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Dampfkraftanlage Die Deckung der Spitzenlasten bei Dampf- oder Wasserkraftwerken
wird mit steigendem Energiebedarf ein immer akuteres Problem. Wo es die natürlichen
Gegebenheiten ermöglichen, werden die Spitzenleistungen mit Speicherkraftwerken
oder mit Pumpspeicherkraftwerken ausgefahren. Die Kapazität dieser Speicherkraftwerke
kann nicht beliebig erweitert werden, wenn die naturgegebenen Verhältnisse nicht
ausreichend vorhanden sind. Außerdem ist die Wahl des Standortes an die durch die
Natur gegebenen Voraussetzungen der Speichermöglichkeit gebunden. Damit kann der
Standort eines Speicherkraftwerkes weit ab vom Ort des Verbrauches liegen. Die Fernübertragung
der Spitzenleistung erfordert dann einen Kapitalaufwand, der die Kosten der Spitzenleistung
stark belastet.
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Mit dem steigenden Gesamt-Energiebedarf steigt auch der Spitzenlastbedarf,
der nur zu einem geringen "Teil mit Speicherwerken gedeckt werden kann. Bei fortschreitendem
Energiebedarf kommt diesen Speicherkraftwerken eine immer geringere Bedeutung zu.
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Der weitaus größte Teil der benötigten Spitzenleistung muß durch thermische
Kraftwerke aufgebracht werden. Die geringe Vollaststundenzahl der Spitzenlastkraftwerke
führt zu Anlagen, deren feste Kosten möglichst gering zu halten sind, also zu möglichst
einfachen, thermisch nicht besonders hochgezüchteten Kraftwerken. Der spezifische
Wärmeverbrauch eines thermischen Spitzenlastkraftwerkes liegt damit oft wesentlich
höher als der eines Grundlastkraftwerkes.
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Ein thermisches Spitzenlastkraftwerk wird in den weitaus meisten Fällen
als Dampfkraftwerk mit mäßigen Frischdampfparametern, ohne Zwischenüberhitzung und
einfacher Vorwärmsäule ausgebildet.
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Diese unkomplizierte Schaltungsweise ist einmal mit Rücksicht auf
möglichst niedrige Anlagekosten und zum anderen durch die betrieblichen Forderungen
kürzester Anfahrzeiten, größtmöglicher Betriebsbereitschaft bei stark schwankenden
Belastungen erforderlich.
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Neuerdings finden auch Gasturbinen-Spitzenlastkraftwerke mehr Verwendung.
Die betrieblichen Forderungen, die an ein Spitzenlastkraftwerk gestellt werden müssen,
werden von Gasturbinenanlagen sehr gut erfüllt. Bekanntlich läßt sich eine Gasturbinenanlage
in wenigen Minuten vom kalten Zustand auf Vollast hochfahren, die Stillstands- und
Anfahrverluste sind bei einer Gasturbinenanlage praktisch bedeutungslos. Außerdem
braucht eine Gasturbinenanlage sehr viel weniger Kühlwasser als vergleichsweise
eine gleich große Dampfturbinenanlage. Der thermische Wirkungsgrad einer Gasturbinenanlage
ist allerdings in den meisten Fällen sehr viel schlechter als der einer gleich großen
Dampfkraftanlage, so daß die betrieblichen Vorteile mindestens zum Teil wieder aufgehoben
werden.
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Bei einer anderen bekannten Lösung zur Deckung von Spitzenlasten wird
außerhalb der Spitzenzeit eine größere als im Kreislauf benötigte Speisewassermenge
vorgewärmt und die überschüssige vorgewärmte Speisewassennenge in besonderen Verdrängungsspeichern
für die Spitzenlastzeit bereitgehalten. Während der Spitzenzeit werden die Anzapfungen
zur Speisewasservorwärmung stillgesetzt und der Kessel mit dem gespeicherten Speisewasser
betrieben. Damit kann ohne Erhöhung der Frischdampfmenge, d. h. ohne vergrößerte
Schluckfähigkeit der Turbine und ohne Erhöhung der Kesselleistung, eine um 10 bis
15 % höhere Leistung ausgefahren werden. Generatorseitig ist hierbei ein nicht allzu
hoher Aufwand nötig, da die Wirkleistung des Generators bei gleichbleibender Scheinleistung
um den Betrag gesteigert werden kann, um den sich der Leistungsfaktor des Netzes
während der Spitzenlastzeit erhöht.
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Die Mehrleistung durch Wegfall der Anzapfungen wird damit ohne wesentliche
Mehrkosten und - was besonders hervorgehoben werden sollte - mit gleichbleibendem
thermischem Wirkungsgrad der Anlage erreicht.
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Daß troz dieser zweifellos überzeugenden Vorteile diese Schaltungsweise
wenig Verbreitung fand, dürfte wohl in der Tatsache zu suchen sein, daß der abgebbaren
Spitzenleistung durch das Fassungsvermögen des Verdrängungsspeichers enge Grenzen
gezogen sind. Wenn einerseits die Vorteile der möglichen
Mehrleistung
durch Wegfall der Anzapfungen bei Spitzenbelastungen erhalten bleiben sollen, andererseits
aber die Begrenzung der Spitzenleistung durch das Fassungsvermögen eines Speichers
nicht eingeengt werden soll, müßte die Speisewasservorwärmung während der Spitzenbelastung
durch eine fremde Wärmequelle aufrechterhalten werden.
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Man hat daher zu diesem Zweck kombinierte Dampfturbinen-Gasturbinen-Anlagen
entwickelt, bei denen einer Dampfkraftanlage eine Gasturbinenanlage zugeordnet ist,
deren Abwärme ganz oder teilweise zur Speisewasservorwärmung im Dampfprozeß herangezogen
werden kann.
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Es ist in diesem Zusammenhang bereits bekannt, daß man als Wärmequelle
für die Speisewasservorwärmung die Abwärme der zur Spitzenlastdeckung dienenden
Gasturbinenanlage heranziehen kann. Man schaltet zu diesem Zweck einen abdampfbeheizten
Speisewasservorwärmer und einen von der Abwärme der Gasturbine beheizten Speisewasservorwärmer
wasserseitig parallel.
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Man könnte nun daran denken, den Anteil der Abdampfheizung und -der
Gasturbinenabwärmerheizung in Abhängigkeit von der Belastung der kombinierten Dampfturbinen-Gasturbinen-Anlage
derart zu steuern, daß bei höherer Belastung der Anteil des benötigten Anzapfdampfes
verringert und der hierdurch zur Verfügung gestellte Dampf in der Dampfturbine arbeitsleistend
entspannt wird.
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Dies würde aber bei wasserseitiger Parallelschaltung der beiden Vorwärmergruppen
zu einem Temperaturunterschied zwischen diesen beiden Vorwärmergruppen führen, was
wärmetechnisch ungünstig ist.
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Um gleichwohl eine solche wasserseitige Parallelschaltung der beiden
Vorwärmergruppen unter Ausnutzung des eingesparten Abdampfanteils zur Leistungssteigerung
der Dampfkraftanlage auszunutzen, sind bei einer Dampfkraftanlage mit Anzapfdampf-Speisewasservorwärmung
als Grundlastanlage und mit einer Zusatzanlage zur Spitzenlastdeckung in Gestalt
einer Gasturbinenanlage, deren Abwärme ebenfalls zur Speisewasservorwärmung nutzbar
zu machen ist, gemäß der Erfindung den durch Anzapfdampf betriebenen Speisewasservorwärmern
die durch die Abwärme der Gasturbinenanlage beheizten Speisewasservorwärmer in an
sich bekannter Weise wasserseitig parallel geschaltet, und es ist bei hinsichtlich
erzeugter Dampfmenge und Einspeisungswassertemperatur im wesentlichen konstant belastetem
Kessel der anteilmäßige Wasserdurchsatz durch die beiden Speisewasservorwärmergruppen
in Abhängigkeit von der Belastung der Zusatzanlage in der Weise regelbar, daß der
Wasserdurchsatz durch den gasturbinen-abgaswärmebeheizten Speisewasservorwärmer
mit der Belastung der Zusatzanlage steigt, während gleichzeitig der Wasserdurchsatz
durch den Anzapf-Speisewasservorwärmer entsprechend verringert wird.
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Es ist wohl auch eine Dampfkraft-Grundlastanlage mit einer Abwärme
zur Speisewasservorwärmung liefernden Gasturbinenanlage zur Spitzendeckung bekannt,
bei der eine Regelmöglichkeit für den Wasserdurchsatz durch die von der Gasturbinenabwärme
beheizten Speisewasservorwärmer in Abhängigkeit von der Belastung der Zusatzanlage
vorgesehen ist. Dabei sind die Regelorgane für das Speisewasser und die Regelorgane
für die Dampfkraftanlage und die Gasturbinenanlage derart betätigbar, daß bei Erreichen
der Nennlast der Dampfkraftanlage (Grundlast) die abgasbeheizten Vorwärmer in Betrieb
genommen werden, während bei Betrieb unterhalb der Nennlast der Dampfkraftanlage
die abgasbeheizten Vorwärmer gleichzeitig mit der Gasturbinenanlage außer Betrieb
gesetzt werden.
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Bei dieser bekannten Anlage, bei der jedoch zum Unterschied von der
erfindungsgemäßen Anlage eine Regenerativvorwärmung mit Anzapfdampf nicht vorgesehen
ist, sind die statt dessen vorgesehenen Economiser während des Spitzenbetriebes
den im Gasturbinenabgasstrom liegenden Vorwärmern nicht parallel, sondern diesen
vorgeschaltet. Dadurch wird während des Spitzenbetriebes die Speisewassertemperatur
vor dem Kessel über die normale Speisewasservorwärmung hinaus entsprechend dem Spitzenbedarf
erhöht und damit auch die Dampferzeugung in den Kesseln der Dampfkraftanlage gesteigert.
Der Leistungsgewinn der Dampfkraft-Grundlastanlage wird somit abweichend von der
erfindungsgemäßen Anlage bei einer infolge Speisewassertemperaturerhöhung veränderten
Kesselbelastung erzielt, was jedoch eine gegenüber der erfindungsgemäßen Anordnung
verringerte Ansprechgeschwindigkeit der Regelvorgänge zur Folge hat.
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Dagegen ist bei der Anlage nach der Erfindung die jeweilige Verteilung
des Speisewassers auf die beiden Vorwärmegruppen (Regenerativvorwärmer und abgasbeheizte
Vorwärmer) durch einen einzigen Regelvorgang möglich, der insbesondere ohne Verzögerung
auf den Dampfdurchsatz der Dampfturbine einwirkt, da der vom Kessel erzeugte Dampf
bei Einengung der Regenerativvorwärmung mit Anzapfdampf zwangläufig über die Dampfturbine
abgeleitet wird, wodurch deren Leistungsabgabe sofort ansteigt.
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Durch die erfindungsgemäße Regelbarkeit des anteilmäßigen Wasserdurchsatzes
durch die beiden Speisewasservorwärmergruppen wird nur diejenige Speisewasserteilstrommenge
durch die abgasbeheizten Wärmetauscher geschickt, die erforderlich ist, die Abwärme
der jeweils angebotenen Abgasmenge aufzunehmen, so daß für die verbleibende Speisewassermenge
der Vorteil der Regenerativvorwärmung erhalten bleibt.
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Eine solche durch die erfindungsgemäße Anordnung ermöglichte Prozeßführung
ist geeignet, sowohl die Forderungen wirtschaftlich günstigster Grundlasterzeugung
als auch wirtschaftlichster Spitzenlasterzeugung zu erfüllen.
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Beide Anlagenteile, d. h. die Dampfkraftanlage für den Grundlastbetrieb
und die dieser zugeordnete Gasturbinenanlage für den Spitzenlastbetrieb, bilden
durch diese Art der Regelung eine hochüberlastbare Blockeinheit, deren Leistungsgrößen
durch die Prozeßführung einander zugeordnet sind. Ohne Temperaturunterschiede übernimmt
auf diese Weise die Gasturbinenanlage die Speisewasservorwärmung des Dampfprozesses
ganz oder teilweise, wodurch auch im Dampfteil der kombinierten Anlage eine höhere
Leistung ausgefahren werden kann, ohne deswegen die Anlageteile der Dampfanlage
vergrößern zu müssen.
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Bis zu einer Leistungsabgabe gleich der Nennleistung der Dampfkraftanlage
kann die Gasturbinenanlage außer Betrieb bleiben. Die kombinierte Anlage arbeitet
dann als reine Dampfkraftanlage. Die Auslegungsverhältnisse der Dampfkraftanlage
werden durch die Kopplung mit der Gasturbinenanlage in keiner Weise eingeengt. Die
Frischdampfparameter,
die Leistungsgröße, Art und Schaltung der
Vorwärmsäule usw. sind nach den Forderungen günstigster Gestehungskosten für die
Grundlasterzeugung bei gegebenen Brennstoffpreisen, den vorliegenden Kühlwasserverhältnissen
und den voraussichtlichen Volllastbenutzungsstunden dieser Anlage wie üblich ausgelegt.
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Bei Leistungsforderungen über die Nennleistung der Dampfkraftanlage
hinaus - also bei Spitzenbelastungen - wird die zugeordnete Gasturbinenanlage zugeschaltet,
die dann auch die Speisewasservorwärmung des Dampfprozesses ganz oder teilweise
übernimmt. Damit entfallen die Anzapfdampflieferungen aus der Dampfturbine für die
Speisewasservorwärmung während der Spitzenbelastung ganz oder mindestens teilweise.
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Mit der gleichen Frischdampfmenge, wie sie im reinen Dampfprozeß zur
Erzeugung der Nennlast erforderlich ist, kann im Dampfteil eine um 10 bis 15 0/0
höhere Leistung (bezogen auf die Nennleistung des Dampf-Turbosatzes) ausgefahren
werden. Diese höhere Leistung im Dampfteil ist ohne Erhöhung der Kesselleistung
und ohne Erhöhung der Schluckfähigkeit der Turbine möglich, da die sonst zur Vorwärmung
benötigten Anzapfdampfmengen bis zum Kondensatordruck herunter zur Leistungserzeugung
eingesetzt werden können.
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Für diese mögliche Mehrleistung im Dampfteil der kombinierten Anlage
während der Spitzenbelastung sind lediglich die Mehrkosten für die zusätzlichen
Rohrleitungen, Armaturen und Regeleinrichtungen und außerdem die Kosten der abgasbeheizten
Speisewasservorwärmer selbst aufzubringen. Diese Kosten sind auf alle Fälle niedriger
als diejenigen Kosten, die für eine Spitzenlastanlage mit der Leistungsgröße der
hier möglichen Mehrleistung im Dampfprozeß sonst aufgebracht werden müßten.
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Die abgebbare Spitzenleistung bei der vorgeschlagenen kombinierten
Prozeßführung ist gleich der möglichen Mehrleistung im Dampfprozeß plus der im Gasturbinenprozeß
erzeugten Nutzleistung und liegt in der Größenordnung von 50 bis 70 %, bezogen auf
die Nennleistung der Dampfkraftanlage. Die wesentlichsten Anlagekosten für die Spitzenleistungsabgabe
des kombinierten Prozesses betreffen die Anlagekosten der Gasturbinenanlage selbst.
Diese Kosten sind bei reinen Gasturbinen-Spitzenlastanlagen schon recht günstig
und, bezogen auf die gesamte mögliche Spitzenlast der kombinierten Anlage, durch
die billige Mehrleistung im Dampfteil noch entsprechend günstiger.
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Gegenüber anderen üblichen Gasturbinen- oder Dampfturbinen-Spitzenlastanlagen
hat die vorgeschlagene Prozeßführung den Vorteil, daß auch der spezifische Wärmeverbrauch
der Spitzenlastanlage sehr günstige Werte erreicht.
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Der spezifische Wärmeverbrauch für die Spitzenleistung bei der kombinierten
Prozeßführung ist wesentlich günstiger als der einer reinen Gasturbinenanlage und
auch günstiger als der einer reinen Dampfturbinen-Spitzenlastanlage.
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Sowohl hinsichtlich der spezifischen Anlagekosten als auch bezüglich
des spezifischen Wärmeverbrauchs werden für die Spitzenleistung der kombinierten
Prozeßführung günstigste Werte erzielt.
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Auch betrieblich sind mit dieser Schaltungsweise Vorteile verbunden.
Die schnelle Anfahrbereitschaft der Gasturbinenanlage kommt den Forderungen, die
an einen Spitzenlastbetrieb gestellt werden müssen, in idealer Weise entgegen. Während
bei reinen Gasturbinenanlagen dieser Vorteil durch einen mäßigen thermischen Wirkungsgrad
erkauft werden muß, kann bei der vorgeschlagenen kombinierten Prozeßführung der
betriebliche Vorteil ausgenutzt werden, ohne den thermischen Nachteil in Kauf nehmen
zu müssen. Gegenüber reinen Dampfturbinen-Spitzenlastanlagen sind die Anfahr- und
Stillstandsverluste bei Gasturbinenanlagen praktisch bedeutungslos.
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Die Gasturbinenanlage kann auch völlig getrennt von der Dampfkraftanlage
für sich allein betrieben werden und stellt damit bei Ausfall der Dampfkraftanlage
eine willkommene Leistungsreserve dar.
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Schließlich wird die Mehrleistung im Dampfprozeß und im Gasturbinenprozeß
praktisch ohne Anstieg des Eigenverbrauchs der Gesamtanlage und - was in vielen
Fällen wesentlich ist - auch praktisch ohne Anstieg des Kühlwasserbedarfs der Gesamtanlage
erreicht.
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Nachdem die erforderliche Spitzenlast in immer größerem Maße von thermischen
Kraftwerken übernommen werden muß, stellt die Vereinigung einer Blockeinheit für
den Grundlastbetrieb und für den Spitzenlastbetrieb nach der vorgeschlagenen Schaltung
eine günstige Lösung dieses Problems dar. Die Spitzenleistung wird dabei ebenso
wie die Grundlast im Verbrauchsschwerpunkt erzeugt und eine unwirtschaftliche Fernübertragung
der Spitzenleistung wird vermieden.
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Für den Gasturbinenteil der kombinierten Anlage werden zweckmäßig
Rückstandsöle verwendet, deren Wärmepreis nur wenig höher ist als der entsprechende
Wärmepreis von Steinkohle. Eine Verwendung dieser Rückstandsöle in Grundlast-Dampfkraftanlagen
stehen nicht unerhebliche Schwierigkeiten im Wege. Diese Öle haben meist einen Schwefelgehalt
von etwa 4 °/o und im Dauerbetrieb (Grundlastbetrieb) in dicht besiedelten Gebieten
eine unzulässig hohe Verunreinigung der Luft zur Folge. Wird dieser Brennstoff in
einer Gasturbinen-Spitzenlastanlage verwertet, sind diese Belästigungen weit geringer,
da die Betriebszeit auf wenige Stunden am Tage beschränkt bleibt und durch den hohen
Luftüberschuß in den Abgasen eines Gasturbinenprozesses die Konzentration der Schwefelverbindungen
im Rauchgas weit geringer ist als vergleichsweise im Rauchgas einer Dampfkraftanlage.
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Für die Verwendung von Öl zur Spitzendeckung sprechen außerdem die
verhältnismäßig geringen Abmessungen von Brennstoffvorratsbehältern, die, z. B.
verglichen mit Gasbehältern, wesentlich günstigere Voraussetzungen für eine Brennstoffvorratshaltung
ergeben. Außerdem wird Öl in Fernleitungen sowieso direkt an die Verbraucherschwerpunkte
gefördert, so daß auch der Brennstofftransport und die Brennstoffvorratshaltung
für eine Gasturbinen-Spitzenlastanlage in den Verbraucherschwerpunkten auf sehr
günstige Voraussetzungen trifft.
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Nachfolgend werden die Einzelheiten der erfindungsgemäßen Prozeßführung
an einem Schaltschema erläutert.
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Die kombinierte Dampfturbinen-Gasturbinen-Anlage dient zur Deckung
der Grundlast und gleichzeitig zur Deckung der Spitzenlast. Entsprechend diesen
beiden Belastungsarten besteht die kombinierte Dampfturbinen-Gasturbinen-Anlage
zunächst aus dem reinen Dampfteil D der Anlage zur Deckung der Grundlast und aus
dem aufgestockten Gasturbinenprozeß
G zur Deckung der Spitzenlast.
Bis zu einer Leistungsabgabe gleich der Nennlast (maximale Dauerleistung) des Dampfteiles
der Gesamtanlage bleibt die Gasturbinenanlage G außer Betrieb. Die Gesamtanlage
arbeitet damit bis zur Erreichung der Nennlast des Dampfturbosatzes 2 als reine
Dampfkraftanlage. Erst bei Belastungen höher als Nennlast des Dampfturbosatzes wird
die Gasturbinenanlage G zugeschaltet. Während der Spitzenbelastung übernimmt die
Gasturbinenanlage G ganz oder teilweise die Speisewasservorwärmung des Dampfprozesses.
Das Abgas des Gasturbinenprozesses wird dabei vor Austritt aus dem Kreislauf über
abgasbeheizte Speisewasservorwärmer 7 a und 7 b geleitet, die ganz
oder teilweise die Speisewasservorwärmung der Dampfkraftanlage D entlasten. Die
dampfbeheizten Vorwärmer 3 der Dampfkraftanlage D werden dabei ganz oder teilweise
stillgesetzt und eine entsprechend höhere Leistungsabgabe im Dampfprozeß mit gleichbleibender
oder etwa gleichbleibender Frischdampfmenge für den Dampfprozeß erreicht. Die höhere
Leistungsabgabe im Dampfprozeß wird damit ohne Erhöhung der Kesselleistung der Kesselanlage
1 und ohne Erhöhung der Schluckfähigkeit des Turbosatzes 2 erreicht. Zu dieser Mehrleistung
im Dampfprozeß addiert sich während der Spitzenzeit die Leistungserzeugung der Gasturbinenanlage
G.
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Die Gasturbinenanlage G ist als Zweiwellenanlage mit einem Niederdruckteil
5 a, bestehend aus Niederdruckverdichter und Niederdruck-Gasturbine, und
dem Hochdruckteil 5 b, bestehend aus dem Hochdruckverdichter, der Hochdruckturbine
und dem Generator angenommen. Die Brennkammer 4 a dient zur Aufheizung des Arbeitsmittels
auf die obere Prozeßtemperatur. In der Brennkammer 4 b wird das Arbeitsmittel zwischenüberhitzt
auf eine Prozeßtemperatur gleich oder geringer der oberen Prozeßtemperatur. Ein
Wärmetauscher 6 dient zur regenerativen Vorwärmung der angesaugten verdichteten
Luft. Der Wärmetauscher 6 ist, in Strömungsrichtung des Abgases gesehen, den abgasbeheizten
Speisewasservorwärmern 7 a und 7 b vorgeschaltet. Der Gasturbinenprozeß G ist als
offener Prozeß angenommen. Grundsätzlich läßt sich die Kopplung der beiden Prozesse
auch mit jeder anderen Gasturbinenschaltung in Ein-oder Mehrwellenbauweise mit und
ohne Zwischenüberhitzung, sowie mit und ohne Zwischenkühlung der verdichteten Luft
zwischen den einzelnen Verdichterstufen und auch mit und ohne Wärmetauscher ausführen.
Schließlich ist die Kopplung der beiden Prozesse für Gasturbinenanlagen im offenen,
im geschlossenen oder halbgeschlossenen Prozeß grundsätzlich möglich. Auch für die
Auslegung der Dampfkraftanlage selbst werden keine speziellen Auslegungsvorschriften
verlangt.
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Insgesamt beträgt die Mehrleistung der kombinierten Anlage etwa 70%,
wovon auf die Gasturbinenanlage etwa vier Fünftel und auf die Mehrleistung im Dampfprozeß
etwa ein Fünftel entfallen.
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Die Gasturbinenanlage wird in der Regel schon mit Rücksicht auf die
mögliche Grenzleistung von Gasturbinen im offenen Prozeß auf mehrere Einheiten aufgeteilt.
Für die abgasbeheizten Speisewasservorwärmer ergibt sich damit die gleiche Aufteilung.
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Die Speisewasservorwärmung im Dampfprozeß wird üblicherweise auch
in mehrere Stränge aufgeteilt, wodurch sich zwanglos die Möglichkeit ergibt, die
Gasturbineneinheiten nacheinander einzusetzen. Es kann also ein Teil der Speisewassermenge,
wie üblich, im Dampfprozeß selbst, und nur der verbleibende Teil im Gasturbinenprozeß
vorgewärmt werden. Erst wenn die Spitzenbelastung die maximale Leistungsgrenze der
kombinierten Anlage erreicht hat, wird das gesamte Speisewasser des Dampf-Kreislaufes
mit dem Abgas der Gasturbinenanlage vorgewärmt. Mit der Unterteilung der Gasturbinenleistung
in mehrere Einheiten wird eine flüssigere Fahrweise und Anpassung an die jeweiligen
Lastverhältnisse ermöglicht.
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Der Dampfteil D der Anlage ist gemäß der Zeichnung als Grundlastanlage
mit Zwischenüberhitzung auf Frischdampftemperatur und mit mehrstufiger Speisewasservorwärmung
und Frischwasserkühlung ausgelegt. Es erübrigt sich darauf hinzuweisen, daß die
Auslegungsgrößen der Dampfkraftanlage durch die Kombination mit dem Gasturbinenprozeß
bei Spitzenlastbetrieb in keiner Weise eingeschränkt sind. Für den Dampfteil der
kombinierten Anlage können auch z. B. höhere Frischdampfdrücke, höhere Frischdampftemperatur,
höhere Speisewasservorwärmung oder eventuell zweistufige Zwischenüberhitzung gewählt
werden. Ist eine Gasturbinenanlage, die aus mehreren Einheiten in Zweiwellenbauweise
und offener Prozeßführung besteht, dem Dampfteil zugeordnet, dann treibt die Niederdruck-Gasturbine
den Niederdruckverdichter, während die Hochdruck-Gasturbine den Hochdruckverdichter
und den Generator antreibt. Auf eine Zwischenkühlung der angesaugten Luft zwischen
Niederdruckverdichter und Hochdruckverdichter kann verzichtet werden, um ein genügend
hohes Temperaturniveau der Abgase für die Speisewasservorwärmung zu erhalten. Im
Gasturbinenprozeß kann ein Wärmetauscher vorgesehen sein, der einen Teil der Abwärme
zunächst im eigenen Prozeß zur Vorwärmung der Luft nach dem Hochdruckverdichter
und vor Eintritt in die erste Brennkammer ausnutzt. Die abgasbeheizten Speisewasservorwärmer
sind also dem Wärmetauscher des Gasturbinenprozesses nachgeschaltet.
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Bei reinen Gasturbinen-Spitzenlastkraftwerken wird man in den meisten
Fällen auf einen Wärmetauscher verzichten, um die Anlagekosten zu verringern. Gegenüber
einer kombinierten Anlage ohne diesen Wärmetauscher läßt sich - bei gegebener Leistungsgröße
des Dampfteiles - mit Wärmetauscher eine höhere Gasturbinenleistung und damit höhere
Spitzenlastabgabe erreichen. Der Wärmetauscher verringert die Temperaturspanne des
Abgases, in welcher die Speisewasservorwärmung zu erfolgen hat. Wird durch den vorgeschalteten
Wärmetauscher im Gasturbinenprozeß die abgasseitige Temperaturspanne der Wärmeübertragung
im Speisewasservorwärmer verringert, erhöht sich entsprechend die benötigte Abgasmenge.
Die Abgasmenge und damit die Kreislaufmenge im Gasturbinenprozeß ist bei sonst gleichen
Verhältnissen proportional der Gasturbinenleistung. Im Interesse einer möglichst
hohen Spitzenlastabgabe sollte die Gasturbinenleistung möglichst groß sein, was
durch die Anordnung eines Wärmetauschers - wie dargelegt - erreicht wird.
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Die Entgasung des Speisewassers wird bei der vorgeschlagenen Anlage
auch im Spitzenlastbetrieb im dampfbeheizten Entgaser der Anlage durchgeführt. Während
der Spitzenbelastung durchläuft das Speisewasser also zunächst den abgasbeheizten
Niederdruck-Speisewasservorwärmer, tritt danach in den Entgaser-Mischvorwärmer der
Dampfkraftanlage und
wird schließlich durch den abgasbeheizten Hochdruck-Speisewasservorwärmer
in den Kessel gedrückt.
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Die Austrittstemperatur des Abgases hinter dem Niederdruck-Speisewasservorwärmer
muß so hoch gewählt werden, daß bei schwefelhaltigen Abgasen die Gefahren der Taupunktunterschreitung
im Speisewasservorwärmer behoben sind. Aus dem gleichen Grunde wird in der Regel
der Niederdruck-Speisewasservorwärmer als Gleichstrom-Wärmetauscher ausgeführt.
Das Abgas mit der im Niederdruck-Speisewasservorwärmer höchsten Temperatur überträgt
die Wärme an das Speisewasser. Im Gleichstrom mit dem Speisewasser wird das Abgas
auf z. B. 180' C abgekühlt und das Speisewasser auf etwa 161° C aufgewärmt.
Damit sind auch örtliche Taupunktunterschreitungen ausgeschlossen.
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Im übrigen ist die Gefahr einer Taupunktunterschreitung hier geringer
als vergleichsweise bei einer Dampfkesselanlage, die mit gleichem Brennstoff befeuert
wird. Die Abgase des Gasturbinenprozesses sind durch den sehr großen Luftüberschuß
viel weniger konzentriert.
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Der abgasbeheizte Hochdruck-Speisewasservorwärmer wurde dagegen als
Gegenstrom-Wärmeaustauscher ausgebildet.
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Der spezifische Wärmeverbrauch der kombinierten Anlage ist dadurch
wesentlich besser als der einer reinen Gasturbinen-Spitzenlastanlage und auch besser
als der einer vergleichbaren Dampfturbinen-Spitzenlastanlage.
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Mit der kombinierten Prozeßführung sind keine besonderen betrieblichen
Schwierigkeiten zu erwarten. Der Umschaltvorgang von Dampfvorwärmung auf Abgasvorwärmung
des Speisewassers ist verhältnismäßig einfach.
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In der Spitzenlastzeit wird die Gasturbinenanlage zunächst ohne Kopplung
mit dem Dampfprozeß angefahren. Die Abgase des Gasturbinenprozesses treten dabei
zunächst wie üblich ins Freie aus. Wird die Abgasumleitung zu den abgasbeheizten
Speisewasservorwärmern geöffnet, schließen vermöge vorgesehener Kopplungen automatisch
die Absperrungen in der Speisewasserleitung vor und nach der dampfbeheizten Vorwärmsäule
und öffnen gleichzeitig die vorher geschlossenen Absperrungen in der Speisewasserleitung
vor den abgasbeheizten Speisewasservorwärmern. Die abgasbeheizten Speisewasservorwärmer
sind bereits im Normalbetrieb mit dem aufgewärmten Speisewasser aufgefüllt, so daß
während des Umschaltvorganges eine gewisse Speichermenge vorhanden ist und keine
Störung in der Versorgung des Kessels auftritt.
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Am Schluß dieser Ausführungen sollen die Vorteile der kombinierten
Prozeßführung noch einmal zusammengefaßt werden.
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Die spezifischen Anlagekosten der Spitzenlastanlage im kombinierten
Dampfturbinen-Gasturbinen-Prozeß sind geringer als die entsprechenden Anlagekosten
üblicher Gasturbinen- oder Dampfturbinen-Spitzenlastkraftwerke. Für die im Dampfteil
der kombinierten Anlage mögliche Mehrleistung brauchen nur geringe Mehrkosten aufgebracht
zu werden. Die zusätzlichen Anlagekosten betreffen vor allen Dingen die Kosten der
Gasturbinenanlage. Der Leistungsanteil der Gasturbinenanlage an der gesamten möglichen
Spitzenlast beträgt etwa 8311/o. Damit sind die spezifischen Anlagekosten, bezogen
auf die ge-Samte abgebbare Spitzenleistung, verhältnismäßig gering.
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Als gesamte abgebbare Spitzenleistung ist hier die gesamte Mehrleistung
der kombinierten Anlage, also die Mehrleistung im Dampfteil durch Wegfall der urigesteuerten
Anzapfungen plus abgebbare Leistung der Gasturbinenanlage bezeichnet.
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Beim kombinierten Dampfturbinen-Gasturbinen-Prozeß läßt sich ein spezifischer
Gesamt-Wärmeverbrauch erreichen, der wesentlich besser als der einer reinen Gasturbinenanlage
nud nur unwesentlich schlechter als der einer reinen Dampftkraftanlage für Grundlastbetrieb
ist. Damit erreicht die kombinierte Prozeßführung spezifische Wärmeverbrauchswerte,
die im reinen Gasturbinenprozeß nicht, und im Spitzenlast-Dampfkraftwerk nur schwer
erreichbar sind.
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Die Gasturbinenanlage kann sehr schnell angefahren werden und folgt
damit den Leistungsforderungen in der Spitzenzeit unmittelbar.
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Die beim Dampf-Spitzenlastkraftwerk unvermeidlichen Stillstandsverluste
und die Verluste beim Wiederanfahren sind bei einer Gasturbinenanlage viel geringer
als die eines Dampf-Spitzenlastkraftwerkes.
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Die Mehrleistung der Dampf- und der Gasturbinenanlage wird praktisch
ohne Anstieg des Eigenbedarfs der Gesamtanlage erreicht.
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Die Mehrleistung der Dampf- und der Gasturbinenanlage wird praktisch
ohne Anstieg des Kühlwasserbedarfs der Gesamtanlage erreicht.
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Die Gasturbinenanlage des kombinierten Prozesses kann auch völlig
getrennt von der Dampfkraftanlage für sich allein betrieben werden und stellt damit
bei Ausfall der Dampfkraftanlage eine willkommene Leistungsreserve dar.
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Gegenüber anderen Vorschlägen für ein Spitzenlastkraftwerk (mit Warmwasser-Verdrängungsspeicher
und Entspannungskondensationsturbinen) hat die vorgeschlagene Schaltung den Vorteil
eines flüssigeren Betriebes. (Keine notwendige Leistungsabnahme im Ladebetrieb,
d. h. in der Schwachlastzeit, keine Begrenzung der Leistungsabgabe durch gegebenes
Fassungsvermögen eines Verdrängungsspeichers usw.) Außerdem werden geringere Anlagekosten
und wesentlich günstigerer Wärmerverbrauch erreicht. Schließlich sind auch keine
Turbinenneukonstruktionen notwendig, und der erforderliche Platzbedarf ist geringer.