Erdgasmischung zur Turbinenoptimierung

Gasturbinen (GT) benötigen Brennstoffe mit ausreichendem Heizwert, um die Feuerungsanforderungen innerhalb der Umweltemissionsgrenzen zu erfüllen.  Brennstoffquellen von schlechter Qualität haben oft einen hohen Stickstoffgehalt.  Die Mischung mit qualitativ hochwertigem Brennstoff zur Erzielung des erforderlichen Heizwertes ist der kostspieligen Wäsche zur Entfernung (volumetrische Reduzierung) von Stickstoff vorzuziehen. 

Mischstation(en) verwenden entweder den Heizwert (BTU oder metrisch) oder den Wobbe-Index als Messung des Heizwertes, um die Gase so zu mischen, dass der resultierende Brennstoff die Feuerungsanforderungen von Gasturbinen und die Umweltemissionsgrenzwerte erfüllt.  Die COSA Xentaur Corp. (CXC) 9610 Analysator bestimmt die Zusammensetzung des Erdgases in Echtzeit. Die Ausgangssignale des Analysators sowie andere Parameter der Instrumentierung wurden zur Überwachung und Steuerung der Gasmischstationen durch den Bediener in das DCS der Anlage eingespeist.

Die besprochenen Beispieldaten sind spezifisch für eine Gasturbine mit GE-Rahmen, gelten aber für die gesamte Branche.  Eine ausführliche Diskussion ist im Artikel „Blending Fuel Gas to Optimize Use of Off-Spec Natural Gas“ der COSA ISA Power Division Powid 2011 enthalten.

Herausforderungen der Anwendung

GAS-TURBINE-BEGRENZUNGEN

Obwohl das letztendliche Kostenkontrollziel darin besteht, die Verwendung von Gas mit niedrigem Heizwert zu maximieren, muss die Menge des in die GTs eingeleiteten Stickstoffs kontrolliert werden, um die NOx-Emissionen zu begrenzen.

Zusätzlich zu dem Potential, übermäßige NOx-Emissionen zu erzeugen, werden Brenngase mit einem hohen Anteil an Inertgasen wie Stickstoff ein Verhältnis von reicher zu magerer Entflammbarkeit aufweisen, das unter dem von Erdgas liegt. Niedrige Entflammbarkeitsverhältnisse können dazu führen, dass der GT Probleme hat, eine stabile Verbrennung über den gesamten Betriebsbereich der Turbine aufrechtzuerhalten. Daher ist ein Gasmischsystem erforderlich, das die beiden Gasquellen in ein Verhältnis zueinander setzt, um Verbrennungsinstabilitäten und die Erzeugung übermäßiger NOx-Emissionen zu verhindern. Die Absicht besteht darin, so viel des Gases mit niedrigem Heizwert wie möglich zu verbrennen, da es zu einem attraktiveren Preis als Gas mit hohem Btu-Wert erhältlich ist.

Ein Gesamtstickstoffgehalt von 15% ist der von GE empfohlene maximale Stickstoffgrenzwert.  Tabelle X gibt die zulässigen Grenzwerte von GE für Brennstoffeigenschaften und Bestandteile an. Damit werden die Obergrenzen für das Auslegungsprojekt festgelegt.  Die Quellgase können von 30 % Stickstoff in Einspeisungen mit niedrigem Heizwert bis zu 2 % oder weniger Stickstoff in Einspeisungen mit hohem Heizwert reichen.

CXC 9610 liefert die Daten, die benötigt werden, um Turbinenbrennstoffe auf den optimalen Heizwert zu mischen und gleichzeitig die Emissionen zu kontrollieren.

Zusätzlich kann der CXC 9610 mit Echtzeitanalyse über einen erweiterten Kalibrierbereich mehrere Mischstationen im Vergleich zu einzelnen Mischsystemen steuern und optimieren.

Zu den Vorteilen der Verwendung mehrerer Mischsysteme gehören:

• Gasturbinen, auch wenn sie nach den gleichen oder ähnlichen Spezifikationen konstruiert sind, kann es erforderlich sein, dass die Mischung einheitsspezifisch ist.
• Die operationelle Verfügbarkeit aller Einheiten ist von größter Bedeutung. Der Betrieb jeder der Einheiten kann durch ihre Verbrennungs- oder NOx-Eigenschaften eingeschränkt sein. Die individuelle Mischung ermöglicht eine individuelle Steuerung der Einheiten
• Ein zentrales Mischsystem stellt eine einzige Fehlerstelle dar, die es erforderlich machen könnte, dass alle Einheiten auf Hi-Btu-Gas zurückgreifen müssen, wodurch die Verwendung des kostengünstigen Low-Btu-Gases eingeschränkt wird.
• Ein Mehrfachmischsystem bietet die Möglichkeit, jede Einheit und ihre Mischung in Abhängigkeit von sich ändernden Eigenschaften der Einheit, der Befüllung oder der Leistungsreduzierung aufgrund eines Prozessproblems (d.h. Turbinenschwingungen, Generatorbegrenzung, anlagenspezifische Probleme usw.) abzustimmen. Selbstoptimierung und Neuronales Netzwerk können später verwendet werden, um die Flexibilität und Betriebsfähigkeit der Einheit zu maximieren.

Das CXC 9610 erfüllte die Anwendungsanforderungen von

• Echtzeitausgänge, digital und analog von Heizwert und Wobbeindex
• Niedriger Wartungsbedarf
• Installation in explosionsgefährdeten Bereichen.