DE102012000227B4

DE102012000227B4 - Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage sowie Gasturbinenanlage zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102012000227B4
Application number: DE102012000227.0A
Authority: DE
Inventors: Stephen Lawrence Thomas Creamer; Floris Van Straaten; Jörg Pfistner
Original assignee: Ansaldo Energia IP UK Ltd
Current assignee: Ansaldo Energia IP UK Ltd
Priority date: 2011-01-18
Filing date: 2012-01-09
Publication date: 2019-03-07
Anticipated expiration: 2032-01-10
Also published as: US9488072B2; DE102012000227A1; US20120222425A1; CH704367A1

Abstract

Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage (33), welche eine Abwärme erzeugende Gasturbinenanlage (10) sowie zu klimatisierende Räume (24) umfasst, wobei die direkt nach außen abgegebene Abwärme der Gasturbinenanlage (10) zur Heizung der zu klimatisierenden Räume (24) verwendet wird, wobei die Gasturbinenanlage (10) mit Hauben (11, 12, 13) abgedeckt ist, unter denen sich die Abwärme sammelt, wobei die zur Heizung verwendete Abwärme durch einen Luftaustausch unter den Hauben (12, 13) bereitgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasturbinenanlage (10) eine Gasturbine (14), einen am Heißgas-Ausgang der Gasturbine (14) angeordneten Diffusor (15) und einen von der Gasturbine (14) angetriebenen Generator (16) umfasst, welche jeweils von einer zugeordneten Haube (11 bzw. 12 bzw. 13) abgedeckt sind, und dass der Luftaustausch in der Diffusorhaube (12) und/oder der Generatorhaube (13) durchgeführt wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Kraftwerke mit Gasturbinenanlagen. Sie betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft weiterhin eine Gasturbinenanlage zur Durchführung des Verfahrens.
STAND DER TECHNIK
Kraftwerksanlagen werden in den unterschiedlichsten Umgebungen betrieben und sind daher den unterschiedlichsten Umweltbedingungen ausgesetzt. Die Mehrzahl der Kraftwerksanlagen arbeitet in einem breiten Bereich von Umweltbedingungen und insbesondere Umgebungstemperaturen, die von der Tageszeit und der Jahreszeit abhängen.
Gemäß 4 umfasst eine solche Kraftwerksanlage 33 neben einer Halle 24, in der eine Gasturbinenanlage 10 untergebracht ist, weitere Gebäude 34, 35 und 36, in denen weitere Anlagenteile, Büroräume, Steuereinrichtungen oder dergleichen untergebracht sind.
Abhängig von den jeweiligen Umweltbedingungen müssen diese Gebäude 34, 35 und 36 je nach Bedarf geheizt, belüftet oder klimatisiert werden (Heating, Ventilation, Air Conditioning HVAC). Bei der Belüftung wird der dafür benötigte Luftmassenstrom durch frequenzgesteuerte Gebläse bzw. Lüfter oder durch Parallelbetrieb von einer mehr oder weniger großen Zahl von Gebläsen gesteuert bzw. geregelt. Bei der Heizung kann die Heizleistung gesteuert bzw. geregelt werden. In jedem Fall erfordert ein HVAC-System erhebliche zusätzliche Energie, wenn die Umgebungstemperaturen niedrig oder hoch sind.
Andererseits erzeugt die in der Kraftwerksanlage 33 vorhandene Gasturbinenanlage 10 eine nicht unerhebliche Abwärme, die durch geeignete Maßnahmen nach außen abgeführt werden muss.
Das Schema einer solchen Gasturbinenanlage 10 ist in 1 dargestellt. Die Gasturbinenanlage 10 umfasst eine Gasturbine 14, einen nachgeschalteten Diffusor 15 und einen von der Gasturbine 14 angetriebenen Generator 16 zur Erzeugung elektrischer Energie. Die Gasturbine 14 saugt mit einem Verdichter 17 Frischluft 22 an, verdichtet diese und gibt die verdichtete Luft als Verbrennungsluft an eine Brennkammer 18 ab, wo sie zur Verbrennung eines Brennstoffs 23 verwendet wird. Das entstehende Heißgas 20 wird in einer nachfolgenden Turbine 19 unter Arbeitsleistung entspannt und tritt dann in den Diffusor 15 ein, um schließlich als Abgas 21 nach außen abgegeben zu werden.
Typischerweise gibt es aus Gründen des Schallschutzes eine Gasturbinenhaube 11, welche die Gasturbine 14 umschließt, eine Diffusorhaube 12, welche den Diffusor 15 umschließt und eine Generatorhaube 13, welche den Generator 16 umschließt. Unter diesen Hauben 11, 12 und 13 sammelt sich während des Betriebs Abwärme, die aus den Hauben abgeführt werden muss. Entsprechende Lüftungsvorrichtungen sind beispielsweise aus der Druckschrift US 2002/0023426 A1 bekannt. Da in dem Diffusor das zweite Radiallager der Gasturbine 14 angeordnet ist, muss insbesondere die Diffusorhaube 12 gut gelüftet werden. Weiterhin ist zu beachten, dass für die Gasturbinenhaube 11 ein Explosionsschutz vorgesehen werden muss, während die Diffusorhaube 12 diesen Einschränkungen nicht unterliegt.
Es ist nun in der Vergangenheit bereits vorgeschlagen worden ( WO 01/46565 A1 ), in einem Kraftwerk zur Klimatisierung eines Betriebsmittelcontainers eine mit einem Kühlkreislauf verbundene Klimaanlage einzusetzen, um durch Ausnutzung der im Kühlkreislauf vorhandenen Energie den elektrischen Energiebedarf für die Klimaanlage gering zu halten.
Eine solche Kopplung zwischen einem Kühlkreislauf des Kraftwerks und einer Klimaanlage einer im Kraftwerk befindlichen Räumlichkeit ist vergleichsweise aufwändig, weil für die Kopplung eine Klimaanlage notwendig ist. Des Weiteren müssen im Kühlkreislauf aufwändige Installationen vorgenommen werden, um die Energieeinsparung ausnutzen zu können.
Aus der US 6 663 011 B1 und der JP 2002 - 339 803 A sind eine gattungsgemäße Kraftwerksanlagen umfassend eine Abwärme erzeugende Gasturbinenanlage sowie zu klimatisierende Räume, wobei die direkt nach außen abgegebene Abwärme der Gasturbinenanlage zur Heizung der zu klimatisierenden Räume verwendet wird, wobei die Gasturbinenanlage mit Hauben abgedeckt ist unter denen sich die Abwärme sammelt, wobei die zur Heizung verwendete Abwärme durch einen Luftaustausch unter den Hauben bereitgestellt wird.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art zum Betrieb einer Kraftwerksanlage anzugeben, welches eine Energie sparende Klimatisierung von im Kraftwerk vorhandenen Räumlichkeiten mit geringem Aufwand und der einfachen Mitteln ermöglicht, sowie eine Gasturbinenanlage zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.
Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale der Ansprüche 1 und 12 gelöst. Gemäß der Erfindung wird in einer Kraftwerksanlage, welche eine Abwärme erzeugende Gasturbinenanlage sowie zu klimatisierende Räume umfasst, Energie dadurch eingespart, dass die direkt nach außen abgegebene Abwärme der Gasturbinenanlage zur Heizung der zu klimatisierenden Räume verwendet wird. Die erfindungsgemäße Gasturbinenanlage ist mit Hauben abgedeckt, unter denen sich die Abwärme sammelt, und dass die zur Heizung verwendete Abwärme durch einen Luftaustausch unter den Hauben bereitgestellt wird. Die erfindungsgemäße Gasturbinenanlage umfasst eine Gasturbine, einen am Heißgas-Ausgang der Gasturbine angeordneten Diffusor und einen von der Gasturbine angetriebenen Generator umfasst, welche jeweils von einer zugeordneten Haube abgedeckt sind, wird dabei der Luftaustausch vorzugsweise in der Diffusorhaube und/oder der Generatorhaube durchgeführt. Da diese Räume nicht explosionsgefährdet sind, kann hier auf Wärmetauscher ohne Schwierigkeiten verzichtet werden.
Eine andere Ausgestaltung des Verfahrens nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Gasturbinenanlage mit Hauben abgedeckt ist, unter denen sich die Abwärme sammelt, und dass die zur Heizung verwendete Abwärme mittels Luft-Luft-Wärmetauschern unter den Hauben abgeführt wird.
Wenn die Gasturbinenanlage eine Gasturbine, einen am Heißgas-Ausgang der Gasturbine angeordneten Diffusor und einen von der Gasturbine angetriebenen Generator umfasst, welche jeweils von einer zugeordneten Haube abgedeckt sind, werden die Luft-Luft-Wärmetauscher vorzugsweise unter der Gasturbinenhaube angeordnet.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung werden die für den Luftaustausch bzw. den Betrieb der Luft-Luft-Wärmetauscher benötigten Luftmassenströme durch Gebläse bereitgestellt.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die von den Gebläsen bereitgestellten Luftmassenströme von einer Steuerung gesteuert bzw. geregelt.
Insbesondere werden die Gebläse von frequenzgesteuerten Motoren angetrieben.
Eine andere Ausgestaltung des Verfahrens nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Abwärme der Gasturbinenanlage zur Heizung der zu klimatisierenden Räume benutzt und der Rest ungenutzt an die äußere Umgebung abgegeben wird.
Es ist dabei denkbar, dass zwischen der Nutzung der Abwärme der Nicht-Nutzung umgeschaltet werden kann, und dass die Nutzung der Abwärme intervallgesteuert bzw. -geregelt erfolgt.
Es ist aber auch denkbar, dass die Anteile der genutzten und unbenutzten Abwärme über gesteuerte Klappen veränderbar sind, und dass die Nutzung der Abwärme über die Stellung der gesteuerten Klappen gesteuert bzw. geregelt wird.
Die Gasturbinenanlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach dem, Oberbegriff des Anspruchs 10 ist dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Abführen von Abwärme unter einer Haube angeordnete Luft-Luft-Wärmetauscher umfassen, deren Ausgänge wahlweise mit der äußeren Umgebung oder mit den zu heizenden Räumen verbindbar sind.
Die Mittel zum Abführen von Abwärme umfassen Gebläse, welche an eine Steuerung angeschlossen sind.
Eine Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Mittel zum Abführen von Abwärme Luftführungsmittel umfassen, durch welche die Abluft aus einer Haube wahlweise in die äußere Umgebung oder in die zu heizenden Räume umgelenkt werden kann.
Figurenliste
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen

1 das Schema einer mit Hauben abgedeckten Gasturbinenanlage, die zur Verwirklichung der Erfindung herangezogen werden kann;
2 das Schema einer in einer Maschinenhalle untergebrachten Gasturbinenanlage, bei der gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung bei hohen Außentemperaturen die Abluft beziehungsweise Abwärme aus den Hauben mehr oder weniger direkt an die äußere Umgebung abgegeben wird;
3 das zu 2 vergleichbare Schema, bei dem bei niedrigen Außentemperaturen die Abluft beziehungsweise Abwärme aus den Hauben der Gasturbinenanlage mehr oder weniger direkt zum Heizen der Maschinenhalle verwendet wird; und
4 ein stark vereinfachte Schema eines Kraftwerks mit Gasturbinenanlage und verschiedenen Gebäuden, die klimatisiert beziehungsweise geheizt werden müssen.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird in einer Kraftwerksanlage Energie aus Wärmequellen in Bereichen, die eine Lüftung benötigen, zur Heizung anderer Bereiche verwendet, wenn die Kraftwerksanlage bei niedrigen Außentemperaturen betrieben wird. Auf diese Weise kann die für Heizungszwecke in der Maschinenhalle oder den Bürogebäuden benötigte Hilfsenergie reduziert werden. Wenn die Außentemperaturen steigen und keine oder weniger Heizung benötigt wird, kann die Energie aus den Wärmequellen in mehr oder weniger großem Umfang direkt an die äußere Umgebung abgegeben werden. Die Gesamt-Energiebilanz der Kraftwerksanlage kann auf diese Weise optimiert werden.
Bei dem in 2 (Sommerbetrieb) und 3 (Winterbetrieb) betrachteten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Gasturbinenanlage 10 mit der Gasturbinenhaube 11 und der Diffusorhaube 12 in einer Maschinenhalle 24 untergebracht. Die sich unter der Diffusorhaube 12 sammelnde Abwärme wird im Sommer, wenn die Umgebungstemperaturen hoch sind, in die äußre Umgebung abgelüftet (2). Hierzu werden von einer Dieser Text wurde durch das DPMA aus Originalquellen übernommen. Er enthält keine Zeichnungen. Die Darstellung von Tabellen und Formeln kann unbefriedigend sein. Steuerung 31 gesteuerte Gebläse 26a und 26b eingesetzt, die vergleichsweise kühle Kühlluft über Lufteinlässe 28a und 28b in das Innere der Diffusorhaube 12 einblasen. Die erwärmte Abluft gelangt direkt über Luftauslässe 30a und 30b in die äußere Umgebung (Pfeile).
Im Winterbetrieb, wenn die Umgebungstemperaturen niedrig sind, wird die erwärmte Abluft dagegen über andere Luftauslässe 29a und 29b in die Halle 24 abgegeben, um die Halle 24 zu heizen (3).
Es versteht sich von selbst, dass die Belüftung der Diffusorhaube 12 dadurch gesteuert werden kann, dass die Gebläse 26a und 26b über frequenzgesteuerte Antriebe einen mehr oder weniger großen Luftmassenstrom fördern. Desgleichen ist es denkbar, einen Mischbetrieb zu fahren, bei dem ein (veränderbarer) Teil der Abluft über die Luftauslässe 30a und 30b in die äußere Umgebung und der Rest über die Luftauslässe 29a und 29b in die Halle 24 abgegeben wird. Dazu können in den Luftauslässen 29a, b und 30a, b steuerbare Klappen vorgesehen werden, die von der Steuerung 31 angesteuert werden. Es ist aber auch denkbar, einen intervallbetrieb vorzusehen, bei dem in ersten Intervallen die Abluft in die Halle 24 und in zweiten Intervallen die Abluft direkt an die äußere Umgebung abgegeben wird.
Für große Gasturbinen mit einer Leistung von mehr als 50 MW steht unter der Diffusorhaube 12 beispielsweise eine Wärmeleistung von 100-400 kW zur Verfügung. Die maximale Temperatur der Abluft beträgt zwischen 50°C und 80°C. Für die Heizung der Halle 24 wird die Luft unter 50°C gehalten. Hierfür kann die Abluft auch mit Frischluft gemischt werden.
Es ist gemäß 2 und 3 aber auch möglich, die Abwärme aus der Gasturbinenhaube 11 für Heizzwecke einzusetzen. Da in diesem Fall Explosionsgefahr besteht, wird nicht die Abluft direkt verwendet, sondern es werden Luft-Luft-Wärmetauscher 27a und 27b eingesetzt, um die von entsprechenden Gebläsen 25a und 25b geförderte Luft mit der Abwärme der Gasturbine aufzuwärmen und anschließend entweder direkt an die äußere Umgebung abzugeben (durchgezogene Pfeile in 2) oder zu Heizzwecken an die umgebende Halle 24 (durchgezogene Pfeile in 3).
Um in diesem Fall einen Mischbetrieb oder eine Intervallbetrieb fahren zu können, können am Ausgang der Luft-Luft-Wärmetauscher 27a, 27b geeignete Umschalteinrichtungen 32a und 32b vorgesehen werden, die ein teilweises und/oder vollständiges Umlenken der aus den Wärmetauschern 27a, b austretenden erwärmten Luft in die Halle 24 ermöglichen.
Bezugszeichenliste

10: Gasturbinenanlage
11: Gasturbinenhaube
12: Diffusorhaube
13: Generatorhaube
14: Gasturbine
15: Diffusor
16: Generator
17: Verdichter
18: Brennkammer
19: Turbine
20: Heißgas
21: Abgas
22: Brennstoff
24: Halle
25a, b: Gebläse
26a, b: Gebläse
27a, b: Luft-Luft-Wärmetauscher
28a, b: Lufteinlass
29a, b: Luftauslass (Halle)
30a, b: Luftauslass (nach außen)
31: Steuerung
2a, b: Umschalteinrichtung
33: Kraftwerksanlage
34, 35, 36: Gebäude

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage (33), welche eine Abwärme erzeugende Gasturbinenanlage (10) sowie zu klimatisierende Räume (24) umfasst, wobei die direkt nach außen abgegebene Abwärme der Gasturbinenanlage (10) zur Heizung der zu klimatisierenden Räume (24) verwendet wird, wobei die Gasturbinenanlage (10) mit Hauben (11, 12, 13) abgedeckt ist, unter denen sich die Abwärme sammelt, wobei die zur Heizung verwendete Abwärme durch einen Luftaustausch unter den Hauben (12, 13) bereitgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasturbinenanlage (10) eine Gasturbine (14), einen am Heißgas-Ausgang der Gasturbine (14) angeordneten Diffusor (15) und einen von der Gasturbine (14) angetriebenen Generator (16) umfasst, welche jeweils von einer zugeordneten Haube (11 bzw. 12 bzw. 13) abgedeckt sind, und dass der Luftaustausch in der Diffusorhaube (12) und/oder der Generatorhaube (13) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasturbinenanlage (10) mit Hauben (11, 12, 13) abgedeckt ist, unter denen sich die Abwärme sammelt, und dass die zur Heizung verwendete Abwärme mittels Luft-Luft-Wärmetauschern (27a, b) unter den Hauben (11) abgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasturbinenanlage (10) eine Gasturbine (14), einen am Heißgas-Ausgang der Gasturbine (14 ) angeordneten Diffusor (15) und einen von der Gasturbine (14) angetriebenen Generator (16) umfasst, welche jeweils von einer zugeordneten Haube (11 bzw. 12 bzw. 13 ) abgedeckt sind, und dass die Luft-Luft-Wärmetauscher (27a, b) unter der Gasturbinenhaube (11) angeordnet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die für den Luftaustausch bzw. den Betrieb der Luft-Luft-Wärmetauscher (27a, b) benötigten Luftmassenströme durch Gebläse (25a, b, 26a, b) bereitgestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die von den Gebläsen (25a, b, 26a, b) bereitgestellten Luftmassenströme von einer Steuerung (31) gesteuert bzw. geregelt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gebläse (25a, b, 26a, b) von frequenzgesteuerten Motoren angetrieben werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Abwärme der Gasturbinenanlage (10) zur Heizung der zu klimatisierenden Räume (24) benutzt und der Rest ungenutzt an die äußere Umgebung abgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Nutzung der Abwärme der Nicht-Nutzung umgeschaltet werden kann, und dass die Nutzung der Abwärme intervallgesteuert bzw. -geregelt erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anteile der genutzten und unbenutzten Abwärme über gesteuerte Klappen veränderbar sind, und dass die Nutzung der Abwärme über die Stellung der gesteuerten Klappen gesteuert bzw. geregelt wird.
Gasturbinenanlage (10) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-9 wobei die Gasturbinenanlage (10) mit Hauben (11, 12, 13) abgedeckt ist, unter denen sich die Abwärme sammelt, wobei Mittel (25a, b, ... 32a , b) zum Abführen von Abwärme mit Abluft aus den Hauben (11, 12, 13) in zu heizende Räume (24) vorgesehen sind, wobei die Mittel (25a, b, ... 32a, b) zum Abführen von Abwärme Gebläse (25a, b, 26a, b) umfassen, welche an eine Steuerung (31) angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (25a, b, ... 32a, b) zum Abführen von Abwärme unter einer Haube (11) angeordnete Luft-Luft-Wärmetauscher (27a, b) umfassen, deren Ausgänge wahlweise mit der äußeren Umgebung oder mit den zu heizenden Räumen (24) verbindbar sind.
Gasturbinenanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (25a, b, ... 32a, b) zum Abführen von Abwärme Luftführungsmittel (29a, b, 30a, b) umfassen, durch welche die Abluft aus einer Haube (12) wahlweise in die äußere Umgebung oder in die zu heizenden Räume (24) umgelenkt werden kann.