DE102011102929A1

DE102011102929A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Produktion von überhitztem Dampf

Info

Publication number: DE102011102929A1
Application number: DE201110102929
Authority: DE
Inventors: Johann Ferstl; Hanno Tautz
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2011-05-31
Filing date: 2011-05-31
Publication date: 2012-12-06
Also published as: WO2012163467A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Produktion von überhitztem Dampf (10), bei dem Dampf (8) im Abgasstrom (5) einer Gasturbine (G) durch indirekten Wärmetausch (A) auf eine erste Dampftemperatur überhitzt wird. Der im Abgasstrom (5) der Gasturbine (G) überhitzte Dampf (8) wird durch indirekten Wärmetausch (E) gegen ein außerhalb der Gasturbine (G) erzeugtes Rauchgas (9) auf eine oberhalb der ersten Dampftemperatur liegende zweite Dampftemperatur aufgeheizt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Produktion von überhitztem Dampf, bei dem Dampf im Abgasstrom einer Gasturbine durch indirekten Wärmetausch auf eine erste Dampftemperatur überhitzt wird.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Mit einem elektrischen Wirkungsgrad von bis zu 60% sind Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerke gegenwärtig die effektivsten Einrichtungen zur konventionellen Erzeugung elektrischer Energie. In der Brennkammer einer Gasturbine wird ein Brennstoff, wie beispielsweise Erdgas, mit Luft, die im Kompressor der Gasturbine auf einen Druck von bis zu 30 bar verdichtet wurde, bei einer Temperatur von bis zu 1500°C verbrannt. Das dabei erzeugte heiße Gasgemisch wird unter Verrichtung mechanischer Arbeit im Turbinenteil entspannt, bevor es die Gasturbine als Abgas mit einer Temperatur von bis zu 620°C verlässt. Zur weiteren Nutzung seines Energieinhalts wird das Abgas durch einen Abhitzekessel geführt und dabei in indirektem Wärmetausch gegen Wasser bzw. Dampf abgekühlt. Der im Abhitzekessel erzeugte Dampf, der eine Temperatur von bis zu 570°C und einen Druck von bis zu 130 bar aufweist, wird nachfolgend einer Dampfturbine zugeführt und dort arbeitsleistend entspannt. Sowohl die Gas- als auch die Dampfturbine sind mit einem Stromgenerator gekoppelt, so dass die Energie des Brennstoffs mit hohem Wirkungsgrad in elektrische Energie umgesetzt wird.
Der im Dampfturbinenprozess erreichbare elektrische Wirkungsgrad hängt in erster Linie von Druck und Temperatur ab, mit der der Dampf in die Dampfturbine eintritt. Je höher die beiden Parameter, desto höher ist auch der Wirkungsgrad. Der Hochdruckteil moderner Hochleistungs-Dampfturbinen erlaubt Dampfeintrittstemperaturen von bis zu 600°C bei einem Druck von 280 bar. Gegenwärtig laufen Entwicklungen, diese Temperatur auf 700°C bei 340 bar zu steigern, wodurch der Wirkungsgrad eines Dampfkraftwerks um 3–4%-Punkte angehoben werden könnte. Wegen der eingeschränkten Abgastemperaturen der Gasturbine können in Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerken jedoch nur weit niedrigere Dampftemperaturen erreicht werden, so dass das Wirkungsgradpotential von Dampfturbinen nicht voll ausgeschöpft werden kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art sowie eine Vorrichtung zu dessen Durchführung anzugeben, durch die es möglich ist, den elektrischen Wirkungsgrad von Kombikraftwerken im Vergleich zum Stand der Technik zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der im Abgasstrom der Gasturbine überhitzte Dampf in indirektem Wärmetausch gegen ein außerhalb der Gasturbine erzeugtes Rauchgas auf eine oberhalb der ersten Dampftemperatur liegende zweite Dampftemperatur aufgeheizt wird.
Vorzugsweise wird die Aufheizung auf die zweite Dampftemperatur so durchgeführt, dass Hochdruckdampf mit einem Druck zwischen 300 und 340 bar und einer Temperatur zwischen 650 und 720°C erzeugt wird.
Zur Erzeugung des Rauchgases wird ein Brennstoff gemeinsam mit einem sauerstoffhaltigen Oxidationsmittel, bei dem es sich um Luft oder um mit Sauerstoff angereicherte Luft oder um technisch reinen Sauerstoff handelt, in einen Brennraum geführt und dort verbrannt. Bevorzugt werden Brennstoff und Oxidationsmittel dem Brennraum mit erhöhtem Druck zugeführt, so dass auch das bei der Verbrennung gebildete Rauchgas einen Druck aufweist, der höher ist als der Luftdruck. Zweckmäßigerweise wird das Oxidationsmittel im Kompressor der Gasturbine verdichtet. Insbesondere dann jedoch, wenn technisch reiner Sauerstoff als Oxidationsmittel eingesetzt wird, kann das Oxidationsmittel in einer von der Gasturbine unabhängigen Einrichtung verdichtet werden. Als Brennstoff kann eine Vielzahl von Flüssigkeiten oder Gasen, wie Erdgas, Wasserstoff, Synthesegas, Flüssiggas oder Kerosin, eingesetzt werden. Sinnvollerweise wird der Brennstoff für die Erzeugung des Rauchgases aus derselben Quelle bezogen, wie der Brennstoff für den Betrieb der Gasturbine.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass bei der Aufheizung auf die zweite Dampftemperatur abgekühltes Rauchgas zur Verrichtung mechanischer Arbeit in die Brennkammer und/oder den Turbinenteil der Gasturbine eingeleitet wird, wobei zumindest ein Teil des Rauchgas als Kühlmedium durch das Kühlsystem der Turbinenschaufeln geführt werden kann. Hierzu wird vorgeschlagen, den Brennstoff und das Oxidationsmittel dem Brennraum mit einem Druck zuzuführen, der ausreichend hoch ist, um das abgekühlte Rauchgas ohne Druckerhöhung in die Gasturbine einleiten zu können.
Der auf die zweite Dampftemperatur aufgeheizte Dampf wird vorzugsweise in einer Dampfturbine unter Verrichtung mechanischer Arbeit in mehreren Druckstufen entspannt. Es ist jedoch auch denkbar, dass die gesamte oder ein Teil der Dampfmenge einem Verbraucher als Prozessdampf zugeführt wird.
In der Dampfturbine auf ein mittleres Druckniveau entspannter Dampf, der beispielsweise zwischen 40 und 120 bar vorliegt, wird zweckmäßigerweise einer Zwischenüberhitzung auf bis zu 720°C unterzogen, bevor er in der nächsten Druckstufe der Dampfturbine weiter entspannt wird. Erfindungsgemäß erfolgt die Zwischenüberhitzung mit einem außerhalb der Gasturbine erzeugten Rauchgas, das nach seiner Abkühlung ebenfalls in die Brennkammer und/oder den Turbinenteil der Gasturbine eingeleitet werden kann.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Produktion von überhitztem Dampf, mit einer Gasturbine und einem dieser nachgeschalteten Abhitzekessel, in dem Wasserdampf gegen das aus der Gasturbine abströmende Abgas auf eine erste Dampftemperatur überhitzt werden kann.
Die gestellte Aufgabe wird vorrichtungsseitig erfindungsgemäß dadurch, dass sie einen außerhalb der Gasturbine angeordneten Brennraum zur Erzeugung eines Rauchgases sowie einen mit dem Brennraum verbundenen Wärmetauscher aufweist, in den der im Abhitzekessel gebildete überhitzte Dampf eingeleitet und gegen das im Brennraum erzeugte Rauchgas auf eine oberhalb der ersten Dampftemperatur liegende zweite Dampftemperatur aufgeheizt werden kann.
Vorzugsweise weist der Wärmetauscher eine aus einem oder mehreren Rohren gebildete erste Passage auf, durch die überhitzter Dampf geleitet werden kann, sowie eine zweite Passage, durch die Rauchgas entlang der Außenseite jedes der die erste Passage bildenden Rohre führbar ist, wobei jedes der die erste Passage bildenden Rohre von einem druckfesten Mantel umgeben ist, der an seiner Innenseite eine wärmeisolierende Beschichtung aufweist und durch dessen Innenraum die zweite Passage verläuft. Ein derartiger Wärmetauscher ist in einer beim Deutschen Patent- und Markenamt unter der Nummer 10 2011 010 630.8 eingereichten Patentanmeldung beschrieben, deren Inhalt mit ihrer Zitierung vollständig in die vorliegende Beschreibung aufgenommen werden soll.
Eine zweckmäßige Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass der Brennraum mit der Gasturbine verbunden ist, so dass ein im Kompressor der Gasturbine verdichtetes Oxidationsmittel in den Brennraum eingeleitet werden kann. Eine weitere zweckmäßige Variante sieht vor, dass sowohl der Brennraum als auch die Gasturbine mit derselben Brennstoffquelle verbunden sind, so dass beiden der gleiche Brennstoff mit ähnlichem Druck zugeführt werden kann.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht eine Verbindung zwischen Wärmetauscher und Gasturbine vor, so dass im Wärmetauscher abgekühltes Rauchgas in die Brennkammer und/oder den Turbinenteil der Gasturbine eingeleitet werden kann. Um das Rauchgas mit einem für seine Einleitung in die Gasturbine ausreichenden Druck erzeugen zu können, sind ein oder mehrere von der Gasturbine unabhängige Verdichter zur Verdichtung des Brennstoffs und/oder des Oxidationsmittels vorgesehen, die der Brennkammer vorgeschaltet sind.
Um den im Wärmetauscher erzeugten Dampf einer wirtschaftlichen Nutzung zuführen zu können, sieht die Erfindung vor, dass der Wärmetauscher mit einer Dampfturbine und/oder mit einem Verbraucher verbunden ist, so dass auf die zweite Dampftemperatur aufgeheizter Dampf zur Verrichtung mechanischer Arbeit der Dampfturbine und/oder als Prozessdampf dem Verbraucher zugeführt werden kann.
Durch die Erfindung ist es möglich, den Wirkungsgrad des Dampfturbinenprozesses im Vergleich zum Stand der Technik deutlich zu steigern. Wie Untersuchungen gezeigt haben, erhöht sich beispielsweise der elektrische Wirkungsgrad eines Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerks bei Anwendung der Erfindung um ca. 2%-Punkte auf 62%.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines in der 1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
Die 1 zeigt einen Gas- und Dampfturbinen-Prozess, in der die Temperatur eines im Abgasstrom der Gasturbine erzeugten Dampfes durch Wärmetausch mit einem heißen Rauchgas erhöht wird.
Über Leitung 1 wird der Gasturbine G als Oxidationsmittel vorzugsweise Luft zugeführt und im Kompressor K auf einen Druck verdichtet, der typischerweise zwischen 17 und 30 bar liegt. Das verdichtete Oxidationsmittel 2 wird in die Brennkammer C eingeleitet und mit Brennstoff 3, bei dem es sich beispielsweise um Erdgas handelt, zur Reaktion gebracht. Das hierbei gebildete Gasgemisch 4 tritt mit einer Temperatur von bis zu 1500°C in die mit einem Generator (nicht dargestellt) gekoppelte Turbine T ein, in der es unter Verrichtung mechanischer Arbeit entspannt und dabei abgekühlt wird. Mit einer Temperatur von bis zu 620°C wird das abgekühlte Gasgemisch als Abgas 5 in den Abhitzekessel A geführt, wo ein Teil seiner fühlbaren Wärme zur Verdampfung von Kesselspeisewasser 6 und zur Überhitzung des erzeugten Dampfes genutzt wird, bevor es über Leitung 7 in die Umgebung freigesetzt wird.
Der im Abhitzekessel A erzeugte Dampf 8, der eine erste Dampftemperatur von bis zu 570°C und einen Druck von bis zu 340 bar aufweist, wird in den Wärmetauscher E geleitet und dort in indirektem Wärmetausch gegen das heiße Rauchgas 9 auf eine zweite Dampftemperatur überhitzt. Mit einer Temperatur zwischen 650 und 720°C verlässt der überhitzte Dampf 10 den Wärmetauscher E und wird nachfolgend in der ebenfalls mit einem Generator (nicht dargestellt) verbunden Dampfturbine D in mehreren Stufen arbeitsleistend entspannt. Der bei der Entspannung abgekühlte bzw. kondensierte Dampf wird über Leitung 11 abgezogen.
Um das heiße Rauchgas 9 zu erzeugen, wird ein Brennstoff 12, der zweckmäßigerweise derselben Brennstoffquelle wie der Brennstoff 3 entnommen wird, gemeinsam mit verdichtetem Oxidationsmittel 13 in den Brennraum B geführt und verbrannt. Bei dem Oxidationsmittel 13 handelt es sich vorzugsweise um ein Oxidationsmittel, das im Kompressor K der Gasturbine G verdichtet und von dort abgezweigt wird. Das im Wärmetauscher E abgekühlte Rauchgas 14 wird der Brennkammer C oder direkt dem Turbinenteil T der Gasturbine G zugeführt, so dass ein großer Teil seines Energieinhalts wirtschaftlich genutzt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102011010630 [0014]

Claims

Verfahren zur Produktion von überhitztem Dampf (10), bei dem Dampf (8) im Abgasstrom (5) einer Gasturbine (G) durch indirekten Wärmetausch (A) auf eine erste Dampftemperatur überhitzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der im Abgasstrom (5) der Gasturbine (G) überhitzte Dampf (8) durch indirekten Wärmetausch (E) gegen ein außerhalb der Gasturbine (G) erzeugtes Rauchgas (9) auf eine oberhalb der ersten Dampftemperatur liegende zweite Dampftemperatur aufgeheizt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Aufheizung auf die zweite Dampftemperatur Hochdruckdampf (10) mit einem Druck zwischen 300 und 340 bar und einer Temperatur zwischen 650 und 720°C erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des Rauchgases (9) ein im Kompressor (K) der Gasturbine (G) verdichtetes Oxidationsmittel (13) eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Aufheizung auf die zweite Dampftemperatur abgekühltes Rauchgas (14) zur Verrichtung mechanischer Arbeit in die Brennkammer (C) und/oder den Turbinenteil (T) der Gasturbine (G) eingeleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf die zweite Dampftemperatur aufgeheizter Dampf (10) in einer Dampfturbine (D) unter Verrichtung mechanischer Arbeit entspannt und/oder einem Verbraucher als Prozessdampf zugeführt wird.
Vorrichtung zur Produktion von überhitztem Dampf (10), mit einer Gasturbine (G) und einem dieser nachgeschalteten Abhitzekessel (A), in dem Wasserdampf gegen das aus der Gasturbine (G) abströmende Abgas (5) auf eine erste Dampftemperatur überhitzt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen außerhalb der Gasturbine (G) angeordneten Brennraum (B) zur Erzeugung eines Rauchgases (5) sowie einen mit dem Brennraum (B) verbundenen Wärmetauscher (E) aufweist, in den der im Abhitzekessel (A) gebildete überhitzte Dampf (8) eingeleitet und gegen das im Brennraum (B) erzeugte Rauchgas (9) auf eine oberhalb der ersten Dampftemperatur liegende zweite Dampftemperatur aufgeheizt werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (E) eine aus einem oder mehreren Rohren gebildete erste Passage, durch die überhitzter Dampf (8) geleitet werden kann, sowie eine zweite Passage aufweist, durch die Rauchgas (9) entlang der Außenseite jedes der die erste Passage bildenden Rohre führbar ist, wobei jedes der die erste Passage bildenden Rohre von einem druckfesten Mantel umgeben ist, der an seiner Innenseite eine wärmeisolierende Beschichtung aufweist und durch dessen Innenraum die zweite Passage verläuft.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennraum (B) mit der Gasturbine (G) verbunden ist, so dass ein im Kompressor (K) der Gasturbine verdichtetes Oxidationsmittel (13) in den Brennraum (B) eingeleitet werden kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (E) mit der Gasturbine (G) verbunden ist, so dass im Wärmetauscher (E) abgekühltes Rauchgas (14) in die Brennkammer (C) und/oder den Turbinenteil (T) der Gasturbine eingeleitet werden kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (E) mit einer Dampfturbine (D) und/oder mit einem Verbraucher verbunden ist, so dass auf die zweite Dampftemperatur aufgeheizter Dampf (10) zur Verrichtung mechanischer Arbeit der Dampfturbine (D) und/oder als Prozessdampf dem Verbraucher zugeführt werden kann.