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Wärmekraftanlage Die Erfindung bezieht sich auf eine Wännekraftanlage
mit kombiniertem Gas-Dampf-Prozeß. Es ist an sich bereits bekannt, einer vorzugsweise
in Blockschaltung arbeitenden Dampfkraftanlage eine Gaskraftanlage mit im offenen
Gleichdruckprozeß arbeitender Verbrennungsgasturbine vorzuschalten. Es ist weiterhin
bekannt, zur Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades bei einem solchen Kraftwerk
die Dampfkraftanlage mit hochwertiger Speisewasserregenerativvorwärmung auszurüsten.
Die vorgeschaltete Gasturbine soll dem Zwecke einer Wirkungsgrad- und Leistungssteigerung
im Sinne eines sogenannten Toppingprozesses dienen.
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Bei den bisher bekannten zahlreichen Anlagen dieser Art pflegt man
einen Kompromiß zwischen wirtschaftlich optimaler Auslegung der Dampfkraftanlage
und der Gasturbinenanlage anzustreben, wobei es im allgemeinen Schwierigkeiten bereitet,
die vom Gasturbinenprozeß noch anfallende Restwärme wirtschaftlich auszunutzen,
wenn man gleichzeitig im Dampfkraftsystem die Speisewasserregenerativvorwärmung
hochzutreiben bestrebt ist. Es fallen dann auch im Dampfkraftsystem überschüssige
Wärmemengen an, deren Verwertung nicht ohne weiteres möglich ist.
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Diese Schwierigkeiten werden durch die Erfindung beseitigt. Bei der
Erfindung wird von einer Dampfkraftanlage ausgegangen, die eine umfangreiche Regenerativvorwännung
umfaßt und bereits nahezu wirtschaftlich optimal oder zumindest hoch wirtschaftlich
ausgelegt ist. Es geht bei der Erfindung nun darum, einerseits die Erhaltung eines
höchstmöglichen Wirkungsgrades sicherzustellen oder in Verbindung mit der vorgeschalteten
Gaskraftanlage noch eine weitere Wirkungsgradsteigerung herbeizuführen, andererseits
aber auch gleichzeitig eine Leistungssteigerung zu bewerkstelligen. Im Gegensatz
zu zahlreichen bekannten Anlagen, wo es zwar gelingt, den Wirkungsgrad zu steigern,
aber wo keine zusätzliche Leistung erzeugbar ist, kommt der Erfindung die Bedeutung
zu, daß gleichzeitig mit der Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades die Leistung
der Anlage erhöht werden kann.
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Es sind bereits kombinierte Gas-Dampf-Kraftanlagen bekanntgeworden,
bei denen von einer niederdruckseitigen und einer hochdruckseitigen Speisewasserregenerativvorwärmung
Gebrauch gemacht wird. Bei einer bekannten Anlage dieser Art erfolgt eine Abgaswärmeverwertung
durch Wärmeabgabe an einen Teilstrom des Speisewassers. Es ist weiterhin bekannt,
im Kesselabgasstrom einen Gasturbinenluftvorwärmer einem Speisewasservorwärmer vorzuschalten.
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Die Erfindung sieht ebenfalls diese Maßnahmen bei einer Wärmekraftanlage
vor, die mit Zwischenüberhitzung arbeitet und bei der die Abgase einer vorgeschalteten
offenen Gleichdruckverbrennungsgasturbine bei etwa Atmosphärendruck in den Feuerraum
des Dampferzeugers eingeleitet werden. Die Erfindung besteht darin, daß a) in an
sich bekannter Weise der Speisewasservorwänner wasserseitig im vollen Speisewasserstrom
zwischen den Niederdruck- und Hochdruckregenerativvorwännern angeordnet ist, b)
die Gasturbinenanlage so bemessen ist, daß der Sauerstoffgehalt ihres Abgasstromes
allein für die Kesselfeuerung bei voller Dampfleistung, unabhängig von den jeweiligen
atmosphärischen Bedingungen, hinreicht, wobei die in der Kesselfeuerung nicht verwertbaren
Turbinenabgase bei Teillast der Dampfkraftanlage und bei gegenüber dem der Bestlast
zugeordneten Luftansaugezustand niedrigeren Luftansaugetemperaturen der Gasturbine
über einen Steuer- oder regelbaren Bypaß dem Kesselabgasstrom vor dem Gasturbinenluftvorwärmer
beigemischt werden, c) die Kesselheizflächen so ausgelegt sind, daß die Differenz
der Temperatur der in dem Gasturbinenluftvorwärmer eintretenden Gase und der Speisewasserendtemperatur
am Eintritt in den
Dampferzeuger bei dem der Bestlast der Dampfkraftanlage
zugeordneten Luftansaugezustand der Gasturbine einen Wert von etwa 80° C nicht überschreitet.
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Zum Stand der Technik im Vergleich mit Element a) ist hierbei zu bemerken:
Wenn bei einer bekannten Anlage zwar ein rauchgasseitig beheizter Speisewasservorwärmer
zwischen Speisewasserpumpe und Hochdruckregenerativvorwärmeranlage eingeschaltet
ist, so fehlt dort aber ein vorheriger Wärmeabbau der Rauchgase in einem Luftvorwärmer
für die Gasturbine, dessen Notwendigkeit mit Rücksicht auf die Beibehaltung der
optimal ausgestatteten Regenerativvorwärmung begründet ist. Bei dieser bekannten
Anlage kann dementsprechend das Dampfkraftsystem nicht niit hohem Wirkungsgrad betrieben
werden, weil die Regenerativvorwärmung notwendigerweise verringert werden muß. Demgegenüber
nutzt aber die Erfindung die regenerative Speisewasservorwärmung weitgehend aus.
Dieser an sich bekannten Anordnung der rauchgasbeheizten Speisewasservorwärmer.
im . vollen Speisewasserstrom zwischen Regenerativstufen kommt somit im Rahmen der
Erfindung eine besondere Bedeutung zu.
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Ein Vergleich des Standes der Technik mit Element b) ergibt: Es ist
weiterhin eine Wärmekraftanlage mit Gasturbinensystem und Dampfkraftsystem bekanntgeworden,
wobei eine Teilung des Gasstromes vorgesehen ist. Bei der bekannten Anlage ist im
Abgasstrom der Gasturbine ein Bypaß abgezweigt, der durch geeignete Klappen steuer-
oder regelbar ist. Während die Hauptmenge des Abgasstromes in die Feuerung des Kessels
eingeleitet wird, mündet der Bypaß in den Kessel an, einer solchen Stelle
des Rauchgasweges, an der der abgesunkene Temperaturwert der Kesselrauchgase etwa
gleich der Temperatur der über den, Bypaß geführten Restgasmenge ist. Demgegenüber
sieht die Erfindung aber eine Einmündung des.. Bypasses in den Rauchgasstrom an
einer Stelle vor,. die vor dem, Gasturbinenluftvorwärmer liegt. Damit kommt der
gesamte Rauchgas- und Abgasstrom der Luftvorwärmung des Gasturbinensystems zugute.
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Zu dem in Element b) erwähnten Begriff »Bestlast« wird ferner erklärend
bemerkt, daß dieser nicht mit Vollast oder Nennlast verwechselt werden darf. Beim
erfindungsgemäßen, kombinierten Prozeß ist die Bestlast.vielmehr definiert als diejenige
Last, bei der der höchste Gesamtwirkungsgrad erreicht wird, wobei zu beachten ist,
daß dieser Gesamtwirkungsgrad natürlich vom jeweiligen Wert der Umgebungstemperatur
sowohl nach seiner Größe wie nach seiner Lage (ausgedrückt in den verschiedenen
Betriebsparametern, z. B. Verdichtungsdruckverhältnis der Gasturbinenanlage usw.)
abhängig ist.
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Zu Element c) wird erklärt, daß dasselbe in diesem Zusammenhang nur
in Verbindung mit allen übrigen Merkmalen des Hauptanspruches unter Schutz stehen
soll.
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Alle Maßnahmen der Erfindung dienen der Aufrechterhaltung einer umfangreichen
Regenerativvorwärmung im Dampfkraftsystem, wie sie bei Dampfkraftanlagen ohne vorgeschaltete
Gasturbinenanlage erzielbar ist. Wichtig ist dabei eine solche Bemessung der Anlage,
daß das mittlere Temperaturniveau der vorgeschalteten Gasturbine bei gegebener Eintrittstemperatur
in dieselbe -und unabhängig von einem frei wählbaren und zweckmäßig angepaßten Verdichtungsdruckverhältnis
möglichst hoch bleibt, gleichzeitig aber die Führung des Dampfkraftprozesses in
der zuvor geschilderten Weise erfolgt.
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Dies ist auch für den Fall von besonderer Bedeptung, wenn die Gasturbinenanlage
ausfallen sollte oder aus anderen Gründen außer Betrieb gesetzt wird. Beim Übergang
auf Teillast kann man beispielsweise daran denken, die Gasturbinenanlage abzuschalten.
Man kann dann mit Vorteil den Dampferzeuger in an sich bekannter Weise niit einem
Frischluftgebläse zur Versorgung der Dampferzeugerfeuerung mit aus einem dampfbeheizten
Luftvorwärmer vorgewärmter Frischluft ausstatten, derart, daß bei vorübergehender
Stillsetzung der Gasturbinenanlage die Dampfturbinenanlage selbständig allein weiterarbeitet.
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An Hand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Die
Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel in seinen für die Erfindung wesentlichen Teilen
in stark vereinfachter schematischer Darstellung eines Wärmeschaltbildes.
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Die Dampfkraftanlage ist in Gestalt eines Zwangstromdurchlaufkessels
mit Kraftmaschine in Blockschaltung ausgebildet und arbeitet als hochwertige Anlage
mit Zwischenüberhitzung und sowohl niederdruckseitiger als auch hochdruckseitiger
Regenerativspeisewasservorwärmung. An den Kessel l mit dem überhitzer 2 ist die
Dampfkraftmaschine angeschlossen. Mit 3 ist der Hochdruckteil, mit 4. der
Mitteldruck- und mit 5 der Niederdruckteil der Dampfturbine bezeichnet. Zwischen
Hochdrucktei13 und Mitteldruckteil4 befindet sich ein Zwischenüberhitzer 6. Aus
dem Turbinenkondensator 7 ;fördert die Kondensatpumpe 8 das Speisewasser in die
mehrstufige Niederdruckregenerativvorwärmanlage 9,
welcher der Speisewasserbehälter
10 nachgeschaltet ist. Mit 11 ist die Speisewasserpumpe und mit 12 eine mehrstufige
Hochdruckregenerativvorwärmung bezeichnet. Im Dampferzeuger können verschiedene
Brennstoffarten von fester, flüssiger oder gasförmiger Beschaffenheit für sich allein
oder zusammen wahlweise verfeuert werden.
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Die Gasturbinenanlage arbeitet nach dem Verfahren des offenen Gleichdruckprozesses,
wobei gegebenenfalls eine Zwischenkühlung der verdichteten Verbrennungsluft stattfindet
und auch gegebenenfalls eine Zwischenbrennkammer oder deren mehrere eingeschaltet
sein können. Der Verdichter 13 für die anzusaugende Verbrennungsluft fördert diese
in die Brennkammer 14, welcher gleichzeitig über die Zufuhr 15 ein
Brennstoff geeigneter Form zugeleitet wird. Die Gasturbine ist mit 16 bezeichnet,
wobei es durchaus möglich ist, an Stelle einer einzigen Gasturbine auch deren mehrere
zu verwenden.
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Das noch sauerstoffhaltige Verbrennungsabgas der Gasturbine 16 soll
bei Vollast als alleinige Verbrennungsluft für die im Dampferzeuger zu verfeuernden
Brennstoffe genügen. Von der Gasturbine 16 gelangen die Verbrennungsabgase
auf dem Weg 17 zur Feuerung des Kessels 1. Mit 18 ist eine Bypaßleitung mit
verstellbarer Klappe 19 bezeichnet, die der Regelung dient.
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Die im Kessel nicht zur Dampferzeugung im Anschluß an die regenerative
Speisewasservorwärmung austauschbare Rauchgaswärme wird bei geeigneter Temperatur
zu einem Vorwärmer 20 für die Verbrennungsluft der Gasturbinenanlage überführt.
Die
dann hier nicht austauschbare Wärme gelangt schließlich auf
dem Wege 21 zu dem rauchgasbeheizten Speisewasservorwärmer 22, der zwischen
Niederdruck- und Hochdruckregenerativsystem des Dampferzeugers angeordnet ist, und
welcher vom vollen Speisewasserstrom beaufschlagt wird. Bei dem Gegenstand der Erfindung
ist es bedeutsam, daß dieser Vorwärmer in den Fluß des gesamten Speisewassers eingeschaltet
ist und nicht im Bypaß hierzu liegt.
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Das Durchsatzvolumen der Gasturbine ist auf die Belange der dem Feuerraum
des Dampferzeugers zuzuführenden Luftmenge abgestimmt, so daß jeweils entsprechend
der im Feuerraum des Dampferzeugers zur Verfeuerung kommenden Brennstoffart die
bei Bestlast der Anlage notwendige, gegebenenfalls etwas erhöhte Sauerstoffmenge
zur Erreichung einer gegebenenfalls vorgesehenen dampfseitigen überlast zur Verfügung
steht.
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Wie bereits mehrfach erwähnt, wird bei der Dampfkraftanlage von einem
System ausgegangen, dessen Bemessung hinsichtlich Frischdampfzustand, Zwischenüberhitzertemperatur,
Vakuum im Kondensator, Austrittstemperatur des Rauchgases aus dem Prozeß usw., möglichst
hochwertig ausgelegt ist. Auch nach Vorschaltung des Verbrennungsgasturbinenprozesses
nach der Arbeitsweise des offenen Gleichdruckprozesses sollen diese Daten unverändert
beibehalten werden können.
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Es kommt nun darauf an, daß dem vorgeschalteten Gasturbinenprozeß
eine möglichst hohe mittlere Temperatur der Wärmezufuhr durch Brennstoff mittels
Rauchgaswärmerückführung aus dem Dampferzeuger zum Vorwärmen der verdichteten Verbrennungsluft
erhalten bleibt, während gleichzeitig der Regenerativdampfentnahmestrom aus der
Turbine, bezogen auf die erzeugte Frischdampfmenge, zumindest beibehalten wird,
so daß damit auch der Verlust durch die im Kühlwasser abzuführenden Kondensatwärmemengen
bei gleichem Vakuum nahezu unverändert bleibt gegenüber dem reinen Dampfkraftprozeß.
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Diese für eine Kopplung zwischen Gasturbine und Dampfkraftprozeß zur
Erzielung höchstmöglicher Wirkungsgrade bei gleichzeitiger Leistungssteigerung wichtigen
Wirkungen werden durch die Erfindung erzielt, bei der im Gegensatz zu den bisher
bekannten Anlagen ähnlicher Art im einzelnen eine Abstimmung folgender Parameter
ermöglicht wird: Die Austrittstemperatur des Rauchgases aus dem Dampferzeuger, d.
h. die übertrittstemperatur zum Turbinenluftvorwärmer, kann unabhängig von einem
gegebenen oder zweckmäßig zu wählenden Druckverhältnis und gegebener Verbrennungsgaseintrittstemperatur
in die Gasturbine gleich oder kleiner als die Verbrennungsgasaustrittstemperatur
aus der Gasturbine gewählt werden. Gleichzeitig kann die Temperaturdifferenz zwischen
Speisewasserendvorwärmung und Rauchgasaustrittstemperatur aus dem Dampferzeuger
in einem für den Heizflächenaufwand des Endeconomisers wirtschaftlichen Abstand
gewählt werden. Hiermit läßt sich gleichzeitig eine derartige Bemessung der regenerativen
Endvorwärmung des Speisewassers wählen, daß die Summe der Dampfentnahmemengen der
Turbine, bezogen auf die erzeugte Frischdampfmenge - und bei Einschaltung des rauchgasbeheizten
Speisewasservorwärmers -mindestens die gleiche Größe als die des reinen Dampfkraftprozesses
ohne vorgeschalteten Gasturbinenprozeß aufweist.
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Im Gegensatz zu den bekannten Anlagen, bei denen Kompromisse zwischen
Wirtschaftlichkeit einerseits und Bauaufwand für die Dimensionierung der Vorwärmer
und Wärmeaustauscher andererseits entweder zum Inkaufnehmen höherer Verluste oder
zu sehr aufwendigen Anlagen führen, erhalten bei der Anlage nach der Erfindung die
Abmessungen der Heizflächen für den Dampferzeuger, den Luftvorwärmer und den rauchgasbeheizten
Speisewasservorwärmer eine dem jeweiligen Objekt angepaßte wirtschaftliche Größe.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind für einen bestimmten Betriebszustand,
für den die Anlage günstig ausgelegt ist, Betriebswerte angegeben, ohne daß jedoch
damit die Anlage auf diese Bemessungen beschränkt sein muß.