DE19745272A1 - Gas- und Dampfturbinenanlage und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Anlage - Google Patents
Gas- und Dampfturbinenanlage und Verfahren zum Betreiben einer derartigen AnlageInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Gas- und Dampfturbinenan
lage mit einem einer Gasturbine rauchgasseitig nachgeschalte
ten Abhitzedampferzeuger, dessen Heizflächen in den Wasser-
Dampf-Kreislauf einer Dampfturbine geschaltet sind. Sie be
trifft weiter ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen
Gas- und Dampfturbinenanlage.
Bei einer Gas- und Dampfturbinenanlage wird die im entspann
ten Arbeitsmittel (Rauchgas) aus der Gasturbine enthaltene
Wärme zur Erzeugung von Dampf für die Dampfturbine genutzt.
Die Wärmeübertragung erfolgt in einem der Gasturbine rauch
gasseitig nachgeschalteten Abhitzedampferzeuger, in dem Heiz
flächen in Form von Rohren oder Rohrbündeln angeordnet sind.
Diese wiederum sind in den Wasser-Dampf-Kreis lauf der Dampf
turbine geschaltet. Der Wasser-Dampf-Kreislauf umfaßt übli
cherweise mehrere, beispielsweise zwei, Druckstufen, wobei
jede Druckstufe eine Vorwärm- und eine Verdampferheizfläche
aufweist.
Der im Abhitzedampferzeuger erzeugte Dampf wird der Dampftur
bine zugeführt, wo er sich arbeitsleistend entspannt. Die
Dampfturbine kann dabei eine Anzahl von Druckstufen umfassen,
die in ihrer Zahl und Auslegung an die Auslegung des Abhitze
dampferzeugers angepaßt sind. Der in der Dampfturbine ent
spannte Dampf wird üblicherweise einem Kondensator zugeführt
und kondensiert dort. Das bei der Kondensation des Dampfes
entstehende Kondensat wird dem Abhitzedampferzeuger als Spei
sewasser erneut zugeführt, so daß ein geschlossener Wasser-
Dampf-Kreislauf entsteht.
Der Kondensator einer derartigen Gas- und Dampfturbinenanlage
ist üblicherweise in der Art eines Wärmetauschers mit einem
Kühlmedium beaufschlagbar, das dem Dampf zur Kondensation
Wärme entzieht. Als Kühlmedium ist dabei üblicherweise Wasser
vorgesehen; alternativ kann der Kondensator aber auch als ein
mit Luft als Kühlmedium beaufschlagter Luftkondensator ausge
bildet sein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gas- und
Dampfturbinenanlage der obengenannten Art anzugeben, die ei
nen besonders hohen Anlagenwirkungsgrad aufweist. Zudem soll
ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Gas- und Dampf
turbinenanlage angegeben werden, mit dem ein besonders hoher
Anlagenwirkungsgrad erreichbar ist.
Diese Aufgabe wird für eine Gas- und Dampfturbinenanlage der
obengenannten Art erfindungsgemäß gelöst, indem ein der
Dampfturbine dampfseitig nachgeschalteter Kondensator über
der Gasturbine zuzuführende Ansaugluft kühlbar ist.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, daß für einen be
sonders hohen Anlagenwirkungsgrad im Anlagenprozeß anfallende
Wärme im größtmöglichen Umfang nutzbar gemacht werden sollte.
Dabei sollte auch die dem Dampf bei seiner Kondensation ent
zogene Wärme - zumindest teilweise - in den Anlagenprozeß
rückgeführt werden. Aufgrund des Temperaturniveaus des Damp
fes bei seiner Kondensation von etwa 60°C ist die Überführung
der dabei entzogenen Wärme in die der Gasturbine zuzuführende
Ansaugluft besonders günstig.
Durch die Vorwärmung der Ansaugluft der Gasturbine verringert
sich der der Gasturbine insgesamt pro Zeiteinheit zuführbare
Gesamtmassenstrom an Brennstoff-Luft-Gemisch, so daß die
durch die Gasturbine maximal erreichbare Leistungsabgabe ge
ringer ist als beim Verzicht auf die Vorwärmung der Ansaug
luft. Wie sich allerdings herausgestellt hat, sinkt bei der
Vorwärmung der Ansaugluft durch Zuführung der Kondensations
wärme der Brennstoffverbrauch stärker als die maximal er
reichbare Leistungsabgabe, so daß der Gesamtwirkungsgrad
steigt.
Üblicherweise ist der Gasturbine ein Verdichter zugeordnet,
dem die Ansaugluft für die Gasturbine über eine Ansaugluft
leitung zuführbar ist. In vorteilhafter Weiterbildung ist der
Kondensator kühlmittelseitig direkt in diese Ansaugluftlei
tung geschaltet. Bei einer derartigen Ausgestaltung ist der
Kondensator zweckmäßigerweise als Luftkondensator ausgebil
det, wobei aufgrund der einstufigen Wärmeübertragung vom kon
densierenden Dampf auf die Ansaugluft Verluste infolge von
Umwandlungsprozessen besonders gering gehalten sind.
In alternativer vorteilhafter Weiterbildung ist der Kondensa
tor kühlmittelseitig über einen Zwischenkühlkreis an einen
Wärmetauscher angeschlossen, der seinerseits sekundärseitig
in die der Gasturbine vorgeschaltete Ansaugluftleitung ge
schaltet ist. Bei einer derartigen Anordnung ist der Trans
port der bei der Kondensation auf ein im Zwischenkühlkreis
geführtes Medium übertragenen Wärme auch über große Strecken
in vergleichsweise einfacher Weise möglich.
Für eine besonders hohe Flexibilität auch bei verschiedenen
Betriebszuständen der Gas- und Dampfturbinenanlage ist der
Kondensator vorteilhafterweise wasser-dampfseitig einem der
Dampfturbine zugeordneten Hauptkondensator parallel geschal
tet. Der Kondensator kann dabei in der Art eines Zusatzkon
densators mit Anzapfdampf aus der Dampfturbine-beaufschlagt
sein. In einer derartigen Anordnung ist der Kondensator auf
besonders günstige Weise zur Bereitstellung einer schnellen
Leistungsreserve nutzbar, die beispielsweise auch in kürzerer
Reaktionszeit zur Stützung der Netzfrequenz im von der Gas- und
Dampfturbinenanlage bespeisten Stromnetz erforderlich
sein kann. Zur Aktivierung der Leistungsreserve wird dabei
die Dampfzufuhr zum Kondensator unterbrochen, so daß der ge
samte Dampfstrom über den Hauptkondensator geführt wird. So
mit unterbleibt die Vorwärmung der Ansaugluft für die Gastur
bine, was zu einem raschen Anstieg der von der Gasturbine ge
lieferten Maximalleistung führt.
Das Dampfmengenverhältnis zwischen den dem Kondensator und
dem Hauptkondensator zuzuleitenden Dampfströmen ist zweckmä
ßigerweise einstellbar, vorzugsweise in Abhängigkeit vom
Lastzustand der Gas- und Dampfturbinenanlage. Der über den
Hauptkondensator geführte Dampfstrom wird beim Betrieb einer
derartigen Anlage in üblicher Weise unter Verwendung eines
externen Kühlmittels kondensiert. Durch die Einstellbarkeit
des Dampfmengenverhältnisses zwischen den Dampfströmen können
dabei die Betriebsparameter des über den Kondensator geführ
ten Dampfstromes auf besonders einfache Weise annähernd kon
stant gehalten werden, so daß eine derartige Anlage besonders
zuverlässig betreibbar ist. Zudem ist dadurch auch für jeden
Betriebszustand der Anlage die Ansaugluft auf die für den je
weiligen Betriebszustand maximal erreichbare Temperatur vor
wärmbar.
Zweckmäßigerweise ist dabei dem Hauptkondensator ein Konden
satvorwärmer nachgeschaltet, wobei aus dem Kondensator ab
strömendes Kondensat in Strömungsrichtung des Kondensats ge
sehen nach dem Kondensatvorwärmer in den Wasser-Dampf-Kreis
lauf der Dampfturbine einspeisbar ist. Somit ist die nach der
Kondensation des Dampfes im Kondensat verbliebene Restwärme
auf besonders günstige Weise in den Wasser-Dampf-Kreislauf
einbringbar.
Bezüglich des Verfahrens zum Betreiben der Gas- und Dampftur
binenanlage wird die genannte Aufgabe gelöst, indem der
Gasturbine zuzuführende Ansaugluft über bei der Kondensation
von aus der Dampfturbine abströmendem Dampf entnommene Wärme
vorgewärmt wird.
Das bei der Kondensation gewonnene Kondensat wird dabei vor
teilhafterweise im Wasser-Dampf-Kreislauf der Dampfturbine
geführtem vorgewärmtem Kondensat zugemischt.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesonde
re darin, daß durch die Übertragung der bei der Kondensation
des Dampfes entnommenen Wärme auf die Ansaugluft für die
Gasturbine diese Wärme für den Anlagenprozeß nutzbar gemacht
wird. Eine derartige Gas- und Dampfturbinenanlage weist somit
einen besonders hohen Anlagenwirkungsgrad auf. Aufgrund der
vergleichsweise geringfügig verminderten maximalen Leistungs
abgabe der Gasturbine ist ein günstiger Wirkungsgrad der Gas- und
Dampfturbine dabei besonders im Teillastbereich der
Gasturbine erreichbar.
Wie sich weiterhin herausgestellt hat, weist eine derartige
Gas- und Dampfturbinenanlage auch vergleichsweise geringere
Schadstoffemissionen auf. Neben anderen Größen ist für die
Schadstoffemissionen einer Gas- und Dampfturbinenanlage der
sogenannte Umschaltpunkt relevant, der angibt, bei welcher
Leistung die Gasturbine vom Diffusionsbetrieb auf den Vor
mischbetrieb umzustellen ist. Die Gas- und Dampfturbinenanla
ge mit vorgewärmter Ansaugluft für die Gasturbine weist einen
vergleichsweise niedrigeren Umschaltpunkt auf, so daß sie
auch bei vergleichsweise niedrigen Lastzuständen im für ge
ringe Schadstoffemissionen günstigeren Vormischbetrieb be
treibbar ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeich
nung näher erläutert. Darin zeigen
Fig. 1 schematisch eine Gas- und Dampfturbinenanlage,
und
Fig. 2 schematisch eine alternative Ausführungsform ei
ner Gas- und Dampfturbinenanlage.
Gleiche Teile sind in beiden Figuren mit denselben Bezugszei
chen versehen.
Die in den Fig. 1, 2 jeweils schematisch dargestellte Gas- und
Dampfturbinenanlage 1 bzw. 1' umfaßt eine Gasturbinenan
lage 1a und eine Dampfturbinenanlage 1b. Die Gasturbinenanla
ge 1a umfaßt eine Gasturbine 2 mit angekoppeltem Luftver
dichter 4. Der Luftverdichter 4 ist eingangsseitig an eine
Ansaugluftleitung 5 angeschlossen. Der Gasturbine 2 ist eine
Brennkammer 6 vorgeschaltet, die an eine Frischluftleitung 8
des Luftverdichters 4 angeschlossen ist. In die Brennkammer 6
der Gasturbine 2 mündet eine Brennstoffleitung 10. Die Gas
turbine 2 und der Luftverdichter 4 sowie ein Generator 12
sitzen auf einer gemeinsamen Welle 14.
Die Dampfturbinenanlage 1b umfaßt eine Dampfturbine 20 mit
angekoppeltem Generator 22 und in einem Wasser-Dampf-Kreis
lauf 24 einen der Dampfturbine 20 nachgeschalteten Hauptkon
densator 26 sowie einen Abhitzedampferzeuger 30. Die Dampf
turbine 20 besteht aus einer ersten Druckstufe oder einem
Hochdruckteil 20a und einer zweiten Druckstufe oder einem
Mitteldruckteil 20b sowie einer dritten Druckstufe oder einem
Niederdruckteil 20c, die über eine gemeinsam Welle 32 den Ge
nerator 22 antreiben.
Zum Zuführen von in der Gasturbine 2 entspanntem Arbeitsmit
tel AM' oder Rauchgas in den Abhitzedampferzeuger 30 ist eine
Abgasleitung 34 an einen Eingang 30a des Abhitzedampferzeu
gers 30 angeschlossen. Das entspannte Arbeitsmittel AM' aus
der Gasturbine 2 verläßt den Abhitzedampferzeuger 30 über
dessen Ausgang 30b in Richtung auf einen nicht näher darge
stellten Kamin.
Der Abhitzedampferzeuger 30 umfaßt in einer ersten Druckstufe
oder Hochdruckstufe des Wasser-Dampf-Kreislaufs 24 einen
Hochdruckvorwärmer oder Economizer 36, der über eine mit ei
nem Ventil 38 absperrbare Leitung 40 an eine Hochdrucktrommel
42 angeschlossen ist. Die Hochdrucktrommel 42 ist mit einem
im Abhitzedampferzeuger 30 angeordneten Hochdruckverdampfer
44 zur Bildung eines Wasser-Dampf-Umlaufs 46 verbunden. Zum
Abführen von Frischdampf F ist die Hochdrucktrommel 42 an ei
nen im Abhitzedampferzeuger 30 angeordneten Hochdrucküberhit
zer 48 angeschlossen, der ausgangsseitig mit dem Dampfeinlaß
49 des Hochdruckteils 20a der Dampfturbine 20 verbunden ist.
Der Dampfauslaß 50 des Hochdruckteils 20a der Dampfturbine 20
ist über eine Dampfleitung 52 ("kalte ZÜ") mit einem Zwi
schenüberhitzer 54 verbunden, dessen Ausgang 56 über eine
Dampfleitung 58 an den Dampfeinlaß 60 des Mitteldruckteils
20b der Dampfturbine 20 angeschlossen ist. Dessen Dampfauslaß
62 ist über eine Überströmleitung 64 mit dem Dampfeinlaß 66
des Niederdruckteils 20c der Dampfturbine 20 verbunden. Der
Dampfauslaß 68 des Niederdruckteils 20c der Dampfturbine 20
ist über eine Dampfleitung 70 an den Hauptkondensator 26 an
geschlossen. Dieser ist über eine Speisewasserleitung 72, in
die eine Speisewasserpumpe 74 und ein Kondensatvorwärmer 76
geschaltet sind, mit dem Economizer 36 verbunden, so daß ein
geschlossen Wasser-Dampf-Kreislauf 24 entsteht.
In den Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 1, 2 ist somit
lediglich die erste Druckstufe des Wasser-Dampf-Kreislaufs 24
detailliert dargestellt. Im Abhitzedampferzeuger 30 sind je
doch noch weitere, nicht näher dargestellte Heizflächen ange
ordneten, die jeweils einer Mittel- oder einer Niederdruck
stufe des Wasser-Dampf-Kreislaufs 24 zugeordneten sind. Diese
Heizflächen sind in geeigneter Weise mit dem Dampfeinlaß 60
des Mitteldruckteils 20b der Dampfturbine 20 oder mit dem
Dampfeinlaß 66 des Niederdruckteils 20c der Dampfturbine 20
verbunden.
Die Gas- und Dampfturbinenanlage 1, 1' ist zur Erzielung ei
nes besonders hohen Wirkungsgrades ausgelegt. Dazu ist ein
der Dampfturbine 20 dampfseitig nachgeschalteter, als Zusatz
kondensator ausgebildeter Kondensator 80 über der Gasturbi
nenanlage 1a zuzuführende Ansaugluft A kühlbar. Der Kondensa
tor 80 ist der Dampfturbine 20 über eine mit einem Ventil 82
absperrbare Anzapfdampfleitung 84 nachgeschaltet. Ausgangs
seitig ist der Kondensator 80 über eine Kondensatorleitung 86
an die Speisewasserleitung 72 angeschlossen, so daß sich eine
wasser-dampf-seitige Parallelschaltung des Kondensators 80 zu
dem der Dampfturbine 20 zugeordneten Hauptkondensator 26 er
gibt. Die Kondensatleitung 86 ist dabei mit der Speisewasser
leitung 72 an einer Einspeisestelle 88 verbunden. Die Ein
speisestelle 88 ist in Strömungsrichtung des aus dem Haupt
kondensator 26 abströmenden Kondensators K gesehen hinter dem
Kondensatvorwärmer 76 angeordnet. Über das Ventil 82 ist das
Dampfmengenverhältnis zwischen dem dem Hauptkondensator 26
zugeleiteten Dampfteilstrom und dem dem Kondensator 80 zuge
leiteten Dampfteilstrom einstellbar. Durch eine Variation
dieses Dampfmengenverhältnisses kann für die jeweils aktuelle
Leistungsabgabe der Gas- und Dampfturbinenanlage 1, 1' die
Ansaugluft A bis zur maximal erreichbaren Temperatur vorge
wärmt werden.
Die Gas- und Dampfturbinenanlage 1 gemäß Fig. 1 ist für ei
nen einstufigen Wärmetausch zwischen dem im Kondensator 80 zu
kondensierenden Dampfteilstrom und der der Gasturbinenanlage
1a zuzuführenden Ansaugluft A ausgebildet. Dazu ist als Kon
densator 80 ein Luftkondensator vorgesehen, der mit Kühlluft
als Kühlmedium beaufschlagbar ist. Der Kondensator 80 ist in
diesem Fall kühlmittelseitig direkt in die Ansaugluftleitung
5 geschaltet. Bei der Gas- und Dampfturbinenanlage 1 sind die
bei der Wärmeübertragung vom im Kondensator 80 kondensieren
den Dampf auf die Ansaugluft A infolge von Umwandlungsprozes
sen entstehenden Verluste besonders gering gehalten.
Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist hingegen eine zwei
stufige Wärmeübertragung vom im Kondensator 80 zu kondensie
renden Dampf auf die Ansaugluft A vorgesehen. Dazu ist bei
der Gas- und Dampfturbinenanlage 1' gemäß Fig. 2 in die An
saugluftleitung 5 ein separater Wärmetauscher 90 geschaltet.
Der separate Wärmetauscher 90 ist primärseitig an einen Zwi
schenkreis 92 angeschlossen, mit dem der Kondensator 80 kühl
mittelseitig verbunden ist. Im Zwischenkreis 92 geführtes
Wärmeträgermedium W ist dabei mittels einer in den Zwischen
kreis 92 geschalteten Umwälzpumpe 94 umwälzbar.
Beim Betrieb der Gas- und Dampfturbinenanlage 1 oder der Gas- und
Dampfturbinenanlage 1' wird ein aus dem Niederdruckteil
20c der Dampfturbine 20 entnommener Dampfteilstrom als An
zapfdampf über den Kondensator 80 geführt. Dieser Dampfteil
strom wird im Kondensator 80 kondensiert, wobei die den Dampf
bei seiner Kondensation entzogene Wärme auf die Ansaugluft A
für die Gasturbinenanlage 1a übertragen wird. Das bei der
Kondensation des Dampfes im Kondensator 80 gewonnene Konden
sat wird dem aus dem Hauptkondensator 26 abströmenden, vorge
wärmten Kondensat K beigemischt.
Durch die Übertragung der dem Dampfteilstrom bei seiner Kon
densation im Kondensator 80 entzogenen Wärme auf die Ansaug
luft A für die Gasturbinenanlage 1a wird diese Wärme in den
Energieumwandlungsprozeß der Gas- und Dampfturbinenanlage 1
bzw. der Gas- und Dampfturbinenanlage 1' zurückgeführt. Die
Gas- und Dampfturbinenanlage 1, 1' weist somit einen beson
ders hohen Anlagenwirkungsgrad auf. Andererseits bewirkt die
Vorwärmung der Ansaugluft A für die Gasturbinenanlage 1a aber
auch, daß der Gesamtmassenstrom des der Gasturbine 2 zuführ
baren Arbeitsmediums AM geringer ist als beim Verzicht auf
die Vorwärmung der Ansaugluft A. Die bei Betrieb der Gastur
bine 2 erreichbare maximale Leistungsabgabe ist somit ver
gleichsweise geringer. Der Betrieb der Gas- und Dampfturbi
nenanlage 1, 1' mit Vorwärmung der Ansaugluft A durch Konden
sation von Anzapfdampf im Kondensator 80 eignet sich somit
besonders für den Teillastbereich. Zudem ist bei dieser Be
triebsart in besonders einfacher Form eine schnelle Lei
stungsreserve der Gas- und Dampfturbinenanlage 1, 1' gewähr
leistet, da nämlich bei einer Schnellabschaltung der Vorwär
mung der Ansaugluft A aufgrund des dann vergleichsweise er
höhten lieferbaren Gesamtmassenstroms an Arbeitsmedium AM für
die Gasturbine 2 eine rasche Erhöhung der Leistungsabgabe der
Gasturbine 2 ermöglicht ist.
Claims (8)
1. Gas- und Dampfturbinenanlage (1, 1') mit einem einer
Gasturbine (6) rauchgasseitig nachgeschalteten Abhitzedampf
erzeuger (30), dessen Heizflächen in den Wasser-Dampf-Kreis
lauf (24) einer Dampfturbine (20) geschaltet sind, wobei ein
der Dampfturbine (20) dampfseitig nachgeschalteter Kondensa
tor (80) über der Gasturbine (2) zuzuführende Ansaugluft (A)
kühlbar ist.
2. Gas- und Dampfturbinenanlage (1, 1') nach Anspruch 1, bei
der einem der Gasturbine (2) zugeordneten Verdichter eine An
saugluftleitung (5) vorgeschaltet ist, in die der Kondensator
(80) kühlmittelseitig direkt geschaltet ist.
3. Gas- und Dampfturbinenanlage (1, 1') nach Anspruch 1, bei
der der (80) Kondensator kühlmittelseitig über einen Zwi
schenkühlkreis (54) an einen Wärmetauscher (90) angeschlossen
ist, der sekundärseitig in eine Ansaugluftleitung (5) ge
schaltet ist, die einem der Gasturbine (2) zugeordneten Ver
dichter vorgeschaltet ist.
4. Gas- und Dampfturbinenanlage (1, 1') nach einem der An
sprüche 1 bis 3, bei der der Kondensator (80) wasser-dampf-seitig
einem der Dampfturbine (20) zugeordneten Hauptkonden
sator (26) parallel geschaltet ist.
5. Gas- und Dampfturbinenanlage (1, 1') nach Anspruch 4, bei
der das Dampfmengenverhältnis der dem Kondensator (80) und
dem Hauptkondensator (26) zuzuleitenden Dampfströme einstell
bar ist.
6. Gas- und Dampfturbinenanlage (1, 1') nach Anspruch 4 oder
5, deren Hauptkondensator (26) ein Kondensatvorwärmer (76)
nachgeschaltet ist, wobei aus dem Kondensator (80) abströmen
des Kondensat in Strömungsrichtung von aus dem Hauptkondensa
tor (26) abströmenden des Kondensats (80) gesehen nach dem
Kondensatvorwärmer (76) in den Wasser-Dampf-Kreislauf (24) der
Dampfturbine (20) einspeisbar ist.
7. Verfahren zum Betreiben einer Gas- und Dampfturbinenanlage
(1, 1') nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Gastur
bine zuzuführende Ansaugluft (A) über bei der Kondensation
von aus der Dampfturbine (20) abströmendem Dampf entnommene
Wärme vorgewärmt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das bei der Kondensa
tion gewonnene Kondensat vorgewärmtem Kondensat zugemischt
wird, das im Wasser-Dampf-Kreislauf (24) der Dampfturbine
(20) geführt wird.
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