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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Kraftwerksanlage, umfassend
zumindest eine Gasturbine, einen Wärmerückgewinnungskessel und eine
Zuführungseinrichtung
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betreiben
einer Kraftwerksanlage gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 7.
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Stand der
Technik
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Es
ist bekannt, den Wirkungsgrad einer Kraftwerksanlage mit einer Gasturbine
und einem Wärmerückgewinnungskessel
dadurch zu erhöhen, dass
dem Wärmerückgewinnungskessel
industrielle Abgase, beispielsweise aus der Eisen- und Stahlerzeugung,
zugeführt
und in diesem verbrannt werden. Durch die Verbrennung derartiger
Abgase kann nicht nur der Wirkungsgrad der Kraftwerksanlage erhöht, sondern
auch die Emissionsbilanz verbessert werden.
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Ein
derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der
EP 1 028 301 B1 bekannt,
bei welchem Gase aus der Eisen- und Stahlerzeugung zumindest einem Verbrennungsabschnitt
einer Kraftwerksanlage zwischen einem Gasauslass einer Gasturbine
und einem Gaseinlass eines Rückgewinnungskessels
zugeführt
werden, und das Verbrennen des Gases aus der Eisen- und Stahlerzeugung
in diesem Verbrennungsabschnitt erfolgt. Durch die Verbrennung von Gasen
aus der Eisen- und Stahlerzeugung in genanntem Verbrennungsabschnitt
werden Heißgase erzeugt,
welche zur Dampferzeugung genutzt werden, um damit eine stromab
gelegene Dampfturbine anzutreiben.
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Darstellung der Erfindung
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Kraftwerksanlage
bereitzustellen, welche eine kontinuierliche und hinsichtlich der Quantität und Qualität variable
Verbrennung von industriellen Abgasen ermöglicht und dadurch den Wirkungsgrad
der Kraftwerksanlage erhöht.
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Dieses
Problem wird durch die Gegenstände der
unabhängigen
Ansprüche
gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen
sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einer Kraftwerksanlage,
welche zumindest eine Gasturbine, einen Wärmerückgewinnungskessel mit einer
Feuerungseinrichtung sowie eine Zuführungseinrichtung umfasst,
so auszubilden, dass die Zuführungseinrichtung
einerseits industrielle Abgase der Feuerungseinrichtung des Wärmerückgewinnungskessels
zur Verbrennung zuführt
und andererseits auch der Gasturbine industrielle Abgase zur Verbrennung
zuführen
kann. Der Wärmerückgewinnungskessel
dient dabei der Rückgewinnung
von Wärme,
welche in aus der Gasturbine ausströmenden Abgasen enthalten ist
und zur Dampferzeugung genutzt werden kann. Durch die erfindungsgemäße Lösung können somit
wahlweise entweder der Feuerungs einrichtung des Wärmerückgewinnungskessels oder
der Gasturbine oder beiden industrielle Abgase zur Verbrennung zugeführt werden.
Dies ermöglicht eine
kontinuierliche und bezüglich
der Qualität
und Quantität
flexible Verbrennung unterschiedlicher, insbesondere auch gemischter
Abgase aus industriellen Prozessen, wodurch zum einen eine günstige Emissionsbilanz
erreicht werden kann, da die industriellen Abgase nicht ungenutzt
in die Umgebung gelangen, und zum anderen ein erhöhter Wirkungsgrad
der Kraftwerksanlage realisiert wird.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Lösung ist
eine Hilfsfeuerungseinrichtung vorgesehen, die insbesondere durch
die Verbrennung von industriellen Abgasen Heißgase erzeugt und diese dem
Wärmerückgewinnungskessel
zuführt.
Dabei ist die Hilfsfeuerungseinrichtung vorzugsweise so dimensioniert,
dass sie bei abgeschalteter Gasturbine, beispielsweise bei einer Wartung
derselben, zumindest eine Grundlast an Heißgasen des Wärmerückgewinnungskessels und/oder
einer stromab gelegenen Dampfturbine abdeckt. Durch die Hilfsfeuerungseinrichtung
kann ein ununterbrochener Betrieb der Kraftwerksanlage erreicht
werden, da selbst bei aufgrund von Wartungsarbeiten abgeschalteter
Gasturbine die Hilfsfeuerungseinrichtung in der Lage ist, so viel
Heißgase
zu erzeugen, dass damit die Grundlast des Wärmerückgewinnungskessels bzw. der
Dampfturbine abgedeckt ist. Dies bedeutet, dass die Hilfsfeuerungseinrichtung
entweder allein oder zusammen mit der Feuerungseinrichtung des Wärmerückgewinnungskessels
in der Lage ist, die für
die Dampferzeugung erforderlichen Heißgase zu erzeugen.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung enthalten die industriellen Abgase beispielsweise
Abgase aus einem Stahlherstellungsprozess, einem Koksofen, einem
Konverter, einem Hochofen und/oder einem Vergaser. Derartige Abgase
enthalten je nach Qualität
einen unterschiedlichen Anteil an brennbaren Bestandteilen, welche insbesondere
im Hinblick auf eine günstige Emissionsbilanz
zur Erzeugung von Energie genutzt werden können und sollen. Denkbar ist
hierbei auch, dass die zur Verbrennung in der Hilfsfeuerungseinrichtung
bzw. in der Feuerungseinrichtung des Wärmerückgewinnungskessels vorgesehenen
Abgase niederkalorisch sind. Derartige niederkalorische Abgase werfen
bei üblichen
Verbrennungsprozessen oftmals Probleme auf, welche bei der Verbrennung
in einer Feuerungseinrichtung einer Kraftwerksanlage und/oder in
einer Gasturbine nicht auftreten, da dort eine besonders magere
Verbrennung erwünscht
ist, um die NOx-Emissionen gering zu halten.
Die in anderen industriellen Prozessen als Abfallprodukt anfallenden
Abgase können
somit sinnvoll genutzt werden und steigern dadurch einerseits den
Wirkungsgrad der Kraftwerksanlage und reduzieren andererseits die
gesamten Emissionen.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Kraftwerksanlage ergeben
sich aus den Unteransprüchen,
aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der
Zeichnung.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnung
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der folgenden
Beschreibung näher
erläutert.
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Dabei
zeigt die einzige 1 eine schematische Darstellung
einer erfindungsgemäßen Kraftwerksanlage.
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Detaillierte Beschreibung
der Zeichnung
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Entsprechend 1 umfasst
eine Kraftwerksanlage 1 zumindest eine Gasturbine 2,
einen Wärmerückgewinnungskessel 3 und
eine Zuführungseinrichtung 4.
Dabei weist die Gasturbine 2 gemäß 1 einen
Verdichter 5 auf. Angetrieben wird der Verdichter 5,
ebenso wie ein Generator 6, von der Gasturbine 2.
Des weiteren kann noch eine Dampfturbine 7 vorgesehen sein,
welche mit Dampf angetrieben ist, der einerseits aus den heißen Abgasen der
Gasturbine 2 erzeugt wird und andererseits durch eine Feuerungseinrichtung 8 des
Wärmerückgewinnungskessels 3 und/oder
eine Hilfsfeuerungseinrichtung 9. Die Dampfturbine 7 treibt
dabei vorzugsweise einen weiteren Generator 6' an, der ebenfalls
zur Erzeugung von elektrischer Energie ausgebildet ist.
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Der
Wärmerückgewinnungskessel 3 entzieht den
Abgasen der Gasturbine 2 Wärme und leitet die auf diese
Art rückgewonnene
Wärme einer
Dampferzeugereinrichtung 10 zu, welche den für die Dampfturbine 7 erforderlichen
Dampf erzeugt. Je nach Energiegehalt bzw. Wärme der aus der Gasturbine 2 ausströmenden Abgase
ist es denkbar, dass diese nicht allein zur Erzeugung der kompletten,
für die Dampfturbine 7 erforderlichen
Dampfmenge ausreichen, so dass zusätzlich Energie in Form von
Heißgasen
mittels der Feuerungseinrichtung 8 erzeugt werden muss.
Die Feuerungseinrichtung 8 des Wärmerückgewinnungskessels 3 kann
dabei industrielle Abgase, beispielsweise aus der Stahlherstellung und/oder
andere vorzugsweise gasförmige
Brennstoffe verfeuern. Die industriellen Abgase werden der Feuerungseinrichtung 8 des
Wärmerückgewinnungskessels 3 dabei über die
Zuführungseinrichtung 4 bzw. über eine
zwischen dieser und der Feuerungseinrichtung 8 verlaufende
Leitung 4' zugeführt, während andere,
vorzugsweise gasförmige,
Brennstoffe über
die Zuführungsleitung 11 der
Feuerungseinrichtung 8 zugeführt werden.
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Um
den Wirkungsgrad der Kraftwerksanlage 1 zu erhöhen und
gleichzeitig Emissionen zu reduzieren, ist die Zuführungseinrichtung 4 erfindungsgemäß so ausgebildet,
dass sie auch der Gasturbine 2 industrielle Abgase zur
Verbrennung zuführen
kann. Derartige industrielle Abgase können beispielsweise, wie oben
erwähnt,
Abgase aus einem Stahlherstellungsprozess, einem Koksofen, einem
Konverter, einem Hochofen und/oder einem Vergaser enthalten und/oder
niederkalorisch sein. Da insbesondere Gasturbinen 2 oftmals
mit λ-Werten
von größer als 3, d.h.
sehr mager gefahren werden, sind auch derartige niederkalorische
Abgase aus industriellen Herstellungsprozessen für die Verbrennung in der Gasturbine 2 geeignet.
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Wie
oben erwähnt,
ist gemäß der Erfindung zusätzlich zur
Feuerungseinrichtung 8 die Hilfsfeuerungseinrichtung 9 vorgesehen,
um Heißgase
zu erzeugen und diese dem Wärmerückgewinnungskessel 3 vorzugsweise
an genau der Stelle zuzuführen, an
der auch die Abgase der Gasturbine 2 dem Wärmerückgewinnungskessel 3 zugeführt werden.
Wie in 1 gezeigt, ist auch die Hilfsfeuerungseinrichtung 9 mit
der Zuführungseinrichtung 4 über eine
Leitung 4'' verbunden,
so dass auch eine Verbrennung von industriellen Abgasen mit der
Hilfsfeuerungseinrichtung 9 möglich ist. Gleichzeitig ist
die Hilfsfeuerungseinrichtung 9 über die Zuführungsleitung 11' mit einer nicht
gezeigten Brennstoffversorgung verbunden, so dass die Hilfsfeuerungseinrichtung 9 entweder
nur über
die Zuführungsleitung 11' mit Brennstoff oder
nur über
die Zuführungseinrichtung 4 mit
Abgasen oder anteilig über
die Zuführungsleitung 11' bzw. die Zuführungseinrichtung 4 mit
Brennstoff bzw. Abgasen versorgt werden kann. Generell ist dabei
die Hilfsfeuerungseinrichtung 9 so dimensioniert, dass sie
auch bei beispielsweise aufgrund von Wartungszwecken abgeschalteter
Gasturbine 2 zumindest eine Grundlast an Heißgasen des
Wärmerückgewinnungskessels 3 und/oder
der Dampfturbine 7 abdeckt.
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Ebenso
wie die Feuerungseinrichtung 8 des Wärmerückgewinnungskessels 3 und
die Hilfsfeuerungseinrichtung 9 ist auch die Gasturbine 2 über eine
Leitung 4''' mit der Zuführungseinrichtung 4 verbunden.
Zusätzlich
ist die Gasturbine 2 über
eine Zuführungsleitung 11'' mit der nicht gezeigten Brennstoffversorgung
verbunden, über
welche die Gasturbine 2 Brennstoff, vorzugsweise gasförmiger Art,
bezieht.
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Des
weiteren ist die Kraftwerksanlage 1 erfindungsgemäß so ausgebildet,
dass sie in einem „kombinierten"-Betriebszustand
oder in einem „offenen"-Betriebszustand oder in einem „Frischluft"-Betriebszustand
betrieben werden kann.
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Im „kombinierten"-Betriebszustand
erhält
die Gasturbine 2 eine Grundlast an industriellen Abgasen über die
Leitung 4''', während die Hilfsfeuerungseinrichtung 9 des
Wärmerückgewinnungskessels 3 diejenigen
industriellen Abgase verbrennt, welche nicht in der Gasturbine 2 verbrannt
werden können, da
beispielsweise deren Verbrennungskapazität erreicht ist. Generell ist
auch denkbar, dass im „kombinierten"-Betriebszustand
in der Hilfsfeuerungseinrichtung 9, Abgase verbrannt werden,
welche zur Verbrennung in der Gasturbine 2 nicht geeignet
sind.
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Demgegenüber wird
im „offenen"-Betriebszustand
die Gasturbine 2 in ihrer Grundlast betrieben und die Abgase
der Gasturbine 2 werden in einen am Wärmerückgewinnungskessel 3 vorbeigehenden
Bypass-Kanal 12 geleitet. Der „offene"-Betriebszustand kann demnach dazu genutzt
werden, um beispielsweise den Wärmerückgewinnungskessel 3 bzw.
die darin angeordnete Feuerungseinrichtung 8 und/oder die
Hilfsfeuerungseinrichtung 9 zu warten, da die aus der Gasturbine 2 ausströmenden Abgase
nicht in den Wärmerückgewinnungskessel 3 bzw.
zur Feuerungseinrichtung 8 oder zur Hilfsfeuerungseinrichtung 9 gelangen.
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Im „Frischluft"-Betriebszustand
ist die Gasturbine 2 abgeschaltet und die Feuerungseinrichtung 8 des
Wärmerückgewinnungskessels 3 verbrennt
die industriellen Abgase zusammen mit Frischluft, wobei zusätzlich auch
die Hilfsfeuerungseinrichtung 9 industrielle Abgase verbrennen
kann, um Heißgase
für den
Wärmerückgewinnungskessel 3 zu
erzeugen. Der „Frischluft"-Betriebszustand kann somit bei Wartungsarbeiten
an der Gasturbine 2 genutzt werden, ohne die gesamte Kraftwerksanlage 1,
insbesondere den Wärmerückgewinnungskessel 3 und
die damit verbundene Dampfturbine 7 bzw. den Generator 6' abschalten
zu müssen.
Dadurch kann ein kontinuierlicher Betrieb der Kraftwerksanlage 1 gewährleistet werden,
wobei einzelne Komponenten, wie beispielsweise die Gasturbine 2,
die Hilfsfeuerungseinrichtung 9, die Feuerungseinrichtung 8 und/oder
der Wärmerückgewinnungskessel 3 abgeschaltet
werden können,
ohne dass dies Einfluss auf die Leistung der Kraftwerksanlage 1 hat.
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Zur
Steuerung der einzelnen vorher genannten Betriebszustände ist
erfindungsgemäß eine Steuerungsvorrichtung 13 vorgesehen,
welche vorzugsweise so ausgebildet ist, daß sie einzelne Komponenten
der Kraftwerksanlage 1, wie beispielsweise die Hilfsfeuerungseinrichtung 9,
startet und/oder abschaltet.
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Die
Kraftwerksanlage 1 kann durch ihre Ausgestaltung mit der
Gasturbine 2, dem Wärmerückgewinnungskessel 3 sowie
der darin/daran angeordneten Feuerungseinrichtung 8 und
der Hilfsfeuerungseinrichtung 9 mit einem erfindungsgemäßen Verfahren
betrieben werden, dessen Hauptmerkmal darin besteht, daß die Zuführungseinrichtung 4 auch
der Gasturbine 2 industrielle Abgase zur Verbrennung zuführt. Die
Hilfsfeuerungseinrichtung 9 erzeugt zusätzlich zur Feuerungseinrichtung 8 des
Wärmerückgewinnungskessels 3 Heißgase und
führt diese
dem Wärmerückgewinnungskessel 3 zu,
wobei die Hilfsfeuerungseinrichtung 9 wahlweise industrielle
Abgase, fossile Brennstoffe, oder ein Gemisch aus beiden verbrennen
kann. Dabei deckt die Hilfsfeuerungs einrichtung 9 bei abgeschalteter
Gasturbine 2 zumindest die Grundlast an Heißgasen des
Wärmerückgewinnungskessels 3 und/oder
der stromab gelegenen Dampfturbine 7 ab.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zum Betreiben der Kraftwerksanlage 1 weist folgende Betriebszustände auf,
einen „kombinierten"-Betriebszustand,
einen „offenen"-Betriebszustand
und einen „Frischluft"-Betriebzustands,
welche bereits weiter oben näher
erläutert
sind. Dabei werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Betriebszustände bzw.
ein Wechsel zwischen denselben von der Steuerungseinrichtung 13 gesteuert,
die zusätzlich
einzelne Komponenten der Kraftwerksanlage 1, wie beispielsweise
die Gasturbine 2, startet und/oder abschaltet. Mit dem
beschriebenen Verfahren ist es möglich,
die Kraftwerksanlage 1 kontinuierlich zu betreiben, so
daß eine
kontinuierliche Energieerzeugung gewährleistet werden kann. Selbst
bei einem Abschalten einzelner Komponenten, wie beispielsweise der
Gasturbine 2 zu Wartungszwecken, kann die Energieerzeugung
durch Zuschalten der Hilfsfeuerungseinrichtung 9 aufrechterhalten
werden. Insbesondere eine Grundlast der Kraftwerksanlage 1 kann mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
durch den Wechsel der Betriebszustände stets gewährleistet werden.
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Insgesamt
weisen die erfindungsgemäße Kraftwerksanlage 1 sowie
das erfindungsgemäße Verfahren
daher folgende Vorteile auf:
- – Es wird
eine Möglichkeit
zur kontinuierlichen Verbrennung von industriellen Abgasen geschaffen,
wobei die Quantität
und die Qualität
der zu verbrennenden Abgase variabel oder zumindest in bestimmten
Grenzen frei wählbar
ist.
- – Der
Wirkungsgrad der Kraftwerksanlage 1 kann durch die Verbrennung
der industriellen Abgase gesteigert werden, während gleichzeitig die NOx-Emissionen bezogen
auf die Gesamtbilanz reduziert werden.
- – Diese
Effekte sind darüber
hinaus mittels geringer Investitions- und Betriebskosten realisierbar.
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- 1
- Kraftwerksanlage
- 2
- Gasturbine
- 3
- Wärmerückgewinnungskessel
- 4
- Zuführungseinrichtung
- 4'-4''
- Leitung
der Zuführungseinrichtung 4
- 5
- Verdichter
- 6
- Generator
- 7
- Dampfturbine
- 8
- Feuerungseinrichtung
des Wärmerückgewinnungskessels 3
- 9
- Hilfsfeuerungseinrichtung
- 10
- Dampferzeugereinrichtung
- 11
- Zuführungsleitung
- 12
- Bypass-Kanal
- 13
- Steuerungseinrichtung