Entwicklung und Inbetriebnahme einer direkt-holzstaubgefeuerten Gasturbinenanlage

Abstract

Im Rahmen dieser Dissertation ist eine direkt-holzstaubgefeuerte Gasturbinenanlage entwickelt, aufgebaut und in Betrieb genommen worden.<br />Die Dissertation ist in vier Teile gegliedert. Im ersten Teil sind die Grundlagen eines einfachen, offenen Gasturbinenprozesses für die Festbrennstoffe Holzstaub und Holzspäne erarbeitet. Neben den Betrachtungen für die Gasturbine ist auch ein Berechnungsmodell für die Luftaufteilung an der Holzstaubbrennkammer (gestufte Verbrennung) angegeben.<br />Im zweiten Teil sind die Anlagenhauptkomponenten Holzstaubbrennkammer, Heißgasleitung mit integriertem Staubabscheider und Gasturbine beschrieben bzw. die Anforderungen und deren entsprechende, konstruktive Umsetzung für die Versuchsanlage dargestellt. Besonderes Augenmerk wurde dabei auf vier Punkte bei der Gasturbine gelegt:<br /> Die Kühlung des Turbinenlaufrades, wie sie beim Heizölbetrieb vorgesehen ist, wurde entsprechend für den Holzstaubbetrieb modifiziert.<br /> Im Heizölbetrieb erfolgte die Kühlung des Schmieröles der Gasturbine durch den zugeführten Brennstoff. Im Holzstaubbetrieb erfolgt die Kühlung des Schmieröles durch einen zusätzlichen Kühlwasserkreislauf.<br /> Die Heizölbrennkammer der Gasturbine wurde durch ein Gasturbinen -anschlusssystem ersetzt, das die Verbindung zwischen räumlich entfernter Holzstaubbrennkammer und Gasturbine herstellt.<br /> Das Vorwärmen der Brennkammer auf Zündtemperatur des Holzbrennstoffes mit elektrischen Luftvorwärmern in den Luftzuführungsleitungen an der Brennkammer erforderte die Entwicklung eines neuen Startsystems. Dieses hat ausreichende elektrische Leistung und ist drehzahlregelbar um die Gasturbine auf die Selbsthaltedrehzahl hochfahren zu können.<br />Der dritte Teil behandelt den Aufbau der Versuchsanlage. Die Erfassung aller relevanten Messdaten bzw. die Steuer- und Regelung erfolgt mit einem für die Versuchsanlage entwickelten Mess- und Leittechniksystem von der Messkabine aus.<br />Im vierten Teil ist schließlich das Betriebverhalten für den Brennstoff Buchenspäne dokumentiert. Die Brennstoffauswahl für die Inbetriebnahmeversuche erfolgte unter Berücksichtigung folgender Punkte:<br /> Der notwendige Förderluftanteil des Brennstoffes soll die Drallströmung in der Brennkammer nicht übermäßig stören.<br /> Der Aschegehalt des Brennstoffes soll für die Inbetriebnahmeversuche möglichst gering sein, um das Risiko betreffend Abrasion und Verschmutzung zu minimieren.<br /> Da der Brennstoffvorratsbehälter zu Beginn eines Versuches im drucklosen Zustand befüllt wird, soll auch die Schüttdichte des Brennstoffes - in Hinblick auf eine möglichst lange Versuchsdauer - bei der Brennstoffauswahl berücksichtigt werden.

This thesis deals with the development, construction and initial operation of a directly wood particle fired gas turbine and combustion system. This thesis is divided into four parts. The first part deals with the basics of a simple open gas turbine process for the solid fuels wood dust and wood slivers. This part describes the basic principles of how such a process works and gives an assumed model for the division of the air mass flow rate at the combustion chamber (staggered combustion).<br />The second part describes the main components which are wood combustion chamber, hot gas pipe with integrated cyclone cleaning system and gas turbine in detail. In this part you find the technical requirements for such a test rig. It gives you the details of how these requirements were met and describes the changes in the construction of the gas turbine.<br />When making these changes four items were specially taken into consideration:<br /> The cooling of the turbine runner usually used for fuel oil operation was modified for wood particle operation.<br /> When operating on fuel oil the fuel oil itself cools the lubricating oil. When operating on wood particles an additional cooling water circuit had to be installed for the cooling of the lubricating oil.<br /> The fuel oil combustion chamber of the gas turbine was replaced by a gas turbine connecting system between the spatially separated combustion chamber and the gas turbine.<br /> The preheating of the wood combustion chamber up to ignition temperature by electric air preheaters in the air feeding system at the combustion chamber required the development of a new starting system. It has sufficient electric power and is speed controllable in order to run up the gas turbine to its self-perpetuating speed.<br />The third part deals with the setting up of the test rig. The measurement data processing system which was specially developed for this test rig is located in the measuring cabin. From there it carries out and records all the relevant measurements and performs the necessary controlling.<br />In the fourth part the operating behaviour for the solid fuel beech slivers is documented. The choice of the fuel was made considering the following items:<br /> The necessary conveying air mass flow rate of the fuel should not disturb the swirl flow excessively in the primary combustion chamber.<br /> The ash content of the fuel should be as low as possible for the initial runs in order to minimize the risk concerning abrasion and pollution.<br /> Since the sending bin has to be filled pressureless at the beginning of the test runs the bulk density plays an important role. It has to be taken into consideration when choosing the fuel, which should burn as long as possible.<br />