DE3302733A1

DE3302733A1 - Verfahren und einrichtung zur aenderung der gesamtleistung einer kombinierten gasturbinen - dampfturbinenanlage als antrieb in einem kraftwerk oder in einer kompressorstation an einer erdgas-oder erdoelfernleitung

Info

Publication number: DE3302733A1
Application number: DE19833302733
Authority: DE
Inventors: Zoltán Dipl.-Ing. Belcsák; Géza Dipl.-Ing. Budapest Takácsy; Zoltán Dipl.-Ing. Vadas; G. Béla Dipl.-Ing. Wenczel
Original assignee: Energiagazdalkodasi Intezet
Current assignee: Energiagazdalkodasi Intezet
Priority date: 1982-01-27
Filing date: 1983-01-27
Publication date: 1983-09-01
Also published as: GB2117056A; GB8301939D0; IT1158321B; FR2526482B1; IT8283487A0; DE3302733C2; NL8203867A; JPS58133407A; GB2117056B; FR2526482A1; SU1517765A3; CH663448A5

Description

Verfahren und Einrichtung zur Änderung der Gesamtleistung einer kombinierten Gasturbinen-

Dampfturbinenanlage als Antrieb in einem Kraftwerk oder in einer Kompressorstation an

einer Erdgas- oder Erdölfernleitung JO

Die Erfindung kann für die mit kombiniertem Gas-Dampf-Kreislauf erfolgenden Antriebe von Kraftwerken und Druckerhöherstationen von Erdgas- und Erdöl-Fernleitungen verwendet werden.
Ib

Der sogenannte kombinierte Gas-Dampf-Zyklus, genannt auch Gas-Dampf-Kreislauf, liefert einen ziemlich guten Gesamtwirkungsgrad, indem die Abhitze der Gasturbinenanlage zur Dampferzeugung für die Dampfturbinenanlage genutzt und dadurch eine zusätzliche Antriebsleistung gewonnen wird. Der kombinierte Zyklus wird insbesondere bei Elektrizitätswerken verwendet; neuerdings jedoch beginnt man ihn auch als kombinierten Antrieb der Kompressoren in Kompressorstationen von Erdgas-Fernleitungen einzusetzen. Die den derzeitigen Stand der Technik darstellenden Ausführungsformen richten jedoch keine entsprechende Aufmerksamkeit darauf, eine Änderung der Gesamtleistung mit gutem Wirkungsgrad durchzuführen, was jedoch wegen des

yQ Charakters des Antriebes der genannten Anlagen von außerordentlicher Wichtigkeit ist. So ist für die Gasturbinen - bei ihren zahlreichen vorteilhaften Eigenschaften

- bei Teillastbetrieb ein ziemlich schlechter Wirkungsgrad charaktoristisch. Hinzu kommt, daß bei geringerem Dampf-

jj;, durchsatz auch der Wirkungsgrad der Dampfturbine zurückfällt, sodaß eine mit Gas-Dampf-Kreislauf arbeitende Anlage bei einer den Nennwert unterschreitenden Leistung nur

mit einem schlechten Wirkungsgrad betrieben werden kann. Beispielsweise beträgt der Wirkungsgrad einer 3x10 MW-Anlage 41% bei einer Leistung von 30 MW und 35% bei einer Leistung von 22,5 MW, wohingegen er bei einer Leistung von 15 MW nur 25% beträgt.

Bei zahlreichen Anwendungsfällen (Kraftwerke mit Inselbetrieb, Kompressorstationen) kommt ein Teillastbetrieb häufig vor und so tritt die Verwirklichung eines elastischen und gleichzeitig mit gutem Wirkungsgrad arbeitenden Systems als eine tatsächliche Forderung in Erscheinung. Ziel vorliegender Erfindung ist eine wesentliche Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades der mit Gas-Dampf -Kreis lauf arbeitenden Anlagen in erster Linie während des Teillastbetriebes.

Das Wesentliche des Verfahrens besteht darin, daß das gegenseitige Verhältnis der eine gleiche oder annährend gleiche Leistung aufweisenden, mit Gas-bzw. Dampfturbinen- ^ antrieb versehenen Maschineneinheiten in einem Verhältnis von 2:1, 1:1 bzw. deren Kombination und/oder einem Mehrfachen davon bei gleichem oder annähernd gleichem Wert (+_ 5%) der Einheitsleistung und des Kreislauf-Wirkungsgrades für den Teillastbetrieb in der Weise geändert umgesteuert wird, daß mit Hilfe der bei den die Rauchgaswärme verwertenden Abhitzekesseln der Gasturbinen vorgesehenen, auch den O^-Gehalt des Rauchgases verwertenden Zusatzfeuerung der bei einem Verhältnis gleichzeitig arbeitender Gasturbinen und Dampfturbinen von 2:1 günstige

Dampfdruckwert von 16-60 bar auf den (bei einem Gasturbinen-Dampfturbinen-Verhältnis von 1:1 günstigen) Wert von 40 - 150 bar erhöht wird bei gleichzeitiger Erhöhung der überhitzungstemperatur des Dampfes von vorzugsweise 300 - 48O⁰C auf 400 - 54 0⁰C, und mit dem auf

diese Weise eine erhöhte Arbeitskapazität aufweisenden Dampf in einer für einen Dampfbetrieb mit veränderlichen (gleitenden) Parametern geeigneten Dampfturbine die ge-

wünschte gleiche oder annähernd gleiche Einheitsleistung erzeugt wird.

Das Wesentliche der erfindungsgemäßen Anlage besteht darin, daß die Kompressorstation (das Kraftwerk) für jede ihrer Gasturbinen rauchgasseitig einen Abhitzekessel aufweist, der mit einer Zusatzfeuerungseinrichtung ausgestattet ist, die auch den 02-Gehalt des Rauchgases verwertet, und der bei veränderlichem Dampfdruck und veränderlicher Dampftemperatur in einem Verhältnis von ca. 1:2 veränderliche Arbeitskapazität, d.h. Energie, aufweisenden Dampf erzeugt, wobei sämtliche Bauteile der Abhitzekessel (Dampf-Wasser-Abscheider, Kammern, Rohrleitungen, Pumpen) in einer für die im Laufe des Betriebes auftretenden Druck- und Temperaturwerte und deren während des Betriebes erfolgende Änderung geeigneten Ausführungsform hergestellt sind und/oder in ihren technischen Kennwerten (Querschnitt, Drehzahl) verändert werden können. Die Kompressorstation bzw. das Kraftwerk weist eine gasturbinengetriebene Maschineneinheit, der eine dampfturbinengetriebene Maschineneinheit zugeordnet ist, oder zwei durch Gasturbinen angetriebene Maschineneinheiten auf, denen eine dampfturbinengetriebene Maschineneinheit oder zwei dampfturbinengetriebene Maschineneinheiten zugeordnet ist bzw. sind. Die Maschineneinheiten sind auf die gleiche oder annähernd gleiche (+_" 5%) Nennleistung ausgelegt. Jede Dampfturbine weist zwei selbstständige Turbinenstufen oder Turbinenteile auf und ist derart ausgelegt, daß sie bei unterschiedlichen Dampfparametern die gleiche oder annähernd gleiche Wellenleistung liefert, wobei eine die Belastung zwischen don die beiden Dampfarten mit den beiden unterschiedlichen Drücken und Temperaturen verarbeitenden Turbinenteilen verteilende Vorrichtung und ein dementsprechend

*" ° ausgebautes Schutz und Regelsystem vorgesehen sind.

Weiterhin weist jedes aus wenigstens einer Gasturbine, ihrem Abhitzekessel, dessen Zusatzfeuerung und wenigstens

einer zugeordneten Dampfturbine bestehende System eine durch den gewünschten Leistungsbedarf der Dampfturbine gesteuerte und durch die Umsteuerung der Zusatzfeuerung der Abhitzekessel verwirklichte Regelung auf.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Anlage werden anhand eines Ausführungsbeispiels und der Fig. 1 und Fig. 2 beschrieben.

Die Anlage nach Fig. 1 (Kompressorstation bzw. Kraftwerk) besteht aus drei Maschineneinheiten 2, von denen zwei jeweils mittels einer Gasturbine 1 und eine mittels der Dampfturbine 3 angetrieben werden.

Die angetriebene Maschine 2 kann ein Kompressor oder ein Generator sein» Beide Gasturbinen 1 sind mit je einem Abhitzekessel 4 versehen, der mit einer den O₂~Gehalt des Rauchgases verwertenden Zusatzfeuerung versehen ist. Bei der Betriebsart aus Fig. 1 sind alle drei Maschineneinheiten 2 in Betrieb, die beiden Abhitzekessel 4 der beiden Gasturbinen 1 produzieren aus dem Rauchgas der Gasturbinen 1 ohne Verwendung der Zusatzfeuerungseinrichtung 5 oder mit deren geringfügigen Einsatz zusammen soviel Dampf, wie zum Betreiben der durch die Dampfturbine 3 angetriebenen Maschine 2 mit der vollen Nennleistung ausreicht. Der Dampf gelangt durch die Dampfleitung 6 zur Dampfturbine 3.

Fig. 2 zeigt die andere alternative Betriebsart der Anlage nach Fig. 1 im Teillastbetrieb. Hierbei arbeiten von den drei Maschineneinheiten 2 nur zwei Einheiten, z.B. aus dem Grunde, weil lediglich zwei Drittel der möglichen Gesamtleistung benötigt werden. Dies wird in der Weise erreicht, daß die eine durch eine Gasturbine 1 ^α angetriebene Maschine 2 der Maschineneinheit I abgestellt wird und die arbeitenden zwei Maschineneinheiten II und III mit voller Belastung und gutem Wirkungsgrad auf die Weise gefahren werden, daß die an den Abhitze-

kessel 4 der Gasturbine 1 der Maschineneinheit II angeschlossene Zusatzfeuerungseinrichtung 5 mit voller Kapazität (bei ca. 100% zusätzlicher Kesselleistung) in Gang gesetzt wird. Dies bedeutet jedoch nicht eine Erhöhung des Dampfdurchsatzes auf das Doppelte, denn eine normale Durchsatzerhöhung bei im übrigen gleichbleibenden sonstigen Dampfparametern würde unter Umständen zu einer Verringerung des Wirkungsgrades der Dampfturbine bzw. des Gesamtwirkungsgrades führen, sondern die entsprechende Erhöhung des nutzbaren Energieinhaltes des erzeugten Dampfes durch eine variable entsprechende Änderung der Dampfparameter wie Druck, Temperatur, Enthalpie, Volumen, Durchsatz. Durch die variable Einstellung der Parameter wird der Wirkungsgrad verbessert. Da die Änderung der

Ib Dampfparameter durch Wärmezufuhr mittels der Zusatzfeuerung hinter der Gasturbine erfolgt, wird durch die Änderung der Dampfenergie keine Leistungsforderung in der Gasturbine erzeugt und gleichwohl wird ein besserer Wirkungsgrad erhalten. Auf diese Weise liefert mit dem auf einem höheren energetischen Potential erzeugten Dampf die die Dampfmaschine 3 enthaltende Maschineneinheit III infolge der für einen Betrieb mit veränderlichen Parametern geeigneten Konstruktion in ihrer Dampfturbine 3 eine der in Fig. 1 dargestellten Betriebsart vollkommen gleiche Leistung bei praktisch unverändert gutem Gesamtwirkungsgrad, obwohl die Maschineneinheit I in dieser Betriebsart nicht arbeitet.

Gemäß der Erfindung werden somit sowohl eine spezielle Dampfturbine als auch eine spezielle Zusatzfeuerung eingesetzt, die beide für die Lieferung bzw. Verarbeitung vom Dampfarten unterschiedlicher Parameter ansprechen. Die mit veränderlichen Parametern betreibbare Dampfturbine, ausgelegt auf die durch zwei unterschiedliche Dampfarten bestimmten Betriebszustände, besteht aus zwei Teilen, nämlich aus einem Hochdruck- und einem Niederdruckteil. Sowohl der Hochdruckteil wie auch der Niederdruckteil verfügen bei einer durchschnittlichen Ausführung

über selbständige Einlaßorgane (Haupt- und Regelventile). Die freie Durchströmung zwischen dem Hochdruckteil und dem Niederdruckteil ist aber jeweils sichergestellt und/ oder es ist ein Bypasskanal vorgesehen, welcher den Hochdruckteil mit dem Niederdruckteil verbindet. Die Einlaß- und Regelorgane können in einer Baueinheit ausgeführt v/erden.

Das Dampf volumen, das in dem I-Iochdruckteil maximal verdichtet werden kann (Betriebsweise nach Fig. 2), ergibt eine Auslastung des Niederdruckteils von etwa 80%. Die Parameter des Abhitzekesseldampfs sind in diesem Fall gegenüber der Betriebsweise in Fig. 1 höher.

im Betriebsfall nach Fig. 1 wird der Niederdruckteil auf 100% ausgelastet, während in diesem Fall der Hochdruckteil nur eine Kühldampfzuführung aufweist (zum Zwecke der Kühlung). Die größere Dampfmenge im Vergleich zum Betriebsfall 1:1 nach Fig. 2 ermöglicht die Verkleinerung (Herabsetzung) der Frischdampfparameter des Abhitzekessels.

Der übergang von dem einen Betriebszustand in den anderen erfolgt durch kontinuierliche Veränderung der Frischdampfparameter (gleitende Parameter).

Anstelle der aus Fig. 1 ersichtlichen Anlage mit drei, d.h. ihrer Zahl nach unpaarigen Maschineneinheiten bzw. neben derselben kann auch eine in Fig. 2 dargestellte Anlage mit zwei, d.h. ihrer Zahl nach paarigen Maschineneinheiten errichtet werden. Eine Anlage mit vier Maschineneinheiten kann aus je zwei gasturbinengetriebenen und dampfturbinengetriebenen Maschinen, eine Anlage mit fünf Maschineneinheiten aus drei gasturbinengetriebenen Maschinen und zwei dampfturbinengetricbenen Maschinen aufgebaut werden. Um die Betriebsbercitschaft einer Anlage mit Koppelung zweier Maschinen (eine Gasturbine, eine Dampfturbine) zu erhöhen, kann dor Abhitzekessel

mit einer Feuerungseinrichtung versehen werden, die auch ohne Betrieb der Gasturbine in der Lage ist, die Dampfturbineneinheit in Betrieb zu halten.

b Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und der dazugehörigen Einrichtung:

- Die bekannten Vorteile der Anwendung des kombinierten Zyklus werden bei unverändert gutem Wirkungsgrad auf den Teillastbetrieb der Anlagen erweitert.

- Die Betriebssicherheit der Anlagen mit kombiniertem Zyklus wird durch die vorgeschlagene neue Betriebsart erhöht.

- Durch die Veränderbarkeit des Gasturbine/Dampfturbine-

5 Verhältnisses werden Investitions- und Betriebserleichterungen geschaffen.

- Durch den Einsatz von Maschinen gleicher Leistung werden Betriebs- und Wartungsvorteile erzielt und dadurch

wird die Einführung der neuen Antriebsart erleichtert. 20

Claims

VIERING & JENTSCHURA

zugelassen beim Europäischen Patentamt European Patent Attorneys — Mandataires en Brevets Europeens

Dipl.-Ing. Hans-Martin Viering ■ Dipl.-Ing. Rolf Jentschura · Steinsdorfstraße 6 · D-8000 München

Anwaltsakte 4 221

Energiagazdälkodasi Intezet, Budapest/Ungarn

Verfahren und Einrichtung zur Änderung der Gesamtleistung einer kombinierten Gasturbinen - Dampfturbinenanlage als Antrieb in einem Kraftwerk oder in einer Kompressorstation an einer Erdgas-oder Erdölfernleitung

Patentansprüche

Verfahren zur Änderung der Gesamtleistung einer kombinierten Gasturbinen-Dampfturbinenanlage als Antrieb der Arbeitsmaschinen in einem Kraftwerk oder in einer Kompressorstation an einer Erdgas- oder Erdöl-Fernleitung, wobei von jeder Gasturbine und jeder Dampf-

turbine der Anlage je eine der Arbeitsmaschinen angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß das gegenseitige Verhältnis der mit Gasturbinenantrieb (1) bzw. Dampfturbinenantrieb (3) versehenen Arbeitsmaschineneinheiten in einem Verhältnis von 2:1, 1:1 bzw. deren

Kombination und/oder einem Mehrfachen davon bei gleichem oder annähernd gleichem Wert (+_ 5%) der Einheitsleistung der Arbeitsmaschinen und des Kreislauf-Wirkungsgrades in der Weise verändert wird, daß mit Hilfe je einer

für die Abhitzekessel (4) der Gasturbinen (1) vorge-35

sehenen, auch den O~-Gehalt des Rauchgases verwertenden Zusatzfeuerung (5) der bei einem Verhältnis gleichzeitig arbeitender Gasturbinen (1) zu Dampfturbinen (3)

Telefon (089) 293413 und 293414 · Telefax (089) 222066 Telex 5212306 jepa d · Telegramm Steinpat München T/h

von 2:1 qümstiqo Dampfdruckwort von 16-60 bar auf den (boi einem Casturbinen/Dampfturbinen-Verhältnis von 1:1 günstigen) Wert von 40 - 150 bar erhöht wird bei gleichzeitiger Erhöhung der Überhitzungstemperatür des Dampfes von vorzugsweise 300 - 480⁰C auf 4 00 - 540⁰C, und mit dem auf diese Weise eine erhöhte Energie (Arbeitskapazität) aufweisenden Dampf in einer für einen Dampfbetrieb mit veränderlichen (gleitenden) Parametern geeigneten Dampfturbine (3) die gewünschte gleiche oder annähernd gleiche Einheitsleistung erzeugt wird.
2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompressor-

Ib station (das Kraftwerk) für jede ihrer Gasturbinen

(1) rauchgasseitig einen Abhitzekessel (4) aufweist, der mit einer Zusatzfeuerungseinrichtung (5) ausgestattet ist, die auch den O₂~Gehalt des Rauchgases verwertet, und durch den bei veränderlichem Dampfdruck und veränderlicher Dampftemperatur in einem Verhältnis von etwa 1:2 veränderliche Energie (Arbeitskapazität) aufweisender Dampf erzeugbar ist, wobei sämtliche Bauteile (Dampf-Wasserabschneider Kammern, Rohrleitungen, Pumpen) der Abhitzekessel

'''^ (4) in einer für die im Laufe dos Betriebes auftretenden Druck- und Temperaturwerte und deren während des Betriebs erfolgenden Änderung geeigneten Ausführung hergestellt sind und/oder in ihren technischen Kennwerten (Querschnitt, Drehzahl) verändert

^⁰ werden können, daß die Kompressorstation (das Kraftwerk) , der einen oder den beiden jeweils durch eine Gasturbine (1) angetriebenen Maschineneinheiten zugeordnete, eine bzw. eine oder zwei, gleiche oder annähernd gleiche (+_ 5%) Einheitsleistung aufweisen-

' ^J de, jeweils durch eine Dampfturbine (3) angetriebene Maschineneinheiten aufweist, wobei jede Dampfturbine (3) eine bei unterschiedlichen Dampfparametern zur

Lieferung der gleichen oder annähernd gleichen (+ 5V.). Wellenleistung erforderliche innere Ausgestaltung (Konstruktion), eine die Belastung zwischen den beiden die Dampfarten unterschiedlichen Drucks und Temperatur verarbeitenden Turbinenteilen verteilende Vorrichtung und ein dementsprechend ausgebautes Schutz- und Regelsystem aufweist, und daß jedes aus wenigstens einer Gasturbine (1) deren Abhitzekessel (4), deren Zusatzfeuerung (5) und jeder zugeordneten Dampfturbine (3) bestehende System eine durch den gewünschten Leistungsbedarf der Dampfturbine(n) (3) gesteuerte und durch die Umsteuerung der Zusatzfeuerung der Abhitzekessel (4) verwirklichte Regelung aufweist.