DE19831425A1 - Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer mit Brennstoff und Verbrennungsluft beschickten Gasturbine mit den folgenden Schritten: DOLLAR A - Führen der Abgase der Gasturbine (1) unter Erzeugung von Dampf (8) durch einen Dampfkessel (7), DOLLAR A - Betreiben einer Kälteanlage (11) mit dem in dem Dampfkessel (7) erzeugten Dampf (8), DOLLAR A - Erzeugen eines pumpfähigen Eisbreis in der Kälteanlage (11) und DOLLAR A - Einsprühen des pumpfähigen Eisbreis in die der Gasturbine (1) zugeführte Verbrennungsluft (3).

Description

Gasturbinen verbrennen einen Brennstoff (in der Regel Gas oder Öl, im nachfolgenden wird - unabhängig vom Brennstoff - der Begriff "Gasturbine" verwendet) durch Zufuhr von Verbren­ nungsluft. Die Wellenleistung der Gasturbine ist unter ande­ rem davon abhängig, welche Temperatur die Verbrennungsluft aufweist. Bei ansonsten gleichen Bedingungen kann eine Gas­ turbine mehr Wellenleistung abgeben, wenn die Luft kälter als bei Nennbedingungen ist; ist die Luft wärmer, so sinkt die Wellenleistung.

Es kann daher vorteilhaft sein, die Verbrennungsluft von Gas­ turbinen vorzukühlen. Üblicherweise wird dazu eine mechani­ sche Kältemaschine verwendet. Eine solche mechanische Kälte­ anlage benötigt elektrischen Strom, der bei der Stromabgabe der Gasturbine fehlt, insbesondere zu Spitzenlastzeiten, wenn die Gasturbine maximale Leistung abgeben soll.

Absorptionskälteanlagen können ohne nennenswerten Elektro­ energiebedarf mit der Abwärme der Gasturbine betrieben wer­ den, dafür kann man mit Absorptionsanlagen auf der Basis Lithiumbromid/Wasser (Wasser ist das Kältemittel) kein spei­ cherbares Eis erzeugen. Ebenso ist die Temperatur des kalten Wassers oftmals nicht tief genug (min. 4 bis 7°C, fabrikat­ abhängig). Die Kälteanlage muß entweder für den Betriebsfall bei maximaler Stromerzeugung ausgelegt werden und wird somit groß, oder es muß kaltes Wasser gespeichert werden, wozu gro­ ße Speicher notwendig sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Aus­ gestaltungen der Erfindung an.

Anders als bei der Verwendung einer mechanischen Kälteanlage tritt bei der hier vorgeschlagenen Verwendung einer Kälte­ anlage mit Strahlapparat kein nennenswerter Bedarf an elek­ trischem Strom auf (im wesentlichen nur für die Pumpen). Da­ mit entfällt das Problem der gleichzeitigen Abdeckung elek­ trischer Spitzenlast und zusätzlicher Versorgung einer mecha­ nischen Kälteanlage mit elektrischem Strom und es wird - im Vergleich zum Betrieb der mechanischen Kälteanlage mit ge­ speichertem Kühlmedium kaum wertvoller elektrischer Strom be­ nötigt.

Im Unterschied zur Absorberkälteanlage kann bei der vorge­ schlagenen Verwendung einer Kälteanlage mit Strahlapparat speicherbares Binäreis erzeugt werden, was mit Lithiumbro­ mid/Wasser-Absorbern nicht möglich ist. Damit ist es möglich, den Betrieb der dampfbetriebenen Kälteanlage mit Strahlappa­ rat zur Binäreeiserzeugung zu solchen Tageszeiten ablaufen zu lassen, wenn keine Spitzenleistung gefahren werden muß, womit aller Dampf für die Dampfturbine zur zusätzlichen Stromerzeu­ gung verfügbar ist. Die Verbrennungsluft wird in dieser Zeit mit gespeichertem Binäreis gekühlt. Die Absorberkälteanlage wird hingegen bevorzugt (fast zwangsläufig) während des elek­ trischen Spitzenbetriebes gefahren, wodurch Dampf für die zu­ sätzliche Stromerzeugung entzogen wird.

Im Unterschied zu Wasserkühlern mit einer mechanischen Kälte­ anlage oder einem Absorber benötigt die vorgeschlagene Kälte­ anlage mit Strahlapparat keine Wärmeübertragungsflächen im Behälter (Verdampfer). Daher darf das Kühlmedium verschmutzt sein, ohne die Funktion oder die Leistungszahl der Kälteanla­ ge mit Dampfantrieb zu verschlechtern. Damit entfällt eine aufwendige Wartung und Reinigung von Wärmeaustauschern.

Versprüht man Binäreis zur Verbrennungsluftkühlung, so wird die Verbrennungsluft durch das versprühte Kühlmedium ganz oder teilweise von Staub, Aerosolen, Sand und anderen ab­ scheidbaren Schadstoffen aus der Luft gereinigt. Dies hat ei­ nen positiven Einfluß auf den Betrieb der Gasturbine. Es ist also aus betrieblichen, energetischen und anwendungsbezogenen Gründen zweckmäßig, die Kälteanlage zur Verbrennungsluft­ kühlung so zu wählen, daß die Vorteile der dampfbetriebenen Kälteanlage mit einem Strahlapparat zur Erzeugung von Binä­ reis zur Geltung kommen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Figur bei spiel­ haft erläutert.

Eine Gasturbine 1 wird mit einem Brennstoff 2 unter Zuführung von Verbrennungsluft 3 betrieben und stellt mechanische Ener­ gie (bei Stromerzeugung: elektrische Energie) 4 zur Verfü­ gung. Das Abgas 5 wird über einen Abgaskanal 6 abgeführt. Da­ bei beheizt das heiße Abgas einen Kessel 7, der Dampf 8 er­ zeugt.

Der Dampf 8 kann dazu verwendet werden, um mit einer Dampf­ turbine 9 zusätzliche mechanische Leistung bzw. elektrischen Strom 10 zu erzeugen. Der abgearbeitete Dampf oder das Kon­ densat aus der Dampfturbine kann an den als Wärmeaustauscher ausgebildeten Kessel 7 zurückgegeben werden.

Der Dampf 8 wird alternativ oder gleichzeitig zum Betrieb ei­ ner Kälteanlage 11 (bestehend aus 12, 13 und 20) verwendet Diese Kälteanlage 11 ist eine Dampfstrahlkälteanlage zur Bi­ näreiserzeugung mit einem Strahlapparat 12, der mit Dampf 8 betrieben wird.

In einem Behälter 13 wird durch Vakuumhaltung und durch den vom Strahlapparat 12 erzeugten Unterdruck ein Druck einge­ stellt, bei dem Wasser verdampfen kann (Bildung von sog. "Flashdampf"). Das Wasser wird dabei ggf. abgekühlt. Beim Tripelpunkt des Wassers entstehen durch die Wasserverdampfung kleine Eiskristalle, die im Behälter 13 im Wasser suspendie­ ren und einen flüssigen, pumpfähigen Eisbrei ergeben (nach­ folgend als "Binäreis" bezeichnet). Das abgekühlte Wasser bzw. das Binäreis wird als Kühlmedium für die Verbrennungs­ luftkühlung verwendet.

Das mit der Kälteanlage 11 erzeugte Binäreis wird in einem Behälter 14 gespeichert, wodurch die Spitzenlastdeckung er­ leichtert oder überhaupt erst erreicht wird. Ebenso kann der Behälter 14 zur hydraulischen Entkoppelung dienen ("Pufferbe­ hälter"). Das Kühlmedium wird aus dem Behälter 13 (ohne Spei­ cherung) oder aus dem Behälter 14 (Speicher-/Pufferbehälter) über eine Pumpe 15 zur Versprühung in einer Kammer 16 trans­ portiert.

Diese Kammer 16 ersetzt den üblichen Oberflächenkühler (z. B. Luftkühler mit Lamellen- oder Glattrohren). Dabei wird in der Sprühkammer 16 das Kühlmedium "Binäreis" in die Verbrennungs­ luft einsprüht und dadurch die gewünschte Kühlung der Luft erzielt. Die Versprühung erfolgt durch Düsen 17, welche ggf. der Länge der Sprühkammer nach hintereinander geschaltet sind, um durch mehrstufige Fahrweise eine hohe Luftabkühlung sicherzustellen.

Da bei der Versprühung von Binäreis der Taupunkt der Verbren­ nungsluft unterschritten wird, kondensiert Wasserdampf aus der Verbrennungsluft aus, vorzugsweise an der Oberfläche der Kühlmediumtröpfchen, ggf. auch an Stellen, die durch ver­ sprühtes Kühlmedium gekühlt werden. Das Kühlmedium wird bei Taupunktunterschreitung mit kondensiertem Wasserdampf ange­ reichert.

Wegen der Taupunktunterschreitung sind Tröpfchen des Kühlme­ diums und auskondensierten Wasserdampfes in der gekühlten Verbrennungsluft vorhanden, welche zweckmäßigerweise durch einen Tropfenabscheider 18 eliminiert werden, sofern nicht bereits andere Maßnahmen getroffen wurden oder der Tropfen­ eintrag an der Gasturbine toleriert werden kann.

Bei Taupunktunterschreitung ist es demnach unerheblich, ob man eine Tropfenabscheidung nur wegen des kondensierten Was­ serdampfes oder wegen der gleichzeitigen Anwesenheit von Tröpfchen des Kühlmediums vornimmt. Daher ist die Versprühung von Binäreis nicht nachteiliger als die Luftkühlung über ei­ nen Oberflächenkühler.

Die in der Sprühkammer der Verbrennungsluft entzogene Wärme teilt sich dem Kühlmedium dergestalt mit, daß die Eiskristal­ le des Binäreises ganz oder teilweise aufgeschmolzen werden. Sofern die Eiskristalle des Binäreises vollständig aufschmel­ zen können ist es möglich, das Kühlmedium zusätzlich zu er­ wärmen. Läßt man diese Anhebung des Rücklaufes des Kühlmedi­ ums bei Binäreisbetrieb zu, so ist die Enthalpiedifferenz des Kühlmediums höher und Kühlmedium-Massenstrom, Rohrleitungs­ querschnitte sowie Pumpenleistung verringern sich entspre­ chend.

Das Kühlmedium wird nach Beaufschlagung der Verbrennungsluft mittels der Pumpe 19 zum Behälter 13 zurückgeführt (ggf. in eine Vorlage für den Behälter 13). Es ist auch möglich, das zurückfließende Kühlmedium in mehreren Stufen abzukühlen bzw. zu Binäreis zu machen.

Der Strahlapparat 12 fördert das Gemisch aus Dampf 8 ("Treib­ dampf") und Flashdampf (der sog. "Mischdampf") zum Verflüssi­ ger 20, welcher mit Kühlwasser 21 gekühlt wird. Der verflüs­ sigte Mischdampf wird an den Wärmeaustauscher 7 mittels der Pumpe 22 zurückgefördert und wieder vorgewärmt bzw. ver­ dampft.

Claims (4)

1. Verfahren zum Betreiben einer mit Brennstoff und Verbrennungsluft beschickten Gasturbine, gekennzeichnet durch:

• - Führen der Abgase der Gasturbine (1) unter Erzeu­ gung von Dampf (8) durch einen Dampfkessel (7),
• - Betreiben einer Kälteanlage (11) mit dem in dem Dampfkessel (7) erzeugten Dampf (8),
• - Erzeugen eines pumpfähigen Eisbreis in der Kältean­ lage (11), und
• - Einsprühen des pumpfähigen Eisbreis in die der Gasturbine (1) zugeführte Verbrennungsluft (3).

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Erzeugen des Eisbreis zur Schwachlast, Speichern des Eisbreis in einem Behälter (14) und Abgeben des Eis­ breis in die Verbrennungsluft (3) zur Spitzenlast.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kälteanlage (11) ein von dem Dampf (8) betriebener Strahlapparat ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kälteanlage (11) eine mit einer von dem Dampf (8) betriebenen Dampfturbine (9) versehene mechanische Kälteanlage ist.