CH653097A5

CH653097A5 - Kombinierte gasturbinen-dampfkraftanlage.

Info

Publication number: CH653097A5
Application number: CH3791/81A
Authority: CH
Inventors: Emile Aguet
Original assignee: Sulzer Ag
Priority date: 1981-06-10
Filing date: 1981-06-10
Publication date: 1985-12-13
Also published as: DE3127733C2; US4462206A; DE3127733A1

Description

Die Erfindung betrifft eine kombinierte Gasturbinen-Dampfkraftanlage nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Es sind solche Anlagen beschrieben worden, bei denen das Problem der Abscheidung von aus dem Wirbelbett stammenden, im Rauchgas suspendierten Teilchen noch nicht gelöst ist. Aus thermodynamischen Gründen werden für das in die Gasturbine strömende Gas möglichst hohe Temperaturen gefordert, die die Anwendung der klassischen Rauchgasstaubfilter, wie Tuchfilter und Elektrofilter, verbieten. Damit bleiben als Abscheidemittel nur jene der Zyklonbauart übrig, die aber — wegen der hohen Zähigkeit der heissen Rauchgase — nur eine unbefriedigende Wirkung aufweisen. Die in den Zyklonen nicht ausgeschiedenen Teilchen gelangen in die Gasturbine, in der sie sich ablagern und Abnützungserscheinungen an der Turbine zur Folge haben. Treten die Ablagerungen am Rotor der Gasturbine auf, so können sie gefährliche Unwucht bewirken und zu frühzeitigem Abstellen und zur Reinigung der Anlage zwingen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile der bekannten Anlagen zu eliminieren. Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe durch die Merkmale gemäss dem Anspruch 1 gelöst. Durch diese Lösung wird die Möglichkeit geschaffen, bessere Abscheidemittel einzusetzen, die aus physikalischen und/oder materialtechnischen Gründen eine verhältnismässig tiefe Arbeitstemperatur verlangen. Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass sie zu konstruktiv und mechanisch einfachen Lösungen führt.

Die gemäss Anspruch 2 vorgeschlagene Anwendung eines elektrostatischen Rauchgasfilters bringt den Vorteil, dass der Druckabfall an den Abscheidemitteln sehr klein und im Betrieb praktisch konstant ist. Im Gegensatz zu Tuchfiltern bleiben bei Elektrofiltern die Durchflussquerschnitte von der Menge der abgeschiedenen Teilchen praktisch unabhängig.

Die Ausführungsform nach Anspruch 3 ermöglicht es, ohne zusätzliche Verbindungsleitungen und zusätzliche Abstützmittel auszukommen.

Bei Anwendung der Merkmale nach Anspruch 4 werden die zwischen der Brennkammer und der Gasturbine angeordneten Abscheidemittel wegen der groben Vorreinigung des Rauchgases entlastet.

Durch die Merkmale gemäss Anspruch 5 werden nicht nur die Brennstoffverluste verringert, sondern gleichzeitig auch die Menge der abzulagernden Verbrennungsrückstände verringert.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnung näher erläutert, die schematisch eine kombinierte Gasturbinen-Dampfkraft-anlage zeigt.

Die Anlage umfasst im wesentlichen eine Gasturbinengruppe 1 — bestehend aus einem mit einer Gasturbine 3 und einem Generator 4 auf derselben Welle sitzenden Verdichter 2 und einem die Funktion einer Brennkammer der Gasturbinengruppe 1 übernehmenden Druckbehälter 5 — sowie einen Abgasdampferzeuger 6 mit Dampfturbine 7 und elektrischem Generator 8.

Der Druckbehälter 5 mit vertikaler Achse enthält, anschliessend an eine Lufteintrittsleitung 62, eine Luftverteilkammer 13, die nach oben hin durch einen durchlässigen Boden 14 für ein Wirbelbett 18 begrenzt ist, das in einer Brennkammer 15 untergebracht ist. Das Wirbelbett 18 besteht aus inerten Teilchen sowie Kalk- und Kohlekörnern, die von einem aus der Luftverteilkammer 13 aufsteigenden Luftstrom getragen werden. Die Kalk- und Kohlekörner werden, ebenso wie die wegen des Abriebs gelegentlich zu ergänzenden inerten Körner, über seitliche Zuführmittel 20 in das Wirbelbett 18 eingebracht. Im Wirbelbett sind eine von Arbeitsmittel aus dem Abgasdampferzeuger 6 durchströmte Heizfläche 22 und ein von verdichteter Luft durchströmter Lufterhitzer 23 angeordnet. Oberhalb des Wirbelbettes 18 enthält die Brennkammer 15 grobe Abscheidemittel in Form zweier Zyklone 25, die je einen seitlichen Rauchgaseintritt 26 und je ein zentrales Austrittsrohr 27 aufweisen. Die Rohre 27 durchstossen einen Boden 30, der die Brennkammer 15 von einem Rauchgaszug 33 trennt, der ebenfalls im Druckbehälter 5 enthalten ist. Im Rauchgaszug 33 sind ein Rekuperator 35 und — diesem im Gasstrom folgend — ein Wärmeübertrager 38 für Arbeitsmittel des Abgasdampferzeugers 6 vorgesehen.

Der Druckbehälter 5 ist am oberen Ende des Rauchgaszuges 33 über eine Leitung 41 mit dem Eintritt 42 eines die Funktion von Abscheidemitteln erfüllenden Staubabscheiders 43 verbunden. Dieser Abscheider 43 weist ein zylindrisches Druckgefäss 44 mit vertikaler Achse und einen Boden in Form eines Trichters 40 auf. Der Eintritt 42 liegt nahe dem oberen Ende des Gefässes 44 und ist tangential gerichtet. Im Zentrum des Gefässes 44 ist ein Tauchrohr 45 vorgesehen, das bis in den unteren Bereich des Abscheiders reicht und über das das gereinigte Rauchgas aus dem Abscheider austritt. Das Tauchrohr 45 ist von einem Filtersack 46 umgeben, der an seinem oberen Ende mit dem Deckel des Druckge-fässes 44 dicht verbunden ist. Am Trichter 40 sind nicht gezeichnete Abschlussmittel vorgesehen, über die am Filtersack 46 abgeschiedene und im Trichter sich sammelnde Stoffe ausgeschleust werden können. Vom Tauchrohr 45 führt eine Verbindungsleitung 50 zur Sekundärseite des s

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Rekuperators 35, der über eine Leitung 60 mit der Gasturbine 3 verbunden ist.

Von der den Austritt des Luftverdichters 2 mit der Luftverteilkammer 13 verbindenden Leitung 62 zweigt eine Leitung 63 ab, die über ein Drosselorgan 64 mit dem Eintritt des Lufterhitzers 23 verbunden ist. Dessen Austritt mündet in die Leitung 60 und führt damit ebenfalls in die Gasturbine 3.

Der Abgasdampferzeuger 6 arbeitet auf zwei Druckstufen des Arbeitsmittels und weist eine Niederdrucktrommel 70 und eine Hochdrucktrommel 72 auf. Die meisten Heizflächen des Dampferzeugers 6 sind in einem Abgaskanal 75 angeordnet, der eingangsseitig über eine Abgasleitung 76 an der Gasturbine 3 angeschlossen ist. In Strömungsrichtung der Abgase sind im Abgaskanal 75 ein Hochdruck-Überhitzer 78, ein Hochdruck-Vorverdampfer 79, ein Hochdruck-Speise-wasservorwärmer 80, ein Niederdruck-Überhitzer 82 und ein Niederdruck-Verdampfer 83 vorgesehen. Von einem am Austritt der Dampfturbine 8 angeschlossenen Kondensator 86 führt eine Kondensatleitung 87 mit Niederdruckpumpe 88 zur Niederdrucktrommel 70, an der der Niederdruck-Verdampfer 83 beidendig angeschlossen ist. Aus der Niederdrucktrommel 70 führt eine Sattdampfleitung 90 zum Niederdruck-Überhitzer 82, der über einen Niederdruckstutzen 92 mit der Dampfturbine 7 verbunden ist.

Von der Niederdrucktrommel 70 führt eine Wasserleitung 94 mit Hochdruckpumpe 95 über den Hochdruck-Vor-wärmer 80 zur Hochdrucktrommel 72. Aus dieser führt eine Leitung 96 mit Umwälzpumpe 97 über den Hochdruck-Vor-verdampfer 79, die im Wirbelbett 18 angeordnete Heizfläche 22 und den im Rauchgaszug 33 angeordneten Wärmeübertrager 38 wieder zur Hochdrucktrommel 72. Am Dampfraum der Hochdrucktrommel 72 ist schliesslich eine Leitung 98 für Sattdampf angeschlossen, die zum Hochdruck-Überhitzer 78 führt, der über eine Frischdampfleitung 99 mit dem Hochdruckeintritt der Dampfturbine 7 verbunden ist.

Die beschriebene Anlage funktioniert wie folgt:

Die Gasturbinengruppe 1 wird durch den zu diesem Zweck als Motor schaltbaren Generator 4 angeworfen. Die im Luftverdichter 2 komprimierte Luft strömt zum Teil über die Leitung 62 und die Luftverteilkammer 13 in das Wirbelbett 18, in das über die Zuführmittel 20 Kohle- und Kalkkörner eingeführt werden. Diese Körner befinden sich, zusammen mit Körnern eines inerten Stoffes, wie Schlacke und Sand, in turbulenter Bewegung. Das Wirbelbett hat eine fast einheitliche Temperatur von etwa 900°C, so dass die Kohle verbrennt. Das dabei entstehende, nur geringen Luftüberschuss aufweisende Rauchgas von ebenfalls etwa 900°C strömt durch die groben Abscheidemittel 25, in denen gröbere, aus dem Wirbelbett 18 mitgerissene Teilchen abgeschieden werden. Diese Teilchen gelangen auf nicht gezeichnete Weise in das Wirbelbett zurück. Das derart vorgereinigte Rauchgas strömt weiter durch den Rauchgaszug 33, wobei es Wärme an den Rekuperator 35 und den Wärmeübertrager 38 abgibt. Das Rauchgas weist zwischen dem Rekuperator 35 und dem Wärmeübertrager 38 noch eine Temperatur von beispielsweise 550°C auf. Diese Temperatur wird beim Durchströmen des Wärmeübertragers 38 weiter auf etwa 500°C gesenkt. Dieser Wert ist für den im Rauchgasstrom folgenden Filtersack 46 des Staubabscheiders 43 gerade noch zulässig. Im Filtersack 46 werden die feinen Asche- und Schlacketeilchen des Rauchgases zurückgehalten. Eine nicht gezeichnete Einrichtung bringt den Filtersack periodisch in Schwingungen, wobei der auf dem Gewebe angesammelte Filterkuchen sich löst und in den Trichter 40 fällt, aus dem das abgeschiedene Material periodisch ausgeschleust wird. Das derart gereinigte Rauchgas wird nun über die Leitung 50 dem Rekuperator 35 zugeführt, in dem es um etwa dieselbe Temperaturspanne erhitzt wird,

um die es vorher primärseitig abgekühlt worden ist. Mit etwa 850°C verlässt das Rauchgas den Rekuperator und strömt über die Leitung 60 in die Gasturbine 3. Der andere Teil der vom Luftverdichter 2 kommenden Luft führt über die Lei-5 tung 63 in den Lufterhitzer 23 und gelangt dann zur Gasturbine 3. Dieser Luftstrom wird im Lufterhitzer 23 ebenfalls auf etwa 850°C erwärmt, so dass die Gasturbine 3 ein Gasgemisch von praktisch einheitlicher Temperatur erhält. Nach der Entspannung des Gases in der Gasturbine 3 strömt das io Gas über die Abgasleitung 76 in den Abgasdampferzeuger 6, wo noch Wärme an die Heizflächen 78 bis 83 abgegeben wird.

Erwähnenswert ist, dass die über den Lufterhitzer 23 geführte Luftmenge etwa doppelt so gross ist wie die durch ls das Wirbelbett 18 geschickte Gasmenge. Der Rekuperator 35 ist zum Erreichen der angegebenen Temperaturen auf knapp das Dreifache der Oberfläche des Lufterhitzers 23 zu bemessen. Durch Vergrössern des Rekuperators 35 und des Wärmeübertragers 38 und/oder durch Absinken des Frisch-20 dampfdruckes des den Dampferzeuger 6 verlassenden Hochdruckdampfes lässt sich die Temperatur vor dem Abscheider 43 weiter herabsetzen.

Auf der Dampferzeugerseite der Anlage wird aus dem 2S Kondensator 86 mit der Niederdruckpumpe 88 Kondensat in die Niederdrucktrommel 70 eingespeist. Im Naturumlauf strömt Wasser aus der Niederdrucktrommel 70 in den Niederdruck-Verdampf er 83 und gelangt als Wasserdampfgemisch in die Trommel 70 zurück. Aus deren Sattdampf-30 räum strömt Dampf in den Niederdruck-Überhitzer 82 und dann in überhitztem Zustand zum Niederdruckstutzen 92 der Dampfturbine 7. Mittels der Hochdruckpumpe 95 wird Wasser aus der Niederdrucktrommel 70 über den Hochdruck-Speisewasservorwärmer 80 in die Hochdrucktrommel 3S 72 eingespeist. Die Umwälzpumpe 97 fördert Wasser aus dieser Trommel 72 über den Hochdruck-Vorverdampfer 79, in dem noch kein oder nur wenig Dampf erzeugt wird, in die Heizfläche 22 und den Wärmeübertrager 38; als Wasser-Dampfgemisch gelangt dann das Arbeitsmittel in die Hoch-40 drucktrommel 72. Der in der Trommel 72 abgeschiedene Hochdruckdampf strömt in den Hochdruck-Überhitzer 78 und gelangt als Frischdampf zur Dampfturbine 7.

Durch die mit dem Anbringen des Rekuperators 35 und des Wärmeübertragers 38 erzielte Herabsetzung der Rauch-45 gastemperatur wird es möglich, die Rauchgase mit wirksameren Abscheidemitteln als bisher zu reinigen.

Werden elektrostatisch wirkende Filter als Staubabscheider verwendet, so kann es zweckmässig sein, deren Sprühelektroden bezüglich der Masse des Rekuperators 35 so so zu polarisieren, dass geladene feinste Teilchen, die den Abscheider passiert haben, sich nicht auf den Innenwänden des Rekuperators abscheiden, sondern von diesen abge-stossen werden.

Die Wand des Druckbehälters 5 kann beispielsweise aus 55 dicht miteinander verschweissten Rohren gebildet sein, in denen Wasser aus dem Abgasdampferzeuger 6 fliesst, das die Wand kühlt. Sie kann aber auch durch einen besonderen aus Kühlrohren gebildeten Einsatz vor zu hohen Temperaturen geschützt sein.

60 Aus thermodynamischen Gründen kann es günstig sein, von der im Druckbehälter 5 freiwerdenden Wärme einen möglichst grossen Anteil an den der Gasturbine 3 zugeführten Gasstrom zu übertragen, beispielsweise indem die Heizfläche 22 verkleinert oder eliminiert wird und/oder 65 indem die gekühlten Wände des Druckbehälters 5 durch Chamottierung vor hoher Wärmeaufnahme geschützt werden.

Anstatt die in den groben Abscheidemitteln 25 ausgeschie

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denen Teilchen aus dem Druckraum des Druckbehälters 5 auszuschleusen und sie über die Zuführmittel 20 wieder in diesen einzuschleusen, können sie auch über siphonartige Mittel in das Wirbelbett 18 zurückgeleitet werden.

Für den Fall, dass das im Rekuperator 35 erhitzte

Rauchgas nicht dieselbe Temperatur aufweist wie der im Lufterhitzer 23 erwärmte Luftstrom, können an der Vereinigungsstelle der beiden Gasströme oder zwischen dieser Stelle und der Gasturbine 3 Mischmittel, z.B. statische Mischer, s angeordnet werden.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Kombinierte Gasturbinen-Dampfkraftanlage mit einem Luftverdichter, einer Gasturbine und einem Druckbehälter, der eine Luftverteilkammer und eine Brennkammer mit Wirbelbett aufweist, wobei die Luftverteilkammer mit dem Austritt des Luftverdichters und die Brennkammer über Abscheidemittel mit dem Eintritt der Gasturbine verbunden sind, mit einem im Wirbelbett angeordneten, sekundärseitig zwischen dem Luftverdichter und der Gasturbine eingeschalteten Lufterhitzer und mit einem am Austritt der Gasturbine angeschlossenen Abgasdampferzeuger, dadurch gekennzeichnet, dass im Rauchgasstrom zwischen der Brennkammer (15) und den Abscheidemitteln (43) die Primärseite eines Rekuperators (35) sowie ein Wärmeübertrager (38) und zwischen den Abscheidemitteln (43) und der Gasturbine (3) die Sekundärseite des Rekuperators (35) angeschlossen sind.

2. Gasturbinen-Dampfkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidemittel (43) einen elektrostatischen Rauchgasfilter umfassen.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Gasturbinen-Dampfkraftanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidemittel (43) im Druckbehälter (5) untergebracht sind, in dem ausser dem Wirbelbett (18) auch der Rekuperator (35) und der Wärmeübertrager (38) angeordnet sind.

4. Gasturbinen-Dampfkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vorreinigung des Rauchgases im Rauchgasstrom zwischen dem Wirbelbett (18) und dem Rekuperator (35) weitere Abscheidemittel (25), vorzugsweise der Zyklonbauart, angeordnet sind.

5. Gasturbinen-Dampfkraftanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Austritte für die aus dem Rauchgas abgeschiedenen Teilchen der weiteren Abscheidemittel (25), gegebenenfalls über Trennmittel, an Zuführmittel (20) angeschlossen sind, die Brennstoffe und/oder Kalk in das Wirbelbett (18) einspeisen.