DE2041183A1

DE2041183A1 - Verfahren zum Betrieb einer Gas-Dampfturbinenanlage sowie Gas-Dampfturbinenanlage zur Ausuebung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2041183A1
Application number: DE19702041183
Authority: DE
Inventors: Emile Dipl-Ing Aguet
Original assignee: Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1970-08-12
Filing date: 1970-08-19
Publication date: 1972-02-17
Also published as: BE771186A; CA939157A; DE2065160A1; US3756029A; NL147835B; JPS4938224B1; CH527360A; ES393676A1; DE2041183B2; GB1300016A; SE369945B; FR2101936A5; NL7012872A

Description

■P. 4465 Gebrüder Sulzer Aktiengesellschaft, Winterthur/Schweiz

■ Verfahren zum Betrieb einer Gas-Dampfturbinenanlage sowie Gas-Dampfturbinenanlage zur Ausübung des Verfahrens

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Gas-Dampfturbinenanlage, wobei in einer Brennkammer in Heizelemente eingespeistes Wasser bei höherem Druck als dem Brennkammerdruck verdampft und überhitzt wird, worauf der überhitzte Dampf in einer Dampfturbine expandiert, und nach der Expansion ein Teil des Dampfes mit den Brenngasen vor ihrem Eintritt in die Gasturbine vermischt wird, sowie eine Gas-Dampfturbinenanlage zur Ausführung des Verfahrens, mit einer Brennkammer mit Heizelementen zur Verdampfung und Ueberhitzung von eingespeistem Wasser, an welche eine Dampfturbine angeschlossen ist.

Es sind bereits ein Verfahren und eine Anlage der " genannten Art bekannt, welche es ermöglichen, eine Gas-Dampfturbinenanlage zu schaffen, die insbesondere für die Erzeugung von Spitzenstrom geeignet ist und einen hohen Wirkungsgrad,, welcher sich dem Wirkungsgrad von klassischen Dampf-Kraftanlagen nähert, mit wesentlich geringeren Anlagekosten vereinigt«

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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Weiterentwicklung der bekannten Anlage und hat zum Ziel, bei dieser Anlage ohne eine Vergrösserurig der Brennkammer und der in ihr befindlichen Heizflächen die Anlageleistung weiter zu steigern und den thermischen Wirkungsgrad der Anlage zu verbessern. Diese Verbesserung soll insbesondere bei der Verwendung sauberer, d.h. an Verunreinigungen wie z.B. Schwefel oder Vanadium ärmerer Brennstoffe, möglich sein.

Das erfindungsgemässe Verfahren, durch welches dieses Ziel erreicht wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Teil des expandierten Dampfes in Heizelementen zwischenüberhitzt wird und darauf unter Leistung von Arbeit in einer Dampfturbine auf einen unterhalb des Atmosphärendruckes liegenden Kondensatordruck entspannt wird.

Die erfindungsgemässe Anlage zur Ausführung des Verfahrens ist gekennzeichnet durch eine mit der Dampfturbine in Serie geschaltete zweite Dampfturbine, deren Eingang über eine Zwischenüberhitzer-Heizfläche mit dem Ausgang der ersten Dampfturbine verbunden ist und deren Ausgang an einen Kondensator angeschlossen ist.

Es ist dabei möglich, die Aufteilung der Dampfmenge des ersten und des zweiten Teiles durch eine Drosselung eines der Dampfströme zu steuern. Dadurch wird auf wirtschaftliche Weise mit einfachen Mitteln eine verlustarme Steuerung erhalten.

Vorzugsweise kann die Zwischenüberhitzung des zweiten 209808/1080

Teiles des Dampfes mittels Abwärme der Gasturbine erfolgen» Durch eine solche Massnahme \d.rd eine besonders gute Ausnützung der Abgasenergie ermöglicht»

Anlagemässig kann zu diesem Z¥eck in der Leitung ,viel» ehe den Eingang der zweiten Dampfturbine mit dem Ausgang der ersten Dampfturbine verbindet,, ein Drosselorgan angeordnet sein$ dessen Betätigung in Abhängigkeit von der Temperatur der Gas-Dampf mischung am Eingang der Gasturbine beeinflusst sein kann,-derart, dass bei einem Anstieg der Temperatur die Drosselung verstärkt wird und umgekehrt»

Ausserdem kann die zum In der Brennkammer befindlichen Brenner führende Förderleitung des Luftkompressors mit einer Zweigleitung versehen SeIn₅, in der ein Drosselorgan angeordnet ist und die in.einen zwischen den Heizelementen und dem " äusseren. Druckmantel der Brennkammer befindliehen Raum führt» Durch diese Massnahme kann In Fällen,wo ein grosser Teil des Dampfes der zweiten Dampfturbine zugeführt wird und dadurch der Vermischung mit den Brenngasen entzogen wird, zur Kühlung des Mantels der Brennkammer die vom Kompressor geförderte Luft herangezogen werden.-

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus-.' der folgenden Besehre-ibung eines in der Zeichnung schematiseddargestellten --Ausführungsbeispieles.

Es zeigt s ■-.-."

Fig.1 ein Schema der Anordnung der erfindungsgemassen

Gas-Dampfturblrienanlage und

Fig.2 einen Schnitt des in der Förderleitung des Luftkompressors befindlichen Drosselorganes nach der Linie A - A in der Fig.1.

Bei der in der Flg.1 dargestellten Gas-Dampfturbinenanlage fördert ein Luftkompressor 1 verdichtete Luft 2 in einen Verteiler 3, aus welchem ein Teil der Luft durch eine Leitung 6 einem Brenner 7 mit gegebenenfalls verstellbarem Luftaustrittsquerschnitt im Boden einer Brennkammer 8 zugeführt wird. Die Brennkammer ist seitlich mit Wänden 9 aus dicht miteinander verschweissten Rohren versehen und hat unten einen isolierenden Boden 10. Im oberen Teil der Brennkammer befindet sich in der Strömung der Rauchgase des Brenners 7 ein Ueberhitzer 11. Die Brennkammer ist von einem Druckbehälter 12 umgeben. Zwischen den Wänden 9 der Brennkammer und dem Boden 10 sowie der Wand des Behälters 12 ist ein oben offener Mantel 13 aus Blech angeordnet. Im Boden des Mantels 13 ist eine Rauchgasleitung 20 angeschlossen, die zum Eingang einer Gas-Dampfturbine 21 führt, welche mit dem Kompressor 1 und einem elektrischen Generator 22 eine gemeinsame Weile 23 aufweist. Der Ausgang der Gas-Dampfturbine 21 ist durch eine Leitung 30 mit einem Wärmeübertrager 31 verbunden, in welchem ein Zwischenüberhitzer 32 und ein Speisewasservorwärmer 33 angeordnet sind. Aus dem Wärmeübertrager 31 gelangt das gekUhlte Abgas mit dem ihm beigemischten Dampf über eine Leitung

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in ein nicht dargestelltes Kamin. Die Leitung 20 ist von einer Luftleitung 40 umgeben, die den Verteiler 3 mit dem Innenraum des Druckbehälter 12 verbindet. Im Verteiler 3 ist eine Drosselklappe 41 angeordnet. Die Rohre der Brennkammerwände 9 bilden Vorwärmer- und Verdampferheizflachen, denen aus einem Speisewasserbehälter 50 durch eine Speisepumpe 51 Speisewasser zugeführt wird. Am oberen Ende der Brennkammerwände 9 münden die Wandrohre in einen Sammler 53, aus welchem sie durch die Rohre des Ueberhitzers 11 und eine Frischdampfleitung 54 mit einem Frischdampfventil.-55 einer ersten Dampfturbine 56, die eine .Hochdruckturbine ist, zugeführt werden.

Die Turbine 56 weist zwei Ausgänge auf, von denen der erste über eine Leitung'60 mit dem Verteiler 3 verbunden ist, in welchen sie, in Strömungsrichtung betrachtet, nach der Drosselklappe 41 mündet. An den zweiten Dampfausgang ist eine Leitung 61 mit einem Regelventil 62 angeschlossen, die zum Zwischenüberhitzer 32 führt. Aus dem Zwischenüberhitzer gelangt der überhitzte Dampf durch eine Leitung 65 in eine zweite Dampfturbine 66, die eine Niederdruckturbine ist und aus welcher der Dampf einem Kondensator 67 zugeführt wird. Aus dem Kondensator 6? wird das Kondensat durch eine Kondensatpumpe 68 über einen Anzapf-Dampfvorwärmer 69 dem Speisewasservorwärmer 33 zugeführt, welcher durch die Abgase der Gas-Dampfturbine 21 beheizt wird* Der Anzapf-Dampfvorwärmer 69

wird mit Heizdampf beheizt, welcher durch eine Anzapfleitung 70 der Niederdruckturbine 66 entnommen wird.

Aus dem Vorwärmer 33 strömt das Kondensat durch eine Leitung 75 in einen auf dem Speisewasserbehälter angeordneten Entgaser 76. Ueber eine Zusatzwasserleitung 78 wird dem Entgaser 76 durch eine Pumpe 79 über eine Entsalzungsanlage 80 Zusatzwasser zugeführt. An der Rauchgasleitung 20 ist ein Temperaturfühler 82 angeordnet, dessen Signal durch eine Signalleitung 83 einem Regler 84 zugeführt wird, der über eine Leitung 85 ein Sollwertsignal erhält, das z.B. von der Art des verwendeten Brennstoffes abhängig ist. Der Regler 84 dient zur Betätigung des Regelventiles 62.

Aus der Fig.2 ist die Anordnung der Drosselklappe 41 im Verteiler 3 ersichtlich. Die Drosselklappe 41 ist durch einen Hebel 90 verstellbar.

Die in den Fig.1 und 2 dargestellte Anlage arbeitet wie folgt. Die Welle 23 läuft mit konstanter Drehzahl, so dass der Kompressor 1 unabhängig von der Last der Anlage eine im wesentlichen konstante Luftmenge liefert. Nahezu proportional zur Last wird ein Teil der Luft durch die Leitung 6 dem Brenner 7 zugeführt, während der Rest entlang der Drosselklappe 41 durch die Leitung 40 in den Druckbehälter 12 strömt, zusammen mit dem durch die Leitung 60 zugeführten Teil des in der ersten Turbine 56 expandierten Dampfes, dessen zeitliche Strömungsmenge mit fallender Last sinkt. Das im Verteiler 3

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gebildete Dampf-Luftgemisch kühlt die Wand des. Druckbehälters 12 und vermischt sich am oberen Ende des Behälters mit den aus der Brennkammer 8 austretenden Brenngasen, worauf das Gemisch 'durch den Zwischenraum zwischen der Brennkammerwand 9 und dem Mantel 13 nach unten strömt» Durch die Leitung 20 wird die Mischung der Gas-Dampfturbine 21 zugeführt, leistet in dieser Arbeit, gelangt darauf in den Wärmeübertrager 31 und schliesslich durch die Leitung 34 in das Kamin»

Die Temperatur der Rauchgase am oberen Ende der Brennkammer.8 ist von der Art des Brennstoffes abhängig» Mit nichtleuchtender Flamme brennende Brennstoffe;, wie z.B„ Leichtöl und Gas,, haben eine geringere Wärmestrahlung, so dass weniger Wärme in die Brennkammerwände 9 übergeht,' weniger Dampf erzeugt wird und dafür eine höhere Ausgangstemperatur der Rauchgase erhalten wird als bei der Verwendung von Schweröle Die erfindungsgemässe Anlage gestattet eine Anpassung an diese Verhältnisse und die Verbrennung von Leichtöl und Gas wie auch von schwefel- und vanadiumhaltigen- Schwerölen.

Bei Verwendung von "sauberen" Brennstoffen, wie ZoB» Leichtöl und Gas,, kann die Temperatur am. Eingang der Gas-Dampfturbine 21 verliältnisaiässig hoch sein und z.B. 850⁰C betragen. In einem solchen Falle wird der Sollwert 8-5 für den Regler 84 auf 850⁰C eingestellt, was zur-Folge hat, dass das Ventil 62 viel Dampf abströmen-lässt, wodurch der Gegen- '· druck im Verteiler 3 herabgesetzt wird« Der Verdichter 1 lie-

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fert, seiner Charakteristik entsprechend, etwas mehr Luft, ■was gestattet, in der Brennkammer 8 mehr Brennstoff zu verbrennen. Die Anlageleistung wird dadurch erhöht.

Während die Drosselklappe 41 bei Vollast nahezu oder ganz geschlossen ist, wobei zur Kühlung des Druckbehälters 12 und der Brenngase aus der Brennkammer 8 fast ausschliesslich Dampf aus der Leitung 60 verwendet wird, wird mit sinkender Last die Drosselklappe 41 fortschreitend geöffnet, so dass ein immer grösserer Anteil der vom Kompressor 1 geförderten Luft dem Druckbehälter 12 zugeführt wird. Zu diesem Zweck wird der Hebel 90 vom nicht dargestellten Lastgeber der Anlage verstellt. Gleichzeitig wird die durch die Leitung 60 zugeführte Dampfmenge infolge der temperaturhaltenden Wirkung des Reglers 84 verringert. Der Regler 84 ist so ausgebildet, dass er bei einem durch das Temperatur-Messgerät 82 gemessenen Anstieg der Temperatur am Eingang der Turbine.21 den Strömungsquerschnitt des Ventiles 62 verringert und umgekehrt. Dadurch wird der für KUhlzwecke verwendete Anteil des Dampfes derart verändert, dass die Temperatur am Eingang der Gas-Dampfturbine 21 konstantgehalten wird. Der Rest des Dampfes wird in der zweiten Dampfturbine 66 der Niederdruckturbine verarbeitet.

Durch das Konstanthalten der Eingangstemperatur der Turbine 21 bei sinkender Last wird verhindert, dass der Wirkungsgrad der Gas-Dampfturbine 21 bei Teillast absinkt. Da

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gleichzeitig mit sinkender Last die für die Gaskühlung benötigte Dampfmenge nicht nur absolut, sondern auch relativ zur Last sinkt, steigt der Anteil der der Niederdruckturbine 6.6 zugeführten Dampfmenge. Dadurch wird erreicht, dass der Wirkungsgrad der Niederdruckturbine 66 ebenfalls nur geringfügig mit der Last sinkt» Die Anlage hat daher einen hervorragenden Gesamtwirkungsgrad bei Teillast«

Wenn Schweröle verbrannt werden, so erhöht sich die Dampfproduktion in den Brennkammerwänden 9₅ wobei die Ausgangstemperatur der Rauchgase aus der Brennkammer 8 sinkt« Die Verunreinigungen des Schweröles verlangen, dass die Eintrittstemperatur der Gasturbine gegenüber dem vorangehenden Fall auf z.B. 600 - 650° C gesenkt wird. Zu diesem Zweck wird durch eine geeignete Drosselung durch das Ventil 62 die durch die Leitung 60 in den Druckbehälter 12 eingeführte Dampfmenge vergrössert. Das erfolgt auf die Weise, dass bei Verwendung von Schweröl das durch die Signalleitung 85 dem Regler 84 zugeführte Sollwertsignal entsprechend herabgesetzt wird. ■ ·

Zur Erleichterung des Anfahrens der Anlage nach der Fig.1 können die Dampfturbinen 66 und/oder 56 von der gemeinsamen Welle 23 der Gasturbinengruppe 1, 21, 22 abkuppelbar sein. Die Dampfturbinen 56, 66 können jedoch auch von der Gasturbinengruppe vollständig getrennt sein und einen eigenen elektrischen Generator aufweisen.

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- ίο -

Die erfindungsgemässe Gas-Dampfturbinenanlage hat gegenüber der bekannten Anlage den Vorteil, dass durch eine verhältnismässig kleine Vergrösserung der Anlagekosten ein besserer Wirkungsgrad, insbesondere bei Teillast, sowie bei Verwendung von sauberem Brennstoff eine Leistungserhöhung von bis zu 20$ erzielt werden kann, wobei die Umsehaltbarkeit auf schlechteren Brennstoff voll gewahrt bleibt. Anlagemässig werden zusätzlich zur bekannten Anlage die Niederdruckturbine 66 mit dem Zwischenüberhitzer 32, äem Kondensator 67 und der Kondensatpumpe 68 benötigt. Hingegen kann die Entsalzungsanlage 80 verkleinert werden, da ein Teil des in den Brennkammerwänden gebildeten Wasserdampfes durch den Kondensator 57 zurückgewonnen wird.

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Claims

■.- 11 .- .
Patentansprüche

1 . ^/Verfahren zum Betrieb einer Gas-Dampf^rbinenan-

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lage, wobei in einer Brennkammer in Heizelemente eingespeistes Wasser bei höherem Druck als dem Brennkammerdruck verdampft und überhitzt wird, worauf der überhitzte Dampf in einer Dampfturbine expandiert, und nach der Expansion ein Teil des Dampfes mit, den Brenngasen vor ihrem Eintritt in die Gasturbine vermischt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Teil des expandierten Dampfes in Heizelementen zwischenüberhitzt wird und darauf uiter Leistung von Arbeit in einer Dampfturbine auf einen unterhalb des Atmosphärendruckes liegenden Kondensatordruck entspannt wird.
2. Verfahren-nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, dass die Aufteilung der Dampfmenge des ersten und des zweiten Teiles durch eine Drosselung eines der Dampfströme

gesteuert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenüberhitzung des zweiten Teiles des Dampfes mittels Abwärme der Gasturbine erfolgt.
4. Gas-Dampfturbinenanlage zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1,mit einer Brennkammer mit Heizelementen zur Verdampfung und Ueberhitzung von eingespeistem Wasser, an welche eine Dampfturbine angeschlossen ist, gekennzeichnet durch eine mit der Dampfturbine (56) in Serie geschaltete

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zweite Dampfturbine (66), deren Eingang (65) über eine Zwischenüberhitzer-Heizfläche (32) mit dem Ausgang (61) der ersten Dampfturbine (56) verbunden ist und deren Ausgang an einen Kondensator (67) angeschlossen ist.
5. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Leitung (61, 65), welche den Eingang der zweiten Dampfturbine (66) mit dem Ausgang der ersten Dampfturbine (56) verbindet, ein Drosselorgan (62) angeordnet ist..
6. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenüberhitzer-Heizfläche (32) in der Strömung der Abgase stromabwärts der Gasturbine (56) angeordnet ist.
7. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigung des Drosselorganes (62) in Abhängigkeit von der Temperatur (82) der Gas-Dampfmischung am Eingang der Gasturbine (21) beeinflusst wird, derart, dass bei einem Anstieg der Temperatur (82) die Drosselung (62) verstärkt wird und umgekehrt.
8. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zum in der Brennkammer (8) befindlichen Brenner führende Förderleitung (6) des Luftkompressors (1) mit einer Zweigleitung (40) versehen ist, in der ein Drosselorgan (41) angeordnet ist und die (40) in einen zwischen den Heizelementen (9) und dem äusseren Druckmahtel (12) der Brennkammer (8) befindlichen Raum führt.

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9.. Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass an die Zweigleitung (40) eine Ausgangsleitung (60) der ersten Dampfturbine, welche den zur Vermischung bestimmten Dampf führt, angeschlossen ist.

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