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DE19652349A1 - Solar- und Niedertemperaturwärme-Kombianlage-Solico - Google Patents

Solar- und Niedertemperaturwärme-Kombianlage-Solico

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DE19652349A1
DE19652349A1 DE19652349A DE19652349A DE19652349A1 DE 19652349 A1 DE19652349 A1 DE 19652349A1 DE 19652349 A DE19652349 A DE 19652349A DE 19652349 A DE19652349 A DE 19652349A DE 19652349 A1 DE19652349 A1 DE 19652349A1
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Description

Die Erfindung betrifft eine Kombi-Anlage aus Gas- und Dampfturbine zur Stromerzeugung oder gekoppelter Strom- und Wärmeerzeugung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit optimalem Wirkungsgrad in eine Kombi- Anlage aus Gas- und Dampfturbine Solarwärme und/oder Niedertemperaturwärme einzubin­ den, um den Erdgas- oder Heizölverbrauch der Gasturbine zu reduzieren.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch folgende Merkmale gelöst:
  • a) Im Verdichter der Gasturbine wird nur geringfügig mehr Luft verdichtet als zur stöchiometrischen Verbrennung des Gasturbinenbrennstoffes erforderlich ist, was die Verdichterleistung reduziert;
  • b) nach dieser Verdichtung und während der Zufuhr von Solarwärme z. B. in Parabolrin­ nenabsorbern und/oder der Zufuhr von Niedertemperaturwärme über Wärmetauscher an die verdichtete Luft wird zumindest einmal, in einer vorteilhaften Ausgestaltung aber auch mehrfach hintereinander Wasser und/oder Kondensat eingespritzt, so daß eine möglichst niedrige mittlere Temperatur eingehalten wird, um möglichst viel Wärme bei niedriger Temperatur, nämlich entsprechend dem Partialdruck des Wasser­ dampfes in der verdichteten Luft, einkoppeln zu können;
  • c) nachdem soviel Wasser und/oder Kondensat eingespritzt wurde, daß der Luft-Wasser­ dampf-Massenstrom ausreicht, bei nahezu stöchiometrischer Verbrennung die zulässi­ ge Gasturbineneintrittstemperatur einzuhalten, wird ein Temperaturanstieg über die dem Wasserdampfpartialdruck entsprechende Sattdampftemperatur des verdichteten Luft-Wasserdampfgemisches durch Zufuhr von Solar- und/oder Niedertemperaturwär­ me zugelassen;
  • d) für die Regelung der Gasturbineneintrittstemperatur bei plötzlichem vorübergehenden Ausfall der Solarwärme, z. B. durch Wolken, und/oder Niedertemperaturwärme werden die Wasser- und/oder Kondensateinspritzungen und der Luftüberschuß verwendet.
Um die Verdichterleistung weiter zu reduzieren ist es vorteilhaft, wenn die Luft in einem oder mehreren Zwischenkühlern, in denen Wärme an Wasser und/oder Kondensat übertragen wird, und/oder durch direkte Einspritzung von Wasser bzw. Kondensat über Leitschaufeln und/oder Laufschaufeln und/oder Gehäuse und/oder zwischen den Verdichterstufen liegenden Einspritzungen gekühlt wird.
Falls kein Wasser vorhanden ist und zur weiteren Erhöhung des Wirkungsgrades ist es vorteilhaft, wenn in dem nach der Gasturbine geschalteten Abhitzedampferzeuger mit einer oder mehreren Druckstufen, in denen Wasser für die Dampfturbinen vorgewärmt, verdampft und überhitzt wird, das Abgas aus der Gasturbine, das aus Stickstoff, Wasserdampf, CO2 und nur geringen Anteilen O2 und anderen Gasen wie Argon etc. besteht, soweit abgekühlt wird, daß das für die Kühlung und die Erhöhung des Luftmassenstroms benötigte Kondensat ausfällt; in dem Abhitzedampferzeuger sind dann Vorrichtungen zur Abscheidung und Sammlung vorzusehen; ferner muß dann das Kondensat gereinigt und mittels einer Pumpe auf dem erforderli­ chen Druck gebracht werden.
Im Falle von Wärmeauskopplung für Heizzwecke ist es zweckmäßig, wenn ein Teil oder die gesamte Aufheizung des Heizwassers durch Abkühlung des Abgases nach dem Abhitzedamp­ ferzeuger insbesondere auch während des Kondensatanfalls erfolgt.
Für die Regelung des Abhitzedampferzeugers bei plötzlichem vorübergehenden Ausfall der Solar und/oder Niedertemperaturwärme und für Verbrauchsspitzen bei Betrieb ohne Solar- oder Niedertemperaturwärme ist es zweckmäßig, wenn eine Nachfeuerung zwischen Gastur­ binenaustritt und Abhitzedampferzeugereintritt vorgesehen wird.
Falls ansonsten der Gegendruck für die Gasturbine zu hoch wird bzw. der Wirkungsgrad dadurch gesteigert werden kann, ist es zweckmäßig, wenn das weitgehend trockene Abgas mit einem Saugzuggebläse zum Schornstein gefördert wird.
Für die Kühlung der Gasturbine ist es vorteilhaft, einen Teilstrom des Luft(Wasserdampf­ gemisches unmittelbar nach der in Strömungsrichtung des Luft/Wasserdampfgemisches letzten Kondensateinspritzung, also vor einem Temperaturanstieg zu verwenden, weil dadurch auch möglichst viel Wasserdampf zur Kühlung genutzt wird.
Da eine Stabilisierungsflamme Luft mit möglichst viel Sauerstoff benötigt, ist es zweckmä­ ßig, dafür einen Teilstrom der Luft unmittelbar nach dem Verdichter abzuzweigen.
Um ohne Solar- bzw. Niedertemperaturwärme die volle Leistung abgeben zu können, ist es zweckmäßig, einen 2. Verdichter über eine Kupplung zuzuschalten.
Wenn genügend anderes Wasser, das auch mit brennbaren Inhaltsstoffen verschmutzt sein kann, zur Verfügung steht, ist es zweckmäßig, einen Teil oder das Kondensat ganz zu ersetzen.
Es ist zweckmäßig, einen geringfügigen Anstieg der Temperatur des Luft-Wasserdampf­ gemisches über die dem Wasserdampfpartialdruck vor der nächsten Einspritzung entsprechen­ de Sattdampftemperatur zuzulassen und die Differenz dieser Temperaturen zur Regelung des Einspritzstromes des Wassers und/oder Kondensates in die verdichtete Verbrennungsluft zu verwenden.
Erfindungsgemäß wird die Solarwärme und/oder Niedertemperaturwärme in der Art in eine Kombianlage aus Gas- und Dampfturbine eingebunden, in der diese Einbindung den An­ lagenwirkungsgrad am meisten erhöht; dies geschieht dadurch , daß durch die Solarwärme und/oder Niedertemperaturwärme Wasser und/oder Kondensat, das der Verbrennungsluft der Gasturbine zugemischt wird, bei einer Temperatur entsprechend dem Partialdruck des Wasserdampfes verdampft wird, wobei dieses Kondensat bei der Abkühlung der Abgase bei relativ hoher Temperatur ausfällt, weil im Abgas Wasserdampf in höherer Konzentration enthalten ist als bei üblichen Gas-Dampfturbinenkombianlagen, bei denen ein erhöhter Luftüberschuß verwendet wird, um die maximal zulässige Gasturbineneintrittstemperatur einzustellen.
Durch die erfindungsgemäße Anlage werden die dem bisherigen Kombianlagen anhaftenden Nachteile verringert, nämlich thermodynamisch ungünstig viel Luft verdichten zu müssen, um die zulässige Gasturbineneintrittstemperatur einzuhalten. Statt dessen wird das Wasser und/oder Kondensat auf erhöhten Druck gebracht, was mit wesentlich weniger Energie bzw. Leistung verbunden ist. Die Leistungsabgabe der erfindungsgemäßen Kombianlage wird durch die Verringerung der Luftverdichterleistung stark erhöht. Ferner wird durch die Einbin­ dung von Solar- und/oder Niedertemperaturwärme zum Verdampfen des Wassers und/oder Kondensats und zur Vorwärmung des Luft-Wasserdampf-Gemisches zusätzlich Gasturbinen­ brennstoff eingespart.
Erfindungsgemäß wird die Verdichterleistung durch mindestens eine Zwischenkühlung durch Aufwärmung oder Einspritzung von Wasser und/oder Kondensat weiter vermindert, was die Leistungsabgabe der Gasturbine weiter erhöht. Ferner wird das Wasser und/oder Kondensat vor der Solar- bzw. Niedertemperaturwärmeaufnahme oder in einer vorteilhaften Ausgestal­ tung der Erfindung auch zusätzliche auf mehrere weitere Einspritzstellen verteilt eingespritzt, so daß eine möglichst niedrige Mitteltemperatur entsprechend dem steigenden Partialdruck des Wasserdampfes entsteht und möglichst viel Solar- und/oder Niedertemperaturwärme eingebunden werden kann. Ein Temperaturanstieg über die Sattdampftemperatur entsprechend dem Wasserdampfpartialdruck wird erst zugelassen, wenn der Luft-Wasserdampf-Massen­ strom ausreicht, daß bei nahstöchiometrischer Verbrennung die zulässige Gasturbineneintritts­ temperatur nicht überschritten wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Abgas in dem nach der Gasturbine geschalteten Abhitzekessel so weit abgekühlt, daß das benötigte Kondensat ausfällt. Es kann allerdings auch anderes zur Verfügung stehendes Wasser, das auch mit brennbaren Inhaltsstoffen verschmutzt sein kann, statt des Kondensats verwendet werden. Vor­ teilhaft kann aus einer erfindungsgemäßen Anlage auch Wärme für Heizzwecke ausgekoppelt werden, wobei der Heizungswärmetauscher insbesondere in dem Temperaturbereich des Kondensatanfalls vorzusehen ist. Die erfindungsgemäße Anlage hat dann Einrichtungen zur Kondensatabscheidung aus dem Abgas und zum Sammeln, Aufbereiten und zur Druck­ erhöhung des Kondensates.
Bei üblichen solarthermischen Anlagen oder Anlagen, bei denen Niedertemperaturwärme eingekoppelt wird, verursachen vorüberziehende Wolkenfelder bzw. der Ausfall der Nieder­ temperaturwärme große Störungen. Bei der erfindungsgemäßen Anlage können diese Störun­ gen ohne große Probleme durch Veränderung der Wasser- und/oder Kondensateinspritzung, des Luftstromes, Zu- bzw. Abschalten und Regelung einer Nachfeuerung und eines zweiten Verdichters ausgeglichen werden. Auch bei Verbrauchsspitzen und bei Betrieb ohne So­ larwärme (nachts) und/oder Niedertemperaturwärme werden die oben genannten Regelmög­ lichkeiten verwendet.
Ferner kann es vorteilhaft sein, das trockene Abgas mit einem Saugzuggebläse zum Schorn­ stein zu fördern, um den Gegendruck der Gasturbine zu vermindern und ihre Leistungs­ abgabe um mehr als den Leistungsbedarf des Saugzuggebläses zu erhöhen.
Die Kühlluft für die Gasturbine wird zweckmäßiger Weise nach der letzten Wasser- und/oder Kondensateinspritzung entnommen, weil an dieser Stelle der Wasserdampfgehalt schon maximal ist. Luft für eine eventuell nötige Stabilisierungsflamme wird hingegen zweckmäßi­ ger Weise unmittelbar nach der letzten Verdichterstufe abgezweigt, weil diese Luft den höchsten Sauerstoffgehalt hat.
In der Zeichnung 1 ist eine als Beispiel dienende Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Statt der Parabolrinnen mit Absorberrohren wären beim Einkoppeln von Niedertemperatur­ wärme Wärmeübertrager vorzusehen. Es zeigen:
Fig. 1 eine Solar- und Niedertemperaturwärme-Kombianlage als Blockdiagramm und
Fig. 2 ein Temperaturdiagramm.
Über eine erste Verdichterstufe (1) wird Luft aus der Umgebung angesaugt, verdichtet und über mindest einen Zwischenkühler (2) einer zweiten Verdichterstufe (3) zugeführt. In der zweiten Verdichterstufe (3) wird die Luft weiter verdichtet und den Parabolrinnen (4) mit den Absorberrohren (5) zugeführt. Ein Teil der Luft kann auch über eine Leitung (29) und ein Ventil (30) einer Stabilisierungsflamme der Gasturbinenbrennkammer (7) zugeführt werden.
Falls das Parabolrinnenfeld nicht in Betrieb ist, kann über ein Bypassventil (6) die Luft aus der zweiten Verdichterstufe (3) direkt der Gasturbinenbrennkammer (7) zugeführt werden. Vor den und zwischen oder in den die Absorberrohren (5) wird mehrfach über Kondensat­ einspritzregelventile (26) im Wärmetauscher (2) vorgewärmtes Kondensat eingespritzt, um die Temperatur sägezahnförmig auf einem niedrigen Niveau zu halten (siehe Fig. 2). Aus den Parabolrinnen strömt das Luft-Wasserdampfgemisch zur Brennkammer (7). In die Brenn­ kammer (7) wird über ein Brennstoffregelventil (8) Gasturbinenbrennstoff zugeführt. Aus der Brennkammer (7) strömen die heißen Verbrennungsgase in die Gasturbine (9), wo sie entspannt werden und Leistung für den Antrieb der Verdichterstufen (1 und 3), ferner über eine Kupplung (31) gegebenenfalls auch für einen 2. Verdichter (32) und natürlich für den Generator (10) abgeben. Der 2. Verdichter (32) wird zugeschaltet, wenn trotz ausgefallener Solar- oder Niedertemperaturwärme volle Leistung gefahren werden soll. Die Luft des 2. Verdichters (32) wird über ein Absperrventil (33) der Gasturbinenbrennkammer (7) zugeführt. Die Abgase der Gasturbine (9) strömen über eine Nachbrennkammer (11), in die bei Bedarf über ein Nachfeuerungsbrennstoffregelventil (12) Brennstoff (gasförmig, flüssig oder staubför­ mig) und Verbrennungsluft über ein Verbrennungsluftgebläse zugegeben wird, in den Abhitzekessel (14), der Bestandteil einer konventionellen Dampfturbinenanlage (13) mit ein oder mehreren Druckstufen und eventuell Zwischenüberhitzern ist, die vereinfacht aus dem Abhitzekessel (14) einer bzw. mehreren Dampfturbinen (15) mit Dampfturbinengeneratoren (16), einem Kondensator (17), einer Kühlwasserpumpe (18), einem Kühlturm (19) und einer Speise­ wasserpumpe (20) besteht. Im Abhitzekessel erfolgt die Abscheidung und Sammlung von Kondensat, das in der Kondensatreinigung (21) aufbereitet wird und von der Kondensatpum­ pe (22) über die Kondensatleitung (25) zum Wärmetauscher (2) gefördert wird, um letztlich, wie bereits geschildert, in die Verbrennungsluft eingedüst werden.
Das weitgehend trockene Abgas verläßt den Abhitzekessel (14) und wird, wenn dies den Wirkungsgrad erhöht, von einem Saugzuggeblase (23) zum Schornstein (24) gefördert.
Für die Gasturbine wird nach dem in Strömungsrichtung des Luft- Wasserdampfgemisches letzten Kondensateinspritzventil (26) ein Gemisch von Luft- und Wasserdampf zur Kühlung entnommen und über eine Gasturbinenkühlluftleitung (27) und ein Gasturbinenkühlluftventil (28) der Gasturbine zugeführt. Ist das Parabolrinnenfeld außer Betrieb, wird die Kühlluft direkt über das Bypassventil (6) und das Gasturbinenkühlluftventil (28) zugeführt.
Bezugszeichenliste
1
1. Verdichterstufe des 1. Verdichters
2
Zwischenkühler
3
2. Verdichterstufe des 1. Verdichters
4
Solarparabolrinne
5
Absorberrohr
6
Bypassventil für verdichtete Luft
7
Gasturbinenbrennkammer
8
Brennstoffregelventil
9
Gasturbine
10
Gasturbinengenerator
11
Nachfeuerung
12
Nachfeuerungsbrennstoffregelventil
13
Wasser-Dampfkreislauf (vereinfacht)
14
Abhitzedampferzeuger
15
Dampfturbine (stellvertretend für mehrere Dampfturbinen auf verschiedenen Druckstufen)
16
Dampfturbinengenerator
17
Kondensator
18
Kühlwasserpumpe
19
Kühlturm
20
Speisewasserpumpe(n)
21
Kondensatreinigung
22
Kondensatpumpe
23
Saugzuggebläse
24
Schornstein
25
Kondensatleitung
26
Kondensateinspritzregelventil
27
Gasturbinenkühlluftleitung
28
Gasturbinenkühlluftregelventil
29
Luft für Stabilisierungsflamme
30
Regelventil für Luft für Stabilisierungsflamme
31
Kupplung für 2. Verdichter
32
2. Verdichter
33
Absperrventil

Claims (13)

1. Verfahren zum Betreiben einer Solar-und Niedertemperatur-Wärme-Kombianlage aus Gas- und Dampfturbine zur Stromerzeugung oder gekoppelten Strom- und Wärmeer­ zeugung, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
  • a) Es wird nur geringfügig mehr Verbrennungsluft verdichtet, als zur stöchio­ metrischen Verbrennung des Gasturbinenbrennstoffes erforderlich ist;
  • b) nach dieser Verdichtung und/oder während der Zufuhr von Solar- und/oder Niedertemperaturwärme wird Kondensat und/oder Wasser in die verdichtete Verbrennungsluft eingespritzt und verdampft, so daß das Luft-Wasserdampf- Gemisch einen möglichst niedrigen Temperaturverlauf annimmt, der durch die Sattdampftemperatur entsprechend dem zunehmenden Partialdruck des Wasser­ dampfes in der verdichteten Luft bestimmt wird, und so einen möglichst hohen Wärmeeintrag bei niedriger Temperatur ermöglicht;
  • c) nachdem soviel Wasser und/oder Kondensat eingespritzt wurde, daß der Luft- Wasserdampf-Massenstrom ausreicht, bei nahezu stöchiometrischer Verbren­ nung die zulässige Gasturbineneintrittstemperatur einzuhalten, erfolgt eine Vorwärmung des Gemisches aus verdichteter Verbrennungsluft und Wasser­ dampf durch Solarwärme und/oder Niedertemperaturwärme auf eine Tempera­ tur über die dem Wasserdampfpartialdruck entsprechende Sattdampftemperatur;
  • d) bei plötzlichem Ausfall der Wärmezufuhr in den Verfahrensschritten b) und
  • c) wird die Gasturbineneintrittstemperatur durch Verminderung der Ein­ spritzung von Kondensat und/oder Wasser und Erhöhung der Luftzufuhr und damit des Luftüberschusses geregelt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine weite­ re Reduzierung der Verdichterleistung durch zumindest eine Zwischenkühlung, wobei die Wärme der verdichteten Luft zur Vorwärmung des Kondensates und/oder Wassers verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine weitere Reduzierung der Verdichterleistung durch direkte Einspritzung von Kondensat und/oder Wasser in die Verbren­ nungsluft bei ihrer Verdichtung.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, daß in einem der Gasturbine nachgeschalteten Abhitze­ dampferzeuger mit einer oder mehreren Druckstufen Wasser für eine Dampfturbine vorgewärmt, verdampft und überhitzt wird, wobei das aus Stickstoff, Wasserdampf, CO2 und gerin­ gen Anteilen O2 und anderer Gase wie Argon etc. bestehende Abgas aus der Gasturbine soweit abgekühlt wird, daß das für die Kühlung der Luft und die Erhöhung des Luftmassenstroms benötigte Kondensat ausfällt und dann aus dem Abgas abge­ schieden, aufbereitet und auf den nötigen Druck gebracht wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Wärmeauskopplung für Heizzwecke ein Teil oder die gesamte Aufheizung des Heizwassers durch Abkühlung des Ab­ gases nach dem Abhitzedampferzeuger, insbesondere auch wäh­ rend des Kondensatanfalls erfolgt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei plötzlichem vorübergehenden Ausfall der Solar- und/oder Niedertemperaturwärme für Verbrauchs­ spitzen eine Nachfeuerung zwischen Gasturbinenaustritt und Abhitzedampferzeuger vorgesehen wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das weitgehend trockene Abgas zum Schornstein gefördert wird, z. B. unter Verwendung eines Saugzuggebläses.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar nach der in Strömungsrich­ tung des Verbrennungsluft-Wasserdampf-Gemisches letzten Wasser und/oder Kondensateinspritzung ein Teilstrom des Luft-Wasserdampf Gemisches für die Kühlung der Gasturbine abgezweigt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar nach der letzten Verdich­ terstufe ein Teilstrom der Luft für eine Stabilisierungs­ flamme in der Brennkammer abgezweigt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Betrieb ohne Solar- oder Niedertem­ peraturwärme zur Aufrechterhaltung der vollen Leistungsab­ gabe eine zweite Verdichterstufe zugeschaltet wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die Einspritzung in die Verbren­ nungsluft auch Wasser mit brennbaren Inhaltsstoffen verwen­ det wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekenn­ zeichnet durch die Verwendung von Parabolrinnenabsorbern und/oder Niedertemperaturwärmetauschern zur Vorwärmung der verdichteten Verbrennungsluft.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasser und/oder Kondensat zusätzlich zu einer Einspritzung nach dem Verdichter an mehreren Stellen zwischen hintereinander liegenden Parabolrinnenabsorbern und/oder Niedertemperatur­ wärmetauschern eingespritzt wird, wobei der jeweilige Einspritzstrom die Ober­ temperatur des Luft-Wasserdampf-Gemisches über der dem Partialdruck des Wasser­ dampfes entsprechenden Sattdampftemperatur vor der nächsten Einspritzung auf einen vorgegebenen Wert regelt.
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