DE19961385A1

DE19961385A1 - Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage

Info

Publication number: DE19961385A1
Application number: DE1999161385
Authority: DE
Inventors: Hans Ulrich Frutschi
Original assignee: Alstom Power Schweiz AG
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1999-12-20
Filing date: 1999-12-20
Publication date: 2001-06-21
Also published as: GB0031116D0; GB2357551A

Abstract

Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage, im wesentlichen bestehend aus einer Gasturbogruppe, einem der Gasturbogruppe nachgeschalteten Abhitzedampferzeuger (5), einem dem Abhitzedampferzeuger (5) nachgeschalteten Dampfkreislauf, wobei die Gasturbogruppe aus einem Verdichter (1), einer Brennkammer (2), einer Gasturbine (3), einem Kühlluftrückkühler (4), welcher verdichtete Luft (15) des Verdichters (1) vor der Zuführung der Gasturbine (3) als Kühlluft (17) kühlt, und einem Generator (8) oder einer Last besteht, wobei die Abgase aus der Gasturbine (3) den Abhitzedampferzeuger (5) durchströmen, in welchem die Erzeugung von Dampf zum Betreiben mindestens einer zum Dampfkreislauf gehörenden Dampfturbine (7) bewerkstelligt wird, und einer mit dem Abhitzedampferzeuger (5) verbundenen Dampftrommel (6), dadurch gekennzeichnet, dass Sattdampf aus der Dampftrommel (6) in dem Kühlluftrückkühler (4) überhitzt wird und der Kraftwerksanlage an Dampf- (7) oder Gasturbine (3) zugeführt wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET

Bei der Erfindung handelt es sich um ein Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

STAND DER TECHNIK

Bei einer Kraftwerksanlage, welche aus einer Gasturbogruppe, einem nachgeschalteten Abhitzedampferzeuger und einem anschliessenden Dampfkreislauf besteht, ist es zur Erzielung eines Maximums an Wirkungsgrad vorteilhaft, im Dampfkreislauf einen überkritischen Dampfprozess vorzusehen. Üblicherweise wird zwischen dem Verdichter und der Gasturbine ein Kühlluftrückkühler angeordnet, welcher die im Verdichter verdichtete Luft kühlt, bevor sie der Gasturbine als Kühlluft zugeführt wird. Bis heute ist es allgemein üblich, diesen Kühlluftrückkühler mit Wasser zu betreiben. Dies weist aber den Nachteil auf, dass zwischen der zu kühlenden Luft und dem Wasser ein Temperatursprung entsteht, da der Verdampfungsvorgang isotherm ist. Dies stellt einen erheblichen exergetischen Nachteil dar.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Ziel der Erfindung ist es, die oben genannten Nachteile zu überwinden und ein Verfahren zum Betreiben einer Kraftwerksanlage zu schaffen, welcher sich durch einen verbesserten Wirkungsgrad bzw. durch eine Leistungssteigerung auszeichnet.

Erfindungsgemäss wird dies mit einem Verfahren des Anspruchs 1 dadurch erreicht, dass Sattdampf aus der Verdampfertrommel in dem Kühlluftrückkühler überhitzt wird und der Kraftwerksanlage an geeigneter Stelle, vorzugsweise der Dampfturbine oder der Brennkammer der Gasturbine, zusammen mit der verdichteten Luft zugeführt wird.

Der Einsatz von Sattdampf im Kühlluftrückkühler hat den Vorteil, dass ein exergetisch ungünstiger Temperatursprung zwischen der Kühlluft und dem aufzuheizenden Dampf verhindert wird. Dieser trat bisher bei dem Einsatz von Wasser auf, da der Verdampfervorgang isotherm ist. Vorteilhaft wird der Kühlluftrückkühler im Gegenstrom zur Kühlluft betrieben.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schaltung einer erfindungsgemässen Gas- und Dampf-Kombianlage mit Überhitzung von Dampf im Kühlluftrückkühler der Gasturbine und anschliessender Einspeisung des überhitzten Dampfes in die Dampfturbine und

Fig. 2 eine schematische Schaltung einer erfindungsgemässen Gas- und Dampf-Kombianlage mit Überhitzung von Dampf im Kühlluftrückkühler der Gasturbine und anschliessender Einspeisung des überhitzten Dampfes in die verdichtete Luft vor dem Brenner der Gasturbine.

Es sind nur die für die Erfindung wesentlichen Elemente dargestellt. Gleiche Elemente werden in verschiedenen Zeichnungen gleich bezeichnet.

WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Fig. 1 zeigt eine Kraftwerksanlage, welche aus einer Gasturbogruppe, einem der Gasturbogruppe nachgeschalteten Abhitzedampferzeuger, und einem diesem Abhitzedampferzeuger nachgeschalteten Dampfkreislauf besteht. Die vorliegende Gasturbogruppe ist mit einer einzelnen Gasturbine ausgestattet, die Erfindung ist aber darauf nicht limitiert, auch eine Anwendung einer Gasturbogruppe mit einer sogenannten sequentiellen Verbrennung ist denkbar. Die vorliegende Gasturbogruppe besteht aus einem Verdichter 1, einer dem Verdichter 1 nachgeschalteten Brennkammer 2 und einer dieser Brennkammer 2 nachgeschalteten Gasturbine 3. Vom Verdichter 1 wird verdichtete Luft 15 über einen Kühlluftrückkühler 4 geführt, dabei abgekühlt und der Gasturbine 3 als Kühlluft 17 zugeführt. Verdichter 1 und Gasturbine 3 weisen eine gemeinsame Welle 12 auf, an welcher ein Generator 8, welcher auch als Anlassmotor dienen kann, oder eine andere Last angeschlossen ist. Diese Welle 12 ist vorzugsweise auf zwei in der Fig. 1 nicht näher ersichtlichen Lagern gelagert, welche vorzugsweise kopfseitig des Verdichters 1 und stromab der Gasturbine 3 plaziert sind. Angesaugte Luft 13 wird im Verdichter 1 komprimiert und ein Teil strömt dann als verdichtete Luft 14 in ein nicht näher gezeigtes Gehäuse. In diesem Gehäuse ist auch die Brennkammer 2 untergebracht, welche vorzugsweise als zusammenhängende Ringbrennkammer ausgebildet ist. Selbstverständlich kann die verdichtete Luft 14 zur Brennkammer 2 auch aus einer nicht gezeigten Luftspeicheranlage beigestellt werden. Die Brennkammer 2 weist kopfseitig, auf den Umfang verteilt, eine Anzahl von nicht näher gezeigten Brennern auf, welche vorzugsweise als Vormischbrenner ausgelegt sind. An sich können hier auch Diffusionsbrenner zum Einsatz gelangen. Im Sinne einer Reduzierung der Schadstoff-Emissionen aus dieser Verbrennung, insbesondere was die NO_x-Emissionen betrifft, ist es vorteilhaft, eine Anordnung von Vormischbrennern gemäss EP-PS-0 321 809 vorzusehen, wobei der Erfindungsgegenstand aus der genannten Druckschrift integraler Bestandteil dieser Beschreibung ist, darüber hinaus auch die dort beschriebene Art der Zuführung eines Brennstoffes 16. Was die Anordnung der Vormischbrenner in Umfangsrichtung der Brennkammer 2 anbelangt, so kann eine solche bei Bedarf von der üblichen Konfiguration gleicher Brenner abweichen, und stattdessen können unterschiedlich grosse Vormischbrenner zum Einsatz kommen. Dies geschieht vorzugsweise so, dass jeweils zwischen zwei grossen Vormischbrennern ein kleiner Vormischbrenner gleicher Konfiguration disponiert ist. Die grossen Vormischbrenner, welche die Funktion von Hauptbrennern zu erfüllen haben, stehen zu den kleinen Vormischbrennern, welche die Pilotbrenner dieser Brennkammer 2 sind, bezüglich der sie durchströmenden Brennerluft, also der verdichteten Luft 14 aus dem Verdichter 1, in einem Grössenverhältnis zueinander, das fallweise festgelegt wird. Im gesamten Lastbereich der Brennkammer 2 arbeiten die Pilotbrenner als selbstgängige Vormischbrenner, wobei die Luftzahl fast konstant bleibt. Die Zu- oder Abschaltung der Hauptbrenner erfolgt nach bestimmten anlagespezifischen Vorgaben. Weil die Pilotbrenner im ganzen Lastbereich bei idealem Gemisch gefahren werden können, sind die NO_x- Emissionen auch bei Teillast sehr gering. Bei einer solchen Konstellation kommen die umlaufenden Stromlinien im Frontbereich der Brennkammer 2 sehr nahe an die Wirbelzentren der Pilotbrenner heran, so dass eine Zündung an sich nur mit diesen Pilotbrennern möglich ist. Beim Hochfahren wird die Brennstoffmenge, die über die Pilotbrenner zugeführt wird, soweit gesteigert, bis diese ausgesteuert sind, d. h. bis die volle Brennstoffmenge zur Verfügung steht. Die Konfiguration wird so gewählt, dass dieser Punkt der jeweiligen Lastabwurfbedingungen der Gasturbogruppe entspricht. Die weitere Leistungssteigerung erfolgt dann über die Hauptbrenner. Bei der Spitzenlast der Gasturbogruppe sind sonach auch die Hauptbrenner voll ausgesteuert. Weil die durch die Pilotbrenner initiierte Konfiguration "kleiner" heisser Wirbelzentren zwischen den von den Hauptbrennern stammenden "grossen" kühleren Wirbelzentren extrem instabil ausfällt, wird auch bei mager betriebenen Hauptbrennern im Teillastbereich ein sehr guter Ausbrand mit zusätzlich zu den niedrigen NO_x-Emissionen niedrigen CO- und UHC-Emissionen erreicht, d. h. die heissen Wirbel der Pilotbrenner dringen sofort in die kleinen Wirbel der Hauptbrenner ein. Selbstverständlich kann die Brennkammer 2 aus einer Anzahl einzelner rohrförmiger Brennräume bestehen, welche ebenfalls schrägringförmig, bisweilen auch schraubenförmig, um die Rotorachse angeordnet sind. Diese Brennkammer 2, unabhängig von ihrer Auslegung, wird und kann geometrisch so angeordnet werden, dass sie auf die Rotorlänge praktisch keinen Einfluss ausübt. Die in Fig. 1 nicht ersichtliche Bereitstellung des zum Betrieb der Brennkammer 2 notwendigen Brennstoffes kann beispielsweise durch eine mit der Gasturbogruppe zusammenwirkende Kohlenvergasung bewerkstelligt werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, den zum Einsatz gelangenden Brennstoff aus einem Primärnetz zu beziehen. Wird die Versorgung eines gasförmigen Brennstoffes zum Betrieb der Gasturbogruppe über eine Pipeline bereitgestellt, so kann das Potential aus der Druck- und/oder Temperaturdifferenz zwischen Primärnetz und Verbrauchernetz für die Belange der Gasturbogruppe oder allgemein der Schaltung rekuperiert werden.

Nach Entspannung in der Gasturbine 3 durchströmen die noch mit einem hohen kalorischen Potential versehenen Abgase 19 einen Abhitzedampferzeuger 5, in welchem in Wärmetauschverfahren Dampf erzeugt wird, der dann das Arbeitsmedium des nachgeschalteten Dampfkreislaufes bildet. Die kalorisch ausgenutzten Abgase strömen anschliessend als Rauchgase 20 ins Freie.

Der Abhitzedampferzeuger 5 weist einen Economizer 24, einen Verdampfer 25 und einen Überhitzer 26 auf. Der Economizer 24 ist mit einer Dampftrommel 6 verbunden, welche den Verdampfer 25 speist und den im Verdampfer 25 erzeugten Dampf aufnimmt, um ihn an den Überhitzer 26 weiterzuleiten. Der im Überhitzer 26 erzeugte Dampf wird über eine Frischdampfleitung 27 zu einer Dampfturbine 7 geleitet. Die Dampfturbine 7 ist über eine Welle 12a mit einem Generator 9 oder einer anderen Last verbunden. Es ist auch denkbar, Gasturbine 3 und Dampfturbine 7 gemeinsam auf einer Welle zu lagern und an diese Welle einen gemeinsamen Generator anzuschliessen. Nach der Dampfturbine 7 schliesst sich über eine Abdampfleitung 21 ein Kondensator 10 an. Der Kondensator 10 wird mit einem Kühlungsmedium 22 gespeist. Der Kondensator 10 ist über eine Leitung 23 und eine Pumpe 11 mit dem Economizer 24 verbunden.

Erfindungsgemäss, wie es in der Fig. 1 dargestellt ist, hat es sich bei einer solchen Kombianlage als exergetisch vorteilhaft erwiesen, nicht, wie aus dem Stand der Technik bekannt, Wasser im Kühlluftrückkühler 4 zu erwärmen, sondern stattdessen Dampf nahe dem Sättigungspunkt zu verwenden. Dieser Dampf, welcher durch Economizer 24 und Verdampfer 25 erzeugt worden ist, wird der Dampftrommel 6 entnommen und über die Leitung 28 dem Kühlluftrückkühler 4 zugeführt. Als besonders günstig hat es sich erwiesen, den Kühlluftrückkühler 4 im Gegenstrom zur Kühlluft 17 zu betreiben. Der überhitzte Dampf nach dem Kühlluftrückkühler 4 kann an verschiedenen Stellen der Kraftwerksanlage zur Verwendung gelangen. In der Fig. 1 wird der überhitze Dampf an geeigneter Stelle der Dampfturbine 7 über die Leitung 29 zugeführt.

Zur Leistungssteigerung der Gasturbine 3 ist es aber auch denkbar, den im Kühlluftrückkühler 4 erzeugte Dampf zusammen mit der verdichteten Luft 14 der Brennkammer 2 über die Leitung 30 zuzuführen. Diese Schaltungsvariante ist in der Fig. 2 illustriert. Der Wasserverbrauch für die Einspritzung in die Brennkammer 2 in die Gasturbine 3 wird durch eine Wasserzufuhr 31 kompensiert.

Der Einsatz von Sattdampf im Kühlluftrückkühler hat den Vorteil, dass ein exergetisch ungünstiger Temperatursprung zwischen der Kühlluft und dem zu verdampfenden Wasser - wie bisher im Stand der Technik durch den Einsatz von Wasser - verhindert wird. Dieser trat bisher bei dem Einsatz von Wasser auf, da der Verdampfungsvorgang isotherm ist.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

Verdichter

2

Brennkammer

3

Gasturbine

4

Kühlluftrückkühler

5

Abhitzedampferzeuger

6

Dampftrommel

7

Dampfturbine

8

Generator

9

Generator

10

Kondensator

11

Pumpe

12

,

12

a Welle

13

Zu verdichtende Luft vor Verdichter

1

14

Verdichtete Luft vor Brennkammer

2

15

Verdichtete Luft vor Kühlluftrückkühler

4

16

Brennstoffzufuhr

17

Kühlluft von Gasturbine

3

18

Heissgase

19

Abgase

20

Rauchgase

21

Abdampfleitung

22

Kühlungsmedium für Kondensator

10

23

Leitung

24

Economizer

25

Verdampfer

26

Überhitzer

27

Frischdampfleitung

28

Leitung für Kühldampfentnahme

29

Leitung vom Kühlluftrückkühler

4

zur Dampfturbine

7

30

Leitung vom Kühlluftrückkühler

4

zur Brennkammer

2

31

Wasserzufuhr

Claims

1. Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage, im wesentlichen bestehend aus einer Gasturbogruppe, einem der Gasturbogruppe nachgeschalteten Abhitzedampferzeuger (5), einem dem Abhitzedampferzeuger (5) nachgeschalteten Dampfkreislauf, wobei die Gasturbogruppe aus einem Verdichter (1), einer Brennkammer (2), einer Gasturbine (3), einem Kühlluftrückkühler (4), welcher verdichtete Luft (15) des Verdichters (1) vor der Zuführung in die Gasturbine (3) als Kühlluft (17) kühlt, und einem Generator (8) oder einer Last besteht, wobei die Abgase aus der Gasturbine (3) den Abhitzedampferzeuger (5) durchströmen, in welchem die Erzeugung von Dampf zum Betreiben mindestens einer zum Dampfkreislauf gehörenden Dampfturbine (7) bewerkstelligt wird, und einer mit dem Abhitzedampferzeuger (5) verbundenen Dampftrommel (6), dadurch gekennzeichnet, dass Sattdampf aus der Dampftrommel (6) in dem Kühlluftrückkühler (4) überhitzt wird und der Kraftwerksanlage an geeigneter Stelle zugeführt wird.

2. Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage nach den Ansprüchen 1, dadurch gekennzeichnet, dass der im Kühlluftrückkühler (4) überhitzte Dampf der Dampfturbine (7) an geeigneter Stelle zugeführt wird.

3. Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage nach den Ansprüchen 1, dadurch gekennzeichnet, dass der im Kühlluftrückkühler (4) überhitzte Dampf der Brennerkammer (2) der Gasturbine (3) zusammen mit der verdichteten Luft des Verdichters (1) zugeführt wird.

4. Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage nach den Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der überhitzte Dampf der Dampftrommel (6) im Kühlluftrückkühler (4) im Gegenstrom zu der Kühlluft (17) der Gasturbine (3) geführt wird.