DE60119753T2

DE60119753T2 - Druckluftdampferzeuger zur kühlung eines gasturbinenüberströmkanals

Info

Publication number: DE60119753T2
Application number: DE60119753T
Authority: DE
Inventors: Peter Jon Tampa DONOVAN; Todd Michael Orlando MCMANUS
Original assignee: Siemens Power Generations Inc
Current assignee: Siemens Energy Inc
Priority date: 2000-09-29
Filing date: 2001-09-27
Publication date: 2006-11-30
Anticipated expiration: 2021-09-28
Also published as: KR20030045088A; JP2004510096A; EP1320664B1; DE60119753D1; KR100598447B1; WO2002027167A2; WO2002027167A3; EP1320664A2; JP3974519B2; US6298656B1

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft ein Gasturbinenkraftwerk und spezieller ein Gasturbinenkraftwerk, das einen Druckluftdampferzeuger aufweist, der mit einem Überströmkanal zwischen der Brennkammerbaugruppe und der Turbinenbaugruppe des Gasturbinenkraftwerks verbunden ist.
Informationen zum bisherigen Stand der Technik
Gasturbinenkraftwerke weisen in der Regel drei Hauptbaugruppen auf: eine Verdichterbaugruppe, eine Brennkammerbaugruppe und eine Turbinenbaugruppe. Ein Überströmkanal ist zwischen der Brennkammerbaugruppe und der Turbinenbaugruppe angeordnet. Im Betrieb verdichtet die Verdichterbaugruppe Umgebungsluft. Die verdichtete Luft wird in die Brennkammerbaugruppe geleitet, wo sie mit einem Brennstoff gemischt wird. Der Brennstoff wird in der Brennkammerbaugruppe entzündet und erzeugt ein erwärmtes Prozessgas. Das erwärmte Prozessgas strömt durch den Überströmkanal und in die Turbinenbaugruppe. Im Überströmkanal hat das Prozessgas in Regel 2500–2900°F (1371–1593°C). Der Überströmkanal wird durch das Prozessgas auf Temperaturen nahe den konstruktiven Grenzwerten erwärmt. Die Belastbarkeit von Bauteilen, die derart extremen Temperaturen ausgesetzt sind, kann sich aufgrund thermischer Beanspruchung vermindern. Daher ist es vorteilhaft, ein Kühlsystem bereitzustellen, um Wärme vom Überströmkanal abzuführen.
Eine typische Kühlvorrichtung umfasst einen Abhitzedampferzeuger, der im Austrittspfad der Turbine angeordnet ist. Der Abhitzedampferzeuger ist mit einer Wasserversorgung verbunden. Wenn die Gasturbine in Betrieb ist, tritt erwärmtes Abgas aus der Turbinenbaugruppe aus, strömt durch den Abhitzedampferzeuger und wandelt Wasser in Dampf um. Der Dampf vom Abhitzedampferzeuger wird durch Kühlkanäle im Gehäuse des Überströmkanals geleitet. Wenn der Dampf durch den Überströmkanal strömt, nimmt er Wärme auf und kühlt dadurch den Überströmkanal. Dieser erwärmte Dampf kann zurück in den Strömungspfad der Gasturbine geleitet werden, um für eine höhere Leistung zu sorgen, oder er kann zu einer separaten Dampfturbine geleitet werden.
Da der Abhitzedampferzeuger im Austrittspfad der Gasturbine angeordnet ist, kann der Abhitzedampferzeuger während des Anlaufzyklus möglicherweise nicht für eine ausreichende Dampfmenge sorgen, um den Überströmkanal der Gasturbine zu kühlen. Darüber hinaus müssen Gasturbinen, die auf einen einzigen Abhitzedampferzeuger angewiesen sind, abgeschaltet werden, um Wartungsarbeiten am Abhitzedampferzeuger durchzuführen.
Es besteht daher ein Bedarf an einem Dampferzeuger, um eine Gasturbine während des Anlaufzyklus der Gasturbine mit Dampf zu versorgen.
Es besteht ferner Bedarf an einem Dampferzeuger, der in Verbindung mit einem Abhitzedampferzeuger verwendet werden könnte, um eine alternative Dampfquelle bereitzustellen, wenn der Abhitzedampferzeuger gewartet wird.
Es besteht weiterhin Bedarf an einem Dampferzeuger, der sowohl Dampf als auch Kühlluft abgibt, die verwendet werden können, um den Überströmkanal bzw. den Turbinenbereich zu kühlen.
US-A-5689948 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftwerks mittels einer Dampfrückführung in die Gasturbinenbaugruppe.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese und weitere Bedarfe werden durch die Erfindung erfüllt, die einen Druckluftdampferzeuger bereitstellt, der mit dem Gasturbinenverdichter und einer Speisewasserquelle verbunden ist.
Damit während des Anlaufzyklus Dampf erzeugt wird, wird eine Nebenleitung für verdichtete Luft mit der Verdichterbaugruppe verbunden. Die Nebenluftleitung verläuft durch einen Dampferzeuger, der ferner mit einer Speisewasserquelle verbunden ist. Nachdem die Nebenluftleitung durch den Dampferzeuger geführt wurde, wird die Nebenluftleitung über eine Kühlluftleitung mit der Turbinenbaugruppe verbunden. Der Dampferzeuger umfasst ferner eine Sammelkammer, die mit einer Speisewasserquelle und mit einer Dampfleitung verbunden ist, die mit einer Reihe von Kanälen im Überströmkanal verbunden ist. Der Überströmkanal umfasst eine Dampfaustrittsleitung. Die Dampfaustrittsleitung kann mit einer separaten Dampfturbine verbunden werden oder mit dem Strömungspfad der Gasturbine verbunden werden.
Der Dampferzeuger ist im Wesentlichen ein Wärmetauscher. Die Nebenleitung für verdichtete Luft verläuft durch eine Wassermenge. Das Wasser ist in einer Sammelkammer um die Nebenleitung mit verdichteter Luft herum enthalten. Das Wasser nimmt Wärme aus der Nebenleitung mit verdichteter Luft auf und wird in Dampf umgewandelt. Die Sammelkammer ist über eine Dampfleitung mit den Kanälen im Überströmkanal verbunden. Der Kreislauf der verdichteten Luft und der Wasser-/Dampfkreislauf sind getrennt; die verdichtete Luft und das Wasser vermischen sich nicht.
Im Betrieb verdichtet die Verdichterbaugruppe Umgebungsluft, wodurch die Temperatur der verdichteten Luft auf eine Temperatur von 600°F (315°C) oder mehr angehoben wird. Der Großteil der verdichteten Luft wird in die Brennkammerbaugruppe geleitet. Ein Teil der verdichteten Luft wird jedoch über die Nebenluftleitung durch die innen liegende Sammelkammer im Dampferzeuger geleitet. Speisewasser von der Speisewasserquelle wird in die innen liegende Sammelkammer geleitet und strömt über die Nebenleitung mit verdichteter Luft. Wärme aus der verdichteten Luft wird durch die Nebenluftleitung an das Speisewasser übertragen, wodurch das Speisewasser in Dampf umgewandelt wird und die Verdichternebenluft gekühlt wird. Der Dampf tritt aus dem Dampferzeuger durch die Dampfleitung aus, die mit den Kanälen in den Wänden des Überströmkanals verbunden ist. Wenn der Dampf durch den Überströmkanal strömt, überträgt der Überströmkanal Wärme an den Dampf, wodurch die Temperatur der Überströmkanalwände gesenkt und die Dampftemperatur erhöht wird. Der erwärmte Dampf tritt aus dem Überströmkanal und anschließend durch die Austrittsleitung aus und kann zum Prozessgasströmungspfad der Gasturbine oder zu einer separaten Dampfturbine geleitet werden.
Die verdichtete Luft in der Nebenluftleitung, die vom Dampferzeuger abzweigt, enthält gekühlte Verdichterluft. Die kühle verdichtete Luft strömt durch eine Kühlluftleitung zu Kanälen im Gehäuse der Turbinenbaugruppe. Die gekühlte Luft nimmt Wärme von der Turbinenbaugruppe auf, wodurch die Turbinenbaugruppe gekühlt wird. Die wiedererwärmte Luft tritt aus dem System durch einen Austritt aus und/oder wird mit dem Prozessgas in der Turbinenbaugruppe gemischt.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Die Erfindung kann anhand der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen vollständig verstanden werden, wenn sie in Verbindung mit der begleitenden Zeichnung gelesen wird, in der:
1 eine schematische Darstellung einer Gasturbine gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Wie in 1 gezeigt, umfasst ein Gasturbinenkraftwerk 1 einen Strömungspfad 9, der durch eine Verdichterbaugruppe 10, eine Brennkammerbaugruppe 20, einen Überströmkanal 30 und eine Turbinenbaugruppe 40 verläuft. Wie allgemein auf diesem Gebiet der Technik bekannt, umfasst die Verdichterbaugruppe 10 eine Vielzahl von feststehenden Leitschaufeln und rotierenden Laufschaufeln (nicht dargestellt). Die Verdichterbaugruppe 10 verdichtet Umgebungsluft und leitet die verdichtete Luft in die Brennkammerbaugruppe 20. Am in Strömungsrichtung nachgelagerten Ende der Verdichterbaugruppe 10 weist die verdichtete Luft einen absoluten Druck von etwa 200–350 psia (13,8–24,1 bar) und eine Temperatur von etwa 750–850°F (399–454°C) auf.
Wie auf diesem technischen Gebiet allgemein bekannt, umfasst die Brennkammerbaugruppe 20 ein Brennstoffeinspritz- und Verbrennungssystem (nicht dargestellt), in dem Brennstoff, wie beispielsweise ein brennbares Gas oder Heizöl, mit der verdichteten Luft gemischt wird. Das Gemisch aus Brennstoff und verdichteter Luft wird entzündet und erzeugt ein erwärmtes Prozessgas. Das erwärmte Prozessgas wird durch den Überströmkanal 30 zur Turbinenbaugruppe 40 geleitet. Der Überströmkanal 30 und die Turbinenbaugruppe 40 weisen integrierte Kanäle 32 bzw. 42 auf, die jeweils die Durchleitung eines Kühlmittels ermöglichen. Am Übergang zwischen dem Überströmkanal 30 und der Turbinenbaugruppe 40 weist das Prozessgas einen absoluten Druck von etwa 170–325 psia (11,7–22,4 bar) und eine Temperatur von etwa 2500–2900°F (1371–1593°C) auf.
Da das erwärmte Prozessgas knapp unterhalb der höchsten Temperatur ist, mit der das Prozessgas durch den Überströmkanal 30 strömt, unterliegt der Überströmkanal 30 thermischer Beanspruchung, wenn der Überströmkanal 30 Wärme aus dem Prozessgas aufnimmt. Zum Reduzieren nachteiliger Auswirkungen der thermischen Beanspruchung muss der Überströmkanal 30 gekühlt werden. Die Kühlung des Überströmkanals 30 wird durch die Kühlkanäle 32 erreicht, die Bestandteil der tragenden Struktur des Überströmkanals 30 sind. Die Kühlkanäle 32 stehen in Fluidaustausch mit einem Dampferzeuger 50 (nachstehend beschrieben), der Kühldampf bereitstellt. Der Überströmkanal umfasst ferner einen Austrittskanal 34, der mit den integrierten Kanälen 32 verbunden ist. Der Austrittskanal 34 ist mit einer Dampfaustrittsleitung 36 verbunden. Die Dampfaustrittsleitung 36 kann in Fluidaustausch mit dem Strömungspfad 9 oder mit einer separaten Dampfturbine 100 stehen. Dampf im Austrittskanal 36 weist einen absoluten Druck von etwa 500–600 psia (34,8–41,2 bar) und eine Temperatur von etwa 750–1100°F (399–593°C) auf.
Eine Vorrichtung 49 zur Kühlung des Überströmkanals gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst einen Druckluftdampferzeuger 50. Der Druckluftdampferzeuger 50 umfasst ein außen liegendes Gehäuse 51 und eine innen liegende Sammelkammer 52. Die innen liegende Sammelkammer 52 ist mit einer Speisewasserquelle 54 verbunden und die innen liegende Sammelkammer 52 ist teilweise mit Speisewasser gefüllt. Wasser, das der Speisewasserquelle 54 entnommen wird, weist einen absoluten Druck von etwa 600–700 psia (41,4–48,2 bar) und eine Temperatur von etwa 40–60°F (4,4–15,5°C) auf. Die Dampferzeugerbaugruppe umfasst ferner einen Austrittskanal 56, der mit einer Dampfleitung 58 verbunden ist. Die Dampfleitung 58 ist mit den Kanälen 32 zur Kühlung des Überströmkanals verbunden.
Mindestens eine Verdichternebenluftleitung und vorzugsweise zwei Nebenluftleitungen 11, 12 verlaufen von der Verdichterbaugruppe 10 durch die innen liegende Sammelkammer 52 des Druckluftdampferzeugers und sind mit den integrierten Kanälen der Turbinenbaugruppe verbunden. Die Verdichternebenluftleitung 11 kann mit dem Strömungspfad an einem mittleren Bereich der Verdichterbaugruppe 10 verbunden sein. Die Verdichternebenluftleitung am mittleren Bereich führt verdichtete Luft, die einen absoluten Druck von etwa 150–225 psia (10,3–15,5 bar) und eine Temperatur von etwa 600–700°F (315–371°C) aufweist. Alternativ kann die Verdichternebenluftleitung 12 mit dem Strömungspfad am in Strömungsrichtung nachgeordneten Ende der Verdichterbaugruppe 10 verbunden sein. Die Nebenluftleitungen am Ende des Verdichters führen Luft, die einen absoluten Druck von etwa 200–350 psia (13,8–24,1 bar) und eine Temperatur von etwa 750–850°F (399–454°C) aufweist. Die Verdichternebenluftleitungen 11, 12 verlaufen durch den Druckluftdampferzeuger 50, stehen jedoch nicht in Fluidaustausch mit demselben. Die Nebenluftleitungen 11, 12 sind vom Wasser in der innen liegenden Sammelkammer 52 umgeben. In der innen liegenden Sammelkammer 52 kann die Verdichternebenluftleitung Lamellen oder andere allgemein bekannte Vorrichtungen (nicht dargestellt) umfassen, die die Wärmeübertragung unterstützen.
Die Nebenluftleitungen 11, 12 sind ferner über eine erste bzw. zweite Kühlluftleitung 13, 14 mit den Kühlkanälen in der Turbinenbaugruppe 40 verbunden. Da, wo die erste Kühlluftleitung 13 aus dem Druckluftdampferzeuger 50 austritt, weist die verdichtete Luft einen absoluten Druck von etwa 135–215 psia (93,1–14,8 bar) und eine Temperatur von etwa 500–600°F (260–315°C) auf. Da, wo die zweite Kühlluftleitung 14 aus dem Druckluftdampferzeuger 50 austritt, weist die verdichtete Luft einen absoluten Druck von etwa 180–340 psia (12,4–23,4 bar) und eine Temperatur von etwa 300–500°F (148–260°C) auf.
Im Betrieb verdichtet die Verdichterbaugruppe 10 Umgebungsluft. Ein Teil der verdichteten Luft strömt entlang des Strömungspfads von der Verdichterbaugruppe 10 in die Brennkammerbaugruppe 20. In der Brennkammerbaugruppe 20 wird die verdichtete Luft mit einem Brennstoff gemischt. Das Gemisch aus verdichteter Luft und Brennstoff wird in der Brennkammerbaugruppe 20 entzündet und erzeugt ein Prozessgas. Das Prozessgas strömt durch den Überströmkanal 30 und in die Turbinenbaugruppe 40. Ein Teil der verdichteten Luft aus der Verdichterbaugruppe 10 wird ferner über die Verdichternebenluftleitung 11, 12 durch den Druckluftdampferzeuger 50 geleitet. Wenn die verdichtete Luft durch die Nebenluftleitungen 11, 12 innerhalb der innen liegenden Sammelkammer 52 des Dampferzeugers strömt, kommt Wasser mit den Nebenluftleitungen 11, 12 in Berührung und wird erwärmt, bis das Wasser in Dampf umgewandelt wird. Zugleich wird die verdichtete Luft in der Nebenluftleitung 11, 12 abgekühlt. Nachdem die Verdichternebenluft durch den Druckluftdampferzeuger 50 geströmt ist, strömt die abgekühlte verdichtete Luft zu den Kühlluftleitungen 13, 14 und in die integrierten Kanäle 42 der Turbinenbaugruppe, wo die abgekühlte Luft Wärme von der Turbinenbaugruppe 40 aufnimmt, wodurch die Turbinenbaugruppe 40 gekühlt wird.
Dampf, der im Druckluftdampferzeuger 50 erzeugt wird, tritt aus dem Dampferzeuger 50 durch den Austrittskanal 56 aus und strömt durch die Dampfleitung 58 in die Kühlkanäle 32 in den Wänden des Überströmkanals 30. Im Überströmkanal 30 nimmt der Dampf Wärme vom Überströmkanal 30 auf, wodurch der Überströmkanal 30 gekühlt wird und Heißdampf erzeugt wird. Der Heißdampf tritt durch den Überströmkanalaustrittskanal 34 aus dem Überströmkanal 30 aus. Der Heißdampf, der durch den Überströmkanalaustrittskanal 34 strömt, kann in den Strömungspfad der Gasturbine eingespeist werden, vorzugsweise in Strömungsrichtung nachgelagert von der Verdichternebenluftleitung 11, 12, oder der Heißdampf kann zu einer separaten Dampfturbine 100 geleitet werden.
Die Gasturbinenbaugruppe 1 kann ferner einen Abhitzedampferzeuger 60 umfassen, der im Austrittspfad der Turbinenbaugruppe 1 angeordnet ist. Der Abhitzedampferzeuger 60 ist ferner mit einer Speisewasserquelle 54 verbunden. Der Abhitzedampferzeuger 60 ist ein Wärmetauscher wie auf diesem technischen Gebiet bekannt. Der Abhitzedampferzeuger 60 überträgt Wärme vom Austritt der Gasturbinenbaugruppe 1 in das Speisewasser, wodurch Dampf erzeugt wird. Der Abhitzedampferzeuger 60 ist über eine Nebenleitung 62 mit den Kühlkanälen 32 des Überströmkanals 30 verbunden. Sowohl die Dampfleitung 58 als auch die Dampfnebenleitung 62 können Ventile 70, 72 aufweisen, mit denen die Dampfleitung 58 und die Dampfnebenleitung 62 geschlossen werden können.
Während des Betriebs kann, sobald die Gasturbinenbaugruppe 1 auf Betriebstemperatur ist und der Abhitzedampferzeuger 60 für eine ausreichende Dampfmenge sorgt, Dampf vom Abhitzedampferzeuger 60 zur Leitung 62 geleitet werden, die mit dem Überströmkanal 30 verbunden ist. Somit erhält der Überströmkanal 30 Kühldampf von sowohl dem Druckluftdampferzeuger 50 als auch dem Abhitzedampferzeuger 60. Da zwei Dampferzeuger 50, 60 verwendet werden, kann einer von ihnen für Wartungszwecke abgeschaltet werden, während die Gasturbinenbaugruppe 1 in Betrieb bleibt. Wenn einer der Dampferzeuger 50, 60 abgeschaltet wird, wird die entsprechende Dampfleitung 58, 62 durch das zugehörige Ventil 70, 72 geschlossen.
Zwar wurde eine spezielle Ausführungsform der Erfindung in allen Einzelheiten beschrieben, dem Fachmann ist jedoch klar, dass diverse Modifikationen und Alternativen an diesen Einzelheiten im Hinblick auf die Gesamtlehren des Offenbarten entwickelt werden könnten. Daher sollen die hier offenbarten bestimmten Anordnungen nur zur Veranschaulichung dienen, und sie sollen den Umfang der Erfindung, die in den beigefügten Ansprüchen ausführlich dargelegt wird, in keiner Weise eingrenzen.

Claims

Gasturbine (1), die umfasst: eine Verdichterbaugruppe (10), die Nebenleitungen (11, 12) mit verdichteter Luft aufweist; eine Brennkammerbaugruppe (20); einen Turbinenbaugruppe (40), die integrierte Kühlkanäle (42) aufweist; wobei besagte Verdichterbaugruppe (10) mit der besagten Brennkammerbaugruppe (20) verbunden ist; wobei besagte Brennkammerbaugruppe (20) ferner mit einem Überströmkanal (30) verbunden ist; wobei besagter Überströmkanal (30) ferner mit der besagten Turbinenbaugruppe (40) verbunden ist; wobei besagte Verdichterbaugruppe (10), Brennkammerbaugruppe (20), Überströmkanal (30) und Turbinenbaugruppe (40) einen Strömungspfad (9) bilden; dadurch gekennzeichnet, dass besagter Überströmkanal (30) integrierte Kühlkanäle (32) aufweist; und dass besagte Turbine ferner umfasst: eine Vorrichtung (49) zur Kühlung des Überströmkanals, die umfasst: einen Druckluftdampferzeuger (50); eine Speisewasserquelle (54), die mit besagtem Druckluftdampferzeuger (50) verbunden ist und denselben mit Wasser versorgt; eine Dampfleitung (58), die mit besagten Überströmkanalkühlkanälen (32) und besagtem Druckluftdampferzeuger (50) verbunden ist; wobei besagte Nebenleitungen (11, 12) mit verdichteter Luft durch besagten Druckluftdampferzeuger (50) verlaufen; und wodurch besagter Druckluftdampferzeuger (50) Wasser in Dampf umwandelt und besagter Dampf durch besagte Dampfleitung (58) in besagte Überströmkanalkühlkanäle (32) strömt.
Gasturbine (1) nach Anspruch 1, wobei: besagter Überströmkanal (30) einen Austrittskanal (34) umfasst, der mit besagten Überströmkanalkühlkanälen (32) verbunden ist; besagter Austrittskanal (34) ferner mit besagtem Gasturbinenströmungspfad (9) verbunden ist; und wodurch Dampf von besagtem Dampferzeuger (50) durch besagte Überströmkanalkühlkanäle (32) strömt und in den besagten Strömungspfad (9) eingespeist wird.
Gasturbine (1) nach Anspruch 1, wobei: besagter Überströmkanal (30) einen Austrittskanal (34) umfasst, der mit besagten Überströmkanalkühlkanälen (32) verbunden ist; und besagter Austrittskanal (34) ferner mit einer separaten Dampfturbine (100) verbunden ist.
Gasturbine (1) nach Anspruch 1, wobei besagte Nebenleitungen (11, 12) mit verdichteter Luft mit besagten Turbinenbaugruppenkühlkanälen (42) verbunden sind.
Gasturbine (1) nach Anspruch 4, wobei: besagte Turbinenbaugruppe (40) einen Austrittsbereich umfasst; besagte Kühlvorrichtung (49) einen Abhitzedampferzeuger (60) umfasst, der in besagtem Austrittsbereich angeordnet ist; und besagter Abhitzedampferzeuger (60) mit einer Speisewasserquelle (54) und mit den besagten Überströmkanalkühlkanälen (32) verbunden ist.
Gasturbine (1) nach Anspruch 5, wobei: besagter Abhitzedampferzeuger (60) über eine Nebendampfleitung (62) mit besagten Überströmkanalkühlkanälen (32) verbunden ist; und besagte Dampfleitung (58) und besagte Nebendampfleitung (62) jeweils Ventile (70, 72) aufweisen, mit denen die besagte Dampfleitung (58) bzw. die besagte Nebendampfleitung (62) geschlossen werden können.