DE1626153A1 - Gasturbinenkreislaufsystem - Google Patents
GasturbinenkreislaufsystemInfo
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Description
München, den 26. April 1967
19 663
General Electric Company Schenectady, ff.T, /USA
Gasturbinenkreislaufsystem
Die Erfindung betrifft ein kombiniertes Kreislaufsystem mit einer Dampfturbine, die mit in einem Abhitzekessel
einer Gasturbine erzeugtem Dampf gespeist wird, wobei die Gasturbine einen Hochdruckteil und einen Niederdruckteil
aufweist.
Es ist bekannt, Dampf in einem kombinierten Kreislauf durch Rückgewinnung der Abhitze einer Gasturbine für den Betrieb
einer Dampfturbine zu erzeugen. Gewöhnlich wird die Abhitze
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dem Teil der Gasturbine entnommen, der unter dem niedrigsten Druck steht. Von diesem Teil wird das Gas durch Bündel von
Wärmetauschrohren unter einem derartigen Druck abgeführt, der dem Austrittsdruck der Gasturbine entspricht. In den Rohren
wird die Temperatur des Gases herabgesetzt, wobei Dampf erzeugt wird. Die Rohrbündel können auch Teile zur Speisewassererhitzung
und zum Überhitzen des Dampfes umfassen, wie dies an sich bekannt ist.
Die Einrichtung zur Wärmerückgewinnung unter atmosphärischem .Druck hat den Nachteil, daß bei atmosphärischem Druck nur
relativ niedrige Wärmeübergangszahlen erhalten werden, so daß die Kosten der Einrichtung hoch werden. Die Größe und
Kosten des Abhitzekessels können daher die Einsparungen aufheben, die durch die Verwendung eines kombinierten
Kreislaufs erzielt werden.
Es sind auch schon, verschiedene Vorschläge gemacht worden,
einen besseren Wärmeübergang dadurch zu erzielen, daß die Wärmerückgewinnung ganz oder teilweise in einem Dampferzeuger
durchgeführt wird, in dem zusätzlich Brennstoff verbrannt wird, wobei die Verbrennung durch die Überschußluft aufrechterhalten
wird, die normalerweise in den Abgasen der Gasturbine enthalten ist. Durch die Zusatzfeuerung wird
aber der technische Aufwand des Dampferzeugers stark erhöht,
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weil die Wärmestrahlung berücksichtigt werden muß und daher teuerere, entsprechend hitzebeständige Werkstoffe verwendet
werden müssen. Diese Nachteile treten in mit Zusatzfeuerung
betriebenen Wärmetauschern auf, die unter normalem Druck oder unter einem Überdruck arbeiten. Bei den unter einem Überdruck
arbeitenden Wärmetauschern können jedoch infolge der höheren Wärmeübergangszahlen die Wärmeäustauschflachen kleiner sein.
Es ist auch schon vorgeschlagen wirden, zwei unter einem
Überdruck arbeitende, beheizte Dampferzeuger durch den Verdichter einer Gasturbine mit Verbrennungsluft zu versorgen,
wobei die Verbrennungsluft auf die beiden Dampferzeuger im wesentlichen gleichmäßig aufgeteilt wird. Bei dieser Anordnung
fallen jedoch die erhöhten Kosten der unter einem Überdruck arbeitenden, beheizten Dampfkessel ins Gewicht.
Ferner ist vorgeschlagen worden, Sattdampf auf mehr als einem Druckpegel zu erzeugen und dazu die Abgase von mehr
als einem Gasturbinenteil zu verwenden. Dabei bedingen jedoch die zusätzlichen Rohrleitungen, Dampfkessel usw. für
den unter verschiedenen Drücken stehenden Dampf erhöhte Kosten.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Kreislaufsystem mit einer Dampfturbine und einer Gasturbine und einem
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einfachen, nicht gesondert geheizten (Munfired") Dampferzeuger
zu schaffen, in welchem durch den Betriet» einiger der Wärmetauschelemente unter Überdruck die Kosten herabgesetzt
werden.
Diese Aufgabe wird durch ein kombiniertes Kreislaufsystem
mit einer Dampfturbine, die mit in einem Abhitzekessel einer Gasturbine erzeugtem Dampf gespeist wird, wobei die
Gasturbine einen Hochdruckteil und einen Niederdruckteil aufweist, gelöst, das erfindungsgemäß gekennzeichnet ist durch
eine unter einem Überdruck arbeitende erste ungefeuerte Abhitzekesseleinheit,
die unter einem Überdruck stehende Verbrennungsgase von dem Hochdruckteil der Gasturbine erhält, eine unter
niedrigem Druck arbeitende zweite ungefeuerte Abhitzekesseleinheit,
die Abgase von dem Niederdruckteil der Gasturbine erhält, und zwei Verdampfungs-Wärmeaustauscher, die in je
einer der Einheiten angeordnet und mit einem gemeinsamen Sattdampf-Sammelkessel verbunden sind.
Der Aufbau und die Wirkungsweise des Erfindungsgegenstandes
und weitere Aufgaben und Vorteile desselben sind aus der nachstehenden Beschreibung, in welcher die Erfindung anhand
der Figuren 1 und 2 der Zeichnung an einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
näher erläutert wird. Es zeigen:
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Fig. 1 ein erfindungsgemäßes kombiniertes Kreislaufsystem mit
einer Dampfturbine und einer Gasturbine in einer vereinfachten, schematischen Darstellung und
Fig. 2 die Wärmeverteilung in den Wärmerückgewinnungseinheiten, dargestellt in einem Diagramm.
Erfindungsgemäß ist der Dampferzeuger in einem Überdruckteil und einem drucklosen Teil aufgeteilt. In den beiden Teilen
sind zwei Verdampfer angeordnet, die Sattdampf erzeugen und an einen gemeinsamen Kessel abgeben. Der Überdruck teil wird
durch die Abgase des Hochdruckteils einer Gasturbine geheizt. Danach werden die Abgase in einer zweiten Gasturbinen-Brennkammer
rückerhitzt. Sie strömen dann duroh den Niederdruckteil
der Gasturbine und danach durch den drucklosen Teil des Dampferzeugers. In dem Überdruckteil sind einem der Verdampfer
Wärmetauschelemente zum Überhitzen und Rückerhitzen des Dampfes vorgeschaltet. In dem drucklosen Dampf erzeugerteilt
ist dem anderen Verdampfer ein Speisewasser-Vorwärmer ("economizer") nachgeschaltet. Die beiden Dampferzeugerteile
sind somit den Abgaszuständen der zweiteiligen Turbine ideal angepaßt.
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Gemäß Pig. 1 ist eine Zweiwellen-Gasturbine 1 dadurch
mit einer Dampfturbine 2 kombiniert, daß Dampf für die Dampfturbine 2 in einem !angefeuerten Abhitzekessel 3 erzeugt wird.
Die Gasturbine 1 umfaßt einen Verdichter 4, eine erste Brennkammer 5 zum Verbrennen von Kraftstoff, einen GasturMtien-Hochdruckteil
6 zum Antrieb des Verdichters über eine Welle, eine zweite Brennkammer 7 zum Verbrennen von zusätzlichem
Kraftstoff und einen Gasturbinen-Niederdruckteil 8 zum Antrieb eines Verbrauchers 9, beispielsweise eines Generators,
über eine zweite Welle.
Die Dampfturbine 2 ist in vorliegendem Beispiel als eine Reihenverbundmaschine mit Zwischenüberhitzung dargestellt
und besitzt einen Turbinen-Hochdruckteil 10, einen Zwischen-Überhitzungsteil
11 und einen Niederdruckteil 12, der einen zweiten Verbraucher 13» beispielsweise einen Generator, antreibt.
Von dem Niederdruckteil 12 abgegebener, kondensierter Dampf wird in üblicher Weise von Speisewasservorwärmern 14
erhitzt, durch den Entgaser 15 geführt und von der KesselwasserSpeisepumpe
16 in dem Dampferzeuger 3 gefördert.
Der Abhitzekessel 3 besteht aus einem Überdruokteil 17»
einem drucklosen Teil 18 und einem gemeinsamen Satt dampfkessel 19· In dem Überdruokteil 17 und dem drucklosen
Tell 18 befindet sioh je ein Verdampfungs-Wärme taue eher 20
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bzw. 21. Diese Wärmetauscher sind mit dem gemeinsamen Kessel
19 verbunden, von dem sie Speisewasser erhalten und an den
sie Sattdampf abgeben. Das dem Dampfkessel 19 zugeführte Speisewasser wird in einem Speisewasser-Vorwärmer 22 ("economizer
vorgewärmt, der in dem kühleren Bereich des drucklosen Kesselteils 18 angeordnet ist. Von dem Kessel 19 abgegebener
Sattdampf wird in einem Überhitzer 23 überhitzt, der in dem heißeren Bereich des Überdruckteils 17 angeordnet ist. Von
dem Überheitzer 23 gelangt der Dampf in den Hochdruckteil 10 der Dampfturbine. Man kann ferner in dem Zwischenüberhitzer
24, der ebenfalls im heißeren Bereich des Überdruckteils 17 angeordnet ist, Dampf zwischenüberhitzen.
Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Kreislaufsystems wird nachstehend näher erläutert. Die den Hochdruckteil 6 der
Gasturbine verlassenden Abgase stehen unter einem beträchtlichen Überdruck und strömen im wesentlichen ohne Druckabfall
durch den Überdruckteil 17 des Abhitzekessels. In diesem Überdruckteil bewirken die Abgase eine Überhitzung und Zwischenerhitzung
von Dampf und die Erzeugung etwa der Hälfte des in
dem Kreislaufsystem erzeugten Sattdampfes. Da der Wärmeaustausch in dem Teil 17 unter einem Überdruck erfolgt, er
zielt man gute Wärmeübergangezahlen, so daß die Groß· und
die Kosten der Wärmeaustauscher 20, 23 und 24 niedrig gehalst ■ ' .
ten werden können.
0 09 88 3/ 0 70 0 ßAD original -
t·
Da der erste Verbrennungsvorgang in der Brennkammer 5 stattfindet und das Gas in dem Hochdruckteil 6 der Gasturbine etwas
abgekühlt wird, liegen die Temperaturen in dem Überdruckteil 17 in günstigen Bereichen, eo daß eine besonders aufwendige
Konstruktion nicht erforderlich ist.
Die Abgase des Kesselteils 17 gelangen in die Brennkammer 71
in der zusätzlicher Brennstoff verbrannt wird. Nach dem zweiten Verbrennungsvorgang in der Brennkammer 7 expandiert
das Gas durch den Niederdruokteil 8 der Gasturbine, aus der es im wesentlichen unter atmosphärischem Druck austritt und
in den drucklosen Teil 18 des Abhitzekessels gelangt. In dem zur Verdampfung dienenden Wärmetauscher 21 wird jetzt
der übrige Sattdampf erzeugt. Mit Hilfe des Rauchgas-Speisewasser-Vorwärmers 22 wird die Temperatur der Abgase weitestmöglich
herabgesetzt.
Mit dieser Anordnung kann je nach den Abgaszuständen der Gasturbine 1 eine ideale Abstimmung zwischen den Wärmemengen
erzielt werden, die in dem Überdruckteil 17 und dem drucklosen
Teil 18 des Abhitzekessels zurückgewonnen wird.
Dies wird anhand der Fig. 2 erläutert, in der die Abszisse
den Prozentsatz der Wärme angibt, die von der Gasturbine
eilgegeben und in dem Dampf teil zurückgewonnen wird. Die Ordi-
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nate gibt die Temperatur an. Das Diagramm zeigt Kurven für
das nachstehend behandelte Ausführungsbeispiel. Die Linie 17* stellt den Wärme verlust der Gasturbinenabgase in dem Überdruckteil 17 des Abhitzekessels und die Linie 18* den Wärmeverlust der Abgase der Gasturbine in dem Teil 18 des
Abhitzekessels dar. Die Linie 7* stellt die Zwischenüberhitzung in der Brennkammer 7 dar.
Die in dem Dampfteil zurückgewonnene Wärme ist in gestrichelten Linien dargestellt. Die Linie 22» stellt die Erwärmung
des Speisewassers in dem Rauohgas-Speisewasser-Vorwärmer 22
dar, die Linie 21* die Erzeugung von Sattdampf in dem Verdampfer 21 und die Linie 20· die Dampferzeugung in dem anderen
Verdampfer dar. Die Linie 23* stellt die Überhitzung in dem Überhitzer 23 und die Linie 24* die Zwischenüberhitzung in
dem Zwischenüberhitzer 24 dar. Man erkennt aus dem Diagramm, daß in federn der beiden Teile 17, 18 des Abhitzekessels etwa
dit Hälfte der Wärme zurückgewonnen wird.
Die Linie 25 stellt eine übliche Abhitzerückgewinnung dar,
wobei nur die Abhitze einer Niederdruckturbine zur Dampferzeugung ausgenutzt wird. Die Steilheit der Linie 25 wird
durch die Oastemperatur am Austritt des Niederdruokteils 8
der Turbine und die niedrigste Gastemperatur bestimmt, die am Austritt des Abhitzekessels auftreten darf, wenn eine
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Korrosion der Rohre durch Kondensation von dohädlichen Verbrennungsprodukten verhindert werden soll. Die Linie zeigt,
daß bei der üblichen Abwärmerückgewimmmg" prinzipiell kein unter hohem Druck stehender, überhitzter Dampf erzeugt werden
kann, weil die gestrichelt gezeichnete Dampfkurve vollständig unter der Linie 25 liegen müßte. Aus den Linien 17"» 13'
geht dagegen hervor, daß bei einer Teilung des Wärme tauschvorgangs in einen Überdruckteil und einen drucklosen Teil
die Steilheit der Kurven ziemlich genau der Steilheit der Dampferzeugungskurve angepaßt werden kann, so daß in den
verschiedenen Wärmetauscherteilen brauchbare Temperaturdifferenzen erhalten werden und die Dampferzeugung auf die
beiden Verdampfer aufgeteilt wird.
Die Daten für die Fig. 2 wurden mit Hilfe eines Kreislaufes
ermittelt, in dem die Grasturbine etwa ein Drittel der Gesamtleistung an den Verbraucher 9 und die Dampfturbine 2 die übrigen zwei Drittel der Gesamtleistung an den Verbraucher 13
abgibt. In dem üblichen kombinierten Kreislauf mit ungef euer tem Abhitzekessel muß dagegen die Gasturbine «ine höhere
Leistung erzeugen als die Dampfturbine, beispielsweise im Verhältnis 3 J 2.
In dem speziellen Ausführungsbeispiel hatten die Abgase des
Hoohdruokteils der Gasturbine eine Temperatur von 648° C
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(1200° F) und einen Druck von etwa 3 ata. In dem Wärmetauscher 17 wird die Gastemperatur auf 360° G (680° F) herabgesetzt.
In der zweiten Brennkammer 7 wird das Gas erneut erhitzt und tritt aus dem Niederdruckteil 8 der Gasturbine mit etwa
482° C (900° F) aus. Wie in der Fig. 2 angegeben ist, treten
die Rauchgase aus dem Kesselteil 18 mit 177° C (350° F) aus.
Der vorstehend beschriebene Abhitzekessel für eine Gasturbine liefert Dampf von 538° C (1000° F) bei 127 atü (1800 psig)
und bewirkt eine Zwischenüberhitzung auf 538° C (1000° F).
Unter -Berücksichtigung verschiedener Hilfseinrichtungen beträgt der Wärmeverbrauch der Anlage 2360 Kcal/kWh (9400 BTU/
kWh) (bezogen auf den oberen Heizwert des verwendeten Kraft- stoffs),
d. h. er ist um etwa 5 f!>
günstiger als bei einem üblichen Dampfkreislauf mit denselben Dampfzuständen und derselben
Leistung.
Man verwendet vorzugsweise eine Zweiwellen-Gasturbine, weil damit die höchste Anpassungsfähigkeit und der höchste Teillast-Wirkungsgrad
erzielt wird. Dabei umfaßt der Ausdruck Zweiwellen-Gasturbine nicht nur eine übliche Zweiwellen-Gasturbine
für industrielle Zwecke, sondern auch Anordnungen, in denen mehrere Strahltriebwerke vorgesehen sind, die mit einer auf
einer eigenen Welle angeordneten Arbeitsturbine zusammenwirken. Man kann die Erfindung jedoch auch auf Einwellen-Gasturbinen
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anwenden, die eine Enthahme von Gas aus dem Hochdruckteil und
ein Wiedereinleiten des Gases in den Niederdruckteil der Turbine gestatten.
Selbstverständlich kann außer den beiden Wärmetauschern noch ein dritter vorgesehen werden, der unter einem mittleren
Druck arbeitet und von einem zusätzlichen, unter einem mittleren Druck arbeitenden Gasturbinenteil gespeist wird,
welchem seinerseits eine weitere Brennkammer zugeordnet ist.
Im Rahmen fachmännischer Maßnahmen kann ein Teil des Überhitzers 23 oder des Zwischenüberhitzers 24 in dem unter
atmosphärischem Druck arbeitenden Teil 18 des Abhitzekessels angeordnet werden. In diesem Fall erfoglt die Überhitzung
bzw. Zwischenüberhitzung teilweise unter der Kurve 18* in Pig. 2 und ein entsprechender Teil der Verdampf ungskurve
21' verschiebt sich unter die Kurve 17* für den Hochdruckteil 17 des Abhitzekessels. Dies kann in manchen
Fällen zur Erzielung einer besseren Anordnung der Wärmeaustauschflächen zweckmäßig sein, doch gehen andererseits einige
der wirtschaftlichen Vorteile des dargestellten, toevorzugten Ausführungsbeispiels verloren, in dem die aufwendigeren
Elemente zum Überhitzen und Zwischenüberhitzen vollständig in dem Überdruckteil angeordnet sind, der mit
höherem Wirkungsgrad arbeitet.
Patentansprüche: 009883/0700
Claims (4)
1. Kombiniertes Kreislaufsystem mit einer Dampfturbine, die
mit in einem Abhitzekessel einer Gasturbine erzeugtem Dampf gespeist wird, wobei die Gasturbine einen Hochdruckteil
und einen Niederdruckteil aufweist, gekennzeichnet durch eine unter einem Überdruck arbeitende erste
ungefeuerte Abhitzekesseleinheit (17), die unter einem Überdruck stehende Verbrennungsgase von dem Hochdruckteil
(6) der Gasturbine (1) erhält, eine unter niedrigem Druck arbeitende, zweite ungefeuerte Abhitzekesseleinheit
(18), die Abgase von dem Niederdruckteil (8) der Gasturbine (1) erhält, und zwei Verdampfungs-Wärmeaustauscher
(20, 21), die in je einer der Einheiten (17, 18)
angeordnet und mit einem gemeinsamen Sattdampf-Sammelkessel (19) verbunden sind.
2. Kombiniertes Kreislaufsystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen dritten Wärmeaustauscher (23),
der in dem heißeren Teil der ersten Einheit (17) angeord
net und mit dem gemeinsamen Sammelkessel (19) zum Überhitzen des Dampfes verbunden ist, und einen vierten Wärmeaustauscher (22), der in dem kühleren Teil der zweiten
Einheit (18) angeordnet ist und die Wärmeaustauscher (20, 21) mit vorgewärmtem Speisewasser speist.
SAD ORIGINAL 003883/07 0 0 - 2 -
3. Kombiniertes Kräslauf system nach. Anspruch 1 oder 2,
gekennzeichnet durch eine zweite Brennkammer (7) zum Zwischenerhitzen der unter einem Überdruck stehenden
Verbrennungsgase der Gasturbine durch Verbrennung von zusätzlichem Kraftstoff in diesen Gasen zwischen der
ersten Einheit (17) und dem Niederdruckteil (8) der Gasturbine.
4. Kombiniertes Kreislaufsystem nach einem der Ansprüche
1 bis 3, gekennzeichnet durch einen in dem heißeren Teil der unter Überdruck arbeitenden Abhitzekesseleinheit (17)
angeordneten und der Dampfturbine zwischenüberhitzten Dampf zuführenden Zwischenüberhitzer (24).
BA0
009883/0700
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