DE10337239A1

DE10337239A1 - Verfahren zum Betrieb einer Turbinenanlage, Turbinenanlage sowie Verwendung einer Gasturbine

Info

Publication number: DE10337239A1
Application number: DE2003137239
Authority: DE
Inventors: Klaus Hüttenhofer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2003-08-13
Filing date: 2003-08-13
Publication date: 2005-03-17
Also published as: WO2005019605A1

Abstract

Bei einem erfindungsgemäßEn Verfahren ist es vorgesehen, einer Expansionsturbine einer Turbinenanlage (1) als Treibstoff sowohl Heißgas (58) als auch Dampf (75) zuzuführen. DOLLAR A Eine entsprechende Turbinenanlage (1) dient zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. DOLLAR A Weiterhin wird die Verwendung einer Gasturbine als Expansionsturbine einer Turbinenanlage (1) vorgeschlagen, wobei der Gasturbine als Treibstoff ein Heißgas (58) und Dampf (75) umfassendes Gemisch zugeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Turbinenanlage. Sie betrifft weiterhin eine Turbinenanlage zur Durchführung des Verfahrens sowie die Verwendung einer Gasturbine.
Zur Erzeugung von elektrischer Energie werden häufig Kraftwerksanlagen eingesetzt, welche beispielsweise eine Gasturbine und einen mit der Gasturbine gekoppelten Generator umfassen.
Die Gasturbine wird dabei von Heißgas angetrieben, welches in einer fossil beheizten Brennkammer erzeugt wird.
Ferner ist es bekannt, ein Dampfkraftwerk einzusetzen, welches als wesentliche Komponenten eine Dampfturbine sowie einen mit der Dampfturbine gekoppelten Generator beinhalten. Der Betriebsdampf für die Dampfturbine wird dabei mittels eines Dampfkessels erzeugt, welcher beispielsweise fossil befeuert ist.
Darüber hinaus sind sogenannte Gas- und Dampfkraftanlagen bekannt, bei welchen das heiße Abgas der Gasturbine zur Erzeugung von Betriebsdampf für eine Dampfturbine genutzt wird, wobei das heiße Abgas in einen Abhitzekessel eingeleitet wird. Derartige Gas- und Dampfkraftanlagen bieten insbesondere den Vorteil eines hohen Wirkungsgrads.
Bei all diesen bekannten Kraftwerkstypen umfasst der jeweilige Turbinentreibstoff nur ein Medium, für welches die Gas oder Dampfturbine ausgelegt ist.
Eine Gasturbine ist dementsprechend für einen Betrieb mit Heißgas, eine Dampfturbine für einen Betrieb mit Dampf bestimmt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb einer Turbinenanlage, eine Turbinenanlage sowie eine Verwendung einer Gasturbine anzugeben, bei welchen die Turbine, mittels welcher durch arbeitsleistende Entspannung eines Turbinentreibstoffs elektrische Energie erzeugbar ist, (Expansionsturbine) flexibel betrieben werden kann.

Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Turbinenanlage, welche mindestens eine Expansionsturbine umfasst, wobei der Expansionsturbine als Treibstoff sowohl Heißgas als auch Dampf zugeführt wird.

Unter „Dampf" werden in diesem Zusammenhang alle kondensierbaren Gase sowie Dampfgemische, beispielsweise umfassend Dampf und Wasser, verstanden („dampfförmige Medien").

Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass das Prinzip der arbeitsleistenden Entspannung eines Turbinentreibstoffs sowohl bei einer Gasturbine, als auch bei einer Dampfturbine gleich ist. Der energietragende Treibstoff wird in beiden Fällen den rotationsenergieerzeugenden Turbinenschaufeln der Expansionsturbine zugeführt und treibt diese unter Entspannung der Treibstoffströmung an. Erfindungsgemäß ist es daher vorgesehen, die Expansionsturbine mit einem Treibstoffgemisch anzutreiben, welches sowohl Heißgas als auch dampfförmige Medien umfasst, anzutreiben.

Entsprechend der Auslegung der Expansionsturbine sind die Temperatur und der Druck des jeweiligen Treibstoffteils, welche im Wesentlichen den Energieinhalt des Treibstoffgemisches bestimmen, aufeinander abzustimmen, so dass das Treibstoffgemisch von der Expansionsturbine mit möglichst hohem Wirkungs grad und/oder unter möglichst geringer Abgasentwicklung verarbeitet werden kann.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Dampf in Strömungsrichtung des Heißgases vor einer ersten Turbinenstufe in die Expansionsturbine eingebracht.

Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung durchläuft der energiehaltige Dampf im Wesentlichen die gesamte Expansionsturbine, so dass der Dampf zur Erzeugung jeglichen Energieniveaus der Turbinenstufen der Expansionsturbine beiträgt. Wenn die Expansionsturbine beispielsweise zwei Turbinenstufen umfasst, so durchläuft der Dampf beide Turbinenstufen und trägt folglich auch zum Antrieb jeder der Turbinenstufen bei.

Diese bevorzugte Ausführungsform soll auch solche Expansionsturbinen umfassen, welche lediglich eine Turbinenstufe aufweisen; in diesem Falle ist diese einzige Turbinenstufe die erste Turbinenstufe und der Dampf wird in einen Turbineneintritt zu dieser Turbinenstufe eingebracht und durchläuft die Turbinenstufe arbeitsleistend.

In einer anderen Ausführungsform wird der Dampf in Strömungsrichtung des Heißgases zwischen einer ersten Turbinenstufe und einer zweiten Turbinenstufe in die Expansionsturbine eingebracht.

Dabei durchläuft der Dampf zur Arbeitsleistung nicht die komplette Expansionsturbine, sondern lediglich eine oder mehrere deren Turbinenstufen. Je nach Temperatur- und/oder Druckverhältnissen des Dampfs kann dabei die energetisch passende Turbinenstufe ausgewählt werden, so dass der Energieinhalt des Dampfs bestmöglich nutzbar ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird der Dampf der Expansionsturbine alternativ oder in Ergänzung über mindestens einen Teil deren Turbinenschaufeln zugeführt.

Die Turbinenschaufeln einer Expansionsturbine, beispielsweise einer Gasturbine, benötigen insbesondere bei Turbinen höherer Leistung während deren Betriebs eine Schaufelkühlung. Deshalb existieren bei derartigen Expansionsturbinen konstruktionsbedingt bereits Mittel zum Einbringen eines Kühlfluids in die Turbinenschaufel. Die auf einem Turbinenschaufelkranz angeordneten Turbinenschaufeln sind dabei meist hohl, so dass das Kühlfluid in die Hohlräume der Turbinenschaufeln eingeleitet werden und diese kühlen kann.

Bei der vorliegenden Ausführungsform ist es vorgesehen, den Dampf über eben diesen Weg der Expansionsturbine zuzuführen. So ist es nicht erforderlich, zusätzliche Dampfzuleitungen vorzusehen. Die Turbinenschaufeln können dabei auch Öffnungen aufweisen, aus welchen der Dampf aus dem Hohlraum der jeweiligen Turbinenschaufeln in einen Heißgas-Verarbeitungsraum der Expansionsturbine eintritt.

Die Zufuhr des Dampfs zur Expansionsturbine kann ferner über mindestens zwei Zufuhrstellen vorgesehen sein, beispielsweise über die Turbinenschaufeln und zwischen zwei Turbinenstufen, oder auch bei einer dreistufigen Turbine zwischen die erste und zweite und zwischen die zweite und dritte Stufe.

Damit ist eine besonders genaue Leistungseinstellung der Expansionsturbine möglich.

Vorteilhaft wird der Dampf auch zur Kühlung der entsprechenden Turbinenschaufeln verwendet.

Dem Dampf kommen bei dieser Ausgestaltung der Erfindung folglich zwei wichtige Aufgaben zu: Zum einen ist der Dampf ein Teil des Treibstoffs für die Expansionsturbine und zum anderen dient der Dampf als Kühlfluid für diesen Teil der Turbinenschaufeln.

Vorteilhaft wird aus der Expansionsturbine austretendes Gas-Dampfgemisch kondensiert.

Bevorzugt wird dabei anfallendes Kondensat der Expansionsturbine zugeführt.

Alternativ oder in Ergänzung wird zumindest ein Teil des anfallenden Kondensats einem Dampferzeuger zugeführt.

Weiterhin kann zumindest ein Teil des Abgases der Expansionsturbine einen Teil der Verbrennungsluft für eine Brennkammer zur Erzeugung des Heißgases bilden.

Da das Abgas der Expansionsturbine noch einen gewissen Anteil an verbrennungsnotwendigem Sauerstoff aufweist, kann zumindest ein Teil des Abgases als Teil der Verbrennungsluft für die Brennkammer verwendet werden, so dass die Verbrennungsluft nicht vollständig aus zugeführter Frischluft bestehen muss. Je nach Sauerstoffgehalt des Abgases kann der erforderliche Anteil der Sauerstoffergänzung durch Frischluft für die Verbrennung in der Brennkammer eingestellt werden.

Weiterhin kann zumindest ein Teil des Abgases der Expansionsturbine über einen Kamin abgeführt werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Expansionsturbine ausgebildet als eine Gasturbine. Aufgrund ihrer Bauart ist eine Gasturbine besonders für einen Einsatz in dem Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren geeignet. Bedarfsweise müssen lediglich die Turbinenschaufeln der Gasturbine auf die zusätzliche Dampfbelastung ausgelegt werden, insbesondere falls die Zuleitung des Dampfs über die Gasturbinenschaufeln erfolgt.

Die Erfindung führt von daher auch zu einer Verwendung einer Gasturbine als Expansionsturbine einer Turbinenanlage, wobei der Treibstoff für die Gasturbine ein Gemisch aus Heißgas und Dampf umfasst.

Schließlich führt die Erfindung zu einer Turbinenanlage umfassend eine Expansionsturbine, eine Brennkammer zur Erzeugung von Heißgas als Treibstoff für die Expansionsturbine und Mittel zum Zuführen von Dampf als weiteren Treibstoff für die Expansionsturbine, so dass die Expansionsturbine mit einem Gemisch, umfassend das Heißgas und den Dampf, betreibbar ist.

Vorteilhaft umfassen die Mittel einen Eintritt für Turbinentreibstoff, welcher vor einer ersten Turbinenstufe der Expansionsturbine angeordnet ist, mittels welchem der Dampf der Expansionsturbine zuführbar ist.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Mittel einen Zwischeneintritt für Turbinentreibstoff, welcher zwischen einer ersten Turbinenstufe und einer zweiten Turbinenstufe angeordnet ist, umfassen, mittels welchem der Dampf der Expansionsturbine zuführbar ist.

Alternativ oder in Ergänzung umfassen die Mittel bevorzugt mindestens einen Turbinenschaufeleintritt, mittels welchem der Dampf der Expansionsturbine über mindestens einen Teil deren Turbinenschaufeln zuführbar ist.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist mindestens ein Teil der Turbinenschaufeln mittels des Dampfs kühlbar.

Bevorzugt weist die Turbinenanlage einen Kondensator auf, welchem aus der Expansionsturbine austretendes Gas-Dampfgemisch zu dessen Kondensation zuführbar ist.

Vorteilhaft ist dabei anfallendes Kondensat der Expansionsturbine und/oder einem Dampferzeuger zuführbar.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist zumindest ein Teil des Abgases der Expansionsturbine einer Brennkammer als ein Teil deren Verbrennungsluft zur Erzeugung des Heißgases zuführbar.

Weiterhin kann ein Teil des Abgases der Expansionsturbine über einen Kamin aus der Turbinenanlage abführbar sein.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Expansionsturbine ausgebildet als eine Gasturbine.

Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
Es zeigt:
FIG eine erfindungsgemäße Turbinenanlage.
Die Figur zeigt eine Turbinenanlage 1, welche eine Expansionsturbine 10, bevorzugt eine Gasturbine, und eine Brennkammer 15 zur Erzeugung von Heißgas 58 als Treibstoff für die Expansionsturbine 10 aufweist.
Der Brennkammer 50 wird Brennstoff 52 sowie über einen Verdichter 15 Verbrennungsluft 54 zugeführt.
Die Expansionsturbine 10 wird angetrieben durch ein Treibstoffgemisch, welches das Heißgas 58 sowie Dampf 75 umfasst. Der Dampf 75 wird dabei mittels eines Dampferzeuger 73 erzeugt, welcher befeuert und/oder durch Abgas 69 der Expansionsturbine 10 betrieben sein kann.
Zur Zuführung des Dampfs 75 zur Expansionsturbine 10 sind ein vor einer ersten Turbinenstufe 30 angeordneter Eintritt 20 für Turbinentreibstoff, ein Zwischeneintritt 40 für Turbinentreibstoff, welcher zwischen der ersten Turbinenstufe 30 und einer zweiten Turbinenstufe 32 angeordnet ist, sowie ein ers ter Turbinenschaufeleintritt 42 und ein zweiter Turbinenschaufeleintritt 44 vorgesehen.
Diese Mittel können einzeln oder in Kombination vorgesehen sein. Beispielsweise kann mittels des Dampferzeugers 73 Dampf 75 unterschiedlichen Temperaturniveaus bereit gestellt sein, so dass je nach gewähltem Mittel zur Zuführung des Dampfs 75 zur Expansionsturbine 10 das entsprechende passende Energieniveau des Dampfs 75 eingestellt wird. Eingezeichnet ist weiterhin die Strömungsrichtung 77 des Heißgases 58, um für die Anordnung der genannten Mittel zur Zuführung des Dampfs 75 eine Bezugsrichtung zur Verfügung zu haben.
Ferner sind Turbinenschaufel 25 der ersten Turbinenstufe 30 sowie der zweiten Turbinenstufe 32 schematisch dargestellt. Ein Generator 65 zur Erzeugung von elektrischer Energie ist zusammen mit dem Verdichter 15 und der Expansionsturbine 10 auf einer gemeinsamen Welle angeordnet.
Die Turbinenanlage 1 weist ferner einen Kondensator 60 auf, welcher mit Gas-Dampfgemisch 62, welches die Expansionsturbine 10 verlässt, gespeist ist.
Zumindest ein Teil des abgekühlten Abgases 69 kann unter Zugabe von Frischluft 56 als Verbrennungsluft 54 für die Brennkammer 50 genutzt werden.
Ferner kann zumindest ein Teil des abgekühlten Abgases 69 einem Kamin 67 zugeführt und damit aus der Turbinenanlage 1 abgeführt sein.
Im Kondensator 60 anfallendes Kondensat 71 wird zum Eintritt 20 zurückgespeist.
Ferner kann es vorgesehen sein, dass ein Teil oder das gesamte Kondensat 71 zur Erzeugung des Dampfs 75 im Dampferzeuger 73 verwendet wird.
Die erfindungsgemäße Turbinenanlage 1 gemäß der Figur bietet insbesondere den Vorteil, dass die Expansionsturbine hinsichtlich des verwendeten Turbinentreibstoffs flexibel betreibbar ist.
Des Weiteren kann der Dampf 75 im Falle der Zuleitung über den ersten Turbinenschaufeleintritt 42 und/oder den zweiten Turbinenschaufeleintritt 44 zur Expansionsturbine 10 neben der Verwendung als Teil des Turbinentreibstoffs als Kühlfluid für zumindest einen Teil der Turbinenschaufeln 25 verwendet werden.

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Turbinenanlage (1), welche mindestens eine Expansionsturbine (10) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Expansionsturbine (10) als Treibstoff sowohl Heißgas (58) als auch Dampf (75) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampf (75) in Strömungsrichtung (77) des Heißgases (58) vor einer ersten Turbinenstufe (30) in die Expansionsturbine (10) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampf (75) in Strömungsrichtung (77) des Heißgases (58) zwischen einer ersten Turbinenstufe (30) und einer zweiten Turbinenstufe (32) in die Expansionsturbine (10) eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampf (75) der Expansionsturbine (10) über mindestens einen Teil deren Turbinenschaufeln (25) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampf (75) dabei zur Kühlung der entsprechenden Turbinenschaufeln (25) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampf (75) über mindestens zwei Zufuhrstellen (40, 42, 44) in die Expansionsturbine (10) eingebracht wird und die dabei jeweils zugeführten Dampf-Teilmengen zueinander unter schiedlich sind hinsichtlich ihres Volumens und/oder ihrer Zusammensetzung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Expansionsturbine (10) austretendes Gas-Dampfgemisch (62) kondensiert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass dabei anfallendes Kondensat (71) der Expansionsturbine (10) und/oder einem Dampferzeuger (73) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des Abgases (69) der Expansionsturbine (10) einen Teil der Verbrennungsluft (54) für eine Brennkammer (50) zur Erzeugung des Heißgases (58) bildet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des Abgases (69) der Expansionsturbine (10) über einen Kamin (67) abgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsturbine (10) ausgebildet ist als eine Gasturbine.
Verwendung einer Gasturbine als Expansionsturbine (10) einer Turbinenanlage (1), wobei der Treibstoff für die Gasturbine ein Gemisch aus Heißgas (58) und Dampf (75) umfasst.
Turbinenanlage (1), gekennzeichnet durch • eine Expansionsturbine (10), • eine Brennkammer (50) zur Erzeugung von Heißgas (58) als Treibstoff für die Expansionsturbine (10), und • Mittel (20, 40, 42, 44) zum Zuführen von Dampf (75) als weiteren Treibstoff für die Expansionsturbine (10), so dass die Expansionsturbine (10) mit einem Gemisch umfassend das Heißgas (58) und den Dampf (75) betreibbar ist.
Turbinenanlage (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (20, 40, 42, 44) einen Eintritt (20) für Turbinentreibstoff, welcher vor einer ersten Turbinenstufe (30) der Expansionsturbine (10) angeordnet ist, umfassen, mittels welchem der Dampf (75) der Expansionsturbine (10) zuführbar ist.
Turbinenanlage (1) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (20, 40, 42, 44) einen Zwischeneintritt (40) für Turbinentreibstoff, welcher zwischen einer ersten Turbinenstufe (30) und einer zweiten Turbinenstufe (32) angeordnet ist, umfassen, mittels welchem der Dampf (75) der Expansionsturbine (10) zuführbar ist.
Turbinenanlage (1) nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (20, 40, 42, 44) mindestens einen Turbinenschaufeleintritt (42, 44) umfassen, mittels welchem der Dampf (75) der Expansionsturbine (10) über mindestens einen Teil deren Turbinenschaufeln (25) zuführbar ist.
Turbinenanlage (1) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Turbinenschaufeln (25) mittels des Dampfs (75) kühlbar ist.
Turbinenanlage (1) nach einem der Ansprüche 13 bis 17, gekennzeichnet durch einen Kondensator (60), welchem aus der Expansionsturbine (10) austretendes Gas-Dampfgemisch (62) zu dessen Kondensation zuführbar ist.
Turbinenanlage (1) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass im Kondensator (60) anfallendes Kondensat (71) der Expansionsturbine (10) und/oder einem Dampferzeuger (73) zuführbar ist.
Turbinenanlage (1) nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des Abgases (69) der Expansionsturbine (10) einer Brennkammer (50) als ein Teil deren Verbrennungsluft (54) zur Erzeugung des Heißgases (58) zuführbar ist.
Turbinenanlage (1) nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des Abgases (69) der Expansionsturbine (10) über einen Kamin (67) aus der Turbinenanlage (1) abführbar ist.
Turbinenanlage (1) nach einem der Ansprüche 13 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsturbine (10) ausgebildet ist als eine Gasturbine.