DE102012012683A1 - Method for electric power generation in cyclic process in two-stage combined gas and steam turbine process, involves obtaining high temperatures with positive effect of efficiency in low pressures upto material limit - Google Patents

Method for electric power generation in cyclic process in two-stage combined gas and steam turbine process, involves obtaining high temperatures with positive effect of efficiency in low pressures upto material limit Download PDF

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Abstract

The method involves performing decompression in a cooled medium and/or low pressure superheated steam turbine (5) after separately-fired high temperature intermediate superheating. Steam (9) in a medium and/or low pressure region is heated by a separately-fired high temperature intermediate superheater (4). An allowed tension of materials is reduced with increasing temperatures. Relevant temperature increase is carried out after thermal use of gas turbine-waste heat. High temperatures with positive effect of efficiency are obtained in low pressures upto a material limit.

Description

Die Erfindung betrifft ein auf dem GUD-Prozess bezogenes thermisches Verfahren, welches durch spezielle Modifikationen die Gesamteffizienz verbessert. Eine derartige Lösung wird in erster Linie im Bereich der Energiewirtschaft benötigt.The invention relates to a thermal process based on the GUD process, which improves the overall efficiency by means of special modifications. Such a solution is needed primarily in the energy industry.

Der weltweit steigende Energiebedarf erhöht die anthropogenen Belastungen für Klima und Umwelt. Sparsamer Umgang mit Energie und effiziente thermische Wandlerprozesse werden immer wichtiger, um dem Klimawandel entgegen zu wirken. Hocheffiziente kombinierte Gas- und Dampfturbinenprozesse übernehmen auch im Zeitalter erneuerbarer Energien den verlässlichen Anteil der Stromerzeugung. Der Stand der Technik befindet sich auf einem sehr hohen technischen Niveau (Bayern Irsching, Siemens ~60%). Modifikationen wie die Gasturbinen-Eintrittstemperatur zu erhöhen oder auch die mehrfache Unterteilung des Verdampfungsprozesses mit zusätzlicher Zwischenüberhitzung sind angestrebte Maßnahmen, um Kraftwerke für die Belange des 21. Jahrhunderts mit großem Aufwand fit zu machen. Im Forschungsverbund abayfor ( www.abayfor.de/kw21 ) sind hierzu Schwerpunkte benannt. Mit der Reihenschaltung des Gas- und Dampfturbinenprozesses wird konsequent das thermische Arbeitsvermögen der Brennstoffe ausgenutzt. Da das Abgas der Gasturbine mit seiner Menge und Temperatur den nachgeschalteten Dampfkraftprozess betreibt, bestimmt die mögliche Baugröße der Gasturbine den anlagentechnischen Aufwand und die Gesamtleistung des Kraftwerkes. Eine Leistungssteigerung bei hoher Effizienz erfordert nach dem Stand der Technik immer größere Gasturbinensätze, was die Machbarkeit und den Aufwand begrenzt. Bestünde durch eine weitere Option die Möglichkeit Leistung und Effizienz ohne die benannten Abhängigkeiten zu erhöhen, würde das im Vergleich zum Stand der Technik eine markante Verbesserung bedeuten.The increasing global energy demand increases the anthropogenic pressures on the climate and the environment. Economical use of energy and efficient thermal conversion processes are becoming increasingly important in order to counteract climate change. Highly efficient combined gas and steam turbine processes are responsible for the reliable share of electricity generation even in the age of renewable energies. The state of the art is at a very high technical level (Bayern Irsching, Siemens ~ 60%). Modifications such as increasing the gas turbine inlet temperature or even the multiple subdivision of the evaporation process with additional reheat are targeted measures to make power plants fit for the needs of the 21st century with great effort. In the research network abayfor ( www.abayfor.de/kw21 ) are named priorities. With the series connection of the gas and steam turbine process, the thermal working capacity of the fuels is consistently exploited. Since the exhaust gas of the gas turbine with its quantity and temperature operates the downstream steam power process, the possible size of the gas turbine determines the plant technical complexity and the overall performance of the power plant. An increase in performance with high efficiency requires according to the prior art ever larger gas turbine sets, which limits the feasibility and cost. If another option offered the possibility to increase performance and efficiency without the named dependencies, this would mean a marked improvement compared to the prior art.

Eine Erhöhung der Frischdampfparameter durch zusätzliche Energiezufuhr im Abhitzekessel vergrößert zwar die Leistung des Dampfkraftprozesses, verlangt aber aufwendige konstruktive Maßnahmen, die erst bei sehr hohem Druck 260 bar und Temperaturen über 600°C eine Effizienzsteigerung bewirken. Die Verbindung hohe Temperaturen bei hohen Drücken stößt an die bekannten Materialgrenzen im Dampfkraftprozess, sodass diese Option aus technischer Sicht eher theoretisch bleibt.Although increasing the live steam parameters by additional energy supply in the waste heat boiler increases the performance of the steam power process, but requires complex design measures that only at very high pressure 260 bar and temperatures above 600 ° C cause an increase in efficiency. The combination of high temperatures at high pressures encounters the known material limits in the steam power process, so this option remains rather theoretical from a technical point of view.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, den kombinierten Gas- und Dampfturbinenprozess so zu gestalten, das eine Leistungs- und Effizienzsteigerung ohne die benannten Abhängigkeiten möglich wird.It is therefore an object of the invention to design the combined gas and steam turbine process so that a performance and efficiency increase without the aforementioned dependencies is possible.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß im Wesentlichen durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 bis 8 gelöst. Für eine Hochtemperatur-Zwischenüberhitzung im nachgeschalteten Dampfturbinenprozess nutzt ein separat befeuerter Erhitzer warmes Abgas aus dem Abhitzekessel als Verbrennungsluft, um Dampf aus der letzten Verdampfungsstufe im Mittel- bzw. Niederdruckbereich bis zur Materialgrenze zu erwärmen. Anschließend folgt die Entspannung in einer gekühlten Heißdampfturbine. Das Abgas der Hochtemperatur-Zwischenüberhitzung wird wieder an entsprechender Stelle dem Abhitzekessel zugeführt, um es weiter wie beim Stand der Technik bis zur Nutzgrenze abzukühlen. Bei dieser Art der Zwischenüberhitzung bleiben die vorherigen Prozessabläufe weitestgehend unbeeinflusst. Die zusätzliche Befeuerung dient nur zur Temperaturanhebung der letzten Entspannungsstufe, was die Enthalpiedifferenz in der Turbine vergrößert und damit die auskoppelbare Leistung erhöht. Probleme durch Nassdampf-Schaufelerosion bei der Niederdruck-Entspannung bestehen nicht mehr, da sie weitgehend außerhalb des kritischen Bereiches abläuft. Je höher die Überhitzungstemperatur, umso größer die Leistung der Dampfturbine. Allerdings müssen die ersten Reihen der Beschaufelung analog einer Gasturbine gekühlt werden. Neben den üblichen Kühlmethoden wie Film-, Prall- oder Innenkühlung lassen sich die Schaufeln auch durch Oberflächenverdampfung schützen, indem ausgekoppeltes Kondensat die Heißgaskonturen benetzt. Da mit steigenden Temperaturen über 800°C die zulässige Spannung der Erhitzerwerkstoffe abnimmt, lassen sich bei den vorhandenen niedrigen Drücken bis zur Materialgrenze höhere Temperaturen erzielen, was die Prozesseffizienz verbessert. Bei Bedarf sorgt ein zusätzliches Gebläse für die erforderliche Pressung, um die Strömungsverluste im Erhitzer auszugleichen.The object is achieved according to the invention essentially by the characterizing features of claims 1 to 8. For high temperature reheat in the downstream steam turbine process, a separately fired heater uses warm waste gas from the waste heat boiler as combustion air to heat vapor from the last evaporation stage in the medium and low pressure regions to the material boundary. This is followed by relaxation in a cooled superheated steam turbine. The exhaust gas of the high-temperature reheat is again fed to the appropriate place the waste heat boiler to further cool it as in the prior art to the effective limit. In this type of reheat, the previous process flows remain largely unaffected. The additional firing serves only to increase the temperature of the last expansion stage, which increases the enthalpy difference in the turbine and thus increases the decoupled power. Problems due to wet steam blade erosion in the case of low-pressure expansion no longer exist because it runs to a large extent outside the critical range. The higher the superheat temperature, the greater the power of the steam turbine. However, the first rows of blading must be cooled analogous to a gas turbine. In addition to the usual cooling methods such as film, impingement or internal cooling, the blades can also be protected by surface evaporation, as decoupled condensate wets the hot gas contours. As the permissible stress of the heater materials decreases with increasing temperatures above 800 ° C, higher temperatures can be achieved at the existing low pressures up to the material limit, which improves the process efficiency. If necessary, an additional fan provides the required pressure to compensate for the flow losses in the heater.

Mit der vorgeschlagenen Lösung werden somit die Aufgaben der Erfindung gelöst.With the proposed solution, the objects of the invention are thus achieved.

1 schematisches Blockschaltbild eines bspw. zweistufigen kombinierten Gas- und Dampfturbinenprozesses mit erhöhter Leistung und verbesserter Effizienz durch zusätzliche Hochtemperatur-Zwischenüberhitzung für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess 1 Schematic block diagram of, for example, a two-stage combined gas and steam turbine process with increased power and improved efficiency through additional high-temperature reheat for the generation of electrical energy in the cycle

2 stellt vom Dampfturbinenprozess obigen Beispiels die Entspannung nach dem Stand der Technik und die Hochtemperatur-Zwischenüberhitzung im Temperatur-Entropie Diagramm für Wasser Industrie-Formulation IAPWS-IF97 mit folgenden Parameterbeispiel dar: Hochdruck 120 bar; 540°C
Niederdruck 5 bar; 180°C
Hochtemperatur-Überhitzung 5 bar; 800°C 2 depicts from the steam turbine process of the above example the relaxation according to the prior art and the high temperature reheat in the temperature entropy diagram for water industrial formulation IAPWS-IF97 with the following parameter example: high pressure 120 bar; 540 ° C
Low pressure 5 bar; 180 ° C
High temperature overheating 5 bar; 800 ° C

Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Generatorgenerator
22
Abhitzekesselwaste heat boiler
33
Hochdruck-DampfturbineHigh-pressure steam turbine
44
separat befeuerter Hochtemperatur-Zwischenüberhitzerseparately fired high temperature reheater
55
Mittel- bzw. Niederdruck HeißdampfturbineMedium or low pressure steam turbine
66
Kondensatorcapacitor
77
Kondensatpumpecondensate pump
88th
Kondensatcondensate
99
Dampfsteam
1010
Abgaseinbindungexhaust integration
1111
Kühldampf für die SchaufelkühlungCooling steam for blade cooling
1212
optional Kondensat für die Oberflächenverdampfungoptional condensate for surface evaporation
1313
Stützgebläseassistance fan
1414
Brennstofffuel
1515
VerbrennungsluftmischerCombustion air mixer
1616
Abzweig VerbrennungsluftBranch combustion air
1717
Entspannung HochdruckturbineRelax high-pressure turbine
1818
Niederdruck-Entspannung nach dem Stand der TechnikLow-pressure relaxation according to the prior art
1919
Hochtemperatur-ÜberhitzungHigh temperature overheating
2020
Entspannung in der gekühlten Mittel- bzw. Niederdruck HeißdampfturbineRelaxation in the cooled medium- or low-pressure superheated steam turbine
2121
Bereich Stand der TechnikArea of prior art

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • www.abayfor.de/kw21 [0002] www.abayfor.de/kw21 [0002]

Claims (8)

Verfahren, um im kombinierten Gas- und Dampfturbinenprozess eine Leistungssteigerung bei verbesserter Effizienz für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess zu erzielen, indem nicht die Niederdruck-Entspannung nach dem Stand der Technik (18) im Dampfturbinenprozess wie bspw. in 2 dargestellt verläuft, sondern nach separatbefeuerter Hochtemperatur-Zwischenüberhitzung (19) folgt die Entspannung in der gekühlten Mittel- bzw. Niederdruck Heißdampfturbine (20), wodurch sich die auskoppelbare Leistung am Generator (1) durch das starke Enthalpiegefälle bei gleichem Massenstrom markant vergrößert ohne dabei die vorgeschalteten Prozesskomponente bedeutsam zu beeinflussen, wobei der Anlagenbereich Stand der Technik (21) besonders gekennzeichnet ist dadurch gekennzeichnet, dass die maßgebliche Temperaturerhöhung nach der thermischen Nutzung der Gasturbinen-Abwärme erfolgt, indem der separat befeuerte Hochtemperatur-Zwischenüberhitzer (4) erst im Mittel- bzw. Niederdruckbereich den Dampf zusätzlich erwärmt, was sich positiv auf die Materialbelastung auswirkt, da mit steigenden Temperaturen die zulässige Spannung der Werkstoffe abnimmt, lassen sich bei niedrigen Drücken bis zur Materialgrenze höhere Temperaturen mit der positiven Auswirkung auf die Effizienz erzielen.Method to achieve increased efficiency in the combined cycle process by improving the efficiency of the electric power generation in the cyclic process by not using the prior art low pressure relaxation ( 18 ) in the steam turbine process such as in 2 but after separately heated high temperature reheat ( 19 ) follows the relaxation in the cooled medium and low pressure super steam turbine ( 20 ), whereby the extractable power at the generator ( 1 ) markedly increased by the strong Enthalpiegefälle at the same mass flow without significantly affecting the upstream process component, the plant area prior art ( 21 ) is characterized in that the significant increase in temperature after the thermal utilization of the gas turbine waste heat takes place by the separately fired high-temperature reheater ( 4 ) additionally heats the steam in the medium or low pressure range, which has a positive effect on the material load, as the permissible stress of the materials decreases with increasing temperatures, higher temperatures with a positive effect on the efficiency can be achieved at low pressures up to the material boundary , Verfahren, um im kombinierten Gas- und Dampfturbinenprozess eine Leistungssteigerung bei verbesserter Effizienz für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess zu erzielen nach dem Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der separat befeuerte Hochtemperatur-Zwischenüberhitzer (4) seine Verbrennungsluft optional entweder vom Abhitzekessel (2) an entsprechender Stelle vom Abzweig Verbrennungsluft (16) oder Frischluft bezieht, die der Verbrennungsluftmischer (15) je nach Bedarf regelt.A method for achieving in the combined gas and steam turbine process an increase in efficiency with improved efficiency for the generation of electric power in the cycle according to claim 1, characterized in that the separately fired high-temperature reheater ( 4 ) its combustion air optionally either from the waste heat boiler ( 2 ) at the appropriate point of the branch combustion air ( 16 ) or fresh air that the combustion air mixer ( 15 ) as required. Verfahren, um im kombinierten Gas- und Dampfturbinenprozess eine Leistungssteigerung bei verbesserter Effizienz für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess zu erzielen nach dem Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel- bzw. Niederdruck Heißdampfturbine (5) gekühlt werden muss.Method for achieving an increase in efficiency in the combined gas and steam turbine process with improved efficiency for the generation of electrical energy in the cycle according to claims 1 and 2, characterized in that the medium or low pressure superheated steam turbine ( 5 ) must be cooled. Verfahren, um im kombinierten Gas- und Dampfturbinenprozess eine Leistungssteigerung bei verbesserter Effizienz für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess zu erzielen nach dem Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass für die Mittel- bzw. Niederdruck Heißdampfturbine (5) entweder Kühldampf für die Schaufelkühlung (11) aus der Hochdruck-Dampfturbine (3) kommend abgezweigt oder optional Kondensat für die Oberflächenverdampfung (12) zur Kühlung genutzt wird.Process for achieving in the combined gas and steam turbine process an increase in efficiency with improved efficiency for the production of electric energy in the cycle according to claim 1 to 3, characterized in that for the medium or low pressure superheated steam turbine ( 5 ) either cooling steam for blade cooling ( 11 ) from the high-pressure steam turbine ( 3 ) or optionally condensate for surface evaporation ( 12 ) is used for cooling. Verfahren, um im kombinierten Gas- und Dampfturbinenprozess eine Leistungssteigerung bei verbesserter Effizienz für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess zu erzielen nach dem Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Hochtemperatur-Zwischenüberhitzung (19) den Entspannungsverlauf aus den Nassdampfbereich verschiebt, wodurch Schaufelerosionsprobleme vermieden werden.Process for achieving in the combined gas and steam turbine process an increase in efficiency with improved efficiency for the production of electric power in the cyclic process according to claims 1 to 4, characterized in that the high-temperature reheat ( 19 ) shifts the relaxation history out of the wet steam area, avoiding blade erosion problems. Verfahren, um im kombinierten Gas- und Dampfturbinenprozess eine Leistungssteigerung bei verbesserter Effizienz für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess zu erzielen nach dem Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass ein Stützgebläse (13) die Strömungsverluste im separat befeuerten Hochtemperatur-Zwischenüberhitzer (4) und im Abgas- und Verbrennungsluft Rohrsystem ausgleicht.A method for achieving in the combined gas and steam turbine process an increase in efficiency with improved efficiency for the generation of electric power in the cyclic process according to claims 1 to 5, characterized in that a support fan ( 13 ) the flow losses in the separately fired high-temperature reheater ( 4 ) and compensates in the exhaust and combustion air pipe system. Verfahren, um im kombinierten Gas- und Dampfturbinenprozess eine Leistungssteigerung bei verbesserter Effizienz für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess zu erzielen nach dem Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas des separat befeuerten Hochtemperatur-Zwischenüberhitzers (4) zur weiteren thermischen Nutzung mit der Abgaseinbindung (10) in den Abhitzekessel (2) zurückgeführt wird.A method for achieving in the combined gas and steam turbine process an increase in efficiency with improved efficiency for the generation of electrical energy in the cycle according to claim 1 to 6, characterized in that the exhaust gas of the separately fired high-temperature reheater ( 4 ) for further thermal utilization with the exhaust gas integration ( 10 ) in the waste heat boiler ( 2 ) is returned. Verfahren, um im kombinierten Gas- und Dampfturbinenprozess eine Leistungssteigerung bei verbesserter Effizienz für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess zu erzielen nach dem Anspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff (14) für den separat befeuerten Hochtemperatur-Zwischenüberhitzer (4) mit seinem Abgas vorgewärmt wird.Process for achieving, in the combined gas and steam turbine process, an increase in efficiency with improved efficiency for the production of electric energy by the cycle according to claims 1 to 7, characterized in that the fuel ( 14 ) for the separately fired high-temperature reheater ( 4 ) is preheated with its exhaust gas.
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