DE1201612B

DE1201612B - Gasturbinen-Heizkraftanlage

Info

Publication number: DE1201612B
Application number: DES79727A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Rupprecht Michel
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1962-06-01
Filing date: 1962-06-01
Publication date: 1965-09-23

Description

Gasturbinen-Heizkraftanlage Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinen-Kraftanlage mit Ausnutzung der Abwärme des Turbinen-Abgasstromes. Es sind derartige Kraftanlagen bekannt, bei denen der Abgasstrom der Gasturbine, der ein Luftwärinetauscher zur Verbesserung des Gasturbinenprozesses nachgeschaltet ist, dahinter einen Heißwasserwärmetauscher zur Heizwärmeversorgung eines Fernheiznetzes beaufschlagt. Im allgemeinen werden derartige Heizkraftwerke nur so lange betrieben, als ein Wärmebedarf im Heiznetz vorliegt, vielfach ist es aber wünschenswert, die Gaskraftmaschine auch im Sommer oder zu Zeiten geringen Wärmebedarfes für die zu versorgenden Wärmeyerbraucher in Betrieb zu halten, um elektrische Energie zu gewinnen. Die Abgase der Gasturbine verlassen dann den Luftwärmetauscher ungenutzt und strömen über eine Umführungsleitung am Wasserwärmetauscher vorbei ins Freie.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine wirtschaftliche Verwertung der Abwärme des Gasturbinensystems auch dann zu ermöglichen, wenn kein oder nur ein geringer Bedarf an Wärme im Heiznetz vorhanden ist, um die Abwärme nicht nutzlos zu vergeuden, wie dies bei einer bekannten Anlage der Fall ist. Bei Gasturbinenanlagen, die nicht der Erzeugung von Heizwärme dienen und bei denen auch nicht daran gedacht wurde bzw. bei denen auch nicht die Möglichkeit besteht, ein Heiznetz zur Ausnutzung der Abwärme heranzuziehen, ist es bereits bekannt, der Gasturbinenanlage eine Dampfkraftanlage nachzuschalten. Bei derartigen kombinierten Gas-Dampf-Kraftanlagen ist es weiterhin bekannt, für die Dampfkraftanlage eine Zusatzfeuerung vorzusehen, um die für einen wirtschaftlichen Betrieb von Dampfturbinen gewünschten Dampfzustände zu schaffen. Bei derartigen kombinierten Kraftanlagen müssen aber Gaskraftsystem und Dampfkraftsystem in bestimmter Weise einander angepaßt werden, wobei, da nicht an eine Wärineausnutzung der Gasturbinenabwärme in einem Heiznetz gedacht ist, das Gasturbinensystem in seiner Auslegung auf das Dampfkraftwerk abgestimmt ist.
Bei der Gasturbinen-Kraftanlage nach der Erfindung ist aber die Dimensionierung des Gasturbinensystems auf die Belange einer Heißwasserbereitung im Sinn eines Heizkraftwerkes abgestimmt, wobei unter Verwendung mindestens eines, gegebenenfalls mit einer Zusatzfeuerung versehenen Heißwasserwärmetauschers das in diesem aufgeheizte Wasser als Wärmeträger für eine Versorgung, insbesondere Fernversorgung von Wärmeverbrauchern dient. Wenn jetzt wahlweise jedoch auch die Abwärme für eine Dampfkraftanlage herangezogen wird, so läßt sich die Dampferzeugungsanlage unabhängig von der Dimensionierung der Gaskraftanlage wählen. Während die Gaskraftanlage nur für den Fall der reinen Heizwärmeversorgung ausgelegt zu werden braucht, sieht die Erfindung für den Betriebsfall der Dampfkrafterzeugung zusätzliche Maßnahmen vor. Demgemäß besteht die Erfindung darin, daß bei einer Gasturbinen-Kraftanlage der geschilderten Art für den Betriebsfall der Wärmeausnutzung für die Dampfkrafterzeugung das im reinen Heizbetrieb der Wasseraufwärmung dienende Wärmetauschersystem wenigstens teilweise als Naßdampferzeuger arbeitet und der zum Betrieb der Dampfkraftmaschine benötigte Heißdampf entweder durch teilweise Entspannung des noch nicht oder nur gering verdampften Arbeitsmittels gebildet oder in an sich bekannter Weise in einem nachgeschalteten gesondert befeuerten überhitzer erzeugt wird.
An das Wännetauschersystem kann also beispielsweise eine Dampfkraftmaschine in Gestalt einer Niederdruck-Kondensationsturbine angeschlossen werden. Zur Verbesserung des Wirkungsgrades der Dampfkraftmaschine kann aber auch eine Überhitzung des Dampfes mit Hilfe eines getrennt befeuerten überhitzers vollzogen werden.
Vielfach ist der Heißwasserwärmetauscher an sich bereits mit einer Zusatzfeuerung versehen, um unabhängig von dem jeweils zur Verfügung stehenden Abgasstrom der Gasturbine die von Fall zu Fall geforderte Wärme für die Aufheizung des Heißwassers aufbringen zu können. Mit einer derartigen Zusatzfeuerung kann man dementsprechend nicht nur höhere Temperaturen im Heiznetz erzeugen bzw. größere Mengen aufwärmen, als dies mit dem Ab- gasstrom der Gasturbine allein möglich wäre, sondern auch bei Lastschwankungen und auch bei völliger Stillsetzung der Gasturbine die erforderliche Aufheizung des Wärmeträgers für das Heiznetz sicherstellen.
Mit einer Zusatzbrennkammer kann nun der Heißwasserwärmetauscher so betrieben werden, daß zunächst in den ausschließlich oder überwiegend vom Abgasstrom der Gasturbine beaufschlagten Heizflächen zunächst nur Sattdampf erzeugt wird oder insbesondere bei erhöhtem Druck eine Aufwärinung nur in flüssiger Phase stattfindet, wonach dann in den der Zusatzfeuerung ausgesetzten Heizflächen eine überhitzung unter gegebenenfalls vorausgehender Verdampfung vorgenommen wird. Dabei ist es nicht unbedingt erforderlich, daß die Zusatzfeuerung mit dem Heißwasserwärinetauscher in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht ist, sondern es ist auch durchaus möglich, getrennte Einheiten aufzubauen, von denen die eine die Einrichtungen für die Zusatzfeuerung enthält. Darüber hinaus ist es naturgemäß noch möglich, in üblicher Weise die Zusatzfeuerung im Wärmetauschergehäuse selbst oder in Verbindung mit dem Wärmetauscher unterzubringen und in einer getrennten Anordnung noch eine weitere Feuerung vorzusehen, die mit überhitzerheizflächen ausgestattet ist.
Im übrigen sind für die Dampferzeugung nur verhältnismäßig geringe zusätzliche Apparaturen erforderlich gegenüber der reinen Wasseraufheizung, und der notwendige Aufwand beschränkt sich im wesentlichen auf eine Speisepumpe bzw. Umwälzpumpe, einen Speisewasserbehälter und die dazu benötigten Armaturen. Ein zusätzlicher überhitzer bzw. eine Heizfläche mit gesonderter Feuerung ist nicht unbedingt erforderlich, wenn man nicht besonderen Wert darauf legt, die Energiegewinnung noch zu steigern und die Wirtschaftlichkeit zu erhöhen. So können auch Betriebsdruck und Durchflußmenge im Heißwasserwärmetauscher für den Betrieb als Dampferzeuger gegebenenfalls so hoch gewählt werden, daß in den Heizflächen gar kein oder nur wenig Dampf entsteht und die Dampfentwicklung hauptsächlich erst hinter einem Reduzierventil durch Entspannung des heißen Wassers vor sich geht. Weiterhin kann der Speisewasserbehälter gleichzeitig die Trommel des Dampferzeugers darstellen, von welchem aus die Speisepumpe bzw. die zur Förderung des Wassers im Heiznetz bereits vorhandene Umwälzpumpe das Wasser für den Dampferzeuger entnimmt.
An Hand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Die Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel in seinen für die Erfindung wesentlichen Teilen in vereinfachter schematischer Darstellung.
Von der nicht näher dargestellten Gasturbinenanlage gelangt der Abgasstrom in Richtung des Pfeiles 1 über den Kanal 2 zum Heißwasserwärmetauscher 3, welcher eine vom aufzuwärmenden Wasser durchflossene Heizfläche 4 enthält. Der Zuführungskanal 2 für die Turbinenabgase ist in die beiden Äste 5 und 6 aufgegabelt, in denen sich bewegliche Klappen 7 und 8 befinden. Bei geöffneter Klappe 7 und geschlossener Klappe 8 treten die heißen Turbinenabgase durch geeignete Öffnungen, z. B. Schlitze 9, in das Innere des Wärmetauschers ein, geben ihre Wärme an die Heizfläche 4 ab und verlassen dann in Richtung des Pfeiles 10 die Anordnung. Eine Zusatzfeuerung ist durch die Pfeile 11 und 12 versinnbildlicht. Hier können geeignete Öl- oder Gasbrenner vorhanden sein, wobei sich durch die Öffnungen 13 und 14 Brennstoff zusammen mit Verbrennungsluft einführen läßt. Es ist aber auch möglich, unter Öffnen der Klappe 8 durch den Kanal 6 eine gewisse Teilmenge des Abgasstromes, gegebenenfalls mit Hilfe eines zusätzlichen Verbrennungsluftgebläses 15, in den unteren Teil des Wärmetauschers einzuführen. Dort können abermals, wie durch die Pfeile 16 und 17 versinnbildlicht ist, zusätzliche Feuerungen vorgesehen sein, wobei Brennstoff und Verbrennungsluft zugeführt werden. Vielfach ist bei den Turbinenabgasen der Sauerstoffanteil noch so hoch, daß nur geringe oder keine Zusatzluftmengen erforderlich sind.
Im unteren Teil des Wärmetauschers 3 befindet sich die Heizfläche 18, die der im oberen Teil des Heißwasserwärmetauschers untergebrachten Heizfläche 4 angehört. Darüber hinaus ist noch eine zusätzliche Heizfläche 19 vorgesehen, die als Verdampferüberhitzerheizflächeverwendbar ist. Sie ist imnormalen Betrieb stillgelegt und wird dann durch die vorgelagerte Heizfläche 18 gegen unzulässige Strahlung der Heizung 11, 12 abgeschirmt.
Bei Betrieb der Kraftanlage zur Versorgung eines Heißwasserheiznetzes tritt das aufzuwärmende Wasser durch die Leitung 20 über den Verteiler 21 in die Heizfläche 4 ein. In dieser Heizfläche und gegebenenfalls noch in der daran anschließenden Heizfläche 18 wird das Wasser aufgeheizt und verläßt über die Leitung 22 bei geöffnetem Ventil 23 die Anlage, um die Wärmeverbraucher im Heiznetz 24 zu versorgen.
Zur Umwälzung des Heißwassers für das Heiznetz kann eine Pumpe 25 dienen, die in der Rücklaufleitung 26 angeordnet ist. Bei geöffneten Ventilen 27 und 28 wird dann das aufzuwärmende Wasser von der Leitung 26 in die Leitung 29 zur Eintrittsleitung 20 des Wärmeaustauschers geführt. Dabei sind die Ventile 30 und 31 geschlossen.
Die Förderpumpe 25 kann gegebenenfalls entfallen oder durch eine schwächere Pumpe ersetzt werden, wenn die Wasserumwälzung durch die Pumpe 32 bewerkstelligt wird. In diesem Fall werden die Ventile 28 und 33 geschlossen und die Ventile 30 und 31 geöffnet. Die Umwälzpumpe 32 fördert dann ganz oder überwiegend das Wasser für das Heiznetz.
Soll nun beispielsweise im Sommer oder zu Zeiten, in welchen kein Wärmebedarf der Wärmeverbraucher vorliegt, Dampf erzeugt werden, der in einer Dampfkraftmaschine zur Energiegewinnung Arbeit leistet, so kann zweckmäßig nach Entwässerung des gesamten Heizflächensystems und Auffüllung mit Speisewasser hohen Reinheitsgrades, insbesondere mit vollentsalztem Wasser nach Schließen der Ventile23 und 27 das Heiznetz abgetrennt werden, Dann ist ein Betrieb als Naßdampferzeuger mit Hilfe der Umwälzpumpe 32 und der Trommel 34 möglich. Die Heißdampftemperatur kann dabei gegebenenfalls durch die zusätzliche Feuerung 16, 17 geregelt werden.
Im Betrieb zur Dampferzeugung kann mit Hilfe der Pumpe 32 ein Umlauf von der Trommel 34 bei geöffneten Ventilen 31 und 33 sowie geschlossenem Ventil 28 bewerkstelligt werden. Das Arbeitsmittel strömt dann durch die Heizflächen 4 und 18 und gelangt bei geschlossenem Ventil 23 und geöffneten Ventilen 35 und 36 zur Trommel 34. An die Trommel 34 ist die Abschlämmleitung 37 mit dem Abschlämmventil 38 angeschlossen. Der der Trommel entnommene Dampf wird über die Leitung 39 dem überhitzer 19 zugeführt.
An die Frischdampfleitung 40 ist die Kondensationsturbine 41 angeschlossen, die den Generator 42 antreibt. Der Turbinenkondensator ist mit 43 bezeichnet. Vom Kondensatsammelbehälter 44 fördert die Kondensatpumpe 45, die gleichzeitig Kesselspeisepumpe ist, das Arbeitsmittel durch das geöffnete Ventil 46 in die Zuführungsleitung 29. Bei geöffnetem Ventil 30 und geschlossenem Ventil 28 erfolgt die Zuführung vor der Umlaufpumpe 32.
Um die Dampfturbine schnell anfahren zu können, kann diese gegebenenfalls zunächst mit Sattdampf beaufschlagt werden, indem die Zusatzfeuerung 16, 17 anfänglich nicht oder nur schwach betrieben wird. Unter allmählicher Steigerung der Zusatzfeuerung 16, 17 kann der Dampf auf die gewünschte überhitzungstemperatur gebracht werden. Eine Abfahrleitung 49 ist als Umführungsleitung zur Turbine 41 angeordnet und steht über ein Reduzierventil 50 mit dem Kondensator 43 in Verbindung. Das erforderliche Zusatzwasser für den Turbinenkreislauf kann über die Leitung 51 und den Zusatzwasserbehälter 47 bei geschlossenem Ventil 52 und geöffnetem Ventil 53 zur Entgasung in den Kondensatbehälter44 des Turbinenkondensators eingeleitet und zur Konstanthaltung des Wasserstandes im Kondensatbehälter 44 herangezogen oder mit herangezogen werden.

Claims

Patentanspräche: 1. Gasturbinen-Kraftanlage mit Ausnutzung der Abwärine eines Gasturbinenabgasstromes, insbesondere im Sinne eines Heizkraftwerkes, unter Verwendung mindestens eines, gegebenenfalls mit einer Zusatzfeuerung versehenen Heißwasserwärmetauschers, wobei das in diesem aufgeheizte Wasser als Wärmeträger für eine Versorgung, insbesondere Fernversorgung, von Wärmeverbrauchern dient, wahlweise jedoch auch die Abwärme für eine Dampfkraftanlage herangezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß für den Betriebsfall der Wärmeausnutzung für die Dampfkrafterzeugung das im reinen Heizbetrieb der Wasseraufwärmung dienende Wärmetauschersystem wenigstens teilweise als Naßdampferzeuger arbeitet und der zum Betrieb der Dampfkraftmaschine benötigte Heißdampf entweder durch teilweise Entspannung des noch nicht oder nur gering verdampften Arbeitsmittels gebildet oder in an sich bekannter Weise in einem nachgeschalteten, gesondert befeuerten überhitzer erzeugt wird.
2. Anlage nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch solche Ausbildung und Bemessung des Heißwasserwärmetauschers und derartige Wahl des Betriebsdruckes und der Durchflußmenge des aufzuwärmenden Arbeitsmittels, daß zunächst kein oder nur wenig Dampf entsteht und die Dampfentwicklung hauptsächlich erst hinter einem Reduzierventil durch Entspannung des heißen Wassers erfolgt. 3. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Speisewasserbehälter für die Dampferzeugung als Umlaufkessel schaltbar ist und eine Trommel (34) sowie eine Umlaufpumpe (32) anschließbar sind. 4. Aplage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Speisewasserbehälter der Kondensatbehälter (44) des Turbinenkondensators (43) herangezogen ist. 5. Anlage nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine mit einem Heißwasserwärmetauscher vereinigte, getrennt befeuerte Heizfläche (19) vorgesehen ist, die als überhitzer oder Nachüberhitzer für die Dampferzeugung verwendbar ist. 6. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb der als überhitzer oder Nachüberhitzer verwendbaren Heizfläche (19) eine mit dem überwiegenden Teil der Heizflächen (4) des Heißwasserwännetauschers in Verbindung stehende Heizfläche (18) vorgesehen ist, die bei Heizbetrieb durch Wasser und bei Dampfbetrieb durch Wasser-Dampf-Gemisch kühlbar ist. 7. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die von Wasser oder Wasser-Dampf-Gemisch durchflossene Heizfläche (18) so angeordnet ist, daß sie die der überhitzung dienende Heizfläche (19) bei ihrer Abschaltung vom Durchfluß vor unzulässiger Wärmestrahlung durch die darüberliegende Feuerung (11, 12) schützt. 8. Anlage nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Turbinenkondensator (43) herangeführte Speisewasser wahlweise vor oder hinter der Umwälzpumpe (32) durch Verstellung von Ventilen (28, 30) zuführbar und der Wasserstand in der Trommel (34) durch die Steuerung dieser Zufuhr regelbar ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Umschau, 62. Jahrgang, Heft 3 (l. 2. 1962), S. 85 bis 87; Energie, 13. Jahrgang, Nr. 12 (Dezember 1961), S. 567; Mech. Engng., 83. Band, Nr. 12 (Dezember 1961), S.60,61.