DE19702830C1 - Kombinierte Gas- und Dampfturbinenanlage sowie Verfahren zu deren Betrieb - Google Patents
Kombinierte Gas- und Dampfturbinenanlage sowie Verfahren zu deren BetriebInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine kombinierte Gas- und Dampfturbi
nenanlage mit einer Gasturbine, einer Dampfturbine und einem
Abhitzekessel sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen
kombinierten Gas- und Dampfturbinenanlage.
In der EP 0436536 B1 ist ein Verfahren zum Betrieb einer
Dampfturbine, die mindestens ein Mitteldruckteil und ein
Hochdruckteil aufweist, beschrieben. Mit Hilfe eines von ei
nem heißen Gas, insbesondere dem heißen Abgas einer Gasturbi
nenanlage, durchströmten Abhitzedampferzeugers wird Heißdampf
zum Antrieb der Dampfturbine erzeugt. Der Abhitzedampferzeu
ger weist verschiedene Sektionen zur Erzeugung von Dampf un
terschiedlicher Druck- und Temperaturniveaus auf. Die Gastur
binenanlage sowie die Dampfturbinenanlage ist jeweils auf ei
ner eigenen Turbinenwelle angeordnet und mit einem jeweiligen
Generator verbunden. Der Heißdampf höchsten Druckes und höch
ster Temperatur wird der Hochdruck-Teilturbine zugeführt. Der
darin entspannte Dampf wird wiederum dem Abhitzedampferzeuger
zugeführt, in diesem zwischenüberhitzt und einem Mitteldruck
teil der Dampfturbine zugeführt. Der darin entspannte Dampf
wird mit Dampf des Abhitzedampferzeugers niedrigeren Druck- und
Temperaturniveaus zusammengeführt und in die Niederdruck-Teil
turbine eingespeist.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine kombinierte Gas- und
Dampfturbinenanlage mit verbesserter Ausnutzung des in dem
Abhitzekessel erzeugten Dampfes anzugeben. Eine weitere Auf
gabe der Erfindung liegt darin, ein Verfahren zum Betrieb ei
ner solchen kombinierten Gas- und Dampfturbinenanlage anzuge
ben.
Erfindungsgemäß wird die auf eine Anlage gemäß Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 gerichtete Aufgabe dadurch gelöst, daß
die Gasturbine mindestens eine mit Kühldampf kühlbare Kompo
nente aufweist, die zur Kühldampfeinleitung mit der Dampftur
bine und/oder dem Abhitzekessel und zur Kühldampfableitung
mit einem Strahlmischer verbunden ist. Der Strahlmischer
weist einen Strahleingang zur Einspeisung von Heißdampf, ei
nen Strahlausgang und einen mit der Gasturbine verbundenen
Kühldampfeinlaß auf, wobei der Strahlausgang mit der Dampf
turbine verbunden ist.
Durch das Einmischen von Kühldampf aus der Gasturbine in
Heißdampf, welcher vorzugsweise aus dem Abhitzekessel abge
führt wird, in einen Strahlmischer erfolgt eine effektive Zu
mischung des Kühldampfes in den Heißdampf. Das hierdurch er
zielte Dampfgemisch weist einen deutlich höheren Druck als
der Kühldampf auf. Das Dampfgemisch erlaubt somit eine Ein
speisung in die Dampfturbine mit einem besonders guten Wir
kungsgrad. Die durch eine Kühlung der Komponente oder der
Komponenten der Gasturbine entstehenden Verluste sind über
den gesamten Dampfprozeß betrachtet somit reduziert.
Vorzugsweise ist der Strahleingang des Strahlmischers mit dem
Abhitzekessel und/oder einer Hochdruck-Teilturbine der Dampf
turbine, insbesondere mit dem Austritt der Hochdruck-Teiltur
bine, verbunden. Dies gewährleistet einen hohen Druck des aus
Kühldampf und Heißdampf in dem Strahlmischer gebildeten
Dampfgemisches.
Der Strahlausgang des Strahlmischers ist vorzugsweise mit ei
ner Mitteldruck-Teilturbine und/oder einer Niederdruck-Teil
turbine der Dampfturbine, insbesondere mit dem Eintritt für
Dampf der Mitteldruck-Turbine und/oder an einer Stelle nied
rigeren Druckes, verbunden.
Eine alternative Lösung der Aufgabe besteht darin,
daß der aus der Gasturbine austretende Kühldampf unmittelbar,
d. h. ohne Durchmischung, in eine Niederdruck-Teilturbine oder
in eine Mitteldruck-Teilturbine, je nach dem vorherrschenden
Druck des Kühldampfes, über eine entsprechende Leitung einge
speist wird. Ohne zusätzliche Druckverluste ist somit eine
Einspeisung des Kühldampfes bei einem geeigneten Druckniveau
in die Dampfturbine gegeben.
Vorzugsweise ist die Turbinenwelle der Gasturbine zur Kühlung
mit Kühldampf ausgebildet, wobei der Kühldampf der Turbinen
welle in diese eingeleitet und daraus wieder herausgeleitet
wird. Das Gehäuse der Gasturbine ist ebenfalls so ausgestalt
bar, daß es zum Zwecke der Kühlung von Kühldampf aus der
Hochdruck-Teilturbine durchströmbar ist.
Die kombinierte Gas- und Dampfturbinenanlage weist vorzugs
weise eine einzige Turbinenwelle auf, die gegebenenfalls aus
mehreren aneinandergekuppelten Wellensträngen aufgebaut ist.
Die Turbinenwelle erstreckt sich über die Gasturbine mit Kom
pressor sowie die Dampfturbine und ist vorzugsweise an einen
Generator oder mehrere Generatoren angeschlossen. Es ist
ebenfalls möglich für die Gasturbine und die Dampfturbine je
weils eine eigene Turbinenwelle vorzusehen.
Eine weitere alternative Lösung der Aufgabe besteht
darin, daß in einer Zuführung von Kühldampf zur Gasturbine
ein Strahlmischer zur Erhöhung des Kühldampfes der Gasturbine
angeordnet ist. Der Strahlmischer weist einen Strahleingang
zur Einspeisung von Heißdampf, einen Strahlausgang zur Zufüh
rung des Kühldampfes zur Gasturbine sowie einen Dampfeinlaß
zur Zuführung von Dampf geringeren Druckes als an dem Strahl
eingang auf. Der Dampfeinlaß ist vorzugsweise mit einem
Dampfauslaß einer Hochdruck-Teilturbine und/oder einer Hoch
drucksektion geringeren Druckes des Abhitzekessels verbunden.
Ein durch den Strahlmischer erzeugt er Kühldampf kann nach
Durchströmen der Gasturbine mit dabei auftretendem Druckver
lust dennoch einen Druck hohen Niveaus aufweisen, insbeson
dere einen Druck, der im wesentlichen dem Druck von in einer
Mitteldruck-Teilturbine einströmendem Dampf entspricht. Vor
zugsweise ist eine Rückführung von Kühldampf vorgesehen, wel
che in den Einströmbereich einer Mitteldruck-Teilturbine der
Dampfturbine einmündet.
Die auf ein Verfahren zum Betrieb einer kombinierten Gas- und
Dampfturbinenanlage mit einer Gasturbine, einer Dampfturbine
umfassend eine Hochdruck-Teilturbine sowie eine Mitteldruck-Teil
turbine und/oder eine Niederdruck-Teilturbine und mit ei
nem Abhitzekessel wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
der Gasturbine von der Hochdruck-Teilturbine oder dem Abhit
zekessel Kühldampf zugeführt wird und der die Gasturbine mit
einem Druckverlust verlassende Kühldampf in einen Strahl ei
nes Heißdampfes mit höherem Druck eingemischt und der so ge
mischte Dampf der Dampfturbine, insbesondere der Mitteldruck-Teil
turbine und/oder der Niederdruck-Teilturbine zugeführt
wird. Alternativ oder ergänzend wird der gesamte die Gastur
bine verlassende Kühldampf oder eine Teilmenge dieses
Kühldampfes unmittelbar, d. h. ohne Vermischung mit einem
Heißdampf höheren Druckes, der Dampfturbine wieder zugeführt.
Dies geschieht vorzugsweise in der Mitteldruck-Teilturbine
oder der Niederdruck-Teilturbine bei einem Druckniveau, wel
ches im wesentlichen dem Druckniveau des die Gasturbine ver
lassenden Kühldampfes entspricht. Durch beide Maßnahmen ist
eine effektive Ausnutzung und Rückführung des die Gasturbine
verlassenden Kühldampfes in den gesamten Dampfprozeß gegeben.
Es ist ebenfalls möglich den Druck des Kühldampfes der
Gasturbine zu erhöhen, indem Hochdruckdampf des Abhitzekes
sels mit Dampf geringeren Druckes, z. B. Abdampf der Hoch
druck-Teilturbine und/oder Dampf zur Einströmung in eine Mit
teldruck-Teilturbine, vermischt wird. Nach Kühlung der
Gasturbine kann der Dampf das Druckniveau des in die Mittel
druck-Teilturbine einströmenden Dampfes aufweisen.
Anhand der Zeichnung werden die kombinierte Gas- und Dampf
turbinenanlage sowie das Verfahren zu ihrem Betrieb näher er
läutert. Es zeigen in schematisierter nichtmaßstäblicher Dar
stellung unter Angabe der für die folgende Erläuterung not
wendigen Komponenten die
Fig. 1 ein Schema einer kombinierten Gas- und Dampf
turbinenanlage,
Fig. 2 einen Strahlmischer in einem Längsschnitt und
Fig. 3 und 4 jeweils ein Schema einer kombinierten Gas- und
Dampfturbinenanlage.
Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine kombi
nierte Gas- und Dampfturbinenanlage mit einer Gasturbine 1,
einer Dampfturbine 2 und einem Generator 17, die auf einer
einzigen, gegebenenfalls aus mehreren Wellensegmenten zusam
mengesetzten, Welle 4 angeordnet sind. Die Dampfturbine 2
umfaßt eine Hochdruck-Teilturbine 12a sowie schematisiert in
einem Gehäuse dargestellt eine Mitteldruck-Teilturbine 12b
und eine Niederdruck-Teilturbine 12c. Die Gasturbinenanlage
umfaßt die eigentliche Gasturbine 1, einen Verdichter 15 und
eine strömungstechnisch zwischen Verdichter 15 und Gastur
bine 1 angeordnete Brennkammer 16. Die Gasturbine 1 ist aus
laßseitig mit einem Abhitzekessel 3 zur Erzeugung von Heiß
dampf zum Betrieb der Dampfturbine 2 verbunden. Der Abhitze
kessel 3 weist nicht näher dargestellte Sektionen unter
schiedlichen Druckniveaus auf, wobei eine Hochdrucksektion
einlaßseitig mit der Hochdruck-Teilturbine 12a, eine weitere
Hochdrucksektion einlaßseitig mit der Mitteldruck-Teiltur
bine 12b und eine Niederdrucksektion einlaßseitig mit der
Niederdruck-Teilturbine 12c verbunden ist. In eine Verbindung
zwischen Abhitzekessel 3 und Mitteldruck-Teilturbine 12b ist
ein Strahlmischer 5 (siehe Fig. 2) angeordnet.
Die Gasturbine 1 weist als zu kühlende Komponenten die Turbi
nenwelle 4a sowie ein Gehäuse 4b auf. Die nicht näher darge
stellte Führung von Kühldampf 6 in der Turbinenwelle 4a sowie
dem Gehäuse 4b ist einlaßseitig jeweils mit dem Dampfaus
laß 19 der Hochdruck-Teilturbine 12a verbunden. Auslaßseitig
mündet die jeweilige Kühldampfführung der Gasturbine 1 in den
Strahlmischer 5 ein.
Dieser in Fig. 2 schematisch in einem Längsschnitt darge
stellte Strahlmischer 5 ist entlang einer Hauptachse 14 ge
richtet und zu dieser im wesentlichen symmetrisch. Er weist
einen entlang der Hauptachse 18 gerichteten, diese umgebenden
Strahleingang 7 für Heißdampf 8 (siehe Fig. 1) aus dem Ab
hitzekessel 3 auf. Der Strahleingang 7 ist von einem nicht
näher dargestellten Ringkanal 20 umgeben, welcher sich in
Strömungsrichtung des Heißdampfes 8 verjüngt. In den Ringka
nal 20 mündet ein Kühldampfeinlaß 10, durch welchen
Kühldampf 6 im wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung
des Heißdampfes 8 in den Strahlmischer 5 einführbar ist. Der
sich verjüngende Ringkanal 20 geht in einen entlang der
Hauptachse 18 gerichteten Strahlausgang 9 über. Der durch die
Gasturbine 1 strömende Kühldampf 6 erfährt in der Gastur
bine 1 einen Druckverlust und wird in dem Strahlmischer 5 mit
Heißdampf 8 aus dem Abhitzekessel 3 mit einem höheren Druck
vermischt. Der Strahlmischer 5 ist wie eine Strahlpumpe aus
geführt, wobei der in Richtung der Hauptachse 18 strömende
Heißdampf 8 den Kühldampf 6 ansaugt und sich mit diesem ver
mischt, wobei der hierdurch entstehende gemischte Dampf 14
(siehe Fig. 1) einen Druck deutlich oberhalb des Druckes des
Kühldampfes 6 aufweist. Der Druck des Heißdampfes 8 kann bei
spielsweise 50% bis 150% oberhalb des Druckes des Kühl
dampfes 6 liegen, wobei der Druck des gemischten Dampfes 14
beispielsweise 25% bis 75% oberhalb des Druckes des Kühl
dampfes 6 liegen kann. Der Druck des Kühldampfes 6 liegt bei
spielsweise bei 15 bar, der Druck des Heißdampfes 8 bei etwa
30 bar und der Druck des gemischten Dampfes 14 bei etwa
20 bar.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Gas- und
Dampfturbinenanlage ähnlich der Darstellung gemäß Fig. 1,
wobei allerdings der aus der Gasturbine 1 austretende
Kühldampf 6 unmittelbar ohne Zumischung von weiterem Dampf,
insbesondere Heißdampf, der Mitteldruck-Teilturbine 12b oder
der Niederdruck-Teilturbine 12c bei einem entsprechenden
Druckniveau zugeführt wird. In Fig. 4 ist schematisch und
ausschnittsweise eine Gas- und Dampfturbinenanlage ähnlich
der in Fig. 1 und 3 dargestellten Gas- und Dampfturbinenan
lagen dargestellt. Hierin ist ein Strahlmischer 5 analog zu
dem Strahlmischer gemäß Fig. 2 in die Zuführung von
Kühldampf 6 der Gasturbine 1 stromauf der Gasturbine angeord
net. Mit dem Strahleingang 7 ist der Strahlmischer 5 mit ei
ner Hochdrucksektion des Abhitzekessel 3 verbunden. Der
Strahlausgang 9 ist mit einer nicht näher dargestellten Kühl
mittelführung mit der Gasturbine 1 verbunden. Der Dampfein
laß 10 ist mit dem Dampfauslaß 19 der Hochdruck-Teiltur
bine 12a sowie mit einer der Zuführung von Hochdruckdampf in
die Mitteldruck-Teilturbine 12b dienenden nicht näher darge
stellten Hochdrucksektion des Abhitzekessels 3 verbunden. Der
aus dem Strahlmischer 5 austretende Kühldampf 6 weist mithin
ein erhöhtes Druckniveau auf und hat nach Durchströmen der
Gasturbine 1 und Erleidung eines Druckabfalles einen Druck
vergleichbar des Druckes des in die Mitteldruck-Teiltur
bine 12b einströmenden Dampfes. Der Kühldampf 6 wird aus der
Gasturbine 1 in die Mitteldruck-Teilturbine 12b zurückge
führt. Die Bezugszeichen gemäß Fig. 3 und 4 haben entspre
chend dieselbe Bedeutung wie die Bezugszeichen gemäß Fig. 1.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß zur Kühlung ei
ner Komponente oder mehrerer Komponenten der Gasturbine ver
wendeter Kühldampf wieder der Dampfturbine zugeleitet wird.
Vorzugsweise wird dieser die Gasturbine verlassende Kühldampf
in einem als Strahlpumpe wirkenden Strahlmischer einem Heiß
dampf beigemischt, welcher insbesondere aus einer Hochdruck
sektion des Abhitzekessels entnommen wird. Ein solcher
Strahlmischer kann alternativ oder ergänzend zur Erhöhung des
Druckes des Kühldampfes verwendet werden.
Claims (9)
1. Kombinierte Gas- und Dampfturbinenanlage mit einer Gastur
bine (1), einer Dampfturbine (2) und einem Abhitzekessel (3)
dadurch gekennzeichnet, daß
die Gasturbine (1) mindestens eine mit Kühldampf (6) kühlbare
Komponente (4a, 4b) aufweist, die zur Kühldampfeinleitung mit
der Dampfturbine (2) und/oder mit dem Abhitzekessel (3) und
zur Kühldampfableitung mit einem Strahlmischer (5) verbunden
ist, der einen Strahleingang (7) zur Einspeisung von Heiß
dampf (8), einen Strahlausgang (9) und einen mit der Gastur
bine (1) verbundenen Kühldampfeinlaß (10) aufweist, wobei der
Strahlausgang (9) mit der Dampfturbine (2) verbunden ist.
2. Kombinierte Gas- und Dampfturbinenanlage nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Dampf
turbine (2) eine Hochdruck-Teilturbine (12a) aufweist, und
der Strahleingang (7) mit der Hochdruck-Teilturbine (12a)
und/oder dem Abhitzekessel (3) verbunden ist.
3. Kombinierte Gas- und Dampfturbinenanlage nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Dampf
turbine (2) eine Mitteldruck-Teilturbine (12b) und/oder eine
Niederdruck-Teilturbine (12c) aufweist, mit der oder mit de
nen der Strahlausgang (9) verbunden ist.
4. Kombinierte Gas- und Dampfturbinenanlage mit einer Gastur
bine (1), einer Dampfturbine (2) umfassend eine Hochdruck-Teil
turbine (12a) sowie eine Mitteldruck-Teilturbine (12b)
und/oder eine Niederdruck-Teilturbine (12c) und mit einem Ab
hitzekessel (3),
dadurch gekennzeichnet, daß
die Gasturbine (1) mindestens eine mit Kühldampf (6) kühlbare
Komponente (4a, 4b) aufweist, die zur Kühldampfeinleitung mit
der Hochdruck-Teilturbine (12a) und/oder mit dem Abhitzekes
sel (3) und zur Kühldampfableitung unmittelbar mit der Mit
teldruck-Teilturbine (12b) und/oder der Niederdruck-Teiltur
bine (12c) verbunden ist.
5. Kombinierte Gas- und Dampfturbinenanlage nach einem der
vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die kühl
bare Komponente (4a, 4b) eine Turbinenwelle (4a) und/oder ein
Gehäuse (4b) der Gasturbine (1) ist.
6. Kombinierte Gas- und Dampfturbinenanlage nach einem der
vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Gastur
bine (1) und die Dampfturbine (2) ein gemeinsame Turbinen
welle (4) aufweisen.
7. Kombinierte Gas- und Dampfturbinenanlage mit einer Gastur
bine (1), einer Dampfturbine (2) und einem Abhitzekessel (3)
dadurch gekennzeichnet, daß die Gastur
bine (1) mindestens eine mit Kühldampf (6) kühlbare Kompo
nente (4a, 4b) aufweist, die zur Kühldampfeinleitung mit der
Dampfturbine (2) und/oder mit dem Abhitzekessel (3) über ei
nen Strahlmischer (5) verbunden ist, welcher einen Strahl
eingang (7) zur Einspeisung von Heißdampf (8), einen mit der
kühlbaren Komponente (4a, 4b) der Gasturbine (1) verbundenen
Strahlausgang und einen Dampfeinlaß (10) zur Einleitung von
Dampf geringeren Druckes als zur Einleitung an dem Strahlein
gang (7) aufweist.
8. Verfahren zum Betrieb einer kombinierten Gas- und Dampf
turbinenanlage mit einer Gasturbine (1), einer Dampfturbine
(2) umfassend eine Hochdruck-Teilturbine (12a) sowie eine
Mitteldruck-Teilturbine (12b) und/oder eine Niederdruck-Teil
turbine (12c) und mit einem Abhitzekessel (3) dadurch
gekennzeichnet, daß
der Gasturbine (1) von der Hochdruck-Teilturbine (12a) oder
dem Abhitzekessel (3) Kühldampf (6) zugeführt, der die
Gasturbine (1) mit einem Druckverlust verlassende Kühldampf (6)
in einen Strahl (13) eines Heißdampfes (8) mit höherem
Druck eingemischt und der so gemischte Dampf (14) der Dampf
turbine (2), insbesondere der Mitteldruck-Teilturbine (12b)
und/oder der Niederdruck-Teilturbine (12c), zugeführt wird.
9. Verfahren zum Betrieb einer kombinierten Gas- und Dampf
turbinenanlage mit einer Gasturbine (1), einer Dampfturbine
(2) umfassend eine Hochdruck-Teilturbine (12a) sowie eine
Mitteldruck-Teilturbine (12b) und/oder eine Niederdruck-Teil
turbine (12c) und mit einem Abhitzekessel (3) dadurch
gekennzeichnet, daß
der Gasturbine (1) von der Hochdruck-Teilturbine (12a) oder
dem Abhitzekessel (3) Kühldampf (6) zugeführt und der die
Gasturbine (1) mit einem Druckverlust verlassende Kühldampf
(6) direkt der Mitteldruck-Teilturbine (12b) und/oder
der Niederdruck-Teilturbine (12c) zugeführt wird.
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