DE102011077688A1

DE102011077688A1 - Solarthermisches Kraftwerk mit vollintegrierter Gasturbine und Abhitzedampferzeuger

Info

Publication number: DE102011077688A1
Application number: DE102011077688A
Authority: DE
Inventors: Mark Reissig
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2011-06-17
Filing date: 2011-06-17
Publication date: 2012-12-20
Also published as: WO2012171803A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein solarthermisches Kraftwerk (10) mit einem solarthermischen Kraftwerksteil sowie mit vollintegrierter Gasturbine (16) und Abhitzedampferzeuger (17), wobei der Abhitzedampferzeuger (17) so ausgelegt ist, dass bei der Niederdruckspeisewasservorwärmung (18), der Hochdruckspeisewasservorwärmung (19) und der Verdampfung (20) im Abhitzedampferzeuger (17) vergleichbare Fluidparameter erzielbar sind, wie im solarthermischen Kraftwerksteil (25, 28, 22).

Description

Die Erfindung betrifft ein solarthermisches Kraftwerk mit vollintegrierter Gasturbine und Abhitzedampferzeuger.
Bekannt sind sogenannte ISCC-Kraftwerke (ISCC = integrated solar combined cycle), bei denen ein solarer Kraftwerksteil in ein Kombikraftwerk so integriert ist, dass solarthermisch erzeugter Hochdruckdampf oder Mitteldruckdampf, der gesättigt oder leicht überhitzt ist, in den Prozess eingebunden ist. Nachteilig hieran ist, dass bei diesen Lösungen der solarthermische Teil den kombinierten Kraftwerksteil, umfassend eine Gasturbine und eine Dampfturbine, lediglich unterstützt.
Aufgabe ist es, die genannte Vorrichtung weiterzuentwickeln, so dass auch ein rein solarer Betrieb mit hoher Effizienz möglich ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Vorrichtung gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert. Indem bei einem solarthermischen Kraftwerk mit einem solarthermischen Kraftwerksteil sowie mit vollintegrierter Gasturbine und Abhitzedampferzeuger, der Abhitzedampferzeuger so ausgelegt ist, dass bei der Niederdruckspeisewasservorwärmung, der Hochdruckspeisewasservorwärmung und der Verdampfung im Abhitzedampferzeuger vergleichbare Fluidparameter erzielbar sind, wie im solarthermischen Kraftwerksteil, kann das Kraftwerk effizient in verschiedenen Modi betrieben werden. Beispielsweise kann das Kraftwerk im Gas- und Dampf-Modus betrieben werden, bei dem die Gasturbine zusammen mit der Dampfturbine in Betrieb ist, wobei Gas- und Dampfturbine die Wirkleistung liefern. Weiterhin kann das Kraftwerk so betrieben werden, dass das Wärmeträgermedium im solarthermischen Teil über die Abwärme aus dem GuD-Teil erwärmt bzw. frostgeschützt wird, wodurch Zusatzausrüstung, die für diesen Zweck bereitgestellt werden müsste, nicht mehr notwendig ist. Ein weiterer effizienter Betriebsmodus des solarthermischen Kraftwerks ist der reine Solarbetrieb, in dem die Wirkleistung ausschließlich von der Dampfturbine erbracht wird. Schließlich besteht noch die Möglichkeit, das Kraftwerk im Hybrid-Modus zu fahren, bei dem Gas- und Dampfturbine die Gesamtwirkleistung des Kraftwerks aufbringen. In diesem Modus liefern der solarthermische Teil und der Abhitzedampferzeuger gemeinsam den Dampf für die Dampfturbine.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Abhitzedampferzeuger so ausgelegt ist, dass im Abhitzedampferzeuger eine stärkere Überhitzung erzielbar ist, als im solarthermischen Kraftwerksteil. Hierdurch sind höhere Frischdampftemperaturen möglich, wodurch die Kraftwerkseffizienz gesteigert wird.
Es ist zweckmäßig, wenn der Abhitzedampferzeuger eine erste Druckstufe aufweist.
Weiterhin ist es zweckmäßig und im Sinne einer hohen Kraftwerkseffizienz, wenn der Abhitzedampferzeuger einen Zwischenüberhitzer aufweist, der eingangsseitig mit einem Ausgang einer Hochdruckstufe der Dampfturbine und ausgangsseitig mit einem Eingang einer Mittel- oder Niederdruckstufe der Dampfturbine verbunden ist.
In einer alternativen Ausgestaltung weist der Abhitzedampferzeuger eine weitere Druckstufe auf, deren Druckniveau im Bereich des Druckniveaus einer heißen Zwischenüberhitzung liegt und wobei eine vom Ausgang der weiteren Druckstufe abzweigende erste Dampfleitung in eine zweite Dampfleitung mündet, die einen Hochdruckteil und einen Mittel- oder Niederdruckteil einer Dampfturbine verbindet.
In einer weiteren alternativen Ausgestaltung weist der Abhitzedampferzeuger eine weitere Druckstufe auf, deren Druckniveau im Bereich des Druckniveaus einer kalten Zwischenüberhitzung liegt und wobei Dampf aus der weiteren Druckstufe mit Dampf aus einer Hochdruckstufe der Dampfturbine mischbar und im Abhitzedampferzeuger weiter erhitzbar ist und der gemischte und weiter erhitzte Dampf einer Mittel- oder Niederdruckstufe der Dampfturbine zuführbar ist.
Es ist vorteilhaft, wenn der solarthermische Kraftwerksteil einen Zwischenüberhitzer aufweist.
Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn eine vom solarthermischen Dampferzeuger abzweigende Dampfleitung in einen Überhitzer des Abhitzedampferzeugers mündet. Damit kann auch der im solarthermischen Dampferzeuger erzeugte Dampf auf höhere Frischdampftemperaturen gebracht werden.
Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich:
1 das Konzept für ein solarthermisches Kraftwerk nach der Erfindung,
2 einen Ein-Druck-Abhitzedampferzeuger im Detail,
3 einen Zwei-Druck-Abhitzedampferzeuger im Detail,
4 eine alternative Ausführungsform der Zwischenüberhitzung und
5 einen Zwei-Druck-Abhitzedampferzeuger für die alternative Ausführungsform der Zwischenüberhitzung.
Die 1 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes solarthermisches Kraftwerk 10 nach der Erfindung. Gasturbine (s. 2) sowie Dampfturbine 11 mit Hochdruckstufe 12 und Niederdruckstufe 13 sind zur Erzeugung elektrischer Energie an einen Generator 14 gekoppelt. Die Kopplung kann mit oder ohne Getriebe 15 erfolgen. 2 zeigt, dass Abgas von der Gasturbine 16 insbesondere zur Erzeugung von Prozess- und Hilfsdampf für die Dampfturbine 11 in einen Abhitzedampferzeuger 17 eingeleitet wird. 1 zeigt die Anordnung des Niederdruckspeisewasservorwärmers 18, des Hochdruckspeisewasservorwärmers 19, des Verdampfers 20 und des Überhitzers 21 des Abhitzedampferzeugers 17 im erfinderischen Konzept. Die 1 zeigt weiterhin einen solarthermischen Dampferzeuger 22.
Beim Betrieb des Kraftwerks 10 fällt entspannter Dampf an, welcher einem Kondensator 23 zugeleitet wird. Das aufbereitete Kondensat wird mittels einer Kondensatpumpe 24 einer Niederdruckspeisewasservorwärmung zugeführt. Je nach Betriebsmodus des Kraftwerks 10 erfolgt die Niederdruckspeisewasservorwärmung 25 über Anzapfungen aus der Niederdruckstufe 13 der Dampfturbine 11 und/oder über im Abhitzedampferzeuger 17 angeordnete Heizflächen 18 (vgl. Bezugszeichen 1 und 2 in den 1 und 2). Das vorgewärmte Niederdruckspeisewasser wird einem Speisewasserbehälter 26 zugeleitet. Speisewasser aus dem Speisewasserbehälter 26 wird mittels einer Speisewasserpumpe 27 einem Hochdruckspeisewasservorwärmer zugeführt. Die Hochdruckspeisewasservorwärmung kann wiederum je nach Betriebsmodus des Kraftwerks 10 auf verschiedene Arten erfolgen. Einerseits werden Anzapfungen aus dem Hochdruckteil der Dampfturbine verwendet 28, andererseits oder in Kombination wird das Speisewasser über im Abhitzedampferzeuger 17 angeordnete Heizflächen 19 geführt (vgl. Bezugszeichen 3 und 4 in den 1 und 2).
Im reinen GuD-Betrieb wird das vorgewärmte Speisewasser anschließend im Abhitzedampferzeuger 17 weiter verdampft 20 und überhitzt 21, und der überhitzte Dampf der Hochdruckstufe 12 der Dampfturbine 11 zugeführt.
Im reinen Solarbetrieb wird das vorgewärmte Speisewasser im solarthermischen Dampferzeuger 22 verdampft und überhitzt und ebenfalls direkt dem Hochdruckteil 12 der Dampfturbine 11 zugeführt.
Im Hybridbetrieb kann zusätzlich der überhitzte Dampf aus dem solarthermischen Dampferzeuger 22 zur weiteren Überhitzung in den Überhitzer 21 des Abhitzedampferzeugers 17 eingeleitet werden (s. Bezugszeichen 5), bevor er der Hochdruckstufe 12 der Dampfturbine 11 zugeführt wird (s. Bezugszeichen 6).
Teilentspannter Dampf aus der Hochdruckstufe 12 der Dampfturbine 11 wird mittels eines Zwischenüberhitzers aufgeheizt und der Mittel- oder Niederdruckstufe 13 der Dampfturbine 11 zugeführt. Die Zwischenüberhitzung erfolgt dabei je nach Betriebsmodus oder Ausgestaltung des Abhitzedampferzeugers 17.
Im reinen Solarbetrieb der Anlage 10 wird der teilentspannte Dampf im solarthermischen Zwischenüberhitzer 29 zwischenüberhitzt.
In einem Betriebsmodus, der die Nutzung des Abhitzedampferzeugers 17 umfasst, kann der teilentspannte Dampf je nach Ausgestaltung dieses Abhitzedampferzeugers 17 auf unterschiedliche Arten zwischenüberhitzt werden.
Mit einem Ein-Druck-Abhitzedampferzeuger wird der teilentspannte Dampf über die Heizflächen des Zwischenüberhitzers 30 im Abhitzedampferzeuger 17 geleitet und der Dampfturbine 11 wieder zugeführt (s. Bezugszeichen 7 und 8 in 1 und 2).
Mit einem Mehrdruck-Abhitzedampferzeuger, wie ihn die 3 zeigt, kann der teilentspannte Dampf zum Abhitzedampferzeuger 17 geleitet werden (s. Bezugszeichen 7), wo er dann mit Dampf aus einer weiteren Druckstufe 31 gemischt und überhitzt und anschließend der Dampfturbine 11 wieder zugeführt wird (s. Bezugszeichen 8). Die Trommel der weiteren Druckstufe 31 wird dabei aus dem Niederdruckspeisewasservorwärmer 18 oder dem Hochdruckspeisewasservorwärmer 19 gespeist (s. Bezugszeichen 2 oder 4).
4 und 5 zeigen, dass alternativ dem teilentspannten Dampf Dampf aus der weiteren Druckstufe 31 des Abhitzedampferzeugers 17 zugemischt und die Mischung der Dampfturbine zugeführt werden kann (s. Bezugszeichen 9).

Claims

Solarthermisches Kraftwerk (10) mit einem solarthermischen Kraftwerksteil sowie mit vollintegrierter Gasturbine (16) und Abhitzedampferzeuger (17), dadurch gekennzeichnet, dass der Abhitzedampferzeuger (17) so ausgelegt ist, dass bei der Niederdruckspeisewasservorwärmung (18), der Hochdruckspeisewasservorwärmung (19) und der Verdampfung (20) im Abhitzedampferzeuger (17) vergleichbare Fluidparameter erzielbar sind, wie im solarthermischen Kraftwerksteil (25, 28, 22).
Solarthermisches Kraftwerk (10) nach Anspruch 1, wobei der Abhitzedampferzeuger (17) so ausgelegt ist, dass im Abhitzedampferzeuger (17) eine stärkere Überhitzung (21) erzielbar ist, als im solarthermischen Kraftwerksteil (22).
Solarthermisches Kraftwerk (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Abhitzedampferzeuger (17) eine erste Druckstufe aufweist.
Solarthermisches Kraftwerk (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Abhitzedampferzeuger (17) einen Zwischenüberhitzer (30) aufweist, der eingangsseitig mit einem Ausgang einer Hochdruckstufe (12) der Dampfturbine (11) und ausgangsseitig mit einem Eingang einer Mittel- oder Niederdruckstufe (13) der Dampfturbine (11) verbunden ist.
Solarthermisches Kraftwerk (10) nach Anspruch 3, wobei der Abhitzedampferzeuger (17) eine weitere Druckstufe (31) aufweist, deren Druckniveau im Bereich des Druckniveaus einer heißen Zwischenüberhitzung liegt und wobei eine vom Ausgang der weiteren Druckstufe (31) abzweigende erste Dampfleitung in eine zweite Dampfleitung mündet, die einen Hochdruckteil (12) und einen Mittel- oder Niederdruckteil (13) einer Dampfturbine (11) verbindet.
Solarthermisches Kraftwerk (10) nach Anspruch 3, wobei der Abhitzedampferzeuger (17) eine weitere Druckstufe (31) aufweist, deren Druckniveau im Bereich des Druckniveaus einer kalten Zwischenüberhitzung liegt und wobei Dampf aus der weiteren Druckstufe (31) mit Dampf aus einer Hochdruckstufe (12) der Dampfturbine (11) mischbar und im Abhitzedampferzeuger (17) weiter erhitzbar ist und der gemischte und weiter erhitzte Dampf einer Mittel- oder Niederdruckstufe (13) der Dampfturbine (11) zuführbar ist.
Solarthermisches Kraftwerk (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der solarthermische Kraftwerksteil einen Zwischenüberhitzer (29) aufweist.
Solarthermisches Kraftwerk (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine vom solarthermischen Dampferzeuger (22) abzweigende Dampfleitung in einen Überhitzer (21) des Abhitzedampferzeugers (17) mündet.