CH617984A5 - District heating power station with gas turbine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Fernheiz-Kraftwerk, bei welchem aus einer Gasturbine austretende Abgase in einem vom Energieträger eines Zwischenkreislaufs beschickten Abhitzekessel einen Teil ihrer Wärme, zwecks Übertragung an den Energieträger eines Fernheiznetzes, an den Energieträger des Zwischenkreislaufs abgeben. The invention relates to a district heating power plant, in which exhaust gases emerging from a gas turbine in a waste heat boiler charged by the energy source of an intermediate circuit release part of their heat for the purpose of transmission to the energy source of a district heating network to the energy source of the intermediate circuit.

Die Rauchgase der meisten handelsüblichen fossilen Brennstoffe enthalten SO2 und SO3. Wenn diese Gase an kalten Rohrwandungen abgekühlt werden, so kondensiert Wasserdampf und es entstehen extrem aggressive Säuren. Alle Erbauer und Betreiber von Kraftwerken setzen daher die Rauchgastemperatur und die minimale Rohrwandtemperatur genügend hoch fest, damit keine Taupunkt-Korrosion auftritt. The flue gases of most commercial fossil fuels contain SO2 and SO3. When these gases are cooled on cold pipe walls, water vapor condenses and extremely aggressive acids are formed. All builders and operators of power plants therefore set the flue gas temperature and the minimum pipe wall temperature high enough so that no dew point corrosion occurs.

Unter diesen Voraussetzungen wird von den Abgasen einer Gasturbine, die üblicherweise mit Leichtöl betrieben wird, eine minimale Temperatur von ca. 160°C und eine minimale Rohrwandtemperatur von ca. 110°C verlangt. Diese Bedingungen erschweren die Verwendung von Gasturbinen in Fernheiz-Kraftwerken, da das mit 60-90°C zurückfliessende Heizwasser nicht in den Abhitzekessel eintreten darf. Es ist daher ein Zwischenkreislauf mit erhöhter Temperatur notwendig. Under these conditions, the exhaust gases from a gas turbine, which is usually operated with light oil, are required to have a minimum temperature of approximately 160 ° C. and a minimum pipe wall temperature of approximately 110 ° C. These conditions make it difficult to use gas turbines in district heating power plants, since the heating water flowing back at 60-90 ° C must not enter the waste heat boiler. An intermediate circuit with an elevated temperature is therefore necessary.

Weiters ergibt die zulässige minimale Abgastemperatur einen unangenehm hohen Abgasverlust, da der Massenstrom wegen der hohen Luftüberschusszahl X hoch ist. Der Ausnüt-zungsfaktor 8- elektrische und genutzte Wärmeleistung durch Wärmeleistung des Brennstoffs - bleibt tief. Ferner erfordert das Erreichen der minimalen Abgastemperatur viel Wärmetauschfläche, weil, wie oben gesagt, die Temperatur des Zwischenkreislaufs erhöht ist und daher die Temperaturdifferenz am Kesselaustritt nur mehr verhältnismässig klein ist. Furthermore, the permissible minimum exhaust gas temperature results in an unpleasantly high exhaust gas loss, since the mass flow is high due to the high excess air number X. The utilization factor 8 - electrical and used heat output through the heat output of the fuel - remains low. Furthermore, reaching the minimum flue gas temperature requires a large heat exchange surface because, as mentioned above, the temperature of the intermediate circuit is increased and therefore the temperature difference at the boiler outlet is only relatively small.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Ausnüt-zungsfaktor e des Fernheiz-Kraftwerks zu verbessern. Dabei sind die Abgase der Gasturbine möglichst tief abzukühlen, ohne dass unangenehme Korrosionsprobleme auftreten. The invention has for its object to improve the exploitation factor e of the district heating power plant. The exhaust gases from the gas turbine must be cooled as deeply as possible without causing unpleasant corrosion problems.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch einen Nachkühler zur weiteren Abkühlung der ihm zugeleiteten Abgase der Gasturbine, der zumindest von einem Teil des Energieträgers des Fernheiznetzes direkt durchströmt ist. This object is achieved according to the invention by an aftercooler for further cooling the exhaust gases of the gas turbine fed to it, through which at least part of the energy source of the district heating network flows directly.

Die Differenz zwischen der Rücklauftemperatur des Betriebsmediums und der Abgastemperatur im Nachkühler ist verhältnismässig gross, auch werden nur ca. 6% der zu übertragenden Wärme im Nachkühler übertragen. Wenn noch hinzukommt, dass der Nachkühler in einen Nebenstrom des Betriebsmediums geschaltet ist - es genügt ein Teilstrom von ca. 5 % -, so ergibt sich aus den genannten Gründen, dass der Nachkühler entsprechend klein und daher billig sein kann. Es ist daher wirtschaftlich vertretbar, dass er aus einem korrosionsbeständigen Stahl, oder sonst aus Glas, Kunststoff oder Keramik hergestellt werden kann. Die durch Abkühlung sich bildende schwefelige Säure kondensiert im Nachkühler, wo sie dank dem gewählten korrosionsbeständigen Material keinen Schaden anrichtet und daraus entfernt werden kann. Der Druck des Betriebsmediums des Fernheiznetzes ist tief, jedenfalls viel tiefer als z. B. jener des Betriebsmittels des Zwischenkreislaufs, was ebenfalls zu einer wesentlichen Verbilli-gung des Nachkühlers beiträgt. The difference between the return temperature of the operating medium and the exhaust gas temperature in the aftercooler is relatively large, and only about 6% of the heat to be transferred is transferred in the aftercooler. If there is also the fact that the aftercooler is connected to a secondary flow of the operating medium - a partial flow of approx. 5% is sufficient - it follows from the reasons mentioned that the aftercooler can be correspondingly small and therefore inexpensive. It is therefore economically justifiable that it can be made from corrosion-resistant steel, or otherwise from glass, plastic or ceramic. The sulphurous acid that forms as a result of cooling condenses in the aftercooler, where, thanks to the selected corrosion-resistant material, it does no damage and can be removed from it. The pressure of the operating medium of the district heating network is low, at least much lower than z. B. that of the equipment of the intermediate circuit, which also contributes to a substantial reduction in the aftercooler.

Der Nachkühler kann vom gesamten Betriebsmedium des Fernheiznetzes oder nur von einem Nebenstrom desselben durchflössen sein. Im ersteren Falle ist es vorteilhaft, wenn das Betriebsmedium zuerst den Nachkühler und erst anschliessend den Abhitzekessel durchströmt. Der Ausnützungsgrad e lässt sich von ca. 0,81 auf 0,85 steigern. Eine regelmässige Waschung des Nachkühlers mit warmem Wasser oder mit absorbierenden Laugen nach dem Hölter-Verfahren ist einfach durchzuführen. The aftercooler can be flowed through by the entire operating medium of the district heating network or only by a secondary flow of the same. In the former case, it is advantageous if the operating medium first flows through the aftercooler and only then through the waste heat boiler. The degree of utilization e can be increased from approx. 0.81 to 0.85. It is easy to wash the aftercooler regularly with warm water or with absorbent alkalis using the Hölter process.

Sollte durch den Nachkühler die Temperatur der Rauchgase zu tief werden und die Gefahr von Korrosion im Kamin entstehen, so kann durch eine Bypassleitung heisses oder erst teilweise gekühltes Abgas in den Kamin geleitet werden. Es genügt ein heisser Abgasschleier entlang der Kaminwandung, um Korrosion zu vermeiden. If the temperature of the flue gases becomes too low due to the aftercooler and there is a risk of corrosion in the chimney, hot or only partially cooled exhaust gas can be led into the chimney through a bypass line. A hot exhaust curtain along the chimney wall is sufficient to prevent corrosion.

Wird dem Abhitzekessel noch ein Kessel zur Deckung von Lastspitzen nachgeschaltet, was gelegentlich zur Ausführung gelangen kann, so ist auch dafür die erfindungsgemässe Anordnung des Nachkühlers möglich. Durch den Spitzenkessel wird normalerweise nur ein Teil der Abgase der Gasturbine geschickt, so dass gerade noch genügend Sauerstoff für eine Nachverbrennung vorhanden ist. Der übrige Teil der Abgase wird direkt in den Kamin geleitet und in diesen Abgasstrom wird der Nachkühler eingeschaltet. Ein Nachkühler nach dem Spitzenkessel ist unwirtschaftlich, da der Spitzenkessel selten verwendet wird und daher wenig Energie umsetzt. If the waste heat boiler is followed by a boiler to cover peak loads, which can occasionally be carried out, the arrangement of the aftercooler according to the invention is also possible for this. Only a part of the exhaust gas from the gas turbine is normally sent through the top boiler, so that there is just enough oxygen for afterburning. The remaining part of the exhaust gases is led directly into the chimney and the aftercooler is switched on in this exhaust gas flow. An aftercooler after the top boiler is uneconomical because the top boiler is rarely used and therefore uses little energy.

In der beigefügten Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen: Two exemplary embodiments of the invention are shown schematically in the accompanying drawing. Show it:

Fig. 1 eine Schaltung des Nachkühlers in den Hauptstrom des Betriebsmediums des Fernheiznetzes, 1 is a circuit of the aftercooler in the main flow of the operating medium of the district heating network,

Fig. 2 eine Schaltung des Nachkühlers in einen Nebenstrom des Betriebsmediums des Fernheiznetzes. Fig. 2 shows a circuit of the aftercooler in a secondary flow of the operating medium of the district heating network.

In beiden Figuren sind gleiche Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. The same components are provided with the same reference symbols in both figures.

Nach Fig. 1 kommen die Abgase der (nicht gezeichneten) Gasturbine durch die Leitung 1, durchströmen nacheinander den Abhitzekessel 2 und den Nachkühler 3 und strömen als Rauchgase durch die Leitung 4 zum (nicht gezeichneten) Kamin. Mit Hilfe des Zwischenkreislaufs 5, dessen Betriebsmittel von der Pumpe 6 umgewälzt wird, erfolgt im Wärmetauscher 7 die Übertragung der Abgaswärme auf das Betriebsmedium des Fernheiznetzes, von dem die Rücklaufleitung 8, die Vorlaufleitung 9 und die Umwälzpumpe 10 gezeigt sind. Der Nachkühler 3 und der Wärmetauscher 7 sind bezüglich des Fernheiznetzes in Serie geschaltet, und zwar derart, dass das Betriebsmedium zuerst den Nachkühler 3 und anschliessend den Wärmetauscher 7 durchströmt. 1, the exhaust gases of the (not shown) gas turbine come through line 1, flow through the waste heat boiler 2 and aftercooler 3 in succession and flow as flue gases through line 4 to the (not shown) chimney. With the help of the intermediate circuit 5, the equipment of which is circulated by the pump 6, the heat of the exhaust gas is transferred in the heat exchanger 7 to the operating medium of the district heating network, of which the return line 8, the supply line 9 and the circulation pump 10 are shown. The aftercooler 3 and the heat exchanger 7 are connected in series with respect to the district heating network, in such a way that the operating medium first flows through the aftercooler 3 and then through the heat exchanger 7.

Von der Abgasleitung 1 zweigt die Bypassleitung 11 ab, deren Durchfluss vom Drosselventil 12 geregelt wird und die nach dem Nachkühler 3 in die Leitung 4, am besten direkt in den Kamin einmündet. Durch diese leichte Aufheizung der abgekühlten Rauchgase wird eine Kondensation und damit s The bypass line 11 branches off from the exhaust line 1, the flow of which is regulated by the throttle valve 12 and which, after the aftercooler 3, opens into the line 4, preferably directly into the chimney. This slight heating of the cooled flue gases leads to condensation and thus s

10 10th

IS IS

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

3 3rd

617984 617984

Korrosion der Wände des Kamins verhindert. Die Leitung 11 kann auch von der Abgasleitung zwischen dem Abhitzekessel 2 und dem Nachkühler 3 abzweigen, was thermodynamisch günstiger ist und ein Ideineres Durchströmvolumen für den Nachkühler ergibt. s Prevents corrosion of the fireplace walls. The line 11 can also branch off from the exhaust gas line between the waste heat boiler 2 and the aftercooler 3, which is thermodynamically more favorable and gives an id flow volume for the aftercooler. s

Die Fig. 2 zeigt im Prinzip eine ähnliche Schaltung wie die Fig. 1, doch ist der Nachkühler 3 in einen Nebenstrom des Betriebsmediums des Fernheiznetzes geschaltet. Im Punkte 13 der Rücklaufleitung 8 zweigt die Nebenleitung 14 ab, die nach dem Durchströmen des Nachkühlers 3 im Punkte 15 in die l» Vorlaufleitung 9 einmündet. Auf diese Weise sind die Wärmetauscher 7 und der Nachkühler 3 parallel geschaltet. Der Vorteil dieser Schaltung liegt vor allem darin, dass der Nachkühler nur mit einer Teilmenge des Betriebsmediums beschickt wird und dem Wärmetauscher 7 (unterschiedlich zur Anlage nach Fig. 1) das Betriebsmedium nicht vorgewärmt, sondern mit der Rücklauftemperatur zugeführt wird, was bei günstiger Auslegung für beide Aggregate kleinere Abmessungen ergeben kann. Fig. 2 shows in principle a similar circuit as Fig. 1, but the aftercooler 3 is connected to a secondary flow of the operating medium of the district heating network. At point 13 of the return line 8, the secondary line 14 branches off, which flows into the flow line 9 at point 15 after flowing through the aftercooler 3. In this way, the heat exchangers 7 and the aftercooler 3 are connected in parallel. The advantage of this circuit lies in the fact that the aftercooler is only charged with a subset of the operating medium and the heat exchanger 7 (different from the system according to FIG. 1) is not preheated to the operating medium, but is supplied with the return temperature, which with a favorable design for both units can result in smaller dimensions.

Es sei noch vermerkt, dass der in den beiden Figuren gezeigte Wärmetauscher 7 nicht unbedingt notwendig ist. Der Zwischenkreislauf 5 mit erhöhter Temperatur kann mit dem Fernheiznetz auch durch ein Rücklauf-Beimischsystem direkt verbunden sein. It should also be noted that the heat exchanger 7 shown in the two figures is not absolutely necessary. The intermediate circuit 5 with increased temperature can also be connected directly to the district heating network by a return mixing system.

b b

1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims (4)

617 984617 984 1. Fernheiz-Kraftwerk, bei welchem aus einer Gasturbine austretende Abgase in einem vom Energieträger eines Zwischenkreislaufs beschickten Abhitzekessel einen Teil ihrer Wärme, zwecks Übertragung an den Energieträger eines Fernheiznetzes, an den Energieträger des Zwischenkreislaufs abgeben, gekennzeichnet durch einen Nachkühler (3) zur weiteren Abkühlung der ihm zugeleiteten Abgase, der zumindest von einem Teil des Energieträgers des Fernheiznetzes (8, 9) 1. District heating power plant, in which exhaust gases emerging from a gas turbine in a waste heat boiler charged by the energy source of an intermediate circuit give off part of their heat, for transmission to the energy source of a district heating network, to the energy source of the intermediate circuit, characterized by an aftercooler (3) for the further Cooling of the exhaust gases supplied to it, which at least from part of the energy source of the district heating network (8, 9) direkt durchströmt ist. is directly flowed through. 2. Fernheiz-Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieträger des Fernheiznetzes zwecks Wärmeaufnahme zuerst den Nachkühler (3) und anschliessend einen zwischen dem Zwischenkreislauf (5) und dem Fernheiznetz (8, 9) angeordneten Wärmetauscher (7) durchströmt. 2. District heating power plant according to claim 1, characterized in that the energy carrier of the district heating network flows through the aftercooler (3) and then through a heat exchanger (7) arranged between the intermediate circuit (5) and the district heating network (8, 9) for the purpose of heat absorption. 2 2nd PATENTANSPRÜCHE PATENT CLAIMS 3. Fernheiz-Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Nachkühler (3) in einem Nebenstrom des Energieträgers des Fernheiznetzes (8,9) angeordnet ist. 3. District heating power plant according to claim 1, characterized in that the aftercooler (3) is arranged in a secondary flow of the energy source of the district heating network (8,9). 4. Fernheiz-Kraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass rauchgasseitig eine von einem Drosselorgan (12) kontrollierte Bypassleitung (11) um den Nachkühler (3) führt. 4. District heating power plant according to one of claims 1 to 3, characterized in that the flue gas side by a throttle member (12) controlled bypass line (11) leads to the aftercooler (3).