DE10001110A1 - Verfahren zur Rückgewinnung von Wasser aus dem Rauchgas eines Kombikraftwerkes sowie Kombikraftwerk zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zur Rückgewinnung von Wasser aus dem Rauchgas eines Kombikraftwerkes sowie Kombikraftwerk zur Durchführung des Verfahrens

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Rückgewinnung von Wasser, welches beim Verbrennen eines Brennstoffes (19), insbesondere Erdgas, in einem eine Gasturbinenanlage (11), einen Abhitzekessel (33) und eine mit dem Abhitzekessel (33) in einem Wasser/Dampfkreislauf angeordnete Dampfturbine (25) umfassenden Kombikraftwerk (101) entsteht und/oder in Form von Wasser bzw. Dampf (36) hinzugefügt wird, wird aus dem beim Verbrennen des Brennstoffes (19) entstehenden und das Wasser in Form von Wasserdampf enthaltenden Rauchgas (42) nach dem Durchströmen des Abhitzekessels (33) das Wasser, insbesondere durch Expansion in einer Nutzturbine (20), auskondensiert und in flüssiger Form abgeschieden.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Kombikraftwerke (Kom­ bianlagen). Sie betrifft ein Verfahren gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Kombikraftwerk zur Durchführung des Verfahrens gemäss dem Oberbe­ griff des Anspruchs 10.
STAND DER TECHNIK
Kombikraftwerke verbrennen normalerweise Erdgas, welches bei der Verbrennung Wasserdampf produziert. 1 kg Erdgas verbrennt dabei zu ca. 2 kg Wasser sowie CO2. Das Rauchgas mit dem darin enthaltenen Wasserdampf wird üblicherweise bei erhöhten Temperaturen über einen Kamin abgegeben, ohne dass das Wasser einer Nutzung zugeführt wird. Dasselbe gilt aber auch für Wasser bzw. Dampf, die in anderen Fällen bei der Verbrennung eingespritzt bzw. eingedüst werden und so in das Rauchgas gelangen. Andererseits bildet Wasser gerade in der heutigen Zeit eine zunehmend wertvolle Ressource.
Das vereinfachte Schema eines beispielhaften Kombikraftwerkes aus dem Stand der Technik ist in Fig. 1 wiedergegeben. Das Kombikraftwerk 10 umfasst im we­ sentlichen eine Gasturbinenanlage 11, einen Abhitzekessel (Heat Recovery Steam Generator HRSG) 33 und eine Dampfturbine 25, die untereinander verbun­ den sind. Die Gasturbinenanlage 11 besteht aus einem Kompressor 14 und einer Turbine 17, die auf einem Rotor 16 angeordnet sind, sowie einer Brennkammer 15. Der Kompressor 14 saugt im Betrieb Luft durch einen Lufteinlass 12 an, ver­ dichtet sie und gibt die verdichtete Luft an die Brennkammer 15 ab, wo sie als Ver­ brennungsluft zusammen mit einem flüssigen oder gasförmigen Brennstoff 19 (z. B. Erdgas) der über eine Brennstoffzuleitung 21 herangeführt wird, verbrannt wird. Zusätzlich kann in die Brennkammer 15 zur Herabsetzung der Verbren­ nungstemperatur Wasser bzw. Dampf 36 eingespritzt oder eingedüst werden. Die heissen Verbrennungsgase werden von der Brennkammer 15 in die Turbine 17 geleitet, wo sie den Rotor 16 in Rotation versetzten. Das aus der Turbine 17 austretende Rauchgas 42 wird dann zur Erzeugung von Dampf durch den Ab­ hitzekessel 33 geleitet, wo es nacheinander einen Ueberhitzer (superheater) 40, einen Verdampfer (evaporator) 39 und einen Vorwärmer (economizer) 34 um­ strömt und schrittweise Wärme abgibt. Das abgekühlte Rauchgas 42 tritt schliess­ lich aus dem Abhitzekessel 33 aus und wird üblicherweise, ggf. nach einer Rauchgasreinigung, über einen Kamin abgegeben.
Ueberhitzer 40, Verdampfer 39 und Vorwärmer 34 sind hintereinandergeschaltet Teil eines Wasser/Dampfkreislaufes, in den auch die Dampfturbine 25 eingeschal­ tet ist. Der Abdampf aus der Dampfturbine 25 gelangt in einen Kondensator 26 und kondensiert dort. Das Kondensat wird - gegebenenfalls unter Zugabe von Zu­ satzwasser 27 - von einer Kondensatpumpe 28 durch eine Speisewasserleitung 29 zu einem Speisewasserbehälter 30 mit Entgaser gepumpt. Das entgaste Kon­ densat wird dann mittels einer Kesselspeisepumpe 31 als Speisewasser 32 durch den Vorwärmer 34, und als Speisedruckwasser 35 zu einer Dampftrommel 37 mit dem angeschlossenen Verdampfer 39 gepumpt. Der Dampf gelangt dann zum Ueberhitzer 40, wo er überhitzt wird und als überhitzter Dampf 41 schliesslich die Dampfturbine 25 antreibt. Sowohl die Dampfturbine 25 als auch die Gasturbinen­ anlage 11 treiben jeweils einen Generator 13 bzw. 24 an, der elektrischen Strom erzeugt. Mittel zur Gewinnung von im Rauchgas enthaltenen Wasser bzw. Was­ serdampf sind dabei nicht vorgesehen.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren sowie ein Kombikraftwerk an­ zugeben, mit denen das im Rauchgas enthaltene Wasser gewonnen und nutz­ bringend weiterverwendet werden kann.
Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale der Ansprüche 1 und 10 ge­ löst. Der Kern der Erfindung besteht darin, das Kombikraftwerk und die Prozess­ führung so zu gestalten, dass das Wasser aus dem Rauchgas nach dem Verlas­ sen des Abhitzekessels auskondensiert und in flüssiger Form abgeschieden wird.
Eine erste bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass das Rauchgas zum Auskondensieren des Wassers unter Arbeitsleistung expandiert wird. Die Expansion wird vorzugsweise mittels ei­ ner Nutzturbine durchgeführt. Insbesondere wird dazu der Abhitzekessel im Bezug auf das Rauchgas mit einem, insbesondere mehrere bar, vorzugsweise 2-5 bar, über dem Umgebungsluftdruck liegenden Druck betrieben, und das Rauchgas durch die anschliessende Expansion auf Umgebungsluftdruck gebracht. Alternativ dazu kann der Abhitzekessel im Bezug auf das Rauchgas in etwa mit Umge­ bungsdruck betrieben werden, das Rauchgas anschliessend in ein Vakuum ex­ pandiert werden, und das Rauchgas nach der Wasserabscheidung wieder auf Umgebungsluftdruck verdichtet werden. In beiden Fällen wird das Wasser aus dem Rauchgas insbesondere während der Expansion bzw. in der Nutzturbine sel­ ber und/oder in einem der Expansion bzw. der Nutzturbine nachgeschalteten Tropfenabscheider abgeschieden.
Eine zweite bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Abhitzekessel im Bezug auf das Rauchgas mit einem, insbesondere mehrere bar, vorzugsweise 2-5 bar, über dem Umgebungs­ luftdruck liegenden Druck betrieben wird, dass das Wasser aus dem Rauchgas nach dem Verlassen des Abhitzekessels an kalten Flächen, insbesondere den kalten Rohren eines Wärmetauschers auskondensiert wird, und dass das entwässerte Rauchgas durch eine anschliessende Expansion auf Umgebungsluftdruck gebracht wird, wobei auch hier die Expansion vorzugsweise mittels einer Nutztur­ bine durchgeführt wird.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Kombikraftwerks zeichnet sich dadurch aus, dass die Kondensations- und Abscheidemittel Mittel zur Expansion des Rauchgases, vorzugsweise in Form einer Nutzturbine, umfas­ sen.
Eine erste Weiterbildung dieser Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass den Expansionsmitteln bzw. der Nutzturbine ein Tropfenabscheider nachge­ schaltet ist.
Eine zweite Weiterbildung dieser Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsmittel eine ins Vakuum arbeitende Nutzturbine umfassen, und dass der Nutzturbine ein Verdichter nachgeschaltet ist.
Eine dritte Weiterbildung dieser Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Abhitzekessel und den Expansionsmitteln bzw. der Nutztur­ bine Kondensationsmittel, insbesondere in Form eines Wärmetauschers, ange­ ordnet sind.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusam­ menhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
Fig. 1 das vereinfachte Schema eines beispielhaften Kombikraftwerkes aus dem Stand der Technik, bei welchem die Erfindung zur An­ wendung kommen kann;
Fig. 2 im T-s-Diagramm die Prozessführung bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Verfahrens;
Fig. 3 ein zu Fig. 1 vergleichbares Kombikraftwerk gemäss einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer Expansion des Rauchgases auf Umgebungsluftdruck;
Fig. 4 ein zu Fig. 1 vergleichbares Kombikraftwerk gemäss einem zwei­ ten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer Expansion des Rauchgases ins Vakuum und anschliessende Verdichtung auf Umgebungsluftdruck; und
Fig. 5 ein zu Fig. 1 vergleichbares Kombikraftwerk gemäss einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer Expansion des Rauchgases auf Umgebungsluftdruck nach einer vorangegange­ nen Kondensation des Wasserdampfes.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Die der Erfindung zugrundeliegende Idee kann als "aufgeladener Abhitzekessel einer Kombianlage mit Wasserabscheidung über Temperaturabsenkung oder Par­ tialdruck" charakterisiert werden. Die Idee lässt sich anhand der In Fig. 2 im T-s- Diagramm dargestellten beispielhaften Prozessführung erläutern: Vom Punkt P1 auf der Isobaren des Umgebungsluftdruckes pA wird die vom Kompressor (14 in Fig. 1) angesaugte Luft entlang der Kurve a auf Brennkammerdruck verdichtet (Isobare pBK) und in der Brennkammer isobar erwärmt (Kurve b). Die Gasturbine (17 in Fig. 1) in einer Kombianlage expandiert nun entlang der Kurve c das Rauch­ gas auf einen Druck pK im Abhitzekessel (33 in Fig. 1), der mehrere bar, z. B. 2-5 bar, über dem Umgebungsluftdruck pA liegt. Der "aufgeladene" Abhitzekessel ent­ zieht dem Rauchgas Wärme zur Dampfproduktion und kühlt das Rauchgas so bis auf ca. 80-90°C ab (Kurve d).
Wird nun dieses Rauchgas (entlang der Kurve e) über eine Nutzturbine oder ver­ gleichbare Mittel expandiert, entstehen entsprechend dem Druck vor der Turbine tiefe Temperaturen am Punkt P2 nach der Turbine. Der Wasserinhalt im Rauch­ gas kondensiert, wobei eventuelle Partikel im Rauchgas als Kondensationskerne dienen. Das Wasser kann dabei in der Turbine selber oder in einem nachgeschal­ teten Tropfenabscheider abgeschieden und anschliessend entnommen werden.
Ein für diese Prozessführung ausgelegtes Kombikraftwerk 101 ist in einer zu Fig. 1 vergleichbaren Darstellung in Fig. 3 wiedergegeben (gleiche Teile sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen versehen). Das Kombikraftwerk 101 der Fig. 3 unter­ scheidet sich von dem Kombikraftwerk 10 der Fig. 1 in dem auf den Abhitzekessel 33 folgenden Rauchgasstrang. Beim Kombikraftwerk 101 ist dem Abhitzekessel 33 für das austretende, wasserdampfhaltige Rauchgas 42 eine Nutzturbine 20 (die beispielsweise einen Generator 22 antreibt) sowie ein Tropfenabscheider 23 nach­ geschaltet. In der Nutzturbine 20 wird das unter Druck stehende Rauchgas 42 durch Expansion abgekühlt. Dabei kondensiert der Wasserdampf und kann entwe­ der bereits an der Nutzturbine 20 oder am nachfolgenden Tropfenabscheider 23 als Flüssigkeit entnommen werden. Aus dem Tropfenabscheider 23 tritt dann das "entwässerte" Rauchgas 43 aus. Diese Art der Wassergewinnung hat folgende Vorteile:
  • - Die Anlage ist sehr kompakt; die Gasturbine kann z. B. als Variante einer Stan­ dardmaschine ohne Endstufe ausgeführt werden; es ergeben sich im Abhitzekessel gute Wärmeübergangskoeffizienten;
  • - ein Kamin kann wegfallen, weil die "entwässerten" Rauchgase die Anlage bei tiefen Temperaturen verlassen;
  • - die "Kälte" der Rauchgase kann weiter genutzt werden, z. B. für Kühlungs­ zwecke oder auf der Ansaugseite der Gasturbine (Booster).
Andererseits ergibt sich ein leichter Wirkungsgradverlust, da die Expansionslinie der Gasturbine verkleinert wird und dies mit der Rekuperation in der Dampfturbine und in der Nutzturbine nach dem Abhitzekessel nur teilweise kompensiert wird. Um dem abzuhelfen, kann die Wassergewinnung auch in abgewandelter Form durchgeführt werden:
Bei einer alternativen Prozessführung, für die das Kombikraftwerk 102 gemäss Fig. 4 ausgelegt ist, ist der Abhitzekessel 33 nicht "aufgeladen", sondern läuft in etwa auf atmosphärischem Druck. Die nachfolgende Nutzturbine 18 (mit Genera­ tor 22) expandiert das Rauchgas 42 ins Vakuum. Nach der Abscheidung des Wassers (H2O) in der Nutzturbine 18 oder in einem nachgeschalteten Tropfenab­ scheider 23 wird das "entwässerte" Rauchgas 43 in einem Verdichter 44 (bei re­ duziertem Rauchgasmassenstrom) wieder auf Umgebungsluftdruck verdichtet.
Bei einer anderen alternativen Prozessführung, für die das Kombikraftwerk 103 gemäss Fig. 5 ausgelegt ist, wird der Abhitzekessel 33 - wie beim Kombikraftwerk 101 der Fig. 3 - "aufgeladen" gefahren. Nach Austritt aus dem Abhitzekessel 33 wird der Wasserdampf des Rauchgases 42 auf kalten Flächen oder Rohren eines Wärmetauschers 45 unter Ausnutzung des hohen Partialdruckes kondensiert. Da­ nach erfolgt eine Expansion der "entwässerten" Rauchgase 43 in einer Nutztur­ bine 20.
BEZUGSZEICHENLISTE
10
,
101-103
Kombikraftwerk
11
Gasturbinenanlage
12
Lufteinlass
13
,
22
,
24
Generator
14
Kompressor
15
Brennkammer
16
Rotor
17
Turbine
18
,
20
Nutzturbine
19
Brennstoff
21
Brennstoffzuleitung
23
Tropfenabscheider
25
Dampfturbine
26
Kondensator
27
Zusatzwasser
28
Kondensatpumpe
29
Speisewasserleitung
30
Speisewasserbehälter
31
Kesselspeisepumpe
32
Speisewasser
33
Abhitzekessel (HRSG)
34
Vorwärmer
35
Speisedruckwasser
36
Wasser bzw. Dampf
37
Dampftrommel
38
Sattdampf
39
Verdampfer
40
Ueberhitzer
41
überhitzter Dampf
42
Rauchgas (wasserdampfhaltig)
43
Rauchgas (entwässert)
44
Verdichter
45
Wärmetauscher
pA
Umgebungsluftdruck
pBK
Brennkammerdruck
pK
Kesseldruck
P1, P2 Punkt
a-e Kurve

Claims (14)

1. Verfahren zur Rückgewinnung von Wasser, welches beim Verbrennen eines Brennstoffes (19), insbesondere Erdgas, in einem eine Gasturbinenanlage (11), einen Abhitzekessel (33) und eine mit dem Abhitzekessel (33) in einem Was­ ser/Dampfkreislauf angeordnete Dampfturbine (25) umfassenden Kombikraftwerk (10; 101, . ., 103) entsteht und/oder in Form von Wasser bzw. Dampf (36) zugefügt wird, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem beim Verbrennen des Brennstoffes (19) entstehenden und das Wasser in Form von Wasserdampf enthaltenden Rauchgas (42) nach dem Durchströmen des Abhitzekessels (33) das Wasser aus­ kondensiert und in flüssiger Form abgeschieden wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rauch­ gas (42) zum Auskondensieren des Wassers unter Arbeitsleistung expandiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Expan­ sion mittels einer Nutzturbine (20) durchgeführt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abhitzekessel (33) im Bezug auf das Rauchgas (42) mit einem, insbe­ sondere mehrere bar, vorzugsweise 2-5 bar, über dem Umgebungsluftdruck lie­ genden Druck betrieben wird, und dass das Rauchgas (42) durch die anschlies­ sende Expansion auf Umgebungsluftdruck gebracht wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abhitzekessel (33) im Bezug auf das Rauchgas (42) in etwa mit Um­ gebungsluftdruck betrieben wird, dass das Rauchgas (42) anschliessend in ein Vakuum expandiert wird, und dass das Rauchgas (43) nach der Wasserabschei­ dung wieder auf Umgebungsluftdruck verdichtet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser aus dem Rauchgas (42) während der Expansion bzw. in der Nutzturbine (20) selber abgeschieden wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser aus dem Rauchgas (42) in einem der Expansion bzw. der Nutz­ turbine (20) nachgeschalteten Tropfenabscheider (23) abgeschieden wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abhitze­ kessel (33) im Bezug auf das Rauchgas (42) mit einem, insbesondere mehrere bar, vorzugsweise 2-5 bar, über dem Umgebungsluftdruck liegenden Druck betrie­ ben wird, dass das Wasser aus dem Rauchgas (42) nach dem Verlassen des Ab­ hitzekessels an kalten Flächen, insbesondere den kalten Rohren eines Wärme­ tauschers (45) auskondensiert wird, und dass das entwässerte Rauchgas (43) durch eine anschliessende Expansion auf Umgebungsluftdruck gebracht wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Expan­ sion mittels einer Nutzturbine (20) durchgeführt wird.
10. Kombikraftwerk (101, . ., 103) zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1, welches Kombikraftwerk (101, . ., 103) eine Gasturbinenanlage (11) mit einer Brennkammer (15) zur Verbrennung des Brennstoffes (19), einen an die Gasturbinenanlage (11) angeschlossenen Abhitzekessel (33) zur Erzeugung von Dampf mittels der heissen Rauchgase (42) der Gasturbinenanlage (11), und eine zusammen mit dem Abhitzekessel (33) in einem Wasser/Dampfkreislauf angeord­ neten Dampfturbine (25) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass dem Abhitze­ kessel (33) Mittel (20, 23, 44, 45) zur Kondensation von im Rauchgas (42) enthal­ tenen Wasserdampf und Abscheidung des auskondensierten Wassers nachge­ schaltet sind.
11. Kombikraftwerk nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensations- und Abscheidemittel Mittel zur Expansion des Rauchgases (42), vorzugsweise in Form einer Nutzturbine (18, 20), umfassen.
12. Kombikraftwerk nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass den Expansionsmitteln bzw. der Nutzturbine (18, 20) ein Tropfenabscheider (23) nach­ geschaltet ist.
13. Kombikraftwerk nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsmittel eine ins Vakuum arbeitende Nutzturbine (18) umfasst, und dass der Nutzturbine (18) ein Verdichter (44) nachgeschaltet ist.
14. Kombikraftwerk nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwi­ schen dem Abhitzekessel (33) und den Expansionsmitteln bzw. der Nutzturbine (20) Kondensationsmittel, insbesondere in Form eines Wärmetauschers (45), an­ geordnet sind.
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