-
Die
vorliegende Erfindung betrifft Gasturbinenkreisprozesse, in denen
ein System aus gekühlter
Kühlluft
(Cooled Cooling Air, CCA) zum Einsatz kommt, um heiße Verdichterluft
zu kühlen,
die zum Kühlen
von Turbinen- oder Verdichterteilen abgeführt wird.
-
In
modernen, hocheffizienten Gasturbinenkreisprozessen wird heiße Verdichterluft
zum Kühlen von
Verdichter- und Turbinenteilen abgeführt. Zuverlässigkeitsbedenken, Regelungsschwierigkeiten
und die hohen Kosten aktueller CCA-Systeme haben es ersichtlich
werden lassen, dass ein Bedarf an einem verbesserten CCA-Systementwurf
besteht. Eine für Kraftwerke
vorgesehene Kühlluft-Kühlvorrichtung nach
dem Stand der Technik ist im Dokument
US
5 797 259 dargelegt.
-
1 veranschaulicht
schematisch ein System mit kombiniertem Kreislauf, das ein dem Stand der
Technik entsprechendes gekühltes
Kühlluftsystem
(nachfolgend als CCA-System bezeichnet) zum Kühlen von heißer Verdichterluft
aufweist, die zum Kühlen
von Turbinen- und Verdichterteilen abgeführt wird. In dem dargestellten
Kraftwerk ist ein Gasturbinensystem 10 mit einem Verdichter 14,
einem Verbrennungssystem 18 und einem Gasturbinenexpander 24 sowie
ein Dampfturbinensystem bereitgestellt, das bei Ziffer 34 schematisch
dargestellt ist. Genauer gesagt strömt Umgebungsluft in den Axialverdichter 14,
und die so erzeugte verdichtete Luft 16 strömt in das
Verbrennungssystem 18, in das Brennstoff 20 eingedüst wird
und in dem die Verbrennung erfolgt. Das Verbrennungsgemisch 22 tritt
aus dem Verbrennungssystem 18 aus und strömt in die
Turbine 24. Im Turbinenabschnitt wird die Energie der Heißgase in Arbeit
umgewandelt. Diese Umwandlung er folgt in zwei Schritten, wobei zunächst die
Heißgase
expandiert werden und ein Teil der Wärmeenergie im Düsenabschnitt
der Turbine in kinetische Energie umgewandelt wird. Anschließend wird
im Schaufelabschnitt der Turbine ein Teil der kinetischen Energie auf
die rotierenden Schaufeln übertragen
und in Arbeit, z. B. zum Drehen der Welle 26, umgewandelt. Ein
Teil der von der Turbine entwickelten Arbeit wird folglich zum Antreiben
des Verdichters 14 genutzt, während der Rest z. B. für einen
Stromgenerator oder mechanische Last 28 verfügbar ist.
Das heiße Abgas 30 tritt
aus der Turbine aus und strömt
in eine Wärmerückgewinnungseinheit.
Bei der Wärmerückgewinnungseinheit
kann es sich um ein beliebiges einer Vielzahl bekannter Wärmetauschersysteme
handeln, zu denen beispielsweise auch ein ansonsten konventioneller
Wärmerückgewinnungsdampfgenerator
(Heat Recovery Steam Generator, HRSG) 32 für mehrere
Druckbereiche zählt.
-
In
der dargestellten Konfiguration treiben das Gasturbinensystem 10 und
das Dampfturbinensystem 34 jeweils einen entsprechenden
Generator (oder eine andere Last) 28, 36 an. Das
Dampfturbinensystem 34 ist auf konventionelle Weise mit
dem HRSG 32 verknüpft.
Folglich strömt
der Dampf 38 zu dem Dampfturbinensystem 34 hin
bzw. von diesem weg, das Dampfturbinensystem stößt Dampf an einen Kondensator 40 aus,
und von dem Kondensator 40 wird dem HRSG 32 über die
Leitung 42 mit Hilfe einer Kondensatpumpe 44 Kondensat
zugeführt.
Das Kondensat durchströmt
die verschiedenen Komponenten des HSRG 32. In diesem Beispiel
sind nur der Niederdruckverdampfer 46, der Mitteldruckverdampfer 48 und
der Hochdruckverdampfer 50 dargestellt, wobei es sich versteht,
dass in einem HRSG normalerweise verschiedene Ekonomiser, Dampfüberhitzer sowie
zugehörige
Leitungen und Ventile bereitgestellt werden, die einfach weggelassen
wer den, da sie für
die vorliegende Erörterung
nicht direkt relevant sind.
-
Wie
eingangs erwähnt,
wird dem HRSG 32 Wärme
von den Turbinenabgasen 30 zugeführt, die in den HRSG 32 einströmen und
bei Ziffer 52 aus dem HRSG austreten, um zu einem Stack
weiterzuströmen.
Die weitere Erörterung
dieses konventionellen Systems wird im Wesentlichen auf diejenigen Komponenten
beschränkt,
die Teil des zugehörigen CCA-Systems 54 sind.
-
In
dem dargestellten CCA-System 54 wird, wie durch die Leitung 56 schematisch
dargestellt, heiße
Verdichterluft mit Temperaturen von beispielsweise 454°C bis 482°C (850°F bis 900°F) abgeführt und
in einem als Kettle-Wiederverdampfer ausgeführten Rohrbündelwärmetauscher 58 auf
eine Temperatur von etwa 260°C
bis 288°C
(500°F bis
550 °F) abgekühlt. Der
Kettle-Wiederverdampfer 58 weist ein schematisch als Rohr
dargestelltes U-Rohr-Bündel 60 auf,
das in ein Wasserbecken 62 eingetaucht ist, wobei sich
die heiße
Verdichterluft in dem Rohr befindet. Die in die Rohre strömende heiße Luft
bringt das Wasser im Becken 62 zum Kochen, und der erzeugte gesättigte Dampf 64 wird
in den Dampfkessel des Mitteldruckverdampfers (IP-Verdampfers) 48 im
Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator
(HRSG) 32 geleitet. Aus dem IP-Ekonomiser abgegebenes Wasser wird als
Ausgleich für
den generierten Dampf 64 zum Mantel des Wiederverdampfers 58 geleitet.
Die aus dem CCA-Wärmetauscher 58 austretende
gekühlte Luft 68 wird,
wie durch die Leitungen 70 und 72 schematisch
dargestellt, zum Kühlen
von Verdichter- und/oder Turbinenteilen verwendet. Zum Regeln der Temperatur
der aus dem CCA-System 54 austretenden Luft wird luftseitig
zudem ein Bypass 74 bereitgestellt. Da das CCA-System wegen
des thermischen Wirkungsgrads des Wärmekraftkreisprozesses für ei nen
geringen luftseitigen Druckabfall im System konzipiert sein muss,
wird in der Regel ein zweiwegiges U-Rohr-Bündel verwendet.
-
Im
Hinblick auf das oben beschriebene CCA-System gibt es mehrere potenzielle
Bereiche für
Verbesserungen.
-
Der
oben beschriebene Entwurf einer zweiwegigen Rohrraumseite führt dazu,
dass eine Hälfte des
Rohrbodens der einströmenden
Heißluft
ausgesetzt ist, während
die andere Hälfte
der gekühlten Luft
ausgesetzt ist, die luftseitig aus dem Wärmetauscher austritt. Hieraus
resultieren starke Wärmespannungen
am Rohrboden. Zwar würde
ein einwegiger Kettle-Wiederverdampfer
dieses Problem lösen,
aber ein einwegiger Entwurf würde
einen Rohrkompensator im Mantel oder einen beweglichen Rohrboden
erfordern, die ein Zuverlässigkeitsproblem
darstellen.
-
Eine
präzise
Wasserpegelregelung an der Mantelseite ist erforderlich, um neben
einem übermäßigen Übergang
von Wasser in den gesättigten Dampf
zu verhindern dass Rohre im Wasserbecken bloßgelegt werden und Wasser nur
vorübergehend den
Heißgasrohren
ausgesetzt ist. In dieser Hinsicht wird der Kesselwasserpegel üblicherweise
anhand der gemessenen Druckdifferenz in dem Kessel und anhand der
kalkulierten Dichte des Kesselwassers berechnet. Das kochende Wasserbecken
enthält
jedoch Dampfblasen, und eine präzise
Berechnung des Dampfblasenanteils ist für eine präzise Berechnung von Dichte
und Wasserpegel erforderlich. Die Berechnung des Dampfblasenanteils
stellt in dieser Anwendungsart insbesondere in Übergangssituationen eine Herausforderung
dar. Des Weiteren muss, wie oben erwähnt, die Luftseite für einen
geringen Druckabfall konzipiert sein. Daher weist die Luft in den Rohren
eine niedrige Strömungsgeschwindigkeit auf,
woraus luftseitig kleine Wärmeübergangskoeffizienten
resultieren. Durch die Verwendung von Oberflächenerweiterungen (wie z. B.
Lamellen) an der Seite mit geringem Wärmeübergang lässt sich die Wärmetauschergröße auf vorteilhafte
Weise reduzieren. Oberflächenerweiterungen
lassen sich wirtschaftlich an den Rohraußenflächen vornehmen.
-
Die
Erfindung schafft ein CCA-System für die Anwendung in den Kreisläufen moderner
Gasturbinen, das die oben genannten Bedenken in Bezug auf Zuverlässigkeit,
Regelung und Kosten ausräumt.
-
Genauer
gesagt weist das CCA-System in einer Ausführungsform der Erfindung einen
Rohrbündelwärmetauscher
auf, in dem ein Wasserstrom in den Rohren und ein Luftstrom an der
Mantelseite des Wärmetauschers
erzeugt werden. In einem solchen System wird das aus dem Wärmetauscher
austretende Wasser teilweise verdampft. Als weiteres Merkmal der
Erfindung wird daher der resultierende zweiphasige Wasser-/Dampfsstrom
eines Trennvorrichtung/Abscheidekessels zugeführt, in welchem der Dampf und
das Wasser getrennt werden. Der aus der Trennvorrichtung austretende
gesättigte
Dampf strömt
zu dem HRSG, während
das Wasser aus der Trennvorrichtung dem Wärmetauscher generell dann zugeführt wird,
nachdem es von Umwälzwasserpumpen
mit einem höheren
Druck beaufschlagt wurde.
-
Da
der Luftstrom außerhalb
der Rohre erzeugt wird, können
lamellierte Rohre bereitgestellt werden, um die Gesamtgröße des Wärmetauschers zu
reduzieren.
-
Infolgedessen
wird die Erfindung in einem Kraftwerk mit kombiniertem Zyklus verkörpert, das Folgendes
umfasst: ein Gasturbinensystem mit einem Verdichter zum Erzeugen
komprimierter Luft, einer Brennkammer zum Verbrennen eines Brennstoffs in
der verdichteten Luft, um Verbrennungsluft zu erzeugen, und einer
Turbine zur Expansion der Verbrennungsluft, um mechanische Energie
und Abgas zu erzeugen; einen Dampfgenerator mit einem Einlass zur
Aufnahme der Abgasluft und mehreren Abschnitten, die nacheinander
in einem Strömungspfad des
Abgases angeordnet sind, um dem Abgas Wärme zu entziehen, um wenigstens
einen Dampfstrom zu erzeugen; ein Dampfturbinensystem zum Aufnehmen
des wenigstens einen Dampfstroms; und einen Kühlluftströmungspfad, um einen Anteil
der verdichteten Luft aus dem Verdichter wenigstens einem von dem
Verdichter und der Turbine zum Kühlen
eines Abschnitts davon zuzuführen;
wobei der Kühlluftströmungspfad
ein Wärmetauschersystem
aufweist, um den Anteil der komprimierten Luft aufzunehmen und ihr
Wärme zu
entziehen, um einen Strom erwärmten Fluids
und einen Strom verdichteter Luft zu erzeugen, wobei das Wärmetauschersystem
eine Kammer mit einem Einlass für
verdichtete Luft und einem Auslass für verdichtete Luft und wenigstens
ein Rohr enthält,
um Wasser zum Wärmeaustausch
mit in der Kammer befindlicher heißer verdichteter Luft strömen zu lassen,
gekennzeichnet durch:
einen Strömungstrenner 204,
um den erwärmten
Fluidstrom in Wasser zum Umlauf durch das Rohr in der Kammer und
einen ersten Dampfstrom zu trennen, und wenigstens eine Pumpe 206,
um das von dem Strömungstrenner
abgetrennte Wasser zu dem Rohr in der Kammer 158 zu pumpen.
-
Die
Erfindung wird außerdem
verkörpert
in einem Verfahren zum Betreiben eines Kraftwerks mit kombiniertem Kreislauf
mit einem Gasturbinensystem, einem Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator und
einem Dampfturbinensystem, wobei das Verfahren folgende Schritte
aufweist: Schaffen eines Wärmetauschersystems,
das eine Kammer mit einem Einlass für verdichtete Luft und mit
einem Auslass für verdichtete
Luft und wenigstens ein Rohr aufweist, um Wasser zum Wärmeaustausch
mit in der Kammer vorhandener heißer verdichteter Luft strömen zu lassen;
Betreiben des Gasturbinensystems, um einen Brennstoff zu verbrennen,
um heiße
verdichtete Luft, mechanische Energie und einen Abgasstrom zu erzeugen;
Führen
eines Teils der heißen
verdichteten Luft durch das Wärmetauschersystem,
um einen Strom gekühlter
verdichteter Luft und einen Strom erwärmten Fluids zu erzeugen; und
Führen
des Stroms der gekühlten
verdichteten Luft, um einen Teil des Gasturbinensystems zu kühlen, dadurch
gekennzeichnet, dass
das Wärmetauschersystem
einen Strömungstrenner 204,
um den erwärmten
Fluidstrom in Wasser 162 und einen ersten Dampfstrom 164 zu
trennen, und wenigstens eine Pumpe 208 aufweist, um das
von dem Strömungstrenner
abgetrennte Wasser zu fördern,
und dass das Verfahren die Schritte der Trennung des erwärmten Fluidstroms
in Wasser und den ersten Dampfstrom und das Betreiben der wenigstens
einen Pumpe aufweist, um das von dem Strömungstrenner abgetrennte Wasser
zu dem Rohr in der Kammer 158 zu pumpen.
-
Diese
sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
verständlicher und
nachvollziehbarer durch die sorgfältige Lektüre der folgenden detaillierteren
Beschreibung der zurzeit bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, in
der auf die folgenden beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird,
in denen:
-
1 eine
schematische Darstellung eines Kraftwerks mit kombiniertem Kreisprozess
ist, das ein konventionelles gekühltes
Kühlluftsystem
enthält; und
-
2 eine
schematische Darstellung eines Kraftwerks mit kombiniertem Kreisprozess
ist, das ein gekühltes
Kühlluftsystem
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung enthält.
-
Die
weitere Erörterung
des erfindungsgemäßen Systems
wird im Wesentlichen auf diejenigen Komponenten beschränkt, die
als eine Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Systems
bereitgestellt oder hinzugefügt
werden. Die in 2 dargestellten, aber nachfolgend
nicht diskutierten Referenzziffern sind im Wesentlichen mit den
entsprechenden Komponenten des Systems aus 1 identisch
und so gekennzeichnet, dass sie einen Bezugsrahmen bieten. Komponenten,
die generell den in 1 dargestellten entsprechen,
aber gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung geändert
wurden, sind durch Referenzziffern gekennzeichnet, die den in 1 verwendeten
gleichen, aber um den Wert 100 erhöht sind.
-
Ein
die Erfindung verkörperndes
CCA-System 154 weist einen Rohrbündelwärmetauscher 160 mit
einem Mantel 158 auf, wobei der Wärmetauscher so ausgeführt ist,
dass er einen Wasserstrom in den Rohren und einen Luftstrom an der
Mantelseite ermöglicht.
Der Luftstrom wird aus dem Verdichter abgeführt und durch die Leitung 156 zu
Lufteinlass(en) 176 in dem Mantel 158 geleitet.
Die heiße
verdichtete Luft strömt
zwischen den Wärmetauscherrohren 160 und
um diese herum, und die resultierende abgekühlte Luft strömt durch
Auslass(e) 178. Wie durch die Strömungspfade 172 und 170 schematisch
dargestellt, strömt
die abge kühlte
Luft als Kühlluft
durch die Leitung 168. Ein von Leitung 156 zu
Leitung 168 definierter Bypass 174 dient zur Regelung
der Kühllufttemperatur.
-
In
der dargestellten Ausführungsform
strömt leicht
unterkühltes
(d. h. unter Sättigungstemperatur) Wasser
bei Ziffer 200 in den Wärmetauscher
und wird in dem Wärmetauscher
teilweise verdampft (10-20 % Masseanteil). Der resultierende zweiphasige
Wasser-/Dampfstrom 202 wird dann einem Trennvorrichtung/Abscheidekessel 204 zugeführt, in
welchem der Dampf und das Wasser getrennt werden. Der gesättigte Dampf 164 wird
dem Kessel des IP-Verdampfers 48 im HRSG 32 zugeführt. Aus
dem IP-Ekonomiser abgegebenes Wasser 166 wird als Ausgleich
für den
generierten Dampf der Trennvorrichtung zugeführt, und dieser Wasserstrom
wird z. B. durch das Ventil 206 geregelt, um in der Trennvorrichtung 204 einen
konstanten Pegel (innerhalb eines Toleranzrahmens) aufrechtzuerhalten.
-
Das
Wasser aus der Trennvorrichtung wird von Umwälzwasserpumpe(n) 208 mit
einem höheren Druck
beaufschlagt und, wie oben erwähnt,
bei Ziffer 200 dem Wärmetauscher 158 zugeführt. Der
Förderdruck
der Pumpe(n) wird so gewählt,
dass er ausreicht, den Druckabfall des Wasserkreislaufsystems zu überwinden.
-
Der
Luftstrom außerhalb
der Rohre ermöglicht
die Verwendung von lamellierten Rohren (nicht im Detail dargestellt)
zur Reduzierung der Gesamtgröße des Wärmetauschers.
Redundante Pumpen, z. B. die Pumpe 208, werden zur Erhöhung der
Systemzuverlässigkeit
eingesetzt. Obwohl in 2 eine vertikale Trennvorrichtung
dargestellt ist, kann für diese
Anwendung auch eine horizontale Trennvorrichtung verwendet werden,
wobei dies den zusätzlichen
Vorteil hat, dass eine horizontale Trennvorrichtung auf den Wärmetauscher
gestapelt werden könnte.
-
In
einer exemplarischen Ausführungsform wird
der Wasserdurchsatz in dem Umlaufwasserkreislauf über den
gesamten Betriebsbereich der Gasturbine, einschließlich bei
Betrieb mit gleicher Last, konstant gehalten. Der (konstante) Wasserdurchsatz
wird so gewählt,
dass die maximale rohrseitige Wasserverdampfung über den gesamten Betriebsbereich
der Gasturbine auf ungefähr
10-20 % (d. h. auf ein Umlaufverhältnis zwischen 5:1 und 10:1)
begrenzt ist. Die maximale Verdampfungsrate wird festgelegt, um
die Stabilität
der Zwei-Phaen-Strömung
in dem System sicherzustellen.
-
Der
Systementwurf und die Regelungen, die hier vorgeschlagen werden,
haben folgende Schlüsselmerkmale/-vorteile
gegenüber
den aktuellen Systemen:
Das Zuführen von Wasser auf der Rohrraumseite
beseitigt das Temperaturgefälle
am Rohrboden, das auftritt, wenn in der Ausführung mit einem Kettle-Wiederverdampfer
Luft in die Rohre strömt.
Der Temperaturanstieg auf der Rohrraumseite des Rohrbodens beträgt weniger
als 10°F,
und der starke Temperaturrückgang
an der Luftstromseite des Wärmetauschers erstreckt
sich über
den gesamten Rohrboden. Zu erwarten wäre also eine deutliche Reduzierung
der Spannungen am Rohrbaden sowie eine längere Lebensdauer und eine
größere Zuverlässigkeit
der Komponenten.
-
Die
Wasserpegelregelung befindet sich in dem dargestellten System in
der Trennvorrichtung 204, in der das Wasser nicht kocht,
weshalb die Dichte des Wassers ohne die Unsicherheit des in einem Becken
mit kochendem Wasser enthaltenen Dampfblasenanteils präzise berechnet
werden kann. Dies ermöglicht
die präzise
Berechnung des Wasserpegels anhand der gemessenen Druckdifferenz
sowie die Pegelregelung. Obwohl eine präzise Pegelregelung möglich ist,
gilt es zu beachten, dass die Pegelregelung im vorgeschlagenen Systementwurf
nicht sehr entscheidend sind, da die Wärmetauscherrohre anders als
in dem konventionellen Kettle-Wiederverdampfer nicht in das Wasser
getaucht sind.
-
Wie
oben erwähnt,
hält das
hier beschriebene Regelungsverfahren in allen Betriebszuständen der
Gasturbine einen konstanten Wasserdurchsatz in dem Umlaufwasserkreislauf
aufrecht und vereinfacht dadurch die Regelung des Systems erheblich.
-
Der
Luftstrom an der Mantelseite ermöglicht den
Einsatz von Rohren mit Oberflächenerweiterungen,
d. h. Lamellen, wodurch die Wärmetauschergröße und die
Systemkosten reduziert werden.
-
Obwohl
sich die obige Beschreibung des Systems auf die Erzeugung von Mitteldruckdampf 164 mit
dem CCR-System bezieht, kann das System auch zum Erzeugen von Hochdruck-
oder Niederdruckdampf eingesetzt werden. Das Druckniveau des erzeugten
Dampfes wird von der erforderlichen Lufttemperatur (innerhalb/außerhalb
des CCA-Wärmetauschers)
für die
jeweilige Anlage bestimmt.
-
Es
versteht sich, dass die dargestellte Baugruppe nur ein Beispiel
eines Kraftwerks ist, in dem ein CCA-System zur Anwendung kommen
kann. In dieser Hinsicht könnte
das System mit einem kombinierten Kreislauf ein Wiedererwärmungssystem
mit kombiniertem Kreislauf für
mehrere Druckbereiche sein, und/oder die Gasturbine, die Dampfturbine
und der Generator können
statt wie in der dargestellten mehrwelligen Konfiguration als Tandem
zu einem Generator auf einer einzigen Welle angeordnet sein.