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Die Erfindung betrifft ein Ansaugluftvorwärmsystem, insbesondere für eine in einer Kraftwerksanlage eingesetzte Gasturbine, sowie eine Kraftwerksanlage. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Vorwärmen der Ansaugluft einer Gasturbine für eine Kraftwerksanlage.
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Beim Betrieb einer Gasturbinenanlage wird üblicherweise Umgebungsluft angesaugt und in einem der Gasturbine zugeordneten Verdichter verdichtet. Der größte Anteil der verdichteten Luft gelangt in eine oder mehrere Brennkammern und wird dort mit einem Brennstoff, üblicherweise Gas, vermischt und verbrannt. Die heißen, unter Druck stehenden Abgase werden einem Turbinenteil der Gasturbine zugeführt und dort unter Leistung von Arbeit entspannt.
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Typischerweise ist bei Gasturbinenanlagen eine Ansaugluftvorwärmung vorgesehen, um bei vergleichsweise tiefen Außentemperaturen die Entstehung von Kondenswasser oder Eis in Luftansaugeinrichtungen zu verhindern, um insbesondere im Teillastbetrieb den Gesamt-Wirkungsgrad der Anlage zu steigern und ferner um bei niedrigen Teillasten den NOx-Ausstoß zu verringern. Durch die Vorwärmung der Ansaugluft der Gasturbine verringert sich zwar der Gesamtmassenstrom des Brennstoff-Luft-Gemischs, welcher der Gasturbine insgesamt pro Zeiteinheit zugeführt werden kann, so dass die durch die Gasturbine maximal erreichbare Leistungsabgabe geringer ist als beim Verzicht auf die Vorwärmung der Ansaugluft. Bei der Vorwärmung der Ansaugluft sinkt der Brennstoffverbrauch aber stärker als die maximal erreichbare Leistungsabgabe.
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Bei einer Gas- und Dampfturbinenanlage kann eine solche Ansaugluftvorwärmung bei niedrigen Außentemperaturen und bei Teillasten beispielsweise durch die Verwendung von Niederdruckdampf erfolgen. Allerdings verringert sich dadurch der Wirkungsgrad insbesondere bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen. Weiterhin kann es bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen sein, dass die Ansaugluft nicht auf eine optimale Temperatur aufgeheizt wird, da nicht genügend Niederdruckdampf zur Verfügung steht.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein verbessertes Ansaugluftvorwärmsystem anzugeben, das auch bei vergleichsweise tiefen Umgebungstemperaturen ausreichend Wärme zur Luftvorwärmung zur Verfügung stellt und dabei den Wirkungsgrad der Gesamtanlage steigert. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Angabe einer Kraftwerksanlage mit verbessertem Ansaugluftvorwärmsystem. Ferner ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Vorwärmen der Ansaugluft einer Gasturbine für eine Kraftwerksanlage anzugeben.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Vorrichtungen gemäß Anspruch 1 und Anspruch 6, sowie das Verfahren gemäß Anspruch 7. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen definiert. Indem bei einem Ansaugluftvorwärmsystem für eine in einer Kraftwerksanlage eingesetzte Gasturbine, mit einer Ansaugluftleitung, einem ersten Kreislauf zur Ansaugluftvorwärmung, einem ersten Wärmetauscher, der primärseitig in den ersten Kreislauf und sekundärseitig in die Ansaugluftleitung geschaltet ist und einem zweiten Kreislauf zur Kühlung von Kraftwerkskomponenten, ein dritter Kreislauf, ein zweiter Wärmetauscher, der primärseitig in den dritten Kreislauf und sekundärseitig in den ersten Kreislauf geschaltet ist und ein dritter Wärmetauscher, der primärseitig in den zweiten Kreislauf und sekundärseitig in den dritten Kreislauf geschaltet ist, vorgesehen sind, wobei der dritte Kreislauf einen Verdichter und eine Vorrichtung zur Expansion aufweist, wird folgendes erreicht:
Die bislang ungenutzte, über ein Zwischenkühlsystem und eine Rückkühlung (Kühlwasser, LUKO) an die Umgebung abgegebene Abwärme der Kraftwerkskomponenten wird nicht mehr verworfen, sondern mit Hilfe einer Wärmepumpe einem Ansaugluftvorwärmer zugeführt. Der Verbrauch von Niederdruckdampf für die Luftvorwärmung kann ganz oder zumindest teilweise vermieden werden. Der Niederdruckdampf steht somit für die Dampfturbine zur Leistungssteigerung zur Verfügung.
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Dabei ist es zweckmäßig, wenn im dritten Kreislauf dritter Wärmetauscher, Verdichter, zweiter Wärmetauscher und Vorrichtung zur Expansion in dieser Reihenfolge hintereinander angeordnet sind.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der zweite Kreislauf ein Zwischenkühlwasserkreislauf mit vollentsalztem Wasser als Wärmeträgermedium. Wasser ist aufgrund seiner sehr hohen spezifischen Wärmekapazität ein besonders guter Wärmeträger und bezüglich seiner Umweltverträglichkeit unbedenklich.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist ein Wärmeträgermedium im ersten Kreislauf ein Wasser-Glykol-Gemisch. In Verbindung mit Wasser liegt der Schmelzpunkt von Glykolen unter dem Nullpunkt und kann bei entsprechender Mischung bis –55 °C erreichen, so dass im Bereich der Ansaugluftvorwärmung ein Einfrieren des Kreislaufs sicher vermieden ist.
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Es ist vorteilhaft, wenn ein vierter Wärmetauscher primärseitig mit Niederdruckdampf beaufschlagbar und sekundärseitig in den ersten Kreislauf geschaltet ist. Die Vorwärmung der Ansaugluft erfolgt somit abhängig von der Außentemperatur über die Wärmepumpe allein, oder über eine Kombination von Wärmepumpe und Niederdruckdampf.
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Eine Kraftwerksanlage umfasst vorteilhafter Weise eine Gasturbine und ein Ansaugluftvorwärmsystem, wie oben beschrieben.
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Im erfinderischen Verfahren zum Vorwärmen der Ansaugluft einer Gasturbine für eine Kraftwerksanlage wird thermische Energie aus einem Zwischenkühlwasserkreislauf über eine Wärmepumpe einem Ansaugluftvorwärmer zugeführt.
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Dabei kann es zweckmäßig sein, wenn die Ansaugluft zusätzlich mit Hilfe von Niederdruckdampf vorgewärmt wird.
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Bei sehr niedrigen Außentemperaturen ist es möglich mit einer Kombination aus Vorwärmung über die Wärmepumpe und über Niederdruckdampf die Ansauglufttemperatur auf ein optimales Niveau anzuheben.
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Weiterhin steht für das Zwischenkühlsystem eine zweite Wärmesenke zur Verfügung, was insbesondere bei sehr hohen Außentemperaturen und Luftkühlung den Vorteil hat, dass die maximal zulässigen Temperaturen der Komponenten nicht überschritten werden und dass die Rückkühlung des Zwischenkühlkreislaufes kleiner ausgelegt werden kann.
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Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt schematisch und nicht maßstäblich:
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Figur eine Gas- und Dampfturbinenanlage mit einem Ansaugluftvorwärmsystem nach der Erfindung.
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Die Figur zeigt schematisch eine Kraftwerksanlage 2 am Beispiel einer Gas- und Dampfturbinenanlage mit einer Gasturbine 3, einer Dampfturbine 16 und einem Abhitzedampferzeuger 17. Über eine Welle 18 sind ein Läufer der Gasturbine 3, ein Läufer eines Generators 19 und ein Läufer der Dampfturbine 16 miteinander gekoppelt, wobei der Läufer der Dampfturbine 16 und der Läufer des Generators 19 über eine Kupplung 20 rotatorisch voneinander trennbar und koppelbar sind. Die Läufer des Generators 19 und der Gasturbine 3 sind über die Welle 18 starr miteinander verbunden. Ein Abgasauslass 21 der Gasturbine 3 ist über eine Abgasleitung 22 mit dem Abhitzedampferzeuger 17 verbunden, der zur Erzeugung des Betriebsdampfs der Dampfturbine 16 aus Abwärme der Gasturbine 3 vorgesehen ist. Das Prinzip der Erfindung ist natürlich nicht auf den hier beschriebenen Kraftwerkstyp beschränkt, sondern auch bei einer Mehrwellen/Multi-Shaft-Konfiguration, in der die Gasturbine, Dampfturbine und der Generator nicht mit einer Welle verbunden sind, anwendbar.
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Während eines Betriebs der Kraftwerksanlage 2 wird vom rotierenden Läufer der Gasturbine 3 über die Welle 18 ein Verdichter 58 angetrieben, der über eine Ansaugluftleitung 4 Verbrennungsluft aus der Umgebung ansaugt und einer Brennkammer 23 zuführt. Dort wird die Verbrennungsluft mit von einer Brennstoffzuführung 24 herangeführtem Brennstoff vermischt und verbrannt und die heißen, unter Druck stehenden Abgase werden dem Turbinenteil 25 der Gasturbine 3 zugeführt und dort unter Leistung von Arbeit entspannt. Die noch etwa 550 bis 650°C heißen Abgase werden anschließend durch die Abgasleitung 22 dem Abhitzedampferzeuger 17 zugeführt und durchströmen diesen vom Abgaseingang 26 bis zum Abgasausgang 27, und gelangen durch einen Kamin 28 in die Umgebung.
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Der Abhitzedampferzeuger 17 im Beispiel der Figur ist als Mehrdruckkessel mit Naturumlauf ausgeführt und umfasst eine Niederdruckstufe 29, eine Mitteldruckstufe 30 und eine Hochdruckstufe 31. Aber auch im Fall von Zwangsumlauf/Benson-Technologie kann die vorliegende Erfindung angewendet werden.
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Auf ihrem Weg durch den Abhitzedampferzeuger 17 führen die heißen Abgase der Gasturbine 3 ihre Wärme einem dritten Hochdrucküberhitzer 32 zu, dann einem zweiten Zwischenüberhitzer 33, einem zweiten Hochdrucküberhitzer 34, einem ersten Zwischenüberhitzer 35 und einem ersten Hochdrucküberhitzer 36, des weiteren einem Hochdruckverdampfer 37, einem Hochdruckvorwärmer 38, dann einem Mitteldrucküberhitzer 39, einem Mitteldruckverdampfer 40, einem Mitteldruckvorwärmer 41, dann einem Niederdrucküberhitzer 42, einem Niederdruckverdampfer 43 und schließlich einem Kondensatvorwärmer 44.
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Im dritten Hochdrucküberhitzer 32 überhitzter Dampf wird durch eine Dampfableitung 45 einer Hochdruckstufe 46 der Dampfturbine 16 zugeführt und dort unter Leistung von Arbeit entspannt. Mit der Arbeit wird – analog zur in der Gasturbine 3 geleisteten Arbeit – die Welle 18 und damit der Generator 19 zur Erzeugung elektrischer Energie bewegt. Der in der Hochdruckstufe 46 teilweise entspannte heiße Dampf wird anschließend gemeinsam mit Dampf aus dem Mitteldrucküberhitzer 39 den Zwischenüberhitzern 35, 33 zugeführt, dort erneut bzw. weiter überhitzt und über eine Ableitung 47 einer Mitteldruckstufe 48 der Dampfturbine 16 zugeführt und dort unter Leistung von mechanischer Arbeit entspannt. Der dort teilweise entspannte Dampf wird über eine interne Zuleitung einer Niederdruckstufe 49 der Dampfturbine 16 zugeführt und dort unter Abgabe von mechanischer Energie weiter entspannt.
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Der entspannte Dampf wird im Kondensator 50 der Dampfturbine 16 kondensiert, und das so entstehende Kondensat wird über eine Kondensatpumpe 51 nach Erwärmung im Kondensatvorwärmer 44 direkt der Niederdruckstufe 29 des Abhitzedampferzeugers 17 oder über eine Speisewasserpumpe 52 – und von dieser mit entsprechendem Druck versehen – der Mitteldruckstufe 30 oder der Hochdruckstufe 31 des Abhitzedampferzeugers 17 zugeführt, wo das Kondensat verdampft wird. Nach einer Dampferzeugung und Überhitzung wird der Dampf über die entsprechenden Ableitungen 45, 47 des Abhitzedampferzeugers 17 wieder der Dampfturbine 16 zur Entspannung und Verrichtung mechanischer Arbeit zugeführt.
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Der Kondensator 50 wird mit Hauptkühlwasser aus dem Kühlturm 53 versorgt. Nachdem die Kondensationswärme im Kondensator 50 an das Hauptkühlwasser abgeführt wurde, wird dieses zum Kühlturm 53 zurückgeleitet.
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Die Figur zeigt auch einen Ansaugluftvorwärmer 15 mit einem ersten Kreislauf 5 zur Ansaugluftvorwärmung und einem ersten Wärmetauscher 6, der primärseitig in den ersten Kreislauf 5 und sekundärseitig in die Ansaugluftleitung 4 geschaltet ist.
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Im Stand der Technik wird die für die Luftvorwärmung benötigte Wärme über einen hier als vierten Wärmetauscher 13 bezeichneten Wärmetauscher bereitgestellt, der primärseitig über die Dampfleitung 54 mit Niederdruckdampf beaufschlagbar und sekundärseitig in den ersten Kreislauf 5 geschaltet ist. Der abgekühlte oder kondensierte Dampf wird über die Leitung 55 in die Kondensatleitung 56 rückgeführt.
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Die Figur zeigt weiter einen zweiten Kreislauf 7 zur Kühlung von Kraftwerkskomponenten, den sogenannten Zwischenkühlwasserkreislauf 7. In der Kraftwerksanlage 2 gibt es viele Wärmequellen 57, die durch diesen Zwischenkühlkreislauf 7 gekühlt werden, beispielsweise Generatoren, Transformatoren oder auch Motoren. Bei Kraftwerksanlagen aus dem Stand der Technik wird die Wärme aus dem Zwischenkühlwasserkreislauf 7 üblicherweise über einen Wärmetausch mit Nebenkühlwasser, das vor dem Kondensator 50 aus dem Hauptkühlwassersystem entnommen und diesem hinter dem Kondensator 50 wieder zugeführt wird, abtransportiert.
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Das Ansaugluftvorwärmsystem 1 nach der Erfindung sieht anstelle der Verwendung von Nebenkühlwasser und der damit verbundenen Abgabe der Restwärme aus verschiedenen Kraftwerkskomponenten an die Umgebung einen dritten Kreislauf 8 vor. Darin ist ein zweiter Wärmetauscher 9 primärseitig in den dritten Kreislauf 8 und sekundärseitig in den ersten Kreislauf 5 und ein dritter Wärmetauscher 10 primärseitig in den zweiten Kreislauf 7 und sekundärseitig in den dritten Kreislauf 8 geschaltet. Zwischen die beiden Wärmetauscher 9, 10 sind ein Verdichter 11 und eine Vorrichtung 12 zur Expansion so in den dritten Kreislauf 8 geschaltet, dass der Kreislauf wie eine Wärmepumpe 14 wirkt.
