DE19645322A1 - Kombinierte Kraftwerksanlage mit einem Zwangsdurchlaufdampferzeuger als Gasturbinen-Kühlluftkühler - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine kombinierte Kraftwerksanlage mit einer Gasturbine und einer Dampfturbine, bei welcher die Abgase der Gasturbine ihre Restwärme über das in einem Abhit­ zekessel strömende Arbeitsmittel an die Dampfturbine abgeben, wobei der Abhitzekessel im wesentlichen aus einem Economiser, einem Verdampfer und einem Überhitzer besteht, und wobei min­ destens ein als Zwangsdurchlaufdampferzeuger ausgebildeter Kühlluftkühler vorgesehen ist, welcher wasserseitig mit dem Economiser des Abhitzekessels verbunden ist.

Stand der Technik

Gasturbinen der modernen Generation und der oberen Leistungs­ klasse arbeiten mit sehr hohen Turbinen-Eintrittstemperatu­ ren, was eine Kühlung der Brennkammer, der Rotoren und der Beschaufelung unumgänglich macht. Hierfür wird in der Regel hochverdichtete Luft am Verdichteraustritt sowie ggfs. aus einer niedrigeren Druckstufe abgezogen. Da ein sehr hoher Anteil der verdichteten Luft für die heutige übliche Vor­ mischverbrennung gebraucht wird, verbleibt einerseits für Kühlzwecke nur ein Minimum an Kühlluft. Anderseits ist diese für die Kühlung bestimmte Luft infolge der Verdichtung bereits sehr heiß, weshalb sich deren vorgängige Kühlung empfiehlt. Bekannt ist hierbei das Kühlen mittels Wasserein­ spritzung ("gas-quenching"); mit dieser Methode wird indes die hochwertige Wärme der Kühlluft, deren Anteil bei den heutigen Maschinen bis zu 20 MW betragen kann, nur teilweise ausgenutzt. Es bietet sich in der Folge an, zur Rückkühlung Zwangsdurchlaufdampferzeuger als Kühler zu verwenden, insbe­ sondere, wenn die Gasturbine in einem kombinierten Gas-Dampf­ turbinenprozeß mit Abhitzedampferzeugung arbeitet.

Im Zusammenhang mit einem kombinierten Gas-Dampf-Turbinen­ prozeß ist ein solcher Zwangsdurchlaufdampferzeuger zum Kühlen von hochverdichteter Luft der eingangs genannten Art bekannt aus der EP-A-709 561. Dort wird ein Teilstrom des Kessel-Speisewassers entweder stromaufwärts oder stromabwärts des Economisers entnommen und nach einer weiteren Vorwärmung, einer Verdampfung und einer Überhitzung im Kühler in den Hochdrucküberhitzer des Abhitzekessels zurückgeführt. Dieser Kessel ist als Umlaufkessel mit Trommeln konzipiert. Um Feuchte- oder Wasserdurchbrüche zur Dampfturbine zu vermeiden, wenn der Kühler naß gefahren wird, wird das aufgeheizte Wasser beziehungsweise der Naßdampf so lange in einen Blow-Down Tank geleitet, bis der Kühler trocken ist oder bis definierte Bedingungen am Kühleraustritt stabil vorliegen, beispielsweise Heißdampf mit einer Überhitzung von einigen Kelvin oder Naßdampf mit einer Feuchte von wenigen %. Neben den Wasserverlusten hat dies den Nachteil einer entsprechenden Überwachung und Regelung zur Folge.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kombinierte Kraftwerksanlage der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welcher problemlos das voneinander abweichende Systemverhal­ ten eines Gasturbinen-Kühlluftkühlers und eines Abhitzekes­ sels beherrschbar ist.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht,

• - daß der Abhitzekessel ein Zwangsdurchlaufdampferzeuger ist, bei dem dampfseitig zwischen dem Verdampfer und dem Überhitzer eine Abscheideflasche angeordnet ist,
• - und daß der Kühlluftkühler dampfseitig mit der Abschei­ deflasche verbunden ist.

Bei Verwendung eines solchen Apparates in einem Kombiprozeß ist der Vorteil unter anderem darin zu sehen, daß hochwer­ tige Wärme dem Prozeß voll erhalten bleibt. Das Zusammenfüh­ ren unterschiedlicher Dampfparameter - welche aus dem Abhit­ zekessel einerseits und aus dem Gasturbinen-Kühlluftkühler andererseits resultieren - in die Abscheideflasche ist auf einfachste Art durchführbar, ohne daß hierfür separate Behältnisse notwendig sind. Dieser Vorteil ist umso gewichti­ ger bei Vorhandensein von mehreren parallel geschalteten Kühlern, welche luftseitig auf verschiedenen Druckniveaus arbeiten und Dampf unterschiedlicher Temperatur produzieren.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer kombinierten Gas-Dampf-Kraftwerksanlage schema­ tisch dargestellt. Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Die Strömungsrich­ tung der Arbeitsmittel ist mit Pfeilen dargestellt.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Gemäß der einzigen Figur wird im Gasturbinensystem über eine Leitung 1 angesaugte Frischluft in einem Verdichter 2 auf den Arbeitsdruck verdichtet. Die verdichtete Luft wird in einer beispielsweise mit Erdgas befeuerten Brennkammer 3 stark erhitzt und das so entstandene Brenngas wird in einer Gastur­ bine 4 arbeitsleistend entspannt. Die dabei gewonnene Energie wird an einen Generator 5 bzw. den Verdichter 2 abgegeben. Das noch heiße Abgas der Gasturbine wird über eine Leitung 6 vom Ausgang der Gasturbine einer Abhitzedampferzeugungsanlage 7 zugeführt und daraus nach Abgabe seiner Wärme über eine Leitung 8 und einen nicht dargestellten Kamin ins Freie geleitet.

Im Wasser-Dampfkreislauf ist eine mehrgehäusige Dampfturbine 9, 10 und 11 auf der gleichen Welle mit der Gasturbine ange­ ordnet. Der in der Niederdruckturbine 11 entspannte Arbeits­ dampf kondensiert in einem Kondensator 13. Das Kondensat wird mittels einer Kondensatpumpe 14 direkt in den Dampferzeuger 7 gefördert. Bemerkenswert ist, daß die Anlage keine, in der Regel entnahmedampfbeheizte Niederdruckeconomiser, Speisewas­ serbehälter und Hochdruckeconomiser aufweist.

Die Abhitzedampferzeugungsanlage 7 ist als stehender Kessel ausgeführt und arbeitet im vorliegenden Fall nach einem Zwei­ druck-Dampfprozeß. Selbstverständlich könnte auch ein lie­ gender Kessel zur Anwendung gelangen.

Das Niederdrucksystem ist als Umlaufssystem mit Trommel aus­ geführt, wobei hier ein Zwangsumlaufsystem gewählt worden ist. Es besteht im Rauchgasweg des Kessels aus einem Nieder­ druckeconomiser 15, in den das Kondensat eingeleitet wird, einem Niederdruckverdampfer 16 und einem Niederdrucküberhit­ zer 19. Der Niederdruckverdampfer ist über eine Umwälzpumpe 18 mit einer Trommel 17 verbunden. Der überhitzte Dampf wird über eine Niederdruck-Dampfleitung 28 in eine geeignete Stufe der Mitteldruck-Dampfturbine 10 überführt.

Das Hochdrucksystem ist als Zwangsdurchlaufsystem ausgeführt und damit sowohl für unterkritische als auch für überkriti­ sche Parameter auslegbar. Es besteht im Rauchgasweg des Kes­ sels im wesentlichen aus dem Hochdruckeconomiser 21, dem Hochdruckverdampfer 22 und dem Hochdrucküberhitzer 23. Dem Hochdruckeconomiser 21 wird das Arbeitsmittel über eine Hoch­ druckspeisepumpe 20 aus der Niederdrucktrommel 17 zugeführt. Auf diese Weise kann der bisher übliche Speisewasserbehälter entfallen. Der überhitzte Dampf wird über eine Frischdampf­ leitung 24 in den Hochdruckteil 9 der Dampfturbine überführt.

Zur Phasentrennung ist eine Abscheideflasche 25 vorgesehen, in welche der Austritt des Hochdruckverdampfers 22 mündet. Die Abscheideflasche ist an ihrem obereren Ende mit dem Hoch­ drucküberhitzer 23 verbunden. An ihrem unteren Ende ist sie mit einer Abschlämmleitung 29 versehen.

Nach der Teilentspannung im Hochdruckteil 9 der Turbine wird der Dampf vor der Überleitung in die Mitteldruckturbine 10 zwischenüberhitzt. Diese Zwischenüberhitzung erfolgt im Bei­ spielsfall in Wärmetauschflächen 27, welche im Rauchgasweg des Dampferzeugers oberhalb des Hochdrucküberhitzers 23 ange­ ordnet sind.

Durch Variation der Drücke und Massenströme im Umlaufsystem und im Durchlaufsystem kann mit einem solchen Dampferzeuger ein weiter Bereich von Kombiprozessen abgedeckt werden.

Mit dem Erreichen der jeweiligen Siedetemperaturen beginnt im Kessel die Dampfproduktion. Der erste Dampf im Niederdruck­ system kann durch Entspannung von rezirkuliertem (nicht dargestellt) Hochdruck-Sattwassers aus der Abscheideflasche erzeugt werden.

Diese Abscheideflasche sorgt dafür, daß der Hochdrucküber­ hitzer jederzeit trocken bleibt und am Kesselaustritt früh­ zeitig überhitzter Dampf zur Verfügung steht. Sobald im Hochdruckverdampfer der für einen stabilen Betrieb notwendige Druck erreicht ist, kann der Frischdampf zum Anfahren der Dampfturbine im Gleitdruckbetrieb verwendet werden.

Für die zu Kühlzwecken gebrauchte Luft Zweigen von einer Zwischenstelle und vom Austritt des Verdichters 2 Luftleitun­ gen 30, 31 ab und führen zu je einem Kühler 32 respektiv 33. Von deren Luftaustrittsstutzen strömt die abgekühlte Luft über Kühlleitungen 39, 40 zu den verschiedenen Verbrauchern Wasserseitig sind diese Teilstromkühler über die Wasserlei­ tung 37 mit dem Hochdruckeconomiser 21 der Abhitzedampferzeu­ gungsanlage 7 verbunden. Um eine Zweiphasenströmung in den Zuleitungen zu verhindern, ist diese Anzapfung am Hochdruck­ economiser 21 so gewählt, daß am Eintritt der Kühler auf jeden Fall unterkühlte Bedingungen vorherrschen. Es versteht sich, daß auch separate wasserseitige Anspeisungen der beiden dargestellten Kühler möglich sind.

Die Kühler 32, 33 sind als klaßische Zwangsdurchlaufdampf­ erzeuger konzipiert mit je einem Economiser 34, einem Ver­ dampfer 35 und einem Überhitzer 36. Sie sind stehend angeord­ net, wobei die Verdampfung von unten nach oben durchgeführt wird. Dadurch ist die Möglichkeit einer Rezirkulation des Speisewassers gegeben. Ferner kann eine einfache Wasser­ standsregelung bzw. eine Speisungsregelung zur Anwendung gelangen.

Der in beiden Kühlern erzeugte Dampf wird zusammengefaßt und über eine Dampfleitung 38 in die Abscheideflasche 25 des Abhitzekessels geführt. Über diese Abscheideflasche 25 sind definierte Druckverhältnisse in den entsprechenden Anlagetei­ len geschaffen. Auch bei höchsten Drücken sind keine Wasser­ durchbrüche in Richtung Dampfturbine zu befürchten. Es versteht sich, daß auch getrennte Dampfleitungen in die Abscheideflasche 25 des Abhitzekessels geführt werden können.

Die Kühler sind parallel zueinander und zum Abhitzekessel geschaltet, was zu einem weitgehend gleichen Systemverhalten führt. Darüberhinaus liegt in allen Anlageteilen die gleiche Wasserchemie vor. Erwähnenswert ist die Tatsache, daß beim Anfahren der Anlage kein Dampfabblasen über Dach oder die Einleitung von Heißwasser in einen Blowdown Tank erforder­ lich ist.

Bezugszeichenliste

1

Leitung (angesaugte Frischluft)

2

Verdichter

3

Brennkammer

4

Gasturbine

5

Generator

6

Leitung (Abgas)

7

Abhitzedampferzeugungsanlage

8

Leitung (zum Kamin)

9

Hochdruckturbine

10

Mitteldruckturbine

11

Niederdruckturbine

13

Kondensator

14

Kondensatpumpe

15

Niederdruckeconomiser

16

Niederdruckverdampfer

17

Niederdrucktrommel

18

Umwälzpumpe

19

Niederdrucküberhitzer

20

Speisewasserpumpe

21

Hochdruckeconomiser

22

Hochdruckverdampfer

23

Hochdrucküberhitzer

24

Frischdampfleitung

25

Abscheideflasche

27

Zwischenüberhitzer

28

Niederdruck-Dampfleitung

29

Abschlämmleitung

30

,

31

Luftleitung

32

,

33

Luftkühler

34

Economiser

35

Verdampfer

36

Überhitzer

37

Wasserleitung

38

Dampfleitung

39

,

40

Kühlleitungen

Claims (3)

1. Kombinierte Kraftwerksanlage mit einer Gasturbine (4) und einer Dampfturbine (9-11), bei welcher die Abgase der Gasturbine ihre Restwärme über das in einem Abhitze­ kessel (7) strömende Arbeitsmittel an die Dampfturbine abgeben,

• - wobei der Abhitzekessel im wesentlichen aus einem Economiser (21), einem Verdampfer (22) und einem Überhitzer (23) besteht,
• - und wobei mindestens ein als Zwangsdurchlaufdampf­ erzeuger ausgebildeter Kühlluftkühler (32, 33) vor­ gesehen ist, welcher wasserseitig mit dem Economi­ ser (21) des Abhitzekessels (7) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,
• - daß der Abhitzekessel ein Zwangsdurchlaufdampfer­ zeuger ist, bei dem dampfseitig zwischen dem Ver­ dampfer (22) und dem Überhitzer (23) eine Abschei­ deflasche (25) angeordnet ist,
• - und daß der Kühlluftkühler (32, 33) dampfseitig mit der Abscheideflasche (25) verbunden ist.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Kühlluftkühler (32, 33) mit je unterschiedlichen Druckniveau des zu kühlenden Mittels wasser- und dampf­ seitig parallel geschaltet sind.

3. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlluftkühler (32, 33) stehend angeordnet ist und im wesentlichen aus einem Economiser (34), einem Verdampfer (35) und einem Überhitzer (36) besteht, wobei die Ver­ dampfung von unten nach oben durchgeführt wird.