DE1201612B - Gas turbine heating plant - Google Patents
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Description
Gasturbinen-Heizkraftanlage Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinen-Kraftanlage mit Ausnutzung der Abwärme des Turbinen-Abgasstromes. Es sind derartige Kraftanlagen bekannt, bei denen der Abgasstrom der Gasturbine, der ein Luftwärinetauscher zur Verbesserung des Gasturbinenprozesses nachgeschaltet ist, dahinter einen Heißwasserwärmetauscher zur Heizwärmeversorgung eines Fernheiznetzes beaufschlagt. Im allgemeinen werden derartige Heizkraftwerke nur so lange betrieben, als ein Wärmebedarf im Heiznetz vorliegt, vielfach ist es aber wünschenswert, die Gaskraftmaschine auch im Sommer oder zu Zeiten geringen Wärmebedarfes für die zu versorgenden Wärmeyerbraucher in Betrieb zu halten, um elektrische Energie zu gewinnen. Die Abgase der Gasturbine verlassen dann den Luftwärmetauscher ungenutzt und strömen über eine Umführungsleitung am Wasserwärmetauscher vorbei ins Freie.Gas turbine power plant The invention relates to a gas turbine power plant with utilization of the waste heat from the turbine exhaust gas flow. There are such power plants known, in which the exhaust gas flow of the gas turbine, which is an air heat exchanger for Improvement of the gas turbine process is connected downstream, behind it a hot water heat exchanger applied to the heating supply of a district heating network. Generally will such thermal power stations operated only as long as there is a need for heat in the heating network is present, but in many cases it is desirable to also use the gas engine in summer or at times of low heat demand for the heat consumers to be supplied in To keep operating in order to generate electrical energy. The exhaust gases from the gas turbine then leave the air heat exchanger unused and flow via a bypass line past the water heat exchanger into the open air.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine wirtschaftliche Verwertung der Abwärme des Gasturbinensystems auch dann zu ermöglichen, wenn kein oder nur ein geringer Bedarf an Wärme im Heiznetz vorhanden ist, um die Abwärme nicht nutzlos zu vergeuden, wie dies bei einer bekannten Anlage der Fall ist. Bei Gasturbinenanlagen, die nicht der Erzeugung von Heizwärme dienen und bei denen auch nicht daran gedacht wurde bzw. bei denen auch nicht die Möglichkeit besteht, ein Heiznetz zur Ausnutzung der Abwärme heranzuziehen, ist es bereits bekannt, der Gasturbinenanlage eine Dampfkraftanlage nachzuschalten. Bei derartigen kombinierten Gas-Dampf-Kraftanlagen ist es weiterhin bekannt, für die Dampfkraftanlage eine Zusatzfeuerung vorzusehen, um die für einen wirtschaftlichen Betrieb von Dampfturbinen gewünschten Dampfzustände zu schaffen. Bei derartigen kombinierten Kraftanlagen müssen aber Gaskraftsystem und Dampfkraftsystem in bestimmter Weise einander angepaßt werden, wobei, da nicht an eine Wärineausnutzung der Gasturbinenabwärme in einem Heiznetz gedacht ist, das Gasturbinensystem in seiner Auslegung auf das Dampfkraftwerk abgestimmt ist.The invention is based on the object of economic exploitation to enable the waste heat of the gas turbine system even if no or only there is a low demand for heat in the heating network, so that the waste heat is not useless wasted, as is the case with a known plant. In gas turbine systems, which are not used to generate heat and which have not been thought of was or where it is not possible to use a heating network To use the waste heat, it is already known that the gas turbine plant is a steam power plant downstream. It continues to be the case with combined gas-steam power plants of this type known to provide additional firing for the steam power plant in order to provide for one economic operation of steam turbines to create desired steam states. In such combined power plants, however, the gas power system and steam power system be adapted to each other in a certain way, since not to a heat utilization the gas turbine waste heat in a heating network is intended, the gas turbine system in its Design is matched to the steam power plant.
Bei der Gasturbinen-Kraftanlage nach der Erfindung ist aber die Dimensionierung des Gasturbinensystems auf die Belange einer Heißwasserbereitung im Sinn eines Heizkraftwerkes abgestimmt, wobei unter Verwendung mindestens eines, gegebenenfalls mit einer Zusatzfeuerung versehenen Heißwasserwärmetauschers das in diesem aufgeheizte Wasser als Wärmeträger für eine Versorgung, insbesondere Fernversorgung von Wärmeverbrauchern dient. Wenn jetzt wahlweise jedoch auch die Abwärme für eine Dampfkraftanlage herangezogen wird, so läßt sich die Dampferzeugungsanlage unabhängig von der Dimensionierung der Gaskraftanlage wählen. Während die Gaskraftanlage nur für den Fall der reinen Heizwärmeversorgung ausgelegt zu werden braucht, sieht die Erfindung für den Betriebsfall der Dampfkrafterzeugung zusätzliche Maßnahmen vor. Demgemäß besteht die Erfindung darin, daß bei einer Gasturbinen-Kraftanlage der geschilderten Art für den Betriebsfall der Wärmeausnutzung für die Dampfkrafterzeugung das im reinen Heizbetrieb der Wasseraufwärmung dienende Wärmetauschersystem wenigstens teilweise als Naßdampferzeuger arbeitet und der zum Betrieb der Dampfkraftmaschine benötigte Heißdampf entweder durch teilweise Entspannung des noch nicht oder nur gering verdampften Arbeitsmittels gebildet oder in an sich bekannter Weise in einem nachgeschalteten gesondert befeuerten überhitzer erzeugt wird.In the gas turbine power plant according to the invention, however, the dimensioning of the gas turbine system to the needs of hot water preparation in the sense of a thermal power station matched, using at least one, optionally with an additional firing equipped hot water heat exchanger, the water heated in this as a heat transfer medium is used for a supply, in particular remote supply of heat consumers. if now, however, the waste heat for a steam power plant is also optionally used, so the steam generation plant can be independent of the dimensions of the gas power plant Select. While the gas power plant is only for the case of pure heating needs to be interpreted, sees the invention for the operating case of steam power generation take additional measures. Accordingly, the invention is that in a gas turbine power plant of the type described for the operational case of heat utilization for steam power generation at least the heat exchanger system used for heating the water in pure heating mode partly works as a wet steam generator and the one to operate the steam engine required superheated steam either by partial relaxation of the not yet or only little vaporized working medium formed or in a known manner in a downstream separately fired superheater is generated.
An das Wännetauschersystem kann also beispielsweise eine Dampfkraftmaschine in Gestalt einer Niederdruck-Kondensationsturbine angeschlossen werden. Zur Verbesserung des Wirkungsgrades der Dampfkraftmaschine kann aber auch eine Überhitzung des Dampfes mit Hilfe eines getrennt befeuerten überhitzers vollzogen werden.A steam engine, for example, can be connected to the heat exchanger system can be connected in the form of a low-pressure condensation turbine. For improvement the efficiency of the steam engine can also result in overheating of the steam can be carried out with the help of a separately fired superheater.
Vielfach ist der Heißwasserwärmetauscher an sich bereits mit einer Zusatzfeuerung versehen, um unabhängig von dem jeweils zur Verfügung stehenden Abgasstrom der Gasturbine die von Fall zu Fall geforderte Wärme für die Aufheizung des Heißwassers aufbringen zu können. Mit einer derartigen Zusatzfeuerung kann man dementsprechend nicht nur höhere Temperaturen im Heiznetz erzeugen bzw. größere Mengen aufwärmen, als dies mit dem Ab- gasstrom der Gasturbine allein möglich wäre, sondern auch bei Lastschwankungen und auch bei völliger Stillsetzung der Gasturbine die erforderliche Aufheizung des Wärmeträgers für das Heiznetz sicherstellen.In many cases, the hot water heat exchanger is already provided with additional firing in order to be able to apply the heat required from case to case for heating the hot water independently of the exhaust gas flow available from the gas turbine. With such a supplementary one can not only generate higher temperatures in the heating network or large quantities warm up than with the exhaust gas stream of the gas turbine would be possible alone, but also with load fluctuations even in complete shutdown of the gas turbine the required heating of the heat carrier for accordingly secure the heating network.
Mit einer Zusatzbrennkammer kann nun der Heißwasserwärmetauscher so betrieben werden, daß zunächst in den ausschließlich oder überwiegend vom Abgasstrom der Gasturbine beaufschlagten Heizflächen zunächst nur Sattdampf erzeugt wird oder insbesondere bei erhöhtem Druck eine Aufwärinung nur in flüssiger Phase stattfindet, wonach dann in den der Zusatzfeuerung ausgesetzten Heizflächen eine überhitzung unter gegebenenfalls vorausgehender Verdampfung vorgenommen wird. Dabei ist es nicht unbedingt erforderlich, daß die Zusatzfeuerung mit dem Heißwasserwärinetauscher in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht ist, sondern es ist auch durchaus möglich, getrennte Einheiten aufzubauen, von denen die eine die Einrichtungen für die Zusatzfeuerung enthält. Darüber hinaus ist es naturgemäß noch möglich, in üblicher Weise die Zusatzfeuerung im Wärmetauschergehäuse selbst oder in Verbindung mit dem Wärmetauscher unterzubringen und in einer getrennten Anordnung noch eine weitere Feuerung vorzusehen, die mit überhitzerheizflächen ausgestattet ist.With an additional combustion chamber, the hot water heat exchanger can now do this be operated that initially in the exclusively or predominantly from the exhaust gas flow the heating surfaces acted upon by the gas turbine initially only generates saturated steam or in particular with increased pressure, warming up only takes place in the liquid phase, after which overheating occurs in the heating surfaces exposed to the additional firing is carried out with prior evaporation if necessary. It is not there It is absolutely necessary that the additional firing with the hot water heat exchanger is housed in a common housing, but it is also quite possible to build separate units, one of which is the equipment for the additional firing contains. In addition, it is of course still possible to use additional firing in the usual way to be accommodated in the heat exchanger housing itself or in connection with the heat exchanger and to provide another furnace in a separate arrangement with superheater heating surfaces is equipped.
Im übrigen sind für die Dampferzeugung nur verhältnismäßig geringe zusätzliche Apparaturen erforderlich gegenüber der reinen Wasseraufheizung, und der notwendige Aufwand beschränkt sich im wesentlichen auf eine Speisepumpe bzw. Umwälzpumpe, einen Speisewasserbehälter und die dazu benötigten Armaturen. Ein zusätzlicher überhitzer bzw. eine Heizfläche mit gesonderter Feuerung ist nicht unbedingt erforderlich, wenn man nicht besonderen Wert darauf legt, die Energiegewinnung noch zu steigern und die Wirtschaftlichkeit zu erhöhen. So können auch Betriebsdruck und Durchflußmenge im Heißwasserwärmetauscher für den Betrieb als Dampferzeuger gegebenenfalls so hoch gewählt werden, daß in den Heizflächen gar kein oder nur wenig Dampf entsteht und die Dampfentwicklung hauptsächlich erst hinter einem Reduzierventil durch Entspannung des heißen Wassers vor sich geht. Weiterhin kann der Speisewasserbehälter gleichzeitig die Trommel des Dampferzeugers darstellen, von welchem aus die Speisepumpe bzw. die zur Förderung des Wassers im Heiznetz bereits vorhandene Umwälzpumpe das Wasser für den Dampferzeuger entnimmt.Otherwise, only relatively small amounts are required for steam generation additional equipment required compared to pure water heating, and the necessary effort is essentially limited to a feed pump or Circulation pump, a feed water tank and the fittings required for this. An additional Superheater or a heating surface with a separate furnace is not absolutely necessary, if you do not attach particular importance to increasing the energy production and to increase profitability. Operating pressure and flow rate can also be adjusted in this way in the hot water heat exchanger for operation as a steam generator may be so high be chosen so that little or no steam is produced in the heating surfaces and the development of steam mainly only after a reducing valve through relaxation of the hot water going on. Furthermore, the feed water tank can be used at the same time represent the drum of the steam generator from which the feed pump resp. the circulation pump that is already present in the heating network for pumping the water for the steam generator.
An Hand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Die Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel in seinen für die Erfindung wesentlichen Teilen in vereinfachter schematischer Darstellung.The invention is to be explained in more detail with reference to the drawing. the Figure shows an embodiment in its essential parts for the invention in a simplified schematic representation.
Von der nicht näher dargestellten Gasturbinenanlage gelangt der Abgasstrom in Richtung des Pfeiles 1 über den Kanal 2 zum Heißwasserwärmetauscher 3, welcher eine vom aufzuwärmenden Wasser durchflossene Heizfläche 4 enthält. Der Zuführungskanal 2 für die Turbinenabgase ist in die beiden Äste 5 und 6 aufgegabelt, in denen sich bewegliche Klappen 7 und 8 befinden. Bei geöffneter Klappe 7 und geschlossener Klappe 8 treten die heißen Turbinenabgase durch geeignete Öffnungen, z. B. Schlitze 9, in das Innere des Wärmetauschers ein, geben ihre Wärme an die Heizfläche 4 ab und verlassen dann in Richtung des Pfeiles 10 die Anordnung. Eine Zusatzfeuerung ist durch die Pfeile 11 und 12 versinnbildlicht. Hier können geeignete Öl- oder Gasbrenner vorhanden sein, wobei sich durch die Öffnungen 13 und 14 Brennstoff zusammen mit Verbrennungsluft einführen läßt. Es ist aber auch möglich, unter Öffnen der Klappe 8 durch den Kanal 6 eine gewisse Teilmenge des Abgasstromes, gegebenenfalls mit Hilfe eines zusätzlichen Verbrennungsluftgebläses 15, in den unteren Teil des Wärmetauschers einzuführen. Dort können abermals, wie durch die Pfeile 16 und 17 versinnbildlicht ist, zusätzliche Feuerungen vorgesehen sein, wobei Brennstoff und Verbrennungsluft zugeführt werden. Vielfach ist bei den Turbinenabgasen der Sauerstoffanteil noch so hoch, daß nur geringe oder keine Zusatzluftmengen erforderlich sind.From the gas turbine system, not shown in detail, the exhaust gas flow arrives in the direction of arrow 1 via channel 2 to hot water heat exchanger 3, which contains a heating surface 4 through which the water to be warmed up flows. The feed channel 2 for the turbine exhaust gases is forked into the two branches 5 and 6 , in which movable flaps 7 and 8 are located. When the flap 7 is open and the flap 8 is closed, the hot turbine exhaust gases pass through suitable openings, e.g. B. slots 9, in the interior of the heat exchanger, give off their heat to the heating surface 4 and then leave the arrangement in the direction of arrow 10. Additional firing is symbolized by arrows 11 and 12. Suitable oil or gas burners can be present here, whereby fuel can be introduced through the openings 13 and 14 together with combustion air. However, it is also possible to introduce a certain amount of the exhaust gas flow into the lower part of the heat exchanger by opening the flap 8 through the channel 6 , if necessary with the aid of an additional combustion air blower 15. There, again, as symbolized by arrows 16 and 17 , additional furnaces can be provided, with fuel and combustion air being supplied. In many cases, the proportion of oxygen in the turbine exhaust gases is still so high that only small or no additional air quantities are required.
Im unteren Teil des Wärmetauschers 3 befindet sich die Heizfläche 18, die der im oberen Teil des Heißwasserwärmetauschers untergebrachten Heizfläche 4 angehört. Darüber hinaus ist noch eine zusätzliche Heizfläche 19 vorgesehen, die als Verdampferüberhitzerheizflächeverwendbar ist. Sie ist imnormalen Betrieb stillgelegt und wird dann durch die vorgelagerte Heizfläche 18 gegen unzulässige Strahlung der Heizung 11, 12 abgeschirmt.In the lower part of the heat exchanger 3 is the heating surface 18, which belongs to the heating surface 4 accommodated in the upper part of the hot water heat exchanger. In addition, an additional heating surface 19 is provided, which can be used as an evaporator superheater heating surface. It is shut down in normal operation and is then shielded from impermissible radiation from the heater 11, 12 by the upstream heating surface 18.
Bei Betrieb der Kraftanlage zur Versorgung eines Heißwasserheiznetzes tritt das aufzuwärmende Wasser durch die Leitung 20 über den Verteiler 21 in die Heizfläche 4 ein. In dieser Heizfläche und gegebenenfalls noch in der daran anschließenden Heizfläche 18 wird das Wasser aufgeheizt und verläßt über die Leitung 22 bei geöffnetem Ventil 23 die Anlage, um die Wärmeverbraucher im Heiznetz 24 zu versorgen.When the power plant is in operation to supply a hot water heating network, the water to be heated enters the heating surface 4 through the line 20 via the distributor 21. The water is heated in this heating surface and possibly also in the heating surface 18 connected to it and leaves the system via the line 22 with the valve 23 open in order to supply the heat consumers in the heating network 24.
Zur Umwälzung des Heißwassers für das Heiznetz kann eine Pumpe 25 dienen, die in der Rücklaufleitung 26 angeordnet ist. Bei geöffneten Ventilen 27 und 28 wird dann das aufzuwärmende Wasser von der Leitung 26 in die Leitung 29 zur Eintrittsleitung 20 des Wärmeaustauschers geführt. Dabei sind die Ventile 30 und 31 geschlossen. A pump 25 , which is arranged in the return line 26 , can be used to circulate the hot water for the heating network. When the valves 27 and 28 are open, the water to be heated is then passed from the line 26 into the line 29 to the inlet line 20 of the heat exchanger. The valves 30 and 31 are closed.
Die Förderpumpe 25 kann gegebenenfalls entfallen oder durch eine schwächere Pumpe ersetzt werden, wenn die Wasserumwälzung durch die Pumpe 32 bewerkstelligt wird. In diesem Fall werden die Ventile 28 und 33 geschlossen und die Ventile 30 und 31 geöffnet. Die Umwälzpumpe 32 fördert dann ganz oder überwiegend das Wasser für das Heiznetz.The feed pump 25 can optionally be omitted or replaced by a weaker pump if the water is circulated by the pump 32 . In this case, the valves 28 and 33 are closed and the valves 30 and 31 are opened. The circulation pump 32 then conveys all or most of the water for the heating network.
Soll nun beispielsweise im Sommer oder zu Zeiten, in welchen kein Wärmebedarf der Wärmeverbraucher vorliegt, Dampf erzeugt werden, der in einer Dampfkraftmaschine zur Energiegewinnung Arbeit leistet, so kann zweckmäßig nach Entwässerung des gesamten Heizflächensystems und Auffüllung mit Speisewasser hohen Reinheitsgrades, insbesondere mit vollentsalztem Wasser nach Schließen der Ventile23 und 27 das Heiznetz abgetrennt werden, Dann ist ein Betrieb als Naßdampferzeuger mit Hilfe der Umwälzpumpe 32 und der Trommel 34 möglich. Die Heißdampftemperatur kann dabei gegebenenfalls durch die zusätzliche Feuerung 16, 17 geregelt werden.If, for example, in the summer or at times when there is no heat demand from the heat consumer, steam is to be generated that does work in a steam engine to generate energy, then it is expedient after draining the entire heating surface system and filling it with feed water of a high degree of purity, in particular with fully demineralized water Closing the valves 23 and 27 disconnects the heating network. Operation as a wet steam generator with the aid of the circulating pump 32 and the drum 34 is then possible. The superheated steam temperature can optionally be regulated by the additional furnace 16, 17 .
Im Betrieb zur Dampferzeugung kann mit Hilfe der Pumpe 32 ein Umlauf von der Trommel 34 bei geöffneten Ventilen 31 und 33 sowie geschlossenem Ventil 28 bewerkstelligt werden. Das Arbeitsmittel strömt dann durch die Heizflächen 4 und 18 und gelangt bei geschlossenem Ventil 23 und geöffneten Ventilen 35 und 36 zur Trommel 34. An die Trommel 34 ist die Abschlämmleitung 37 mit dem Abschlämmventil 38 angeschlossen. Der der Trommel entnommene Dampf wird über die Leitung 39 dem überhitzer 19 zugeführt.In operation to generate steam, the pump 32 can be used to circulate the drum 34 with the valves 31 and 33 open and the valve 28 closed. The working medium then flows through the heating surfaces 4 and 18 and reaches the drum 34 with the valve 23 closed and the valves 35 and 36 open. The blowdown line 37 with the blowdown valve 38 is connected to the drum 34. The steam removed from the drum is fed to the superheater 19 via the line 39.
An die Frischdampfleitung 40 ist die Kondensationsturbine 41 angeschlossen, die den Generator 42 antreibt. Der Turbinenkondensator ist mit 43 bezeichnet. Vom Kondensatsammelbehälter 44 fördert die Kondensatpumpe 45, die gleichzeitig Kesselspeisepumpe ist, das Arbeitsmittel durch das geöffnete Ventil 46 in die Zuführungsleitung 29. Bei geöffnetem Ventil 30 und geschlossenem Ventil 28 erfolgt die Zuführung vor der Umlaufpumpe 32. The condensation turbine 41, which drives the generator 42, is connected to the live steam line 40. The turbine condenser is denoted by 43. From the condensate collecting tank 44, the condensate pump 45, which is also the boiler feed pump, conveys the working medium through the open valve 46 into the supply line 29. When the valve 30 is open and the valve 28 is closed, the supply takes place upstream of the circulation pump 32.
Um die Dampfturbine schnell anfahren zu können, kann diese gegebenenfalls zunächst mit Sattdampf beaufschlagt werden, indem die Zusatzfeuerung 16, 17 anfänglich nicht oder nur schwach betrieben wird. Unter allmählicher Steigerung der Zusatzfeuerung 16, 17 kann der Dampf auf die gewünschte überhitzungstemperatur gebracht werden. Eine Abfahrleitung 49 ist als Umführungsleitung zur Turbine 41 angeordnet und steht über ein Reduzierventil 50 mit dem Kondensator 43 in Verbindung. Das erforderliche Zusatzwasser für den Turbinenkreislauf kann über die Leitung 51 und den Zusatzwasserbehälter 47 bei geschlossenem Ventil 52 und geöffnetem Ventil 53 zur Entgasung in den Kondensatbehälter44 des Turbinenkondensators eingeleitet und zur Konstanthaltung des Wasserstandes im Kondensatbehälter 44 herangezogen oder mit herangezogen werden.In order to be able to start up the steam turbine quickly, saturated steam can optionally first be applied to it, in that the additional firing 16, 17 is initially not operated or operated only weakly. With the additional firing 16, 17 gradually increasing, the steam can be brought to the desired superheating temperature. A discharge line 49 is arranged as a bypass line to the turbine 41 and is connected to the condenser 43 via a reducing valve 50. The additional water required for the turbine circuit can be introduced into the condensate container 44 of the turbine condenser for degassing via the line 51 and the additional water tank 47 with the valve 52 closed and the valve 53 open and used or included to keep the water level in the condensate tank 44 constant.
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