DE10035710A1

DE10035710A1 - Fossil beheiztes Kraftwerk

Info

Publication number: DE10035710A1
Application number: DE10035710A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Linde; Peter Lambertz
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2000-07-21
Filing date: 2000-07-21
Publication date: 2002-01-31

Abstract

Die Erfindung betrifft ein fossil betriebenes Kraftwerk, insbesondere ein Gasturbinenkraftwerk, mit einem Luftvorwärmer, der für die Verbrennungsluft einen Teil der im Rauchgas enthaltenen Wärme zurückgewinnt. Zur Senkung der Investitionskosten ist der Luftvorwärmer als Regenerator mit drei oder mehr Regeneratorbehältern (4) ausgebildet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein fossil beheiztes Kraftwerk, insbesondere ein Gasturbinenkraftwerk nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der DE 43 42 156 C1 ist ein fossil beheiztes Kraftwerk bekannt, bei dem die Verbrennungsluft durch Rückgewinn eines Teils der im Rauchgas enthaltenen Wärme in einem rotierenden Regenerator vorgewärmt wird. Die Vorwärmung der Verbrennungsluft dient der Erhöhung des Wirkungsgrades.

Auf einem anderen Gebiet der Technik, nämlich dem Herstellen von Stahl, ist es seit Jahrzehnten bekannt, sog. Regeneratoren einzusetzen. Regeneratoren sind Wärmetauscher, bei denen billige keramische Speichermassen in Behältern eingebaut sind, die von den Fluiden, die die Wärme tauschen sollen, abwechselnd durchströmt werden. Regeneratoren erlauben den Wärmetausch Gas gegen Gas mit hohem Wirkungsgrad.

Auf einem anderen Gebiet der Technik, nämlich dem Motorenbau, ist ein aufgeladener Dieselmotor bekannt (RU 2104400 C1) dessen Ansaugluft in einem Regenerator gegen Abgas vorgewärmt wird.

Aus dem Jahrbuch 1997 der VDI Gesellschaft Energietechnik ist der Vortrag "Kraft- Wärme-Kopplungsanlagen mit integriertem Wärmeverschiebungssystem" von Herrn M. Perkavec, bekannt (Seiten 353 bis 369). Dort ist ein fossil betriebenes Kraftwerk, insbesondere ein Gasturbinenkraftwerk beschrieben, welches einen Luftvorwärmer aufweist, der einen Teil der im Rauchgas enthaltenen Wärme für die Anwärmung der Verbrennungsluft zurückgewinnt. Dieses Kraftwerk bildet den Oberbegriff des Anspruchs 1. Der Wärmetauscher ist als Rekuperator ausgebildet. Es findet ein Wärmeaustausch Gas gegen Gas statt. Wegen der niedrigen Wärmedurchgangs- Zahlen besteht ein hoher Bedarf an Heizfläche, die besonders teuer wird, weil wegen dem hohem Temperatur-Niveau warmfeste metallische Werkstoffe verwendet werden müssen. Wegen des geringen Wirkungsgrades des Rekuperators hat sich dieser Art der Vorwärmung bei Kraftwerken nicht durchgesetzt.

Ein Ausweg ist wie üblich die Nachschaltung eines Dampfkraftwerkes. Da die Wärmedurchgangszahlen Gas gegen verdampfendes Wasser höher sind, reichen kleinere Heizflächen. Nachteilig ist der wegen hoher Verluste an Exergie schlechtere Gesamtwirkungsgrad bezogen auf den Brennstoffbedarf und der höhere Aufwand für den Dampfkreislauf.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein solches Kraftwerk dahingehend zu verbessern, dass seine Investitionskosten deutlich günstiger sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst von einem Kraftwerk mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ausführungen der Erfindung sind Gegenstände von Unteransprüchen.

Die erfindungsgemäße Verwendung eines Regenerators mit drei oder mehr Regeneratorbehältern erlaubt einen sehr effektiven Wärmetausch. Da nach der Theorie von Hausen sehr kleine Temperaturdifferenzen an den Enden der Regeneratoren und damit sehr hohe Wärmetausch-Wirkungsgrade realisiert werden können, kann die Abwärme nach der Gasturbine zu mehr als 95% auf die anzuwärmende Luft übertragen werden. Auf diese Weise können sehr hohe elektrische Wirkungsgrade allein mit dem Gasturbinenprozess ohne Nachschaltung einer Dampfturbine erreicht werden, wie sie bei GUD-Kraftwerken zum Ausnutzen der Restwärme üblich sind. Das erfindungsgemäße Kraftwerk ist damit in der Investition auch wesentlich günstiger als ein GUD-Kraftwerk, da der. Aufwand für einen getrennten Dampfkreislauf entfällt.

Regeneratoren mit Behältern wurden deshalb gewählt, weil sich mit ihnen einerseits die hohen Druckdifferenzen von einigen bar zwischen Eingang und Ausgang der Turbine beherrschen lassen, was zum Beispiel mit rotierenden Regeneratoren, wie sie aus der DE 43 42 156 C1 bekannt sind, nicht realisierbar ist. Auf der andren Seite sind die Techniken zum Umschalten der Behälter beim Befüllen und Entspannen der Behälter bereits so ausgereift, dass Druckstöße in erheblichem Umfang nicht mehr auftreten. Gerade die Verwendung von drei oder mehr Behältern, wobei beispielsweise ein Behälter gerade von Hochdruckluft durchströmt wird, der zweite Behälter von Abgas auf niedrigem Druck durchströmt wird und der dritte Behälter bespannt oder entspannt wird, erlaubt es, die Druckstöße auf so niedrigem Niveau zu halten, dass die Gasturbine davon nicht behelligt wird.

Im Gegensatz zum üblichen Gasturbinenprozess ohne Luftvorwärmung, bei dem der elektrische Wirkungsgrad durch Erhöhung des Prozessdruckes in gewissen Grenzen verbessert werden kann, liegt im Fall der Ausnützung der Abgaswärme zur Luftvorwärmung das Maximum an Wirkungsgrad (bis über 50%) bei dem relativ niedrigen Druck von ca. 8 bar. Das bedeutet, dass der rein maschinelle Aufwand für Luftverdichter und Turbine relativ gering gehalten werden kann.

In einer Ausführung der Erfindung ist zur Wirkungsgraderhöhung ein Luftverdichter vor der Turbine vorgesehen und am Ausgang des Kraftwerks ein weiterer Wärmetauscher, der die Abwärme nochmals z. B. zu Heizzwecken nutzt.

Eine Ausführung der Erfindung wird anhand einer Figur gezeigt.

Die Figur zeigt schematisch ein Gasturbinenkraftwerk mit dem Kompressor 2 an der Lufteintrittsseite, drei parallel angeordneten Regeneratorbehältern 4, der Brennstoffeinspritzung 6 vor der Gasturbine 8 und dem Wärmetauscher 10 zum Nutzen der Restabwärme. Die Regeneratorbehälter 4 werden taktweise jeweils so geschaltet, dass sie einmal von den heißen Abgasen der Turbine durchströmt werden, wodurch sich ihre (bevorzugt keramischen) Massen aufwärmen und im späteren Takt so geschaltet sind, dass frische Ansaugluft zur Turbine 8 in Gegenrichtung durchgeleitet wird. Die frische Ansaugluft wird damit vorgewärmt. Die Gasturbine 8 gibt ihre Energie an einen Generator ab, der Luftkompressor 2 kann bevorzugt auf der gleichen Welle angeordnet sein. In der Figur sind die Schaltventile nicht gezeigt. Das sinnvolle An- und Ausschalten der einzelnen Behälter 4, also das Durchleiten der auf niedrigem Druck anliegenden heißen Verbrennungsgase, das Entspannen, das Aufdrücken und das Durchlassen der auf höherem Druck kommenden Ansaugluft, kann nach an sich bekannten Techniken erfolgen, die zum Beispiel auf dem Gebiet der Luftzerlegung mittels Adsorption schon bekannt sind. Auch dort werden unterschiedliche Behälter nacheinander taktweise gefüllt, wodurch Druckstöße vermieden oder so klein gehalten werden können, dass sie den Betrieb der dafür empfindlichen Gasturbine 8 nicht stören.

Es folgen Berechnungsbeispiele für erfindungsgemäße Kraftwerke:
Bei einer elektrischen Leistung von 10 MW, einem Druck der Turbine von 8 bar und Eingangstemperaturen bei 1100°C ergibt sich ein Brennstoffbedarf von 20,5 MW und ein Wirkungsgrad elektrisch von 48,8%. Bei der Eingangstemperatur 1200°C und einem Brennstoffbedarf von 19,3 MW ergibt sich ein elektrischer Wirkungsgrad von 51,8%. Dabei sind für die Gasturbinenanlage folgende Wirkungsgrade angesetzt:
Brennkammer 94% Brennstoffnutzungsgrad,
Luftverdichter 85%,
Gasturbinen 88%,
bezogen auf Isentrope.

Die nutzbare Abwärme beträgt ca. 5 MW, z. B. als Dampf auf 6 bar mit ca. 8 t/h, wodurch sich eine Gesamtbrennstoffnutzung von ca. 75% ergibt.

Als Regeneratoren für den Wärmetausch Abgas/Verbrennungsluft können solche mit elektrisch gesteuerter, stoßfreier Umschaltung verwendet werden, wobei im Beispielsfall drei Regeneratoren mit ca. 3,4 m Durchmesser i. L. (im Lichten, Innendurchmesser) verwendet werden. Die Schüttung ist eine Keramik, die Höhe der Schüttung ca. 5,5 m. Dies ergibt ein Gewicht je Generatorbehälter von ca. 40 t einschließlich Schüttung und Schaltarmatur. Als Schaltzeiten sind in diesem Beispiel 10 min vorgesehen, was eine Vollperiodendauer von 30 min ergibt, nämlich 10 min Durchströmung mit heißem Abgas auf niedrigem Druckniveau, 5 min. Aufpressen auf den hohen Druck des Gases, 10 min Durchströmung mit. Druckluft und 5 min Entspannen auf den niedrigen Druck des Abgases.

Hauptbetriebsdaten

Bei angenommen 1100°C vor der Turbine und 600°C nach der Turbine mit 10 MW Leistung ergibt sich eine Luftmenge bei 8 bar von 32,4 kg/sek, die im Regenerator vor der Brennkammer von 290°C auf 583°C angewärmt werden. Im Fall 1200°C vor der Turbine und 675°C nach der Turbine ergibt sich bei 8 bar eine Luftmenge von 28,5 kg/sek, angewärmt auf 658°C. Der Druckverlust im Abgasstrom beträgt ca. 1000 mm Wassersäule, der O₂-Gehalt im Abgas ca. 16 Vol.-%.

Bei einer möglichen Zusatzfeuerung vor der Abwärmenutzung von z. B. 5 MW ergibt sich eine Gesamtbrennstoffnutzung von ca. 80%. Dabei könnten im Bedarfsfall im zusätzlichen Wärmetauscher 10 ca. 8 t/h Dampf bei 6 bar (und 8 t/h Dampf bei 16 bar) erzeugt werden.

Für eine Gasturbinenanlage der elektrischen Leistung 25 MW, bei 2,5-fachem Luft- und Gasdurchsatz und gleichen Wirkungsgraden könnten vier Regeneratorbehälter mit je 4,2 m Durchmessern i. L. vorgesehen sein, wobei dann jeweils ein Regeneratorbehälter für die Druckluft und 2 Regeneratorbehälter parallel für das heiße Abgas sowie ein Regenerator für Füllung und Entspannung geschaltet werden.

Auch die Verwendung von fünf, sechs, sieben oder mehr Regeneratorbehältern ist möglich und an sich aus dem Anwendungsgebiet der Druckwechseladsorption bereits bekannt und vorbeschrieben. Durch die Verwendung mehrerer Regeneratorbehälter lässt sich die Verfahrensführung immer stoßfreier und gleichmäßiger durchführen.

Claims

1. Fossil betriebenes Kraftwerk, insbesondere Gasturbinenkraftwerk, mit einem Luftvorwärmer, der für die Verbrennungsluft einen Teil der im Rauchgas enthaltenen Wärme zurückgewinnt, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftvorwärmer ein Regenerator mit drei oder mehr Regeneratorbehältern (4) ist.

2. Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeneratorbehälter (4) so geschaltet sind, dass beim Umschalten nur kleine Schaltstöße (kleiner 0,2 bar) auftreten.

3. Kraftwerk nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Luftverdichter (2) und ein Wärmetauscher (10) zur Nutzung der Abwärme vorgesehen sind.