DE10155508A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer EnergieInfo
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Abstract
Unter hohem Eingangsdruck stehendes Erdgas wird vor der Entspannung in einer Entspannungsturbine (29) durch einen Teilstrom des Wasser-Dampf-Kreislaufes erwärmt, der in Heizflächen eines Abhitzekessels (5) erhitzt wird, der einer Gasturbine (1) nachgeschaltet ist.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Erzeugung von elektrischer Energie mit Hilfe einer
Entspannungsturbine, einer Dampfturbine und einer Gasturbine mit
den Merkmalen des Oberbegriffes der Ansprüche 1, 9 und 10.
Der steigende Verbrauch von elektrischer Energie in den
Industrieländern wird zunehmend durch Erdgas gedeckt. Über große
Verbundnetze wird das Erdgas zu den Einzelnen industriellen
Verbrauchern gefördert, wobei der Leitungsdruck durch
Kompressorstationen auf etwa 80 bar konstant gehalten wird. Für
die industriellen erdgasgefeuerten kombinierten
Gas/Dampfturbinen-Anlagen muss das Erdgas auf das vorhandene
Druckniveau in der Gasturbinenbrennkammer reduziert werden.
Enthält der Abhitzekessel der Anlage aus prozessbedingten
Gründen noch eine Zusatzfeuerung, muss hierbei der entsprechende
Druck des Erdgasmassenstromes auf etwa 2 bar reduziert werden.
Durch die Druckreduzierung mit einer eventuellen vorherigen
elektrischen Aufheizung des Erdgases werden die geforderten
Vordrücke der Verbraucher ohne Vereisung der
Rohrleitungsarmaturen problemlos erreicht. Diese Art der
Druckreduzierung ist mit hohen Verlusten verbunden und stellt im
Sinne der öffentlichen Diskussionen um CO2-Reduktionspotentiale
eine Energievernichtung dar.
Durch eine Entspannung des Erdgases in einer Entspannungsturbine
(Expander) kann das hohe Druckpotential des Erdgases in
mechanische Energie umgewandelt werden. Problematisch ist dabei
der starke Temperaturabfall nach der Entspannung, wodurch es an
den der Entspannungsturbine nachgeschaltetenen
Rohrleitungsarmaturen aufgrund des Joule-Thomson-Effektes leicht
zu Vereisungen kommen kann.
Durch ein entsprechend hohes Aufheizen des Erdgases vor der
Entspannung kann sowohl die Vereisungsgefahr minimiert, als auch
eine höhere elektrische Leistung bei der Expansion erzielt
werden. Aus der DE-PS 44 16 359 ist eine Hochtemperatur-
Erdgasentspannungsanlage bekannt, bei der die Temperaturerhöhung
des unter hohem Druck stehenden Erdgases im Wärmetausch mit dem
Turbinenabgas einer vorgeschalteten Gasturbinenanlage erfolgt.
Dabei kann das Erdgas in einem Gas/Gas-Wärmetauscher oder über
einen mit Thermoöl betriebenen Zwischenkreislauf eines
Abhitzekessels erwärmt werden. Nachteilig bei dem Gas/Gas-
Wärmetauscher ist, dass bei eventuellen Undichtigkeiten auf der
Erdgasseite eine Feuergefahr wegen der hoher Temperatur und des
hohen Sauerstoffanteils des Turbinenabgases besteht. In der
DE-PS 44 16 359 wird auf eine mögliche Einbindung der Erdgas-
Entspannungsturbine in einen kombinierten, eine Gasturbine und
einen Abhitzedampferzeuger umfassenden Gas/Dampfturbinen-Prozess
nicht eingegangen.
Aus der US-PS 46 93 072 ist eine kombinierte Gas-Dampf-
Kraftanlage bekannt, die mit unter hohem Eingangsdruck stehendem
Erdgas betrieben wird. In dieser Anlage wird das Erdgas durch
Entnahmedampf oder Abdampf der Dampfturbine erwärmt. Damit wird
der Wirkungsgrad des kombinierten Gas/Dampfturbinen-Prozesses
reduziert. Bei einer Teillastfahrweise der Dampfturbine sinken
jedoch an der Entnahmestelle die Dampfdrücke, wodurch das Erdgas
geringer aufgewärmt wird und die Gefahr einer Vereisung hinter
der Entspannungsturbine entsteht. Ferner besteht keine
Möglichkeit, die Temperatur des Erdgases zu regeln.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die
Entspannungsturbine so in einem Gas/Dampfturbinen-Prozess
einzubinden, dass die Stromerzeugung des eigentlichen
Gas/Dampfturbinen-Prozesses nicht beeinflusst wird.
Die Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren
erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des
Anspruches 1 gelöst. Eine Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens ist jeweils Gegenstand der Ansprüche 9 und 10.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt eine
Wärmeauskopplung über einen Teilstrom des in den Heizflächen der
Abhitzekessels erhitzten Wasser-Dampf-Kreislaufes als
Zwischenmedium für die Erwärmung des Hochdruck-Erdgases. Dazu
dient das Speisewasser des Hochdruckkreislaufes oder der in dem
Niederdruckteil eines Zweidruck-Dampferzeugungssystemes erzeugte
Niederdampf. Durch die Integration dieses Zwischenkreislaufes
zur Erwärmung des Erdgases am kalten Ende des Abhitzekessels
wird die Stromerzeugung des eigentlichen Gas/Dampfturbinen-
Prozesses nicht beeinflusst. Durch das hohe Verhältnis von
Turbinenabgasmenge zur Erdgasmenge (von etwa 45 : 1 z. B. bei 400
MW-Blöcken mit einer Gasturbinenleistung von 250 MW und einer
Dampfturbinenleistung von 150 MW) ist selbst bei höchster
Erdgasvorwärmung der thermodynamische Einfluss auf das gesamte
Abhitzesystem äusserst gering. Außerdem kann durch die Nutzung
des Abwärmepotentials am kalten Ende des Abhitzekessels das
Erdgas je nach wärmetechnischer Schaltung des Abhitzekessels auf
höchstmögliche Temperaturen aufgewärmt werden. Die sich nach der
Entspannung einstellende Temperatur des Erdgases stellt je nach
Höhe eine Gasturbinen-Wirkungsgradsteigerung dar, da dadurch ein
Teil der Abwärme in die Brennkammer der Gasturbine zurückgeführt
wird.
Erfolgt die Erwärmung des Erdgases durch den Niederdruckdampf
des Zweidruck-Dampferzeugungssystemes, so wird dieser
Niederdruckteil im Festdruckbetrieb gefahren. Dadurch kann jede
gewünschte Erdgastemperatur unabhängig von der Dampfturbinenlast
eingeregelt werden.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 das Schema eines Gas/Dampfturbinen-Prozesses mit einer
Entspannungsturbine,
Fig. 2 das Schema eines Gas/Dampfturbinen-Prozesses mit einer
Entspannungsturbine gemäß einer anderen Ausführungsform
Fig. 3 ein Schaltungsschema und
Fig. 4 und 5 jeweils das Schema eines Gas/Dampfturbinen-
Prozesses mit einer Entspannungsturbine gemäß einer
weiteren Ausführungsform.
Eine Gasturbinenanlage besteht aus einer Gasturbine 1, einem
Kompressor 2 zur Verdichtung von Verbrennungsluft, einer
Brennkammer 3 zur Erzeugung eines Heißgases und aus einem
Generator 4 zur Stromerzeugung. Die Gasturbine 1, der Generator
4 und der Kompressor 2 können auf einer gemeinsamen Welle oder
auf mehreren Wellen angeordnet sein.
Der Gasaustritt des Gasturbine 1 ist mit einem Abhitzekessel 5
zur Dampferzeugung verbunden. In dem Abhitzekessel 5 sind gemäß
Fig. 1 in Strömungsrichtung der Turbinenabgase hintereinander
die Heizflächen eines Überhitzers 6, eines Verdampfers 7 und
eines Speisewasservorwärmers 8 eines Hochdrucksystemes
angeordnet. An den Überhitzer 6 ist eine Dampfleitung 9
angeschlossen, die zu einer Dampfturbine 10 geführt ist. Die
Dampfturbine 10 ist mit dem Generator 4 gekoppelt.
Der Ausgang der Dampfturbine 10 ist mit einer Abdampfleitung 11
verbunden, die zu einem Kondensator 12 geführt ist. In dem
Kondensator 12 wird der Abdampf durch einen Kühlkreislauf
kondensiert, der durch einen Kühlturm 13 geführt ist. Das
Kondensat wird über eine Kondensatleitung 14, in der eine
Förderpumpe 15 angeordnet ist, zu einem Entgaser 16 gefördert.
Der Entgaser 16 wird mit Anzapfdampf betrieben, der der
Dampfturbine 10 über eine Anzapfleitung 17 entnommen wird. Von
dieser Anzapfleitung 17 kann eine durch ein Absperrventil 18
absperrbare Leitung 19 abgezweigt werden, die zu einem
Wärmeverbraucher 20 geführt ist.
An den Entgaser 16 ist eine Speisewasserleitung 21
angeschlossen, die an den in dem Abhitzekessel 5 angeordneten
Speisewasservorwärmer 8 angeschlossen ist. In der
Speisewasserleitung 21 ist eine Speisewasserpumpe 22 angeordnet,
die den Druck des Speisewassers erhöht. Die Speisewasserleitung
21 ist an einen in der Kondensatleitung 14 angeordneten
Kondensatvorwärmer 23 angeschlossen, in dem ein Wärmetausch
zwischen den Kondensat und dem Speisewasser stattfindet. Dabei
wird das Kondensat bis auf einige Kelvin unterhalb der
Temperatur des Speisewassers erwärmt, wobei gleichzeitig die
Speisewassertemperatur beim Eintritt in den Speisewasservorwärmer
8 am kalten Ende des Abhitzekessels 5 abgesenkt wird. Dies ist
für die später beschriebene Erwärmung des der Brennkammer 3
zugeführten Erdgases in dem Gas/Wasser-Wärmetauscher 33 von
Bedeutung. Es bleibt nämlich einerseits die Dampfleistung des
kombinierten Gas-/Dampfturbinen-Prozesses erhalten, und
andererseits wird die ausnutzbare Temperaturdifferenz in dem
Gas/Wasser-Wärmetauscher 33 erhöht.
An das Austrittsende des Speisewasservorwärmers 8 sind zwei
Zweigleitungen 24, 25 angeschlossen. Die erste Zweigleitung 24
mündet in den Wasserraum einer der Wasser/Dampf-Trennung
dienenden Dampftrommel 26 ein, die mit dem Verdampfer 7 und dem
Überhitzer 6 in Verbindung steht.
Die Brennkammer 3 der Gasturbine 1 wird mit Erdgas beheizt, das
über eine Versorgungsleitung 27 angeliefert wird und unter einem
hohen Eingangsdruck von etwa 80 bar steht. Die
Versorgungsleitung 27 ist über eine Hochdruckgasleitung 28 mit
dem Eintritt einer Entspannungsturbine 29 verbunden, deren
Austritt über eine Niederdruckgasleitung 30 an die Brennkammer 3
angeschlossen ist. In der Hochdruckgasleitung 28 und in der
Niederdruckgasleitung 30 sind Absperrventile 18 angeordnet. Die
Entspannungsturbine 29 ist mit einem weiteren Generator 31 zur
Stromerzeugung gekoppelt. In der Entspannungsturbine 29 wird der
hohe Eingangsdruck des Erdgases unter Gewinnung von elektrischer
Energie bis auf den Druck der Brennkammer 3 abgebaut. Von der
Niederdruckleitung 30 kann eine durch ein Absperrventil 18
absperrbare Leitung 32 abgezweigt werden, die zu einem
zusätzlichen Erdgasverbraucher geführt ist.
In der Hochdruckgasleitung 28 ist ein als Druckbehälter
ausgebildeter Gas/Wasser-Wärmetauscher 33 angeordnet, in dem das
Erdgas erwärmt wird, um eine mögliche Vereisung der Ventile in
der Niederdruckgasleitung 30 zu vermeiden. Als Wärmeträger dient
das in dem Speisewasservorwärmer 8 der Abhitzekessels 5
vorgewärmte Speisewasser. Zu diesem Zweck ist die zweite von dem
Austritt des Speisewasservorwärmers 8 abzweigende Zweigleitung
25 an den Gas/Wasser-Wärmetauscher 33 angeschlossen. In diesem
Gas/Wasser-Wärmetauscher 33 wird das vorgewärmte Speisewasser
unter Erwärmung des Erdgases bis auf eine Temperatur unterhalb
der des Entgasers 16 abgekühlt. An den speisewasserseitigen
Austritt des Gas/Wasser-Wärmetauschers 33 ist eine
Rückführleitung 34 angeschlossen, in der ein Druckreduzierventil
35 angeordnet ist. Die Rückführleitung 34 ist zu dem Entgaser 16
zurückgeführt.
Der Durchsatz des Speisewassers durch den Speisewasservorwärmer
8 und den Gas/Wasser-Wärmetauscher 33 ist größer als der
Dampfleistung des kombinierten Gas-/Dampfturbinen-Prozesses
entspricht. Durch diesen höheren Speisewasserdurchsatz kann bei
gleicher Speisewasseraufwärmung die Abgastemperatur am Austritt
des Abhitzekessels 5 je nach vorzuwärmender Erdgasmenge
erheblich gesenkt werden.
Vor dem Eintritt in die Entspannungsturbine 29 zweigt von der
Hochdruckgasleitung 28 eine die Entspannungsturbine 29 umgehende
Bypassleitung 36 ab. Die Bypassleitung 36, in der ein
Absperrventil 18 und ein Druckreduzierventil 35 angeordnet sind,
mündet in die Niederdruckgasleitung 30 ein.
Von der Versorgungsleitung 27 zweigt parallel zu der
Entspannungsturbine 29 eine durch ein Absperrventil 18
absperrbare Anfahrleitung 37 ab. In der Anfahrleitung 37 sind
ein elektrischer Aufheizer 38 zur Erwärmung des unter Druck
stehenden Erdgases und ein Anfahrexpander 39 zur Entspannung des
Erdgases angeordnet. Der Anfahrexpander 39 ist mit dem
Kompressor 2 der Gasturbinenanlage gekoppelt. Über eine mit
einem Druckreduzierventil 35 versehene Leitung 40 ist die
Anfahrleitung 37 außerdem mit der Niederdruckgasleitung 30
verbunden.
Wie in der Fig. 2 gezeigt ist, kann der Abhitzekessel 5 auch mit
einem Zweidrucksystem ausgerüstet werden, wobei jedes Teilsystem
(Hochdrucksystem und Niederdrucksystem) einen eigenen Verdampfer
7, 7' und einen eigenen Überhitzer 6, 6' aufweist. Ein
zweigeteilter Speisewasservorwärmer 8, 8', ist nur auf der
Hockdruckseite vorgesehen. Der Überhitzer 6' des
Niederdrucksystems ist mit dem Niederdruckteil der Dampfturbine
10 verbunden. Der Gas/Wasser-Wärmetauscher 33 zur Aufwärmung des
Erdgases ist an den Speisewasservorwärmer 8 des
Hochdrucksystemes angeschlossen.
Der Abhitzekessel 5 kann auch mit einer Zusatzfeuerung 41
versehen sein, die mit Erdgas von geringerem Druck befeuert
wird. Die Entspannung dieses Erdgasstromes erfolgt in einer
zweiten Entspannungsturbine 42, die der ersten
Entspannungsturbine 29 nachgeschaltet und über Kupplungen mit
dem weiteren Generator 31 verbunden ist. Der Ausgang der zweiten
Entspannungsturbine 42 ist über eine durch ein Absperrventil 18
absperrbare Gasleitung 43 mit der Zusatzfeuerung 41 verbunden.
Im Falle eines Gasturbinenschnellschlusses wird der kombinierte
Gas-/Dampfturbinen-Block im Frischluftbetrieb gefahren. Über ein
Frischluftgebläse 47 und über die vorhandene Zusatzfeuerung 41
werden bei dem so genannten simulierten Abhitzebetrieb die
gleichen Abgasparameter wie im Zusatzfeuerungsbetrieb erreicht.
Die Feuerungsleistung der Zusatzfeuerung 41 liegt dabei in der
Grössenordnung des Erdgaseinsatzes für die Gasturbine 1. Damit
kann bei diesem Störfall die Erdgaserwärmung ohne Unterbrechung
gewährleistet werden.
Die Regelung der Speisewassermengen zu dem Speisewasservorwärmer
8 und dem Gas/Wasser-Wärmetauscher 33 erfolgt über die in Fig. 3
dargestellte 3-Komponentenregelung. Dabei ist in der ersten, von
dem Speisewasservorwärmer 8 zu der Dampftrommel 26 führenden
Zweigleitung 24 eine Ventilanordnung 44 vorgesehen. Diese
Ventilanordnung 44 regelt die dem Abhitzekessel 5 zufließende
Speisewassermenge entsprechend der Lastanforderung des
Abhitzekessels 5. In die zweite zu dem Gas/Wasser-Wärmetauscher
33 führende Zweigleitung 25 ist ein Druckbehälter 45 eingefügt,
der mit einer Wasserstandsregelung 46 versehen ist. Diese
Wasserstandsregelung 46 hält die durch den Gas/Wasser-
Wärmetauscher 33 fließende Speisewassermenge auf einen
konstanten Wert.
Für die Störfallbetrachtung sind zwei Betriebsfälle maßgebend:
der Störfall der Entspannungsturbine 29 und der Störfall des Gas/Wasser-Wärmetauschers 33. In dem Störfall der Entspannungsturbine 29 wird das aufgewärmte Erdgas über die Bypassleitung 36 an der Entspannungsturbine 29 vorbeigeführt und über die Druckreduzierventile 35 (Drosselung) dem Verbrauchernetz oder der Brennkammer 3 der Gasturbine 1 zugeführt. Die Rückführung der anteiligen Abwärme führt dabei zu einem höheren Gasturbinen-Wirkungsgrad. Die Wärmeeinkopplung in den Kreislauf zur Erwärmung des Erdgases bleibt dabei ständig im Eingriff. In dem Störfall des Gas/Wasser-Wärmetauschers 33 wird das Erdgas der Versorgungsleitung 27 direkt entnommen. Über den elektrischen Aufheizer 38 wird der bei der Drosselung in dem Druckreduzierventil 35 entstehende Temperaturabfall so kompensiert, dass keine Vereisungsgefahr an den nachgeschalteten Armaturen besteht. Durch die fehlende Wärmeauskopplung für den Erdgaskreislauf steigt die Abgastemperatur am Austritt des Abhitzekessels 5 um etwa 100 K an.
der Störfall der Entspannungsturbine 29 und der Störfall des Gas/Wasser-Wärmetauschers 33. In dem Störfall der Entspannungsturbine 29 wird das aufgewärmte Erdgas über die Bypassleitung 36 an der Entspannungsturbine 29 vorbeigeführt und über die Druckreduzierventile 35 (Drosselung) dem Verbrauchernetz oder der Brennkammer 3 der Gasturbine 1 zugeführt. Die Rückführung der anteiligen Abwärme führt dabei zu einem höheren Gasturbinen-Wirkungsgrad. Die Wärmeeinkopplung in den Kreislauf zur Erwärmung des Erdgases bleibt dabei ständig im Eingriff. In dem Störfall des Gas/Wasser-Wärmetauschers 33 wird das Erdgas der Versorgungsleitung 27 direkt entnommen. Über den elektrischen Aufheizer 38 wird der bei der Drosselung in dem Druckreduzierventil 35 entstehende Temperaturabfall so kompensiert, dass keine Vereisungsgefahr an den nachgeschalteten Armaturen besteht. Durch die fehlende Wärmeauskopplung für den Erdgaskreislauf steigt die Abgastemperatur am Austritt des Abhitzekessels 5 um etwa 100 K an.
Bei Erdgasspeicheranlagen liegen die Verhältnisse etwas anders,
da die zu expandierenden Erdgasmengen erheblich größer sind als
die Turbinenabgasmengen. Hier wird in Zeiten des geringsten
Verbrauches in sogenannten Kavernen Erdgas eingespeichert, und
bei höherem Erdgasbedarf erfolgt die Entladung des Speichers.
Die Be- und Entladung erfolgt in zeitlich gleich langen Zyklen
(jeweils ca. 4000 h/a).
Für die Beladung des Speichers werden oft elektromotorisch
betriebene Verdichter eingesetzt, welche die notwendige
elektrische Antriebsenergie aus dem öffentlichen Netz beziehen.
Daneben wird zur Absicherung (Ausfall des öffentlichen Netzes)
parallel eine Kombianlage mit gleicher elektrischer Leistung
installiert. Die Höhe der Gasturbinenleistung wird dabei
weitestgehend durch die erzeugte Abgasmenge wegen der
Erdgaserwärmung bestimmt, wobei Gasturbinen mit geringer
spezifischer Leistung (hohe Abgasmenge bei gleicher elektrischer
Leistung) sich besonders anbieten.
Bei der Entladung des Erdgasspeichers über die
Versorgungsleitung 27 wird in der Entspannungsturbine 29 mehr
Erdgas entspannt, als in der Brennkammer 3 der Gasturbine 1
verbrannt wird. Das überschüssige entspannte Erdgas wird über
die Leitung 32 einem Erdgasverbraucher zugeführt. Um diese
größere Menge an Erdgas zu erwärmen, dient die in der Fig. 4
dargestellte Schaltung. Von der von dem Entgaser 16 zu dem
Speisewasservorwärmer 8 führenden Speisewasserleitung 21 ist vor
deren Eintritt in den Speisewasservorwärmer 8 eine dritte
Zweigleitung 48 abgezweigt. Diese dritte Zweigleitung 48 ist mit
der ersten Zweigleitung 24 verbunden, die den Austritt des
Speisewasservorwärmers 8 mit der Dampftrommel 26 verbindet. In
der ersten Zweigleitung 24 und in der dritten Zweigleitung 48
ist jeweils vor der Verbindungsstelle der beiden Zweigleitungen
24, 48 ein Regelventil 49, 50 angeordnet. Weiterhin ist in der
ersten Zweigleitung 24 vor deren Eintritt in die Dampftrommel
ein Regelventil 51 vorgesehen. Je nach der Stellung der
Regelventile 49, 50, 51 kann der Speisewasservorwärmer 8 so mit
Speisewasser beaufschlagt werden, dass das vorgewärmte
Speisewasser wie bei den Schaltungen nach den Fig. 1 und 2
sowohl dem Verdampfer 8 über die Dampftrommel 26 als auch zur
Erwärmung des unter erhöhtem Druck stehenden Erdgases dem
Gas/Wasser-Wärmetauscher 33 zugeführt werden. Hierbei ist das
Regelventil 49 in der ersten Zweigleitung 24 geöffnet und das
Regelventil 50 in der dritten Zweigleitung 48 geschlossen.
Außerdem wird es möglich, das in dem Speisewasservorwärmer 8
vorgewärmte Speisewasser nur zur Erwärmung des Erdgases zu
verwenden. In diesem Fall wird die Dampftrommel 26 bei
geschlossenem Regelventil 49 und geöffnetem Regelventil 50 und
51 über die dritte Zweigleitung 48 mit nicht vorgewärmtem
Speisewasser gespeist. Reicht die Leistung der Gasturbine 1 und
des Abhitzekessels 5 für die notwendige elektrische
Gesamtleistung dann nicht aus, so wird über die Zusatzfeuerung
41 die Leistung der Dampfturbine 10 angehoben werden.
Gemäß Fig. 4 ist in Strömungsrichtung der Turbinenabgases hinter
dem Speisewasservorwärmer ein Wärmetauscher 52 zur Erzeugung von
Fernwärme vorgesehen.
Liegen bei der Entladung des Erdgasspeichers die Betriebsdrücke
bei etwa 120 bis 140 bar, so muss aus apparativen Gründen die
Aufheizung des Erdgases auf eine andere Weise erfolgen. In
vorteilhafter Weise können dabei die Heizflächenrohre des
Wärmetauschers 33 den Druckkörper zur Aufnahme des sehr hohen
Erdgasdruckes bilden. Durch die hohen Wärmeübergangszahlen bei
der Kondensation von Niederdruck-Dampf wäre einerseits der
Heizflächenaufwand erheblich geringer und andererseits der
Druckbehälter einfacher zu konzipieren. Wegen der erhöhten
Erdgasparameter, wie Druck, Menge und gegebenenfalls Temperatur,
sind die Entspannungsturbinen 29, 42 in axialer Bauweise
auszuführen. Vorteilhafterweise kommt für die Erdgasexpansion
dann das Bauprinzip von Dampfturbinen zum Einsatz.
Bei Zwei-Druck-Kombianlagen kann der erzeugte Niederdruckdampf
für die Vorwärmung des Erdgases benutzt werden. Eine solche
Anlage ist in der Fig. 5 dargestellt. Diese Anlage entspricht
weitgehend der Anlage gemäß Fig. 2. Es ist lediglich die zu dem
Wärmetauscher 33 führende Zweigleitung 25 nicht mehr mit dem
Austritt des Speisewasservorwärmers 8 sondern als
Verbindungsleitung mit einer Niederdruck-Dampfleitung 56
verbunden, die an den Überhitzer 6' des Niederdruckteils des
Abhitzekessels 5 angeschlossen ist. Über diese Niederdruck-
Dampfleitung 56 und die Verbindungsleitung 25 wird die
notwendige Niederdruck-Dampfmenge dem Wärmetauscher 33
zugeführt. In dem Wärmetauscher 33 wird durch eine
Wasserstandsregelung die geforderte Erdgasaufwärmung geregelt.
Der restliche Niederdruckdampf dient der thermischen Entgasung
des Speisewassers in dem Entgaser 16.
Reicht die erzeugte Niederdruck-Dampfmenge aus dem
Niederdruckteil des Abhitzekessels 5 zur erhöhten Deckung des
Wärmebedarfes (z. B. für die zusätzliche Beheizung von Gebäuden
in den Erdgas-Speicherkraftwerken) nicht aus, so kann durch eine
entsprechende Dampfentnahme gleicher Druckstufe über eine
Entnahmeleitung 53 der Dampfturbine 10 und die
Verbindungsleitung 54 der Dampfbedarf des Wärmeverbrauchers 20
gedeckt werden. Die verminderte Dampfturbinenleistung kann über
die installierte Zusatzfeuerung 41 im Abhitzekessel 5
kompensiert werden.
Claims (17)
1. Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie mit Hilfe
einer Entspannungsturbine (29), Dampfturbine (10) und einer
Gasturbine (1), der eine Brennkammer (3) vorgeschaltet und
ein Abhitzekessel (5) nachgeschaltet ist, der mit von einem
Wasser-Dampf-Kreislauf durchströmten und als
Speisewasservorwärmer (8), Verdampfer (7) und Überhitzer (6)
ausgebildeten Heizflächen versehen ist, wobei unter hohem
Eingangsdruck stehendes Erdgas erwärmt und anschließend in
der Entspannungsturbine (29) auf den Brennkammerdruck
entspannt und in der Brennkammer (3) verbrannt wird, dadurch
gekennzeichnet, dass von dem in den Heizflächen des
Abhitzekessels (5) erhitzten Wasser-Dampf-Kreislauf ein
Teilstrom abgezweigt wird und dass mit diesem Teilstrom das
unter dem hohen Eingangsdruck stehende Erdgas erwärmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das
in dem Speisewasservorwärmer (8) vorgewärmte Speisewasser in
einen ersten und einen zweiten Teilstrom aufgeteilt wird,
dass der erste Teilstrom dem Verdampfer (7) des
Abhitzekessels (5) zugeführt wird und dass mit dem zweiten
Teilstrom das unter dem hohen Eingangsdruck stehende Erdgas
erwärmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
dass das Erdgas zweistufig entspannt wird und dass das in der
zweiten Stufe entspannte Erdgas einer Zusatzfeuerung (41) des
Abhitzekessels (5) zugeführt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass das Speisewasser in einem Gas/Wasser-
Wärmetauscher (33) durch die Erwärmung des unter dem hohen
Eingangsdruck stehenden Erdgases auf eine Temperatur
unterhalb der Temperatur innerhalb des Entgasers (16)
abgekühlt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, dass die dem Abhitzekessel (5) zugeführte
Menge an Speisewasser entsprechend der Lastanforderung des
Abhitzekessels (5) geregelt wird und dass die Menge des
Speisewassers für die Erwärmung des Erdgases über eine
Wasserstandsregelung (46) in einem separaten Druckbehälter
(44) auf einen konstanten Wert gehalten wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, dass in der Entspannungsturbine (29) eine
größere Menge an Erdgas entspannt wird, als in der
Brennkammer (3) der Gasturbine (1) verbrannt wird, dass das
überschüssige entspannte Erdgas einen Erdgasverbraucher (32)
zugeführt wird, dass das Erdgas durch eine größere Menge an
vorgewärmtem Speisewasser erwärmt wird und dass dem
Verdampfer (7) eine anteilige Menge an nicht vorgewärmten
Speisewasser zugeführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die
Leistung der Dampfturbine (10) durch eine Zusatzfeuerung (41)
angehoben wird, wenn die Dampfleistung des Abhitzekessels (5)
zur Deckung des elektrischen Bedarfes nicht ausreicht.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei
einem einen Niederdruckteil und einen Hochdruckteil
aufweisenden Wasser-Dampf-Kreislauf das unter dem hohen
Eingangsdruck stehende Erdgas durch einen Teilstrom des in
dem Niederdruckteil erzeugten Dampfes erwärmt wird.
9. Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie mit Hilfe
einer Entspannungsturbine (29), Dampfturbine (10) und einer
Gasturbine (1), der eine Brennkammer (3) vorgeschaltet und
ein Abhitzekessel (5) nachgeschaltet ist, der mit als
Speisewasservorwärmer (8), Verdampfer (7) und Überhitzer (6)
ausgebildeten Heizflächen versehen ist, wobei der Eingang der
Entspannungsturbine (29) mit einer Versorgungsleitung (27)
für ein unter hohem Eingangsdruck stehendes Erdgas über einen
Wärmetauscher (33) zur Erwärmung dieses Erdgases und der
Ausgang der Entspannungsturbine (29) mit der Brennkammer (3)
der Gasturbine (1) verbunden ist, zur Durchführung des
Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, dass der Ausgang des Speisewasservorwärmers
(8) mit zwei Zweigleitungen (24, 25) verbunden ist, dass die
erste Zweigleitung (24) mit den dem Speisewasservorwärmer (8)
nachgeschalteten Heizflächen des Abhitzekessels (5) verbunden
ist und dass die zweite Zweigleitung (25) zu dem
Wärmetauscher (33) geführt und anschließend zu dem
Speisewasserentgaser (16) zurückgeführt ist.
10. Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie mit Hilfe
einer Entspannungsturbine (29), Dampfturbine (10) und einer
Gasturbine (1), der eine Brennkammer (3) vorgeschaltet und
ein Abhitzekessel (5) nachgeschaltet ist, der mit als
Speisewasservorwärmer (8), Verdampfer (7) und Überhitzer (6)
ausgebildeten Heizflächen versehen ist, wobei der Eingang der
Entspannungsturbine (29) mit einer Versorgungsleitung (27)
für ein unter hohem Eingangsdruck stehendes Erdgas über einen
Wärmetauscher (33) zur Erwärmung dieses Erdgases und der
Ausgang der Entspannungsturbine (29) mit der Brennkammer (3)
der Gasturbine (1) verbunden ist, zur Durchführung des
Verfahrens nach den Ansprüchen 1, 2, 7, 8, dadurch
gekennzeichnet, dass der Abhitzekessel (5) in einem
Niederdruckteil mit einem Verdampfer (7') und einem
Überhitzer (6') und einen Hockdruckteil mit dem
Speisewasservorwärmer (8), einem Verdampfer (7) und einem
Überhitzer (6) aufgeteilt ist und dass der Überhitzer (6')
des Niederdruckteiles mit dem Wärmetauscher (33) zur
Erwärmung des Erdgases verbunden ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10 dadurch gekennzeichnet,
dass der Entspannungsturbine (29) eine zweite
Entspannungsturbine (42) nachgeschaltet ist, deren Ausgang
mit einer in dem Abhitzekessel (5) angeordneten
Zusatzfeuerung (41) verbunden ist.
12. Vorrichtung nach nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, dass der Ausgang des Wärmetauschers (33) über
eine die Entspannungsturbine (29) umgehende Bypassleitung
(36) mit der Brennkammer (3) verbunden ist und dass in der
Bypassleitung (36) ein Druckreduzierventil (35) angeordnet
ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, dass die Versorgungsleitung (27) über einen
elektrischen Aufheizer (38) und ein Druckreduzierventil (35)
mit der Brennkammer (3) verbunden ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, dass von der Speisewasserleitung (21) vor
deren Eintritt in den Speisewasservorwärmer (8) eine dritte
Zweigleitung (48) abgezweigt ist, die mit der ersten den
Ausgang des Speisewasservorwärmers (8) mit der Dampftrommel
(26) verbindenden Zweigleitung (24) verbunden ist und dass in
der ersten Zweigleitung (24) und in der dritten Zweigleitung
(48) jeweils vor der Verbindungsstelle dieser Zweigleitungen
(24, 48) ein Regelventil (49, 50) angeordnet ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass
der Abhitzekessel (5) mit einer Zusatzfeuerung (41) versehen
ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch
gekennzeichnet, dass aufgrund der hohen Erdgasparameter, wie
Druck, Temperatur und Menge, die Entspannungsturbinen (29,
42) in axialer Bauweise ausgebildet sind.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch
gekennzeichnet, dass eine Frischlaufabsicherung Vorgesehen
ist, damit bei einem Ausfall der Gasturbine (1) der
Entspannungskreislauf für das Erdgas in Betrieb bleibt.
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