Kombinierte Dampfkraftanlage
Die Erfindung betrifft eine kombinierte Dampfkraftanlage mit Gasturbinengruppe und dieser nachgeschaltetem Dampferzeuger mit Kamin, mit einer Zusatzfeuerung im Dampferzeuger. Es sind solche Anlagen bekannt, bei denen der Zusatzfeuerung des Kessels Abgase der Turbine unmittelbar zugeführt werden. Der für die Verbrennung des Zusatzbrennstoffes nicht benötigte Teil der Abgase wird dabei den Rauchgasen der Zusatzfeuerung zugemischt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, den Anlagewirkungsgrad zu verbessern. Dies geschieht erfindungsgemäss dadurch, dass der Zusatzfeuerung ein Gebläse vorgeschaltet ist, das aus dem Abgasstrom zwischen Gasturbine und Kamin eine Menge von bis zu 30% des Gasturbinendurchsatzes Abgase ansaugt. Diese Massnahme hat zur Folge, dass das Gebläse mindestens den Widerstand der Zusatzfeuerung überwindet und der Hauptteil der Turbinenabgase ungedrosselt in den Dampferzeuger eingeführt werden kann. Dadurch gelingt es, die Expansion der Gase in der Turbine auf kleineren Enddruck auszudehnen.
Beträgt die für die Zusatzfeuerung benötigte Abgasmenge etwa 30% der Turbinen-Durchflussmenge, so vermag der durch die weitergehende Entspannung erzielte Leistungsgewinn die für den Gebläseantrieb benötigte Leistung sowie die höheren Anlagekosten bereits nicht nur voll zu kompensieren, sondern einen Überschuss abzuwerfen.
Besondere Vorteile ergeben sich, wenn dem Gebläse eine Zweiweg-Umschaltvorrichtung vorgeschaltet ist, durch die wahlweise Luft anstelle von Abgas angesaugt werden kann. Es wird dadurch nicht nur die Regelung beim Anfahren und im Teillast-Betrieb erleichtert, sondern es kann durch diese Schaltung ohne merkliche zusätzliche Investitionskosten die Höchstlast der Anlage gehoben werden.
Die erfindungsgemässe Anordnung eines Gebläses kann Ausgangspunkt zu weiteren fortschrittlichen Lösungen bilden.
Eine solche besteht darin, dass die Abgasleitung der Turbine sich gabelt in eine zum Gebläse führende Zweigleitung und in eine Hauptleitung, die zwischen zwei Berührungsheizflächen des Dampferzeugers in diesen einmündet. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass bei Betrieb mit Zusatzfeuerung die ersten Berührungsheizflächen thermisch höher beaufschlagt sind und somit kleiner gebaut werden können. Eine zusätzliche Verkleinerung des Dampferzeugers ergibt sich dadurch, dass die allein von den Rauchgasen der Zusatzfeuerung des Dampferzeugers beaufschlagten Rauchgasquerschnitte wesentlich enger gehalten werden können, was zu einer weiteren Verkleinerung und damit Verbilligung des Dampferzeugers führt.
Besondere thermodynamische Vorteile ergeben sich, wenn die Mündung der Hauptleitung an einer Stelle liegt, an der bei Normalbetrieb der Anlage die durch die Zusatzfeuerung erhitzten Abgase mittels der vorgeschalteten Heizflächen auf etwa jene Temperatur abgekühlt sind, mit welcher die Abgase die Turbine verlassen und welche sich vorzugsweise um nicht mehr als 20 Celsiusgrade von der Turbinenabgastemperatur unterscheidet. Es kann dadurch nämlich ein thermodynamischer Mischungsverlust vermieden werden, was sich darin äussert, dass sich bei vorgegebener Heizflächengrösse und vorgegebener Rauchgas-Endtemperatur eine höhere Frischdampftemperatur erreichen lässt.
Weitere Vorteile liegen darin, dass sich stromunterhalb der Mündungsstelle über den Querschnitt des Rauchgaskanals eine gleichmässige Temperaturverteilung einstellt, ohne dass ein Mischraum mit entsprechendem Raumbedarf und Druckabfall vorgesehen werden müsste.
Die Erfindung wird nun an einem in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert:
Ein Verdichter 1 mit Ansaugstutzen 2 ist über eine Leitung 3 und eine Brennkammer 4, der über Leitung 5 flüssiger oder gasförmiger Brennstoff zugeführt wird, mit einer Gasturbine 10 verbunden. Diese sitzt, zusammen mit dem Verdichter 1 und einem als Anwurfmotor verwendbaren Generator 11 auf gleicher Welle. Eine Abgasleitung 12 der Gasturbine 10 gabelt sich in eine Hauptleitung 13 und in eine Zweigleitung 14.
Während die Hauptleitung 13 in einen Dampferzeuger 20 in etwa halber Höhe über verschiedene Eintrittsöffnungen 21 einmündet, führt die Zweigleitung 14 über ein Zweiweg Umschaltorgan 22, dessen einer Stutzen 23 offen endet, zu einem Gebläse 24, das von einem Motor 25 angetrieben ist.
Der Austritt des Gebläses 24 ist mit einem Brenner 26, einer Zusatzfeuerung, verbunden, dem über eine Leitung 27 flüssiger, gas- oder staubförmiger Brennstoff zugeführt wird.
Parallel zum Brenner 26 ist ein Gaszuführkasten 28 mit Gas durchtrittsöffnungen 29 vorgesehen. Der Gaszuführkasten 28 kann durch Senken einer Klappe 31 mit dem Luftverteilkasten 32 des Brenners 26 verbunden werden.
Der Dampferzeuger 20 umfasst eine Brennkammer 40 und einen, durch die Eintrittsöffnungen 21 in zwei Teile 41 und 42 gegliederten Rauchgaszug. Die Brennkammer 40 wird zusammen mit dem unteren Teil 41 des Rauchgaszuges durch eine Wand 45 aus beispielsweise schraubenlinienartig gewickelten, über Flossenrohre gasdicht miteinander verschweissten Rohren begrenzt, während der obere Teil 42 des Rauchgaszuges von einer ungekühlten Blechverkleidung 46 dicht umgeben ist. Die Blechverkleidung 46 ist über einen Trichter 47 mit einem Kamin 48 verbunden.
Im Rauchgaszug 41, 42 sind mehrere Berührungsheiztlächen angeordnet, die von einem verdampfbaren Arbeitsmittel, hier Wasser, durchflossen werden. Dieses Wasser wird einem Anfahrgefäss 60 mittels einer Speisepumpe 61 entnommen und über eine Speiseleitung 62 an einem nicht gezeichneten Kesselgerüst aufgehängten Tragrohren 63 zugeführt. Diese Tragrohre 63 führen zu einer am oberen Ende des Rauchgaszuges 41, 42 angeordneten Ecoheizfläche 64. Aus dieser strömt das Wasser weiter über eine am oberen Ende des unteren Teiles 41 des Rauchgaszuges angeordnete erste Verdampferheizfläche 65, die als Rohrbündel eine Berührungsheifffläche darstellt. Von dort gelangt das Arbeitsmittel in eine zweite Verdampfer Berührungsheizfläche 66, die am Eingang des oberen Teiles 42 des Rauchgaszuges liegt.
Am Ausgang dieser Heizfläche werden je zwei Rohre 66' über ein Gabelstück 67 mit je einem Rohr 68 grösseren Durchmessers verbunden. Diese Rohre 68 führen sodann zu den unteren Enden von in gleicher Anzahl vorhandenen Flossenrohren, die, geneigt gewickelt, die Wandberohrung 45 der Brennkammer 40 und des unteren Teils 41 des Rauchgaszuges bilden. Aus Sammlern 69 der Wandberohrung 45 tritt das nun grösstenteils verdampfte Arbeitsmittel in einen Wasserabscheider 70, aus dem der abgetrennte Dampf durch Überhitzerheizflächen 71, 72 und über eine Frischdampfleitung 73 einer Gegendruckdampfturbine 75 zuströmt, die einen Generator 76 treibt. Der Abdampf der Gegendruckdampfturbine 75 strömt weiter in ein Netz 77, durch das es nicht gezeichneten Verbrauchern zufliesst.
Die erfindungsgemässe Anordnung des Gebläses 24 hat den Vorteil, dass in der Gasturbine 10 die Gase praktisch bis auf den am oberen Ende des unteren Rauchgaszugteils herrschenden Druck entspannt werden können, was eine erhebliche Erhöhung der Gasturbinenleistung ergibt, welche grösser ist als die für den Antrieb des Gebläses 24 nötige Leistung.
Ist das Gebläse 24 vorhanden, so lässt sich mittels eines geringen Aufwandes, d.h. durch Anbringen eines Umschaltorgans 22, die Maximalleistung der Anlage erheblich erhöhen durch Ansaugen von Frischluft über den Stutzen 23, wobei dann über die Zweigleitung 14 dem Gebläse weniger oder kein Gasturbinenabgas zugeführt wird. Die direkt über die Hauptleitung 13 in den oberen Teil 42 des Rauchgaszuges strömende Abgasmenge wird somit erhöht. In der Zusatzfeuerung 26 wird bei Frischluftzufuhr eine entsprechend höhere Brennstoffmenge verbrannt als im Falle der Zufuhr von Abgasen, wodurch erst die erwähnte Erhöhung der Maximalleistung zustande kommt.
Überdies gestattet das Gebläse 24 bei Ausfall der Gasturbinengruppe einen leistungsmässig beschränkten Notbetrieb des Dampferzeugers allein.
Die Lage der Eintrittsöffnungen 21 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel so gewählt, dass sich die Gase des Brenners 26 an den gasseitig stromoberhalb der Eintrittsöffnungen 21 liegenden Heizflächen 71, 72, 65 auf die Abgastemperatur der Gasturbine 10 abkühlen.
Dadurch kann an den gesamten Heizflächen zwischen dem Rauchgas und dem wärmeaufnehmenden Arbeitsmittel ein maximales Temperaturgefälle aufrecht erhalten werden, was zu deren Verkleinerung führt. Ebenso können diese Heizflächen verkleinert werden durch eine Erhöhung der Wärmeübergangszahl, was durch eine höhere Gasgeschwindigkeit erzielbar ist. Da durch die erfindungsgemässe Anordnung eines Gebläses der mit höherer Strömungsgeschwindigkeit verbundene Anstieg des Druckabfalls der Wirkungsgrad der Anlage nur unwesentlich beeinflusst wird, ist eine Geschwindigkeitserhöhung durch Zusammenrücken der Rohre der Heizflächen, die zudem zu einem kleineren Gesamtraumbedarf führt, überraschend günstig.
Der Gaszuführkasten 28 mit den Gasdurchtrittsöffnungen 29 dient dazu, im Falle nur geringen Dampfbedarfs im Netz 77 den Betrieb der Turbine 75 bei abgestellter Brennstoffzufuhr zum Brenner 26 aufrecht zu erhalten durch Vergrösserung der Gaszufuhr in die Brennkammer 40.
Wird die Zusatzfeuerung statt durch einen Brenner 26 durch einen nichtgezeichneten Muffelbrenner dargestellt, so kann die Brennkammer 40 zu einem Rauchgasverteilraum degeneriert werden.
Je nach den lokalen Bedingungen kann die Zweigleitung 14 statt an der Abgasleitung 12 auch stromunterhalb dieser Stelle angeordnet sein, im Extremfall zum Beispiel am Kamineintritt.
In diesem Falle würde eine Art Rauchgasumwälzung stattfinden.
Combined steam power plant
The invention relates to a combined steam power plant with a gas turbine group and a downstream steam generator with a chimney, with additional firing in the steam generator. Such systems are known in which the exhaust gases of the turbine are fed directly to the additional firing of the boiler. The part of the exhaust gases not required for the combustion of the additional fuel is mixed with the flue gases from the additional combustion.
It is the object of the invention to improve the plant efficiency. According to the invention, this takes place in that the additional firing system is preceded by a fan which sucks in an amount of up to 30% of the gas turbine throughput from the exhaust gas flow between the gas turbine and the chimney. This measure has the consequence that the fan overcomes at least the resistance of the additional firing system and the main part of the turbine exhaust gases can be introduced into the steam generator without throttling. This makes it possible to expand the expansion of the gases in the turbine to a lower final pressure.
If the amount of exhaust gas required for the additional firing is around 30% of the turbine flow rate, the gain in performance achieved through the further expansion can not only fully compensate for the performance required for the fan drive and the higher system costs, but also throw off an excess.
Particular advantages result if a two-way switching device is connected upstream of the fan, through which air can be drawn in instead of exhaust gas. This not only facilitates the regulation during start-up and in partial load operation, but also the maximum load of the system can be raised through this circuit without noticeable additional investment costs.
The inventive arrangement of a fan can form the starting point for further advanced solutions.
One of these is that the exhaust line of the turbine forks into a branch line leading to the fan and into a main line which opens into the steam generator between two contact heating surfaces. The advantage of this arrangement is that, when operating with additional firing, the first contact heating surfaces have a higher thermal load and can therefore be made smaller. An additional reduction in the size of the steam generator results from the fact that the flue gas cross-sections acted upon solely by the flue gases of the additional combustion of the steam generator can be kept much narrower, which leads to a further reduction in size and thus cheaper of the steam generator.
Particular thermodynamic advantages result if the mouth of the main line is at a point where, during normal operation of the system, the exhaust gases heated by the auxiliary firing are cooled by means of the upstream heating surfaces to approximately the temperature at which the exhaust gases leave the turbine and which preferably exit differs from the turbine exhaust gas temperature by no more than 20 degrees Celsius. In this way, a thermodynamic loss of mixing can be avoided, which is expressed in the fact that a higher live steam temperature can be achieved with a given heating surface size and a given flue gas end temperature.
Further advantages are that a uniform temperature distribution is established across the cross section of the flue gas duct below the opening point, without having to provide a mixing space with a corresponding space requirement and pressure drop.
The invention will now be explained in more detail using an exemplary embodiment shown schematically in the drawing:
A compressor 1 with an intake port 2 is connected to a gas turbine 10 via a line 3 and a combustion chamber 4, which is supplied with liquid or gaseous fuel via line 5. This sits, together with the compressor 1 and a generator 11 that can be used as a starting motor, on the same shaft. An exhaust line 12 of the gas turbine 10 forks into a main line 13 and into a branch line 14.
While the main line 13 opens into a steam generator 20 at about half the height via various inlet openings 21, the branch line 14 leads via a two-way switchover element 22, one of which is open, to a fan 24 that is driven by a motor 25.
The outlet of the blower 24 is connected to a burner 26, an additional firing system, to which liquid, gaseous or dusty fuel is fed via a line 27.
A gas supply box 28 with gas passage openings 29 is provided parallel to the burner 26. The gas supply box 28 can be connected to the air distribution box 32 of the burner 26 by lowering a flap 31.
The steam generator 20 comprises a combustion chamber 40 and a flue gas duct which is divided into two parts 41 and 42 through the inlet openings 21. The combustion chamber 40, together with the lower part 41 of the flue gas flue, is delimited by a wall 45 made of, for example, helically wound tubes welded together gas-tight by fin tubes, while the upper part 42 of the flue gas flue is tightly surrounded by an uncooled sheet metal cladding 46. The sheet metal cladding 46 is connected to a chimney 48 via a funnel 47.
In the flue gas duct 41, 42 several contact heating surfaces are arranged through which a vaporizable working medium, here water, flows. This water is taken from a start-up vessel 60 by means of a feed pump 61 and fed via a feed line 62 to support pipes 63 suspended from a boiler frame (not shown). These supporting tubes 63 lead to an eco-heating surface 64 arranged at the upper end of the flue gas flue 41, 42. From this the water flows on over a first evaporator heating surface 65 arranged at the upper end of the lower part 41 of the flue gas flue, which as a tube bundle represents a contact heating surface. From there, the working medium reaches a second evaporator contact heating surface 66, which is located at the entrance of the upper part 42 of the flue gas flue.
At the exit of this heating surface, two tubes 66 'are connected via a fork piece 67, each with a tube 68 of larger diameter. These tubes 68 then lead to the lower ends of the same number of fin tubes which, wound at an incline, form the wall tubing 45 of the combustion chamber 40 and of the lower part 41 of the flue gas duct. From collectors 69 of the wall tubing 45, the now largely evaporated working medium enters a water separator 70, from which the separated steam flows through superheater heating surfaces 71, 72 and via a live steam line 73 to a counter-pressure steam turbine 75 that drives a generator 76. The exhaust steam from the back pressure steam turbine 75 flows on into a network 77 through which it flows to consumers (not shown).
The inventive arrangement of the fan 24 has the advantage that in the gas turbine 10, the gases can be expanded practically to the pressure prevailing at the upper end of the lower flue gas part, which results in a considerable increase in the gas turbine output, which is greater than that for driving the Fan 24 required power.
If the fan 24 is present, it can be achieved with little effort, i.e. by attaching a switching element 22, the maximum output of the system can be increased considerably by sucking in fresh air via the nozzle 23, with less or no gas turbine exhaust gas then being fed to the fan via the branch line 14. The amount of exhaust gas flowing directly into the upper part 42 of the flue gas via the main line 13 is thus increased. When fresh air is supplied, a correspondingly higher amount of fuel is burned in the additional combustion system than in the case of the supply of exhaust gases, whereby the aforementioned increase in the maximum output is achieved.
Moreover, in the event of failure of the gas turbine group, the fan 24 alone allows an emergency operation of the steam generator with limited performance.
In the present exemplary embodiment, the position of the inlet openings 21 is selected so that the gases from the burner 26 cool to the exhaust gas temperature of the gas turbine 10 on the heating surfaces 71, 72, 65 located on the gas side upstream of the inlet openings 21.
As a result, a maximum temperature gradient can be maintained on the entire heating surfaces between the flue gas and the heat-absorbing working medium, which leads to their reduction. These heating surfaces can also be reduced in size by increasing the heat transfer coefficient, which can be achieved with a higher gas velocity. Since the arrangement of a fan according to the invention only insignificantly affects the increase in pressure drop associated with the higher flow rate, an increase in speed by moving the pipes of the heating surfaces together, which also leads to a smaller overall space requirement, is surprisingly beneficial.
The gas supply box 28 with the gas passage openings 29 serves to maintain the operation of the turbine 75 when the fuel supply to the burner 26 is switched off when there is only a small steam requirement in the network 77 by increasing the gas supply to the combustion chamber 40.
If the additional firing is represented by a muffle burner (not shown) instead of a burner 26, the combustion chamber 40 can be degenerated into a flue gas distribution space.
Depending on the local conditions, the branch line 14 can also be arranged downstream of this point instead of the exhaust gas line 12, in extreme cases for example at the chimney inlet.
In this case a kind of flue gas circulation would take place.