DE3603095C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Kraftwerks zur Stromerzeugung mittels eines kombinierten Gasturbinen-Dampfturbinenprozesses, bei dem eine Turbine mit Brenngas/Luft oder Luft betrieben wird, die verdichtet und mit Rauchgaswärme der Dampfkraftan­ lage aufgeheizt sind und mindestens ein Teil der Sauerstoff enthaltenden Abgase der Gasturbine der Kohlefeuerung der Dampfkraftanlage zugeführt wird.

Das über eine Reihe von Jahren preisgünstig verfügbare Erd­ gas begünstigte wegen seiner verbrennungstechnischen Eigen­ schaften die Entwicklung sogenannter Kombi-Blöcke, bei de­ nen der Joule-Prozeß mit dem Clausius-Rankine-Prozeß gekop­ pelt ist. Diese Koppelung geschieht in der Weise, daß dem Dampfkraftprozeß eine erdgasbefeuerte Gasturbine vorgeschal­ tet wird. Ihre Abgase werden dem Dampferzeuger des Dampf­ kraftprozesses zugeführt und erzeugen dort aus der Abwärme des Gasturbinenprozesses ohne oder mit zusätzlicher Verbren­ nung im nachgeschalteten Dampferzeuger den Dampf für den zugehörigen Dampfkreislauf. So lassen sich die thermodyna­ mischen Vorteile beider Prozesse nutzen und ihre Nachteile vermeiden. Dadurch ergeben sich Wirkungsgrade, die über denen der mit gleichen Zustandsgrößen betriebenen ungekop­ pelten Joule- oder Clausius-Rankine-Prozesse liegen.

Die bei der stöchiometrischen Verbrennung des Gases in der Brennkammer der Gasturbine auftretenden maximalen Tempera­ turen überschreiten die derzeit beherrschbaren Gasturbinen­ eintrittstemperaturen. Eine Herabsetzung der Verbrennungs­ temperatur des Gas-Luft-Gemisches entweder durch Kühlen der Brennkammerwände mit gleichzeitiger Dampferzeugung oder durch Erhöhung des Luftüberschusses in der Brennkammer ist daher unerläßlich.

Wird diese Herabsetzung der Verbrennungstemperatur in der Brennkammer der Gasturbine durch entsprechenden Luftüber­ schuß bewirkt, so enthalten die Abgase der Gasturbine nicht­ gebundenen Sauerstoff; er erlaubt es, in dem der Gasturbine nachgeschalteten Dampferzeuger weiteren Brennstoff zu ver­ brennen.

Mit dieser zusätzlichen Verbrennung lassen sich die in der Feuerung des Dampferzeugers auftretenden Rauchgastemperatu­ ren über die Temperaturen der Abgase der Gasturbine anhe­ ben, was wiederum höhere Dampfparameter für den Dampfkreis­ lauf und damit einen besseren Wirkungsgrad des nachgeschal­ teten Dampfkraftprozesses ermöglicht.

Mit steigender maximal zulässiger Gasturbineneintrittstem­ peratur sinkt jedoch der zur Verminderung der Verbrennungs­ temperatur erforderliche Luftüberschuß und damit auch der Sauerstoffgehalt in den Abgasen der Gasturbine, weil sich die Verbrennung in der Brennkammer der Gasturbine den stö­ chiometrischen Werten nähert. Im gleichen Maß verringert sich aber auch die Möglichkeit, im nachgeschalteten Dampf­ stoff einzusetzen, um so die Rauchgastemperatur über die Temperatur der Abgase der Gasturbine anheben zu können.

Die in neuerer Zeit steigenden Erdgaspreise sind Anlaß für eine Entwicklung, die die Stromerzeugung in thermischen Kraftwerken neben der Kernenergie wieder auf die Kohle als Primärenergieträger ausrichtet, wobei die Vorteile der mit Gas beheizten Kombi-Blöcke auch bei mit Kohle beheizten Kraftwerken in der Bauweise als kombinierte Gasturbinen- Dampfturbinen-Prozesse angestrebt werden.

Eine derartige kombinierte Gasturbinen/Dampfturbinenanlage ist in der Deutschen Offenlegungsschrift 32 24 577 beschrie­ ben. Die für beide Prozesse benötigte Energie wird überwie­ gend oder ausschließlich durch die Verbrennung von Kohlen­ staub in einer aufgeladenen Wirbelschichtfeuerung des Dampf­ erzeugers des Dampfkraftprozesses erzeugt, in der Ver­ dampfer- und Überhitzerheizflächen für den Dampfkraftprozeß sowie Lufterhitzerheizflächen für den Gasturbinenprozeß an­ geordnet sind. Gegebenenfalls kann die Luftverdichtung auch zweistufig mit einer Zwischenkühlung mittels vorgewärmten Speisewassers geschehen. Die Entspannung der heißen Gase erfolgt zweistufig durch eine Heißluft- oder Gasturbine vor der Wirbelschichtfeuerung sowie eine Niedertemperaturgastur­ bine nach der Wirbelschichtfeuerung.

Nachteilig ist bei dieser bekannten Anlage, daß die Luft­ erhitzerheizfläche im Dampferzeuger angeordnet und über druckführende und heißgehende Gaskanäle mit den räumlich zwangsläufig entfernt angeordneten Verdichtern und Turbinen verbunden sind. Dies führt zu einem hohen apparativen und raumbeanspruchenden Aufwand, der dazu noch mit Wirkungs­ gradverlusten behaftet ist.

Aus der Kernreaktortechnik ist es bekannt, ein Flüssigme­ tall wie Natrium als Wärmeträger zu verwenden. So ergibt sich aus der Deutschen Auslegeschrift 19 22 646, daß flüssi­ ges Natrium zum direkten Beheizen eines Dampferzeugers we­ gen der Explosionsgefahr infolge der unbeherrschbaren Natri­ um-Wasser-Reaktionen im Falle eines Rohrbruches gefährlich ist; es wird daher vorgeschlagen, zwei getrennte Kreisläufe zu schaffen, und den ersten Kreislauf mit dem Flüssigmetall zu betreiben, das durch den Kernreaktor geführt und in einen Austauscher geleitet wird, in dem die Wärme des Flüs­ sigmetalls auf ein Gas, beispielsweise Helium, übertragen wird, das im Gegenstrom zur Fließrichtung des Flüssigme­ talls durch den Austauscher hindurch wieder zur Wärmequelle zurückgeleitet wird. Der zweite Kreislauf wird mit dem He­ lium selbst betrieben, das im Anschluß an das Durchströmen des Flüssigmetalls durch ein zusätzliches Metallbad, vor­ zugsweise ein Bleibad, geführt wird, in dem die Wärme des auch diesem Metall gegenüber inerten Gases an in das Me­ tallbad eingetauchten Dampferzeugerheizflächen abgegeben wird, worauf das Gas wiederum durch das Flüssigmetall gelei­ tet wird. Der zweite Heliumkreislauf führt jedoch zu druck­ führenden und heißgehenden Gaskanälen, d.h. zu einem hohen apparativen und raumbeanspruchenden Aufwand, der wiederum mit Wirkungsgradverlusten behaftet ist.

In der Deutschen Offenlegungsschrift 31 48 927 ist eben­ falls eine kombinierte Gasturbinen/Dampfturbinenanlage be­ schrieben, in der Luft zweistufig unter Zwischenkühlung mittels Speisewasser verdichtet wird. Anschließend wird die hochverdichtete Luft durch einen indirekt beheizten Erhit­ zer geleitet, der auch als Verdampfer dient. Im Erhitzer wird Wärme über die Abgase der Gasturbinen und durch Ver­ brennen von Brennstoff zugeführt, dessen Sauerstoffbedarf durch die sauerstoffenthaltenden Abgase gedeckt wird. Vom Erhitzer gelangt die hocherhitzte und hochverdichtete Luft in eine Hochdruckturbine, wird dort entspannt und in einer Brennkammer erneut direkt erhitzt. Die erhitzten Gase wer­ den in einer Niederdruckturbine entspannt, deren Abgase dem Erhitzer und/oder einem Dampferzeuger zugeleitet, der als nachgefeuerter Kessel ausgebildet sein kann. Die Abgase dienen des weiteren dazu, das Kesselspeisewasser vorzuwär­ men.

Dem Dampferzeuger wird somit Wärme aus dem Zwischenkühler zwischen der ersten und zweiten Verdichterstufe und aus den Abgasen der Niederdruckturbine sowie durch zusätzliche Brennstoffverbrennung zugeführt. Des weiteren wird der ver­ dichteten Luft durch einen indirekt befeuerten Erhitzer und in einer Brennkammer Wärme zugeführt. Der Gasturbinenprozeß und der Dampfturbinenprozeß sind demgemäß miteinander gekop­ pelt, und die dem Dampfturbinenprozeß aus dem Gasturbinen­ prozeß zugeführte Wärme wird durch die Abgase der Nie­ derdruckturbine übertragen. Die Abgase besitzen ein niedri­ ges Druckniveau, jedoch eine hohe Temperatur und ein großes Volumen, so daß auch in diesem Fall der apparative Aufwand einschließlich des Raumbedarfs für die heißgehenden Kanäle äußerst hoch ist. Dies ist nachteilig, auch wenn die Anlage einen hohen Wirkungsgrad erreicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Kraftwerks der ein­ gangs erwähnten Art zu schaffen, bei denen ein möglichst hoher Anteil der benötigten Energie durch direktes Verbren­ nen von Kohle und ein möglichst geringer Anteil durch Verbrennen oder gegebenenfalls auch ohne Verbrennung von Brenngas erzeugt und gleichzeitig eine Erhöhung des Wir­ kungsgrades des Kombi-Prozesses erreicht wird. Dabei sollen der apparative Aufwand und der Raumbedarf der Anlage gering sein.

Die Lösung dieser Aufgabe beruht auf dem Gedanken, aus dem Gasturbinenkreislauf und dem Dampfturbinenkreislauf Wärme auszukoppeln und dem anderen Kreislauf unter Zwischenschal­ tung eines bei geringen Drücken bis zu hohen Temperaturen flüssigen Wärmeträgers jeweils dort zuzuführen, wo die Wär­ me aufgrund ihres Temperaturniveaus eine Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades und eine Verminderung des Gasbedarfs der Gasturbinenanlage bewirkt.

Gelöst wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch, daß die verdichtete Luft mehrstufig zunächst durch Dampf aus der Dampfkraftan­ lage und danach durch indirekten Wärmeaustausch mittels eines bei geringen Drücken bis zu hohen Temperaturen flüssi­ gen, im geschlossenen Kreislauf zwischen einem Wärmetau­ scher in den Rauchgasen der Dampfkraftanlage und einem Wärmetauscher vor der Gasturbine strömenden Wärmeträgers erhitzt wird.

Wird der Gasturbine als Brennstoff verdichtetes Brenngas zugeführt, so wird auch dieses Brenngas vorteilhafterweise mehrstufig zunächst mit Dampf und anschließend indirekt mit dem Wärmeträger erhitzt.

Reicht der Sauerstoffgehalt der Gasturbinenabgase für die geforderte Leistung der Dampfkraftanlage nicht aus, kann der Feuerung der Dampfkraftanlage zusätzliche vorgewärmte Luft zugeführt werden, die ebenfalls durch indirekten Wärme­ austausch mittels des Wärmeträgers erhitzt wird.

Gegebenenfalls kann wenigstens eine Teilmenge des Wärmeträ­ gers durch einen Wärmetauscher in den Abgasen der Gasturbi­ ne erhitzt werden.

Durch die Verwendung eines bei geringen Drücken bis zu ho­ hen Temperaturen flüssigen Wärmeträgers läßt sich Wärme hoher Temperatur aus dem Rauchgas der Dampfkraftanlage aus­ koppeln. Diese Wärme dient dazu, die für den Betrieb der Gasturbine erforderliche Luft und/oder das Brenngas auf eine hohe Temperatur vorzuwärmen. Die dazu erforderliche Wärmemenge braucht demgemäß nicht im Kreislauf der Gastur­ bine, d.h. in der Brennkammer durch Verbrennung von Gas, zugeführt zu werden, sondern wird durch die Verbrennung von Kohle in der Feuerung der Dampfkraftanlage gewonnen.

Das gleiche gilt für die mittels Dampf aus der Dampfkraft­ anlage in den Gasturbinenkreislauf eingekoppelte Wärme. In diesem Falle liegen die Temperaturen allerdings niedriger, so daß der Dampf als Wärmeträger in der ersten Stufe einer mehrstufigen Vorwärmung der Luft und des Brenngases einge­ setzt wird, während in der zweiten Stufe der bei geringen Drücken bis zu hohen Temperaturen flüssige Wärmeträger ver­ wendet wird.

Die mit Hilfe des Dampfes und der Rauchgase aus der Dampf­ kraftanlage ausgekoppelte Wärmemenge kann so groß werden, daß eine zusätzliche Wärmezufuhr mittels Verbrennung von Brenngas in der Brennkammer nicht mehr erforderlich ist, so daß die Gasturbine als reine Luftturbine arbeiten kann.

Vorzugsweise wird als bei geringen Drücken bis zu hohen Temperaturen flüssiger Wärmeträger Natrium eingesetzt. Da Natrium bei etwa 100°C flüssig wird und bei Umgebungsdruck erst bei etwa 890°C verdampft, vermag es Wärme innerhalb dieser Temperaturspanne in einem bis auf Reibungsverluste drucklosen Kreislauf zu übertragen, ohne daß eine Phasenän­ derung stattfindet. Darüber hinaus steigt die Sättigungstem­ peratur des Natriums mit steigendem Druck steil an, so daß es auch Wärme mit weit höheren Temperaturen bei verhältnis­ mäßig niedrigem Druck flüssig übertragen kann (z.B. 1000°C bei einem Sättigungsdruck von ca. 2,7 bar). Die anderen Stoffeigenschaften des Natriums, wie seine hohe Wärmeleit­ fähigkeit, hohe Wärmekapazität und geringe Viskosität, ma­ chen es besonders geeignet, Wärme in und aus Gasströmen zu übertragen, wobei sich die Druckverluste des Wärmetauschs in den Gasströmen klein halten und lange Kanäle bzw. Leitun­ gen, die Gas hoher Temperaturen führen, vermeiden lassen. Außer Natrium sind als Wärmeträger Kalium, eine eutektische Legierung von Kalium und Natrium, Quecksilber und verschie­ dene Salze geeignet.

Durch das starke Vorwärmen der der Gasturbine zugeführten Luft und des Brenngases erhöht sich der erforderliche Luft­ überschuß in der Brennkammer und damit der Sauerstoffgehalt in den Abgasen der Gasturbine.

Somit kann mindestens ein Teil der Sauerstoff enthaltenden Abgase der Gasturbine der Feuerung der Dampfkraftanlage zugeführt werden.

Da zudem die Temperatur des Gasturbinen-Abgases nicht durch eine Wärmeabgabe an die Verbrennungsluft der Gasturbine gesenkt wird, ergibt sich durch die höhere Temperatur und zugleich mit einem höheren Sauerstoffgehalt insgesamt eine günstigere Verbrennung in der Feuerung des Dampferzeugers.

Die sehr hohen Temperaturen beim Vorwärmen der Verbrennungs­ luft und des Brenngases für die Gasturbine führen somit zu einer Verringerung der erforderlichen Brenngasmenge und da­ mit, falls dieses Brenngas durch die Vergasung von Kohle gewonnen wird, zu einem geringeren Aufwand für die Kohle­ vergasungsanlage sowie umgekehrt zu einem höheren Brenn­ stoffanteil, der in der Feuerung des Dampferzeugers umge­ setzt wird; sie führen aber auch bei gegebener Ein­ trittstemperatur in die Gasturbine zu einem höheren Luft­ überschuß bei der Verbrennung in der Brennkammer der Gastur­ bine, so daß sich eine Verbesserung der Verbrennung im nach­ geschalteten Dampferzeuger ergibt.

Wegen der Verwendung eines bei geringen Drücken bis zu ho­ hen Temperaturen flüssigen Wärmeträgers, insbesondere Na­ trium, lassen sich die Wärmetauscherflächen klein halten, wodurch die Anlagekosten niedrig bleiben. Außerdem wird so Wärme hoher Temperatur über die in einem Kraftwerk auf­ tretende erhebliche Entfernung zwischen der Dampfkraftanla­ ge und der Gasturbinenanlage bei geringem Druck durch Lei­ tungen geringen Querschnitts transportiert, die sich leicht isolieren lassen, keine großen Wanddicken erfordern und deren Wärmedehnung beherrschbar ist.

Der Natriumerhitzer kann im Rauchgasstrom des Dampferzeu­ gers so angeordnet sein, daß er vor nachteiligen Einwirkun­ gen aus dem Feuerraum hinreichend geschützt ist, während der Feuerraum selbst durch die wassergekühlten Wände des Dampferzeugers geschützt ist.

Wollte man demgegenüber Wärme aus dem Rauchgas des Dampfer­ zeugers durch direkten Wärmetausch auf die Verbrennungsluft und/oder das Brenngas der Gasturbine übertragen, wie dies in der deutschen Offenlegungsschrift 32 24 577 und der deut­ schen Offenlegungsschrift 31 48 927 beschrieben ist, so müßte Rauchgas sehr hoher Temperatur wegen seines Volumens in großen Kanälen zu dem der Brennkammer direkt vorgeschal­ teten Lufterhitzer hin und von ihm zurück zum Rauchgasstrom des Dampferzeugers transportiert werden. Daraus ergäben sich Probleme infolge der Wärmedehnung in heißgehenden Kanä­ len großen Querschnitts infolge der notwendigen Wärmeiso­ lation. Um die Druckverluste beim Hin- und Rücktransport der Rauchgase zu überwinden, müßte der Dampferzeuger mit Überdruck betrieben werden. Der Wärmetransport mittels Rauchgas in die Verbrennungsluft würde daher unwirtschaft­ lich sein.

Der Transport der Verbrennungsluft für die Gasturbine über die in einem Kombi-Kraftwerk heutiger Größe gegebene Entfer­ nung zum Wärmetauscher im Rauchgasstrom des Dampferzeugers ist angesichts der großen Volumenströme noch unwirtschaft­ licher, insbesondere wegen des dabei auftretenden Druckver­ lustes in der Verbrennungsluft und wegen des großen Kanal­ querschnitts. Die Kanäle wären zudem nicht nur heißgehend, sondern ständen auch noch unter dem Verdichterenddruck.

Aber auch wenn die Aufgabe, solche Kanäle anzuwenden, lös­ bar wäre, so ließen sie sich volumenmäßig gar nicht unter­ bringen, da die großvolumigen Kanäle, die das Abgas der Gasturbine zur Feuerung des Dampferzeugers leiten, den ver­ fügbaren Raum bereits ausfüllen.

Große Wärmemengen auf einem hohen Temperaturniveau (z.B. von über 800°C) vom Rauchgas eines Dampferzeugers direkt an die Verbrennungsluft einer Gasturbine zu übertragen, ist demzufolge technisch und wirtschaftlich nicht möglich, son­ dern wird daher erst durch den Einsatz eines bei geringen Drücken bis zu hohen Temperaturen flüssigen Wärmeträgers wie Natrium möglich.

Zusätzlich ergibt sich durch die Verwendung von Natrium als Wärmeträger die Möglichkeit, ohne thermodynamische Verluste Frischluft erwärmt in die Feuerung des Dampferzeugers einzu­ bringen, wenn ein Teilstrom der Abgase aus der Gasturbine dazu dient, Wärme an den Natrium-Kreislauf abzugeben. Die­ ser abgekühlte Teilstrom des Abgases aus der Gasturbine wird dann an der Feuerung des Dampferzeugers vorbei zu den dem Kamin vorgelagerten Rauchgasreinigungsanlagen geführt, während die im Natrium-Kreislauf erwärmte Frischluft sowie der nicht abgekühlte Teilstrom des Abgases aus der Gastur­ bine der Feuerung des Dampferzeugers zugeführt werden. Das Vorwärmen der Luft kann dabei bis auf sehr hohe Temperatu­ ren getrieben werden, ohne daß ein hoher Aufwand für heiß­ gehende Kanäle erforderlich ist, da der Lufterhitzer im Natrium-Kreislauf unmittelbar vor den Brennern der Feuerung des Damperzeugers angeordnet sein kann.

Der vorgeschlagene Kreislauf mit Natrium als Wärmeträger, bietet somit die Möglichkeit, Wärme aus dem Rauchgasstrom des Dampferzeugers sowie aus dem Abgasstrom der Gasturbine mit hohem Temperaturniveau an unterschiedlichen Stellen des Kombi-Kraftwerks verfügbar zu machen.

Schließlich ist es auch möglich, Wärme mit verhältnismäßig niedrigem Temperaturniveau aus dem Gasturbinenprozeß auszu­ koppeln und der Dampfkraftanlage zuzuführen, indem die Luft und/oder das Brenngas für den Gasturbinenprozeß mehrstufig verdichtet und mindestens zwischen zwei Stufen mittels Kon­ densat aus dem Dampfturbinenprozeß rückgekühlt wird. Dieses Kondensat erwärmt sich dabei und gelangt in den Dampf­ turbinenkreislauf zurück, so daß ein Teil der aufzuwenden­ den Verdichterarbeit in Form von Wärme in den Dampfturbi­ nenkreislauf eingekoppelt wird.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens mit einer Gasturbinenanlage, bestehend aus einem rauchgasbeheizten Lufterhitzer zwischen einem Verdichter und einer mit Brenngas/Luft oder Luft betriebenen Turbine und mit einer wenigstens einen Teil der Abgase der mit ei­ nem Generator verbundenen Turbine als Verbrennungsluft auf­ nehmenden Dampfkraftanlage, bestehend aus einem Dampferzeu­ ger mit einem kohlebetriebenen Feuerraum und einer mit ei­ nem Generator verbundenen Dampfturbine, einem Rauchgaswärme­ tauscher in Verbindung mit dem Lufterhitzer weist erfin­ dungsgemäß zwei hintereinandergeschaltete, in der Luftlei­ tung zur Gasturbine angeordnete Lufterhitzer auf, von denen der erste mit Dampf aus der Dampfkraftanlage und der zweite mit einem bei geringen Drücken bis zu hohen Temperaturen flüssigen, in dem Rauchgaswärmetauscher erhitzten, in einem Kreislauf geführten Wärmeträger beaufschlagt wird. Ebenso kann eine solche Hintereinanderschaltung von zwei Brenngas­ erhitzern in der Brenngasleitung zur Brennkammer der Gastur­ bine vorhanden sein, falls gasförmiger Brennstoff für die Gasturbine eingesetzt wird.

Auf diese Weise dient ein Teil des Dampfes, der im Hoch­ druckteil der Dampfturbine bereits Arbeit geleistet hat, dazu, die Verbrennungsluft bzw. das Brenngas vorzuwärmen, wodurch der Wirkungsgrad des Gesamtprozesses auf ähnliche Weise wie durch die Regenerativvorwärmung beim Dampfkreis­ lauf gesteigert wird.

Um die Verdichterarbeit gering zu halten, ist es vorteil­ haft, zwischen einzelnen Verdichterstufen einen Zwischenküh­ ler anzuordnen. Dieser Zwischenkühler wird erfindungsgemäß mittels Kondensat aus dem Dampfturbinenprozeß rückgekühlt, das danach als Speisewasser in die Dampfkraftanlage zurück­ geführt wird. Auf diese Weise läßt sich die Verdichtungswär­ me wenigstens teilweise zum Vorwärmen des Speisewassers einsetzen und somit zurückgewinnen.

Unter bestimmten Voraussetzungen kann es vorteilhaft sein, die Abgase der Gasturbine nicht vollständig in den Feuer­ raum des Dampferzeugers einzusetzen, sondern einen Teil davon für andere Zwecke abzuleiten, aber dennoch die ge­ samte im Abgas der Gasturbine enthaltene Wärme in den Feuer­ raum des Dampferzeugers einzutragen. Dies geschieht vor­ teilhafterweise mit Hilfe eines zwischen einem Frischluft­ gebläse und dem Feuerraum des Dampferzeugers angeordneten, mit dem Wärmeträger beaufschlagten Lufterhitzers. Der vom Abgas der Gasturbine beaufschlagte Erhitzer für den Wärme­ träger ist zu diesem Zweck in einer Teilstromleitung für die Abgase der Gasturbine angeordnet, während eine weitere Teilstromleitung für ungekühlte Abgase der Gasturbine mit dem Feuerraum des Dampferzeugers verbunden ist. Des weite­ ren ist im Kreislauf ein mit dem Feuerraum des Dampferzeu­ gers über eine Leitung verbundener Lufterhitzer für zusätz­ liche Verbrennungsluft angeordnet.

Der Erhitzer für den Wärmeträger im Abgasstrom der Gastur­ bine und der erhitzte Luft in den Feuerraum des Dampferzeu­ gers liefernde Lufterhitzer können entweder in einem ge­ schlossenen getrennten Kreislauf oder aber so angeordnet sein, daß der Erhitzer für den Wärmeträger im Abgasstrom der Gasturbine mit einem Teilstrom des Wärmeträgers beauf­ schlagt wird und mit dem Erhitzer im Rauchgasstrom in Reihe geschaltet ist und daß die Lufterhitzer oder Gaserhitzer im Kreislauf parallel zueinander geschaltet sind.

Im Gegensatz zu früher vorgeschlagenen Wärmekraftprozessen, die beispielsweise mit Quecksilber, Diphenyl oder Anti­ monbromid als Arbeitsmedium betrieben werden sollten, wird in dem hier vorgeschlagenen Verfahren das Natrium nur als Wärmeträger eingesetzt, um Wärme zwischen den herkömmlichen Arbeitsmedien Wasser (Dampf) und Luft bzw. Gas zu transpor­ tieren.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispiels des näheren erläu­ tert. In der Zeichnung zeigen:.

Fig. 1 Das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vor­ richtung und

Fig. 2 ein Temperatur-Entropie-Diagramm des Gasturbinen­ prozesses.

Die Verbrennungsluft für eine Gasturbine 8 wird von einem Verdichter 1 angesaugt. Der Zustand der angesaugten Verbren­ nungsluft ist in Fig. 2 mit a gekennzeichnet. In dieser ersten Verdichterstufe wird die Verbrennungsluft bis b ver­ dichtet, wobei sie sich erwärmt. Die in der ersten Stufe verdichtete Verbrennungsluft gelangt dann in einen mit Kon­ densat aus dem Dampfturbinenkreislauf beaufschlagten Luft­ kühler 2 und wird unter Abgabe der Wärmemenge Q ₄ entspre­ chend der Fläche b, b′, c, c′ an das Kondensat auf die An­ fangstemperatur bzw. den Zustand c zurückgekühlt. In einem Verdichter 3 wird die Verbrennungsluft unter Erwärmen bis d verdichtet und gelangt in einen mit Anzapfdampf aus dem Dampfturbinenprozeß beaufschlagten Lufterhitzer 4, in dem der Verbrennungsluft die Wärmemenge Q ₃ entsprechend der Fläche e, e′, d′, d zugeführt wird. Dabei kondensiert der Anzapfdampf und erwärmt die Verbrennungsluft auf die Satt­ dampftemperatur des Dampfes gemäß e.

Die Wärmemenge Q ₃ entspricht einem Erwärmen der verdichte­ ten Luft von einer Temperatur gemäß d auf eine Temperatur gemäß e, sie braucht demzufolge nicht mehr in der Brennkam­ mer der Gasturbine durch die Verbrennung von Gas zugeführt zu werden; sie wird vielmehr zuvor durch Verbrennen in ei­ nem Dampferzeuger 9 aufgebracht, wodurch sich eine Verschie­ bung des Brennstoffbedarfs im Sinne einer Verminderung des Gasverbrauchs und einer Erhöhung des Kohleverbrauchs ergibt.

Die verdichtete und vorerhitzte Verbrennungsluft strömt durch einen weiteren Lufterhitzer 5, wo ihr die Wärmemen­ ge Q ₂ entsprechend der Fläche f, f′, e′, e zugeführt wird, so daß die Verbrennungsluft den Lufterhitzer 5 mit einer Temperatur gemäß f verläßt.

Die Wärmemenge Q ₂, die für das Erwärmen der verdichteten Luft von e nach f aus dem Dampferzeuger 9 ausgekoppelt wird, läßt sich nicht mehr durch Anzapfdampf übertragen, da dessen Temperatur zu niedrig ist. Stattdessen wird hier ein Arbeitsmedium verwendet, das sehr viel höhere Temperaturen erlaubt. Natrium kann, da seine Siedetemperatur bei Umge­ bungsdruck etwa bei 890°C liegt und darüber hinaus schon bei geringen Drücken steil ansteigt, ohne Phasenänderung Wärme bei sehr hohen Temperaturen an die für den Gas­ turbinenprozeß verdichtete Luft abgeben und deren Tempera­ tur entsprechend erhöhen. Die Stoffeigenschaften des Natri­ ums machen es dabei möglich, die Wärme aus dem Dampferzeu­ ger zum Gasturbinenkreislauf zu transportieren und die Auf­ wendungen und Verluste bei der Wärmeübertragung klein zu halten. Vom Lufterhitzer 5 gelangt die Verbrennungsluft über eine Luftleitung 31 in eine Brennkammer 7.

Das Brenngas der Gasturbine 8 wird parallel zur Verbren­ nungsluft ebenfalls zweistufig mittels Verdichtern 25, 27 und eines dazwischengeschalteten, ebenfalls mit Kondensat gekühlten Gaskühlers 26 verdichtet.

Kondensatpumpen 18 führen das Kondensat von einem Konden­ sator 17 zum Luftkühler 2 und zum Gaskühler 26 sowie von dort zu einem Speisewasservorwärmer 14.

Nach der zweiten Verdichterstufe gelangt das Brenngas über einen mit kondensierendem Anzapfdampf beaufschlagten Brenn­ gaserhitzer 28 und einen mit flüssigem Natrium beaufschlag­ ten Brenngaserhitzer 6 in eine ebenfalls zur Brennkammer 7 führende Brenngasleitung 30. Der Dampf für den Lufterhitzer 4 und den Brenngaserhitzer 28 wird aus der ersten Stufe einer zweistufigen Dampfturbine 11 entnommen und über eine Leitung 24 dem Lufterhitzer 4 und dem Brenngaserhitzer 28 zugeleitet. Gegebenenfalls kann die Anzapfdampfvorwärmung von Luft und Brenngas auch mehrstufig ausgeführt werden. Das Kondensat gelangt aus dem Lufterhitzer 4 und dem Brenn­ gaserhitzer 28 mittels der Kondensatpumpe 43 über die Lei­ tung 42 in die Speisewasserleitung vor der Speisepumpe 20.

In der Brennkammer 7 ergibt sich aus der Verbrennung des Brenngases mit der verdichteten und der erwärmten Verbren­ nungsluft eine Wärmemenge Q ₁ entsprechend der Fläche g, g′, f′, f. Dabei steigt die Temperatur der Verbrennungsgase bis auf g. Die Verbrennungsgase gelangen dann durch eine Abgas­ leitung 32 zur Gasturbine 8, in der sie sich unter Arbeits­ leistung bis zum Punkt h entspannen und abkühlen. Die Gasturbine 8 treibt dabei einen Generator 15 an.

Falls erforderlich, gelangt nur ein Teil der Verbrennungsga­ se aus der Gasturbine 8 in den Feuerraum 23 eines Dampfer­ zeugers 9 über eine Abgasleitung 33, während ein weiterer Teil der Verbrennungsgase über eine Abgasleitung 34, einen Erhitzer 35 für den Wärmeträger und eine Abgasleitung 36 in einen Kamin 29 gelangt. Im Feuerraum 23 wird über Koh­ lenstaubleitungen 44 eingebrachte Kohle verbrannt.

Entsprechend den durch Erwärmung der Luft und des Brennga­ ses vor der Verbrennung in der Brennkammer 7 bereits er­ reichten hohen Temperaturen entsprechend dem Punkt f, muß die Verbrennung in der Brennkammer 7 bei hohem Luftüber­ schuß geschehen, um die zulässige Gasturbineneintrittstempe­ ratur nicht zu überschreiten. Dieser Luftüberschuß bringt einen Sauerstoffüberschuß in den Abgasen der Gasturbine 8 mit sich, die mit einer Temperatur entsprechend h als Ver­ brennungskraft in den Feuerraum 23 des Dampferzeugers 9 ein­ treten.

Der Sauerstoffüberschuß in den Verbrennungsgasen der Gastur­ bine 8 ist bei gleicher Gasturbineneintrittstemperatur also umso höher, je stärker die verdichtete Luft und das Brenn­ gas vorgewärmt werden. Ein höherer Sauerstoffgehalt begün­ stigt aber wiederum die Verbrennung der Kohle im Dampferzeu­ ger 9, gestattet mehr Kohle zu verbrennen und dabei eine größere Menge weniger hochwertiger, unter Umständen für eine Vergasung schlecht geeigneter Kohle einzusetzen.

Dem Feuerraum 23 des Dampferzeugers 9 wird demzufolge mit der Verbrennungsluft aus der Gasturbine 8 eine Wärmemen­ ge Q ₅ entsprechend der Fläche h, h′, a′, a und mit der Koh­ le über die Kohlenstaubleitungen 4 eine Wärmemenge Q ₆ zuge­ führt. Hiervon wird ein Teil, nämlich die Wärmemenge über einen Rauchgaswärmetauscher 10 dem Kreislauf 19 und damit dem Lufterhitzer 5, sowie eine Wärmemenge Q ₂ über den Wärmetauscher 10 und den Kreislauf 19 dem Brenngaserhit­ zer 6 zugeführt. Der aus hochwertigem Material bestehende Rauchgaswärmetauscher bzw. Erhitzer 10 für den Wärmeträger liegt vorzugsweise an einer günstigen Stelle, beispielswei­ se als Berührungsheizfläche im Feuerraum 23 des Dampferhit­ zers 8, während die Wände des Feuerraums 23 wie bei herkömm­ lichen Dampferzeugern wassergekühlt sind. Auf diese Weise lassen sich Wärmeübertragungs- und Feuerungsprobleme sowie Druckverluste vermeiden, die sich beim Bau von Kohle ver­ brennenden Gasturbinenprozessen mit Luft als Arbeitsmedium einstellen.

Der Wärmeträger im Kreislauf 19 nimmt somit im Rauchgas­ strom des Dampferzeugers 9 die Wärmemenge Q ₂ und Q′₂ auf, überträgt sie an die verdichtete Verbrennungsluft und das Brenngas und wärmt beide sehr hoch auf. Diese im Gasturbi­ nenkreislauf Arbeit verrichtenden Wärmemengen Q ₂ und Q′₂ werden in einer herkömmlichen kohlebeheizten Feuerung 23 freigesetzt, sie brauchen demzufolge dem Gasturbinenkreis­ lauf nicht als hochwertiges Brenngas zugeführt zu werden. Ebenso werden die über den dampfbeheizten Lufterhitzer zugeführte Wärmemenge Q ₃ und analog die dem Brenngaserhit­ zer 28 zugeführte Wärmemenge Q′₃ in der kohlebeheizten Feue­ rung 23 des Dampferzeugers 9 freigesetzt. Sie brauchen da­ her auch nicht dem Gasturbinenkreislauf in Form von Brenn­ gas zugeführt zu werden. Somit ist lediglich noch die Wärme­ menge Q ₁ entsprechend der Fläche g, g′, f′, f durch Verbren­ nung von Brenngas in der Brennkammer 7 der Gasturbine 8 aufzubringen, so daß entweder nur wenig teures Erdgas einge­ setzt werden muß oder, falls das Brenngas durch Vergasung von Kohle gewonnen wird, eine wesentlich kleinere und somit auch kostengünstigere Kohlevergasungsanlage ausreicht, als es ohne das Vorwärmen der verdichteten Verbrennungsluft sowie des Brenngases mit Hilfe des Wärmeträgers im Kreis­ lauf und des Anzapfdampfs aus dem Dampfkraftprozeß möglich wäre.

Soll der Sauerstoffgehalt in der Feuerung 23 gesteigert werden, ohne daß ein thermodynamischer Verlust eintritt, so wird über ein Frischluftgebläse 37 Luft durch einen Frisch­ luftvorwärmer 38 und eine Leitung 39 in den Feuerraum 23 des Dampferzeugers 9 gefördert. Der Frischluftvorwärmer 38 liegt ebenfalls im Kreislauf des Wärmeträgers und wird somit durch den im Dampferzeuger 9 angeordneten Erhitzer 10 beheizt, so daß sich die Frischluft bis auf die für die Verbrennung günstigste Temperatur einregeln läßt.

Die Menge des in den Feuerraum 23 des Dampferzeugers 8 ein­ tretenden Abgases aus der Gasturbine 8 läßt sich dadurch herabsetzen und stattdessen teilweise durch Luft ersetzen, daß ein weiterer Erhitzer 35 in Form eines Abgaswärmetau­ schers in die Abgasleitung 34 gschaltet wird. Durch diese Abgasleitung 34 wird ein Teil der Abgase der Gasturbine geleitet und gibt seine Wärme an den Wärmeträger ab. Über die Abgasleitung 36 wird dieser Teil der Turbinenabgase in den Kamin 29 geführt. Um eine niedrige Endtemperatur für diesen Abgasteilstrom zu erreichen, kann der Erhitzer 35 unter Zwischenschaltung einer Umwälzpumpe 40 dem Frisch­ luftvorwärmer 38 nachgeschaltet sein, so daß er an einer Stelle mit niedrigerer Temperatur in den Kreislauf eingebun­ den ist. Eine weitere Umwälzpumpe 41 dient dazu, den Wärme­ träger von den Lufterhitzern 5, 38 und vom Brenngaserhitzer 6 dem Erhitzer 10 zuzuführen.

Wird der kombinierte Gasturbinen-Dampfturbinen-Prozeß so ausgeführt, daß die Gasturbineneintrittstemperatur die Aus­ trittstemperatur am Lufterhitzer 5 nicht übersteigt, so können die Brennkammer 7, der Brenngaserhitzer 6, der Frischluftvorwärmer 38 und der Erhitzer 35 samt den zugehö­ rigen Leitungen entfallen, da sich der Gasturbinenprozeß zu einem Luftturbinenprozeß vereinfacht. Die gesamte Abluft aus der Gasturbine 8 wird dann als Verbrennungsluft im Dampfer­ zeuger 8 eingesetzt; Wärme wird dann nur im Feuerraum 23 des Dampferzeugers 9, beispielsweise aus Kohle, freige­ setzt, wobei die für den Luftturbinenprozeß erforderliche Wärme völlig durch den Kreislauf 19 übertragen wird.

Im Dampferzeuger 8 sind ein Verdampfer 22 und ein Dampfüber­ hitzer 21 angeordnet. Von hier aus strömt der Dampf in die zweistufige Dampfturbine 11, aus deren Hochdruckteil über eineAnzapfdampfentnahme ein Teil des Dampfes entnommen und über eine Leitung 24 dem Lufterhitzer 4 und dem Brenn­ gaserhitzer 28 zugeführt wird. Der Hauptteil des aus der Hochdruckstufe der Dampfturbine 11 austretenden Dampfes ge­ langt über einen Zwischenüberhitzer 13 in einen Mittel- und Niederdruckteil und von dort in einen Kondensator 17. Die Dampfturbine 11 treibt einen Generator 16 an und weist weitere Anzapfungen 12 auf, die zum Speisewasservorwärmen in einer Regenerativvorwärmung, dargestellt durch den Speise­ wasservorwärmer 14, dienen.

Kondensatpumpen 18 führen das Kondensat aus dem Kondensator 17, dem Lufterhitzer 4, dem Brenngaserhitzer 28, dem Luft­ kühler 2, dem Brenngaskühler 26 und dem Speisewasservor­ wärmer 14 zu, von wo es mittels einer Speisewasserpumpe 20 hocherhitzt wieder in den Dampferzeuger 8 gedrückt wird. Das Kondensat aus dem Lufterhitzer 4 und dem Brenngaserhit­ zer 28 wird über die Leitung 42 und die Pumpe 43 wegen sei­ ner höheren Temperatur dem Dampfkreislauf an geeigneter Stelle vor der Speisepumpe 20 zugeführt.

Mit dem Verfahren und der Vorrichtung nach der Erfindung ist eine wesentliche Steigerung des Umwandlungswirkungsgra­ des gegenüber bisherigen Prozessen möglich. Bei kombinier­ ten Gas-Dampfturbinenprozessen mit den Brennstoffen Gas und Kohle läßt sich mit dem Verfahren eine Erhöhung des Kohle­ anteils erreichen. Des weiteren ergibt sich ein kombi­ nierter Gas-Dampfturbinenprozeß ausschließlich auf Basis von Kohle, wobei der größere Teil der erforderlichen Kohle in einer herkömmlichen Feuerung verbrannt wird, während nur der kleinere Teil in einer Kohlevergasungsanlage vergast werden muß. Hieraus ergibt sich eine wesentliche Verklei­ nerung und/oder Vereinfachung der Kohlevergasungsanlage. Der geringere Anlagenumfang, die Verlagerung des erfor­ derlichen Brennstoff auf die gegenüber Erdgas preisgünsti­ gere und mengenmäßig ausreichend vorhandene Kohle und der höhere Wirkungsgrad erlauben eine wirtschaftlichere und we­ gen des geringeren spezifischen Brennstoffeinsatzes auch umweltfreundlichere Prozeßführung bei Kraftwerken.

Claims (13)

1. Verfahren zum Betreiben eines Kraftwerks zur Stromer­ zeugung mittels eines kombinierten Gasturbinen-Dampf­ turbinenprozesses, bei dem eine Turbine mit Brenngas/ Luft oder Luft betrieben wird, die verdichtet und mit Rauchgaswärme der Dampfkraftanlage aufgeheizt sind, und mindestens ein Teil der Sauerstoff enthaltenden Abgase der Gasturbine der Kohlefeuerung der Dampfkraft­ anlage zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die verdichtete Luft mehrstufig zunächst durch Dampf aus der Dampfkraftanlage und danach durch indirekten Wärme­ austausch mittels eines bei geringen Drücken bis zu hohen Temperaturen flüssigen, im geschlossenen Kreis­ lauf zwischen einem Wärmetauscher in den Rauchgasen der Dampfkraftanlage und einem Wärmetauscher vor der Gasturbine strömenden Wärmeträgers erhitzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das der Brennkammer einer Gasturbine zugeführte ver­ dichtete Brenngas mehrstufig mit Dampf und indirekt dem Wärmeträger erhitzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß wenigstens ein Teil der der Kohlefeuerung der Dampfkraftanlage zugeführten Luft durch indirekten Wär­ meaustausch mittels des Wärmeträgers erhitzt wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Teilmenge des Wär­ meträgers durch einen Wärmetauscher in den Abgasen der Gasturbine erhitzt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekenn­ zeichnet durch die Verwendung von Natrium, Kalium, einer eutektischen Legierung von Kalium und Natrium, Quecksilber oder Salzen als Wärmeträger.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft und/oder das Brenngas für den Gasturbinenprozeß mehrstufig verdich­ tet und mindestens zwischen zwei Stufen mittels Konden­ sat aus dem Dampfturbinenprozeß rückgekühlt werden.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1 mit einer Gasturbinenanlage aus einem Lufter­ hitzer zwischen einem Verdichter und einer mit Brenn­ gas/Luft oder Luft betriebenen Turbine und einer min­ destens einen Teil der Abgase der mit einem Generator verbundenen Turbine als Verbrennungsluft aufnehmenden Dampfkraftanlage aus einem Dampferzeuger mit einem koh­ lebetriebenen Feuerraum und einer mit einem Generator verbundenen Dampfturbine und einem Rauchgaswärmetau­ scher, dadurch gekennzeichnet daß ein mit Dampf aus der Dampfkraftanlage (9-11) beaufschlagter Lufterhit­ zer (4) und ein mit einem bei geringen Drücken bis zu hohen Temperaturen flüssigen, in dem Rauchgaswärme­ tauscher (10) erhitzten, in einem Kreislauf (19) ge­ führten Wärmeträger beaufschlagter Lufterhitzer (5) in der Luftleitung (31) hintereinander geschaltet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7 zur Durchführung des Ver­ fahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit Dampf aus der Dampfkraftanlage (9-11) beauf­ schlagter Brenngaserhitzer (28) und ein mit dem bei geringen Drücken bis zu hohen Temperaturen flüssigen, in dem Rauchgaswärmetauscher (10) erhitzten Wärmeträ­ ger beaufschlagter Brenngaserhitzer (6) in der Gaslei­ tung (30) hintereinander geschaltet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch mindestens einen mit Dampf aus der Dampfturbine (11) beaufschlagten Brenngaserhitzer (28).

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, 8 oder 9, gekennzeichnet durch zwischen mindestens zwei Verdichterstufen (1-3; 25-27) geschaltete, mit Kondensat aus der Dampfturbine (11) beaufschlagte Luft- bzw. Gaskühler (2, 26).

11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 10, gekennzeichnet durch einen zwischen einem Frischluftgebläse (37) und dem Feuerraum (23) des Dampferzeugers (9) angeordneten mit dem Wärmeträger beaufschlagten Lufterhitzer (38).

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Abgas der Gasturbine (8) beaufschlagte Erhitzer (35) für den Wärmeträger in einer Teilstrom­ leitung (34, 36) für das Abgas der Gasturbine (8) ange­ ordnet ist, daß eine weitere Teilstromleitung (33) für ungekühltes Abgas der Gasturbine (8) mit dem Feuerraum (23) des Dampferzeugers (9) verbunden ist und daß im Kreislauf (19) ein mit dem Feuerraum (23) des Dampfer­ zeugers (9) über eine Leitung (39) verbundener Lufter­ hitzer (38) für zusätzliche Verbrennungsluft angeord­ net ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Erhitzer (35) für den Wärmeträger ausgangssei­ tig mit dem Rauchgaswärmetauscher (10) verbunden ist und die Lufterhitzer (5, 38) sowie der Brenngaserhitzer (6) im Wärmeträgerkreislauf (19) parallel geschaltet sind.