DE102012223818A1 - Einsatz eines Hilfsaggregates zur Bereitstellung von Abgaswärme für den Abhitzedampferzeuger eines GuD-Kraftwerks - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gas- und Dampfturbinenanlage (1) umfassend mindestens eine Gasturbine (2), eine Dampfturbine und einen der Gasturbine (2) zugeordneten Abhitzedampferzeuger (3) mit einer Dampfleitung zur Dampfturbine, wobei dem Abhitzedampferzeuger (3) Abgas einer weiteren Verbrennungskraftmaschine (12) zuführbar ist, wobei ein Wärmeinhalt des Abgases der weiteren Verbrennungskraftmaschine (12) bei maximaler Leistung der weiteren Verbrennungskraftmaschine (12) weniger als 20% der maximalen Wärmeleistung des Abhitzedampferzeugers (3) beträgt. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Gas- und Dampfturbinenanlage (1).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Gas- und Dampfturbinenanlage sowie ein Verfahren zu deren Betrieb, insbesondere hinsichtlich der Ertüchtigung für einen schnellen Start.
  • Vor dem Kaltstart einer Gas- und Dampfturbinenanlage könnten die Dampfturbine (insbesondere dickwandige Bauteile wie Wellen, Gehäuse und Ventile) und der dampferzeugende Kessel (Abhitzedampferzeuger) langsam vorgewärmt werden, damit keine signifikanten thermischen Spannungen entstehen und um die Anfahrzeiten zu verkürzen, da anderenfalls die kalte Dampfturbine nur langsam mit reduzierten Dampftemperaturen beaufschlagt werden sollte. Zudem muss für einen zügigen Start Hilfsdampf (z.B. für das Sperrdampfsystem der Dampfturbine) erzeugt werden, der zu Beginn noch nicht vom Dampfkessel zur Verfügung gestellt werden kann. Für die Vorwärmung und Erzeugung von Hilfsdampf (z.B. für Sperrdampf) zum Start des Kraftwerkes werden in Teilen kostenintensive Hilfskessel eingesetzt, die vor dem Start der Dampfturbine in Betrieb genommen werden. Mit diesem erzeugten Hilfsdampf werden wichtige Nebensysteme in Betrieb genommen.
  • Beim Kaltstart werden weder Kessel noch Dampfturbine vorgewärmt, was zu entsprechend längeren Anfahrzeiten führt. Diese Problematik ergibt sich auch, wenn nach dem Abfahren einer Gas- und Dampfturbinenanlage und dem nächsten Start ein ausreichend großer Zeitraum ist (i. d. R. mehr als 48 Stunden), in dem die genannten Komponenten wieder relativ weit abkühlen, so dass ein Vorwärmen notwendig wird.
  • Zudem muss die Dampfturbine bei längerem Stillstand durch geeignete Maßnahmen (z.B. Lufttrockner) konserviert werden. Zum Konservieren werden Lufttrockner manuell an die Dampfturbine angeschlossen. Das ist relativ aufwändig und führt zu einer Verlängerung der Vorbereitungszeit vor einem Start.
  • Weiterhin muss ein Hilfsdiesel bereitgehalten werden, um bei Stromausfall wichtige Aggregate im Betrieb zu halten bzw. die Anlage sicher herunterzufahren. Für die Notstromversorgung ist meist ein Notstromdiesel notwendig.
  • Auch wird Strom für den Eigenbedarf des Kraftwerks benötigt, um z.B. Pumpen in den Hilfssystemen anzutreiben. Der zur Deckung des Eigenbedarfs benötigte Strom wird bisher üblicherweise aus dem Stromnetz entnommen (was mit entsprechend hohen Kosten verbunden ist).
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Gas- und Dampfturbinenanlage sowie ein verbessertes Verfahren zum Betrieb einer Gas- und Dampfturbinenanlage anzugeben, mittels welcher insbesondere die beschriebenen Nachteile überwunden werden.
  • Die Erfindung löst die Aufgabe durch eine Gas- und Dampfturbinenanlage, umfassend mindestens eine Gasturbine, eine Dampfturbine und einen der Gasturbine zugeordneten Abhitzedampferzeuger mit einer Dampfleitung zur Dampfturbine, wobei dem Abhitzedampferzeuger Abgas einer weiteren Verbrennungskraftmaschine zuführbar ist und wobei ein Wärmeinhalt des Abgases der weiteren Verbrennungskraftmaschine bei maximaler Leistung der weiteren Verbrennungskraftmaschine weniger als 20% der maximalen Wärmeleistung des Abhitzedampferzeugers beträgt.
  • Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, anstelle des Einsatzes eines Hilfsdampfkessels eine verglichen mit der Gasturbine kleine Verbrennungskraftmaschine einzusetzen, deren Abgase durch den schon vorhandenen Abhitzedampferzeuger (Kessel) geleitet werden. Der Kessel wird damit vorgewärmt bzw. warm gehalten und es wird eine gewisse Dampfmenge erzeugt. Der so im Abhitzedampferzeuger erzeugte Dampf wird dazu genutzt, den erforderlichen Hilfsdampf zu erzeugen und die Dampfturbine im Drehbetrieb zu halten (z.B. Anwärmdrehzahl) und so vorzuwärmen bzw. warm zu halten. Dies führt zu einer Verkürzung der Anfahrzeit. Da die Dampfturbine mit Dampf warmgehalten wird, entfallen die Konservierungsmaßnahmen.
  • Aus Kostengründen und auch hinsichtlich der für die Anwendung benötigten Leistung ist es zweckmäßig, wenn ein Wärmeinhalt des Abgases der weiteren Verbrennungskraftmaschine bei maximaler Leistung der weiteren Verbrennungskraftmaschine weniger als 10%, insbesondere weniger als 5% der maximalen Wärmeleistung des Abhitzedampferzeugers beträgt.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die weitere Verbrennungskraftmaschine ein Gasmotor, welcher sich gegenüber einer alternativ einsetzbaren kleinen Gasturbine typischer Weise durch einen höheren elektrischen Wirkungsgrad sowie durch niedrigere spezifische Investitionskosten unterscheidet.
  • In einer alternativen vorteilhaften Ausführungsform ist die weitere Verbrennungskraftmaschine ein Dieselmotor. Der Dieselmotor hat gegenüber einer gasbetriebenen Verbrennungskraftmaschine den Vorteil, dass bei Ausfall des Gases der Motor auch weiter betrieben werden kann, da Diesel vor Ort bevorratet ist. Dies ist vor allem für Notstromanwendungen wichtig.
  • In einer weiteren, alternativen vorteilhaften Ausführungsform ist die weitere Verbrennungskraftmaschine eine Gasturbine. Diese zeichnet sich durch ihre niedrige Mindestgasqualität, eine lange Lebensdauer und im vergleich zu Motoren niedrige Betriebs- und Wartungskosten aus.
  • Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Gas- und Dampfturbinenanlage, umfassend mindestens eine Gasturbine, eine Dampfturbine und einen der Gasturbine zugeordneten Abhitzedampferzeuger mit einer Dampfleitung zur Dampfturbine, wobei Abgase einer weiteren Verbrennungskraftmaschine durch den Abhitzedampferzeuger geleitet werden, wobei ein Wärmeinhalt der Abgase der weiteren Verbrennungskraftmaschine bei maximaler Leistung der weiteren Verbrennungskraftmaschine weniger als 20%, insbesondere weniger als 10% oder sogar weniger als 5% der maximalen Wärmeleistung des Abhitzedampferzeugers beträgt. Hierdurch kann die Startzeit des Wasser-Dampf-Kreislaufs und damit die der Dampfturbine reduziert werden. Dies ist insbesondere bei langen Stillstandszeiten von Vorteil.
  • Dabei ist es bei Stillstand der Anlage und im Hinblick auf schnelle Startfähigkeit zweckmäßig, wenn die Gasturbine still steht und die Dampfturbine mit einem im Abhitzedampferzeuger erzeugten Dampf in einen Drehbetrieb gebracht und dort gehalten wird. Somit kann mit dem über die Abwärme der weiteren Verbrennungskraftmaschine im Abhitzedampferzeuger erzeugten Hilfsdampf die Dampfturbine vorgewärmt oder warmgehalten werden.
  • Ist die Gas- und Dampfturbinenanlage als Einwellenanlage ausgeführt, ist es beim Anfahren der Anlage zweckmäßig, wenn ein Strang, umfassend die Gasturbine, einen Generator und die Dampfturbine, mit der Dampfturbine angefahren wird.
  • Vorteilhafter Weise wird eine von der weiteren Verbrennungskraftmaschine erzeugte Energie dazu verwendet, einen Kraftwerkseigenbedarf zu decken.
  • Zweckmäßiger Weise wird eine von der weiteren Verbrennungskraftmaschine erzeugte Energie bei Überschuss in ein elektrisches Netz eingespeist.
  • Die weitere Verbrennungskraftmaschine kann natürlich auch nur als Notstromaggregat für das Kraftwerk dienen.
  • Vorteilhafter Weise werden als weitere Verbrennungskraftmaschine ein Gasmotor, ein Dieselmotor oder eine weitere Gasturbine kleiner Baugröße (in etwa 5–20 MW) verwendet.
  • Mit der Erfindung werden Kosten für einen Hilfskessel eingespart und dessen Funktionalität im Prinzip auf den Hauptkessel umgelegt. Das benötigte Aggregat wird in Form eines Dieselmotors ohnehin als optionales Notstromaggregat angeboten, müsste aber in seiner Leistungsklasse voraussichtlich nach oben hin angepasst werden.
  • Kann der Eigenbedarf der Kraftwerksanlage über die weitere Verbrennungskraftmaschine gedeckt werden, besteht keine Abhängigkeit vom elektrischen Netz.
  • Die Kraftwerksanlage kann auch im Schwarzfall angefahren werden. Für den Kaltstart muss kein Hilfskessel vorgehalten werden. Die zum Vorwärmen benötigte Abgaswärme wird vom Aggregat zur Verfügung gestellt und steht unabhängig und vor dem Start der Gasturbine zur Verfügung.
  • Darüber hinaus wird das Abkühlen des Kessels und der Turbine vermieden. Somit ist ein zügiges Wiederanfahren auch nach längeren Zeiträumen ohne Betrieb möglich.
  • Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher dargestellt.
  • Es zeigt:
  • FIG eine erfindungsgemäße Gas- und Dampfturbinenanlage.
  • In der Figur ist ein Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Gas- und Dampfturbinenanlage 1 dargestellt, welcher eine Gasturbine 2 und einen der Gasturbine 2 zugeordneten Abhitzedampferzeuger 3 zeigt. Die Dampfturbine ist nicht dargestellt.
  • Die Gasturbine 2 ist mit einer Turbine 4, einem Verdichter 5, sowie wenigstens einer zwischen den Verdichter 5 und die Turbine 4 geschalteten Brennkammer 6 ausgestattet. Mittels des Verdichters 5 wird Frischluft angesaugt, verdichtet, und einem oder mehreren Brennern der Brennkammer 6 zugeführt. Die zugeführte Luft wird mit flüssigem oder gasförmigem Brennstoff gemischt und das Gemisch entzündet. Die dabei entstehenden Verbrennungsabgase bilden das Arbeitsmedium der Gasturbine 2, welches der Turbine 4 zugeführt wird, wo es unter Entspannung Arbeit leistet und eine mit der Gasturbine 2 gekoppelte Welle 7 antreibt. Die Welle 7 ist außer mit der Turbine 4 auch mit dem Luftverdichter 5 sowie einem Generator 8 gekoppelt, um diese anzutreiben. Das entspannte Arbeitsmedium wird an einen Abhitzedampferzeuger 3 einer Dampfturbinenanlage abgeführt, in dem es an Vorwärmern 9, Verdampfern 10 und Überhitzern 11 verschiedener Druckstufen vorbeigeleitet wird, um Dampf für die Dampfturbine zu erzeugen.
  • Die Erfindung sieht nun vor, dass neben der Gasturbine 2 eine weitere Verbrennungskraftmaschine 12 ihr Abgas in den Abhitzedampferzeuger 3 leitet. In der Figur ist dieses Hilfsaggregat als Gasturbine 12 dargestellt. Andere Verbrennungskraftmaschinen, wie beispielsweise ein Gasmotor oder ein Dieselmotor sind ebenfalls denkbar.
  • Die Abgase der weiteren Verbrennungskraftmaschine 12 können beispielsweise über einen Kanal 13 mit einer Trennklappe 14 dem Abhitzedampferzeuger 3 zugeführt werden, um diesen und die Wasser- bzw. Dampf-seitig nachgeschaltete Dampfturbine, beispielsweise bei Gasturbinenstillstand, für einen bei Bedarf schnelleren Start warm zu halten, bzw. zur Erzeugung von Betriebsdampf.
  • Die Figur zeigt auch, dass die weitere Verbrennungskraftmaschine 12 über eine Welle 15 mit einem Generator 16 verbunden ist.
  • Je nach Dimensionierung kann die von der weiteren Verbrennungskraftmaschine 12 erzeugte Energie eingesetzt werden, um den Eigenbedarf des Kraftwerks 1 zumindest in Teilen zu decken oder bei Überschuss diese Energie in das elektrische Netz einzuspeisen.

Claims (15)

  1. Gas- und Dampfturbinenanlage (1) umfassend mindestens eine Gasturbine (2), eine Dampfturbine und einen der Gasturbine (2) zugeordneten Abhitzedampferzeuger (3) mit einer Dampfleitung zur Dampfturbine, dadurch gekennzeichnet dass dem Abhitzedampferzeuger (3) Abgas einer weiteren Verbrennungskraftmaschine (12) zuführbar ist, wobei ein Wärmeinhalt des Abgases der weiteren Verbrennungskraftmaschine (12) bei maximaler Leistung der weiteren Verbrennungskraftmaschine (12) weniger als 20% der maximalen Wärmeleistung des Abhitzedampferzeugers (3) beträgt.
  2. Gas- und Dampfturbinenanlage (1) nach Anspruch 1, wobei ein Wärmeinhalt des Abgases der weiteren Verbrennungskraftmaschine (12) bei maximaler Leistung der weiteren Verbrennungskraftmaschine (12) weniger als 10% der maximalen Wärmeleistung des Abhitzedampferzeugers (3) beträgt.
  3. Gas- und Dampfturbinenanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei ein Wärmeinhalt des Abgases der weiteren Verbrennungskraftmaschine (12) bei maximaler Leistung der weiteren Verbrennungskraftmaschine (12) weniger als 5% der maximalen Wärmeleistung des Abhitzedampferzeugers (3) beträgt.
  4. Gas- und Dampfturbinenanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die weitere Verbrennungskraftmaschine (12) ein Gasmotor ist.
  5. Gas- und Dampfturbinenanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die weitere Verbrennungskraftmaschine (12) ein Dieselmotor ist.
  6. Gas- und Dampfturbinenanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die weitere Verbrennungskraftmaschine (12) eine Gasturbine ist.
  7. Verfahren zum Betrieb einer Gas- und Dampfturbinenanlage (1) umfassend mindestens eine Gasturbine (2), eine Dampfturbine und einen der Gasturbine (2) zugeordneten Abhitzedampferzeuger (3) mit einer Dampfleitung zur Dampfturbine, dadurch gekennzeichnet, dass Abgase einer weiteren Verbrennungskraftmaschine (12) durch den Abhitzedampferzeuger (3) geleitet werden, wobei ein Wärmeinhalt der Abgase der weiteren Verbrennungskraftmaschine (12) bei maximaler Leistung der weiteren Verbrennungskraftmaschine (12) weniger als 20% der maximalen Wärmeleistung des Abhitzedampferzeugers (3) beträgt.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei Abgase der weiteren Verbrennungskraftmaschine (12) durch den Abhitzedampferzeuger (3) geleitet werden, wobei ein Wärmeinhalt der Abgase der weiteren Verbrennungskraftmaschine (12) bei maximaler Leistung der weiteren Verbrennungskraftmaschine (12) weniger als 10%, insbesondere weniger als 5% der maximalen Wärmeleistung des Abhitzedampferzeugers (3) beträgt.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei die Gasturbine (2) still steht und die Dampfturbine mit einem im Abhitzedampferzeuger (3) erzeugten Dampf in einen Drehbetrieb gebracht und dort gehalten wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei die Gas- und Dampfturbinenanlage (1) eine Einwellenanlage ist und ein Strang, umfassend die Gasturbine (2), einen Generator (8) und die Dampfturbine, mit der Dampfturbine angefahren wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei eine von der weiteren Verbrennungskraftmaschine (12) erzeugte Energie dazu verwendet wird, einen Kraftwerkseigenbedarf zu decken.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei eine von der weiteren Verbrennungskraftmaschine (12) erzeugte Energie in ein elektrisches Netz eingespeist wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, wobei ein Gasmotor als weitere Verbrennungskraftmaschine (12) verwendet wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, wobei ein Dieselmotor als weitere Verbrennungskraftmaschine (12) verwendet wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, wobei eine weitere Gasturbine als weitere Verbrennungskraftmaschine (12) verwendet wird.
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