CH702103A2 - Gasturbinensystem mit externer Zwischenüberhitzung. - Google Patents

Abstract

Es sind eine Gasturbine mit externer Zwischenüberhitzung und ein Verfahren zum externen Zwischenüberhitzen in einer Gasturbine offenbart. Ein Gasturbinensystem (100) enthält einen Verdichter (110), einen Expander (130), eine Brennkammer (120), die zwischen dem Verdichter (110) und dem Expander (130) angeordnet ist, einen Kessel (150), der zwischen dem Verdichter (110) und dem Expander (130) angeordnet ist, eine Leitung (151, 152), die abrechenbare Luft enthält und in thermischer Verbindung mit dem Kessel (150) steht, und eine externe freie Wärmequelle, die mit dem Kessel (150) gekoppelt ist.

Description

Hintergrund zu der Erfindung

[0001] Der hierin offenbarte Gegenstand betrifft fossile Brennstoffe verbrennende Gasturbinenanlagen und insbesondere die Verwendung einer sekundären Quelle freier Energie oder Abfallenergie zusätzlich zu der primären fossilen Brennstoffenergiequelle, um den gesamten Energieumwandlungswirkungsgrad des Systems zu steigern.

[0002] In einer Gasturbinenanlage wird Luft in einem Verdichter unter Druck gesetzt und in einer Brennkammer mit Brennstoff vermischt, um heisse Verbrennungsgase zu erzeugen, die stromabwärts zu einem Expander strömen, der Energie aus den heissen Verbrennungsgasen extrahiert. Die Temperatur des heissen Gasstroms aus der Brennkammer moderner Gasturbinenanlagen ist extrem hoch und liegt gewöhnlich oberhalb von 2500 Grad F. Derartige Temperaturen sind vergleichbar mit dem oder sogar höher als der Schmelzpunkt der hochentwickelten Legierungen, die bei der Herstellung von Turbinenteilen, z.B. (stationären) Leitapparaten oder Leitschaufeln, (umlaufenden) Schaufeln oder Laufschaufeln und Radzwischenräumen zwischen diesen, eingesetzt werden. Diese Teile werden üblicherweise als die Heissgaspfadkomponenten (HGP-Komponenten) bezeichnet. Es ist zu bedenken, dass bei Fehlen einer Kühlung die Schaufelblätter, die die erste Stufe einer modernen Gasturbine aufweisen, innerhalb weniger Sekunden wegschmelzen würden. Luft, die verwendet wird, um die HGP-Komponenten in der Gasturbine zu kühlen, wird gewöhnlich aus dem Verdichterauslass oder aus Zwischenstufenstellen entnommen und wird folglich nicht in dem Verbrennungs- und Turbinenexpansionsprozess verwendet, so dass sie entsprechend den Gesamtwirkungsgrad der Gasturbine verringert. Der Kühlluftstrom wird als «abrechenbarer» Luftstrom bezeichnet, dessen Menge durch die Temperatur der Druckluft, die von dem Verdichter zu der Turbine geleitet wird, gesteuert wird. Im Allgemeinen gilt, dass je weiter stromabwärts sich das gekühlte Turbinenteil in dem Expansionspfad befindet, desto weiter stromaufwärts die Kühlmittelentnahmestelle in dem Verdichter liegt. Ein Vermischen der verbrauchten Kühlluft mit dem Heissgas, das durch die Turbine expandiert, stellt eine weitere Quelle einer auf Misch- und Kühlverluste zurückzuführenden Verlustarbeit dar.

[0003] Im Allgemeinen kann die über den Brennwert des in der Brennkammer verbrannten Brennstoffs der Gasturbine zugeführte Energie reduziert werden, indem die Temperatur des Brennstoffs selbst und/oder der Verbrennungsluft aus dem Verdichterauslass erhöht wird. Die einhergehende Reduktion der Menge des in der Brennkammer verbrannten Brennstoffs spiegelt sich in der Steigerung des Gasturbinenwirkungsgrades, falls eine Quelle freier Energie oder Abfallenergie zur Verfügung steht, um die Anhebung der Temperatur des Brennstoffs und/oder der Verbrennungsluft zu erzielen. In modernen industriellen oder Hochleistungs-Gasturbinen, die bei der elektrischen Leistungserzeugung eingesetzt werden, ist eine Brenngas-Leistungserhitzung (z.B. auf 365 F oder höher) mit Abhitzekessel-Speisewasser eine gängige Praxis. Ein Erhitzen der Verdichteraustrittsluft auf eine ähnliche Weise ist, obwohl theoretisch gewiss möglich, aufgrund der sehr hohen Temperatur der Austrittsluft (von z.B. nahezu 800 F in fortschrittlichen Turbinen der F-Klasse) und des sehr gedrängt integrierten Gasturbinenaufbaus nicht praktikabel.

[0004] Herkömmlich, z.B. in solarthermischen Kraftwerksanwendungen (CSP-Anwendungen, Concentrated Solar Power) wird freie Energie oder Abfallenergie (ansonsten verschwendete Energie) zur Dampferzeugung und Leistungserzeugung in einer Dampfturbine genutzt. Z.B. wird in der Gas- und Dampfturbinen-Kombikraftwerksanlage die Abfallenergie aus dem Gasturbinenabgas dazu verwendet, in einem Abhitzedampferzeuger (HRSG, Heat Recovery Steam Generator) Dampf für eine weitere Expansion und Leistungserzeugung in einer Dampfturbine zu erzeugen. Aufgrund der relativen Position der die Gas- und Dampfturbine repräsentierenden thermodynamisehen Grundzyklen auf einer Temperatur-Entropie-Fläche, d.h. des Brayton- bzw. Rankine-Zyklus, wird der erste als der «Topping»-Zyklus und der letztere als der «Bottoming»-Zyklus bezeichnet. In anderen Systemen wird die Dampferzeugung in dem HRSG eines Kombikraftwerks durch Verwendung der (freien) Solarenergie in einem gesonderten Kesselabschnitt ergänzt. In jedem Fall wird die freie oder Abfallenergie in dem Bottoming-Dampfzyklus des Kombikraftwerks genutzt.

Kurze Beschreibung der Erfindung

[0005] Gemäss einem Aspekt der Erfindung ist ein Gasturbinensystem geschaffen. Das Gasturbinensystem kann einen Verdichter, einen Expander, eine zwischen dem Verdichter und dem Expander angeordnete Brennkammer, einen Kessel, der zwischen dem Verdichter und dem Expander angeordnet ist, eine Leitung, die abrechenbare Luft enthält und mit dem Kessel in thermischer Verbindung steht, und eine externe freie Wärmequelle, die mit dem Kessel gekoppelt ist, enthalten.

[0006] Gemäss einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Gasturbinensystem geschaffen. Das Gasturbinensystem kann einen Verdichter, einen Expander, eine Brennkammer, die zwischen dem Verdichter und dem Expander angeordnet ist und eine Brennstoffzufuhr aufweist, einen ersten Kessel, der zwischen dem Verdichter und dem Expander angeordnet ist, eine Leitung, die abrechenbare Luft enthält und mit dem ersten Kessel in thermischer Verbindung steht, wobei der erste Kessel Wärme der abrechenbaren Luft zuführt, eine externe freie Wärmequelle, die mit dem ersten Kessel gekoppelt ist, und einen zweiten Kessel, der Wärmeenergie zu der Brennstoffzufuhr liefert, enthalten.

[0007] Gemäss einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren geschaffen. Das Verfahren kann ein Erzeugen eines ersten Energiestroms in einer Gasturbine, die eine Brennkammer aufweist, ein Erzeugen eines zweiten Energiestroms in der Gasturbine, ein Erzeugen eines dritten Energiestroms in einer für die Gasturbine externen Quelle und Zusammenführen des dritten Energiestroms mit dem ersten Energiestrom, um die Wärmeenergie in dem ersten Energiestrom und dem zweiten Energiestrom zu erhöhen, enthalten.

[0008] Diese und weitere Vorteile und Merkmale werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen offensichtlicher.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0009] Der Gegenstand, der als die Erfindung angesehen wird, ist in den Ansprüchen am Schluss der Beschreibung besonders angegeben und deutlich beansprucht. Das Vorstehende sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung erschliessen sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen:

[0010] Fig. 1 veranschaulicht ein beispielhaftes Gasturbinensystem mit externer Zwischenüberhitzung in seiner bevorzugten Ausführungsform.

[0011] Fig. 2 veranschaulicht ein weiteres beispielhaftes Gasturbinensystem mit externer Zwischenüberhitzung.

[0012] Fig. 3 veranschaulicht ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum externen Zwischenüberhitzen in einer Gasturbine gemäss beispielhaften Ausführungsformen.

[0013] Die detaillierte Beschreibung erläutert Ausführungsformen der Erfindung gemeinsam mit ihren Vorteilen und Merkmalen anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

[0014] Fig. 1 veranschaulicht ein beispielhaftes Gasturbinensystem 100 mit externer Zwischenüberhitzung oder Nacherhitzung. Wie hierin weiter beschrieben, bestimmt die elementare Thermodynamik, dass in dem Fall, dass es möglich ist, die freie Energie oder Abfallenergie in dem Topping-Gaszyklus des Kombikraftwerks zu verwenden, der Gewinn bei dem Wirkungsgrad des Gesamtsystems aufgrund der Kombination von zwei gesonderten Mechanismen höher sein wird: 1) Verbesserung des Wirkungsgrades des Topping(Gasturbinen)-Zyklus über den Zwischenüberhitzungseffekt, was allgemein bekannt und in allen elementaren Lehrbüchern zu diesem Thema beschrieben ist, und 2) Verbesserung des Wirkungsgrades des Bottoming(Dampfturbinen)-Zyklus über eine erhöhte Energie(Verfügbarkeit) des Gasturbinenabgasstroms, der den HRSG speist.

[0015] Wie hierin beschrieben, kann in Gasturbinenzyklen mit externer Zwischenüberhitzung Dampf in einem Kessel 150 unter Verwendung einer Quelle einer freien Wärme oder Abwärme erzeugt werden, und der Dampf kann zu verschiedenen Teilen des Systems 100 geliefert werden. In diesem Zusammenhang bedeuten die Begriffe «frei» und «Abfall», dass kein zusätzlicher fossiler Brennstoff (der über Kapitalaufwendungen erworben wird) verwendet wird, um diese Energie zu erzeugen. Zu Beispielen gehören erneuerbare Quellen, wie bspw. Solarenergie, die ohne Weiters weltweit kostenlos zur Verfügung steht, und Energie als ein Nebenprodukt existierender Prozesse, wie bspw. das Abgas von einer Brennkraftmaschine, das ansonsten durch Ausgabe in die Atmosphäre unnütz verschwendet würde. Der Ausdruck «Kessel» wird hierin in seinem allgemeinsten Sinne verwendet, um einen Wärmetauscher zu beschreiben, der eine Wärmequelle einsetzt, um Wasser in Dampf umzuwandeln. Die speziellen thermomechanischen und sonstigen Konstruktionsaspekte, um diesen Effekt zu erreichen, sind für die Erfindung unerheblich. Wie weiter hierin beschrieben, kann der Kessel 150 vielfältige Wärmequellen zur Dampferzeugung, wie bspw. freie Solarenergie oder Abfallquellen, wie bspw. Schmelzflüssige Schlackenprodukte eines Stahlwerks, enthalten. Es ist zu verstehen, dass die Ausdrücke «frei» und «Abfall» gegeneinander austauschbar verwendet werden und Ausdrücke sind, die eine Quelle von der Gasturbine von aussen zugeführter Wärme beschreiben. Die «freie» Wärmequelle (z.B. ein solarthermisches Kraftwerk, Solarkollektorfeld, aus flüssiger Schlacke wiedergewonnene Abhitzewärme, etc.) erhöht über Dampf, der in dem Kessel 150 erzeugt wird, die Temperatur der abrechenbaren Kühlströmungen. Der Dampf kann auch dazu verwendet werden, den Gasturbinenbrennstoff zu erwärmen, wodurch die in der Brennkammer verbrauchte Brennstoffmenge reduziert und der Gasturbinenwirkungsgrad erhöht wird. Der Zwischenüberhitzungseffekt, der durch die in den Heissgaspfad der Gasturbine eintretende heisse abrechenbare Strömung erzeugt wird, steigert die Effizienz und Leistungsausgabe des Systems 100.

[0016] In der in Fig. 1 veranschaulichten beispielhaften Ausführungsform enthält das System 100 einen Turbinenverdichter 110, der atmosphärische Luft 111 aufnimmt und komprimierte Luft 112 sowie eine abrechenbare Luftströmung 113 erzeugt, die in Form von mehreren Strömen vorliegen kann. Der Verdichter ist mit einem Expander 130 betriebsmässig gekoppelt. Die komprimierte Luft 112 wird für eine Brennkammer 120 erzeugt, und die abrechenbare Kühlluft 113 wird für die HPG-Komponenten des Gasturbinenexpanders 130 erzeugt. Die Brennkammer ist zwischen dem Verdichter 110 und dem Expander 130 angeordnet, nimmt komprimierte Luft 112 von dem Verdichter 110 auf und liefert heisses Produktgas 122 zu dem Expander 130. Die Brennkammer 120 empfängt ferner eine Brennstoffzufuhr 121. Das System 100 enthält ferner einen Gasturbinenabgasstrom 131, der für eine Kombizykluskonfiguration zugänglich ist. In der Kombizykluskonfiguration kann das System 100 ferner einen Abhitzedampferzeuger (HRSG) 155 enthalten, um die Energie des Abgasstroms 131 wiederzugewinnen und Dampf zu erzeugen, um eine Dampfturbine 160 anzutreiben. Die Dampfturbine 160 kann Nieder-, Zwischen- und Hochdruckabschnitte sowie einen Kondensator enthalten, um Abdampf zur erneuten Verwendung in dem HRSG 155 kondensieren zu lassen. Es können viele weitere Konfigurationen realisiert werden, um den Abgasstrom 131 wiederzuverwenden, so dass der HRSG 155 und die Dampfturbine 160 nur für veranschaulichende Zwecke dargestellt sind. In der beispielhaften Ausführungsform, wie sie in Fig. 1 veranschaulicht ist, ist ein Lufterhitzer 135 zwischen dem Verdichter 110 und dem Expander 130 angeordnet und betriebsmässig mit diesen gekoppelt. Die abrechenbare Luft 113 strömt von dem Verdichter 110 durch den Lufterhitzer 135 und zu dem Expander 130 über externe Rohre oder andere geeignete Leitungen. Eine Versorgungsleitung 151 und eine Rücklaufleitung 152 sind zwischen dem Kessel 150 und dem Lufterhitzer 135 bzw. zwischen dem Lufterhitzer 135 und dem Brennstofferhitzer 140 angeordnet. Der Brennstofferhitzer 140 ist zwischen dem Kessel 150 und dem Lufterhitzer 135 an der Rücklaufleitung 152 angeordnet. Der verbrauchte Dampf 153 von dem Brennstofferhitzer wird zu der Dampfturbine 160 übermittelt, um an einer zu seinem Druck und seiner Temperatur passenden Stelle zugegeben zu werden, um weitere nützliche Wellenleistungserzeugung zu erbringen. Der Kessel 150 wird zur Dampferzeugung mit Wasser 154 aus dem Niederdruck(ND)-Vorwärmerauslass des HRSGs 155 versorgt.

[0017] In der beispielhaften Ausführungsform, wie sie in Fig. 1 veranschaulicht ist, beträgt die Temperatur der abrechenbaren Kühlluft 113 an ihrem Ursprung in dem Verdichter 110 gewöhnlich ungefähr 400 F bis 650 F. Wie hierin beschrieben, wird die freie Wärme oder Abwärme dazu verwendet, die abrechenbare Luft 113 zu erwärmen, um die Gesamteffizienz des Systems 100 zu steigern. Insbesondere wird die abrechenbare Kühlluft 113, die aus Stufen des Verdichters 110 entnommen wird, vor dem Eintritt in den Gasturbinenexpanderabschnitt 130 mit Dampf, der unter Verwendung der freien Wärmequelle oder Abwärmequelle in dem Kessel 150 erzeugt wird (z.B. flüssige Schlacke von einem Stahlwerk oder Solarwärme), auf gewünschte Temperaturen (von z.B. 800 bis 1000 F) erhitzt. An sich kann freie Energie in das expandierende Gas eingebracht werden (d.h. seine Enthalpie erhöhen), um zusätzliche Leistung während des Rests der Expansion zu erzeugen. Z.B. zeigen Berechnungen bei einer fortschrittlichen industriellen Hochleistungs-Gasturbine der F-Klasse mit 165 MW Leistung eine zusätzliche Leistungsabgabe der Gasturbine von ca. 800 kW (1300 kW) für eine Temperaturanhebung von 200 F (300 F) in der abrechenbaren Kühlströmung. Dieses Ergebnis kann durch Verwendung von auf 1050 F überhitzten Dampfes erzielt werden, der unter Einsatz eines solarthermischen Kraftwerks in dem Kessel 150 bei bspw. 600 psia erzeugt wird. Ausserdem beträgt die Erhöhung der Temperatur des Gasturbinenabgasstroms 1314 bis 7 Grad F, was sich in einer zusätzlichen Bottoming-Zyklus-Dampfturbinenausgabe von jeweils 1200 kW bis 2000 kW in einer 2x1-Kombizykluskonfiguration, d.h. bei zwei Gasturbinen und einer Dampfturbine, widerspiegelt. Somit beträgt in dem vorstehend beschriebenen beispielhaften System 100 die Nettoauswirkung auf die Kombizyklus-Ausgangsleistung eines fortschrittlichen Gasturbinensystems der F-Klasse in der 2x1-Konfiguration (Nennleistung 510 MW) 2,75 MW bis 4,5 MW für eine Temperaturanhebung von 200 F bzw. 350 F in der abrechenbaren Kühlströmung.

[0018] In der beispielhaften Ausführungsform, wie sie in Fig. 1 veranschaulicht ist, kann der verbrauchte Dampf von dem Kühllufterhitzer 135 dazu verwendet werden, den Gasturbinenbrennstoff 121 in dem Brennstofferhitzer 140 zu erwärmen. Z.B. kann der verbrauchte Dampf von dem Kühllufterhitzer 131 dazu genutzt werden, den vorhandenen Leistungsbrennstofferhitzer (der das Speisewasser des Zwischendruck(ZD)-Vorerwärmers von dem HRSG 155 verwendet) zu ergänzen, um die Brennstofftemperatur von z.B. 365 F auf 440 F zu erhöhen. Ausserdem kann der verbrauchte Dampf von dem Kühllufterhitzer 131 verwendet werden, um die gesamte Brennstofferwärmungsaufgäbe zu ersetzen und dadurch die Dampfproduktion in dem HRSG 155 und die Leistungserzeugung in der Dampfturbine 160 zu steigern. Ferner kann der verbrauchte Dampf 153 von dem Brennstofferhitzer 140 zu der Dampfturbine 160 weitergeleitet werden, um an einer geeigneten Stelle, die zu seinem Druck und seiner Temperatur passt, zugegeben zu werden. Z.B. steht bei einer Anhebung von 350 F in der abrechenbaren Kühlströmung, was in dem Lufterhitzer 135 durch Verwendung von Dampf 151 mit 60 psia und 1050 F, der in dem Kessel 150 erzeugt wird, nachdem der verbrauchte Dampf 152 von dem Lufterhitzer 135 in dem Brennstofferhitzer 140 verwendet wird, um die Temperatur der Brennstoffversorgung 121 von 365 F auf 440 F zu erhöhen, Dampf zum Einleiten an dem Mantel des ND-Dampfturbinenabschnitts zur Verfügung. Dieses Ergebnis kann die Erzeugung weiterer 5 bis 6 MW zusätzlicher Wellenleistung ergeben. Ausserdem beträgt der Gewinn des Netto-Kombizykluswirkungsgrades bei um 75 F höherer Brennstofftemperatur an dem Einlass zu der Brennkammer in etwa 0,15 Prozentpunkte. An sich ist für eine Anhebung von 350 F in der abrechenbaren Kühlströmung, was durch einen Dampf 151 mit 600 psia und 1050 F, der in dem Kessel 150 erzeugt wird, in dem Lufterhitzer 135 bewerkstelligt werden kann, eine Leistungsverbesserung von 9,5 bis 10,5 MW (was mehr als 0,9 Prozentpunkte des Netto-Kombizykluswirkungsgrades entspricht) und mehr als ein Prozentpunkt des Netto-Kombizykluswirkungsgrades für ein 2x1-Kombizykluskraftwerksystem mit der Nennleistung von 510 MW möglich. Ausserdem sind, falls verbrauchter Dampf 152 von dem Lufterhitzer 135 in dem Brennstofferhitzer 140 für die gesamte Brennstofferwärmung genutzt wird, d.h. von der Rohrleitungstemperatur auf 365 F oder höher, weitere Wirkungsgradsteigerungen möglich, was zu stärkerer Dampferzeugung in dem HRSG 155 und einer höheren Leistungsabgabe in der Dampfturbine 160 führen kann, wenn die zuvor von dem HRSG abgezweigte Abgasenergie ersetzt wird, um die Brennstofferwärmung zu erzielen.

[0019] In der beispielhaften Ausführungsform, wie sie in Fig. 2 veranschaulicht ist, ist Dampf durch ein kommerziell erhältliches Wärmeübertragungsfluid ersetzt. Auf diese Weise wird der Kessel 150 zu dem Wärmetauscher 150, in dem die Temperatur des Fluids durch Aufnahme der Wärme von der freien Wärmequelle oder der Abwärmequelle erhöht wird. Erneut sind die speziellen thermomechanischen und sonstigen Konstruktionsaspekte des Wärmetauschers 150 zur Erreichung dieses Effektes für die Erfindung unerheblich. In Gegenwart des Wärmeübertragungsfluids, das in praktikabler Weise bei den durch die vorliegende Erfindung erforderlichen Temperaturen, d.h. von 900 F oder höher, eingesetzt werden kann, würde diese Ausführungsform der bevorzugten Ausführungsform, die Dampf als das Wärmeübertragungsmedium zwischen der freien Wärmequelle bzw. der Abwärmequelle und der abrechenbaren Luft 113 sowie der Brennstoffversorgung 121 nutzt, gänzlich äquivalent sein. Derzeit ist die Temperaturbelastbarkeit kommerziell erhältlicher Wärmeübertragungsfluide auf ungefähr 700 F begrenzt. Obwohl dies die praktische Realisierung der Erfindung unter Verwendung von diesen zum gegenwärtigen Zeitpunkt undurchführbar macht, wird eine künftige Verfügbarkeit von Wärmeübertragungsfluiden mit einem höheren Temperaturbeständigkeitsbereich diese zu ernsthaften Alternativen zu Dampf machen. Natürlich ist in der modifizierten Ausführungsform nach Fig. 2die Möglichkeit der zusätzlichen Leistungserzeugung in der Dampfturbine 160, wie in dem vorherigen Absatz beschrieben, nicht gegeben.

[0020] Fig. 3 veranschaulicht ein Flussdiagramm für ein Verfahren 300 zum externen Zwischenerhitzen in einer Gasturbine gemäss beispielhaften Ausführungsformen. In beispielhaften Ausführungsformen wird die abrechenbare Kühlluft, die aus einer Zwischenstufenstelle in dem Verdichter entnommen und zu dem Expander(Turbinen)-Gehäuse geleitet wird, vor der Wiedereintrittsstelle erwärmt. Der Prozess stellt die Einbringung freier Energie in das Gasturbinensystem dar, die während der verbleibenden Expansion stromabwärts von der Kühlluft-Wiedereintrittsstelle in nützliche Wellenarbeit umgesetzt wird. In Block 310 erzeugt das System 100, 200 einen ersten Energiestrom. In beispielhaften Ausführungsformen werden der primäre Heissgasstrom und entsprechende abrechenbare Luftströme 113 als der erste Energiestrom erzeugt. In Block 320 erzeugt das System 100, 200 einen zweiten Energiestrom. In beispielhaften Ausführungsformen kann der zweite Energiestrom der Abgasstrom 131 sein. In Block 330 erzeugt das System 100, 200 einen dritten Energiestrom in einer für die Gasturbine externen Quelle. In beispielhaften Ausführungsformen ist der dritte Energiestrom Wärme in Form von Dampf, der durch den externen Wärmetauscher 150 anhand von freien Energiequellen oder Abfallenergiequellen erzeugt wird. In Block 340 kombiniert das System 100, 200 den ersten und den dritten Energiestrom miteinander. In beispielhaften Ausführungsformen ist der dritte Energiestrom eingerichtet, um eine dem abrechenbaren Luftstrom 113 zugeordnete Temperatur anzuheben, wie dies hierin beschrieben ist. In Folge dessen wird eine dem Abgasstrom 131 zugeordnete Temperatur in Abhängigkeit von einer Kombination aus dem ersten und dem zweiten Energiestrom ebenfalls erhöht. In beispielhaften Ausführungsformen ist der erste Energiestrom komprimierte Luft 112 von dem Verdichter 110, und der dritte Energiestrom erhöht eine Temperatur, die der komprimierten Luft zugeordnet ist. Der erste Energiestrom kann auch Wärme in der Brennstoffversorgung 121 für die Brennkammer 120 sein, und der dritte Energiestrom erhöht eine Temperatur, die dem Brennstoffström 121 zugeordnet ist.

[0021] Die hierin beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen ergeben Verbesserungen für sowohl primäre als auch Wärmewiedergewinnungskonfigurationen in einem beliebigen Kombizyklus, wobei ein Topping-Zyklus-Arbeitsfluid mit verfügbarer freier Energie direkt erhitzt wird, sowie einen Bottoming-Zyklus, der jede restliche Topping-Zyklus-Abgasenergie der Anlage wiedergewinnt und nutzt, die nicht zur Erwärmung des unter Druck stehenden Arbeitsfluids des Topping-Zyklus wiedergewonnen wurde, die jedoch aufgrund der zusätzlichen Energie, die dem Topping-Zyklus von der freien Energie aus zugeführt wird, eine höhere Temperatur aufweist. Technische Effekte umfassen eine Steigerung der Umwandlungseffektivität des Systems 100. Die gesteigerte Umwandlungseffektivität ergibt sich aus der dem System 100 zugeführten Wärme, die Nutzleistung in zwei Schritten erzeugt: 1) In der Gasturbine (die Expansionsarbeit in der letzten Turbinenstufe erzeugt) und 2) In dem Bottoming-Zyklus (d.h. der Dampfturbine) über die erhöhte Energie des Gasturbinenabgasstroms, der den HRSG speist.

[0022] Während die Erfindung in Einzelheiten in Verbindung mit lediglich einer begrenzten Anzahl von Ausführungsformen beschrieben worden ist, sollte ohne weiteres verstanden werden, dass die Erfindung nicht auf derartige offenbarte Ausführungsformen beschränkt ist. Vielmehr kann die Erfindung modifiziert werden, um jede beliebige Anzahl von Veränderungen, Anpassungen, Ersetzungen oder äquivalenten Anordnungen aufzunehmen, die hier vorstehend nicht beschrieben sind, die jedoch dem Rahmen und Umfang der Erfindung entsprechen. Ausserdem ist es zu verstehen, dass, obwohl verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben worden sind, Aspekte der Erfindung lediglich einige von den beschriebenen Ausführungsformen enthalten können. Demgemäss ist die Erfindung nicht als durch die vorstehende Beschreibung beschränkt anzusehen, sondern nur durch den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche beschränkt. Es sind eine Gasturbine mit externer Zwischenüberhitzung und ein Verfahren zum externen Zwischenüberhitzen in einer Gasturbine offenbart. Ein Gasturbinensystem 100 kann einen Verdichter 110, einen Expander 130, eine Brennkammer 120, die zwischen dem Verdichter 110 und dem Expander 130 angeordnet ist, einen Kessel 150, der zwischen dem Verdichter 110 und dem Expander 130 angeordnet ist, eine Leitung 151, 152, die abrechenbare Luft enthält und in thermischer Verbindung mit dem Kessel 150 steht, und eine externe freie Wärmequelle enthalten, die mit dem Kessel 150 gekoppelt ist.

Bezugszeichenliste

[0023] <tb>100<sep>Gasturbinensystem mit externer Zwischenüberhitzung <tb>110<sep>Turbinenverdichter <tb>111<sep>atmosphärische Luft <tb>112<sep>komprimierte Luft <tb>113<sep>abrechenbare Luftströmung <tb>120<sep>Brennkammer <tb>121<sep>Brennstoffversorgung <tb>122<sep>heisses Produktgas <tb>130<sep>Expander <tb>131<sep>Gasturbinenabgasstrom <tb>135<sep>Lufterhitzer <tb>140<sep>Brennstofferhitzer <tb>150<sep>Kessel <tb>151<sep>Versorgungsleitung <tb>152<sep>Rücklaufleitung <tb>153<sep>verbrauchter Dampf <tb>154<sep>Wasser <tb>155<sep>HRSG <tb>160<sep>Dampfturbine <tb>200<sep>Gasturbinensystem mit externer Zwischenüberhitzung

Claims (10)

1. Gasturbinensystem (100) mit externer Zwischenüberhitzung, das aufweist: einen Verdichter (110); einen Expander (130); eine Brennkammer (120), die zwischen dem Verdichter (110) und dem Expander (130) angeordnet ist; einen Kessel (150), der zwischen dem Verdichter (110) und dem Expander (130) angeordnet ist; eine Leitung (151, 152), die abrechenbare Luft enthält und mit dem Kessel (150) in thermischer Verbindung steht; und eine externe freie Wärmequelle, die mit dem Kessel (150) gekoppelt ist.

2. System nach Anspruch 1, wobei die externe freie Wärmequelle eine erneuerbare Energiequelle ist.

3. System nach Anspruch 1, wobei die externe freie Wärmequelle eine Abfallenergiequelle ist.

4. System nach Anspruch 1, wobei die Brennkammer eine Brennstoffzufuhr (121) enthält.

5. System nach Anspruch 4, wobei Wärmeenergie von der externen freien Wärmequelle die abrechenbare Luft erwärmt.

6. System nach Anspruch 5, wobei restliche Wärmeenergie von der externen freien Wärmequelle die Brennstoffzufuhr (121) erwärmt.

7. System nach Anspruch 6, das ferner eine Dampfturbine (160) aufweist, die mit dem System (100) betriebsmässig verbunden ist.

8. System nach Anspruch 7, wobei die restliche Wärmeenergie von der externen freien Wärmequelle Dampf in der Dampfturbine (160) erwärmt.

9. System nach Anspruch 1, wobei der Kessel (150) verbrauchten Dampf (153) enthält.

10. System nach Anspruch 9, wobei der verbrauchte Dampf (153) Wärmeenergie zu der Brennstoffzufuhr (121) liefert.