DE102012210702A1

DE102012210702A1 - Verfahren zum Vorwärmen eines Brennstoffs und Gasturbinenanlage

Info

Publication number: DE102012210702A1
Application number: DE201210210702
Authority: DE
Inventors: Francois Benkler; Jan Eickelkamp; Mario Koebe; Benedict Kriegler; Marco Link; Dennis Nehlsen; Sebastian Pfadler; Marc Tertilt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-06-25
Filing date: 2012-06-25
Publication date: 2014-01-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorwärmen eines in einer Gasturbine (2) zu verbrennenden Brennstoffs, bei dem vor dem Eindüsen des Brennstoffs in die Brennkammer (8) der Brennstoff im Wärmetausch mit Schmiermittel der Gasturbine (2) erwärmt wird. Die Erfindung betrifft ferner eine Gasturbinenanlage (1) mit einem Brennstoff-Leitungssystem (5) und einem Schmiermittelkreislauf (3), wobei zumindest ein Leitungsabschnitt (7) des Brennstoff-Leitungssystems (5) sekundärseitig in einen ersten Wärmetauscher (6) geschaltet ist, der primärseitig direkt oder indirekt mit dem Schmiermittelkreislauf (3) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorwärmen eines in einer Gasturbine zu verbrennenden Brennstoffs. Die Erfindung betrifft ferner eine Gasturbinenanlage.
Es ist bekannt, dass der in einer Gasturbine verbrannte Brennstoff zur Optimierung seiner Verbrennung auf ein bestimmtes Temperaturniveau vorgewärmt wird. Die Vorwärmung wird dabei sowohl für flüssige Brennstoffe als auch für gasförmige Brennstoffe durchgeführt und erfolgt derzeit mittels einer zusätzlichen elektrischen Heizung. Die Bereitstellung einer solchen Heizung verursacht Kosten und ihr Einsatz erhöht den Energieeigenbedarf der Kraftwerksanlage.
Aufgabe der Erfindung ist daher die Angabe eines kostengünstigen Verfahrens zum Vorwärmen eines in einer Gasturbine zu verbrennenden Brennstoffs. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Gasturbinenanlage mit einer kostengünstigen Brennstoffvorwärmung.
Die Erfindung löst diese Aufgabe, indem sie vorsieht, dass bei einem derartigen Verfahren zum Vorwärmen eines in einer Gasturbine zu verbrennenden Brennstoffs, vor dem Eindüsen des Brennstoffs in die Brennkammer, der Brennstoff im Wärmetausch mit Schmiermittel der Gasturbine erwärmt wird.
Dieses Schmiermittel oder Schmieröl dient der Schmierung der Turbinenlager und durch dessen Verwendung wird auch sicherstellt, dass Hitze, Partikel, Ölabbauprodukte und Wasser von den Lagern abtransportiert werden. Im Betrieb der Anlage besitzt das Schmiermittel ein hohes Temperaturniveau und eine hohe Wärmeleistung, die typischerweise über einen Wärmetauscher an die Umwelt abgegeben wird. Die abgegebene Energie wäre ausreichend, um beispielsweise für die Verbrennung benötigtes Erdgas bei Grundlast zu erwärmen. Außerdem ist das Temperaturniveau des Schmiermittels verhältnismäßig hoch, sodass eine Erwärmung eines bereits vorgewärmten Gases realisierbar ist. Die zusätzliche elektrische Heizung könnte entfallen und deren Anschaffungskosten könnten eingespart werden. Zudem verbessert der Wegfall der Betriebskosten der zusätzlichen elektrischen Heizung die Energiebilanz der Kraftwerksanlage. Dies erhöht den Wirkungsgrad der Gasturbine.
Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung durchströmt der Brennstoff hierzu einen ersten Wärmetauscher sekundärseitig, der primärseitig von Schmiermittel durchströmt wird. Beim Durchströmen des ersten Wärmetauschers erfolgt dann eine kontinuierliche Erwärmung des gesamten Brennstoffs.
Gemäß einer zweiten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird zur Temperaturregelung ein Teil des Brennstoffs am ersten Wärmetauscher vorbeigeleitet.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung wird zur Temperaturregelung ein Teil des Schmiermittels am ersten Wärmetauscher vorbeigeleitet.
In beiden Fällen der Temperaturregelung kann es zweckmäßig sein, wenn das Schmiermittel zusätzlich im Wärmetausch mit einem anderen Medium als Brennstoff gekühlt wird.
Gemäß einer weiteren alternativen Ausgestaltung wird zur Temperaturregelung der Brennstoff im Wärmetausch mit einem weiteren Medium erwärmt, wobei das weitere Medium im Wärmetausch mit Schmiermittel erwärmt und im Wärmetausch mit Umgebungsluft gekühlt wird.
Zweckmäßiger Weise wird gasförmiger oder flüssiger Brennstoff vorgewärmt.
Erfindungsgemäß wird die auf eine Gasturbinenanlage gerichtete Aufgabe gelöst durch eine Gasturbinenanlage mit einem Brennstoff-Leitungssystem und einem Schmiermittelkreislauf, wobei zumindest ein Leitungsabschnitt des Brennstoff-Leitungssystems sekundärseitig in einen ersten Wärmetauscher geschaltet ist, der primärseitig direkt oder indirekt mit dem Schmiermittelkreislauf verbunden ist.
Zum Zwecke der Temperaturregelung zweigt in einer Ausführungsform der Gasturbinenanlage ein weiterer Leitungsabschnitt des Brennstoff-Leitungssystems in Strömungsrichtung des Brennstoffs vor dem ersten Wärmetauscher von dem zumindest einen Leitungsabschnitt ab und mündet nach dem ersten Wärmetauscher wieder in den zumindest einen Leitungsabschnitt.
Vorteilhafter Weise sind ein zweiter oder ein dritter Wärmetauscher primärseitig in den Schmiermittelkreislauf geschaltet, die sekundärseitig so geschaltet sind, dass sie Wärme an die Umgebung abgeben können. Somit ist eine ausreichende Kühlung des Schmiermittels auch für die Fälle sichergestellt, wenn für die Brennstoffvorwärmung nur vergleichsweise wenig Wärme übertragen wird.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist zum Zwecke der Temperaturregelung der erste Wärmetauscher in einen Zwischenkreislauf geschaltet, wobei der Zwischenkreislauf sekundärseitig in einen vierten Wärmetauscher geschaltet ist, der primärseitig in den Schmiermittelkreislauf geschaltet ist und wobei ein fünfter Wärmetauscher primärseitig in den Schmiermittelkreislauf und sekundärseitig so geschaltet ist, dass er Wärme an die Umgebung abgeben kann.
Mit der Erfindung reduziert sich der Energieeigenbedarf des Kraftwerks bzw. erhöht sich dessen Gesamtwirkungsgrad.
Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich:
1 eine Gasturbinenanlage mit kontinuierlicher Vorwärmung des gesamten Brennstoffs,
2 eine Gasturbinenanlage mit Brennstoffbypass zur Temperaturregelung,
3 eine Gasturbinenanlage mit weiterem Wärmetauscher im Schmiermittelkreislauf zur Temperaturregelung und
4 eine Gasturbinenanlage mit Zwischenkreislauf.
Die 1 zeigt schematisch und beispielhaft eine Gasturbinenanlage 1 mit einer Gasturbine 2, einem Schmiermittelkreislauf 3, in den eine Pumpe 4 geschaltet ist, und mit einem Brennstoff-Leitungssystem 5. Ein erster Wärmetauscher 6 ist primärseitig in den Schmiermittelkreislauf 3 und sekundärseitig in einen Leitungsabschnitt 7 des Brennstoff-Leitungssystems 5 geschaltet. Beim Verfahren zum Vorwärmen eines in einer Gasturbine zu verbrennenden Brennstoffs wird vor dem Eindüsen des Brennstoffs in die Brennkammer 8 der Brennstoff im Wärmetausch mit einem Schmiermittel der Gasturbine, beispielsweise Schmiermittel, erwärmt, wodurch das Schmiermittel abkühlt.
2 zeigt eine alternative Ausführungsform, bei der zur Temperaturregelung ein Wärmetauscherbypass 9 vorgesehen ist. Zu diesem Zweck zweigt ein weiterer Leitungsabschnitt 10 des Brennstoff-Leitungssystems 5 in Strömungsrichtung des Brennstoffs vor dem ersten Wärmetauscher 6 von dem zumindest einen Leitungsabschnitt 7 ab und mündet nach dem ersten Wärmetauscher 6 wieder in den zumindest einen Leitungsabschnitt 7. Zur Regelung der Brennstoffströme sind Ventile 11, 12 in den Leitungsabschnitten 7, 10 angeordnet. Alternativ ist auch ein Drei-Wege-Ventil an der Abzweigung der Leitungsabschnitte denkbar.
Um trotzdem eine ausreichende Temperaturabsenkung des Schmiermittels sicherstellen zu können, ist ein zweiter Wärmetauscher 13, beispielsweise ein Schmiermittel/Luft-Wärmetauscher im Schmiermittelkreislauf 3 angeordnet.
Anstatt einen Teil des Brennstoffstromes um den ersten Wärmetauscher 6 herumzuführen, könnte auch ein Teil des Schmiermittels um den ersten Wärmetauscher 6 geführt werden. Aber auch in diesem Fall wäre ein zweiter Wärmetauscher 13 im Schmiermittelkreislauf 3 notwendig.
In der Ausführungsform der 3 erfolgt die Temperaturregelung über einen dritten Wärmetauscher 14 im Schmiermittelkreislauf 3, der in Strömungsrichtung des Schmiermittels vor dem ersten Wärmetauscher 6 angeordnet ist. Auch dieser dritte Wärmetauscher 14 kann als Schmiermittel/Luft-Wärmetauscher ausgeführt sein.
4 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Temperatur der einzelnen Stoffströme (Schmiermittel, Brennstoff) über einen Zwischenkreislauf 15 geregelt wird, der über den vierten Wärmetauscher 16 thermisch an den Schmiermittelkreislauf 3 gekoppelt ist. Der Zwischenkreislauf 15 gibt sowohl Wärme an die Umgebungsluft über den fünften Wärmetauscher 17 als auch an den Brennstoff über den ersten Wärmetauscher 6 ab. Im Zwischenkreislauf 15 ist weiterhin eine Pumpe 18 angeordnet.

Claims

Verfahren zum Vorwärmen eines in einer Gasturbine (2) zu verbrennenden Brennstoffs, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Eindüsen des Brennstoffs in die Brennkammer (8) der Brennstoff im Wärmetausch mit Schmiermittel der Gasturbine (2) erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Brennstoff hierzu einen ersten Wärmetauscher (6) sekundärseitig durchströmt, der primärseitig von Schmiermittel durchströmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zur Temperaturregelung ein Teil des Brennstoffs am ersten Wärmetauscher (6) vorbeigeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zur Temperaturregelung ein Teil des Schmiermittels am ersten Wärmetauscher (6) vorbeigeleitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Schmiermittel im Wärmetausch mit einem anderen Medium als Brennstoff gekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zur Temperaturregelung der Brennstoff im Wärmetausch mit einem weiteren Medium erwärmt wird und das weitere Medium im Wärmetausch mit Schmiermittel erwärmt und im Wärmetausch mit Umgebungsluft gekühlt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem gasförmiger oder flüssiger Brennstoff vorgewärmt wird.
Gasturbinenanlage (1) mit einem Brennstoff-Leitungssystem (5) und einem Schmiermittelkreislauf (3), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Leitungsabschnitt (7) des Brennstoff-Leitungssystems (5) sekundärseitig in einen ersten Wärmetauscher (6) geschaltet ist, der primärseitig direkt oder indirekt mit dem Schmiermittelkreislauf (3) verbunden ist.
Gasturbinenanlage (1) nach Anspruch 8, wobei ein weiterer Leitungsabschnitt (10) des Brennstoff-Leitungssystems (5) in Strömungsrichtung des Brennstoffs vor dem ersten Wärmetauscher (6) von dem zumindest einen Leitungsabschnitt (7) abzweigt und nach dem ersten Wärmetauscher (6) wieder in den zumindest einen Leitungsabschnitt (7) mündet.
Gasturbinenanlage (1) nach Anspruch 8 oder 9, wobei ein zweiter oder dritter Wärmetauscher (13, 14) primärseitig in den Schmiermittelkreislauf (3) geschaltet ist, der sekundärseitig so geschaltet ist, dass er Wärme an die Umgebung abgeben kann.
Gasturbinenanlage (1) nach Anspruch 8, wobei der erste Wärmetauscher (6) in einen Zwischenkreislauf (15) geschaltet ist, und der Zwischenkreislauf (15) sekundärseitig in einen vierten Wärmetauscher (18) geschaltet ist, der primärseitig in den Schmiermittelkreislauf (3) geschaltet ist, und wobei ein fünfter Wärmetauscher (17) primärseitig in den Schmiermittelkreislauf (3) und sekundärseitig so geschaltet ist, dass er Wärme an die Umgebung abgeben kann.