DE102009031843A1

DE102009031843A1 - Verfahren zum Betrieb eines Kraftwerks mit einer Gasturbinenanlage

Info

Publication number: DE102009031843A1
Application number: DE102009031843A
Authority: DE
Inventors: Horst Dr. Meyrahn
Original assignee: RWE Power AG
Current assignee: RWE Power AG
Priority date: 2009-07-03
Filing date: 2009-07-03
Publication date: 2011-01-05
Also published as: WO2011000548A3; WO2011000548A2; EP2449228A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftwerks mit einer Gasturbinenanlage, umfassend wenigstens einen Verdichterteil, eine Brennkammer und wenigstens eine Turbine, wobei das der Brennkammer zugeführte Gas einem Gasnetz entnommen wird, das aus dem Gasnetz entnommene Gas auf das für die Gasturbine benötigte Druckniveau entspannt wird und anschließend vorgewärmt wird, wobei die bei der Entspannung des Brenngases entstehende Temperatursenke zumindest teilweise zur Konditionierung der Verbrennungsluft für die Gasturbine genutzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Kraftwerks mit einer Gasturbinenanlage, umfassend wenigstens ein Verdichterteil, eine Brennkammer und wenigstens eine Turbine, wobei das der Brennkammer zugeführte Gas einem Gasnetz entnommen wird.
Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der DE 100 33 052 A1 bekannt. Bei dem aus der DE 100 33 052 A1 bekannten Verfahren wird eine möglichst flexible Fahrweise der Gasturbine in einem weiten Lastbereich oberhalb und unterhalb der Nennlast mit hohem Wirkungsgrad angestrebt. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass die Ansaugluft der Gasturbine eine Wärmeübertragungsstufe durchläuft und dabei der Ansaugluft in Abhängigkeit von der Leistungsabgabe der Gasturbinenanlage entweder Wärme zugeführt oder Wärme entzogen wird. Bei steigender Leistungsabgabe erfolgt eine Abkühlung der Ansaugluft, bei sinkender Leistungsabgabe deren Erwärmung.
Die für die Erwärmung benötigte Energie wird beispielsweise in Form von Niederdruckdampf aus einem gekoppelten Dampfturbinenkreislauf bereitgestellt. Zur Kühlung findet ein Kühlmedium Anwendung, beispielsweise Kaltwasser oder ein Kältemittel, welches durch Verdampfung seiner Umgebung Wärme entzieht.
Dem in der DE 100 33 052 A1 beschriebenen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Leistungsabgabe einer Gasturbinenanlage direkt vom Massenstrom des zugeführten Arbeitsmittels und indirekt von der Temperatur der Ansaugluft abhängt. Mit dem Verfahren soll eine Regelung der Leistungsabgabe der Gasturbine in gewissen Grenzen möglich sein.
Insbesondere die in der DE 100 33 052 A1 vorgeschlagene Kühlung der Ansaugluft führt zwar zu einer Leistungssteigerung der Gasturbine. Dies ist jedoch insbesondere dann nicht vorteilhaft, wenn keine ausreichenden Kältepotentiale vorhanden sind und Temperatursenken durch Verdunsten eines Kühlmediums erzeugt werden müssen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art im Hinblick auf eine Leistungssteigerung der Gasturbine zu verbessern.
Die Aufgabe wird zunächst gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eine Kraftwerks mit einer Gasturbinenanlage umfassend wenigstens ein Verdichterteil, eine Brennkammer und wenigstens eine Turbine, wobei das der Brennkammer zugeführte Gas einem Gasnetz entnommen wird, wobei sich das Verfahren dadurch auszeichnet, dass das aus dem Gasnetz entnommene Gas zunächst auf das für die Gasturbine benötigte Druckniveau entspannt und anschließend vorgewärmt wird und wobei die bei der Entspannung des Brenngases entstehende Temperatursenke zumindest teilweise zur Konditionierung der Verbrennungsluft für die Gasturbine genutzt wird.
Dass der Wirkungsgrad der Gasturbine unter anderem abhängig von der Temperatur der Verbrennungsluft ist, ist soweit hinlänglich bekannt, beispielsweise auch aus der DE 100 33 052 A1 sowie aus zahlreichen anderen Veröffentlichungen. Je kälter die Verbrennungsluft, desto höher der Wirkungsgrad, weil kalte Luft bekanntlich eine höhere Dichte als warme Luft aufweist.
Aus einem vorhandenem Gasnetz wird üblicherweise das Brenngas mit einem deutlich höheren Druck und einer niedrigeren Temperatur bezogen, als dies für den Betrieb der Gasturbine erforderlich ist.
Der Betriebsdruck einer üblichen Gaspipeline kann bis zu 80 bar betragen, wohingegen das für die Gasturbine erforderliche Druckniveau etwa 25 bar beträgt. Die Temperatur des der Gasturbine zugeführten Brenngases sollte etwa 25°C betragen, das Temperaturniveau des in der Erdgaspipeline zur Verfügung gestellten Erdgases ist in der Regel kleiner als 25°C.
Das aus der Pipeline entnommene Erdgas/Brenngas wird daher üblicherweise zunächst einer Gasvorwärmung unterzogen und anschließend entspannt.
Das Temperaturniveau in der Gasvorwärmung wird üblicherweise so gewählt, dass das Brenngas nach der Entspannung das für die Gasturbine benötigte Temperaturniveau aufweist. Die bei der Gasexpansion anfallende Energie wird dabei in mechanische Arbeit umgesetzt und beispielsweise zum Antreiben eines Generators verwendet.
Bei der Gasexpansion über ein Drosselventil wird die im Gas enthaltende Kompressionsenergie nicht genutzt. Erfolgt die Gasexpansion in einem Turboexpander, wird die Kompressionsenergie des Gases in mechanischer Arbeit umgesetzt und beispielsweise zum Antreiben eines Generators verwendet. Die durch Entspannung des Gases entstehende Kälte (Joule-Thomson-Effect) wird allerdings in beiden Fälle nicht genutzt, im Gegenteil, das Erdgas wird in der Gasvorwärmung mittels Einsatz fossiler Brennstoffe durch Aufheizen wiedererwärmt, damit das Gas nach der Abkühlung durch die Entspannung das für den Eintritt in die Gasturbine erforderliche Temperaturniveau erreicht.
Die Erfindung nutzt die bei der Entspannung des Gases entstehende Temperatursenke in zweierlei Hinsicht, einerseits wird der thermodynamische Effekt als solcher energetisch genutzt, d. h. die erzeugte Kälte wird genutzt, andererseits wird die Kälte zur Leistungssteigerung der Gasturbine verwendet.
Erfindungsgemäß erfolgt also vorzugsweise zunächst eine Entspannung des Erdgases, sodann eine Anhebung des Temperaturniveaus beispielsweise mittels eines geeigneten Wärmetauschers und anschließend die sonst übliche Gasvorwärmung.
Alternativ kann zunächst nur eine teilweise Gasvorwärmung erfolgen, wobei nach der Abkühlung des Gases bei der Entspannung beispielsweise in einem Turboexpander jedoch ein Temperaturniveau erreicht wird, das niedriger ist als das für den Eintritt in die Gasturbine erforderliche Temperaturniveau. Die weitere Anhebung des Temperaturniveaus erfolgt dann beispielsweise mittels eines geeigneten Wärmetauschers. Hierbei entstehende Kälte wird ebenfalls vom Brenngas auf die Verbrennungsluft übertragen.
Diese Vorgehensweise ist insbesondere dann vorteilhaft einsetzbar, wenn ein bestehendes Kraftwerk (mit vorhandenem Drosselventil zur Gasentspannung) mit Turboexpandern zwecks Gasentspannung und Nutzung der im Gas enthaltenen Kompressionsenergie nachgerüstet wird. Dabei wird das in der Praxis oft bestehende Problem gelöst, dass die Aufwärmkapazität der vorhandenen Gasvorwärmung nicht ausreicht, um das für den Eintritt des Brenngases in die Gasturbine erforderliche hohe Temperaturniveau zu gewährleisten.
Bei einer vorteilhaften Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass die Verbrennungsluft unmittelbar in wenigstens einem Wärmetauscher mittels des entspannten Brenngases abgekühlt wird.
Alternativ kann der Verbrennungsluft die Wärme mittels eines Wärmeträgermediums entzogen werden, das wiederum die der Verbrennungsluft entzogene Wärme dem Brenngas aufgibt.
Als Wärmeträgermedien kommen beispielsweise Thermoöl oder Wasser oder Glykol oder Wasser-Glykol-Mischungen oder Methanol in Betracht.
Die Verbrennungsluft der Gasturbine kann beispielsweise durch einen von einem Wärmeträgermedium oder von kaltem Brenngas durchströmten Wärmetauscher angesaugt werden.
Als Wärmetauscher kann beispielsweise ein Lamellenwärmetauscher vorgesehen sein, der dem Ansaugstutzen des Verdichters vorgeschaltet ist.
Alternativ kann die bereits verdichtete und zumindest teilweise erwärmte Verbrennungsluft über wenigstens einen mit abgekühltem Brenngas beaufschlagten Wärmetauscher geführt werden.
Eine Kälteverschiebung von dem Brenngas auf die Verbrennungsluft kann mittels mehrerer in Reihe geschalteter Wärmetauscher erfolgen, wobei in diesen Wärmetauschern ein unmittelbarer Wärmeübergang von dem kalten Brenngas auf die Verbrennungsluft stattfinden kann. Selbstverständlich sind auch eine Parallelschaltung oder Kombinationen von Reihen- und Parallelschaltungen von Wärmetauschern im Rahmen der Erfindung.
Alternativ kann ein solcher Wärmeübergang mittels eines Wärmeträgermediums erfolgen, wobei hierzu ggf. die doppelte Anzahl von Wärmetauschern erforderlich ist.
Die bei der Entspannung des Brenngases entstehende Kälte kann in vorteilhafter Art und Weise zusätzlich zur Abfuhr von Kondensationswärme aus einem gekoppelten Dampfturbinenprozess genutzt werden.
Vorzugsweise erfolgt die Entspannung des Brenngases mittels wenigstens eines Turboexpanders unter zusätzlicher Nutzung mechanischer Energie.
Vorteilhafte Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens werden anhand dreier Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:
1 eine erste Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei welchem eine direkte Abkühlung der bereits verdichteten und teilweise erwärmten Verbrennungsluft der Gasturbine in mehreren Wärmetauschern erfolgt,
2 eine alternative Ausgestaltung des Verfahrens gemäß der Erfindung, bei welcher eine Abkühlung der bereits verdichteten und teilweise erwärmten Verbrennungsluft der Gasturbine mittels eines Wärmeträgermediums erfolgt, und
3 eine Variante des Verfahrens gemäß der Erfindung, bei welcher eine Abkühlung der von der Gasturbine angesaugten Verbrennungsluft mittels eines mit Wärmeträgermedium beaufschlagten Wärmetauschers erfolgt.
Die in den Figuren dargestellte Gasturbine 1 umfasst in bekannter Art und Weise ein Verdichterteil 2, eine Brennkammer 3 und eine Turbine 4. In dem Verdichterteil 2 wird Umgebungsluft als Verbrennungsluft 11 angesaugt, verdichtet und teilweise erwärmt. Die verdichtete erwärmte Verbrennungsluft 11 wird in der Brennkammer 3 mit Erdgas aus einer Erdgasleitung 5 vermischt und verbrannt; in der nachgeschalteten Turbine 4 wird die Gasmischung entspannt, und zwar unter Freisetzen von mechanischer Arbeit, die zur Erzeugung von Elektrizität genutzt wird. Das Erdgas wird beispielsweise aus einer nicht dargestellten Erdgaspipeline mit einem Druck von etwa 80 bar und einer Temperatur von zwischen 10 und 14°C bereitgestellt. In einer Expansionsstufe 6 wird das Erdgas zunächst auf einen Druck von 25 bar entspannt, wobei sich bei einer Eintrittstemperatur von 14°C und einem Eintrittsdruck von etwa 80 bar hinter der Expansionsstufe bei einem Druck von 25 bar eine Temperatur von etwa –31°C einstellt.
In der Expansionsstufe 6 können zur Expansion des Erdgases ein oder mehrere Turboexpander vorgesehen sein. In Turboexpandern erfolgt die Entspannung des Gases üblicherweise unter Verrichtung mechanischer Arbeit, die durch einen Kompressor, einen Generator oder eine Flüssigkeitsbremse aufgenommen werden kann.
Der Expansionsstufe nachgeschaltet sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel drei in Reihe geschaltete Wärmetauscher 7, in welchen das Brenngas/Erdgas mit Wärme aus der Verbrennungsluft der Gasturbine 1 stufenweise im Gegenstrom beladen werden kann, wie nachstehend noch erläutert wird. Mittels der Wärmetauscher 7 kann die Temperatur des Brenngases auf etwa 10°C angehoben werden. In der nachgeschalteten Gasvorwärmung 8 wird die Temperatur des Brenngases dann auf 35°C angehoben.
Die Gasvorwärmung kann beispielsweise bei einem GUD-Prozess bedarfsweise mit Kondensationswärme aus dem Speisewasserkreislauf des Dampferzeugers betrieben werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 wird über eine Bypassleitung 9 ein Teil der bereits verdichteten und vorgewärmten Verbrennungsluft hinter dem Verdichter 2 abgezweigt und über die Wärmetauscher 7 geführt, die ihre Wärmelast im Gegenstrom dem Brenngas/Erdgas aufgeben. Die Temperatur des über die Bypassleitung abgezweigten Verbrennungsluftstroms kann bis zu 400°C betragen. Der Wärmeübergang in den Wärmetauschern 7 erfolgt bei dem in 1 dargestellten Beispiel unmittelbar über die Rohrwandungen. Beispielsweise können die Wärmetauscher 7 als Rohrbündelwärmetauscher ausgebildet sein.
Das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel des Verfahrens gemäß der Erfindung unterscheidet sich nur insoweit von dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel, als das insgesamt sechs Wärmetauscher 7 vorgesehen sind, von denen jeweils drei in Reihe geschaltet sind. Hier erfolgt der Wärmeübergang über ein Wärmeträgermedium, beispielsweise Methanol, welches in dem zwischen der Expansionsstufe 6 und der Gasvorwärmung 8 vorgesehenen ersten Wärmetauschern 7a abgekühlt wird und in drei zweiten Wärmetauschern 7b, die an die Gasturbine 1 angeschlossen sind, über die aus der Brennkammer 3 abgezweigte Verbrennungsluft mit Wärme beladen wird.
Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein erster Wärmetauscher 7a zwischen der Expansionsstufe 6 und der Gasvorwärmung 8 angeordnet, ein zweiter mit diesem gekoppelter Wärmetauscher 7b ist dem Verbrennungslufteinlass 10 des Verdichters 2 vorgeschaltet. Der erste Wärmetauscher 7a und der zweite Wärmetauscher 7b kommunizieren über ein Wärmetauschermedium miteinander, beispielsweise über einen Methanolkreislauf. Der zweite Wärmetauscher 7b kann beispielsweise als luftdurchströmter Lamellenwärmetauscher ausgebildet sein.
Bei entsprechender Auslegung des Wärmetauschers 7b kann beispielsweise Verbrennungsluft mit etwa 20°C auf eine Temperatur von 15,4°C abgekühlt werden, das entspricht einem ΔT von 4,6 K. Die erreichte Leistungssteigerung der Gasturbine ist etwa 1,2% der Volllast bezogen auf eine Temperaturdifferenz von 1 Kelvin.
Bezugszeichenliste

1: Gasturbine
2: Verdichter
3: Brennkammer
4: Turbine
5: Erdgasleitung
6: Expansionsstufe
7a, b: Wärmetauscher
8: Gasvorwärmung
9: Bypassleitung
10: Verbrennungslufteinlass
11: Verbrennungsluft

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10033052 A1 [0002, 0002, 0004, 0005, 0008]

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Kraftwerks mit einer Gasturbinenanlage, umfassend wenigstens einen Verdichterteil, eine Brennkammer und wenigstens eine Turbine, wobei das der Brennkammer zugeführte Gas einem Gasnetz entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem Gasnetz entnommene Gas auf das für die Gasturbine benötigte Druckniveau entspannt und vorgewärmt wird und dass die bei der Entspannung des Brenngases entstehende Temperatursenke zumindest teilweise zur Konditionierung der Verbrennungsluft für die Gasturbine genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem Gasnetz entnommene Gas zunächst auf das für die Gasturbine benötigte Druckniveau entspannt und anschließend vorgewärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsluft unmittelbar in wenigstens einem Wärmetauscher mittels des entspannten Brenngases abgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsluft die Wärme mittels eines Wärmeträgermediums entzogen wird, das wiederum die der Verbrennungsluft entzogene Wärme dem Brenngas aufgibt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmeträgermedium Thermoöl oder Wasser oder Glykol oder Wasser-Glykol-Mischungen oder Methanol Anwendung finden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsluft durch einen von einem Wärmeträgermedium oder von kaltem Brenngas durchströmten Wärmetauscher angesaugt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmetauscher wenigstens ein Lamellenwärmetauscher Anwendung findet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bereits verdichtete und zumindest teilweise erwärmte Verbrennungsluft über wenigstens einem mit abgekühltem Brenngas beaufschlagten Wärmetauscher geführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kälteverschiebung von dem Brenngas auf die Verbrennungsluft mittels mehrerer in Reihe geschalteter Wärmetauscher erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Entspannung des Brenngases entstehende Kälte zusätzlich zur Abfuhr von Kondensationswärme aus einem gekoppelten Dampfturbinenprozess genutzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Entspannung des Brenngases mittels mindestens eines Turboexpanders unter zusätzlichern Nutzung mechanischer Energie erfolgt.