DE10006497A1 - System zur Wärmerückgewinnung in Kombi-Kraftanlage - Google Patents

System zur Wärmerückgewinnung in Kombi-Kraftanlage

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Abstract

Eine Kombi-Kraftanlage (1) mit einer Gasturbine (2) weist ein System zur Wärmerückgewinnung auf, in welchem die Abgase aus der Gasturbine (2) in einen Abhitzekessel (6) geleitet werden, wo ihre Abwärme für die Vorwärmung von Wasser aus einem Wasser- oder Wasser-Dampf-Kreislauf verwendet wird. Ein Teil des dort vorgewärmten Wassers wird für die Vorwärmung von Brennstoff für die Gasturbine (2) eingesetzt. Es durchfließt hierzu einen einzigen Kreislauf, wobei das Wasser über eine Entnahmeleitung (30, 40) einem beliebigen Druckbereich des Abhitzekessels (6) entnommen wird und einem Doppelrohr-Wärmetauscher (31) zugeführt wird. Der Brennstoff für die Gasturbine (2) fließt in den Innenrohren der Doppelrohre (32) des Wärmetauschers (31) und wird durch das vorgewärmte Wasser, das die Außenrohre umfließt, erwärmt. Das Wasser wird schließlich über eine Rücklaufleitung (35) zum Wasser- oder Wasser-Dampf-Kreislauf rückgeführt. Die Vorwärmung durch einen einzigen Kreislauf ermöglicht eine erhöhte Effizienz der Wärmerückgewinnung. Zudem erbringt der Einsatz eines Doppelrohr-Wärmetauschers eine Minimierung des Sicherheitsrisikos im Fall von Wasser- oder Brennstoff-Leckagen.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein System zur Wärmerückgewinnung in einer Kombi- Kraftanlage mit einer Gasturbine, deren Abgase zwecks Rückgewinnung ihrer Abwärme in einen Abhitzekessel geleitet werden. Sie betrifft insbesondere ein System zur Wärmerückgewinnung, in welchem die Abwärme aus den Abgasen der Gasturbine teilweise für eine Vorwärmung von Brennstoff für die Gasturbine verwendet wird.
Stand der Technik
Bei der Verbrennung von Gas oder Öl für den Betrieb einer Gasturbine entstehen Abgase hoher Temperatur, deren Abwärme ausgenützt werden kann. Üblicherweise werden die Abgase hierzu in einen Abhitzekessel geleitet, wo ihre Abwärme durch Wärmetausch rückgewonnen wird. Die Abgase umströmen dort Heizflächen, wie zum Beispiel Rohre, in denen Wasser oder Dampf strömt. Ein auf diese Weise (im Hochtemperaturbereich des Abhitzekessels) erhitzter Dampf wird beispielsweise für den Antrieb einer der Gasturbine nachgeschalteten Dampfturbine, als Prozessdampf oder zur Einspritzung in eine Gasturbine verwendet. Wasser wird zum Beispiel im Niedertemperaturbereich des Abhitzekessels erwärmt und dann dem Wasser-Dampf-Kreislauf einer Dampfkraftanlage zugeführt oder bei der Vorwärmung von Brennstoff eingesetzt. Durch eine Vorwärmung von Brennstoff für Gasturbinen, wie Gas oder Öl, auf eine vorbestimmte Temperatur wird ein höherer Wirkungsgrad der Gasturbine erzielt.
Ein System für die Vorwärmung von Brennstoff für Gasturbinen ist beispielsweise in der Druckschrift EP 0 659 980 offenbart. Im Abhitzekessel einer Gasturbine sind mehrere Wärmetauscher angeordnet. Kondensat aus dem Kondensator einer Dampfturbine wird im Niederdruckbereich des Abhitzekessels vorgewärmt und einem weiteren Wärmetauscher zugeführt, der sich ausserhalb des Abhitzekessels befindet. Dort umfliesst es Rohre, in denen Gas für den Betrieb der Gasturbine strömt, und wird schliesslich dem Kondensator zurückgeführt. In einem Wärmetauscher dieser Art ist eine effiziente Erwärmung des Brennstoffs mit wenig Verlusten möglich. Der Betrieb eines solchen Systems birgt jedoch Nachteile. Zwischen dem wärmenden Wasser und dem Brennstoff besteht eine Druckdifferenz, der die Rohrwände standhalten müssen. Es kann dabei zu mechanischen Defekten an den Rohren kommen, wodurch Brennstoff in den Wasserkreislauf gelangen kann, was bei ungünstigen Ansammlungen von Gas zu Explosionen führen kann. Ein solches System birgt also ein Sicherheitsrisiko in sich, dessen Eindämmung teure Schutzmassnahmen erfordert.
In der Druckschrift EP 0 819 209 wird ein weiteres System zur Vorwärmung von Brennstoff für eine Gasturbine offenbart. Hier wird das Wasser zur Erwärmung des Brennstoffs in einem in sich geschlossenen Zwischenkreislauf erwärmt wird. In diesem Zwischenkreislauf wird Wasser in einem Wärmetauscher durch Speisewasser aus dem Wasser-Dampf-Kreislauf einer Dampfturbine erwärmt, das im Mitteltemperaturbereich des Abhitzekessels der Gasturbine erwärmt worden ist. In diesem System ist also der Wasser-Dampf-Kreislauf der Dampfturbine und der Wasser-Kreislauf für die Vorwärmung des Brennstoffs voneinander getrennt, sodass das Sicherheitsrisiko durch Wasser-Brennstoff-Leckagen entfällt. Das System hat jedoch den Nachteil, dass durch den Zwischenkreislauf zusätzliche Verluste entstehen und insgesamt eine geringere Wärmerückgewinnung erzielt wird. Ferner erfordert der Betrieb der zusätzlichen Pumpen für den Zwischenkreislauf einen grösseren Energiebedarf, wodurch die Energiebilanz weiter verschlechtert wird.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine Kombi-Kraftanlage mit einer Gasturbine ein System für die Rückgewinnung von Wärme aus den Abgasen der Gasturbine zu schaffen, bei dem die Abgase in einen Abhitzekessel geleitet werden und die dort rückgewonnene Wärme zur Vorwärmung von Brennstoff für die Gasturbine verwendet wird. Hierzu soll Wasser aus einem Wasser-Kreislauf oder Wasser-Dampf-Kreislauf verwendet werden, das in Vorwärmern im Abhitzekessel vorgewärmt worden ist. Es ist insbesondere die Aufgabe, ein System zur Vorwärmung von Brennstoff für eine Gasturbine zu schaffen, dessen Effizienz der Wärmerückgewinnung optimiert ist und das ein minimales Sicherheitsrisiko beinhaltet.
Diese Aufgabe wird durch ein System gemäss Anspruch 1 gelöst. Das System für die Wärmerückgewinnung weist einen einzigen Wasser-Kreislauf für die Vorwärmung von Brennstoff auf. Dieser Kreislauf enthält eine Entnahmeleitung, die dem Abhitzekessel vorgewärmtes Wasser entnimmt und zu einem Wärmetauscher feitet, in welchem es den Brennstoff für die Gasturbine vorwärmt. Eine weitere Leitung, die dem Wärmetauscher angeschlossen ist, führt dieses Wasser, nachdem es den Wärmetauscher durchflossen hat, dem Wasser- oder Wasser-Dampf-Kreislauf zurück. Erfindungsgemäss weist der Wärmetauscher zur Vorwärmung des Brennstoffs Doppelrohre mit Innen- und Aussenrohren auf, wobei der Brennstoff durch die Innenrohre fliesst und das wärmende Wasser die Aussenrohre umfliesst. Zudem ist die Entnahmeleitung für das Wasser für die Vorwärmung des Brennstoffs einem Vorwärmer in einem beliebigen Druckbereich des Abhitzekessels angeschlossen.
In einer ersten Ausführung der Erfindung ist die Entnahmeleitung für das Wasser für die Erwärmung des Brennstoffs einem Vorwärmer in einem Niederdruckbereich des Abhitzekessels angeschlossen.
In einer zweiten Ausführung ist die Entnahmeleitung für dieses Wasser einem Vorwärmer in einem Hochdruckbereich des Abhitzekessels entnommen.
Der Doppelrohr-Wärmetauscher weist eine Vielzahl von Doppelrohren mit jeweils einem Aussenrohr und einem Innenrohr auf, wobei sich zwischen den beiden Rohren jeweils ein Hohlraum befindet. Im Fall einer Leckage am Innen- oder Aussenrohr gelangt der Brennstoff bzw. das Wasser in diesen Hohlraum. Es wird dabei verhindert, dass Brennstoff oder Wasser direkt in das andere Medium gelangt. Eine direkte Verunreinigung des Wassers oder eine Ansammlung von Gas wird also vermieden. Eine Leckage kann in diesem Doppelrohr- Wärmetauscher festgestellt und behoben werden, ohne dass es zu einem Schaden an der Anlage kommt. Dadurch ist die Sicherheit des Systems stark erhöht, und Schutzmassnahmen, wie sie bei Wärmetauschern mit einfachen Rohren notwendig sind, sind nun nicht mehr erforderlich.
Die Doppelrohre des Wärmetauschers weisen entlang ihrer Länge zwischen den Innen- und Aussenrohren mehrere Halteringe auf. Beim Wärmetausch wird die Wärme des Wassers über die Wandungen der Aussenrohre über die Halteringe auf die Innenrohre und zum Brennstoff geleitet. Die Halteringe weisen jeweils mindestens eine Öffnung auf, sodass der Hohlraum über die Länge der Rohre kontinuierlich ist. Im Fall einer Leckage von Wasser durch das Aussenrohr oder einer Leckage von Brennstoff durch das Innenrohr gelangt das Wasser bzw. der Brennstoff lediglich in diesen Hohlraum. Eine Leckage kann mittels Sensoren in diesen Hohlräumen festgestellt und entsprechende Massnahmen zu ihrer Behebung können eingeleitet werden.
Durch die Trennung der beiden Medien im Wärmetauscher durch einen Hohlraum entfällt grösstenteils die Problematik des Druckgefälles zwischen Wasser und Brennstoff und den damit verbundenen Sicherheitsrisiken. Deshalb ist es nun ermöglicht, den Entnahmeort des Wassers von der Wasserleitung im Abhitzekessel frei von sicherheitsrelevanten Überlegungen wählen zu können. Es kann nun Wasser zur Vorwärmung des Brennstoffs aus einem tieferen Druckbereich als derjenige im Gassystem benützt werden, ohne dass die Betriebssicherheit gefährdet ist. Druck und Temperatur des vorwärmenden Wassers sind dadurch frei wählbar. Der Entnahmeort kann beliebig im Niedertemperatur- oder im Hochtemperaturbereich angeordnet werden. Bei der Bestimmung des Entnahmeortes sind somit lediglich die gewünschte Temperatur des Brennstoffes und die Grädigkeit des Doppelrohr-Wärmetauschers massgebend.
Das Wasser für die Vorwärmung des Brennstoffs durchfliesst nach der Entnahme aus der Vorwärmung im Abhitzekessel einen einzigen Kreislauf, bei dem seine Wärme direkt und mit einmaligem Temperaturgefälle dem Brennstoff übertragen wird. Ein Zwischenkreislauf und die Verluste, die mit zwei Temperaturgefällen verbunden sind, werden dadurch vermieden.
Das erfindungsgemässe System ermöglicht eine optimierte Wärmerückgewinnung verbunden mit einer erhöhten Betriebssicherheit. Durch die Vermeidung eines Zwischenkreislaufs und von Schutzvorrichtungen zur Eindämmung von Sicherheitsrisiken wird zudem der Kostenaufwand für Bau und Betrieb der Anlage reduziert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
Fig. 1 ein Schema einer Kombi-Kraftanlage mit Gasturbine und Abhitzekessel und einem erfindungsgemässen System zur Vorwärmung von Brennstoff für die Gasturbine,
Fig. 2a ein Beispiel eines Doppelrohres in einem Doppelrohr-Wärmetauscher des erfindungsgemässen Systems,
Fig. 2b ein Beispiel eines Halteringes in einem Doppelrohr.
Wege der Ausführung der Erfindung
Fig. 1 zeigt eine Kombi-Kraftanlage 1 mit einer Gasturbine 2. Der Brennstoff für die Gasturbine 2, zum Beispiel Öl oder Gas wird über eine Leitung 3 zur Brennkammer 4 der Gasturbine 2 geleitet. Die bei der Verbrennung entstehenden Abgase hoher Temperatur werden über Leitungen 5 in einen Abhitzekessel 6 geführt, wo ihre Abwärme an Wasserleitungen 10 abgegeben wird. Nach Durchströmen des Hochtemperaturbereichs 7 und des Niedertemperaturbereichs 8 des Abhitzekessels 6 gelangen die abgekühlten Abgase über einen Kamin 9 an die Atmosphäre.
Eine Leitung 10 führt Wasser zur Aufwärmung in einen Vorwärmer 11 im Niedertemperatur- und Niederdruckbereich 8 des Abhitzekessels 6. Dieses Wasser ist beispielsweise Kondensat oder Speisewasser aus dem Wasser- Dampf-Kreislauf einer Dampfturbine oder Wasser aus dem Kreislauf eines Fernheizwerks. Im Niederdruckbereich 8 wird ein Teil dieses vorgewärmten Wassers in eine Niederdrucktrommel 12 geleitet. Als Teil des Niederdruckbereichs 8 des Abhitzekessels 6 ist dieser Niederdrucktrommel 12 eine Niederdruck- Verdampfer-Heizfläche 13 angeschlossen, in der Niederdruckdampf erzeugt wird. Dieser wird über eine Dampfleitung 14 der Kraftanlage oder einem weiteren System zur weiteren Verwendung zugeführt.
Aus dem Vorwärmer 11 im Niederdruckbereich 7 führt eine Leitung 15 zum Hochdruckbereich 7 des Abhitzekessels 6, in dem ein Vorwärmer 16, eine Hochdrucktrommel 17 mit Hochdruck-Verdampfer-Heizfläche 18 angeordnet sind. Der dort erzeugte Hochdruckdampf wird über eine Dampfleitung 19 aus dem Abhitzekessel geführt und beispielsweise über eine Leitung 20 der Gasturbine zwecks Einspritzung in der Brennkammer, über eine Prozessdampfleitung 21 einer weiteren Anlage oder über eine Leitung 22 einer Dampfturbine zugeführt. Erfindungsgemäss weist das System für die Vorwärmung von Gasturbinenbrennstoff eine Entnahmeleitung 30, über die dem Vorwärmer 11 vorgewärmtes Wasser entnommen und zu einem Wärmetauscherapparat 31 geführt wird. Dieser Apparat 31 weist insbesondere Doppelrohre 32 auf mit jeweils Aussenrohren und Innenrohren. Der Gasturbinenbrennstoff fliesst über eine Zufuhrleitung 33 durch die Innenrohre des Apparates 31 und wird von dort über eine Leitung 3 der Brennkammer 4 der Gasturbine zugeführt. Das durch den Vorwärmer 11 aufgewärmte Wasser umfliesst die Aussenrohre des Wärmetauschers 31, wobei es den Brennstoff in den Innenrohren erwärmt.
Der Brennstoff wird im Doppelrohr-Wärmetauscher 31 auf eine Temperatur erwärmt, beispielsweise auf 140°C. Dadurch wird ein höherer Wirkungsgrad beim Betrieb der Gasturbine erreicht.
Die Vorwärmung des Brennstoffs dient auch dazu, dass der Brennstoff um einen gewissen Temperaturbereich über dem Taupunkt des Brennstoffes liegt. Dadurch wird sichergestellt, dass sich eine Kondensation und durch Tropfen verursachte Schäden verhindert werden. Hierfür wird der Brennstoff auf eine Temperatur von beispielsweise 20°C über dem Taupunkt erwärmt.
Für den Betrieb des Doppelrohr-Wärmetauschers bestehen minimale Einschränkungen bezüglich des Druckes des Wassers und des Brennstoffs. Wie bereits erwähnt, ist dies durch den Hohlraum zwischen den Aussen- und den Innenrohren des Apparates ermöglicht. Sollte eine Leckage an einer der Rohrwandungen sich ereignen, ist dank der Doppelrohre eine Verunreinigung des Brennstoffes durch Wasser oder eine Gas-Ansammlung im Wasser-Kreislauf nahezu unmöglich. Durch die Minimierung des Sicherheitsrisikos ist die Wahl der Drücke des Wasserdrucks nunmehr frei. somit kann das Wasser für die Erwärmung des Brennstoffes an einer beliebigen Stelle des Abhitzekessels entnommen werden. Bei der Wahl des Entnahmeortes ist als einziges Kriterium die gewünschte Endtemperatur des Brennstoffes und die Grädigkeit des Wärmetauschers zu berücksichtigen, wobei diese Grädigkeit typischerweise ca. 15°C beträgt.
Hieraus weist in einer alternativen Lösung der Aufgabe das erfindungsgemässe System eine Leitung 40 auf, durch welche Wasser dem Hochdruckbereich 7 entnommen wird. Die Entnahmestelle befindet sich hier beispielsweise wasserseitig am Ende des Vorwärmers 16. Es wird dann über die Leitung 40 dem Doppelrohr-Wärmetauscherapparat 31 zugeführt. Durch diese Anordnung der Entnahmestelle kann der Brennstoff bis zu Temperaturen nahe dem Verkoksungspunkt erreicht werden. Dies ermöglicht eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrads der Gasturbine. Obwohl das Wasser aus dem Hochdruckbereich einen erhöhten Druck besitzt, besteht im Wärmetauscher 31 dank dem Einsatz der Doppelrohre kein Sicherheitsrisiko bezüglich Leckagen der beiden Medien.
Nach Durchfliessen des Doppelrohr-Wärmetauschers gelangt das Wasser in eine Rücklaufleitung 36, über die es in den Wasser- oder Wasser-Dampf-Kreislauf gelangt. Dieser Rücklaufpunkt ist in bezug auf das Vorwärmsystem beliebig, und wird lediglich nach Kriterien der Machbarkeit, der Wirtschaftlichkeit und der Wärmerückgewinnung je nach Anlagenkonfiguration gewählt.
Fig. 2a zeigt im Detail eines der Doppelrohre 50, das im Doppelrohr- Wärmetauscher eingesetzt wird. Es weist ein Innenrohr 51 mit einer Wandung 52 auf, durch das der Brennstoff für die Gasturbine fliesst. Dieses Innenrohr 51 ist durch einen Hohlraum 53 von einem Aussenrohr 54 getrennt. Das Aussenrohr 53 wird durch mehrere Halteringe 55 gehalten, wovon ein Beispiel in Fig. 2b dargestellt ist. Die Halteringe dienen zudem der Wärmeleitung von den Aussen- zu den Innenrohren. Die Halteringe 55 weisen mehrere Öffnungen auf, wodurch über die gesamte Länge eines Doppelrohres ein kontinuierlicher Hohlraum gewährleistet ist. In diesem Hohlraum ist in einer Ausführungsform der Erfindung jeweils ein Sensor angeordnet, durch den eine Leckage von Wasser oder Brennstoff festgestellt werden kann.
Bezugszeichenliste
1
Kombi-Kraftanlage
2
Gasturbine
3
Leitung für Brennstoff
4
Brennkammer
5
Leitung für Abgas
6
Abitzekessel
7
Hochdruckbereich
8
Niederdruckbereich
9
Kamin
10
erste Wasserleitung
11
Niederdruck-Vorwärmer für Wasser
12
Niederdruck-Trommel
13
Niederdruck-Verdampfer-Heizfläche
14
Dampfleitung
15
Leitung für Wasser
16
Hochdruck-Vorwärmer für Wasser
17
Hochdruck-Trommel
18
Hochdruck-Verdampfer-Heizfläche
19
Hochdruckdampfleitung
20
Leitung zu Gasturbine
21
Leitung für Prozessdampf
22
Leitung zu Dampfturbine
30
Entnahmeleitung
31
Doppelrohr-Wärmetauscherapparat
32
Doppelrohre
33
Zufuhrleitung für Brennstoff
35
Rücklaufleitung für Wasser
40
alternative Entnahmeleitung
50
Doppelrohr
51
Innenrohr
52
Wandung
53
Hohlraum
54
Aussenrohr
55
Haltering
56
Öffnung

Claims (6)

1. System für die Wärmerückgewinnung in einer Kombi-Kraftanlage (1) mit einer Gasturbine (2), für die in einer Brennkammer (3) Brennstoff verbrannt wird und deren Abgase zwecks Rückgewinnung ihrer Abwärme in einen Abhitzekessel (6) mit einem oder mehreren Druckbereichen geleitet werden, wobei Wasser aus einem Wasser-Kreislauf oder Wasser-Dampf-Kreislauf in den Abhitzekessel (6) geführt und dort in Vorwärmern (11, 16) im Abhitzekessel (6) erwärmt wird, und das System für die Wärmerückgewinnung einen einzigen Wasser-Kreislauf für die Vorwärmung von Brennstoff für die Gasturbine mit einer Entnahmeleitung aufweist, die Wasser vom Abhitzekessel (6) zu einem Wärmetauscher führt, in welchem der Brennstoff für die Gasturbine (2) erwärmt wird, und einer Rücklaufleitung (35), die das Wasser dem Wasser- oder Wasser- Dampf-Kreislauf zurückgeführt dadurch gekennzeichnet, dass die Entnahmeleitung (30, 40) für das Wasser für die Vorwärmung des Brennstoffs einem Vorwärmer (11, 16) in einem beliebigen Druckbereich des Abhitzekessels (6) angeschlossen ist, und der Wärmetauscher (31) für die Vorwärmung des Brennstoffs ein Doppelrohr-Wärmetauscher (31) ist, dessen Doppelrohre (32) jeweils ein Innenrohr (51) und ein Aussenrohr (54) aufweisen, wobei der Brennstoff jeweils im Innenrohr (51) fliesst und das erwärmende Wasser die Aussenrohre (54) umströmt.
2. System für die Wärmerückgewinnung in einer Kombi-Kraftanlage (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Entnahmeleitung (30) für das Wasser zur Vorwärmung des Brennstoffs dem Vorwärmer (11) in einem Niederdruckbereich (8) des Abhitzekessels (6) angeschlossen ist.
3. System für die Wärmerückgewinnung in einer Kombi-Kraftanlage (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Entnahmeleitung (40) für das Wasser zur Vorwärmung des Brennstoffs dem Vorwärmer (16) in einem Hochdruckbereich (7) des Abhitzekessels (6) angeschlossen ist.
4. System für die Wärmerückgewinnung in einer Kombi-Kraftanlage (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenrohr (51) eines Doppelrohres (32) jeweils vom Aussenrohr (32) durch einen Hohlraum (53) getrennt ist, in dem Halteringe (55) angeordnet sind, die jeweils mindestens eine Öffnung (56) aufweisen.
5. System für die Wärmerückgewinnung in einer Kombi-Kraftanlage (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Hohlraum (53) zwischen dem Innenrohr (51) und dem Aussenrohr (54) eines Doppelrohrs (32) des Wärmetauschers (31) jeweils Sensoren angeordnet sind zur Feststellung einer Leckage von Wasser oder Brennstoff in den Hohlraum (53).
6. System für die Wärmerückgewinnung in einer Kombi-Kraftanlage (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff für die Gasturbine (2) Gas oder Öl enthält.
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