DE1626153B2 - Kombinierte Gas-Dampfkraftanlage - Google Patents

Kombinierte Gas-Dampfkraftanlage

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Description

Die Erfindung betrifft eine kombinierte Gas-Dampfkraftanlage mit einer Dampfturbine, die mit in einem Abhitzekessel einer Gasturbine erzeugtem Dampf gespeist wird, wobei die Gasturbine einen Hochdruckteil und einen Niederdruckteil aufweist.
Es ist bekannt, Dampf in einer kombinierten Gas-Dampfkraftanlage durch Rückgewinnung der Abhitze einer Gasturbine für den Betrieb einer Dampfturbine zu erzeugen. Gewöhnlich wird die Abhitze dem Teil der Gasturbine entnommen, der unter den niedrigsten Druck steht. Von diesem Niederdruckteil wird das Gas durch Heizflächen unter einem Druck abgeführt, der dem Austrittsdruck der Gasturbine entspricht. An den Heizflächen wird die Temperatur des Gases herabgesetzt, wobei Dampf erzeugt wird. Die Heizflächen können auch Teile zur Speisewasservorwärmung und zum Überhitzen des Dampfes umfassen, wie dies an sich bekannt ist.
Die Einrichtung zur Wärmerückgewinnung unter atmosphärischem Druck hat den Nachteil, daß bei atmosphärischem Druck nur relativ niedrige Wärmeübergangszahlen erreicht werden, so daß die Kosten der Einrichtung hoch werden. Die Größe und Kosten des Abhitzekessels können daher die Einsparungen aufheben, die durch die Verwendung eines kombinierten Gas-Dampfkreislaufs erzielt werden.
Es sind auch schon verschiedene Vorschläge gemacht worden, einen besseren Wärmeübergang dadurch zu erzielen, daß die Wärmerückgewinnung ganz oder teilweise in einem Dampferzeuger durchgeführt wird, in dem zusätzlich Brennstoff verbrannt wird, wobei die Verbrennung durch die Überschußluft aufrechterhalten wird, die normalerweise in den Abgasen
ίο der Gasturbine enthalten ist. Durch die Zusatzfeuerung wird aber der technische Aufwand des Dampferzeugers stark erhöht, weil die Wärmestrahlung berücksichtigt werden muß und daher teuere, entsprechend hitzebeständige Werkstoffe verwendet werden müssen. Diese Nachteile treten in mit Zusatzfeuerung betriebenen Dampferzeugern auf, die unter normalem Druck oder unter Überdruck arbeiten. Bei den unter Überdruck arbeitenden Dampferzeugern können jedoch infolge der höheren Wärmeübergangszahlen die Heizflächen kleiner gehalten werden.
Es ist auch schon vorgeschlagen worden, zwei unter Überdruck arbeitende, beheizte Dampferzeuger durch den Verdichter einer Gasturbine mit Verbrennungsluft zu versorgen, wobei die Verbrennungsluft auf die beiden Dampferzeuger im wesentlichen gleichmäßig aufgeteilt wird. Bei dieser Anordnung fallen jedoch die erhöhten Kosten der unter einem Überdruck arbeitenden, beheizten Dampfkessel ins Gewicht.
Ferner ist vorgeschlagen worden, Sattdampf auf mehr als einem Druckpegel zu erzeugen und dazu die Abgase von mehr als einem Gasturbinenteil zu verwenden. Dabei bedingen jedoch die zusätzlichen Rohrleitungen, Dampferzeuger usw. für den unter verschiedenen Drücken stehenden Dampf erhöhte Kosten.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte kombinierte Gas-Dampfkraftanlage mit einer Dampfturbine und einer Gasturbine und einem einfachen, ungefeuerten Abhitzekessel zu schaffen, bei welchem durch den Betrieb einiger der Heizflächen unter Überdruck die Kosten herabgesetzt werden.
Diese Aufgabe wird bei einer kombinierten Gas-Dampfkraftanlage der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß gelöst durch einen unter Überdruck arbeitenden ersten ungefeuerten Abhitzekesselteil, der unter Überdruck stehende Verbrennungsgase von dem Hochdruckteil der Gasturbine erhält, einen unter niedrigem Druck arbeitenden zweiten ungefeuerten Abhitzekesselteil, der Abgase von dem Niederdruckteil der Gasturbine erhält, und zwei Verdampfungsheizflächen, die in je einer der beiden Abhitzekesselteile angeordnet und mit einer gemeinsamen Sattdampfsammeltrommel verbunden sind.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstands sind in den Unteransprüchen angegeben.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird an Hand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 eine kombinierte Gas-Dampfkraftanlage in einer vereinfachten, schematischen Darstellung und
F i g. 2 die Wärmeverteilung in den Wärmerückgewinnungseinheiten, dargestellt in einem Diagramm.
Gemäß F i g. 1 ist eine Zweiwellen-Gasturbine 1 dadurch mit einer Dampfturbine 2 verbunden, daß Dampf für die Dampfturbine 2 in einem ungefeuerten Abhitzekessel 3 erzeugt wird. Die Gasturbine 1 umfaßt einen Verdichter 4, eine erste Brennkammer 5, einen Hochdruckteil 6 zum Antrieb des Verdichters über eine Welle, eine zweite Brennkammer 7 und einen Niederdruck-
teil 8 zum Antrieb eines Verbrauchers 9, beispielsweise eines Generators, über eine zweite Welle.
Die Dampfturbine 2 besitzt einen Hochdruckteil 10, einen Mitteldruckteil 11 und einen Niederdruckteil 12, der einen zweiten Verbraucher 13, beispielsweise einen Generator, antreibt. Von dem Niederdruckteil 12 abgegebener, kondensierter Dampf wird in üblicher Weise von Speisewasservorwärmern 14 regenerativ erhitzt, durch den Entgaser 15 geführt und von der Kesselwasserspeisepumpe 16 in dem Abhitzekessel 3 gefördert.
Der Abhitzekessel 3 besteht aus einem unter Überdruck stehenden ersten Abhitzekesselteil 17, einem drucklosen zweiten Abhitzekesselteil 18 und einer gemeinsamen Sattdampfsammeltrommel 19. In dem ersten Abhitzekesselteii 17 und dem drucklosen zweiten Abhitzekesselteil 18 befindet sich je eine Verdampfungsheizfläche 20 bzw. 21. Diese beiden Verdampfungsheizflächen sind mit der gemeinsamen Sattdampfsammeltrommel 19 verbunden, von der sie Speisewasser erhalten und an die sie Sattdampf abgeben. Das der Sattdampfsammeltrommel 19 zugeführte Speisewasser wird in einer Speisewasservorwärm-Heizfläche 22 vorgewärmt, die in dem kühleren Bereich des zweiten Abhitzekesselteils 18 angeordnet ist. Von der Sattdampfsammeltrommel 19 abgegebener Sattdampf wird in einer Überhitzerheizfläche 23 überhitzt, der in dem heißeren Bereich des ersten Abhitzekesselteils 17 angeordnet ist. Von der Überhitzerheizfläche 23 gelangt der Frischdampf in den Hochdruckteil 10 der Dampfturbine 2. In der Zwischenüberhitzerheizfläche 24, die ebenfalls im heißeren Bereich des ersten Abhitzekesselteils 17 angeordnet ist, wird der Arbeitsdampf zwischenüberhitzt.
Die den Hochdruckteil 6 der Gasturbine 1 verlassenden Abgase stehen unter einem beträchtlichen Überdruck und strömen im wesentlichen ohne Druckabfall durch den ersten Abhitzekesselteil 17. Dort bewirken die Abgase eine Überhitzung und Zwischenüberhitzung des Dampfs und die Erzeugung etwa der Hälfte des erzeugten Sattdampfes. Da der Wärmeaustausch in dem ersten Abhitzekesselteil 17 unter Überdruck erfolgt, erzielt man gute Wärmeübergangszahlen, so daß die Größe und die Kosten der Heizflächen 20, 23 und 24 niedrig gehalten werden können.
Da der erste Verbrennungsvorgang in der Brennkammer 5 stattfindet und das Gas in dem Hochdruckteil 6 der Gasturbine 1 etwas abgekühlt wird, liegen die Temperaturen in dem ersten Abhitzekesselteil 17 in günstigen Bereichen, so daß eine besonders aufwendige Konstruktion nicht erforderlich ist.
Die Abgase des ersten Abhitzekesselteils 17 gelangen in die zweite Brennkammer 7, in der zusätzlicher Brennstoff verbrannt wird. Nach dem zweiten Verbrennungsvorgang in der Brennkammer 7 expandiert das Gas in den Niederdruckteil 8 der Gasturbine 1, aus dem es im wesentlichen unter atmosphärischem Druck austritt und in den drucklosen zweiten Abhitzekesselteil 18 gelangt, in der Verdampfungsheizfläche 21 wird der übrige Sattdampf erzeugt. Mit Hilfe der Speisewasservorwärm-Heizfläche 22 wird die Temperatur der Abgase weitestmöglich herabgesetzt.
Mit dieser Anordnung kann je nach den Abgaszuständen der Gasturbine 1 eine ideale Abstimmung zwischen den Wärmemengen erzielt werden, die in dem ersten Abhitzekesselteil 17 und den zweiten Abhitzekesselteil 18 zurückgewonnen wird.
Dies wird an Hand der F i g. 2 erläutert, in der die Abszisse den Prozentsatz der Wärme angibt, die von der Gasturbine abgegeben und in dem Dampfteil zurückgewonnen wird. Die Ordinate gibt die Temperatur an. Das Diagramm zeigt Kurven für das nachstehend behandelte Ausführungsbeispiel. Die Linie 17' stellt den Wärmeverlust der Gasturbinenabgase in dem ersten Abhitzekesselteil 17 und die Linie 18' den Wärmeverlust der Abgase der Gasturbine 1 in dem zweiten Abhitzekesselteil 18 dar. Die Linie T stellt die Zwischenüberhitzung des Gases in der zweiten Brennkammer 7 dar.
Die in den Verdampfungsheizflächen 20, 21 zurückgewonnene Wärme ist in gestrichelten Linien 20' und 2V dargestellt. Die gestrichelte Linie 22' stellt die Erwärmung des Speisewassers in der Speisewasservorwärm-Heizfläche 22 dar. Die gestrichelte Linie 23' stellt die Überhitzung in der Überhitzerheizfläche 23 und die gestrichelte Linie 24' die Zwischenüberhitzung in der Zwischenüberhitzerheizfläche 24 dar. Man erkennt aus dem Diagramm, daß in jedem der beiden Abhitzekesselteile 17, 18 etwa die Hälfte der Wärme aus dem Gas zurückgewonnen wird.
Die Linie 25 stellt eine übliche Abhitzerückgewinnung dar, wobei nur die Abhitze einer Niederdruckturbine zur Dampferzeugung ausgenutzt wird. Die Steilheit der Linie 25 wird durch die Gastemperatur am Austritt des Niederdruckteils 8 der Gasturbine und die niedrigste Gastemperatur bestimmt, die am Austritt des Abhitzekessels auftreten darf, wenn eine Korrosion der Rohre durch Kondensation von schädlichen Verbrennungsprodukten verhindert werden soll. Diese Linie 25 zeigt, daß bei der üblichen Abwärmerückgewinnung prinzipiell kein unter hohem Druck stehender, überhitzter Dampf erzeugt werden kann, weil die gestrichelt gezeichnete Dampfkurve vollständig unter der Linie 25 liegen müßte. Aus den Linien 17', 18' geht dagegen hervor, daß bei einer Teilung des Wärmetauschvorgangs in einen Überdruckbereich und einen drucklosen Bereich die Steilheit der Kurven ziemlich genau der Steilheit der Dampferzeugungskurve angepaßt werden kann, so daß in den verschiedenen Heizflächen brauchbare Temperaturdifferenzen erhalten werden.
Die Daten für die F i g. 2 wurden in einer kombinierten Gas-Dampfkraftanlage ermittelt, in der die Gasturbine etwa ein Drittel der Gesamtleistung an den Verbraucher 9 und die Dampfturbine 2 die übrigen zwei Drittel der Gesamtleistung an den Verbraucher 13 abgibt. In üblichen kombinierten Gas-Dampfkraftanlagen mit ungefeuertem Abhitzekessel muß dagegen die Gasturbine eine höhere Leistung erzeugen als die Dampfturbine, beispielsweise im Verhältnis 3 : 2.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Kombinierte Gas-Dampfkraftanlage mit einer Dampfturbine, die mit in einem Abhitzekessel einer Gasturbine erzeugtem Dampf gespeist wird, wobei die Gasturbine einen Hochdruckteil und einen Niederdruckteil aufweist, gekennzeichnet durch einen unter Überdruck arbeitenden ersten ungefeuerten Abhitzekesselteil (17), der unter Überdruck stehende Verbrennungsgase von dem Hochdruckteil (6) der Gasturbine (1) erhält, einen unter niedrigem Druck arbeitenden, zweiten ungefeuerten Abhitzekesselteil (18), der Abgase von dem Niederdruckteil (8) der Gasturbine (1) erhält, und zwei Verdampfungsheizflä'chen (20, 21), die in je einem der beiden Abhitzekesselteile (17, 18) angeordnet und mit einer gemeinsamen Sattdampfsammeltrommel (19) verbunden sind.
2. Kombinierte Gas-Dampfkraftanlage nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Überhitzerheizfläche (23), die in dem heißeren Teil des ersten Abhitzekesselteils (17) angeordnet und mit der gemeinsamen Sattdampfsammeltrommel (19) verbunden ist, und einer Speisewasservorwärm-Heizfläche (22), die in dem kühleren Teil des zweiten Abhitzekesselteils (18) angeordnet ist und die beiden Verdampfungsheizflächen (20, 21) mit vorgewärmten Speisewasser speist.
3. Kombinierte Gas-Dampfkraftanlage nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine zweite Brennkammer (7) zwischen dem ersten Abhitzekesselteil (17) und dem Niederdruckteil (8) der Gasturbine.
4. Gas-Dampfkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine in dem heißeren Teil des ersten Abhitzekesselteils (17) angeordnete und der Dampfturbine (2) zwischenüberhitzten Dampf zuführende Zwischenüberhitzerheizfläche (24).
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