DE102011077688A1 - Solar thermal power plant with fully integrated gas turbine and heat recovery steam generator - Google Patents

Solar thermal power plant with fully integrated gas turbine and heat recovery steam generator Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein solarthermisches Kraftwerk (10) mit einem solarthermischen Kraftwerksteil sowie mit vollintegrierter Gasturbine (16) und Abhitzedampferzeuger (17), wobei der Abhitzedampferzeuger (17) so ausgelegt ist, dass bei der Niederdruckspeisewasservorwärmung (18), der Hochdruckspeisewasservorwärmung (19) und der Verdampfung (20) im Abhitzedampferzeuger (17) vergleichbare Fluidparameter erzielbar sind, wie im solarthermischen Kraftwerksteil (25, 28, 22).The invention relates to a solar thermal power plant (10) with a solar thermal power plant part and with a fully integrated gas turbine (16) and waste heat steam generator (17), the waste heat steam generator (17) being designed so that during the low-pressure feed water preheating (18), the high pressure feed water preheating (19) and the evaporation (20) in the waste heat steam generator (17) comparable fluid parameters can be achieved, as in the solar thermal power plant part (25, 28, 22).

Description

Die Erfindung betrifft ein solarthermisches Kraftwerk mit vollintegrierter Gasturbine und Abhitzedampferzeuger. The invention relates to a solar thermal power plant with fully integrated gas turbine and heat recovery steam generator.

Bekannt sind sogenannte ISCC-Kraftwerke (ISCC = integrated solar combined cycle), bei denen ein solarer Kraftwerksteil in ein Kombikraftwerk so integriert ist, dass solarthermisch erzeugter Hochdruckdampf oder Mitteldruckdampf, der gesättigt oder leicht überhitzt ist, in den Prozess eingebunden ist. Nachteilig hieran ist, dass bei diesen Lösungen der solarthermische Teil den kombinierten Kraftwerksteil, umfassend eine Gasturbine und eine Dampfturbine, lediglich unterstützt. Known are so-called ISCC power plants (ISCC = integrated solar combined cycle), in which a solar power plant part is integrated into a combined cycle power plant that solar thermal generated high pressure steam or medium pressure steam, which is saturated or slightly overheated, is involved in the process. The disadvantage of this is that in these solutions, the solar thermal part, the combined power plant part comprising a gas turbine and a steam turbine, only supported.

Aufgabe ist es, die genannte Vorrichtung weiterzuentwickeln, so dass auch ein rein solarer Betrieb mit hoher Effizienz möglich ist. The object is to further develop said device, so that a purely solar operation with high efficiency is possible.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Vorrichtung gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert. Indem bei einem solarthermischen Kraftwerk mit einem solarthermischen Kraftwerksteil sowie mit vollintegrierter Gasturbine und Abhitzedampferzeuger, der Abhitzedampferzeuger so ausgelegt ist, dass bei der Niederdruckspeisewasservorwärmung, der Hochdruckspeisewasservorwärmung und der Verdampfung im Abhitzedampferzeuger vergleichbare Fluidparameter erzielbar sind, wie im solarthermischen Kraftwerksteil, kann das Kraftwerk effizient in verschiedenen Modi betrieben werden. Beispielsweise kann das Kraftwerk im Gas- und Dampf-Modus betrieben werden, bei dem die Gasturbine zusammen mit der Dampfturbine in Betrieb ist, wobei Gas- und Dampfturbine die Wirkleistung liefern. Weiterhin kann das Kraftwerk so betrieben werden, dass das Wärmeträgermedium im solarthermischen Teil über die Abwärme aus dem GuD-Teil erwärmt bzw. frostgeschützt wird, wodurch Zusatzausrüstung, die für diesen Zweck bereitgestellt werden müsste, nicht mehr notwendig ist. Ein weiterer effizienter Betriebsmodus des solarthermischen Kraftwerks ist der reine Solarbetrieb, in dem die Wirkleistung ausschließlich von der Dampfturbine erbracht wird. Schließlich besteht noch die Möglichkeit, das Kraftwerk im Hybrid-Modus zu fahren, bei dem Gas- und Dampfturbine die Gesamtwirkleistung des Kraftwerks aufbringen. In diesem Modus liefern der solarthermische Teil und der Abhitzedampferzeuger gemeinsam den Dampf für die Dampfturbine. According to the invention this object is achieved by the device according to claim 1. Advantageous developments of the invention are defined in the dependent claims. By in a solar thermal power plant with a solar thermal power plant part and with fully integrated gas turbine and heat recovery steam generator, the heat recovery steam generator is designed so that in low pressure feedwater preheating, the Hochdruckspeisewasserwärmung and evaporation in the heat recovery steam generator comparable fluid parameters can be achieved, as in solar thermal power plant part, the power plant can efficiently in different Modes are operated. For example, the power plant can be operated in the gas and steam mode, in which the gas turbine is in operation together with the steam turbine, with gas and steam turbine deliver the active power. Furthermore, the power plant can be operated so that the heat transfer medium in the solar thermal part of the waste heat from the gas and steam part is heated or protected from frost, whereby additional equipment that would be provided for this purpose is no longer necessary. Another efficient operating mode of the solar thermal power plant is the pure solar operation, in which the active power is provided exclusively by the steam turbine. Finally, there is still the possibility to drive the power plant in hybrid mode, in which gas and steam turbine to apply the total effective power of the power plant. In this mode, the solar thermal part and the heat recovery steam generator together supply the steam for the steam turbine.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Abhitzedampferzeuger so ausgelegt ist, dass im Abhitzedampferzeuger eine stärkere Überhitzung erzielbar ist, als im solarthermischen Kraftwerksteil. Hierdurch sind höhere Frischdampftemperaturen möglich, wodurch die Kraftwerkseffizienz gesteigert wird. It is advantageous if the heat recovery steam generator is designed so that in the heat recovery steam generator stronger overheating can be achieved than in the solar thermal power plant part. As a result, higher steam temperatures are possible, whereby the power plant efficiency is increased.

Es ist zweckmäßig, wenn der Abhitzedampferzeuger eine erste Druckstufe aufweist. It is expedient if the heat recovery steam generator has a first pressure stage.

Weiterhin ist es zweckmäßig und im Sinne einer hohen Kraftwerkseffizienz, wenn der Abhitzedampferzeuger einen Zwischenüberhitzer aufweist, der eingangsseitig mit einem Ausgang einer Hochdruckstufe der Dampfturbine und ausgangsseitig mit einem Eingang einer Mittel- oder Niederdruckstufe der Dampfturbine verbunden ist. Furthermore, it is expedient and in terms of high power plant efficiency when the heat recovery steam generator has a reheater which is connected on the input side to an output of a high pressure stage of the steam turbine and the output side to an input of a middle or low pressure stage of the steam turbine.

In einer alternativen Ausgestaltung weist der Abhitzedampferzeuger eine weitere Druckstufe auf, deren Druckniveau im Bereich des Druckniveaus einer heißen Zwischenüberhitzung liegt und wobei eine vom Ausgang der weiteren Druckstufe abzweigende erste Dampfleitung in eine zweite Dampfleitung mündet, die einen Hochdruckteil und einen Mittel- oder Niederdruckteil einer Dampfturbine verbindet. In an alternative embodiment, the heat recovery steam generator has a further pressure stage whose pressure level is in the range of the pressure level of a hot reheat and wherein a branching off from the output of the further pressure stage first steam line opens into a second steam line, which has a high pressure part and a middle or low pressure part of a steam turbine combines.

In einer weiteren alternativen Ausgestaltung weist der Abhitzedampferzeuger eine weitere Druckstufe auf, deren Druckniveau im Bereich des Druckniveaus einer kalten Zwischenüberhitzung liegt und wobei Dampf aus der weiteren Druckstufe mit Dampf aus einer Hochdruckstufe der Dampfturbine mischbar und im Abhitzedampferzeuger weiter erhitzbar ist und der gemischte und weiter erhitzte Dampf einer Mittel- oder Niederdruckstufe der Dampfturbine zuführbar ist. In a further alternative embodiment, the heat recovery steam generator to another pressure stage whose pressure level is in the range of pressure levels of a cold reheat and wherein steam from the further pressure stage with steam from a high-pressure stage of the steam turbine is miscible and further heated in the heat recovery steam generator and the mixed and further heated Steam of a middle or low pressure stage of the steam turbine can be fed.

Es ist vorteilhaft, wenn der solarthermische Kraftwerksteil einen Zwischenüberhitzer aufweist. It is advantageous if the solar thermal power plant part has a reheater.

Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn eine vom solarthermischen Dampferzeuger abzweigende Dampfleitung in einen Überhitzer des Abhitzedampferzeugers mündet. Damit kann auch der im solarthermischen Dampferzeuger erzeugte Dampf auf höhere Frischdampftemperaturen gebracht werden. It is furthermore advantageous if a steam line branching off from the solar thermal steam generator opens into a superheater of the heat recovery steam generator. Thus, the steam generated in the solar thermal steam generator can be brought to higher steam temperatures.

Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich: The invention will be explained in more detail by way of example with reference to the drawings. Shown schematically and not to scale:

1 das Konzept für ein solarthermisches Kraftwerk nach der Erfindung, 1 the concept for a solar thermal power plant according to the invention,

2 einen Ein-Druck-Abhitzedampferzeuger im Detail, 2 a one-pressure heat recovery steam generator in detail,

3 einen Zwei-Druck-Abhitzedampferzeuger im Detail, 3 a two-pressure heat recovery steam generator in detail,

4 eine alternative Ausführungsform der Zwischenüberhitzung und 4 an alternative embodiment of the reheat and

5 einen Zwei-Druck-Abhitzedampferzeuger für die alternative Ausführungsform der Zwischenüberhitzung. 5 a two-pressure heat recovery steam generator for the alternative embodiment of reheat.

Die 1 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes solarthermisches Kraftwerk 10 nach der Erfindung. Gasturbine (s. 2) sowie Dampfturbine 11 mit Hochdruckstufe 12 und Niederdruckstufe 13 sind zur Erzeugung elektrischer Energie an einen Generator 14 gekoppelt. Die Kopplung kann mit oder ohne Getriebe 15 erfolgen. 2 zeigt, dass Abgas von der Gasturbine 16 insbesondere zur Erzeugung von Prozess- und Hilfsdampf für die Dampfturbine 11 in einen Abhitzedampferzeuger 17 eingeleitet wird. 1 zeigt die Anordnung des Niederdruckspeisewasservorwärmers 18, des Hochdruckspeisewasservorwärmers 19, des Verdampfers 20 und des Überhitzers 21 des Abhitzedampferzeugers 17 im erfinderischen Konzept. Die 1 zeigt weiterhin einen solarthermischen Dampferzeuger 22. The 1 schematically shows a solar thermal power plant according to the invention 10 according to the invention. Gas turbine (s. 2 ) as well as steam turbine 11 with high pressure stage 12 and low pressure stage 13 are for generating electrical energy to a generator 14 coupled. The coupling can be with or without transmission 15 respectively. 2 shows that exhaust gas from the gas turbine 16 in particular for generating process and auxiliary steam for the steam turbine 11 in a heat recovery steam generator 17 is initiated. 1 shows the arrangement of the low pressure feedwater pre-heater 18 , the high-pressure feedwater pre-heater 19 , the evaporator 20 and the superheater 21 of the heat recovery steam generator 17 in the inventive concept. The 1 also shows a solar thermal steam generator 22 ,

Beim Betrieb des Kraftwerks 10 fällt entspannter Dampf an, welcher einem Kondensator 23 zugeleitet wird. Das aufbereitete Kondensat wird mittels einer Kondensatpumpe 24 einer Niederdruckspeisewasservorwärmung zugeführt. Je nach Betriebsmodus des Kraftwerks 10 erfolgt die Niederdruckspeisewasservorwärmung 25 über Anzapfungen aus der Niederdruckstufe 13 der Dampfturbine 11 und/oder über im Abhitzedampferzeuger 17 angeordnete Heizflächen 18 (vgl. Bezugszeichen 1 und 2 in den 1 und 2). Das vorgewärmte Niederdruckspeisewasser wird einem Speisewasserbehälter 26 zugeleitet. Speisewasser aus dem Speisewasserbehälter 26 wird mittels einer Speisewasserpumpe 27 einem Hochdruckspeisewasservorwärmer zugeführt. Die Hochdruckspeisewasservorwärmung kann wiederum je nach Betriebsmodus des Kraftwerks 10 auf verschiedene Arten erfolgen. Einerseits werden Anzapfungen aus dem Hochdruckteil der Dampfturbine verwendet 28, andererseits oder in Kombination wird das Speisewasser über im Abhitzedampferzeuger 17 angeordnete Heizflächen 19 geführt (vgl. Bezugszeichen 3 und 4 in den 1 und 2). During operation of the power plant 10 accumulates relaxed steam, which is a capacitor 23 is forwarded. The condensate is treated by means of a condensate pump 24 fed to a low pressure feedwater preheating. Depending on the operating mode of the power plant 10 the low-pressure feed water preheating takes place 25 about taps from the low-pressure stage 13 the steam turbine 11 and / or over in the heat recovery steam generator 17 arranged heating surfaces 18 (see reference numeral 1 and 2 in the 1 and 2 ). The preheated low pressure feed water becomes a feedwater tank 26 fed. Feed water from the feedwater tank 26 is by means of a feedwater pump 27 fed to a high pressure feedwater pre-heater. The high pressure feedwater preheating, in turn, may vary depending on the operating mode of the power plant 10 done in different ways. On the one hand, taps are used from the high pressure part of the steam turbine 28 , on the other hand or in combination, the feed water is over in the heat recovery steam generator 17 arranged heating surfaces 19 guided (see reference numeral 3 and 4 in the 1 and 2 ).

Im reinen GuD-Betrieb wird das vorgewärmte Speisewasser anschließend im Abhitzedampferzeuger 17 weiter verdampft 20 und überhitzt 21, und der überhitzte Dampf der Hochdruckstufe 12 der Dampfturbine 11 zugeführt. In pure combined cycle operation, the preheated feed water is then in the heat recovery steam generator 17 further evaporated 20 and overheated 21 , and the superheated steam of the high-pressure stage 12 the steam turbine 11 fed.

Im reinen Solarbetrieb wird das vorgewärmte Speisewasser im solarthermischen Dampferzeuger 22 verdampft und überhitzt und ebenfalls direkt dem Hochdruckteil 12 der Dampfturbine 11 zugeführt. In pure solar operation, the preheated feed water in the solar thermal steam generator 22 evaporates and overheats and also directly to the high pressure part 12 the steam turbine 11 fed.

Im Hybridbetrieb kann zusätzlich der überhitzte Dampf aus dem solarthermischen Dampferzeuger 22 zur weiteren Überhitzung in den Überhitzer 21 des Abhitzedampferzeugers 17 eingeleitet werden (s. Bezugszeichen 5), bevor er der Hochdruckstufe 12 der Dampfturbine 11 zugeführt wird (s. Bezugszeichen 6). In hybrid operation, in addition, the superheated steam from the solar thermal steam generator 22 for further overheating in the superheater 21 of the heat recovery steam generator 17 be initiated (see reference numerals 5 ) before joining the high pressure stage 12 the steam turbine 11 is supplied (see reference numeral 6 ).

Teilentspannter Dampf aus der Hochdruckstufe 12 der Dampfturbine 11 wird mittels eines Zwischenüberhitzers aufgeheizt und der Mittel- oder Niederdruckstufe 13 der Dampfturbine 11 zugeführt. Die Zwischenüberhitzung erfolgt dabei je nach Betriebsmodus oder Ausgestaltung des Abhitzedampferzeugers 17. Partially released steam from the high pressure stage 12 the steam turbine 11 is heated by means of a reheater and the middle or low pressure stage 13 the steam turbine 11 fed. The reheating takes place depending on the operating mode or design of the heat recovery steam generator 17 ,

Im reinen Solarbetrieb der Anlage 10 wird der teilentspannte Dampf im solarthermischen Zwischenüberhitzer 29 zwischenüberhitzt. In pure solar operation of the plant 10 becomes the partially expanded steam in the solar thermal reheater 29 reheated.

In einem Betriebsmodus, der die Nutzung des Abhitzedampferzeugers 17 umfasst, kann der teilentspannte Dampf je nach Ausgestaltung dieses Abhitzedampferzeugers 17 auf unterschiedliche Arten zwischenüberhitzt werden. In a mode of operation, the use of the heat recovery steam generator 17 includes, the partially expanded steam depending on the configuration of this heat recovery steam generator 17 be reheated in different ways.

Mit einem Ein-Druck-Abhitzedampferzeuger wird der teilentspannte Dampf über die Heizflächen des Zwischenüberhitzers 30 im Abhitzedampferzeuger 17 geleitet und der Dampfturbine 11 wieder zugeführt (s. Bezugszeichen 7 und 8 in 1 und 2). With a one-pressure heat recovery steam generator, the partially released steam is transferred to the reheater's heating surfaces 30 in the heat recovery steam generator 17 passed and the steam turbine 11 fed again (see reference numeral 7 and 8th in 1 and 2 ).

Mit einem Mehrdruck-Abhitzedampferzeuger, wie ihn die 3 zeigt, kann der teilentspannte Dampf zum Abhitzedampferzeuger 17 geleitet werden (s. Bezugszeichen 7), wo er dann mit Dampf aus einer weiteren Druckstufe 31 gemischt und überhitzt und anschließend der Dampfturbine 11 wieder zugeführt wird (s. Bezugszeichen 8). Die Trommel der weiteren Druckstufe 31 wird dabei aus dem Niederdruckspeisewasservorwärmer 18 oder dem Hochdruckspeisewasservorwärmer 19 gespeist (s. Bezugszeichen 2 oder 4). With a multi-pressure heat recovery steam generator, like him 3 shows, the partially relaxed steam to the heat recovery steam generator 17 be directed (see reference numerals 7 ), where he then with steam from another pressure stage 31 mixed and superheated and then the steam turbine 11 is fed again (see reference numeral 8th ). The drum of the further pressure stage 31 gets out of the low-pressure feedwater heater 18 or the high pressure feedwater preheater 19 fed (see reference numerals 2 or 4 ).

4 und 5 zeigen, dass alternativ dem teilentspannten Dampf Dampf aus der weiteren Druckstufe 31 des Abhitzedampferzeugers 17 zugemischt und die Mischung der Dampfturbine zugeführt werden kann (s. Bezugszeichen 9). 4 and 5 show that, alternatively, the partially tensioned vapor steam from the further pressure stage 31 of the heat recovery steam generator 17 mixed and the mixture of the steam turbine can be supplied (see reference numeral 9 ).

Claims (8)

Solarthermisches Kraftwerk (10) mit einem solarthermischen Kraftwerksteil sowie mit vollintegrierter Gasturbine (16) und Abhitzedampferzeuger (17), dadurch gekennzeichnet, dass der Abhitzedampferzeuger (17) so ausgelegt ist, dass bei der Niederdruckspeisewasservorwärmung (18), der Hochdruckspeisewasservorwärmung (19) und der Verdampfung (20) im Abhitzedampferzeuger (17) vergleichbare Fluidparameter erzielbar sind, wie im solarthermischen Kraftwerksteil (25, 28, 22). Solar thermal power plant ( 10 ) with a solar thermal power plant part as well as with fully integrated gas turbine ( 16 ) and heat recovery steam generator ( 17 ), characterized in that the heat recovery steam generator ( 17 ) is designed so that in the low-pressure feed water preheating ( 18 ), the high-pressure feedwater preheating ( 19 ) and evaporation ( 20 ) in the heat recovery steam generator ( 17 ) comparable fluid parameters can be achieved, as in the solar thermal power plant part ( 25 . 28 . 22 ). Solarthermisches Kraftwerk (10) nach Anspruch 1, wobei der Abhitzedampferzeuger (17) so ausgelegt ist, dass im Abhitzedampferzeuger (17) eine stärkere Überhitzung (21) erzielbar ist, als im solarthermischen Kraftwerksteil (22). Solar thermal power plant ( 10 ) according to claim 1, wherein the heat recovery steam generator ( 17 ) is designed so that in the heat recovery steam generator ( 17 ) a stronger overheating ( 21 ) is achievable, as in the solar thermal power plant part ( 22 ). Solarthermisches Kraftwerk (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Abhitzedampferzeuger (17) eine erste Druckstufe aufweist. Solar thermal power plant ( 10 ) according to one of claims 1 or 2, wherein the heat recovery steam generator ( 17 ) has a first pressure stage. Solarthermisches Kraftwerk (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Abhitzedampferzeuger (17) einen Zwischenüberhitzer (30) aufweist, der eingangsseitig mit einem Ausgang einer Hochdruckstufe (12) der Dampfturbine (11) und ausgangsseitig mit einem Eingang einer Mittel- oder Niederdruckstufe (13) der Dampfturbine (11) verbunden ist. Solar thermal power plant ( 10 ) according to one of claims 1 to 3, wherein the heat recovery steam generator ( 17 ) a reheater ( 30 ), the input side with an output of a high-pressure stage ( 12 ) of the steam turbine ( 11 ) and on the output side with an input of a medium or low pressure stage ( 13 ) of the steam turbine ( 11 ) connected is. Solarthermisches Kraftwerk (10) nach Anspruch 3, wobei der Abhitzedampferzeuger (17) eine weitere Druckstufe (31) aufweist, deren Druckniveau im Bereich des Druckniveaus einer heißen Zwischenüberhitzung liegt und wobei eine vom Ausgang der weiteren Druckstufe (31) abzweigende erste Dampfleitung in eine zweite Dampfleitung mündet, die einen Hochdruckteil (12) und einen Mittel- oder Niederdruckteil (13) einer Dampfturbine (11) verbindet. Solar thermal power plant ( 10 ) according to claim 3, wherein the heat recovery steam generator ( 17 ) another pressure stage ( 31 ) whose pressure level is in the range of the pressure level of a hot reheat reheat and wherein one of the output of the further pressure stage ( 31 ) branching first steam line opens into a second steam line, which is a high-pressure part ( 12 ) and a middle or low pressure part ( 13 ) of a steam turbine ( 11 ) connects. Solarthermisches Kraftwerk (10) nach Anspruch 3, wobei der Abhitzedampferzeuger (17) eine weitere Druckstufe (31) aufweist, deren Druckniveau im Bereich des Druckniveaus einer kalten Zwischenüberhitzung liegt und wobei Dampf aus der weiteren Druckstufe (31) mit Dampf aus einer Hochdruckstufe (12) der Dampfturbine (11) mischbar und im Abhitzedampferzeuger (17) weiter erhitzbar ist und der gemischte und weiter erhitzte Dampf einer Mittel- oder Niederdruckstufe (13) der Dampfturbine (11) zuführbar ist. Solar thermal power plant ( 10 ) according to claim 3, wherein the heat recovery steam generator ( 17 ) another pressure stage ( 31 ) whose pressure level is in the range of the pressure level of a cold reheat and wherein steam from the further pressure stage ( 31 ) with steam from a high-pressure stage ( 12 ) of the steam turbine ( 11 ) miscible and in the heat recovery steam generator ( 17 ) and the mixed and further heated vapor of a medium or low pressure stage ( 13 ) of the steam turbine ( 11 ) can be fed. Solarthermisches Kraftwerk (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der solarthermische Kraftwerksteil einen Zwischenüberhitzer (29) aufweist. Solar thermal power plant ( 10 ) according to one of the preceding claims, wherein the solar thermal power plant part comprises a reheater ( 29 ) having. Solarthermisches Kraftwerk (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine vom solarthermischen Dampferzeuger (22) abzweigende Dampfleitung in einen Überhitzer (21) des Abhitzedampferzeugers (17) mündet. Solar thermal power plant ( 10 ) according to one of the preceding claims, wherein one of the solar thermal steam generator ( 22 ) branching steam line into a superheater ( 21 ) of the heat recovery steam generator ( 17 ) opens.
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