DE19943782C2 - Gas- und Dampfturbinenanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Gas- und Dampfturbinenanlage zur Erzeugung von Elektrizität mit einem vom Abgas der Gasturbine beheizten Dampferzeuger für die Dampfturbine und mit einer Kühleinrichtung für Verbrennungsluft der Gasturbine.

Bei der Entwicklung von Anlagen zur Erzeugung von Elektrizi­ tät sind im Hinblick auf hohe Wirkungsgrade die Anlagen immer komplexer geworden. So werden in Gas- und Dampfturbinenanla­ gen der Gasturbine üblicherweise Dampferzeuger und zugehörige Dampfturbinen mit zwei und mehr Druckstufen nachgeschaltet. Dabei wird für eine Hochdruckstufe ein Frischdampfzustand von etwa 150 bar bei einer Temperatur von über 535°C angestrebt.

Mit derartigen Anlagen wird ein sehr hoher Anlagenwirkungs­ grad von etwa 57 bis 58% erreicht. Der hierfür erforderliche Aufwand für den Aufbau der Anlage und für deren Betrieb be­ schränkt deren Einsatz aus wirtschaftlichen Gründen aber bis­ her auf Anlagen mit verhältnismäßig großen Nennleistungen. Der hohe Aufwand für den Aufbau der Anlage ergibt sich dabei vor allem aus dem im Hinblick auf die Temperatur- und Druck­ beanspruchungen erforderlichen Einsatz von in der Regel sehr teueren Sonderwerkstoffen. Darüber hinaus folgt ein ver­ gleichsweise hoher Aufwand für die Wartung dieser Anlagen aus zwingend vorgeschriebenen engen Toleranzen der Temperatur- und Druckwerte, die zu ihrer Einhaltung ein hohes Niveau der Ausbildung vom Wartungspersonal fordern.

Durch die deutsche Anmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen 199 24 067.1 ist in jüngerer Zeit vorgeschlagen worden die Verbrennungsluft für Gasturbinen zu kühlen. Zu diesem Zweck wird die Verbrennungsluft in einer aufwendigen Einrichtung zusätzlich zur Kühlung noch getrocknet und wieder befeuchtet, so daß der apparative Aufwand und der Aufwand für die Wartung der Anlage besonders hoch sind.

Ein Verfahren zum Betrieb einer Kombianlage geht aus der DE 196 15 911 A1 hervor. Die Kombianlage besteht im wesentlichen aus einer Gasturbogruppe, einem Abhitzedampferzeuger und einem mit einer Dampfturbine ausgestalteten Dampfkreislauf. Die Gasturbogruppe wird hierbei nach einer sequentiellen Verbrennung betrieben. Zur Erhöhung der gefahrenen Leistung der Dampfturbine wird an druckmäßig geeigneter Stelle min­ destens eine durch eine Regelung bemessene Dampfmenge ent­ nommen. Diese Dampfmenge wird sodann der Gasturbogruppe an geeigneter Stelle zugeführt, dergestalt, dass zur Aufrecht­ erhaltung der so induzierten Leistung mindestens auf die Zumessung einer Brennstoffmenge bei mindestens einer Brenn­ kammer eingewirkt wird.

Eine Kombination von Zwei- oder Mehrdruckwasser-Dampf- und Gasturbinenprozessen ist in der DE 34 36 060 A1 anhand einer Reihe von Ausführungsbeispielen von Gas- und Dampfturbinen­ anlagen offenbart. Der Gasturbinenprozeß ist hierbei durch eine Vor- und/oder Zwischenkühlung gekennzeichnet, wobei die Kühlung zumindest teilweise nur bis auf ein Temperaturniveau deutlich oberhalb der Umgebungstemperatur stattfindet. Die gesamte in der Kühlung abgeführte Wärme kann an den Wasser- Dampf-Prozeß abgegeben werden. An diesen wird in der Regel Wärme in zwei oder mehreren unter verschiedenem Druck stehen­ den Abhitzekesseln übertragen. Der Gasturbinenprozeß kann als offener, halbgeschlossener oder geschlossener Prozeß ausge­ bildet sein. Es wird eine Steigerung der Gesamtwirkungsgrade erreicht - insbesondere bei kleineren Anlagen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Gas- und Dampfturbinenanlage der eingangs genannten Art so zu ertüch­ tigen, daß sie auch bei mittleren und kleinen Nennleistungen mit normalem Aufwand einsetzbar ist, einen besonders hohen Wirkungsgrad erzielt und dabei ledigliche durchschnittliche Anforderungen an das Wartungspersonal stellt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Verbrennungsluft in mindestens zwei Stufen zu verdichten ist, wobei sie nach mindestens einer Stufe gekühlt und mindestens nach der letzten Stufe des Verdichters beheizbar ist. Die Kühlung der Verbrennungsluft erfolgt mit Kesselspeisewasser eines Mitteldruckdampferzeugers in mindestens einem Luft- Wasser-Wärmetauscher und die Beheizung der Verbrennungsluft erfolgt vor deren Eintritt in eine Brennkammer in einem Luftvorwärmer durch Abgas aus der Gasturbine. Dabei hat die Dampfturbine lediglich einen Mittel- und einen Niederdruck­ teil.

Durch diese Maßnahmen ist einerseits der Anlagenaufwand für die Dampfturbine auf etwa zwei Drittel des für eine herkömmliche Gas- und Dampfturbinenanlage erforderlichen Aufwands gesenkt und andererseits ist die Nennleistung der Gasturbine durch Reduzierung der Verdichtungsleistung erhöht.

Dabei ist die Nennleistung der Gasturbine vorzugsweise gleich der 3-fachen Nennleistung der aus dem Mitteldruck- und einem Niederdruckdampferzeuger mit überhitztem Dampf beaufschlagten Dampfturbine.

Zweckmäßig ist aus einem der Dampfturbine nachgeschalteten Kondensator austretendes Kondensat in zwei etwa gleich große Teilströme aufzuteilen, von denen einer dem Mitteldruckteil und der andere dem Niederdruckteil des Dampferzeugers zuführ­ bar ist. Der aus der Mitteldruckturbine austretende Dampf wird entweder mit oder ohne Zwischenüberhitzung mit dem aus dem Niederdruckteil des Dampferzeugers kommenden Dampfs ver­ einigt und der Niederdruckturbine zugeführt.

In dem Mittel- und Niederdruckdampferzeuger beheizt das Abgas aus der Gasturbine nach einander einen Mitteldrucküberhitzer, einen Niederdrucküberhitzer, einen Mitteldruckverdampfer, ei­ nen Mitteldruckvorwärmer, einen Niederdruckverdampfer und ei­ nen Niederdruckvorwärmer. In manchen Fällen ist es außerdem sinnvoll, den aus dem Mitteldruckteil der Dampfturbine aus­ tretenden Dampf vor der Vereinigung mit dem Dampf aus dem Niederdrucküberhitzer in einem Zwischenüberhitzer zu erwär­ men. Insgesamt wird dem Abgas aus der Gasturbine in dem Dampferzeuger so viel Wärme entzogen, daß es beim Austritt aus dem Dampferzeuger lediglich noch eine Temperatur von we­ niger als 100°C hat.

Immer noch gemäß der Erfindung haben alle Verdichter eine etwa gleich große Verdichtungsleistung und ist eine Heizlei­ stung bei der Beheizung der Verbrennungsluft in dem Luftvor­ wärmer etwa gleich der fünffachen Kühlleistung in dem bzw. den Luft-Wasser-Wärmetauschern. Dabei ist eine vom Abgas in den Mitteldruck- und in den Niederdruckdampferzeuger einge­ brachte Heizleistung zusammen knapp doppelt so groß, wie die Heizleistung im Luftvorwärmer.

Erfindungsgemäß gestaltete Gas- und Dampfturbinenanlagen sind sehr vorteilhaft, weil sie mit einer Zwei-Druck-Dampfturbi­ nenanlage etwa den gleichen oder einen höheren Wirkungsgrad erreichen, wie herkömmliche Anlagen, wobei - abgesehen von möglichen niedrigeren Eintrittstemperaturen des Rauchgases in die Gasturbine - insbesondere für die Dampferzeuger und die Dampfturbine auf den Einsatz von besonders teueren Sonder­ werkstoffen verzichtet werden kann. Außerdem sind auch der Aufbau und die Schaltung der neuen Anlagen verhältnismäßig einfach, so daß die Wartung von durchschnittlich ausgebilde­ tem Personal durchführbar ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert, in der eine Gas- und Dampfturbi­ nenanlage schematisch dargestellt ist.

Eine Gasturbine 1 treibt einen Generator 2 zur Elektrizi­ tätserzeugung und Verdichter 3 und 4, die in beispielsweise zwei Stufen Verbrennungsluft 5 bis auf einen in einer Brenn­ kammer 6 herrschenden Druck verdichten. Jeder der beiden Ver­ dichter 3 und 4 induziert eine etwa gleich große Energiemenge in die Verbrennungsluft 5 die beim Ausführungsbeispiel in der 1. Stufe auf etwa 5,5 bar und in der 2. Stufe dann auf mehr als 16 bar verdichtet ist. Vor dem Erreichen der letzten Ver­ dichterstufe vor der Brennkammer 6, im Ausführungsbeispiel also vor dem Verdichter 4, strömt die Verbrennungsluft 5 durch mindestens einen Luft-Wasser-Wärmetauscher 7 und gibt dort einen Teil ihrer Verdichtungswärme an Kesselspeisewasser für einen Mitteldruckdampferzeuger ab, so daß sie gekühlt ist und dadurch entsprechend an Dichte zunimmt.

Zwischen dem Verdichter 4 und der Brennkammer 6 fließt die Verbrennungsluft 5 durch einen Luftvorwärmer 8, der durch Ab­ gas aus der Turbine 1 beheizt ist. Die so vorgewärmte Ver­ brennungsluft 5 wird der Brennkammer 6 zugeführt, in der sie für die Verbrennung eines in die Brennkammer 6 eingebrachten Brennstoffs 9, beispielsweise Gas oder Öl, verwendet wird. Das so mit Energie beladene Rauchgas oder Verbrennungsluft 5 hat eine Temperatur von etwas unter 1200°C und treibt dann als Arbeitsmittel die Turbine 1.

Das abgearbeitete, nahezu auf Umgebungsdruck entspannte Ar­ beitsmittel hat noch eine Temperatur von beispielsweise 550 °C, verläßt als Abgas die Turbine 1 und beheizt im Luftvor­ wärmer 8 die Verbrennungsluft 5. Dabei sinkt die Temperatur im Abgas um etwa ein Drittel des beim Verlassen der Turbine 5 noch nutzbaren Temperaturgefälles. Das dadurch schon energie­ ärmer gewordene Abgas strömt nach dem Verlassen des Luftvor­ wärmers 8 in Dampferzeuger 10 und 11 und beheizt dort im wesentlichen nacheinander einen Mitteldrucküberhitzer 12, einen Niederdrucküberhitzer 13, einen Mitteldruckverdampfer 14, ei­ nen Mitteldruckvorwärmer 15, einen Niederdruckverdampfer 16 und einen Niederdruckvorwärmer 17. Vor, neben oder zwischen dem Mitteldrucküberhitzer 12 und dem Niederdrucküberhitzer 13 ist ein ggfs. erforderlicher, in der Zeichnung nicht darge­ stellter, Zwischenüberhitzer angeordnet.

Bei entsprechenden anderen Randbedingungen als für das Aus­ führungsbeispiel vorgesehen, kann die Reihenfolge der einzel­ nen Wärmetauscher innerhalb der Dampferzeuger auch geändert sein. Insbesondere kann es sinnvoll sein, jeweils mehrere der Wärmetauscher in der selben Temperaturstufe des Abgases ne­ beneinander aufzustellen.

Nach dem Austritt aus dem Dampferzeuger 11 im Abgas noch vor­ handene Restwärme, beispielsweise mit einer Temperatur von weniger als 100°C, dient der Gewährleistung der Betriebssi­ cherheit von nicht dargestellten Komponenten und Abgasreini­ gungsanlagen.

Eine Kesselspeisewasserpumpe 18 für einen Mitteldruckdampfer­ zeuger bringt Kesselspeisewasser beispielsweise auf einen Druck von etwa 40 bar und treibt dieses durch die Wasserseite des Luft-Wasser-Wärmetauschers 7, in dem das Kesselspeisewas­ ser beispielsweise auf annähernd 200°C vorgewärmt wird. Die­ ses vorgewärmte Kesselspeisewasser fließt dann unter Aufnahme weiterer Wärme durch den Mitteldruckvorwärmer 15 in den Mit­ teldruckverdampfer 14. Eine Umwälzpumpe 19 treibt im kleinen Kreislauf das vorgewärmte Kesselspeisewasser durch den Mit­ teldruckverdampfer 14 in einen Zwischenbehälter 20, in dem Dampf und Wasser durch Schwerkraft voneinander getrennt wer­ den. Das Wasser wird zusammen mit frisch zugeströmten Kes­ selspeisewasser von der Umwälzpumpe erneut durch den Mittel­ druckverdampfer 14 gedrückt. Der im Mitteldruckverdampfer ge­ bildete Dampf fließt durch den Mitteldrucküberhitzer 12 und von dort als Frischdampf in einen Mitteldruckteil 21 einer Dampfturbine.

Eine Kesselspeisewasserpumpe 22 für einen Niederdruckdampfer­ zeuger fördert Kesselspeisewasser mit einem Druck von etwa 1 bar durch den Niederdruckvorwärmer 17 bis in einen Zwischen­ behälter 23 des Niederdruckverdampfers 16. Eine Umwälzpumpe 24 treibt Wasser aus dem Zwischenbehälter 23 durch den Nie­ derdruckverdampfer 16. Im Dampfraum des Zwischenbehälters 23 gesammelter Dampf fließt durch den Niederdrucküberhitzer 13 als Frischdampf zum Niederdruckteil 25 der Dampfturbine. Die­ ser Niederdruckdampf nimmt beim Punkt 26 den Abdampf aus dem Mitteldruckteil 21 auf. Der Abdampf aus dem Mitteldruckteil 21 wird ggfs. in dem nicht dargestellten Zwischenüberhitzer mindestens auf die Temperatur des Frischdampfes aus dem Nie­ derdrucküberhitzer 13 angehoben.

Der Mitteldruckteil 21 und der Niederdruckteil 25 gehören zu ein und derselben Dampfturbine, die einen Generator 27 zur Elektrizitätserzeugung antreibt. Abdampf aus der Dampfturbine fließt in einen Kondensator 28, der in geeigneter Weise - beispielsweise durch Wasser oder Luft - gekühlt ist. Dabei gebildetes Kondensat strömt aus dem Kondensator 28 zu einer Trennstelle 29 und von dort als Kesselspeisewasser entweder zur Kesselspeisewasserpumpe 18 oder zur Kesselspeisewasser­ pumpe 22.

Claims (10)

1. Gas- und Dampfturbinenanlage zur Erzeugung von Elektrizi­ tät mit einem vom Abgas der Gasturbine (1) beheizten Dampfer­ zeuger (10, 11) für die Dampfturbine (21, 25) und mit einer Kühleinrichtung für Verbrennungsluft (5) der Gasturbine (1), dadurch gekennzeichnet, daß die Ver­ brennungsluft in mindestens zwei Stufen (3, 4) verdichtet ist, wobei sie nach mindestens einer Stufe (3) gekühlt (7) und mindestens nach der letzten Stufe des Verdichters (4) be­ heizt (8) ist, wobei die Beheizung der Verbrennungsluft (5) vor deren Eintritt in eine Brennkammer (6) in einem Luftvorwärmer (8) durch Abgas aus der Gasturbine (1) erfolgt, wobei die Kühlung der Verbrennungsluft (5) mit Kesselspeise­ wasser eines Mitteldruckdampferzeugers in mindestens einem Luft-Wasser-Wärmetauscher (7) erfolgt, und die Dampfturbine lediglich einen Mitteldruck- (21) und einen Niederdruckteil (25) aufweist.

2. Gas- und Dampfturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nenn­ leistung der Gasturbine (1) gleich der 3-fachen Nennleistung der aus dem Mitteldruck- und aus einem Niederdruckdampf­ erzeuger mit überhitztem Dampf beaufschlagten Dampfturbine (21, 25) ist.

3. Gas- und Dampfturbinenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus einem der Dampfturbine (21, 25) nachgeschalteten Kondensator (28) austretendes Kondensat in zwei gleich große Teilströme geteilt (29) ist, von denen einer dem Mitteldruckdampferzeu­ ger und der andere dem Niederdruckdampferzeuger zugeführt ist.

4. Gas- und Dampfturbinenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß den Teil­ strömen des Kondensats entsprechende Teilströme von Dampf am Eintritt in den Niederdruckteil (25) der Dampfturbine wieder vereinigt (26) sind.

5. Gas- und Dampfturbinenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas in dem den Luftvorwärmer (8) nachgeschalteten Mitteldruck- und Niederdruckdampferzeuger nacheinander einen Mitteldruck­ überhitzer (12), einen Niederdrucküberhitzer (13), einen Mit­ teldruckverdampfer (14), einen Mitteldruckvorwärmer (15), ei­ nen Niederdruckverdampfer (16) und einen Niederdruckvorwärmer (17) beheizt.

6. Gas- und Dampfturbinenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der aus dem Mitteldruckteil der Dampfturbine (21) austretende Dampf vor der Vereinigung (26) mit dem Dampf aus dem Niederdrucküber­ hitzer (13) in einem Zwischenüberhitzer beheizbar ist.

7. Gas- und Dampfturbinenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß alle Ver­ dichter (3, 4) eine gleich große Verdichtungsleistung haben.

8. Gas- und Dampfturbinenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Heiz­ leistung bei der Beheizung der Verbrennungsluft (5) in dem Luftvorwärmer (8) gleich der 5-fachen Kühlleistung in dem bzw. den Luft-Wasser-Wärmetauschern (7) ist.

9. Gas- und Dampfturbinenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine vom Abgas in den Mitteldruck- und in den Niederdruckdampferzeuger (10, 11) eingebrachte Heizleistung zusammen knapp doppelt so groß ist, wie die Heizleistung im Luftvorwärmer (8).

10. Gas- und Dampfturbinenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas beim Austritt aus dem Niederdruckdampferzeuger (11) eine Tem­ peratur von weniger als 100°C hat.