verhindert wird und die Explosionsgefahr beseitigt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Abführung der lebendigen Energie in einer Kraftwerksanlage im Falle einer Störung der oben genannten Art zu entwickeln, welches Verfahren nicht die oben genannten Nachteile der bekannten Verfahren hat und auch keine anderen schädlichen Wirkungen hat. Der Erfindung liegt auch die Aufgabe zugrunde, eine Anlage zu entwicklen, die imstande ist, nach dem Verfahren gemäß der Erfindung zu arbeiten.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, welches erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen 4-6 genannt.

Eine Kraftwerksanlage zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung ist durch die Merkmale des Anspruches 7 gekennzeichnet.

Weiterentwicklungen der Kraftwerksanlage gemäß der Erfindung sind durch die Merkmale der weiteren Ansprüche 8-11 gekennzeichnet.

Im Falle einer Betriebsstörung, die zu einem Lastabwurf führt, wird die Gasturbine der Anlage oder werden die Gasturbine und der Kompressor für die Verbrennungsluft der Anlage in bekannter Weise von dem Bettgefäß oder dem Druckgefäß, welches das Bettgefäß umgibt, abgeschaltet durch Schließen des Ventils in der Heißgasleitung zwischen dem Bettgefäß und der Turbine oder den Turbinen und durch Schließen des Ventils in der Luftleitung zwischen dem Kornpressor und dem Druckgefäß. Zur gleichen Zeit wird ein Kurzschlußventil in einer Kurzschlußleitung zwischen der Luftleitung und Heißgasleitung geöffnet, so daß Luft vom Kompressor unmittelbar in die Turbine strömt. Ein gewisser verbleibender Strom bleibt durch das Ventil in der Heißgasleitung bestehen, bedingt durch die Tatsache, daß ein vollständiger Verschluß nicht bei einem Ventil erreicht werden kann, welches heißen Gasen von einer Temperatur von 800-950ºC ausgesetzt ist. Um die Kraftwerksanlage im Falle einer Betriebsstörung abzuschalten, muß der im Bett verbleibende Brennstoff verbrannt werden und das Bett gekühlt werden. Gas aus dem Bettgefäß wird in die Atmosphäre abgelassen über eine Ablaßleitung, die direkt vom Bettgefäß ausgeht, oder über eine Leitung, die von der Heißgasleitung zur Turbine ausgeht, wobei die Ablaßleitung mit einem Ablaßventil versehen ist. Die Ablaßleitung ist mit einer Einspritzvorrichtung für ein Kühlmittel versehen, durch welche beim Ablassen der Verbrennungsgase Kühlmittel in solcher Menge eingespritzt wird, daß die Gase wirksam gekühlt werden, bevor sie das Ablaßventil erreichen. Zweckmäßigerweise wird Kühlmittel in solcher Menge eingespritzt, daß die Gase auf eine Temperatur von 400ºC abgekühlt wird. Wenn die Gase bis unter 400ºC abgekühlt werden, funktionieren Ventile mit zufriedenstellender Dichtung, und eine ausreichende Lebensdauer der Ventile kann unter Aufwand angemessener Kosten erreicht werden. Wasser ist ein geeignetes Kühlmittel, jedoch können auch andere Flüssigkeiten, wie zum Beispiel flüssiger Stickstoff, verwendet werden.

Kühlwasser zum Einspritzen in die Ablaßleitung wird zweckmäßigerweise in einem durch Gas unter Druck gesetzten Behälter gespeichert. Der Behälter steht mit der Einspritzvorrichtung über eine Leitung mit einem Ventil in Verbindung, welches durch eine Betätigungsvorrichtung betätigt werden kann, die an die Steueranlage der Kraftwerksanlage angeschlossen ist.

Anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen

Figur 1 ein Ausführungsbeispiel einer Kraftwerksanlage gemäß der Erfindung, die mit Wassereinspritzvorrichtungen im Freiraum des Bettgefässes und in Gas leitungen versehen ist, die stromabwärts von Zyklonen angeordnet sind,

Figur 2 eine Kraftwerksanlage ähnlich der in Figur 1 mit einer Wassereinspritzvorrichtung in einer Ablaßleitung, die direkt von dem Bettgefäß ausgeht.

In den Figuren bezeichnet 10 ein Druckgefäß. Das Druckgefäß beherbergt ein Bettgefäß 12 und eine Reinigungsanlage, die durch zwei in Reihe geschaltete Zyklone 14 und 15 symbolhaft dargestellt ist. In Wahrheit gehört zu der Reinigungsanlage eine Anzahl parallelgeschalteter Gruppen, von denen jede aus in Reihe geschalteten Zyklonen besteht. Der Raum 16 zwischen dem Druckgefäß 10 und dem Bettgefäß 12 enthält komprimierte verbrennungsluft. Der Druck kann bis zu 2 MPa und mehr betragen. Verbrennungsluft wird dem Bettgefäß 12 über Düsen 18 am Boden 20 zugeführt. Diese Luft fluidisiert das Bett 22 im unteren Teil des Bettgefäßes 12 und verbrennt Brennstoff, gewöhnlich Kohle, welcher dem Bett 22 aus einem nicht dargestellten Brennstoffbunker über die Leitung 24 zugeführt wird. Im Bett 22 sind Rohre 26 angeordnet, in welchen Dampf erzeugt wird, der einer nicht dargestellten Dampf turbine zugeführt wird, die einen Generator treibt. Die Verbrennungsgase werden in dem Freiraum 28 gesammelt und durch die Leitungen 30 und 31 den Zyklonen 14 und 15 zugeführt, die eine normalerweise vorhandene vielzahl von parallel geschalteten Gruppen aus in Reihe geschalteten Zyklonen repräsentieren. Von dem Zyklon 15 werden die heißen Gase über die Leitung 32 einer Hochdruckturbine 34 zugeführt, von dort werden sie über eine Leitung 36 einer Niederdruckturbine 38 zugeführt und von dort über die Leitung 40 dem Rauchgasvorwärmer 42 und dem Filter 44, von dem sie dann durch den Schornstein 46 in die Athmosphäre geleitet werden.

Die Hochdruckturbine 34 treibt den Kompressor 48. Über die Leitung 50 wird der Raum 16 mit komprimierter verbrennungsluft versorgt. Die Niederdruckturbine 38 treibt einen Generator 52. Die Heißgasleitung 32 enthält ein Abschaltventil 54 mit einer Betätigungsvorrichtung 56. Die Leitung 50 von dem Kompressor 48 enthält ein Abschaltventil 58 mit einer Betätigungsvorrichtung 60. Zwischen den Leitungen 32 und 50 ist eine Kurzschlußleitung 62 mit einem Bypassventil 64 vorhanden, welches durch eine Betätigungsvorrichtung 66 betätigt werden kann.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 ist ein Leitungsweg zur Abführung von Verbrennungsgaen aus dem Bettgefäß 12 in Gestalt einer Leitung 68 vorgesehen, die von der Heißgasleitung 32 zwischen dem Zyklon 15 und der Turbine 34 ausgeht und im Rauchgasvorwärmer 42 mündet. Die Leitung 68 ist mit mindestens einem Ablaßventil 72 mit einer Betätigungsvorrichtung 74 versehen. Aus Sicherheitsgründen sind gewöhnlich zwei in Reihe geschaltete Ventile dieser Art vorhanden. Eine Vorrichtung 70 mit Düsen 71 zur Einspritzung von Kühlwasser ist an der Ausgangs seite des Zyklons 15 oder in der Ablaßleitung 68 vorhanden. Ferner sind Wassereinspritzvorrichtungen 70' mit Düsen 71' in der Leitung 31 zwischen den Zyklonen 14 und 15 und eine Wassereinspritzvorrichtung 83 mit Düsen 87 in dem Freiraum 28 des Bettgefäßes 12 vorhanden. Das Einspritzen von Kühlwasser im Freiraum 28 des Bettgefäßes 12 bewirkt eine lange Verweilzeit des eingespritzten Wassers in den heißen Gasen zum Zwecke der Verdampfung und guten Vermischung in den Zyklonen. Das Einspritzen von Kühlwasser in die Einspritzvorrichtung 70 kann dadurch begrenzt werden. Eine Anlage kann mit einer oder mehreren der gezeigten Wassereinspritzvorrichtungen 70, 70' und 83 versehen sein.

Die Wassereinspritzvorrichtungen 70, 70' und 83 sind an einen unter Druck stehenden Kühlwassertank 78 angeschlossen über die Leitung 80, das Ventil 82 mit der Betätigungsvorrichtung 84 und die Leitungen 81, 81' und 85. Der Wassertank 78 steht über eine Leitung 86 mit einer Druckgasquelle 88 in Verbindung. Zweckmäßigerweise wird Stickstoffgas verwendet. In der Leitung 86 liegt ein Ventil 90 mit einer Betätigungsvorrichtung 92. Die Betätigungsvorrichtungen 56, 60, 66, 74, 84, 92 der Ventile 54, 58, 64, 72, 82, 90 sind über Leitungen 100 bis 105 an eine Betätigungseinheit 110 angeschlossen, die zu der zentralen Steuerungs- oder Regelungseinrichtung für die Anlage gehört. Ein Temperatursensor 112 in der Ablaßleitung 68 ist über die Leitung 114 an die Betätigungseinheit 110 angeschlossen.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist die Ablaßleitung 68 direkt an den Freiraum 2g des Bettgefäßes 12 angeschlossen. Zwischen dem Ablaßventil 72 und dem Rauchgasvorwärmer 42 liegt ein Gasreiniger 76 zur Abscheidung von Staub.

Im Falle einer betrieblichen Störung, z.B. einem Durchgehen einer Gasturbine als Folge eines Lastabwurfes, wird die Brennstoffzufuhr zum Bett unterbrochen, und die Ventile 54 und 58 in der Heißgasleitung 32 beziehungsweise der Luftleitung 50 werden geschlossen, so daß die Turbinen 34 und 38 und der Kompressor 48 vom Bettgefäß 12 beziehungsweise dem Druckgefäß 10 getrennt sind. Zur gleichen Zeit wird das Bypassventil 64 in der Kurzschlußleitung 62 geöffnet, so daß die Luft vom Kompressor 48 unmittelbar in die Turbine 34 strömt. Durch Unterbrechung der Energiezufuhr von dem Bettgefäß 12 wird verhindert, daß die Leistungsturbine 38 durchgeht (hohe Drehzahlen annimmt). Danach wird das Ventil 72 geöffnet, und die Verbrennungsgase des Bettgefäßes 12 werden abgeführt. Das Ventil 82 wird zur gleichen Zeit geöffnet, und Kühlwasser wird durch die Düsen 71, 71', 87 der Wassereinspritzvorrichtungen 70, 70', 83 in der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform in den heißen Gasstrom eingespritzt. Das Wasser wird verdampft und vermindert die Temperatur der Gase, bevor diese das Ablaßventil 72 erreichen. Staub wird in den Zyklonen 14, 15 oder im Reiniger 76 abgeschieden. Die Gase werden in dem Rauchgasvorwärmer 42 auf eine Temperatur gekühlt, welche der Filter 44 vertragen kann. Danach werden Gase dem Schornstein 46 zugeführt.

Wenn die gleiche Wassermenge pro Zeiteinheit während des gesamten Druckreduktionsvorganges eingespritzt wird, so sinkt die Gastemperatur mit der fortlaufenden Verkleinerung des Gasstromes. Aus diesem Grunde sollte der Kühlwasserstrom gesteuert oder geregelt werden. Die Wassereinspritzung wird zweckmäßigerweise durch das Ventil 82 derart gesteuert, daß die Temperatur der Gase am Eintritt in den Rauchgasvorwärmer 42 gleich oder etwas niedriger ist als die Temperatur des Abgases von der Turbine bei normalem Betrieb, d.h. ungefähr 400ºC. Dies ergibt die niedrigste Temperaturbelastung des Rauchgasvorwärmers 42, wenn die Verbrennungsgase 5 aus dem Bettgefäß 12 abgelassen werden.

Die Kapazität der Ablaßleitung 68 ist so gewählt, daß eine ausreichende Fluidisierung des Bettes 22 erreicht wird. Während des ersten Abschnittes der Ablaßoperation wird im Bett verbliebener Brennstoff verbrannt. Wenn der Brennstoff verbraucht worden ist, kühlt der Luftstrom durch das Bett 22 das Bettmaterial. Auch die Rohre 62, durch die Wasser und Dampf strömt, tragen zur gleichen Zeit zur Kühlung des Bettmaterials bei. Wenn die komprimierte Verbrennungsluft in dem Raum 16 verbraucht worden ist, ist das Bettmaterial in einem solchen Maße abgekühlt, daß die Gefahr eines Zusammensinterns nicht mehr besteht.

Es ist leicht ersichtlich, daß die Ausführungsbeispiele nach den Figuren 1 und 2 auch in vielen verschiedenen Wegen miteinander kombiniert werden können.