DE10041413A1

DE10041413A1 - Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage

Info

Publication number: DE10041413A1
Application number: DE10041413A
Authority: DE
Inventors: Mircea Fetescu; Jean-Pierre Rickli; Franz Stirnimann; Erhard Liebig
Original assignee: ABB Schweiz AG
Current assignee: Ansaldo Energia IP UK Ltd
Priority date: 1999-08-25
Filing date: 2000-08-23
Publication date: 2001-03-15
Anticipated expiration: 2020-08-24
Also published as: US6560966B1; DE10041413B4

Abstract

Bei einem Verfahren zum Betrieb einer Gasturbogruppe (1-5) werden Teilströme verdichteter Luft in Kühlluftkühlern (10, 11) abgekühlt und als Kühlluft für thermisch hochbelastete Komponenten der Gasturbogruppe verwendet. Die Kühlluftkühler sind als Dampferzeuger ausgeführt. Dort erzeugter Dampf wird teilweise der Gasturbogruppe zugeführt und dort unter Abgabe von Nutzleistung entspannt, während ein weiterer Teil des Dampfes dem Kühlsystem zugeführt wird, wo der Dampf Luft verdrängt, welche Luft wiederum dem Gasturbinenprozess zur Verfügung steht. Auf diese Weise wird der mit Hilfe von der Kühlluft entzogener Wärme erzeugte Dampf weiter genutzt.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage sowie eine Kraftwerksanlage zur Durchführung des Verfahrens. Es handelt sich hierbei um Kraftwerksanlagen mit mindestens einer Gasturbogruppe mit mindestens einem Verdichter, mit mindestens einer Brennkammer und mindestens einer Gasturbine, wobei ein Teil der im Verdichter verdichteten Luft abgezweigt, in einem Kühlluftkühler abgekühlt und als Kühlmedium für die Gasturbogruppe verwendet wird. Die der verdichteten Luft entzogene Wärme wird zumindest teilweise zur Erzeugung überhitzten Dampfes genutzt, der zumindest teilweise an geeigneter Stelle in die Gasturbogruppe eingeleitet wird.

Gasturbinenkraftwerke und Verfahren zum Betrieb solcher Kraftwerksanlagen sind in den verschiedensten Ausführungsformen bekannt. Bei einem einfachen, offenen Gasturbinenprozeß besteht die Anlage im wesentlichen nur aus einem Verdichter, einer Brennkammer und einer dahintergeschalteten Gasturbine. Zum Betrieb der Anlage wird aufbereitete, beispielsweise filtrierte, enteiste, erhitzte oder gekühlte, Umgebungsluft in den Verdichter eingeleitet. Die verdichtete Luft wird dann weiter in die Brennkammer geführt, wo durch die Verbrennung die Enthalpie der komprimierten Luft erhöht wird. Die daraus resultierenden Verbrennungsgase werden in der Gasturbine expandiert, wobei die freiwerdende Arbeit über eine Rotorwelle wiederum dem Verdichter und außerdem einem Generator zugeführt wird.

Die Abgase der ersten Gasturbine enthalten im Prinzip noch genügend Sauerstoff, um als vorerhitzte Luft für eine zweite Verbrennung genutzt zu werden. Um die Effizienz einer solchen Anlage zu erhöhen, wird daher bei der sogenannten "sequentiellen Verbrennung" hinter die erste Gasturbine eine zweite Brennkammer sowie eine zweite Gasturbine geschaltet. In dieser zweiten Brennkammer wird erneut die Enthalpie des Gases erhöht und die entstehenden Verbrennungsgase werden in der zweiten Turbine entspannt. Die erste Turbine ist hierbei die Hochdruckturbine und die zweite Turbine eine Niederdruckturbine. Beide Turbinen sind in der Regel auf einer gemeinsamen Welle montiert.

Bei Kombianlagen werden die auf nahezu Atmosphärendruck entspannten Abgase aus einer oder mehreren Gasturbinen in einem Abhitzedampferzeuger zur Erzeugung von Dampf genutzt. Mit diesem Dampf wird in einem separaten geschlossenen Dampfkreislauf zur Erzeugung zusätzlicher mechanischer oder elektrischer Energie eine Dampfturbine betrieben. Des weiteren kann ein Teil des Dampfs im Dampfkreislauf auch als Prozeßdampf oder für ein Fernwärmesystem oder dergleichen genutzt werden.

Ein Problem beim Betrieb solcher Kraftwerksanlagen ist die Kühlung. Die Schaufelblätter der Welle und das Gehäuse der Gasturbinen sind in ständigem Kontakt mit den heißen Verbrennungsgasen aus den Verbrennungskammern. Abhängig von ihrer Position und dem Material der verschiedenen Teile ist eine Kühlung notwendig, um die mechanische Unversehrtheit während des Betriebs zu gewährleisten. Zur Kühlung dieser Komponenten sind unterschiedliche Systeme bekannt, bei denen Kühlmedien wie Luft, Dampf oder andere Kühlmittel genutzt werden.

Bei einer Methode, auf die sich auch die vorliegende Erfindung bezieht, wird aus dem Verdichter komprimierte Luft entnommen und diese den Turbinen zur Kühlung zugeleitet. Durch die Verwendung eines Teils der komprimierten Luft zur Turbinenkühlung wird zwangsläufig der Anteil der Luft, die am thermodynamischen Arbeitsprozeß der Gasturbine teilnimmt, reduziert. Dies führt zu einer geringeren Gasturbinenausgangsleistung und -effizienz. Außerdem kann die Kühlluft zu einem Anstieg der Gasturbinenexergieverluste, z. B. aufgrund des sogenannten Verdünnungseffekts, d. h. aufgrund der Mischungsverluste durch die in den Turbinengasfluß eintretende Kühlluft, führen.

Beim Bau von Hochleistungsgasturbinen ist es daher erforderlich, die Kühlluftmenge zu minimieren. Dies kann zum einen dadurch erreicht werden, daß für die zu kühlenden Komponenten exotischere Materialien und spezielle Temperaturschutzbeschichtungen verwendet werden, was allerdings mit höheren Investitionskosten verbunden ist. Eine Alternative zur Minimierung der Kühlluftmenge besteht darin, die Temperatur der verdichteten Luft extern zu verringern, bevor die Luft zur Turbinenkühlung verwendet wird. Dies führt zu einem erhöhten Wärmeaustausch, da die Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlmedium und der Metalloberfläche der zu kühlenden Teile vergrößert wird. Eine äquivalente Kühlung erfordert daher, eine geringere Kühlluftmenge. Die Leistung der Gasturbine wird dadurch erhöht, da weniger Luft den thermodynamischen Gasturbinenprozeß umgeht.

Stand der Technik

Zum externen Abkühlen der komprimierten Kühlluft kommen in der Technik unterschiedliche Verfahren zur Anwendung.

Zum einen gibt es die sogenannten Quench-Kühler, bei denen die verdichtete Luft durch Einspritzen von Wasser gekühlt wird. Diese Methode ist jedoch mit einer starken thermischen Belastung der Luftkühler verbunden. Zudem besteht die Möglichkeit, daß die Gasturbinenkühlluft durch Verunreinigungen im Wasser kontaminiert wird und dies wiederum zu einem Verstopfen des Kühlsystems führen kann, was katastrophale Konsequenzen nach sich ziehen könnte. Um das zu verhindern, wird bei dieser Kühlungsmethode hochreines Wasser in größeren Mengen benötigt. Weiterhin ist eine exakte Kontrolle der Lufttemperatur nach dem Mischen äußerst schwierig. Eine möglichst genaue Bestimmung der Kühltemperatur ist aber notwendig, um eine Beschädigung der Gasturbine zu vermeiden.

Bei einer weiteren Methode zur Kühlung der verdichteten Luft werden Kühlelemente verwendet. Dabei wird die entzogene Wärme in die Umgebung abgegeben, indem beispielsweise das in einem Wärmetauscher verwendete Kühlmedium wiederum durch Luftventilatoren abgekühlt wird. Bei dieser Methode geht die entzogene Wärme dem Gasturbinenprozeß verloren.

Die DE 195 08 018 A1 zeigt eine weitere Kühlungsmethode, bei der die entzogene Wärme weiter genutzt werden kann. Bei der dort gezeigten Anlage handelt es sich um eine Kombianlage mit einem Gasturbinenkreislauf und einem kompletten geschlossenen Wasserdampfkreislauf. Bei der dort vorgeschlagenen Methode wird die Luft in Luftkühlern abgekühlt, welche in den Wasserdampfkreislauf integriert sind. Hierbei wird ein Teil des in einem Abhitzedampferzeuger erzeugten Dampfs als Kühlmedium für den Luftkühler verwendet, wobei die der Kühlluft entzogene Wärme zum Überhitzen des Dampfs genutzt wird. Der überhitzte Dampf kann dann wieder in den Wasserdampfzyklus, beispielsweise zum Abhitzedampferzeuger, zurückgeführt werden oder zum Einspritzen in die Gasturbine genutzt werden. Leider erfordert diese Methode jedoch einen kombinierten Kreislauf mit einem geschlossenen Wasserdampfsystem, was wiederum mit entsprechend hohen Investitionskosten verbunden ist. Zudem kann die Methode nicht in den Zeiten genutzt werden, in denen die Komponenten des Wasserdampfkreislaufes, beispielsweise die Dampfturbine oder der Abhitzedampferzeuger nicht verfügbar sind. Sie ist außerdem nicht für den stufenweisen Aufbau (phased concept) einer Anlage geeignet, die erst in der letzten Ausbaustufe als Kombianlage arbeitet.

Aus der EP 0 519 304 ist weiterhin bekannt, in einem Kühlluftkühler durch indirekten Wärmetausch erzeugten Dampf in eine Brennkammer einer Gasturbogruppe einzuleiten und diesen in der Turbine unter Abgabe von Nutzleistung zu entspannen. Gerade bei Verwendung einer Gasturbogruppe, deren Brennkammer mit zeitgemässen Vormischbrennern mit einer mageren vorgemischten Verbrennung zur Schadstoffminimierung betrieben wird ist es jedoch nicht unproblematisch, grosse Mengen von Dampf in die Brennkammer einzubringen. Dies kann zu einer Destabilisierung der Flamme in Verbindung mit einem signifikanten Anstieg der Emissionen an Teil- und Unverbranntem und zu schädlichen Brennkammer-Druckschwankungen führen. Weiterhin wird durch das Einbringen grosser Mengen an Wasserdampf in das Heissgas der Wärmeübergang zu den zu kühlenden Komponenten erhöht, was insofern eine kontraproduktive Wirkung zeitigt, als dadurch der Kühlluftbedarf wieder erhöht wird. In der EP 0 519 304 ist explizit offenbart, den erzeugten Dampf in einem Abhitzedampferzeuger weiter zu überhitzen; weiterhin gehört es ohne weiteres zum allgemein zugänglichen Stand der Technik, auf diesen Verfahrensschritt zu verzichten.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Alternative zu diesem Stand der Technik zu schaffen, bei der die benötigte Kühlluft effektiv abgekühlt wird und die dabei entzogene Wärme unter Vermeidung der oben genannten Nachteile weiter genutzt werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage mit mindestens einer Gasturbogruppe, mit mindestens einem Verdichter, mindestens einer Brennkammer und mindestens einer Gasturbine, bei dem ein Teil der im Verdichter verdichteten Luft abgezweigt, in einem Kühlluftkühler abgekühlt und als Kühlmedium für die Gasturbogruppe verwendet wird, und wobei in den Kühlluftkühler unter Druck stehendes Speisewasser eingeleitet wird und mittels der der verdichteten Luft entzogenen Wärme das Speisewasser erhitzt, verdampft und der erzeugte gespannte Dampf überhitzt wird, und wobei der so erzeugte Dampf zumindest teilweise in die Gasturbogruppe eingeleitet und dort unter Abgabe von Nutzleistung entspannt wird, welches Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Teil des erzeugten Dampfes vor oder nach dem Überhitzen abgezweigt und in ein die verdichtete und abgekühlte Luft führendes Kühlluftleitungssystem eingebracht wird.

Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 7.

Anspruch 8 nennt eine erfindungsgemäße Kraftwerksanlage zur Durchführung des Verfahrens. Die sich daran anschließenden abhängigen Ansprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen dieser erfindungsgemäßen Kraftwerksanlage.

Die Grundidee der Erfindung besteht darin, daß in den Kühlluftkühler, in dem die aus dem Verdichter entnommene Luft zur Kühlung abgekühlt wird, direkt Speisewasser eingeleitet wird und die der verdichteten Luft entzogene Wärme dazu benutzt wird, das Speisewasser zu erhitzen, zu verdampfen und den erzeugten Dampf zu überhitzen. Ein Teil des so erzeugten Dampfes kann einerseits auf an sich bekannte Weise an geeigneter Stelle, bevorzugt stromauf einer ersten Turbine, in die Gasturbogruppe eingeleitet werden. Dabei kann dieser Teilstrom unmittelbar in das Arbeitsmedium der Gasturbogruppe eingeleitet werden, oder mit einer Brennstoffmenge vermischt werden; auch eine Kombination beider Varianten ist möglich. Dieser Teilstrom wird unter Leistungsabgabe in der Turbine entspannt. Ein weiterer Teil wird der Kühlluft im Kühlsystem zugemischt, und verdrängt dort Kühlluft, welche nunmehr der Verbrennung zur Verfügung steht, woraus ebenfalls eine Leistungs- und Effizienzsteigerung resultiert. Zudem wird durch den Dampfanteil im Kühlmittel der Wärmeübergang in den Kühlkanälen der hochbelasteten Komponenten erhöht, was den erhöhten äusseren Wärmeübergang aufgrund des Dampfanteils im Arbeitsgas in erster Näherung kompensiert. Es ist andererseits höchst unvorteilhaft, den gesamten in den Kühlluftkühlern produzierten Dampfmassenstrom in das Kühlsystem einzubringen: Der Massenstrom des im Kühlluftkühler produzierten Dampfes ist im Betrieb sehr stark variabel. Den Dampf in die Kühlluftleitung einzubringen reduziert die Dampfproduktion aufgrund des sinkenden Kühlluftmassenstromes wiederum. Hier könnten sich heftige Einschwingvorgänge entwickeln. Starke Schwankungen des Dampfanteils im Kühlmittel ziehen wiederum Schwankungen des Wärmeübergangs in den Kühlkanälen der zu kühlenden Komponenten nach sich. Dies kann einerseits zu Schäden führen; andererseits muss die Kühlkonfiguration dann einen Kompromiss zwischen einer Kühlung mit Luft und einem Kühlmedium mit hohem Dampfanteil darstellen, der weit von einer günstigen Auslegung für entweder Dampf- oder Luftkühlung entfernt liegt. Das erfindungsgemässe Verfahren bietet hier eben den Vorteil, eine Dampfmenge, die im Kühlsystem unerwünscht ist, oder Transienten der Dampfmenge, die im Kühlsystem störende Auswirkungen haben, unmittelbar in die Gasturbine zu leiten, wo diese Dampfmenge weiterhin Nutzarbeit leistet. Der in die Kühlkanäle einzuleitende Dampfmassenstrom ist durch entsprechende Stellorgane einzustellen; dies trägt in besonderem Ausmasse dazu bei, den in das Kühlsystem eingeleiteten Dampfmassenstrom von der eigentlichen Dampfproduktion zu entkoppeln.

Da die Verdampfung des Speisewassers direkt im Kühlluftkühler erfolgt, kann dieses Verfahren sowohl bei den einfachen offenen Gaskreisläufen, als auch bei kombinierten Kreisläufen genutzt werden. Die Gasturbinen können somit unabhängig von der Verfügbarkeit eines Abhitzedampferzeugers oder sonstiger Komponenten des Wasserdampfkreislaufes genutzt werden. Dies führt insgesamt zu einer höheren Verfügbarkeit der Gesamtanlage.

Es können im Prinzip standardisierte Verdampfer als Kühlluftkühler verwendet werden, so daß der Aufbau einer entsprechenden Anlage mit relativ geringen Investitionskosten verbunden ist.

Das erfindungsgemässe Verfahren bietet weiterhin die Möglichkeit, die Kühllufttemperatur sehr exakt zu kontrollieren, was mit einer höheren Sicherheit für die Gasturbine einhergeht. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Gasturbine unter Teillast betrieben wird. Außerdem kann die Sensibilität der Gasturbine bezüglich Änderungen der Umgebungsbedingungen besser berücksichtigt werden.

Vorzugsweise wird das Speisewasser zur Dampferzeugung und zur Überhitzung des Dampfs in einem Durchlauf ("Once Through") im Gegenstrom durch den Kühlluftkühler geleitet. Speziell diese Technik ermöglicht es, die Temperatur der Kühlluft beim Austritt aus dem Kühlluftkühler auf einfache Weise durch eine Variation der Speisewassermenge zu regeln.

Bei einem mehrstufigen Aufbau der Gasturbogruppe ist es sinnvoll, für jede Turbine der Gasturbogruppe die Kühlluft separat aus dem Verdichter bei einem geeigneten Druck abzuzweigen. Selbstverständlich kann es sich bei dem Verdichter auch um mehrere hintereinander geschaltete Verdichterstufen handeln, bei denen zwischen den Verdichterstufen entsprechend verdichtete Luft abgezweigt wird. Die Luft mit den unterschiedlichen Drücken wird dann vorzugsweise in separaten Kühlluftkühlern abgekühlt und der jeweils bei dem entsprechenden Druck arbeitenden Turbine oder Turbinenstufe zugeleitet. Durch die Verwendung von getrennten Kühlluftkühlern kann für jede Turbine die optimale Temperatur der Kühlluft unabhängig eingestellt werden.

Der in den Kühlluftkühlern erzeugte Dampf kann weiterhin genutzt werden, um andere Komponenten oder Medien, beispielsweise das Speisewasser oder den Brennstoff, vorzuwärmen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante ist parallel zu den Kühlluftkühlern ein Abhitzedampferzeuger an den Speisewasserkreislauf angeschlossen, welcher im Abgas der Gasturbinen integriert ist. Hierdurch kann eine zusätzliche Menge an überhitztem Dampf erzeugt werden. Eine derartige Einrichtung ist zwar mit höheren Investitionskosten verbunden, sie hat aber den Vorteil, daß nicht nur die Abwärme der Luftkühler sondern auch zumindest zu einem größeren Teil die Abgaswärme zurückgewonnen wird und daher der Gesamtprozeß mit einem Minimum an Exergieverlusten abläuft. Die Gasturbinenausgangsleistung und -effizienz wird daher auch bei einem einfachen offenen Zyklus erheblich gesteigert. Zu beachten ist bei diesem Ausführungsbeispiel insbesondere, daß im Gegensatz zu den im Stand der Technik bekannten Verfahren der Abhitzedampferzeuger und der Kühlluftkühler nicht hintereinander geschaltet sind, wobei im Kühlluftkühler Dampf erzeugt wird, welcher dann im Abhitzekessel überhitzt wird, oder auch umgekehrt, sondern daß beide Einrichtungen parallel geschaltet werden und sowohl im Abhitzedampferzeuger als auch im Kühlluftkühler selbständig überhitzter Dampf erzeugt wird. Dadurch daß auch nur mit einer der beiden Möglichkeiten der Dampferzeugung gearbeitet werden kann, ist mit dieser Anlage ein erheblich flexiblerer Einsatz möglich, wodurch auch eine insgesamt höhere Verfügbarkeit der Gesamtanlage erreicht wird.

Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Gasturbogruppe mit sequentieller Verbrennung und mit zwei separaten Kühlern für die Kühlluft der Turbinen;

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemässen Anlage mit zusätzlichem Abhitzedampferzeuger, und mit einer konventionellen Gasturbogruppe ohne sequentielle Verbrennung;

Fig. 3a eine Schnittzeichnung eines "Once-Through"-Dampferzeugers mit spiralförmigen Rohren;

Fig. 3b eine Schnittansicht eines "Once-Through"-Dampferzeugers gemäß Fig. 3a mit einem Bypass für den Heissgasstrom,

Fig. 4a eine Schnittdarstellung eines "Once-Through"-Dampferzeugers mit vertikal angeordneten Rippenrohren,

Fig. 4b ein Schnitt eines "Once-Through"-Dampferzeugers gemäß Fig. 4a mit einem Bypass für den Heissgasstrom,

Fig. 5 eine Schnittansicht eines Dampferzeugers mit einer Economizer- Verdampferstufe und einer Überhitzungsstufe,

Fig. 6a ein exemplarisches Diagramm der Gesamtausgangsleistung einer erfindungsgemässen Gasturbogruppe in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur,

Fig. 6b ein exemplarisches Diagramm der Gesamteffizienz einer erfindungsgemässen Gasturbogruppe in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Die in Fig. 1 dargestellte Gasturbogruppe 1-5 besteht im wesentlichen aus einem Verdichter 1, einer ersten Turbine (Hochdruckturbine) 2 und einer zweiten Turbine (Niederdruckturbine) 3, die über eine Welle 7 untereinander und mit einem Generator 6 verbunden sind, sowie einer ersten Brennkammer 4 zwischen dem Verdichter 1 und der Hochdruckturbine 2 und einer zweiten Brennkammer 5 zwischen der Hochdruckturbine 2 und der Niederdruckturbine 3.

Vom Verdichter 1 wird Luft angesaugt, komprimiert und in die erste Brennkammer 4 geleitet. Dort wird der Verbrennungsluft Brennstoff über eine Brennstoffleitung 55 zugeführt und das Brennstoff/Luft-Gemisch unter Erhöhung der Enthalpie der komprimierten Luft verbrannt. Bei der Brennkammer kann es sich beispielsweise um eine Ringbrennkammer mit mehreren ringförmig um die Turbine angeordneten Brennern handeln, wie sie beispielsweise in der DE 195 08 018 A1 beschrieben ist.

Das bei der Verbrennung entstehende Heissgas wird in der Hochdruckturbine 2 entspannt, wobei ein Teil der Energie des Heissgases in Rotationsenergie umgewandelt wird, die über die Welle 7 zum Antrieb des Verdichters 1 und des Generators 6 genutzt wird. Nach dieser ersten Entspannung hat das teilentspannte Heissgas noch genügend Sauerstoff, um in einer zweiten Brennkammer 5 erneut mit Brennstoff gemischt und unter erneutem Anstieg der Enthalpie verbrannt zu werden. Das dabei entstehende Heissgas wird in die Niederdruckturbine 3 geleitet, wo es sich weiter entspannt und ebenfalls Rotationsenergie an die Welle 7 abgibt.

Zur Kühlung der thermisch hoch belasteten Komponenten der Turbinen 2, 3 wird am Verdichter 1 komprimierte Luft abgezweigt, wobei für die Hochdruckturbine 2 hochverdichtete Luft und für die Niederdruckturbine 3 Luft mit einer geringeren Verdichtung abgezweigt wird. Über Verdichterluftleitungen 30, 31 wird dann diese Luft durch zwei separate "Once-Through"- Dampferzeuger 10, 11 geleitet, wobei das Kühlmedium im Gegenstrom in einem Durchlauf durch den jeweiligen Kühlluftkühler 10, 11 geführt wird.

Als Kühlmedium wird in diese Kühlluftkühler 10, 11 über entsprechende Speisewasserzuleitungen 34, 35, 36 aus einem Speisewasserbehälter 21 entgastes und vorgewärmtes Wasser eingeleitet, welches dann im Kühlluftkühler 10, 11 erhitzt, verdampft und überhitzt wird, so daß am wasserseitigen Ausgang des Kühlers 10, 11 jeweils überhitzter Dampf zur Verfügung steht. Die Beschickung der Kühlluftkühler 10, 11 mit Speisewasser aus dem Speisewasserbehälter 21 erfolgt über eine Hochdruckpumpe 24.

Über ein Ventil 12 kann der Speisewasserzufluß für beide Kühlluftkühler 10, 11 gemeinsam reduziert oder vollständig abgesperrt werden. Die genaue Speisewassermenge wird für jeden Kühlluftkühler separat über ein zugehöriges Regelventil 15, 18, welches sich jeweils in einer entsprechenden Abzweigung 35, 36 der Speisewasserzuleitung 34 befindet, geregelt. Die Regelung erfolgt hierbei über eine Steuerung 16, 19, welche jeweils mittels einer zugehörigen Temperaturmeßeinrichtung 17, 20 die Austrittstemperatur der Kühlluft ermittelt, mit einem Sollwert der Kühllufttemperatur vergleicht, und in Abhängigkeit von dieser Regelabweichung die eingeleitete Speisewassermenge verändert. Dadurch ist eine sehr exakte Regelung der Kühllufttemperatur möglich. Durch die separaten Regelventile kann außerdem für die Hochdruck- und die Niederdruckturbine 2, 3 unabhängig voneinander die Kühllufttemperatur optimal eingestellt werden.

Der am Ausgang der Kühlluftkühler 10, 11 anstehende Dampf wird über die Leitungen 37, 38, 39 abgeleitet und für verschiedene Einsatzzwecke zur Verfügung gestellt.

Ein erster Teil des Dampfes wird zunächst, soweit notwendig, in einem Einspritzkühler 14 durch Einspritzen von Speisewasser auf einen vorgegebenen Wert abgekühlt und dann der Gasturbogruppe 1-5 zugeleitet, das heisst in die Turbinen 2, 3 bzw. die Brennkammern 4, 5 eingeblasen. Die Injektion des Dampfes kann hierbei sowohl direkt in der Verbrennungszone, als auch kurz vor der Verbrennungszone im Verdichterauslaß, als auch in das heiße Gas hinter der Verbrennungszone erfolgen, je nachdem welche Wirkung im einzelnen erzielt werden soll. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Dampf vorgängig mit dem Brennstoff zu vermischen und eine Mischung aus Dampf und Brennstoff in die Brennkammer einzuleiten. Ebenso kann selbstverständlich auch eine Kombination der unterschiedlichen Stellen zur Dampfeinblasung zum Einsatz kommen. Durch das Einspritzen des Dampfes kann die Leistung der Turbine erhöht werden, da der Massenstrom in der Turbine bei gleichzeitig konstantem Verdichtermassenstrom erhöht wird. Bei einer Injektion des Dampfes in die Primärzone der Flamme wird außerdem aufgrund des größeren örtlichen Wärmebedarfs eine niedrige Flammentemperatur erreicht, wodurch die NO_x-Werte abgesenkt werden. Hierzu wird verwiesen auf die DE 195 08 018 und auf F. Kreitmeir, H. U. Frutschi und M. Vogel "Wirtschaftliche Bewertung von Methoden zur NO_x- Reduktion bei Gasturbinen und Kombikraftwerken", in ABB Review 1/1992, S. 29-37. In der Regel wird hierbei der Dampf in die erste Brennkammer 4 eingeblasen. Nach der Expansion in der Hochdruckturbine wird der mit den Gasturbinenabgasen gemischte Dampf in der zweiten Brennkammer 5 erneut aufgeheizt, wodurch die Ausgangsleistung und Effizienz noch weiter erhöht werden.

Ein direktes Einblasen des Dampfs in die zweite Brennkammer 5 bietet sich an, wenn der Dampf mit einem vergleichsweise niedrigen Druck zur Verfügung steht, der für eine Einblasung in die erste Hochdruckbrennkammer nicht ausreicht.

Ein zweiter Teilstrom des erzeugten Dampfes wird durch ein ein Verbindungsleitungssystem 42, 43, 44 in die Kühlluftleitungen 32, 33, die von den Kühlluftkühlern 10, 11 zu den zugehörigen Turbinen 2, 3 führen, eingeleitet. Die Menge des in die Kühlleitung 32, 33 eingeleiteten Dampfs kann über Ventile 45, 46 geregelt werden. Der in den Kühlluftkühlern erzeugte Dampf erfüllt dabei ohne weiteres die Reinheitsanforderungen an ein im Turbinenbereich genutztes Kühlmedium. Der eingeleitete Dampf verdrängt Kühlluft aus den Kühlluftleitungen; diese Kühlluft steht unmittelbar für die Verbrennung in den Brennkammern zur Verfügung, wodurch die Leistung und der Wirkungsgrad der Gasturbogruppe ebenfalls erhöht werden.

Ein weiterer Teil des Dampfs kann über eine Leitung 40 und ein Ventil 41 in den Speisewasserbehälter 21 zurückgeführt werden und dort zur Vorwärmung des Speisewassers dienen. Dabei kann auch der Speisewasserbehälter 21 selbst erwärmt werden. Da der zur Vorwärmung des Speisewassers genutzte Dampf aber seine Energie verliert, ohne am Gasturbinenprozeß teilzunehmen, sollte dieser Anteil jedoch in der Regel minimal gehalten werden.

Der Speisewasserbehälter 21 wird über eine Speisewasseraufbereitung 60, in der das Wasser unter anderem demineralisiert wird, und einen Speisewasservorwärmer 61 mit frischem Speisewasser beschickt. Dieses frische Speisewasser wird über einen Entgaserdom 22, welcher auf den Speisewasserbehälter 21 montiert ist, in den Speisewasserbehälter 21 eingeleitet.

Bei dem Speisewasservorwärmer 61 handelt es sich vorzugsweise um einen Wärmetauscher, der die Abwärme aus Zusatzeinrichtungen der Gasturbogruppe 1-5 nutzt, beispielsweise die Wärme dem Generatorkühlsystem oder dem Schmierölkühlsystem entzieht. Die Nutzung der Abwärme aus den Zusatzeinrichtungen zur Vorwärmung des Speisewassers führt dazu, daß weniger Dampf zur Vorwärmung des Speisewassers benötigt wird und daher eine größere Menge Dampf zum Einspritzen in die Turbinen 2, 3 zur Verfügung steht, wodurch die Gesamtleistung des Systems und die Effizienz weiter gesteigert wird.

Ein Teil des erwärmten Speisewassers kann außerdem mittels einer Pumpe 53 und einer Leitung 52 durch einen Wärmetauscher 51 zur Vorwärmung des Brennstoffs 50 gepumpt werden. Dieses Wasser wird dann im Kreislauf über ein Ventil 54 wieder in den Entgaserdom 22 in dem Speisewasserbehälter 21 zurückgeleitet.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen relativ kostengünstigen, komprimierten Aufbau, welcher die zur Verfügung stehende Wärme im Kraftwerk möglichst vollständig ausnutzt. Das gesamte System kann im Prinzip kalt gestartet werden. Alternativ kann das Speisewasser im Speisewasserbehälter 21 über eine Hilfsheizung 23 zunächst vorgewärmt werden. Im Falle von Kraftwerken, welche mehrere nebeneinander bestehende Einheiten aufweisen, kann das Speisewasser auch auf einfache Weise durch die Abwärme von anderen Kraftwerkseinheiten warmgehalten oder relativ schnell erwärmt werden.

Selbstverständlich ist es auch möglich, die Erfindung ohne einen derartigen Speisewasserbehälter mit einem entsprechend optimal ausgearbeiteten Leitungssystem zu betreiben. Es ist lediglich erforderlich, daß aus einem beliebigen Speisewasservorrat, beispielsweise direkt aus einer Speisewasseraufbereitungsanlage, kontinuierlich ausreichend Speisewasser den Kühlluftkühlern zugeführt werden kann.

In Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemässen Anlage gezeigt, wobei hier eine konventionelle Gasturbogruppe ohne Nacherhitzung des Arbeitsgases dargestellt ist. Weiterhin kommt die hier dargestellte Anlage mit einem einzigen Kühlluftkühler 10 aus. Bei diesem Ausführungsbeispiel befindet sich im Abgasstrom 80 der Turbine 2 ein integrierter Abhitzedampferzeuger 81, welcher dem Speisewasser/Dampfkreislauf des Kühlluftkühlers 10 parallel geschaltet ist. Dementsprechend weist die zu dem Kühlluftkühler 10 führende Speisewasserzuleitung 34 eine Abzweigleitung 47 auf, welche in den Abhitzedampferzeuger 81 führt. Der im Abhitzedampferzeuger 81 erzeugte Dampf wird dann über eine Leitung 48 mit der Dampfableitung des Kühlluftkühlers 10 zusammengeführt. Auf diese Weise wird unter Ausnutzung der Abwärme eine zusätzliche Dampfmenge erzeugt.

Um die Gesamtdampfmenge zu regeln, wird hierbei das Drosselventil 12 über eine Meßblende 49 in der Dampfzuleitung 39 zu den Gasturbinen geregelt. Die eingespritzte Dampfmenge wird über das Ventil 13 unter anderem in Abhängigkeit von der Pumpgrenze des Verdichters, der Turbinenlast und der Umgebungstemperatur geregelt.

Die Temperatur des im Abhitzedampferzeugers 81 erzeugten überhitzten Dampfs kann außerdem über einen Bypass 82 und entsprechende Regelklappen 83 im Abhitzedampferzeuger bestimmt werden. Diese Regelklappen 83 werden über eine Steuerung 84 gesteuert, welche mit einer Dampftemperaturmeßeinrichtung 85 verbunden ist, die die Ausgangstemperatur des Dampfes mißt.

Die Gesamtdampfmenge teilt sich analog zu dem Beispiel aus der Fig. 1 auf in einen ersten Teilstrom, der über ein Ventil 13 in die Brennkammer 4 eingeleitet wird, und in einen zweiten Teilstrom, der über eine Leitung 42 und ein Regelorgan 45 in die Kühlluftleitung 32 eingebracht wird.

Selbstverständlich ist es auch möglich, die in Fig. 1 dargestellte Anlage mit einer Gasturbogruppe mit sequentieller Verbrennung und zwei Kühlluftkühlern mit einem Abhitzedampferzeuger zu versehen, wie auch eine ganze Reihe von Kombinationen dieser Merkmale untereinander vorstellbar ist, falls die thermodynamischen Gegebenheiten der Anlage dies sinnvoll erscheinen lassen. Diese Ausführungsbeispiele dürfen hierbei nicht zur Eingrenzung sondern nur als Erläuterung der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, dienen.

Sowohl als Abhitzedampferzeuger wie auch als Kühlluftkühler werden mit Vorteil "Once-Through"-Dampferzeuger verwendet. In den Fig. 3-5 sind verschiedene Ausführungsbeispiele dargestellt. Die Dampferzeuger 101 weisen hierbei jeweils einen Heissgaseinlaß 120 und einen Heissgasauslaß 130 auf. Im Inneren des Dampferzeugers 101 sind entsprechend Rohrleitungen angeordnet, durch welche das Speisewasser bzw. der Dampf hindurchgeleitet wird.

In den Fig. 3a und 3b weist der Dampferzeuger 101 jeweils spiralförmig dem Heissgasstrom entgegenlaufende Rohre 109 auf, die von einem oberen Speisewassereinlaß 107 zu einem unteren Dampfauslaß 108 führen. Im Gegensatz zu Fig. 3a weist der Dampferzeuger 101 in Fig. 3b einen Bypass 102 auf, durch den der Heissgasstrom an den Rohren 109 vorbeigeleitet werden kann, ohne daß Dampf erzeugt wird. Dieser Bypass 102 ist durch eine Regelklappe 103 verschließbar.

Die Fig. 4a und 4b zeigen Dampferzeuger 101 mit vertikal verlaufenden Rippenrohren 110. Die Rippenrohre 110 sind oben mit einem gemeinsamen Speisewassereinlaß 107 und unten mit einem gemeinsamen Dampfauslaß 108 verbunden. Bei den Rippenrohren 110 handelt es sich um einfache Rohre, welche mehrere sternförmig radial nach außen weisende Rippen 111 aufweisen, wie im jeweils linken Bereich der Fig. 4a und 4b im Querschnitt dargestellt. Fig. 4a zeigt einen solchermaßen aufgeführten Dampferzeuger 101 ohne Bypass und Fig. 4b einen entsprechenden Dampferzeuger 101 mit Bypass. Natürlich können die Ausführungsformen aus den Fig. 3a und 3b auch mit Rippen versehen sein.

In Fig. 5 wird eine optionale Ausführungsform dargestellt, welche in einem Bereich vor dem Heissgasauslaß 130 eine sogenannte Economizer- Verdampferstufe mit vertikalen Rippenrohren 110 aufweist. Hierbei wird das Speisewasser über einen Speisewassereinlaß 113 unten in die Rippenrohre 110 eingeleitet, wo es dann unter Verdampfen mit dem Heissgasstrom nach oben geführt wird und über einen Sattdampfauslaß 114 in eine Wasserdampftrenneinrichtung 115 (Sulzerflasche) geleitet wird. Der Sattdampf wird dann von dort in einen Dampfeinlaß 117 einer sich in Heissgasstromrichtung vor der Economizer/Verdampferstufe 112 befindlichen Überhitzungsstufe 116 geleitet. Diese Überhitzungsstufe 116 besteht aus spiralförmig dem Heissgasstrom entgegenlaufenden Rohren 109, die von dem Überhitzer-Dampfeinlaß 117 zu einem Überhitzer-Dampfauslaß 118 führen, an dem der überhitzte Dampf entnommen wird.

Bei den erfindungsgemäßen Verfahren wird auf einfache Weise die Wärme der Kühlluft und gegebenenfalls auch die Abgaswärme optimal ausgenutzt und in den Gasturbinenprozeß mit einem Minimum an Exergieverlusten zurückgeführt. Damit ist auch eine Steigerung der Ausgangsleistung und Effizienz von Gasturbinen im offenen einfachen Kreislauf möglich.

Ein Vergleich von einfachen Anlagen mit offenem Kreislauf mit und ohne die erfindungsgemäßen Kühlluftkühlern ist mit Hilfe der Diagramme in den Fig. 6a und 6b möglich. Fig. 6a zeigt die Gesamtausgangsleistung, Fig. 6b die Gesamteffizienz in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur: Die Kurve I stammt hierbei jeweils von einer Anlage ohne die erfindungsgemäßen Kühlluftkühlern, die Kurve II von einer Anlage mit den Kühlluftkühlern und Kurve III von einer Anlage mit Kühlluftkühlern und zusätzlichem Abhitzedampferzeuger. Bei allen drei Anlagen bildet eine GT24 Gasturbine von ALSTOM Power die Basis. Es zeigt sich eine unterschiedliche Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur, wobei mit steigender Umgebungstemperatur das Ausgangsleistungs- und Effizienzverhältnis zugunsten eines Systems mit erfindungsgemäßem Kühlluftkühler ansteigt. Dies führt zu einem zusätzlichen ökonomischen Vorteil, da die Sensibilität der Gasturbine auf die Umgebungstemperatur teilweise kompensiert werden kann.

Bezugszeichenliste

1

Verdichter

2

Erste Gasturbine (Hochdruckturbine)

3

Zweite Gasturbine (Niederdruckturbine)

4

Erste Brennkammer

5

Zweite Brennkammer

6

Generator

7

Rotorwelle

10

Erster (Hochdruck-) Kühlluftkühler

11

Zweiter (Niederdruck-) Kühlluftkühler

12

Speisewasserventil

13

Dampfdrosselventil

14

Einspritzkühler

15

Erstes Speisewasserregelventil

16

Erste Ventilsteuerung

17

Erste Temperaturmeßeinrichtung

18

Zweites Speisewasserregelventil

19

Zweite Ventilsteuerung

20

Zweite Temperaturmeßeinrichtung

21

Speisewasserbehälter

22

Entgaserdom

23

Hilfsheizeinrichtung

24

Hochdruckpumpe

30

Hochdruckverdichterluftleitung

31

Niederdruckverdichterluftleitung

32

Hochdruckkühlluftleitung

33

Niederdruckkühlluftleitung

34

,

35

,

36

Speisewasserzuleitungen zu den Kühlluftkühlern

37

,

38

,

39

Dampfableitungen von den Kühlluftkühlern

40

Dampfrückführleitung

41

Dampfdrosselventil

42

,

43

,

44

Dampfeinleitung in die Kühlluftleitung

45

,

46

Dampfventile

47

Speisewasserzuleitung zum Abhitzedampferzeuger

48

Dampfableitung vom Abhitzedampferzeuger

49

Meßblende

50

Brennstoffzufuhr

51

Brennstoffvorwärmer

52

Speisewasserleitung

53

Speisewasserpumpe

54

Speisewasserregelventil

55

Brennstoffleitung

60

Speisewasseraufbereitung

61

Speisewasservorwärmer

80

Abgasstrom

81

Abhitzedampferzeuger

82

Abgasbypass

83

Regelklappen

84

Bypassregelung

85

Dampftemperaturmessung

101

Dampferzeuger

102

Heissgasbypass

103

Regelklappen

107

Speisewassereinlaß

108

Dampfauslaß

109

Spiralrohre

110

Rippenrohre

111

Rippen

112

Economizer/Verdampferbereich

113

Speisewassereinlaß

114

Sattdampfauslaß

115

Wasser/Dampf-Trenneinrichtung

116

Überhitzerbereich

117

Überhitzer-Dampfeinlaß

118

Überhitzer-Dampfauslaß

120

Heissgaseinlaß

130

Heissgasauslaß

Claims

1. Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage mit mindestens einer Gasturbogruppe (1-5) mit mindestens einem Verdichter (1), mindestens einer Brennkammer (4, 5) und mindestens einer Turbine (2, 3), bei dem ein Teil der im Verdichter (1) verdichteten Luft abgezweigt, in einem Kühlluftkühler (10, 11) abgekühlt und als Kühlmedium für die Gasturbogruppe (1-5) verwendet wird, und wobei in den Kühlluftkühler (10, 11) unter Druck stehendes Speisewasser eingeleitet wird und mittels der der verdichteten Luft entzogenen Wärme das Speisewasser erhitzt, verdampft und der erzeugte gespannte Dampf überhitzt wird, und der so erzeugte Dampf zumindest teilweise in die Gasturbogruppe eingeleitet und dort unter Abgabe von Nutzleistung entspannt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des erzeugten Dampfs vor oder nach dem Überhitzen abgezweigt und in ein die verdichtete und abgekühlte Luft führendes Kühlluftleitungssystem (32, 33) eingebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Speisewassers in einen im Abgasstrom (80) der Gasturbogruppe (1-5) angeordneten Abhitzedampferzeuger (81) geleitet wird, welcher Abhitzedampferzeuger im Bezug auf die Strömung des Speisewassers dem Kühlluftkühler parallel geschaltet ist, und, dass der darin erzeugte Dampf zumindest teilweise mit dem im Kühlluftkühler (10, 11) erzeugten Dampf zusammengeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Speisewasser zur Dampferzeugung und Überhitzung des Dampfs in einem Durchlauf durch den Kühlluftkühler (10, 11) und/oder den Abhitzedampferzeuger (81) geleitet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittstemperatur der im Kühlluftkühler (10, 11) abgekühlten Luft durch eine Variation der eingeleiteten Speisewassermenge eingestellt wird.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des erzeugten Dampfs zur Vorwärmung des Speisewassers genutzt wird.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des vorgewärmten Speisewassers zur Vorwärmung des Brennstoffs für die Gasturbogruppe (1-5) genutzt wird.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasturbogruppe (1-5) mehrstufig aufgebaut ist und für jede Turbine (2, 3) der Gasturbogruppe (1-5) die Kühlluft separat aus dem Verdichter (1) oder den Verdichtern abgezweigt und in einem separaten Kühlluftkühler (10, 11) abgekühlt wird.

8. Kraftwerksanlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-7, mit mindestens einer Gasturbogruppe (1-5) mit mindestens einem Verdichter (1), mindestens einer Brennkammer (4, 5) und mindestens einer Turbine (2, 3), mit mindestens einer Einrichtung (30, 31) zum Abzweigen von komprimierter Luft aus dem Verdichter (1) und zum Durchleiten durch mindestens einen Kühlluftkühler (10, 11), mit einem Kühlluftleitungssystem (32, 33), durch welches die abgekühlte Luft der Gasturbogruppe (1-5) zur Kühlung an geeigneter Stelle wieder zugeleitet wird, und mit Mitteln (39, 13, 14) um den überhitzten Dampf an geeigneter Stelle in die Gasturbogruppe (1-5) einzuleiten, sowie mit mindestens einem mit dem Kühlluftkühler (10, 11) verbundenen Speisewasservorrat (21), von dem Speisewasser als Kühlmedium in den Kühlluftkühler (10, 11) eingeleitet wird und dort erwärmt, verdampft und der so erzeugte Dampf überhitzt wird, gekennzeichnet durch mindestens eine Leitung (42, 43, 44) zum Einbringen eines Teils des erzeugten Dampfs in das Kühlluftleitungssystem (32, 33).

9. Kraftwerksanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der mindestens einen Leitung (42, 43, 44) zum Einbringen eines Teils des erzeugten Dampfes in das Kühlluftleitungssystem wenigstens ein stellbares Drosselorgan (45, 46) angeordnet ist.

10. Kraftwerksanlage nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kühlluftkühler oder den Kühlluftkühlern (10, 11) mindestens ein im Abgasstrom (80) der Gasturbogruppe (1-5) angeordneter Abhitzedampferzeuger (81) parallel geschaltet ist.

11. Kraftwerksanlage nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kühlluftkühler (10, 11) und/oder Abhitzedampferzeuger (81) als Dampferzeuger (101) in einem Heissgasstrom angeordnete, parallel zum Heissgasstrom verlaufende Rippenrohre (110) und/oder spiralförmig verlaufende Rohre (109) und/oder Rippenrohre aufweist.

12. Kraftwerksanlage nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampferzeuger (101) mindestens einen verschließbaren Bypass (102) aufweist.

13. Kraftwerksanlage nach einem der Ansprüche 8 bis 12, gekennzeichnet durch mindestens zwei zur Dampferzeugung parallel geschaltete Kühlluftkühler (10, 11), in denen jeweils aus dem Verdichter (1) entnommene Luft unterschiedlichen Druckes abgekühlt wird.

14. Kraftwerksanlage nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß in der Speisewasserzuleitung (34, 35, 36) zu dem Kühlluftkühler oder den Kühlluftkühlern (10, 11) jeweils ein in Abhängigkeit von der Temperatur der im Kühlluftkühler (10, 11) abgekühlten Luft stellbares Stellorgan (15, 18) angeordnet ist.