DE102016216437A1 - Dampfanlage und Verfahren zum Betreiben einer Dampfanlage - Google Patents

Dampfanlage und Verfahren zum Betreiben einer Dampfanlage Download PDF

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Abstract

Um eine Dampfanlage bereitzustellen, welche energieeffizient betreibbar ist, einen möglichst hohen Wirkungsgrad aufweist und/oder eine zusatzstofffreie Stickoxidreduktion ermöglicht, wird vorgeschlagen, dass die Dampfanlage Folgendes umfasst: eine Gasturbinenvorrichtung, welche einen Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbine umfasst; eine Dampfvorrichtung zur Erzeugung von Dampf und zur Zuführung des Dampfs zu der Brennkammer; eine Abgasführung zur Abführung von in der Brennkammer erzeugtem Abgas; einen Wärmeübertrager, mittels welchem die Abgasführung einerseits und die Dampfvorrichtung andererseits thermisch miteinander gekoppelt oder koppelbar sind; eine Kondensationsvorrichtung, mittels welcher die Abgasführung einerseits und die Dampfvorrichtung andererseits thermisch miteinander gekoppelt oder koppelbar sind.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dampfanlage, beispielsweise ein Kraftwerk, insbesondere ein Gas-und-Dampfturbinen-Kraftwerk.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dampfanlage bereitzustellen, welche energieeffizient betreibbar ist, einen möglichst hohen Wirkungsgrad aufweist und/oder eine zusatzstofffreie Stickoxidreduktion ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Dampfanlage gemäß Anspruch 1 gelöst.
  • Die erfindungsgemäße Dampfanlage umfasst vorzugsweise eine Gasturbinenvorrichtung, welche einen Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbine umfasst.
  • Ferner umfasst die Dampfanlage vorzugsweise eine Dampfvorrichtung zur Erzeugung von Dampf und zur Zuführung zumindest eines Teils des Dampfs zu der Brennkammer.
  • Zudem kann vorgesehen sein, dass die Dampfanlage eine Abgasführung zur Abführung von in der Brennkammer erzeugtem Abgas umfasst.
  • Die Dampfanlage umfasst zudem vorzugsweise einen Wärmeübertrager, mittels welchem die Abgasführung einerseits und die Dampfvorrichtung andererseits thermisch miteinander gekoppelt oder koppelbar sind.
  • Günstig kann es sein, wenn die Dampfanlage eine Kondensationsvorrichtung umfasst, mittels welcher die Abgasführung einerseits und die Dampfvorrichtung andererseits thermisch miteinander gekoppelt oder koppelbar sind.
  • Die Kondensationsvorrichtung ist insbesondere eine von dem Wärmeübertrager verschiedene Vorrichtung, beispielsweise eine räumlich und/oder funktionell separate Vorrichtung.
  • Die erfindungsgemäße Dampfanlage ist vorzugsweise ein Kraftwerk. Das Kraftwerk ist insbesondere ein Gas-und-Dampfturbinen-Kraftwerk.
  • Dampf ist insbesondere Wasserdampf.
  • Dadurch, dass die erfindungsgemäße Dampfanlage vorzugsweise eine Kombination aus einem Wärmeübertrager und einer Kondensationsvorrichtung umfasst, kann einerseits sehr effizient eine große Wärmemenge von dem Abgas auf das in der Dampfvorrichtung geführt Fluid, insbesondere Flüssigkeit oder Dampf, übertragen werden. Andererseits kann hierdurch vorzugsweise im Abgas enthaltener Dampf kondensiert werden, um die Verdampfungsenthalpie des im Abgas enthaltenen Dampfes zurückzugewinnen. Die Dampfanlage als Ganzes kann hierdurch vorzugsweise besonders energieeffizient sowie mit einem hohen Wirkungsgrad betrieben werden.
  • Günstig kann es sein, wenn die Dampfvorrichtung eine Flüssigkeitsführung umfasst.
  • Mittels der Kondensationsvorrichtung sind vorzugsweise die Abgasführung einerseits und die Flüssigkeitsführung andererseits thermisch miteinander gekoppelt oder koppelbar.
  • Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Flüssigkeitsführung der Dampfvorrichtung thermisch gekoppelt durch die Kondensationsvorrichtung hindurch oder thermisch gekoppelt an derselben entlang geführt ist und sich insbesondere bis zu dem Wärmeübertrager erstreckt, mittels welchem die Abgasführung einerseits und die Dampfvorrichtung andererseits thermisch miteinander gekoppelt oder koppelbar sind.
  • Dieser Wärmeübertrager dient dabei insbesondere der Erhitzung der in der Flüssigkeitsführung geführten Flüssigkeit soweit, bis diese Flüssigkeit verdampft und/oder der dabei erzeugte Dampf überhitzt wird.
  • Der Wärmeübertrager, mittels welchem die Abgasführung einerseits und die Dampfvorrichtung andererseits thermisch miteinander gekoppelt oder koppelbar sind, ist folglich insbesondere ein Übergangsbereich zwischen einer Flüssigkeitsführung der Dampfvorrichtung einerseits und einer Dampfführung der Dampfvorrichtung andererseits.
  • Der Wärmeübertrager ist insbesondere ein sogenannter Abhitzekessel oder Heat Recovery Steam Generator (HRSG).
  • Vorzugsweise umfasst die Kondensationsvorrichtung einen Speicherbehälter zur Aufnahme und/oder Speicherung von Kondensat des Abgases.
  • Das Kondensat des Abgases ist insbesondere Kondensat aus der Kondensationsvorrichtung.
  • Vorteilhaft kann es sein, wenn die Kondensationsvorrichtung eine Rückführvorrichtung umfasst, mittels welcher Kondensat des Abgases als Flüssigkeit einer Flüssigkeitsführung der Dampfvorrichtung zuführbar ist.
  • Die Kondensationsvorrichtung ist vorzugsweise bezüglich einer Strömungsrichtung des Abgases in der Abgasführung stromabwärts des Wärmeübertragers angeordnet, mittels welchem die Abgasführung einerseits und die Dampfvorrichtung andererseits thermisch miteinander gekoppelt oder koppelbar sind.
  • Vorteilhaft kann es sein, wenn die Dampfanlage eine oder mehrere Katalysatorvorrichtungen zur Abgasreinigung umfasst.
  • Eine Katalysatorvorrichtung ist beispielsweise bezüglich einer Strömungsrichtung des Abgases in der Abgasführung stromaufwärts des Wärmeübertragers angeordnet, mittels welchem die Abgasführung einerseits und die Dampfvorrichtung andererseits thermisch miteinander gekoppelt oder koppelbar sind.
  • Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass eine Katalysatorvorrichtung bezüglich einer Strömungsrichtung des Abgases in der Abgasführung zwischen der Kondensationsvorrichtung und dem Wärmeübertrager angeordnet ist, mittels welchem die Abgasführung einerseits und die Dampfvorrichtung andererseits thermisch miteinander gekoppelt oder koppelbar sind.
  • Zudem kann vorgesehen sein, dass die Dampfanlage zwei oder mehr Katalysatorvorrichtungen umfasst, wobei vorzugsweise jeweils eine Katalysatorvorrichtung an einer der vorstehend beschriebenen Positionen angeordnet ist.
  • Mittels der einen oder der mehreren Katalysatorvorrichtungen sind vorzugsweise im Abgas enthaltene Stoffe, insbesondere Verunreinigungen, exotherm chemisch umsetzbar. Hierdurch frei werdende Wärme wird vorzugsweise zum Erwärmen des Abgasstroms genutzt. Insbesondere wird die Wärme, welche bei der exothermen chemischen Umsetzung von im Abgas enthaltenen Stoffen frei wird, vom Abgasstrom aufgenommen und/oder mitgeführt. Dies kann beispielsweise als katalytisch induzierte Abgaserhitzung bezeichnet werden.
  • Der Abgasstrom wird hierdurch vorzugsweise derart erwärmt, dass ein thermischer Nachteil, welcher sich insbesondere aus der Zuführung von Dampf zur der Brennkammer ergibt, teilweise oder zumindest näherungsweise vollständig kompensiert wird.
  • Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass ein durch die Zuführung von Dampf zu der Brennkammer entstehender thermischer Nachteil durch die Kombination aus katalytisch induzierter Abgaserhitzung einerseits und Kondensation von Bestandteilen des Abgases andererseits teilweise oder zumindest näherungsweise vollständig kompensiert wird.
  • Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Dampfanlage eine Rekuperationsvorrichtung umfasst, mittels welcher im Abgas enthaltene Wärme zumindest teilweise auf zumindest einen Teil eines der Brennkammer zuzuführenden Gasstroms übertragbar ist.
  • Der Gasstrom ist insbesondere ein Zuluftstrom. Der Gasstrom, insbesondere der Zuluftstrom, ist insbesondere mittels einer Luftzuführung der Gasturbinenvorrichtung zu einem Verdichter und anschließend zu einer Brennkammer der Gasturbinenvorrichtung zuführbar.
  • Die Rekuperationsvorrichtung umfasst insbesondere einen Wärmeübertrager, mittels welchem die Luftzuführung und die Abgasführung thermisch miteinander gekoppelt oder koppelbar sind.
  • Der Wärmeübertrager ist dabei insbesondere bezüglich einer Strömungsrichtung des Zuluftstroms stromabwärts des Verdichters und/oder stromaufwärts der Brennkammer angeordnet.
  • Ferner kann vorgesehen sein, dass der Wärmeübertrager der Rekuperationsvorrichtung bezüglich der Strömungsrichtung des Abgases stromabwärts der Turbine und/oder stromaufwärts einer Katalysatorvorrichtung und/oder eines Wärmeübertragers angeordnet ist, mittels welchem die Abgasführung einerseits und die Dampfvorrichtung andererseits thermisch miteinander gekoppelt oder koppelbar sind.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer Dampfanlage, beispielsweise eines Kraftwerks, insbesondere eines Gas-und-Dampfturbinen-Kraftwerks.
  • Der Erfindung liegt diesbezüglich die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mittels welchem eine Dampfanlage energieeffizient und mit möglichst hohem Wirkungsgrad betreibbar ist.
  • Das Verfahren eignet sich insbesondere zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Dampfanlage.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den unabhängigen Verfahrensanspruch gelöst.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst vorzugsweise einzelne oder mehrere oder sämtliche der folgenden Verfahrensschritte:
    Umsetzen von Brennstoff und Oxidator in einer Brennkammer einer Gasturbinenvorrichtung der Dampfanlage;
    Zuführen von Dampf zu der Brennkammer;
    Abführen von in der Brennkammer erzeugtem Abgas aus der Brennkammer; Übertragen von Wärme von dem Abgas auf eine Dampfvorrichtung zur Erzeugung von Dampf mittels eines Wärmeübertragers;
    Kondensieren von zumindest einem Teil des im Abgas enthaltenen Dampfs mittels einer Kondensationsvorrichtung.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist insbesondere keine Ammoniak- und/oder Harnstoffeinspritzung oder sonstige Zuführung von Abgasreinigungshilfsmitteln vorgesehen und vorteilhafterweise in der Regel – zumindest bei aktuell geltenden und zu erwartenden Emissionsauflagen – auch nicht erforderlich.
  • Vorzugsweise wird durch die Zuführung von Dampf zu der Brennkammer die Temperatur in der Brennkammer ausreichend gesenkt, um die Erzeugung von Stickoxiden zu reduzieren oder zumindest größtenteils zu verhindern.
  • Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Temperatur des Abgases unmittelbar stromabwärts des Wärmeübertragers nach dem Übertragen von Wärme von dem Abgas auf die Dampfvorrichtung oberhalb des Taupunkts von Wasser liegt, insbesondere bei den in diesem Bereich der Abgasführung herrschenden Druckverhältnissen.
  • Ferner kann vorgesehen sein, dass die Temperatur des Abgases mittels der Kondensationsvorrichtung unter den Taupunkt von Wasser abgesenkt wird, insbesondere bei den in diesem Bereich der Abgasführung herrschenden Druckniveaus.
  • Vorteilhaft kann es sein, wenn die Temperatur des Abgases bezüglich einer Strömungsrichtung des Abgases stromaufwärts der Kondensationsvorrichtung oberhalb des Taupunkts von Wasser liegt.
  • Bezüglich der Strömungsrichtung des Abgases stromabwärts der Kondensationsvorrichtung, insbesondere unmittelbar stromabwärts der Kondensationsvorrichtung, liegt die Temperatur des Abgases vorzugsweise unter dem Taupunkt von Wasser.
  • Die Temperatur des Abgases wird somit vorzugsweise in zwei Schritten reduziert, um die im Abgas enthaltene Wärme möglichst effizient erneut zu nutzen: In einem ersten Schritt wird vorzugsweise mittels des Wärmeübertragers Wärme aus dem Abgas auf die Dampfvorrichtung übertragen, um in der Dampfvorrichtung geführtes Fluid, insbesondere Flüssigkeit und/oder Dampf, zu verdampfen und/oder zu überhitzen. In einem nächsten Schritt wird vorzugsweise mittels der Kondensationsvorrichtung die Temperatur des Abgases unter den Taupunkt von Wasser abgesenkt, um das im Abgas enthaltene dampfförmige Wasser zumindest teilweise zu kondensieren und hierdurch die Verdampfungsenthalpie nutzbar zu machen. Insbesondere kann hierdurch in einer Flüssigkeitsführung der Dampfvorrichtung geführte Flüssigkeit, insbesondere Wasser, vorgewärmt werden.
  • Im Abgas enthaltene Verunreinigungen werden vorzugsweise mittels einer Katalysatorvorrichtung chemisch umgesetzt. Insbesondere kann hierdurch eine exotherme Reaktion der im Abgas enthaltenen Verunreinigungen erzielt werden, wodurch das Abgas sich innerhalb der Abgasführung erhitzen kann.
  • Insbesondere wird das Abgas mittels der Katalysatorvorrichtung bezüglich der Strömungsrichtung des Abgases zwischen dem Wärmeübertrager, mittels welchem die Abgasführung einerseits und die Dampfvorrichtung andererseits thermisch miteinander gekoppelt oder koppelbar sind, und der Kondensationsvorrichtung erhitzt.
  • Zumindest ein Teil des mittels der Kondensationsvorrichtung erzeugten Kondensats des Abgases wird vorzugsweise erneut verdampft und der Brennkammer zugeführt.
  • Das Kondensat wird hierzu insbesondere der Flüssigkeitsführung der Dampfvorrichtung zugeführt und dann zunächst in der Kondensationsvorrichtung erwärmt sowie anschließend mittels des Wärmeübertragers verdampft und/oder überhitzt.
  • Die Zuführung von Dampf zu der Brennkammer wird vorzugsweise derart gesteuert und/oder geregelt, dass ein Wasseranteil des Abgases mindestens ungefähr 6 Vol-%, vorzugsweise mindestens ungefähr 8 Vol-%, beispielsweise zumindest näherungsweise 10 Vol-%, beträgt.
  • Die genannten Wasseranteile sind dabei insbesondere bezogen auf die Zusammensetzung des Abgases unmittelbar stromabwärts der Brennkammer und/oder der Turbine und/oder des Wärmeübertragers, mittels welchem die Abgasführung einerseits und die Dampfvorrichtung andererseits thermisch miteinander gekoppelt oder koppelbar sind.
  • Günstig kann es sein, wenn mittels der Dampfvorrichtung der Dampfanlage erzeugter Dampf teilweise der Brennkammer und teilweise einer Dampfturbine der Dampfanlage zugeführt wird.
  • Ferner kann auch eine anderweitige Nutzung eines Dampfüberschusses des mittels der Dampfvorrichtung erzeugten Dampfes, welcher nicht der Brennkammer zugeführt wird, vorgesehen sein.
  • Die Feuchtigkeit des Abgases wird vorzugsweise durch die Zuführung von Dampf zu der Brennkammer derart erhöht, dass Werte erreicht werden, welche typisch für eine stöchiometrische Verbrennung in der Brennkammer sind. Dennoch ist vorzugsweise eine Verbrennung mit Luftüberschuss vorgesehen.
  • Vorzugsweise kann durch die Umsetzung der Erfindung ein Brennstoffbedarf und entsprechend ein Kohlenstoffdioxidausstoss reduziert werden.
  • Eine erhöhte Kohlenstoffmonoxidproduktion, welche durch die reduzierten Temperaturen in der Brennkammer aufgrund der Dampfzuführung entstehen könnte, wird vorzugsweise durch die Verwendung einer Katalysatorvorrichtung kompensiert.
  • Vorzugsweise kann durch eine geeignete Steuerung und/oder Regelung der Dampfanlage eine Verteilung zwischen der erhältlichen thermischen Energie und der erhältlichen elektrischen Energie gezielt variiert werden.
  • Die Erfindung eignet sich grundsätzlich für sämtliche Dampfanlagen, Kraftwerke und/oder Gasturbinen, bei welchen insbesondere eine ammoniakfreie Stickoxidreduktion in der Abgasführung vorgesehen ist.
  • Die Dampfanlage umfasst vorzugsweise einen Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie.
  • Der Generator ist insbesondere mechanisch mit der Gasturbinenvorrichtung, insbesondere einer Welle der Gasturbinenvorrichtung, gekoppelt und ermöglicht die Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie.
  • Weitere bevorzugte Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
  • In den Zeichnungen zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer Dampfanlage, bei welcher eine Rückgewinnung von Abgaswärme durch die Verwendung eines Wärmeübertragers und einer Kondensationsvorrichtung vorgesehen ist, wobei zwischen dem Wärmeübertrager und der Kondensationsvorrichtung eine Katalysatorvorrichtung angeordnet ist;
  • 2 eine der 1 entsprechende schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Dampfanlage, bei welcher die Katalysatorvorrichtung bezüglich der Strömungsrichtung des Abgases stromaufwärts des Wärmeübertragers angeordnet ist; und
  • 3 eine der 1 entsprechende schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer Dampfanlage, bei welcher eine zusätzliche Rekuperationsvorrichtung vorgesehen ist.
  • Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in sämtlichen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • Eine in 1 dargestellte erste Ausführungsform einer als Ganzes mit 100 bezeichneten Dampfanlage ist beispielsweise ein Kraftwerk, insbesondere ein Gas-und-Dampfturbinen-Kraftwerk zur Erzeugung von Wärme und/oder elektrischer Energie.
  • Die Dampfanlage 100 umfasst insbesondere eine Gasturbinenvorrichtung 102.
  • Die Gasturbinenvorrichtung 102 umfasst einen Verdichter 104, eine Brennkammer 106 und eine Turbine 108.
  • Eine Luftzuführung 110 der Gasturbinenvorrichtung 102 dient zur Zuführung von Luft zu der Brennkammer 106.
  • Eine Brennstoffzuführung 112 der Gasturbinenvorrichtung 102 dient zur Zuführung von Brennstoff zu der Brennkammer 106.
  • Mittels des Verdichters 104 ist die über die Luftzuführung 110 zugeführt Luft komprimierbar, um letztlich unter erhöhtem Druck stehende Luft zu der Brennkammer 106 zuführen zu können.
  • Der Verdichter 104 wird hierfür über eine Welle 114 der Gasturbinenvorrichtung 102 von der Turbine 108 angetrieben.
  • Die Welle 114 koppelt ferner vorzugsweise die Turbine 108 und/oder den Verdichter 104 mit einem Generator 116 der Dampfanlage 100. Der Generator 116 dient zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie.
  • Alternativ oder ergänzend zu der Welle 114 kann jedoch auch eine anderweitige Kopplung des Verdichters 104, der Turbine 108 und/oder des Generators 116 vorgesehen sein.
  • Die Turbine 108 ist in einer Abgasführung 118 der Dampfanlage 100 angeordnet und dabei mit dem in der Abgasführung 118 geführten Abgas aus der Brennkammer 106 durchströmbar, um letztlich die Rotation der Turbine 108, des Verdichters 104, der Welle 114 und Teilen des Generators 116 zu erzielen.
  • Die Dampfanlage 100 umfasst ferner eine Dampfvorrichtung 120 zur Erzeugung von Dampf, insbesondere Wasserdampf.
  • Die Dampfvorrichtung 120 umfasst eine Flüssigkeitsführung 122 zur Zuführung von Flüssigkeit, insbesondere Wasser.
  • Ferner umfasst die Dampfvorrichtung 120 eine Dampfführung 124, in welcher die zunächst in der Flüssigkeitsführung 122 geführte und anschließend verdampfte Flüssigkeit dampfförmig führbar ist.
  • Die Dampfanlage 100 umfasst vorzugsweise einen Wärmeübertrager 126, mittels welchem die Abgasführung 118 und die Dampfvorrichtung 120 thermisch miteinander gekoppelt oder koppelbar sind.
  • Mittels des Wärmeübertragers 126 ist somit insbesondere Wärme aus dem Abgas der Brennkammer 106 auf das in der Dampfvorrichtung 120 geführte Fluid, insbesondere die in der Flüssigkeitsführung 120 geführte Flüssigkeit und/oder den in der Dampfführung 124 geführten Dampf, übertragbar.
  • Die Dampfanlage 100 umfasst ferner eine Kondensationsvorrichtung 128, mittels welcher die Abgasführung 118 und die Flüssigkeitsführung 122 der Dampfvorrichtung 120 thermisch miteinander gekoppelt oder koppelbar sind.
  • Mittels der Kondensationsvorrichtung 128 kann insbesondere im Abgas enthaltener Dampf kondensiert werden, um die dabei erhältliche Verdampfungsenthalpie zum Erwärmen der in der Flüssigkeitsführung 122 geführten Flüssigkeit zu nutzen.
  • Das in der Kondensationsvorrichtung 128 erhältliche Kondensat kann insbesondere mittels eines Speicherbehälters 130 der Dampfanlage 100 gespeichert und/oder mittels einer Rückführvorrichtung 132 der Dampfanlage 100 zu der Flüssigkeitsführung 122 der Dampfvorrichtung 120 zugeführt werden.
  • Die Dampfanlage 100 umfasst ferner vorzugsweise eine Katalysatorvorrichtung 134.
  • Die Katalysatorvorrichtung 134 ist vorzugsweise in der Abgasführung 118 angeordnet und mit Abgas durchströmbar.
  • Insbesondere ist mittels der Katalysatorvorrichtung 134 eine Abgasreinigung durchführbar. Beispielsweise ist eine katalytische Oxidation von Kohlenstoffmonooxid mittels der Katalysatorvorrichtung 134 durchführbar. Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass mittels der Katalysatorvorrichtung 134 weitere oder andere Bestandteile, insbesondere Verunreinigungen, des Abgases chemisch umsetzbar sind. Die chemische Umsetzung von Bestandteilen des Abgases erfolgt vorzugsweise exotherm, so dass insbesondere Wärme frei wird und zu einer Erwärmung des Abgases führt.
  • Die Katalysatorvorrichtung 134 ist bezüglich einer Strömungsrichtung 136 des Abgases in der Abgasführung 118 vorzugsweise zwischen dem Wärmeübertrager 126 und der Kondensationsvorrichtung 128 angeordnet.
  • Mittels der Dampfvorrichtung 120 erzeugter Dampf kann insbesondere über die Dampfführung 124 der Brennkammer 106 zugeführt werden, um den Feuchtigkeitsgehalt des Abgases in und/oder aus der Brennkammer 106 zu erhöhen.
  • Ferner kann der mittels der Dampfvorrichtung 120 erhältliche Dampf beispielsweise einer Dampfturbine 138 der Dampfanlage 100 zugeführt werden, um letztlich den Generator 116 oder einen (nicht dargestellten) weiteren Generator anzutreiben.
  • Alternativ oder ergänzend hierzu kann auch eine anderweitige Nutzung des Dampfes vorgesehen sein. Beispielsweise kann der Dampf in und/oder für ein Fernwärmenetz, einen oder mehrere industrielle Fertigungsprozesse und/oder einen oder mehrere Reinigungsprozesse genutzt werden.
  • Die in 1 dargestellte erste Ausführungsform der Dampfanlage 100 funktioniert wie folgt:
    Mittels der Luftzuführung 110 wird Luft beispielsweise aus der Umgebung der Gasturbinenvorrichtung 102 angesaugt, dann mittels des Verdichters 104 verdichtet und der Brennkammer 106 zugeführt.
  • Mittels der Brennstoffzuführung 112 wird Brennstoff zu der Brennkammer 106 zugeführt.
  • Zudem wird mittels der Dampfführung 124 Dampf zu der Brennkammer 106 zugeführt.
  • In der Brennkammer 106 wird der Brennstoff mit dem in der Luft enthaltenen Sauerstoff exotherm chemisch umgesetzt. Dabei können neben Kohlenstoffdioxid und Wasser auch unerwünschte Schadstoffe entstehen, beispielsweise Stickoxide (NOx). Durch die Zuführung von Dampf zu der Brennkammer 106 können die in der Brennkammer 106 auftretenden Temperaturen vorzugsweise reduziert werden, was letztlich insbesondere eine reduzierte Stickoxidproduktion zur Folge haben kann.
  • Die Dampfzuführung ermöglicht somit vorzugsweise einen besonders stickoxidarmen Betrieb der Gasturbinenvorrichtung 102.
  • Die in der Brennkammer 106 frei werdende Energie wird mittels der Turbine 108 teilweise in mechanische Energie umgewandelt, um die Welle 114 und letztlich den Verdichter 104 sowie Teile des Generators 116 anzutreiben. Die Dampfzuführung führt dabei vorzugsweise zu einer Erhöhung der mechanischen Leistung der Turbine 108 (im Vergleich zu einem Betrieb der Gasturbinenvorrichtung 102 ohne Dampfzuführung).
  • Das stromabwärts der Turbine 108 in der Abgasführung 118 geführte Abgas enthält noch immer große Wärmemengen, welche für einen energieeffizienten Betrieb der Dampfanlage 100 weiterverwendet werden sollen.
  • Mittels des Wärmeübertragers 126 wird dabei vorzugsweise ein Großteil der im Abgas enthaltenen Wärme auf in der Dampfvorrichtung 120 geführtes Fluid übertragen.
  • Das Abgas wird dann stromabwärts des Wärmeübertragers 126 durch die Katalysatorvorrichtung 134 hindurchgeleitet und dabei aufgrund von stattfindenden exothermen Reaktionen gereinigt sowie zumindest geringfügig erneut erhitzt.
  • Mittels der Kondensationsvorrichtung 128 wird dann das Abgas weiter abgekühlt, indem die darin enthaltene Wärme auf die in der Flüssigkeitsführung 122 geführte Flüssigkeit übertragen wird. Insbesondere wird das Abgas in der Kondensationsvorrichtung 128 soweit abgekühlt, dass darin enthaltene dampfförmige Bestandteile, insbesondere Wasserdampf, auskondensieren. Hierdurch ergibt sich eine noch effizientere Nutzung der im Abgas enthaltenen Wärme.
  • Stromabwärts der Kondensationsvorrichtung 128 wird das Abgas dann vorzugsweise an die Umgebung der Dampfanlage 100 abgegeben.
  • In der Kondensationsvorrichtung 128 erzeugtes Kondensat wird beispielsweise einem Speicherbehälter 130 zur Speicherung desselben zugeführt und/oder über eine Rückführvorrichtung 132 der Flüssigkeitsführung 122 der Dampfvorrichtung 120 zugeführt.
  • Das Kondensat kann somit insbesondere zusammen mit über die Flüssigkeitsführung 122 zugeführter Flüssigkeit, insbesondere Wasser, einer erneuten Verwendung in der Dampfvorrichtung 120 zugeführt werden.
  • In der Flüssigkeitsführung 122 geführte Flüssigkeit wird zunächst der Kondensationsvorrichtung 128 zugeführt und darin durch Wärmeaufnahme aus dem Abgas erwärmt, insbesondere vorgewärmt. Die Flüssigkeit bleibt dabei vorzugsweise noch flüssig.
  • Eine stärkere Erwärmung der Flüssigkeit, welche insbesondere zu einem Verdampfen und/oder Überhitzen führt, erfolgt vorzugsweise in dem Wärmeübertrager 126.
  • Insbesondere wird mittels des Wärmeübertragers 126 überhitzter Dampf erzeugt.
  • Der Dampf wird dann über die Dampfführung 124 teilweise der Brennkammer 106 zugeführt und teilweise anderweitig genutzt. Beispielsweise wird der Dampf zur Stromerzeugung teilweise der Dampfturbine 138 zugeführt und/oder teilweise für anderweitige Nutzungsmöglichkeiten weitergeleitet.
  • Dadurch, dass die Dampfanlage 100 eine Kombination aus Wärmeübertrager 126 und Kondensationsvorrichtung 128 sowie vorzugsweise auch eine Katalysatorvorrichtung 134 umfasst, kann die Dampfanlage 100 vorzugsweise eine umfangreiche Abgasenergierückgewinnung ermöglichen, wodurch letztlich die Energieeffizienz und/oder der Wirkungsgrad der Dampfanlage 100 gesteigert werden kann.
  • Insbesondere ermöglicht die Kombination aus Dampfzuführung zu der Brennkammer 106 einerseits und Kondensation von Bestandteilen des Abgases andererseits einen energieeffizienten und wirkungsgradoptimierten Betrieb der Dampfanlage 100, wobei vorzugsweise eine Abgasnachbehandlung zur Stickoxidreduktion entfällt und/oder entbehrlich ist.
  • Eine in 2 dargestellte zweite Ausführungsform einer Dampfanlage 100 unterscheidet sich von der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass die Katalysatorvorrichtung 134 stromaufwärts des Wärmeübertragers 126 zur Kopplung der Abgasführung 118 mit der Dampfvorrichtung 120 angeordnet ist.
  • Die Katalysatorvorrichtung 134 wird somit bei der in 2 dargestellten Ausführungsform der Dampfanlage 100 mit heißerem Abgas durchströmt. Abhängig von der gewählten Katalysatorart und/oder Ausgestaltung kann dies für den Betrieb der Dampfanlage 100 vorteilhaft sein.
  • Im Übrigen stimmt die in 2 dargestellte Ausführungsform der Dampfanlage 100 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
  • Eine in 3 dargestellte dritte Ausführungsform einer Dampfanlage 100 unterscheidet sich von der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass die Gasturbinenvorrichtung 102 mit einer Rekuperationsvorrichtung 140 versehen ist. Die Rekuperationsvorrichtung 140 umfasst einen Wärmeübertrager 142, mittels welchem die Abgasführung 118 mit der Luftzuführung 110 thermisch gekoppelt oder koppelbar ist.
  • Der Wärmeübertrager 142 ist dabei bezüglich einer Strömungsrichtung 144 des Luftstroms in der Luftzuführung 110 stromabwärts des Verdichters 104 und/oder stromaufwärts der Brennkammer 106 angeordnet.
  • Bezüglich der Strömungsrichtung 136 des Abgases in der Abgasführung 118 ist der Wärmeübertrager 142 vorzugsweise unmittelbar stromabwärts der Turbine 108 angeordnet.
  • Mittels einer Ventilvorrichtung 146 der Abgasführung 118 ist vorzugsweise einstellbar, insbesondere steuerbar und/oder regelbar, welche Teilvolumenströme des Abgases der Rekuperationsvorrichtung 140 zugeführt oder aber an derselben vorbei und direkt dem Wärmeübertrager 126 zugeführt werden.
  • Durch die Verwendung einer Rekuperationsvorrichtung 140 kann insbesondere eine Effizienz der Gasturbinenvorrichtung 102 optimiert werden.
  • Im Übrigen stimmt die in 3 dargestellte Ausführungsform der Dampfanlage 100 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
  • Bei einer nicht dargestellten weiteren Ausführungsform kann eine beliebige Kombination von Merkmalen der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen vorgesehen sein.
  • Beispielsweise kann auch bei einer Ausführungsform einer Dampfanlage 100, welche im Wesentlichen der in 3 dargestellten Ausführungsform entspricht und folglich eine Rekuperationsvorrichtung 140 umfasst, die Position der Katalysatorvorrichtung 134 anders gewählt werden, beispielsweise entsprechend der in 2 dargestellten zweiten Ausführungsform der Dampfanlage 100.

Claims (15)

  1. Dampfanlage (100), umfassend: – eine Gasturbinenvorrichtung (102), welche einen Verdichter (104), eine Brennkammer (106) und eine Turbine (108) umfasst; – eine Dampfvorrichtung (120) zur Erzeugung von Dampf und zur Zuführung des Dampfs zu der Brennkammer (106); – eine Abgasführung (118) zur Abführung von in der Brennkammer (106) erzeugtem Abgas; – einen Wärmeübertrager (126), mittels welchem die Abgasführung (118) einerseits und die Dampfvorrichtung (120) andererseits thermisch miteinander gekoppelt oder koppelbar sind; – eine Kondensationsvorrichtung (128), mittels welcher die Abgasführung (118) einerseits und die Dampfvorrichtung (120) andererseits thermisch miteinander gekoppelt oder koppelbar sind.
  2. Dampfanlage (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dampfvorrichtung (120) eine Flüssigkeitsführung (122) umfasst und dass mittels der Kondensationsvorrichtung (128) die Abgasführung (118) einerseits und die Flüssigkeitsführung (122) der Dampfvorrichtung (120) andererseits thermisch miteinander gekoppelt oder koppelbar sind.
  3. Dampfanlage (100) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensationsvorrichtung (128) einen Speicherbehälter (130) zur Aufnahme und/oder Speicherung von Kondensat des Abgases umfasst.
  4. Dampfanlage (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensationsvorrichtung (128) eine Rückführvorrichtung (132) umfasst, mittels welcher Kondensat des Abgases als Flüssigkeit einer Flüssigkeitsführung (122) der Dampfvorrichtung (120) zuführbar ist.
  5. Dampfanlage (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensationsvorrichtung (128) bezüglich einer Strömungsrichtung (136) des Abgases in der Abgasführung (118) stromabwärts des Wärmeübertragers (126) angeordnet ist, mittels welchem die Abgasführung (118) einerseits und die Dampfvorrichtung (120) andererseits thermisch miteinander gekoppelt oder koppelbar sind.
  6. Dampfanlage (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dampfanlage (100) eine Katalysatorvorrichtung (134) zur Abgasreinigung umfasst, wobei die Katalysatorvorrichtung (134) bezüglich einer Strömungsrichtung (136) des Abgases in der Abgasführung (118) stromaufwärts des Wärmeübertragers (126) angeordnet ist, mittels welchem die Abgasführung (118) einerseits und die Dampfvorrichtung (120) andererseits thermisch miteinander gekoppelt oder koppelbar sind.
  7. Dampfanlage (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dampfanlage (100) eine Katalysatorvorrichtung (134) zur Abgasreinigung umfasst, wobei die Katalysatorvorrichtung (134) bezüglich einer Strömungsrichtung (136) des Abgases in der Abgasführung (118) zwischen der Kondensationsvorrichtung (128) und dem Wärmeübertrager (126) angeordnet ist, mittels welchem die Abgasführung (118) einerseits und die Dampfvorrichtung (120) andererseits thermisch miteinander gekoppelt oder koppelbar sind.
  8. Dampfanlage (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dampfanlage (100) eine Rekuperationsvorrichtung (140) umfasst, mittels welcher im Abgas enthaltene Wärme zumindest teilweise auf einen der Brennkammer (106) zuzuführenden Gasstrom übertragbar ist.
  9. Verfahren zum Betreiben einer Dampfanlage (100), insbesondere einer Dampfanlage (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: – Umsetzen von Brennstoff und Oxidator in einer Brennkammer (106) einer Gasturbinenvorrichtung (102) der Dampfanlage (100); – Zuführen von Dampf zu der Brennkammer (106); – Abführen von in der Brennkammer (106) erzeugtem Abgas aus der Brennkammer (106); – Übertragen von Wärme von dem Abgas auf eine Dampfvorrichtung (120) zur Erzeugung von Dampf mittels eines Wärmeübertragers (126); – Kondensieren von zumindest einem Teil des im Abgas enthaltenen Dampfs mittels einer Kondensationsvorrichtung (128).
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Abgases nach dem Übertragen von Wärme von dem Abgas auf die Dampfvorrichtung (120) mittels des Wärmeübertragers (126) oberhalb des Taupunkts von Wasser liegt.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Abgases mittels der Kondensationsvorrichtung (128) unter den Taupunkt von Wasser abgesenkt wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgas enthaltene Verunreinigungen mittels einer Katalysatorvorrichtung (134) chemisch umgesetzt werden.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Kondensationsvorrichtung (128) erzeugtes Kondensat des Abgases zumindest teilweise erneut verdampft und der Brennkammer (106) zugeführt wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung von Dampf zu der Brennkammer (106) derart gesteuert und/oder geregelt wird, dass ein Wasseranteil des Abgases mindestens ungefähr 6 Vol-%, vorzugsweise mindestens ungefähr 8 Vol-%, beispielsweise zumindest näherungsweise 10 Vol-%, beträgt.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Dampfvorrichtung (120) der Dampfanlage (100) erzeugter Dampf teilweise der Brennkammer (106) und teilweise einer Dampfturbine (138) der Dampfanlage (100) zugeführt wird.
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