DE10035710A1

DE10035710A1 - Fossil-fuel-operated power station, has regenerator having at least three regenerator containers, and which serves as preheater that regains part of heat contained in flue gas

Info

Publication number: DE10035710A1
Application number: DE10035710A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Linde; Peter Lambertz
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2000-07-21
Filing date: 2000-07-21
Publication date: 2002-01-31

Abstract

A regenerator serves as an air preheater that regains a part of the heat contained in flue gas. The regenerator has three or more switchable regenerator containers (4).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein fossil beheiztes Kraftwerk, insbesondere ein Gasturbinenkraftwerk nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a fossil-fired power plant, in particular a Gas turbine power plant according to the preamble of claim 1.

Aus der DE 43 42 156 C1 ist ein fossil beheiztes Kraftwerk bekannt, bei dem die Verbrennungsluft durch Rückgewinn eines Teils der im Rauchgas enthaltenen Wärme in einem rotierenden Regenerator vorgewärmt wird. Die Vorwärmung der Verbrennungsluft dient der Erhöhung des Wirkungsgrades.From DE 43 42 156 C1 a fossil-fired power plant is known, in which the Combustion air by recovering part of the heat contained in the flue gas is preheated in a rotating regenerator. Preheating the Combustion air is used to increase efficiency.

Auf einem anderen Gebiet der Technik, nämlich dem Herstellen von Stahl, ist es seit Jahrzehnten bekannt, sog. Regeneratoren einzusetzen. Regeneratoren sind Wärmetauscher, bei denen billige keramische Speichermassen in Behältern eingebaut sind, die von den Fluiden, die die Wärme tauschen sollen, abwechselnd durchströmt werden. Regeneratoren erlauben den Wärmetausch Gas gegen Gas mit hohem Wirkungsgrad.It has been in another area of engineering, namely the manufacture of steel Known for decades to use so-called regenerators. Are regenerators Heat exchangers in which cheap ceramic storage masses are installed in containers which are alternately flowed through by the fluids that are to exchange heat become. Regenerators allow the gas to gas heat exchange with high Efficiency.

Auf einem anderen Gebiet der Technik, nämlich dem Motorenbau, ist ein aufgeladener Dieselmotor bekannt (RU 2104400 C1) dessen Ansaugluft in einem Regenerator gegen Abgas vorgewärmt wird.In another area of technology, namely engine building, there is a supercharged one Diesel engine known (RU 2104400 C1) whose intake air in a regenerator is preheated against exhaust gas.

Aus dem Jahrbuch 1997 der VDI Gesellschaft Energietechnik ist der Vortrag "Kraft- Wärme-Kopplungsanlagen mit integriertem Wärmeverschiebungssystem" von Herrn M. Perkavec, bekannt (Seiten 353 bis 369). Dort ist ein fossil betriebenes Kraftwerk, insbesondere ein Gasturbinenkraftwerk beschrieben, welches einen Luftvorwärmer aufweist, der einen Teil der im Rauchgas enthaltenen Wärme für die Anwärmung der Verbrennungsluft zurückgewinnt. Dieses Kraftwerk bildet den Oberbegriff des Anspruchs 1. Der Wärmetauscher ist als Rekuperator ausgebildet. Es findet ein Wärmeaustausch Gas gegen Gas statt. Wegen der niedrigen Wärmedurchgangs- Zahlen besteht ein hoher Bedarf an Heizfläche, die besonders teuer wird, weil wegen dem hohem Temperatur-Niveau warmfeste metallische Werkstoffe verwendet werden müssen. Wegen des geringen Wirkungsgrades des Rekuperators hat sich dieser Art der Vorwärmung bei Kraftwerken nicht durchgesetzt. The lecture "Kraft- Heat coupling systems with integrated heat transfer system "by Mr. M. Perkavec, known (pages 353 to 369). There is a fossil fuel power plant in particular a gas turbine power plant described, which an air preheater has a part of the heat contained in the flue gas for heating the Recovers combustion air. This power plant forms the generic term of the Claim 1. The heat exchanger is designed as a recuperator. It finds one Heat exchange gas for gas instead. Because of the low heat transfer Numbers, there is a high need for heating space, which is particularly expensive because of the high temperature level, heat-resistant metallic materials are used have to. Because of the low efficiency of the recuperator, this type the preheating in power plants not enforced.

Ein Ausweg ist wie üblich die Nachschaltung eines Dampfkraftwerkes. Da die Wärmedurchgangszahlen Gas gegen verdampfendes Wasser höher sind, reichen kleinere Heizflächen. Nachteilig ist der wegen hoher Verluste an Exergie schlechtere Gesamtwirkungsgrad bezogen auf den Brennstoffbedarf und der höhere Aufwand für den Dampfkreislauf.As usual, one way out is to add a steam power plant. Since the Thermal transmittance figures for gas against evaporating water are higher smaller heating surfaces. The disadvantage is the worse because of high losses of exergy Overall efficiency based on the fuel requirement and the higher expenditure for the steam cycle.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein solches Kraftwerk dahingehend zu verbessern, dass seine Investitionskosten deutlich günstiger sind.The object of the invention is therefore to improve such a power plant in that that its investment costs are significantly cheaper.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst von einem Kraftwerk mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ausführungen der Erfindung sind Gegenstände von Unteransprüchen.According to the invention, this object is achieved by a power plant with the features of claim 1. Embodiments of the invention are the subject of Dependent claims.

Die erfindungsgemäße Verwendung eines Regenerators mit drei oder mehr Regeneratorbehältern erlaubt einen sehr effektiven Wärmetausch. Da nach der Theorie von Hausen sehr kleine Temperaturdifferenzen an den Enden der Regeneratoren und damit sehr hohe Wärmetausch-Wirkungsgrade realisiert werden können, kann die Abwärme nach der Gasturbine zu mehr als 95% auf die anzuwärmende Luft übertragen werden. Auf diese Weise können sehr hohe elektrische Wirkungsgrade allein mit dem Gasturbinenprozess ohne Nachschaltung einer Dampfturbine erreicht werden, wie sie bei GUD-Kraftwerken zum Ausnutzen der Restwärme üblich sind. Das erfindungsgemäße Kraftwerk ist damit in der Investition auch wesentlich günstiger als ein GUD-Kraftwerk, da der. Aufwand für einen getrennten Dampfkreislauf entfällt.The use according to the invention of a regenerator with three or more Regenerator tanks allow a very effective heat exchange. Since after the Theory of Hausen very small temperature differences at the ends of the Regenerators and thus very high heat exchange efficiency can be realized can, the waste heat after the gas turbine to more than 95% on the air to be heated is transmitted. In this way, very high electrical Efficiencies with the gas turbine process alone, without the need to add one Steam turbine can be achieved, as they are used in GUD power plants Residual heat are common. The power plant according to the invention is thus in the investment also much cheaper than a combined cycle power plant, because the. Effort for a separate Steam cycle is eliminated.

Regeneratoren mit Behältern wurden deshalb gewählt, weil sich mit ihnen einerseits die hohen Druckdifferenzen von einigen bar zwischen Eingang und Ausgang der Turbine beherrschen lassen, was zum Beispiel mit rotierenden Regeneratoren, wie sie aus der DE 43 42 156 C1 bekannt sind, nicht realisierbar ist. Auf der andren Seite sind die Techniken zum Umschalten der Behälter beim Befüllen und Entspannen der Behälter bereits so ausgereift, dass Druckstöße in erheblichem Umfang nicht mehr auftreten. Gerade die Verwendung von drei oder mehr Behältern, wobei beispielsweise ein Behälter gerade von Hochdruckluft durchströmt wird, der zweite Behälter von Abgas auf niedrigem Druck durchströmt wird und der dritte Behälter bespannt oder entspannt wird, erlaubt es, die Druckstöße auf so niedrigem Niveau zu halten, dass die Gasturbine davon nicht behelligt wird.Regenerators with tanks were chosen because they deal with them on the one hand the high pressure differences of a few bar between the inlet and outlet of the Let the turbine dominate, for example what with rotating regenerators like them are known from DE 43 42 156 C1, is not feasible. On the other side are the techniques for switching the containers when filling and relaxing the Containers are already so mature that pressure surges are no longer significant occur. Just the use of three or more containers, for example high pressure air flows through one container, the second container from Exhaust gas is flowed through at low pressure and the third container is covered or is relaxed, it allows the pressure surges to be kept at such a low level that the Gas turbine is not troubled by it.

Im Gegensatz zum üblichen Gasturbinenprozess ohne Luftvorwärmung, bei dem der elektrische Wirkungsgrad durch Erhöhung des Prozessdruckes in gewissen Grenzen verbessert werden kann, liegt im Fall der Ausnützung der Abgaswärme zur Luftvorwärmung das Maximum an Wirkungsgrad (bis über 50%) bei dem relativ niedrigen Druck von ca. 8 bar. Das bedeutet, dass der rein maschinelle Aufwand für Luftverdichter und Turbine relativ gering gehalten werden kann.In contrast to the usual gas turbine process without air preheating, in which the electrical efficiency by increasing the process pressure within certain limits can be improved if the exhaust gas heat is used Air preheating the maximum in efficiency (up to over 50%) at the relative low pressure of approx. 8 bar. That means that the purely mechanical effort for Air compressor and turbine can be kept relatively low.

In einer Ausführung der Erfindung ist zur Wirkungsgraderhöhung ein Luftverdichter vor der Turbine vorgesehen und am Ausgang des Kraftwerks ein weiterer Wärmetauscher, der die Abwärme nochmals z. B. zu Heizzwecken nutzt.In one embodiment of the invention, an air compressor is provided to increase the efficiency the turbine and another heat exchanger at the output of the power plant, the waste heat again z. B. used for heating purposes.

Eine Ausführung der Erfindung wird anhand einer Figur gezeigt.An embodiment of the invention is shown with reference to a figure.

Die Figur zeigt schematisch ein Gasturbinenkraftwerk mit dem Kompressor 2 an der Lufteintrittsseite, drei parallel angeordneten Regeneratorbehältern 4, der Brennstoffeinspritzung 6 vor der Gasturbine 8 und dem Wärmetauscher 10 zum Nutzen der Restabwärme. Die Regeneratorbehälter 4 werden taktweise jeweils so geschaltet, dass sie einmal von den heißen Abgasen der Turbine durchströmt werden, wodurch sich ihre (bevorzugt keramischen) Massen aufwärmen und im späteren Takt so geschaltet sind, dass frische Ansaugluft zur Turbine 8 in Gegenrichtung durchgeleitet wird. Die frische Ansaugluft wird damit vorgewärmt. Die Gasturbine 8 gibt ihre Energie an einen Generator ab, der Luftkompressor 2 kann bevorzugt auf der gleichen Welle angeordnet sein. In der Figur sind die Schaltventile nicht gezeigt. Das sinnvolle An- und Ausschalten der einzelnen Behälter 4, also das Durchleiten der auf niedrigem Druck anliegenden heißen Verbrennungsgase, das Entspannen, das Aufdrücken und das Durchlassen der auf höherem Druck kommenden Ansaugluft, kann nach an sich bekannten Techniken erfolgen, die zum Beispiel auf dem Gebiet der Luftzerlegung mittels Adsorption schon bekannt sind. Auch dort werden unterschiedliche Behälter nacheinander taktweise gefüllt, wodurch Druckstöße vermieden oder so klein gehalten werden können, dass sie den Betrieb der dafür empfindlichen Gasturbine 8 nicht stören. The figure schematically shows a gas turbine power plant with the compressor 2 on the air inlet side, three regenerator tanks 4 arranged in parallel, the fuel injection 6 in front of the gas turbine 8 and the heat exchanger 10 for utilizing the residual waste heat. The regenerator tanks 4 are switched in cycles so that the hot exhaust gases from the turbine flow through them once, which causes their (preferably ceramic) masses to warm up and are switched in the later cycle in such a way that fresh intake air is passed to the turbine 8 in the opposite direction. The fresh intake air is thus preheated. The gas turbine 8 delivers its energy to a generator, the air compressor 2 can preferably be arranged on the same shaft. The switching valves are not shown in the figure. The sensible switching on and off of the individual containers 4 , that is to say the passage of the hot combustion gases present at low pressure, the relaxation, the pressing on and the passage of the intake air coming at higher pressure, can take place according to techniques known per se, for example on the Field of air separation by means of adsorption are already known. Here, too, different containers are successively filled in cycles, as a result of which pressure surges can be avoided or kept so small that they do not interfere with the operation of the gas turbine 8 which is sensitive to this.

Es folgen Berechnungsbeispiele für erfindungsgemäße Kraftwerke:
Bei einer elektrischen Leistung von 10 MW, einem Druck der Turbine von 8 bar und Eingangstemperaturen bei 1100°C ergibt sich ein Brennstoffbedarf von 20,5 MW und ein Wirkungsgrad elektrisch von 48,8%. Bei der Eingangstemperatur 1200°C und einem Brennstoffbedarf von 19,3 MW ergibt sich ein elektrischer Wirkungsgrad von 51,8%. Dabei sind für die Gasturbinenanlage folgende Wirkungsgrade angesetzt:
Brennkammer 94% Brennstoffnutzungsgrad,
Luftverdichter 85%,
Gasturbinen 88%,
bezogen auf Isentrope.The following are calculation examples for power plants according to the invention:
With an electrical output of 10 MW, a turbine pressure of 8 bar and inlet temperatures at 1100 ° C, the fuel requirement is 20.5 MW and the electrical efficiency is 48.8%. With an inlet temperature of 1200 ° C and a fuel requirement of 19.3 MW, the electrical efficiency is 51.8%. The following efficiencies are used for the gas turbine system:
Combustion chamber 94% fuel efficiency,
Air compressor 85%,
Gas turbines 88%,
based on isentrope.

Die nutzbare Abwärme beträgt ca. 5 MW, z. B. als Dampf auf 6 bar mit ca. 8 t/h, wodurch sich eine Gesamtbrennstoffnutzung von ca. 75% ergibt.The usable waste heat is approx. 5 MW, e.g. B. as steam to 6 bar at approx. 8 t / h, which results in a total fuel use of approx. 75%.

Als Regeneratoren für den Wärmetausch Abgas/Verbrennungsluft können solche mit elektrisch gesteuerter, stoßfreier Umschaltung verwendet werden, wobei im Beispielsfall drei Regeneratoren mit ca. 3,4 m Durchmesser i. L. (im Lichten, Innendurchmesser) verwendet werden. Die Schüttung ist eine Keramik, die Höhe der Schüttung ca. 5,5 m. Dies ergibt ein Gewicht je Generatorbehälter von ca. 40 t einschließlich Schüttung und Schaltarmatur. Als Schaltzeiten sind in diesem Beispiel 10 min vorgesehen, was eine Vollperiodendauer von 30 min ergibt, nämlich 10 min Durchströmung mit heißem Abgas auf niedrigem Druckniveau, 5 min. Aufpressen auf den hohen Druck des Gases, 10 min Durchströmung mit. Druckluft und 5 min Entspannen auf den niedrigen Druck des Abgases.As regenerators for the heat exchange of exhaust gas / combustion air, such can also be used electrically controlled, bumpless switching can be used, in which For example, three regenerators with a diameter of approx. 3.4 m i. L. (in the light, Inner diameter) can be used. The bed is a ceramic, the height of the Fill approx. 5.5 m. This results in a weight of approx. 40 t per generator tank including fill and switch armature. As switching times are in this example 10 minutes is provided, which results in a full period of 30 minutes, namely 10 minutes Hot exhaust gas flow at low pressure level, 5 min. Press on the high pressure of the gas, 10 min flow through. Compressed air and 5 min Relax on the low pressure of the exhaust gas.

Main operating data

Bei angenommen 1100°C vor der Turbine und 600°C nach der Turbine mit 10 MW Leistung ergibt sich eine Luftmenge bei 8 bar von 32,4 kg/sek, die im Regenerator vor der Brennkammer von 290°C auf 583°C angewärmt werden. Im Fall 1200°C vor der Turbine und 675°C nach der Turbine ergibt sich bei 8 bar eine Luftmenge von 28,5 kg/sek, angewärmt auf 658°C. Der Druckverlust im Abgasstrom beträgt ca. 1000 mm Wassersäule, der O₂-Gehalt im Abgas ca. 16 Vol.-%. Assuming 1100 ° C before the turbine and 600 ° C after the turbine with 10 MW output, the air volume at 8 bar is 32.4 kg / sec, which are heated in the regenerator in front of the combustion chamber from 290 ° C to 583 ° C , In the case of 1200 ° C before the turbine and 675 ° C after the turbine, the air volume at 8 bar is 28.5 kg / sec, warmed to 658 ° C. The pressure loss in the exhaust gas flow is approx. 1000 mm water column, the O ₂ content in the exhaust gas approx. 16 vol.%.

Bei einer möglichen Zusatzfeuerung vor der Abwärmenutzung von z. B. 5 MW ergibt sich eine Gesamtbrennstoffnutzung von ca. 80%. Dabei könnten im Bedarfsfall im zusätzlichen Wärmetauscher 10 ca. 8 t/h Dampf bei 6 bar (und 8 t/h Dampf bei 16 bar) erzeugt werden.With a possible additional firing before the waste heat use of z. B. 5 MW results in a total fuel use of approx. 80%. If necessary, approximately 8 t / h steam at 6 bar (and 8 t / h steam at 16 bar) could be generated in the additional heat exchanger 10 if necessary.

Für eine Gasturbinenanlage der elektrischen Leistung 25 MW, bei 2,5-fachem Luft- und Gasdurchsatz und gleichen Wirkungsgraden könnten vier Regeneratorbehälter mit je 4,2 m Durchmessern i. L. vorgesehen sein, wobei dann jeweils ein Regeneratorbehälter für die Druckluft und 2 Regeneratorbehälter parallel für das heiße Abgas sowie ein Regenerator für Füllung und Entspannung geschaltet werden.For a gas turbine system with an electrical output of 25 MW, with 2.5 times air and Gas throughput and the same efficiencies could four regenerator tanks each 4.2 m diameter i. L. can be provided, in which case a regenerator tank for the compressed air and 2 regenerator tanks in parallel for the hot exhaust gas and one Regenerator for filling and relaxation can be switched.

Auch die Verwendung von fünf, sechs, sieben oder mehr Regeneratorbehältern ist möglich und an sich aus dem Anwendungsgebiet der Druckwechseladsorption bereits bekannt und vorbeschrieben. Durch die Verwendung mehrerer Regeneratorbehälter lässt sich die Verfahrensführung immer stoßfreier und gleichmäßiger durchführen.The use of five, six, seven or more regenerator tanks is also possible and already from the field of application of pressure swing adsorption known and described above. By using multiple regenerator tanks the procedure can be carried out more and more smoothly and smoothly.

Claims

1. Fossil-operated power plant, in particular gas turbine power plant, with an air preheater that recovers part of the heat contained in the flue gas for the combustion air, characterized in that the air preheater is a regenerator with three or more regenerator containers ( 4 ).

2. Power plant according to claim 1, characterized in that the regenerator tank ( 4 ) are switched so that only small switching surges (less than 0.2 bar) occur when switching.

3. Power plant according to claim 1 or claim 2, characterized in that an air compressor ( 2 ) and a heat exchanger ( 10 ) are provided for using the waste heat.