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Die Erfindung betrifft eine Gas- und Dampfturbinenanlage mit Naturzugkühlturm und bezieht sich auf das Einleiten von Abgasen in den Naturzugkühlturm. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Gas- und Dampfturbinenanlage.
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Bei Kraftwerken mit Wasser-Dampf-Kreislauf ist ein Kondensator Teil der Konfiguration. Dieser ist entsprechend zu kühlen und die aufgenommene Wärme ist an die Umgebung abzugeben. Dies erfolgt oft über Kühltürme. Allgemein kann dabei in Nass-, Hybrid- und Trockenkühltürme (d.h. mit und/oder ohne Verdunstungskühlung) und in Naturzug und zwangsbelüftete Kühltürme unterschieden werden. Welches Kühlprinzip (trocken, nass, hybrid, etc.) zum Einsatz kommt, hängt im Wesentlichen von den Standortrandbedingungen ab. Im Allgemeinen lassen sich in den meisten Klimazonen mit Nasskühltürmen durchschnittlich niedrigere Kühlwassertemperaturen bzw. Kondensatordrücke erreichen und damit ein verbesserter Kraftwerkswirkungsgrad. Insoweit sind sie der in der Regel bevorzugte Kühlturmtyp, wenn nicht andere Gründe, wie z.B. die Nichtverfügbarkeit oder eingeschränkte Verfügbarkeit von Kühlturmzusatzwasser für den Einsatz von Trocken- oder Hybridkühlsystemen sprechen.
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Naturzugkühltürme stellen, bezogen auf die Betriebskosten, die günstigste aller Kühlturmvarianten dar, da sie keinen elektrischen Eigenbedarf sowie Instandhaltungsbedarf für Ventilatoren haben, der Zug wird „natürlich“ nur über den Dichteunterschied zwischen warmer Luft im Kühlturminneren und kälterer Umgebungsluft erzeugt. Da aber der Temperaturunterschied vergleichsweise gering ist, ist zur Erzeugung dieses „Schornsteineffektes“ eine entsprechend große Bauhöhe des Kühlturmes erforderlich, wodurch bei Naturzugkühltürmen der erforderliche Invest im Vergleich zu anderen Kühlturmvarianten am höchsten ist. Damit bleibt die Anwendung dieser Kühlturmbauart in der Regel nur großen fossil befeuerten Dampfkraftwerken und Kernkraftwerken vorbehalten, welche in Grundlast betrieben werden sollen.
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Bei anderen Kraftwerkstypen wie Gas- und Dampfkraftwerken, wird der erforderliche Zug in der Regel „zwangsweise“ durch saugend oder drückend angeordnete Ventilatoren erzeugt. Die Bauhöhe verringert sich damit radikal und der Kühlturm wird als sogenannter Zellenkühlturm ausgeführt. Dies führt zu einer signifikanten Verringerung des notwendigen Invests aber auch zu einer bedeutsamen Erhöhung des Kraftwerkseigenbedarfes und damit der laufenden Betriebskosten.
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Gegenüber den zwangsbelüfteten Varianten bietet der Naturzugkühlturm eine Reihe von weiteren Vorteilen:
- – die große Bauhöhe zwischen Lufteintritt und -austritt des Kühlturms verhindert zuverlässig jede Rezirkulation von Warmluft, die eine Leistungsminderung zur Folge hätte,
- – das weitgehende Fehlen beweglicher Teile führt zu hoher Betriebssicherheit und geringem Wartungsaufwand,
- – wegen Warmluftaustritt in größerer Höhe bleibt die unmittelbare Umgebung von Schwadeneinflüssen verschont,
- – falls mehrere Kühltürme am gleichen Standort errichtet werden sollen, können diese näher aneinander gebaut werden, wodurch sich der Platzbedarf verringert und
- – es sind weniger Schallschutzmassnahmen notwendig, da Ventilatoren als Schallquelle entfallen.
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Ein weiteres Problem stellen die bei Nasskühltürmen (unabhängig davon, wie der Zug erzeugt wird) bei entsprechenden Witterungsbedingungen auftretenden Kühlturmschwaden dar, welche je nach Standortrandbedingungen Ihren Einsatz verhindern können.
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Eine Möglichkeit die Vorteile beider Kühlturmvarianten (Naturzug und zwangsbelüfteter Zellenkühlturm) zu nutzen und die jeweiligen Nachteile zumindest teilweise zu kompensieren, stellt der Rundkühlturm dar. Er stellt einen Kompromiss dar zwischen Reduzierung der Bauhöhe durch Einsatz von durch Motoren angetriebenen Ventilatoren und einer Verringerung des Eigenbedarfes durch den aufgrund der mittleren Bauhöhe vorhandenen nicht zu vernachlässigenden Naturzug dar. Diese Kühlturmvariante ist bereits bei Gas- und Dampfturbinenanlagen eingesetzt worden und hat damit seine Wettbewerbsfähigkeit gegenüber reinen zwangsbelüfteten Zellenkühltürmen unter Beweis gestellt.
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Falls Schwadenfreiheit erforderlich war, wurde in der Vergangenheit ein Trocken- oder Hybridkühlsystem zum Einsatz gebracht, mit entsprechender Kostenerhöhung und Verschlechterung von Wirkungsgrad und Leistung.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Gas- und Dampfturbinenanlage mit verbesserter Rückkühlung sowie ein entsprechendes Verfahren anzugeben.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und das Verfahren gemäß Anspruch 11. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen definiert. Indem bei einer Gas- und Dampfturbinenanlage, umfassend einen Abhitzedampferzeuger und einen Kühlturm, eine Abgasleitung den Abhitzedampferzeuger mit dem Kühlturm verbindet, wird durch die zusätzliche Aufwärmung der Kühlturmluft mit Abgas der Naturzug verstärkt.
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Bei Gas- und Dampfkraftwerken (bestehend aus Gasturbine, Abhitzekessel und Dampfturbine) ohne Fernwärmeeconomizer im Abhitzekessel verlässt das Abgas den Abhitzekessel mit einer Minimaltemperatur von ca. 80°C. Die Abgastemperatur kann in Abhängigkeit von Kreislaufkonfiguration, Schwefelgehalt im Abgas, etc. auch weit höhere Werte bis hin zu 160°C erreichen.
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Unter ISO Umgebungsbedingungen erreicht man z.B. bei einer Abgastemperatur von 80°C den gleichen Archimedischen Auftrieb mit einer um ca. 25% verringerten effektiven Kühlturmhöhe (Höhe oberhalb des Lufteintritts). Wird Abgas mit einer Temperatur von 160°C in den Kühlturm eingeleitet, verringert sich die notwendige effektive Kühlturmhöhe ungefähr auf die Hälfte.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Abgasleitung so ausgestaltet, dass das bisher ohne weitere Nutzung an die Umgebung abgegebene heiße Abgas aus dem Abhitzedampferzeuger in einem Bereich zwischen einer Wärmeaustauschzone für zu kühlendes Wasser und Kühlturmluft und einem oberen Ende des Kühlturms in den Kühlturm einleitbar ist.
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Bei der Nasskühlung ist mit „Wärmeaustauschzone“ der Bereich gemeint, in dem zu kühlendes Wasser in die Luft versprüht und über Füllkörper verrieselt wird, wodurch ihm Verdunstungswärme entzogen wird. Bei Trockenkühlung wird in der Wärmeaustauschzone Wärme über Wärmetauscher durch Konvektion an die Luft abgegeben.
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Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Abgasleitung in eine Einrichtung zur Verteilung und Vermischung des Abgases mit bereits erwärmter Kühlturmluft mündet. Auf diese Art und Weise wird durch die zusätzliche Aufwärmung der Naturzug verstärkt.
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In einer vorteilhaften Ausführung ist die Einrichtung ein Verteilgitter mit einer Vielzahl von Abgasöffnungen, die im Wesentlichen zum oberen Ende des Kühlturms hin gerichtet sind und aus denen das Abgas austritt und sich im Anschluss mit der vorbeiströmenden Kühlturmluft mischt.
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Es ist zweckmäßig, wenn Tropfenfänger im Kühlturm angeordnet sind und das Abgas zwischen Tropfenfänger und oberem Ende des Kühlturms in den Kühlturm einleitbar ist.
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Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn eine Einrichtung zur Trocknung von Abgas vor dessen Einleitung in den Kühlturm vorgesehen ist.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Einrichtung zur Trocknung von Abgas im Kühlturm (oberhalb der Tropfenfänger) angeordnet und umfasst einen Wärmetauscher, der primärseitig in die Abgasleitung geschaltet ist und sekundärseitig durch einen Kühlturmabluftmassenstrom kühlbar ist. Dabei kühlt der wesentlich größere Kühlturmabluftmassenstrom die Wärmetauscherwand soweit ab, dass es an ihr lokal zur Taupunktunterschreitung kommt und das entstandene Kondensat abgeführt werden kann. Durch diese Vortrocknung des Abgases und die Erwärmung der Kühlturmabluft kann eine Schwadenbildung am Kühlturmaustritt vermieden werden. Nachteil dieser Lösung ist der zunehmende Druckverlust im Kühlturm, welcher wiederum eine Vergrößerung der notwendigen Bauhöhe zur Folge hätte.
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Dabei ist es zweckmäßig, wenn der Wärmetauscher zwischen der Einrichtung zur Verteilung und Vermischung des Rauchgases mit bereits erwärmter Kühlturmluft und den Tropfenfängern angeordnet ist.
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In einer weiteren alternativen vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Einrichtung zur Trocknung von Abgas vor Einleitung in den Kühlturm einen Wärmetauscher, der primärseitig in die Abgasleitung und sekundärseitig in zumindest einen Teilstrom des bereits erwärmten Kühlwasserrücklaufes vom Kondensator zum Kühlturm geschaltet ist. Dabei wird der Taupunkt nur lokal an der Wärmetauscherwand unterschritten, da der Wärmeübergang durch die Wasserseite bestimmt wird, das Abgas selbst wird nur geringfügig abgekühlt. Auch hierbei treten zwar Druckverluste auf, diese schlagen aber nicht auf die erforderliche Kühlturmhöhe durch, sondern führen lediglich zu leichten Kraftwerkswirkungsgradverlusten, welche bezüglich der Kosten bei weitem unter denen eines alternativen Hybrid- oder Trockenkühlsystems liegen und ohnehin durch den verringerten Eigenbedarf des Naturzugkühlturmes überkompensiert werden. Ein Nebeneffekt der Abgastrocknung ist, dass auch eine gewisse Menge Flüssigkeit aus dem Abgas zurück gewonnen wird und damit hilft, den Wasserbedarf des Kraftwerkes zu decken. Auch anfallende Schwefelsäure kann ggf. wieder verwendet werden.
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Bei noch einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform einer Abgastrocknung wird der im vorhergehenden Absatz beschriebene Wärmetauscher nicht durch einen Teilmassenstrom des bereits erwärmten Kühlwassers durchströmt, sondern durch kaltes Kondensat aus dem Kondensatorhotwell. Hierzu ist der Wärmetauscher sekundärseitig in den kalten Kondensatstrom geschaltet. Diese Möglichkeit besteht dann, wenn das Kondensat hinreichend kalt ist, um über die gesamte Wärmeaustauschfläche die Wärmetauscherwandtemperatur so weit unter dem Säuretaupunkt zu halten, dass eine ausreichende Trocknung erfolgt. Der Vorteil wäre, dass auf diese Art und Weise auch die notwendige Kondensatvorwärmerfläche im Abhitzedampferzeuger reduziert würde, da das Kondensat bereits mit einer höheren Temperatur in den Kondensatvorwärmer des Abhitzedampferzeugers eintritt.
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Grundsätzlich kann die Taupunktunterschreitung bei höheren Schwefelgehalten im Abgas hilfreich sein, da mit Taupunktunterschreitung das im Abgas enthaltene SO2 „ausgewaschen“ wird und insofern keine besonderen Materialien oder Beschichtungen für den Kühlturm gewählt werden müssen.
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Bezogen auf das Verfahren wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Gas- und Dampfturbinenanlage, umfassend einen Abhitzedampferzeuger und einen Kühlturm, bei dem heißes Abgas aus dem Abhitzedampferzeuger in den Kühlturm eingeleitet wird.
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Wie bereits bei der Vorrichtung ausgeführt ist es zweckmäßig, wenn das heiße Abgas zwischen einer Wärmeaustauschzone für zu kühlendes Wasser und Kühlturmluft und einem oberen Ende des Kühlturms in den Kühlturm eingeleitet wird.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das Abgas vor dem Einleiten in den Kühlturm getrocknet wird.
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Dabei kann es vorteilhaft sein, das Abgas im Wärmetausch mit Kühlturmluft so weit abzukühlen, dass lokal ein Abgastaupunkt des Abgases an einer Wärmetauscherwand unterschritten wird.
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Alternativ kann es vorteilhaft sein, das Abgas im Wärmetausch mit einem Teilstrom des bereits erwärmten Kühlwasserrücklaufes vom Kondensator zum Kühlturm so weit abzukühlen, dass lokal ein Abgastaupunkt des Abgases an einer Wärmetauscherwand unterschritten wird.
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Schließlich kann es vorteilhaft sein, eine Wärmetauscherwand eines Wärmetauschers mittels eines Kondensatstroms so weit abzukühlen, dass ein Abgastaupunkt lokal unterschritten wird.
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Der Kern der Erfindung liegt in der Einleitung und bestmöglichen Vermischung von heißem (mindestens 70°C) ggf. bereits getrocknetem Abgas mit der Kühlturmabluft in einem Naturzugkühlturm. Dazu ist das Abgas über einen Abgaskanal in den Naturzugkühlturm einzuleiten und dort bestmöglich über eine Verteil- und Mischeinrichtung mit dem Abluftmassenstrom oberhalb der eigentlichen Kühlzone des Kühlturmes (oberhalb der Tropfenfänger) zu mischen.
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Die einfache Einleitung der Abgase oberhalb der Tropfenfänger (Abgaskanal wird in die Kühlturmmitte geführt und der Abgasstrom wird nach oben gerichtet) ist bei fossilbefeuerten großen Dampfkraftwerken mit Entschwefelung (REA) bekannt. Der Zweck und die Form der Einleitung bezogen auf diese Erfindung sind allerdings andere – während es bei den fossilbefeuerten Dampfkraftwerken um die Vermeidung des Schornsteins und der damit im Zusammenhang stehenden Wiederaufwärmung der vergleichsweise kalten Abgase geht (Abgastemperatur ca. 50 °C nach der REA), ermöglicht die Einleitung der wesentlich heißeren Abgase der Gas- und Dampfturbinenanlage eine Verringerung der Bauhöhe des Naturzugkühlturmes bei gleicher Leistung. Um diesen Effekt möglichst zu verstärken und im Gegensatz zu den bisherigen Ausführungen bei Dampfkraftwerken sind im Kühlturminneren spezielle Rauchgasverteilungs- und Vermischungseinrichtungen vorzusehen, um eine möglichst gute Vermischung des heißen Abgases mit der bereits erwärmten Kühlturmabluft zu erreichen.
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Damit können beim Naturzugkühlturm auch mittlere Bauhöhen wie beim Rundkühlturm realisiert werden, bei gleicher Kühlleistung. Der Entfall der Zwangsbelüftung führt im Vergleich zum Rundkühlturm zu einer entsprechenden Verringerung der Invest- und Betriebskosten des Kühlturmes (wegen Entfall der Ventilatoren und des zugehörigen Eigenbedarfes) sowie zu einer Verbesserung der Verfügbarkeit (wegen Ersatz aktiver durch passive Komponenten). Auch der Entfall des Kamins beim Abhitzekessel kann zu einer entsprechenden Verringerung des Invest führen, insbesondere bei Standorten, die eine große Kaminhöhe gesetzlich vorschreiben. Darüber hinaus können wegen des Verzichts auf Ventilatoren ggf. sonst erforderliche Schallschutzmaßnahmen entfallen. Damit wird ein Naturzugkühlturm eine auch in Bezug auf Investitionskosten wettbewerbsfähige Variante gegenüber zwangsbelüfteten Kühlturmvarianten und kann seine Vorteile beim Eigenverbrauch voll ausspielen. Außerdem ist durch die größere Bauhöhe im Vergleich zu Zellenkühltürmen eine Rezirkulation von warmer Kühlturmabluft und der damit verbundene Wirkungsgrad- und Leistungsnachteil auch bei ungünstigen Umgebungsbedingungen sicher ausgeschlossen. Durch die Erhöhung der Temperatur des gesamten Abluftmassenstromes wird in der Regel auch die Taupunktunterschreitung am Kühlturmaustritt und die damit zusammenhängende Kühlturmschwadenbildung vermieden. Das vergleichsweise feuchte Abgas aus dem Kessel (feucht insbesondere dann, falls als Brennstoff Erdgas zum Einsatz kommt) macht nur einen vergleichsweise kleinen Anteil von ca. 15% am Gesamtabluftmassenstrom aus und fällt daher in der Regel nicht weiter ins Gewicht.
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Der Einsatz einer Einrichtung zur Trocknung des Abgases kann je nach Umgebungsbedingungen und Brennstoff aber trotzdem von Vorteil sein, um vor allem Schwadenfreiheit am Kühlturmaustritt auch bei ungünstigen Bedingungen zu erreichen und damit dann eine der Vorraussetzungen zum Einsatz eines vorteilhafteren Nasskühlsystems anstelle eines Trocken-/Hybridkühlsystems zu schaffen (vergleichsweise geringere Kosten und höherer Wirkungsgrad/Leistung). Ein weiterer Vorteil liegt in der Verdünnung des Abgases mit Kühlturmabluft. So können an sich gesetzlich zulässige Emissionen, deren Sichtbarkeit aber zu Fragen aus der Bevölkerung führen können (z.B. NO2), soweit verdünnt werden, dass Sie nicht mehr auffallen.
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Die Erfindung wird beispielhaft anhand dreier Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich:
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1 eine Gas- und Dampfturbinenanlage nach der Erfindung mit Abgastrocknung außerhalb des Kühlturms mittels Kühlwasserrücklauf vom Kondensator zum Kühlturm,
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2 eine Gas- und Dampfturbinenanlage nach der Erfindung mit Abgastrocknung außerhalb des Kühlturms mittels Kondensat und
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3 eine Gas- und Dampfturbinenanlage nach der Erfindung mit Abgastrocknung innerhalb des Kühlturms.
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Die 1 zeigt eine Gas- und Dampfturbinenanlage 1. Die Gasturbine 2 umfasst eine Turbine 3 mit angekoppeltem Luftverdichter 4 mit Verdichteransaugluftleitung 5 und eine der Turbine 3 vorgeschaltete Brennkammer 6, die an eine Druckluftleitung 7 des Verdichters 4 angeschlossen ist. Eine Brennstoffleitung 8 mündet in die Brennkammer 6. Die Turbine 3 und der Luftverdichter 4 sowie ein Generator 9 sitzen im Ausführungsbeispiel der 1 auf einer gemeinsamen Welle 10.
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Die heißen und unter Druck stehenden Verbrennungsgase aus der Brennkammer 6 werden der Turbine 3 zugeführt und dort unter Leistung von Arbeit entspannt.
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Zum Zuführen von in der Turbine 3 entspanntem Arbeitsmittel oder Abgas in den Abhitzedampferzeuger 11 ist eine Abgasleitung 12 an den Abhitzedampferzeuger 11 angeschlossen. Im Abhitzedampferzeuger 11 gibt das heiße Abgas einen Teil seiner Wärme an Überhitzer, Verdampfer und Vorwärmer der einzelnen Druckstufen des Wasser-Dampf-Kreislaufs 13 der Dampfturbinenanlage 14 ab.
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In der Dampfturbinenanlage 14 wird der Dampf nach einer – Dampferzeugung und Überhitzung der Dampfturbine 15, die über eine Welle 16 an einen Generator 17 gekoppelt ist, zur Entspannung und Verrichtung mechanischer Arbeit zugeführt.
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Unabhängig vom beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Erfindung sowohl für Ein- als auch für Mehrwellenanlagen geeignet.
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Der entspannte Dampf wird im Kondensator 18 verflüssigt, und das Kondensat wird über eine Kondensatpumpe 19 dem Abhitzedampferzeuger 11 wieder zuführt. Die Verflüssigung des Dampfes im Kondensator 18 erfolgt im Wärmetausch mit Kühlwasser.
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Das Kühlwasser wiederum wird im vorliegenden Beispiel einer Nasskühlung in die Luft 20 im Kühlturm 21 versprüht und über Kühlturmeinbauten 22 verrieselt. Durch Verdunstung wird dem Kühlwasser Wärme entzogen und die Luft befeuchtet. Das Kühlwasser wird aber auch durch den Kontakt mit der Luft durch Konvektion gekühlt. Dadurch erwärmt sich die Luft, wodurch die Dichte der Luft abnimmt und ihr Auftrieb zunimmt. Am Tropfenabscheider 23 werden durch den Luftzug mitgerissene Wassertröpfchen abgeschieden und damit dem in die Kühlturmtasse 24 fallenden gekühlten Wassermassenstrom wieder zugeführt. Das gekühlte Wasser wird dann wiederum mittels Pumpe 25 zum Kondensator 18 gefördert.
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Nach der Erfindung verlässt das abgekühlte Abgas den Abhitzedampferzeuger 11 über die Abgasleitung 26 in Richtung auf den Kühlturm 21 und wird dort in einem Bereich zwischen einer Wärmeaustauschzone 27 für zu kühlendes Wasser und Kühlturmluft und einem oberen Ende 28 des Kühlturms 21 über eine Einrichtung 29 zur Verteilung und Vermischung des Abgases mit bereits erwärmter Kühlturmluft, beispielsweise ein Verteilgitter 30 mit einer Vielzahl von Abgasöffnungen 31, die im Wesentlichen zum oberen Ende 28 des Kühlturms 21 hin gerichtet sind, in den Kühlturm 21 eingeleitet.
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Die 1 zeigt weiterhin eine Abgastrocknung 32 in der Abgasleitung 26 außerhalb des Kühlturms 21 und bevor das Abgas in den Kühlturm 21 eingeleitet wird. Der Wärmetauscher 33 der Abgastrocknung 32 wird mit einer Teilmenge des bereits erwärmten Kühlwasserrücklaufs vom Kondensator 18 zum Kühlturm 21 gekühlt. Bezogen auf die Teilmenge des Kühlwassermassenstromes wird diese über die Ventile 34 und 35 geregelt, alternativ kann auch der gesamte Rücklauf des Nebenkühlwassersystems ungeregelt durch den Wärmetauscher 33 geleitet werden
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2 zeigt einen Ausschnitt der 1 mit geänderter Abgastrocknung. Im Beispiel der 2 erfolgt die Abgaskühlung mittels kalten Kondensats, welches über die Kondensatpumpe 19 zum Wärmetauscher 33 geleitet wird. Eine Kondensatmengenregelung ist anders als beim Ausführungsbeispiel der 1 nicht vorgesehen. Der gesamte jeweils zur Verfügung stehende Kondensatmassenstrom wird durch den Wärmetauscher 33 geleitet.
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3 zeigt eine alternative Abgastrocknung 36 im Kühlturm 21, bei der zur lokalen Unterschreitung des Abgastaupunktes ein Wärmetauscher 37 im Kühlturm 21 oberhalb der Tropfenfänger 23 angeordnet ist. Der im Vergleich zum Rauchgas wesentlich größere Kühlturmabluftmassenstrom kühlt die Wand des Wärmetauschers 37 so weit ab, dass es an ihr zur Taupunktunterschreitung kommt. Das entstandene Kondensat wird abgeführt (nicht gezeigt).
