DE3833832A1

DE3833832A1 - Verfahren zum betreiben einer waerme-kraft-anlage

Info

Publication number: DE3833832A1
Application number: DE3833832A
Authority: DE
Inventors: Fritz Dr Ing Richarts
Original assignee: Krantz GmbH
Current assignee: Krantz GmbH
Priority date: 1988-10-05
Filing date: 1988-10-05
Publication date: 1990-04-12

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Wärme- Kraft-Anlage mit einer einen Generator antreibenden Gasturbine, der über einen von ihr gleichfalls angetriebenen Verdichter und eine mit gasförmigen oder flüssigen Brennstoffen betriebene Brennkammer erhitzte Luft zugeführt wird. Diese beaufschlagt als Abgas nach dem Verlassen der Gasturbine mindestens einen Wärmetauscher einer Fernwärmeanlage.

Derartige Verfahren sind allgemein bekannt und dienen dazu, die in der industriellen und kommunalen Energieversorgung in zunehmendem Umfange benötigten Wärme-Kraft-Anlagen zu betreiben, in denen Wärme und Strom erzeugt wird. Da die allgemeine energiewirtschaftliche Lage gekennzeichnet ist durch

- ein unverändert hohes Strompreisniveau,
- ein niedriges Öl- und Gaspreisniveau,
- zunehmende Anforderungen des Umweltschutzes, die vor allem zu einer Verdrängung von Kohle aus dem Wärmemarkt führen,

ergibt sich auch im Leistungsbereich unter zehn Megawatt (elektrisch) ein zunehmender Bedarf derartiger Anlagen. Aufgrund ihrer thermodynamischen und konstruktiven Besonderheiten kommen dabei immer häufiger Gasturbinen zum Einsatz. Einerseits verdrangen diese alte, erneuerungsbedürftige Kohleanlagen mit der Konsequenz, daß die neue Infrastruktur dem gegenüber den 50er und 60er Jahren veränderten Energiebedarfsprofil gerade ideal angepaßt werden kann, während ein Heizkraftwerk auf Kohlebasis, das zur Zeit nur als Dampfkraftanlage realisiert werden kann, dies nicht ermöglicht. Andererseits erlauben Gasturbinen mit dem Vorteil der Kraft-Wärme-Kopplung in der kommunalen Wärmeversorgung durch die damit erzielbaren stromwirtschaftlichen Erträge ein Wärmepreisniveau, das den Fernwärmeanlagen zu der Wettbewerbsfähigkeit verhilft, die für deren weiteren Ausbau erforderlich ist. In der kommunalen Versorgung zeichnet sich aus ökologischen Gründen ein starker Trend zur Fernwärmeversorgung ab. Der Hauptwiderstand gegen die Fernwärme lag bisher in den hohen Gesamtkosten. Mit Hilfe der Kraft-Wärme-Kopplung wird dieser Widerstand abgebaut. In einer Vielzahl von Bedarfsfällen kann die Gasturbine die bislang im Bereich von 1 bis 10 MW_el bestehende technologische Lücke schließen.

Der zunehmende Einsatz von Gasturbinen in dem industriellen und kommunalen Wärmemarkt bedeutet jedoch auch, daß diese Sparte des Energieverbrauchs einseitig auf die Primärenergiearten Öl und Gas festgelegt wird. Dies gilt ganz besonders für Anlagen mit einer elektrischen Leistung von 1 bis 10 MW. Nur im Bereich größerer Leistungen wird versuchsweise Kohle in Verbindung mit Gasturbinenanlagen eingesetzt. Darüber hinaus wurde bisher lediglich auf dem Umweg über die Kohleveredelung (Verflüssigung und Vergasung) versucht, den Einsatz der Kohle in Gasturbinen dennoch zu ermöglichen. Selbst wenn alle diese Entwicklungslinien erfolgreich abgeschlossen werden, bieten diese Verfahren keine Lösung, im Bereich kleiner Anlagen unter 10 MW_el den Einsatz von Kohle in Anlagen der Kraft-Wärme-Kopplung zu ermöglichen.

Ähnlich verhält es sich mit der stromwirtschaftlichen Nutzung von heißen Abgasen. Bisher hat man mit geringem Erfolg versucht, Abgaswärmeströme mit einem Energiegehalt von zehn Megawatt oder weniger in Dampfkraftwerken zur Stromerzeugung heranzuziehen, indem die heißen Abgase durch einen Wärmetauscher geleitet wurden, der sekundärseitig hochgespannten und überhitzten Dampf erzeugt, welcher in einer Turbine entspannt wurde. Wegen der geringen Wärmeleistung und den unverhältnismäßig teuren Maschinen und Anlagen lohnt eine solche Abwärmenutzung nicht. Gelingt es jedoch, die Hochtemperaturwärme in eine Gasturbine einzukoppeln, so können mit einer derartigen Anlage zwei Ziele gleichzeitig erreicht werden, nämlich:

- Stromerzeugung aus Abwärme, Substitution fossiler Brennstoffe durch Abwärme,
- Restwärmenutzung der Abgase zur Versorgung von Wärmeverbrauchern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art die Möglichkeit zu schaffen, neben den Primärenergiearten Öl und Gas auch feste Brennstoffe sowie Abwärme aus Hochtemperaturprozessen zum Antrieb von Gasturbinen einzusetzen. Dabei sollen Gas und Öl nicht vollständig durch Kohle oder heiße Abgase substituiert, sondern vorzugsweise nur in verringertem Umfange eingesetzt werden. Insbesondere wird angestrebt, den Grundlastbedarf durch feste Brennstoffe, z.B. Kohle, oder durch die Wärme aus heißen Abgasen zu decken. Es soll nur gerade soviel Gas oder Öl dazu eingesetzt werden, wie für eine optimale Betriebsweise und einen möglichst hohen Wirkungsgrad der Anlage erforderlich ist. Natürlich soll das Verfahren auch den Fall einer 100%igen Festbrennstoff- oder Abwärmeversorgung der Gasturbine als Grenzfall nicht völlig ausschließen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird von einem Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten gattungsgemäßen Art ausgegangen, welches erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil desselben angegebenen Verfahrensschritte aufweist.

Weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 6.

In der Zeichnung ist die Funktionsweise einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betriebenen Gasturbine mit partieller Beheizung aus Festbrennstoffen oder Hochtemperaturabwärme schematisch dargestellt und im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine konventionelle Gasturbinenanlage mit 100% Öl- oder Gasversorgung;

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Gasturbinenanlage;

Fig. 3 eine Gasturbinenanlage gemäß Fig. 2 bei Verwendung der Gasturbinenabgase;

Fig. 4 eine Gasturbinenanlage gemäß Fig. 2 mit einer den Gasturbinenwirkungsgrad verbessernden Zwischenkühlung und Zwischenerhitzung;

Fig. 5 eine Gasturbinenanlage gemäß Fig. 4 mit zu einem Bauteil zusammengefaßten Lufterhitzern.

Die in den Figuren der Zeichnung eingetragenen Positionszahien stehen jeweils übereinstimmend für folgende Anlagenteile:

1 Generator 1
1′ Generator 2
2 Verdichter 1
2′ Verdichter 2
3 Turbine 1
3′ Turbine 2
4 Brennkammer 1
4′ Brennkammer 2
5 Abhitzekessel 1
5′ Abhitzekessel 2
6 Lufterhitzer 1
6′ Lufterhitzer 2
7 Zwischenkühler 1
7′ Zwischenkühler 2
8 Zusatzkühler

Die Gasturbinenanlage gemäß Fig. 1 besteht in konventioneller Weise aus einem Verdichter 2, einer Brennkammer 4 und einer Turbine 3, die bei Industrieturbinen zusätzlich zum Verdichter 2 einen Generator 1 antreibt. Dazu sind der Verdichter 2 und die Turbine 3 auf einer gemeinsamen Welle angeordnet. Die aus der Turbine 3 austretenden heißen Abgase werden in einem Abhitzekessel 5 abgekühlt. Dabei wird Dampf oder Heißwasser erzeugt, mit dem nicht dargestellte Wärmeverbraucher versorgt werden können.

Im Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 2 besteht die Gasturbinenanlage aus den gleichen Grundkomponenten wie die gemäß Fig. 1. Hinzugefügt ist ein Lufterhitzer 6, der zwischen dem Verdichter 2 und der Brennkammer 4 in den Luftstrom eingefügt ist. Durch den Lufterhitzer 6 erhöht sich die Lufttemperatur auf dem Weg vom Verdichter 2 zur Brennkammer 4. Hierdurch vermindert sich der Brennstoffbedarf der Brennkammer 4. Eine Verbesserung der Energieausnutzung ergibt sich durch den mit 5′ bezeichneten Abhitzekessel 2, der zur weiteren Abkühlung der Abgase aus dem Lufterhitzer 6 eingesetzt wird.

Ein Vergleich der Verfahren, mit denen eine 3-Megawatt-Gasturbinenanlage gemäß den Fig. 1 und 2 betrieben wird, ergibt sich aus der nachfolgenden Tabelle:

Tabelle 1

Nach dem in Fig. 3 dargestellten Schaltschema wird der Lufterhitzer 6, der vor die Brennkammer 4 geschaltet ist, mit Festbrennstoffen beheizt, wobei für diese Feuerung ein Verbrennungsluftstrom benötigt wird. Hierfür werden die einen hohen O₂-Gehalt aufweisenden Abgase der Gasturbine 3 eingesetzt. Diese haben einen O₂-Gehalt von 18 bis 20% und hinter dem Abhitzekessel eine Temperatur von rund 130 bis 160°C. Hierdurch wird der Gesamtwirkungsgrad der Gasturbinenanlage verbessert, indem die Abgasverluste durch Wiederverwendung der Turbinenabgase vermindert werden.

Ein an sich bekanntes Verfahren der Wirkungsgradverbesserung von Gasturbinenanlagen besteht darin, die Verdichtung mit einer Zwischenkühlung und die Entspannung mit einer Zwischenerhitzung zu versehen. In Anwendung auf das erfindungsgemäße Verfahren wird gemäß dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel die Vorerwärmung und die Zwischenerwärmung in jeweils zwei Stufen durchgeführt. Dabei erfolgt die erste Stufe der Erwärmung in einem externen, mit Festbrennstoffen oder mit heißen Abgasen beheizten Lufterhitzer 6 entsprechend dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2. Die Restaufwärmung findet sodann in den mit innerer Verbrennung von Öl oder Gas beheizten Brennkammern 4, 4′ der jeweiligen Turbinengruppe 3 bzw. 3′ statt.

Für die Gestaltung der Lufterhitzer 6, 6′ in mehrstufigen Gasturbinenanlagen gemäß dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ergibt sich auch die Möglichkeit, statt der in getrennten Bauteilen verkörperten Lufterhitzer 6, 6′ diese in einem Bauteil zusammenzufassen, wie Fig. 5 zeigt. Diese Ausführungsart ist vor allem dann von Vorteil, wenn die Anlage mit Festbrennstoffen beheizt wird und dadurch die Technik der Brennstoffzufuhr und der Abgasentsorgung wesentlich vereinfacht werden kann. Der Lufterhitzer 6, 6′ verfügt dann über zwei getrennte Heizflächengruppen, die sekundärseitig von zwei Luftströmen mit unterschiedlichem Druckniveau, z.B. 6 bar und 35 bar, durchströmt werden.

Thermodynamisch ergeben sich zwischen den Anlagen nach den Ausführungsbeispielen der Fig. 4 und 5 keine merklichen Unterschiede. Die thermodynamischen und energetischen Kennwerte der Anlage mit Zwischenkühlung und Zwischenerwärmung weist die nachfolgende Tabelle aus:

Tabelle 2

Claims

1. Verfahren zum Betreiben einer Wärme-Kraft-Anlage mit einer einen Generator antreibenden Gasturbine, der über einen von ihr gleichfalls angetriebenen Verdichter und eine mit gasförmigen oder flüssigen Brennstoffen betriebene Brennkammer erhitzte Luft zugeführt wird, die als Abgas nach dem Verlassen der Gasturbine mindestens einen Wärmetauscher einer Fernwärmeanlage beaufschlagt, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft nach dem Verlassen des Verdichters und vor dem Eintritt in die Brennkammer durch einen mit festen Brennstoffen oder heißen Abgasen aus einer externen Anlage betriebenen Lufterhitzer vorerhitzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem mit festen Brennstoffen betriebenen Lufterhitzer die Abgase der Gasturbine mindestens teilweise als Verbrennungsluft dem Lufterhitzer zugeleitet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den Lufterhitzer verlassenden primärseitigen Abgase mit einer Temperatur von 30-50°C über der Verdichteraustrittstemperatur in einem nachgeschalteten Abhitzekessel bis kurz oberhalb des Taupunktes der Abgase, vorzugsweise auf 180°C, abgekühlt werden und die Wärme an einen Dampf-, Heißwasser- oder Thermoöl-Kreislauf abgegeben wird.

4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem mit festem Brennstoff betriebenen Lufterhitzer diesem Verbrennungsluft aus der Gasturbine zugeleitet wird, deren Abgastemperatur hinter dem Abhitzekessel erheblich über der Umgebungstemperatur liegt und einen O₂-Gehalt von 18-20% hat.

5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine mehrstufig ausgebildete Gasturbinenanlage zum Einsatz kommt und bei der Verdichtung über einen oder mehrere Zwischenkühler deren Kühlenergie mindestens teilweise einem Wärmeverbraucher zugeführt wird.

6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannung der Abgase mit mindestens einer Zwischenerwärmung erfolgt, die in zwei Stufen unterteilt ist, wobei die erste Stufe der Erwärmung in dem Lufterhitzer erfolgt und die zweite Stufe der Erwärmung in der Brennkammer der Gasturbine als innere Verbrennung vorgenommen wird.