DE102015105699A1

DE102015105699A1 - Brennstoffheizsystem zur Verwendung mit einer Gasturbine für den kombinierten Gas- und Dampfprozess

Info

Publication number: DE102015105699A1
Application number: DE102015105699.2A
Authority: DE
Inventors: Kihyung Kim; Dean Matthew Erickson; Diego Fernando Rancruel; Leslie Yung-Min Tong
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2014-04-17
Filing date: 2015-04-14
Publication date: 2015-10-22
Also published as: US20150300261A1; CN105041477A; JP2015206359A

Abstract

Es wird ein Brennstoffheizsystem (122) geschaffen zur Verwendung mit einer Gasturbine (102) für den kombinierten Gas- und Dampfprozess, die einen Turbinenauslass aufweist, der dafür ausgelegt ist, einen Strom von Abgas (112) in Richtung auf einen Abhitzedampferzeuger (114) zu führen. Das System beinhaltet einen Wärmeübertrager bzw. Wärmetauscher (130), der zum Hindurchführen eines Stromes von Brennstoff (124) ausgelegt ist, und mehrere Wärmeübertragungsvorrichtungen (132), die jeweils einen Verdampferabschnitt (136), der mit dem Strom des Abgases in Wärmeaustausch steht, und einen Kondensatorabschnitt (140) aufweisen, der selektiv dem Brennstoffstrom thermisch ausgesetzt wird. Jede von den mehreren Wärmeübertragungsvorrichtungen ist dafür ausgelegt, Wärme unterschiedlichen Grades bzw. unterschiedliche Wärmemengen aus dem Abgas zu leiten, um eine Temperatur des Brennstoffs zu regulieren.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Energieerzeugungssysteme für den kombinierten Gas- und Dampfprozess, und genauer ein System zur Verwendung für die Aufheizung von Brennstoff in einer Gasturbine für den kombinierten Gas- und Dampfprozess.
Zumindest einige bekannte Energieerzeugungssysteme weisen einen mehrstufigen Abhitzedampferzeuger (heat recovery steam generator, HRSG) auf, der Verbrennungsabgas nutzt, um in jeder Stufe zunehmend geringergradigen Dampf zu erzeugen. Relativ hochgradige Wärme bzw. eine große Wärmemenge an einem Abgaseinlass zum HRSG ist in der Lage, Dampf mit relativ hohem Druck in einer Hochdruckstufe oder einem Hochdruckabschnitt des HRSG zu erzeugen. Nachdem dem Abgas in der Hochdruckstufe Wärme entzogen worden ist, wird das Abgas zu einer Zwischendruckstufe geführt, wo das relativ kühlere Abgas Dampf mit einem relativ niedrigeren Druck oder einem Zwischendruck erzeugen kann. Das Abgas wird dann zu einer Niederdruckstufe des HRSG geführt, um Dampf mit niedrigem Druck zu erzeugen.
Zumindest einige bekannte Energieerzeugungssysteme verwenden das Abgas außerdem direkt oder indirekt, um eine zur Verbesserung des Wärmewirkungsgrads angewendete Vorheizung von Brennstoff zur Verwendung in einer Gasturbine für den kombinierten Gas- und Dampfprozess zu erleichtern. Eine Temperatur des Abgases kann abhängig von einer Betriebsbedingung der Gasturbine und/oder abhängig davon, wo entlang des mehrstufigen HRSG sich das Abgas befindet, variieren. Somit kann es schwierig sein, eine Temperatur des Brennstoffs so zu regulieren, dass sie in einem vorgegebenen Temperaturbereich liegt.
KURZBESCHREIBUNG
In einem Aspekt wird ein Brennstoffheizsystem geschaffen zur Verwendung mit einer Gasturbine für den kombinierten Gas- und Dampfprozess, die einen Turbinenauslass aufweist, der zum Führen eines Abgasstroms in Richtung auf einen Abhitzedampferzeuger ausgelegt ist. Das System weist einen Wärmeübertrager bzw. Wärmetauscher, der zum Hindurchführen eines Brennstoffstroms ausgelegt ist, und mehrere Wärmeübertragungsvorrichtungen auf, die jeweils einen mit dem Abgasstrom in Wärmeaustausch stehenden Verdampferabschnitt und einen Kondensatorabschnitt aufweisen, der selektiv dem Brennstoffstrom thermisch ausgesetzt wird. Jede von den mehreren Wärmeübertragungsvorrichtungen ist dafür ausgelegt, Wärme unterschiedlichen Grades bzw. unterschiedliche Wärmemengen aus dem Abgas zu leiten, um eine Temperatur des Brennstoffs zu regulieren.
In jeder Ausführungsform des Brennstoffheizsystems kann es von Vorteil sein, dass Verdampferabschnitte von jeder der mehreren Wärmeübertragungsvorrichtungen in Axialrichtung gesehen an verschiedenen Stellen entlang des Abhitzedampferzeugers angeordnet sind.
In jeder Ausführungsform des Brennstoffheizsystems kann es von Vorteil sein, dass jede von den mehreren Wärmeübertragungsvorrichtungen dafür ausgelegt ist, zunehmend geringere Wärmemengen aus dem Abgas zu leiten, wenn der Abstand zwischen dem Turbinenauslass und Verdampferabschnitten der mehreren Wärmeübertragungsvorrichtungen größer wird.
In jeder Ausführungsform des Brennstoffheizsystems kann es von Vorteil sein, dass der Wärmetauscher größenmäßig für die Aufnahme von Kondensatorabschnitten der mehreren Wärmeübertragungsvorrichtungen ausgelegt ist.
In jeder Ausführungsform des Brennstoffheizsystems kann es von Vorteil sein, dass die mehreren Wärmeübertragungsvorrichtungen mehrere Wärmerohre mit variabler Wärmeleitung und/oder mehrere Thermosiphons umfassen.
In jeder Ausführungsform des Brennstoffheizsystems kann es von Vorteil sein, dass die Kondensatorabschnitte in Abhängigkeit von einer Menge an nicht-kondensierbarem Gas in den mehreren Wärmerohren mit variabler Wärmeleitung und/oder den mehreren Thermosiphons selektiv dem Brennstoffstrom ausgesetzt werden.
In jeder Ausführungsform des Brennstoffheizsystems kann es von Vorteil sein, dass der Wärmetauscher mehrere Ventile aufweist, die für eine selektive Betätigung ausgelegt sind, so dass der Brennstoffstrom selektiv an entsprechenden Kondensatorabschnitten der mehreren Wärmeübertragungsvorrichtungen entlang strömt.
In jeder Ausführungsform des Brennstoffheizsystems kann es von Vorteil sein, dass die Kondensatorabschnitte abhängig von einem Betriebszustand der Gasturbine für den kombinierten Gas- und Dampfprozess selektiv dem Brennstoffstrom ausgesetzt werden.
In einem anderen Aspekt wird ein Energieerzeugungssystem für den kombinierten Gas- und Dampfprozess geschaffen. Das System weist eine Gasturbine, die einen Turbinenauslass aufweist, einen für die Aufnahme eines aus dem Turbinenauslass abgegebenen Abgasstroms ausgelegten Abhitzedampferzeuger und ein Brennstoffheizsystem auf. Das Brennstoffheizsystem weist einen zum Hindurchführen eines Brennstoffstroms ausgelegten Wärmeübertrager bzw. Wärmetauscher und mehrere Wärmeübertragungsvorrichtungen auf, die jeweils einen mit dem Abgasstrom in Wärmeaustausch stehenden Verdampferabschnitt und einen Kondensatorabschnitt aufweisen, der selektiv dem Brennstoffstrom thermisch ausgesetzt wird. Jede von den mehreren Wärmeübertragungsvorrichtungen ist dafür ausgelegt, Wärme unterschiedlichen Grades bzw. unterschiedliche Wärmemengen aus dem Abgas zu leiten, um eine Temperatur des Brennstoffs zu regulieren.
In jeder Ausführungsform des Energieerzeugungssystems kann es von Vorteil sein, dass Verdampferabschnitte von jeder der mehreren Wärmeübertragungsvorrichtungen in Axialrichtung gesehen an verschiedenen Stellen entlang des Abhitzedampferzeugers angeordnet sind.
In jeder Ausführungsform des Energieerzeugungssystems kann es von Vorteil sein, dass jede von den mehreren Wärmeübertragungsvorrichtungen dafür ausgelegt ist, zunehmend geringere Wärmemengen aus dem Abgas zu leiten, wenn der Abstand zwischen dem Turbinenauslass und Verdampferabschnitten der mehreren Wärmeübertragungsvorrichtungen zunimmt.
In jeder Ausführungsform des Energieerzeugungssystems kann es von Vorteil sein, dass der Wärmetauscher größenmäßig dafür ausgelegt ist, Kondensatorabschnitte von den mehreren Wärmeübertragungsvorrichtungen aufzunehmen.
In jeder Ausführungsform des Energieerzeugungssystems kann es von Vorteil sein, dass die mehreren Wärmeübertragungsvorrichtungen mehrere Wärmerohre mit variabler Wärmeleitung und/oder mehrere Thermosiphons umfassen.
In jeder Ausführungsform des Energieerzeugungssystems kann es von Vorteil sein, dass die Kondensatorabschnitte in Abhängigkeit einer Menge an nicht-kondensierbarem Gas in den mehreren Wärmerohren mit variabler Wärmeleitung und/oder den mehreren Thermosiphons selektiv dem Brennstoffstrom ausgesetzt werden.
In jeder Ausführungsform des Energieerzeugungssystems kann es von Vorteil sein, dass der Wärmetauscher mehrere Ventile aufweist, die für eine selektive Betätigung ausgelegt sind, so dass der Brennstoffstrom selektiv an entsprechenden Kondensatorabschnitten der mehreren Wärmeübertragungsvorrichtungen entlang strömt.
In jeder Ausführungsform des Energieerzeugungssystems kann es von Vorteil sein, dass die Kondensatorabschnitte abhängig von einem Betriebszustand der Gasturbine für den kombinierten Gas- und Dampfprozess selektiv dem Brennstoffstrom ausgesetzt werden.
In einem noch anderen Aspekt wird ein Verfahren geschaffen zum Zusammensetzen einer Brennstoffheizanordnung zur Verwendung in einem Energieerzeugungssystem für den kombinierten Gas- und Dampfprozess, das eine Gasturbine und einen Abhitzedampferzeuger aufweist, der dafür ausgelegt ist, einen aus der Gasturbine abgegebenen Abgasstrom aufzunehmen. Das Verfahren beinhaltet ein Bereitstellen eines Wärmetauschers, der zum Hindurchführen eines Brennstoffstroms ausgelegt ist, und ein wärmeaustauschmäßiges bzw. thermisches Koppeln des Abhitzedampferzeugers und des Wärmetauschers über mehrere Wärmeübertragungsvorrichtungen. Das Koppeln beinhaltet das thermische Koppeln von ersten Enden der mehreren Wärmeübertragungsvorrichtungen mit dem Abgasstrom, und das thermische Koppeln von zweiten Enden der mehreren Wärmeübertragungsvorrichtungen mit dem Brennstoffstrom. Die ersten Enden definieren Verdunstungsabschnitte der mehreren Wärmeübertragungsvorrichtungen, und die zweiten Enden definieren Kondensatorabschnitte der mehreren Wärmeübertragungsvorrichtungen, die dafür ausgelegt sind, selektiv dem Brennstoffstrom thermisch ausgesetzt zu werden. Jede von den mehreren Wärmeübertragungsvorrichtungen ist dafür ausgelegt, Wärme unterschiedlichen Grades bzw. unterschiedliche Wärmemengen aus dem Abgas zu leiten, um eine Temperatur des Brennstoffs zu regulieren.
In jeder Ausführungsform kann es von Vorteil sein, dass das Verfahren ferner das Positionieren der Verdampferabschnitte der mehreren Wärmeübertragungsvorrichtungen an verschiedenen Stellen in Axialrichtung entlang des Abhitzedampferzeugers umfasst.
In jeder Ausführungsform des Verfahrens kann es von Vorteil sein, dass das Koppeln der zweiten Enden das größenmäßige Auslegen der zweiten Enden für eine Einführung in den Wärmetauscher umfasst.
In jeder Ausführungsform des Verfahrens kann es von Vorteil sein, dass das Koppeln mehrerer Wärmeübertragungsvorrichtungen das thermische Koppeln des Abhitzedampferzeugers und des Wärmetauschers über mehrere Wärmerohre mit variabler Wärmeleitung umfasst.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels für ein Energieerzeugungssystem für den kombinierten Gas- und Dampfprozess.
2 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels für ein Brennstoffheizsystem in einem ersten Betriebsmodus, das mit dem in 1 dargestellten Energieerzeugungssystem für den kombinierten Gas- und Dampfprozess verwendet werden kann.
3 ist eine schematische Darstellung des in 2 dargestellten Brennstoffheizsystems in einem zweiten Betriebsmodus.
4 ist eine schematische Darstellung eines alternativen Brennstoffheizsystems, das mit dem in 1 dargestellten Energieerzeugungssystem für den kombinierten Gas- und Dampfprozess verwendet werden kann.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung betreffen Energieerzeugungssysteme, die ein integriertes Brennstoffheizsystem aufweisen, das zum Vorheizen von Brennstoff verwendet wird, der zu einer Gasturbine gelenkt wird. In der Ausführungsform, die als Beispiel dient, weist das Brennstoffheizsystem mehrere Wärmeübertragungsvorrichtungen auf, die einen Abhitzedampferzeuger (HRSG) des Energieerzeugungssystems und einen Wärmetauscher zum Hindurchführen eines Brennstoffstroms thermisch bzw. wärmeaustauschmäßig koppeln. Genauer sind Verdampferabschnitte der Wärmeübertragungsvorrichtungen in axialer Richtung gesehen an verschiedenen Stellen entlang des HRSG angeordnet, so dass die Wärmeübertragungsvorrichtungen heißem Abgas von unterschiedlicher Temperatur ausgesetzt werden, das durch den HRSG geführt wird. Der Abgasstrom wird an Kondensatorabschnitten der Wärmeübertragungsvorrichtungen entlang geführt, so unterschiedlich große Wärmemengen auf den Brennstoff übertragen werden. Darüber hinaus werden die Wärmeübertragungsvorrichtungen selektiv dem Brennstoffstrom thermisch ausgesetzt, um die Regulierung einer Temperatur des Brennstoffs zu erleichtern. Darüber hinaus erleichtert die Temperaturregulierung das Erhöhen und/oder Halten der Temperatur des Brennstoffs innerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereichs.
1 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels für ein Energieerzeugungssystem 100 für den kombinierten Gas- und Dampfprozess. Das Energieerzeugungssystem 100 weist eine Gasturbinenanordnung 102 auf, die einen Verdichter 104, eine Brennkammer 106 und eine Turbine 108 aufweist, welche durch Ausdehnen eines in der Brennkammer 106 erzeugten heißen Gases mit Energie versorgt wird, um einen Stromerzeuger 110 anzutreiben. Abgas 112 wird von der Turbine 108 zu einem Abhitzedampferzeuger (HRSG) 114 geführt, um Abhitze aus dem Abgas zu gewinnen. Der HRSG 114 weist einen Hochdruck-(HP)-Dampfabschnitt 116, einen Mitteldruck-(IP)-Dampfabschnitt 118 und einen Niederdruck-(LP)-Dampfabschnitt 120 auf. Der HRSG 114 überträgt zunehmend geringere Wärmemengen aus dem Abgas auf Wasser/Dampf, das bzw. der durch die einzelnen Abschnitte zirkuliert, deren Druck fortschreitend niedriger ist. Jeder von den HP-, IP- und LP-Abschnitten 116, 118 und 120 kann einen Economiser, einen Verdampfer, einen Überhitzer oder andere Vorheizer aufweisen, die dem jeweiligen Abschnitt zugeordnet sind, unter anderem beispielsweise einen Vorheizer des Hochdruckabschnitts, der in mehrere Wärmetauscher geteilt sein kann. In einer alternativen Ausführungsform kann der HRSG 114 eine beliebige Anzahl von Druckabschnitten aufweisen, mit den dem Energieerzeugungssystem 100 die hierin beschriebene Funktionsweise ermöglicht wird.
Darüber hinaus weist das Energieerzeugungssystem 100 auch ein Brennstoffheizsystem 122 auf, das einen Strom von Brennstoff 124 vorheizt, der von einer Brennstoffquelle 126 zum Brennstoffheizsystem 122 geführt wird. Genauer erleichtert das Brennstoffheizsystem 122 das Regulieren einer Temperatur des Brennstoffs 124 auf solche Weise, dass ein Strom vorgeheizten Brennstoffs 128 zur Brennkammer 106 geführt wird. Das Brennstoffheizsystem 122 beinhaltet einen Wärmetauscher 130, der die Brennkammer 106 und die Brennstoffquelle 126 strömungstechnisch miteinander verkoppelt, und mehrere Wärmeübertragungsvorrichtungen 132, die den HRSG 114 und den Wärmetauscher 130 thermisch verkoppeln, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird. Darüber hinaus weist das Brennstoffheizsystem in einer Ausführungsform eine externe Wärmequelle 133 und eine Wärmeübertragungsvorrichtung 132 auf, welche die externe Wärmequelle 133 und den Wärmetauscher 130 thermisch verkoppelt. Beispiele für externe Wärmequellen sind unter anderem ein Generatorkühlsystem, eine erneuerbare Energiequelle und Abhitze aus einem Dampfzyklus. Somit erleichtert das Brennstoffheizsystem 122 das Vorheizen von Brennstoff, der zur Brennkammer 106 geführt wird, unter Verwendung der thermischen Energie aus dem Abgas 112, das aus der Turbine 108 abgegeben wird und durch den HRSG 114 strömt.
Wärmeübertragungsvorrichtungen 132 können jede Wärmeübertragungsvorrichtung beinhalten, die eine hierin beschriebene Funktionsweise des Brennstoffheizsystems 122 ermöglicht. Beispiele für Wärmeübertragungsvorrichtungen 132 sind unter anderem Wärmerohre (z.B. mit konstanter Wärmeleitung, mit variabler Wärmeleitung und/oder mit gesteuertem Druck) und Thermosiphons. In der als Beispiel dienenden Ausführungsform weist jede Wärmeübertragungsvorrichtung 132 ein erstes Ende 134, das einen Verdampferabschnitt 136 definiert, und ein zweites Ende 138 auf, das einen Kondensatorabschnitt 140 definiert. Die Verdampferabschnitte 136 der einzelnen Wärmeübertragungsvorrichtungen 132 sind thermisch mit einem Strom des Abgases 112 gekoppelt, das durch den HRSG 114 geführt wird, und die Kondensatorabschnitte 140 werden selektiv dem Strom des Brennstoffs 124, der durch den Wärmetauscher 130 geführt wird, thermisch ausgesetzt.
In der als Beispiel dienenden Ausführungsform leiten die Wärmeübertragungsvorrichtungen 132 unterschiedliche Wärmemengen aus dem Abgas 112, um die Regulierung der Temperatur des vorgeheizten Brennstoffs 128, der zur Brennkammer 106 geführt wird, zu erleichtern. Genauer wird der Brennstoff 124 auf einen vorgegebenen Temperaturbereich vorerhitzt. Wie oben beschrieben, überträgt der HRSG 114 zunehmend geringere Wärmemengen aus dem Abgas 112 auf Wasser/Dampf, das bzw. der durch die einzelnen Abschnitte strömt, deren Druck fortschreitend niedriger ist. Somit basiert die Wärmemenge, die von den Wärmeübertragungsvorrichtungen 132 geleitet wird, zumindest zum Teil auf einer axialen Position der Verdampferabschnitte 136 der einzelnen Wärmeübertragungsvorrichtungen 132 entlang des HRSG 114. Zum Beispiel ist in der als Beispiel dienenden Ausführungsform ein Verdampferabschnitt 136 einer ersten Wärmeübertragungsvorrichtung 142 stromaufwärts vom HP-Abschnitt 116 positioniert, ein Verdampferabschnitt 136 einer zweiten Wärmeübertragungsvorrichtung 144 ist zwischen einem IP-Abschnitt 118 und einem Lp-Abschnitt 120 positioniert, und ein Verdampferabschnitt 136 einer dritten Wärmeübertragungsvorrichtung 146 ist stromabwärts vom LP-Abschnitt 120 positioniert. Somit leiten die ersten, zweiten und dritten Wärmeübertragungsvorrichtungen 142, 144 und 146 zunehmend geringere Wärmemengen aus dem Abgas 112, wenn ein Abstand zwischen der Turbine 108 und den jeweiligen Verdampferabschnitten 136 größer wird. Obwohl hierin dargestellt ist, dass drei Wärmeübertragungsvorrichtungen enthalten sind, können Wärmeübertragungsvorrichtungen, die in einer beliebigen axialen Position entlang des HRSG 114 angeordnet sind und die eine hierin beschriebene Funktionsweise des Brennstoffheizsystems 122 ermöglichen, in beliebiger Zahl enthalten sein.
2 ist eine schematische Darstellung eines Brennstoffheizsystems 122 in einem ersten Betriebsmodus 148, und 3 ist eine schematische Darstellung eines Brennstoffheizsystems 122 in einem zweiten Betriebsmodus 150. In der als Beispiel dienenden Ausführungsform ist der Wärmetauscher 130 größenmäßig für eine Aufnahme der zweiten Enden 138 der ersten, der zweiten und der dritten Wärmeübertragungsvorrichtung, 142, 144 und 146, ausgelegt. Genauer erstrecken sich die zweiten Enden 138 durch einen inneren Hohlraum 152 des Wärmetauschers 130, und Brennstoff 124 wird so durch den inneren Hohlraum 152 geführt, dass der Brennstoff 124 an jedem Kondensatorabschnitt 140 entlang strömt. So wird der Brennstoff 124, der durch den Wärmetauscher 130 geführt wird, erhitzt, so dass er innerhalb des vorgegebenen Temperaturbereichs liegt, und wird in Form von vorgeheiztem Brennstoff 128 abgegeben.
Wie oben beschrieben worden ist, übertragen die erste, die zweite und die dritte Wärmeübertragungsvorrichtung, 142, 144 und 146, unterschiedliche Wärmemengen vom Abgas 112 auf den Brennstoff 124, so dass jede Wärmeübertragungsvorrichtung 132 die Temperatur des Brennstoffs 124 nur in einem vorgegebenen Maß erhöhen kann. Zum Beispiel leitet in der als Beispiel dienenden Ausführungsform die erste Wärmeübertragungsvorrichtung 142 die höchste Wärmemenge, um die Temperatur des Brennstoffs 124 so zu erhöhen, dass diese über dem vorgegebenen Temperaturbereich des vorgeheizten Brennstoffs 128 liegt, die zweite Wärmeübertragungsvorrichtung 144 leitet eine mittlere Wärmemenge, um die Temperatur des Brennstoffs 124 so zu erhöhen, dass diese über dem vorgegebenen Temperaturbereich für den vorgeheizten Brennstoff 128 liegt, aber in einem geringeren Maß als die erste Wärmeübertragungsvorrichtung 142, und die dritte Wärmeübertragungsvorrichtung 146 leitet die niedrigste Wärmemenge, um die Temperatur des Brennstoffs 124 so zu erhöhen, dass diese unter dem vorgegebenen Temperaturbereich für vorgeheizten Brennstoff 128 liegt. Wie noch ausführlich beschrieben wird, werden so die Kondensatorabschnitte 140 der einzelnen Wärmeübertragungsvorrichtungen 132 selektiv dem Brennstoff 124 thermisch ausgesetzt, um eine Regulierung der Temperatur des Brennstoffs 124 zu erleichtern. Dieses selektive Ausgesetztwerden basiert zumindest zum Teil auf einem Betriebszustand der Gasturbine 102 und/oder einer Position der entsprechenden Wärmeübertragungsvorrichtungen 132 entlang des HRSG 114. Darüber hinaus wird im Allgemeinen zuerst eine kleinere Wärmemenge verwendet, um die Temperatur des Brennstoffs 124 zu erhöhen, bevor eine größere Wärmemenge verwendet wird, und die größere Wärmemenge wird verwendet, um die Temperatur des Brennstoffs 124 so zu regulieren, dass diese innerhalb des vorgegebenen Temperaturbereichs liegt und/oder eine Solltemperatur ist
In der als Beispiel dienenden Ausführungsform handelt es sich bei der ersten, der zweiten und der dritten Wärmeübertragungsvorrichtung 142, 144 und 146 um Wärmerohre mit variabler Wärmeleitung (nicht dargestellt). Genauer enthält jede Wärmeübertragungsvorrichtung 132 eine Menge an nicht-kondensierbarem Gas (NCG) 154. Die Menge an NCG 154 innerhalb der einzelnen Wärmeübertragungsvorrichtungen 132 wird dynamisch ausgewählt, um die Wärmeleitung der Wärmeübertragungsvorrichtungen 132 durch Blockieren eines Teils der Kondensatorabschnitte 140 der einzelnen Wärmeübertragungsvorrichtungen 132 zu variieren. Zum Beispiel nimmt die Wärmeleitung der Wärmeübertragungsvorrichtungen 132 ab, wenn die in ihnen enthaltene Menge an NCG 154 zunimmt, und umgekehrt. Somit basieren das selektive Ausgesetztwerden und die Wärmeübertragungskapazitäten der Kondensatorabschnitte 140 zumindest zum Teil auf der Menge an NCG 154 in den einzelnen Wärmeübertragungsvorrichtungen 132.
Es wird auf 2 Bezug genommen, wo gezeigt ist, dass das Brennstoffheizsystem 122 während des Startens des Energieerzeugungssystems 100 (in 1 dargestellt) in einem ersten Betriebsmodus 148 ist. Genauer enthalten im ersten Betriebsmodus 148 die Wärmeübertragungsvorrichtungen 132 nur wenig oder gar kein NCG 154, damit der Brennstoff 124 den einzelnen Wärmeübertragungsvorrichtungen 132 Wärme entziehen kann. Dadurch, dass ein Wärmeentzug aus den einzelnen Wärmeübertragungsvorrichtungen 132 ermöglicht wird, ist eine Erhöhung der Rate, mit der die Temperatur des Brennstoffs 124 auf den vorgegebenen Temperaturbereich und/oder die Solltemperatur erhöht werden kann, erleichtert. Durch eine schnelle Erhöhung der Temperatur des Brennstoffs 124 auf den vorgegebenen Temperaturbereich ist die Erhöhung des Wirkungsgrads des Energieerzeugungssystems 100 erleichtert.
Es wird auf 3 Bezug genommen, wo gezeigt ist, dass das Brennstoffheizsystem 122 während eines stetigen Betriebszustands des Energieerzeugungssystems 100 (in 1 dargestellt) in einem zweiten Betriebsmodus 150 ist. Wie oben beschrieben, kann die erste Wärmeübertragungsvorrichtung 142 in Bezug auf die zweite und die dritte Wärmeübertragungsvorrichtung, 144 und 146, die größte Wärmemenge auf den Brennstoff 124 übertragen. In manchen Ausführungsformen wird durch die Übertragung der größten Wärmemenge auf den Brennstoff 124 die Temperatur des vorgeheizten Brennstoffs 128a so erhöht, dass sie außerhalb des vorgegebenen Temperaturbereichs liegt. Somit wird die Menge an NCG 154 in den einzelnen Wärmeübertragungsvorrichtungen 132 so ausgewählt, dass die Regulierung der Temperatur des vorgeheizten Brennstoffs 128 so, dass sie innerhalb des vorgegebenen Temperaturbereichs liegt, erleichtert ist.
Zum Beispiel ist in der als Beispiel dienenden Ausführungsform eine erste Menge an NCG 154 in der ersten Wärmeübertragungsvorrichtung 142 enthalten, eine zweite Menge an NCG 154, die kleiner ist als die erste Menge, ist in der zweiten Wärmeübertragungsvorrichtung 144 enthalten, und eine dritte Menge an NCG 154, die kleiner ist als die zweite Menge, ist in der dritten Wärmeübertragungsvorrichtung 146 enthalten. Wenn das Energieerzeugungssystem 100 vom Start- in den stetigen Betriebszustand übergeht, werden die Mengen an NCG 154 in den einzelnen Wärmeübertragungsvorrichtungen 132 variiert, um die Regulierung der Temperatur des vorgeheizten Brennstoffs 128 zu erleichtern. Genauer werden die Mengen an NCG 154 in einer oder mehreren Wärmeübertragungsvorrichtungen 132 erhöht, nachdem der vorgeheizte Brennstoff 128 den vorgegebenen Temperaturbereich erreicht hat, um die entsprechenden Kondensatorabschnitte 140 dem Brennstoff 124 in variieren Maßen auszusetzen und um die Reduzierung der Wärmemenge, die dieser Brennstoff 124 ihnen entziehen kann, zu erleichtern. Zum Beispiel wird in einem zweiten Betriebsmodus 150 die erste Menge an NCG 154 in der ersten Wärmeübertragungsvorrichtung 142 so erhöht, dass eine Übertragung von Wärme durch den Kondensatorabschnitt 140 auf das Brenngas 124 blockiert ist. Darüber hinaus werden die Mengen an NCG 154 in der zweiten und der dritten Wärmeübertragungsvorrichtung 144 und 146 so ausgewählt, dass die entsprechenden Kondensatorabschnitte 140 dem Brenngas 124 in variierenden Maßen ausgesetzt werden.
In manchen Ausführungsformen wird der Brennstoff 124 an Wärmeübertragungsvorrichtungen 132, die eine kleinere Wärmemenge leiten, entlang gelenkt, bevor er an Wärmeübertragungsvorrichtungen 132 entlang gelenkt wird, die eine vergleichsweise größere Wärmemenge leiten. Zum Beispiel wird in der als Beispiel dienenden Ausführungsform der Brennstoff 124 an der dritten Wärmeübertragungsvorrichtung 146, der zweiten Wärmeübertragungsvorrichtung 144 und dann der dritten Wärmeübertragungsvorrichtung 142 entlang gelenkt. Somit wird Wärme zu Anfang aus niedrigeren Druckstufen des HRSG 114 gezogen, um die Senkung von Leistungsgradverlusten aus höheren Druckstufen des HRSG 114 zu erleichtern.
4 ist eine schematische Darstellung eines alternativen Brennstoffheizsystems 156. In der als Beispiel dienenden Ausführungsform beinhaltet das Brennstoffheizsystem 156 eine erste Wärmetauscher-Teilanordnung 158, eine zweite Wärmetauscher-Teilanordnung 160 und ein Ventilsystem 162. Die erste Wärmetauscher-Teilanordnung 158 weist einen ersten Wärmetauscher 164 auf, der größenmäßig für eine Aufnahme der zweiten Enden 138 der zweiten und der dritten Wärmeübertragungsvorrichtung, 144 und 146, ausgelegt ist, und die zweite Wärmetauscher-Teilanordnung 160 weist einen zweiten Wärmetauscher 166 auf, der größenmäßig für eine Aufnahme des zweiten Endes 138 der ersten Wärmeübertragungsvorrichtung 142 ausgelegt ist. Die zweiten Enden 138 der zweiten und der dritten Wärmeübertragungsvorrichtung 144 und 146 werden so im ersten Wärmetauscher 164 aufgenommen, dass die zweite Wärmeübertragungsvorrichtung 144 die Aufheizung des Brennstoffs 124 ergänzen kann, wenn die dritte Wärmeübertragungsvorrichtung 146 nicht in der Lage ist, die Temperatur des Brennstoffs 124 auf den vorgegebenen Temperaturbereich zu erhöhen.
In der als Beispiel dienenden Ausführungsform beinhaltet das Ventilsystem 162 ein erstes Ventil 168, das die erste und die zweite Wärmetauscher-Teilanordnung 158 und 160 strömungstechnisch verkoppelt, ein zweites Ventil 170, das stromabwärts von der ersten Wärmetauscher-Teilanordnung 158 strömungstechnisch mit einer Umgehungsleitung 172 gekoppelt ist, und ein drittes Ventil 174, das stromabwärts von der zweiten Wärmetauscher-Teilanordnung 160 strömungstechnisch gekoppelt ist. Jedes Ventil im Ventilsystem 162 ist selektiv betätigbar, um die zweiten Enden 138 und/oder die Kondensatorabschnitte 140 der Wärmeübertragungsvorrichtungen 132 selektiv dem Brennstoff 124 thermisch auszusetzen, um die Regulierung der Temperatur des vorgeheizten Brennstoffs 128 zu erleichtern.
Im Betrieb werden Ventile im Ventilsystem 162 so betätigt, dass der Brennstoff 124 selektiv an den Kondensatorabschnitten 140 der entsprechenden Wärmeübertragungsvorrichtungen 132 entlang geführt wird. Wenn zum Beispiel das Energieerzeugungssystem 100 (in 1 dargestellt) im Startmodus ist, sind das erste und das zweite Ventil 168 und 174 offen und das zweite Ventil 170 ist geschlossen, so dass der Brennstoff 124 durch sowohl die erste als auch die zweite Wärmetauscher-Teilanordnung 158 und 160 geführt wird. Somit wird der Brennstoff 124 den Kondensatorabschnitten 140 der einzelnen Wärmeübertragungsvorrichtungen 132 ausgesetzt und kann ihnen Wärme entziehen, um die Erhöhung der Rate, mit der die Temperatur des Brennstoffs 124 auf den vorgegebenen Temperaturbereich des vorgeheizten Brennstoffs 128 erhöht werden kann, zu erleichtern. Während das Energieerzeugungssystem 100 vom Start- auf einen Normalbetrieb übergeht, werden das erste und das dritte Ventil 168 und 174 geschlossen, und das zweite Ventil 170 wird geöffnet, so dass Brennstoff 124, der aus der ersten Wärmetauscher-Teilanordnung 158 abgegeben wird, durch die Umgehungsleitung 172 und weg von der zweiten Wärmetauscher-Teilanordnung 160 strömt. Somit wird der Brennstoff nur den Kondensatorabschnitten 140 der zweiten und der dritten Wärmeübertragungsvorrichtung 144 und 146 ausgesetzt und kann durch diesen Wärme entziehen.
Die hierin beschriebenen Systeme und Verfahren erleichtern die Regulierung einer Temperatur eines Brennstoffs, der zu einer Gasturbine für den kombinierten Gas- und Dampfprozess geführt wird. In der als Beispiel dienenden Ausführungsform werden Verdampfungsabschnitte von Wärmeübertragungsvorrichtungen an verschiedenen axialen Stellen entlang eines Abhitzedampferzeugers (HRSG) positioniert, so dass Turbinenabgas, das dort hindurch geführt wird, in Wärmeaustausch mit den Wärmeübertragungsvorrichtungen steht. Da die Wärmeübertragungsvorrichtungen an unterschiedlichen axialen Stellen entlang des HRSG positioniert sind, werden zunehmend kleinere Wärmemengen geleitet, während den Stufen im HRSG Wärme entzogen wird. Somit zunehmend kleinere Wärmemengen auf einen Brennstoffstrom übertragen, der an Kondensatorabschnitten der Wärmeübertragungsvorrichtungen entlang geführt wird. Darüber hinaus kann die Temperatur des Brennstoffs dadurch reguliert werden, dass die Kondensatorabschnitte der Wärmeübertragungsvorrichtungen dem Brennstoffstrom selektiv ausgesetzt werden. Somit erleichtern die hierin beschriebenen Systeme und Verfahren die Erhöhung des Wirkungsgrads von Energieerzeugungssystemen für den kombinierten Gas- und Dampfprozess durch Regulieren der Brennstofftemperatur als Reaktion auf Betriebsbedingungen des Energieerzeugungssystems.
In der Beschreibung werden Beispiele verwendet, um die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, einschließlich der besten Ausführungsweise, zu offenbaren und um einen Fachmann zu befähigen, Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung in die Praxis umzusetzen, was die Herstellung und Verwendung von Vorrichtungen oder Systemen und die Ausführung jeglicher enthaltener Verfahren einschließt. Der patentfähige Bereich der hierin beschriebenen Ausführungsformen wird von den Ansprüchen definiert und kann andere Beispiele einschließen, die einem Fachmann einfallen mögen. Diese Beispiele sollen im Bereich der Ansprüche eingeschlossen sein, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich vom Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente enthalten, die sich vom Wortsinn der Ansprüche nur unerheblich unterscheiden.
Es wird ein Brennstoffheizsystem 122 geschaffen zur Verwendung mit einer Gasturbine 102 für den kombinierten Gas- und Dampfprozess, die einen Turbinenauslass aufweist, der dafür ausgelegt ist, Abgas 112 in Richtung auf einen Abhitzedampferzeuger 114 zu führen. Das System beinhaltet einen Wärmeübertrager bzw. Wärmetauscher 130, der zum Hindurchführen eines Stromes von Abgas 124 ausgelegt ist, und mehrere Wärmeübertragungsvorrichtungen 132, die jeweils einen Verdampferabschnitt 136, der mit dem Abgasstrom in Wärmeaustausch steht, und einen Kondensatorabschnitt 140 aufweisen, der dem Brennstoffstrom selektiv thermisch ausgesetzt wird. Jede von den mehreren Wärmeübertragungsvorrichtungen ist dafür ausgelegt, Wärme unterschiedlichen Grades bzw. unterschiedliche Wärmemengen aus dem Abgas zu leiten, um eine Temperatur des Brennstoffs zu regulieren.
Bezugszeichenliste

100: Energieerzeugungssystem
102: Gasturbinenanordnung
104: Verdichter
106: Brennkammer
108: Turbine
110: Stromgenerator
112: Abgas
114: HRSG
116: HP-Abschnitt
118: IP-Abschnitt
120: LP-Abschnitt
122: Brennstoffheizsystem
124: Brennstoff
126: Brennstoffquelle
128: Vorgeheizter Brennstoff
130: Wärmetauscher
132: Wärmeübertragungsvorrichtung
133: Externe Wärmequelle
134: Erstes Ende
136: Verdampferabschnitt
138: Zweites Ende
140: Kondensatorabschnitt
142: Erste Wärmeübertragungsvorrichtung
144: Zweite Wärmeübertragungsvorrichtung
146: Dritte Wärmeübertragungsvorrichtung
148: Erster Betriebsmodus
150: Zweiter Betriebsmodus
152: Innerer Hohlraum
154: NCG
156: Brennstoffheizsystem
158: Erste Wärmetauscher-Teilanordnung
160: Zweite Wärmetauscher-Teilanordnung
162: Ventilsystem
164: Erster Wärmetauscher
166: Zweiter Wärmetauscher
168: Erstes Ventil
170: Zweites Ventil
172: Umgehungsleitung
174: Drittes Ventil

Claims

Brennstoffheizsystem (122) zur Verwendung mit einer Gasturbine 102 für den kombinierten Gas- und Dampfprozess, die einen Turbinenauslass aufweist, der so gestaltet ist, dass er einen Strom von Abgas (112) zu einem Abhitzedampferzeuger (114) führt, wobei das System umfasst: einen Wärmetauscher (130), der zum Hindurchführen eines Stromes von Brennstoff (124) ausgelegt ist; und mehrere Wärmeübertragungsvorrichtungen (132), die jeweils einen Verdampferabschnitt (136) in thermischer Verbindung mit dem Strom des Abgases und einen Kondensatorabschnitt (140) aufweisen, der selektiv dem Strom des Brennstoffs thermisch ausgesetzt wird, wobei jede von den mehreren Wärmeübertragungsvorrichtungen so gestaltet ist, dass sie unterschiedlich große Wärmemengen aus dem Abgas leitet, um eine Temperatur des Brennstoffs zu regulieren.
System (122) nach Anspruch 1, wobei die Verdampferabschnitte (136) von jeder von den mehreren Wärmeübertragungsvorrichtungen (132) an verschiedenen axialen Stellen entlang des Abhitzedampferzeugers (114) positioniert sind.
System (122) nach Anspruch 1 oder 2, wobei jede von den mehreren Wärmeübertragungsvorrichtungen (132) so gestaltet ist, dass sie fortschreitend kleinere Wärmemengen aus dem Abgas (112) leitet, wenn ein Abstand zwischen dem Turbinenauslass und den Verdampferabschnitten (136) der mehreren Wärmeübertragungsvorrichtungen größer wird.
System (122) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wärmetauscher (130) größenmäßig dafür ausgelegt ist, die Kondensatorabschnitte (140) der mehreren Wärmeübertragungsvorrichtungen (132) aufzunehmen.
System (122) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mehreren Wärmeübertragungsvorrichtungen (132) mehrere Wärmerohre mit variabler Wärmeleitung und/oder mehrere Thermosiphons umfassen.
System (122) nach Anspruch 5, wobei die Kondensatorabschnitte (140) in Abhängigkeit von einer Menge eines nicht-kondensierbaren Gases (154) in den mehreren Wärmerohren mit variabler Wärmeleitung und/oder den mehreren Thermosiphons selektiv dem Strom des Abgases (124) ausgesetzt werden.
System (122) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wärmetauscher (130) mehrere Ventile (162) aufweist, die für eine selektive Betätigung ausgelegt sind, so dass der Strom des Abgases (124) selektiv an entsprechenden Kondensatorabschnitten (140) der mehreren Wärmeübertragungsvorrichtungen (132) entlang strömt.
System (122) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kondensatorabschnitte (140) in Abhängigkeit von einem Betriebszustand der Gasturbine (108) für den kombinierten Gas- und Dampfprozess selektiv dem Strom des Brennstoffs (124) ausgesetzt werden.
Energieerzeugungssystem (100) für den kombinierten Gas- und Dampfprozess, umfassend: eine Gasturbine (102), die einen Turbinenauslass aufweist; einen Abhitzedampferzeuger (114), der dafür ausgelegt ist, einen Strom des Abgases (112) aufzunehmen, das aus dem Turbinenauslass abgegeben wird; und ein Brennstoffheizsystem (122), das aufweist: einen Wärmetauscher (130), der zum Hindurchführen eines Stromes von Brennstoff (124) ausgelegt ist; und mehrere Wärmeübertragungsvorrichtungen (132), die jeweils einen Verdampferabschnitt (136) in thermischer Verbindung mit dem Strom des Abgases und einen Kondensatorabschnitt (140) aufweisen, der selektiv dem Strom des Brennstoffs thermisch ausgesetzt wird, wobei jede von den mehreren Wärmeübertragungsvorrichtungen so gestaltet ist, dass sie unterschiedlich große Wärmemengen aus dem Abgas leitet, um eine Temperatur des Brennstoffs zu regulieren.
Verfahren zum Zusammensetzen einer Brennstoffheizanordnung zur Verwendung in einem Energieerzeugungssystem für den kombinierten Gas- und Dampfprozess, das eine Gasturbine und einen Abhitzedampferzeuger aufweist, der dafür ausgelegt ist, einen aus der Gasturbine abgegebenen Abgasstrom aufzunehmen, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines Wärmetauschers, der zum Durchführen eines Brennstoffstroms ausgelegt ist; und thermisches Koppeln des Abhitzedampferzeugers und des Wärmetauschers über mehrere Wärmeübertragungsvorrichtungen, wobei das Koppeln umfasst: thermisches Koppeln erster Enden der mehreren Wärmeübertragungsvorrichtungen mit dem Abgasstrom, wobei die ersten Enden Verdampfungsabschnitte der mehreren Wärmeübertragungsvorrichtungen definieren; und thermisches Koppeln zweiter Enden der Wärmeübertragungsvorrichtungen mit dem Brennstoffstrom, wobei die zweiten Enden Kondensatorabschnitte der mehreren Wärmeübertragungsvorrichtungen definieren, die dafür ausgelegt sind, selektiv dem Strom des Brennstoffs thermisch ausgesetzt zu werden, wobei jede von den mehreren Wärmeübertragungsvorrichtungen so gestaltet ist, dass sie unterschiedlich große Wärmemengen aus dem Abgas leitet, um eine Temperatur des Brennstoffs zu regulieren.