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Heiz-Kraftanlaae mit Gasturbinen- und Dampfkraftanlage Die Erfindung
bezieht sich auf eine Wärmekraftanlage, bei der die Abgaswärme eines Gasturbinen-Systems
im Sinne eines Heizkraftwerkes auscrenutzt wird. Der Abgasstrom der Gasturbine oder
ein Teil desselben dient dabei der Aufheizung und gegebenenfalls Verdampfung eines
als Wärineträger dienenden, innerhalb eines selbständi-en Kreislaufes umgewälzten
Mediums, insbesondere Wasser. Dieses Medium stellt ein Heiznetz dar und kann zur
Versorgung von Wärmeverbrauchern herangezogen werden.
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Bei den bekannten Kombinationen einer Gasturbinenanlage mit einer
Dampfkraftanlage wird meist die Wärme, die dem Gasturbinenabgasstrom innewohnt,
innerhalb des Dampfkraftsystems ausgenutzt. Um ein solches Kraftwerk wirtschaftlich
betreiben zu können, müssen Gaskraftsystem und Dampfkraftsystem aufeinander abgestimmt
sein, was im allgemeinen aber nur für eine bestimmte Belastung oder innerhalb eines
bestimmten Belastungsbereiches mit hinreichender Annäherung möglich ist, beim übergang
auf andere Belastungszustände, vor allem für Schwachlastbetrieb und für Spitzenlast,
jedoch Schwierigkeiten bereitet.
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Bei den bekannten Anlagen muß entweder im Interesse eines wirtschaftlichen
Arbeitens innerhalb begrenzter Belastungsspielfäume gearbeitet werden, oder man
muß bei übergang auf andere Belastungszustände eine unwirtschaftliche Arbeitsweise
in Kauf nehmen. Diese Nachteile werden durch die Erfindung beseitigt.
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Es ist an sich bereits eine kombinierte Gasturbinen-Dampfturbinen-Anlage
mit einem Heizkessel für Heizzwecke bekanntgeworden, die in eine Lokomotive eingebaut
ist. Die Abgase des Gasturbinensystems werden dabei in die Feuerung des Kessels
geführt, der die Beheizung des von der Lokomotive gezogenen Zuges sicherstellt und
an den auch die Dampfturbine angeschlossen ist, um auf diese Weise bei Beschleunigung
der Fahrt die Gasturbinen zu unterstützen. Da die Dampfturbine dabei stets nur kurzzeitig
betrieben wird, kann man sich erlauben, während dieser vorübergehenden Zeiträume
das Heiznetz abzustellen. Ein gleichzeitiger Betrieb der Dampfturbine und der Heiznetzversorgung
würde eine entsprechend große Dimensionierunc, des Dampfkessels bedingen, die bei
schwacher Belastung zu einem unwirtschaftlichen Arbeiten führen müßte. Es ist weiterhin
eine kombinierte Gasturbinen-Dampfturbinen-Kraftanlage bekanntgeworden, bei der
die Abgase des Gasturbinensystems in einem geeigneten Wärmetauscher zur Verdampfung
des im Dampfkreislauf zirkulierenden Arbeitsmittels herangezogen werden. Das Kühlwasser
des Dampfturbinenkondensators wird dabei noch durch restliche Abwärm-- des Gasturbinen-Abgasstromes
aufgewärmt und dann dem Heiznetz zugeführt. Der Rücklauf des Heiznetzes gelangt
dann wieder zum Kondensator und dient dort als Kühlmittel. Hierbei ist zwangläufig
eine enge Verknüpfung der den Wärmeverbrauchern zugeführten Wärmemengen mit der
Leistung der Gas- und Dampfturbinen vorhanden. Mit zunehmender Belastung der Gasturbine
und auch der Dampfturbine fallen große Wärinemengen an, die entweder dem Heiznetz
zugeführt werden, oder, falls diese dort nicht verwertbar sind, in unwirtschaftlicher
Weise mit dem Kühlwasser abzuführen sind.
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Bei einer anderen bekannten Anlage mit Gasturbinensystem und Dampfturbinensystem
wird der Gasturbinen-Abgasstrom ebenfalls zur Dampferzeugung in einem Abhitzekessel
herangezogen. Die dort verwendete Dampfturbine ist aber als Gegendruckturbine ausgebildet,
wobei der Abdampf den Wärmeverbrauchem im Heiznetz zugeführt wird und dort kondensiert,
so daß das im Rücklauf zurückfließende Kondensat wieder in den Kreislauf gelangt
und dem Abhitzekessel zugeleitet wird. Auch hierbei setzt eine hohe Wärmeleistung
im äußeren Heizwärmeverbrauchemetz eine entsprechend große Leistung der Gegendruckdampfturbine
voraus, die wiederum eine entsprechnde Wärmebeaufschlagung des Abhitzekessels der
Gasturbine bedingt. Für Schwachlastbetrieb und Spitzenlast bestehen dabei die eingangs
a S
Ce childerten Schwierigkeiten.
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Im Gegensatz zu diesen bekannten kombinierten Anlagen löst die Erfindung
die Aufgabe, die Möglichkeit zu schaffen, nicht die gesamte erzeugte Wärme innerhalb
der beiden Systeme zur Kraftgewinnung ausnutzen zu müssen, sondern erlaubt, einen
wählbaren Anteil der erzeugten Wärme den äußeren
Wärmeverbrauchern
zugänglich zu machen, die nicht oder nicht unmittelbar mit den Systemen der Kraftanlage
in Verbindung stehen. Wichtig ist dabei der Umstand, daß von Fall zu Fall nicht
nur hinsichtlich des Wärmebedarfes der an das Heiznetz angeschlossene Wärmeverbraucher,
sondern auch hinsichtlich der abzugebenden elektrischen Leistung Schwankun-,gen
vorkommen können, die möglicherweise nicht gleichartig verlaufen. Dies bedeutet
einerseits, der Möglichkeit einer erhöhten Wärmelieferung in das Heiznetz bei gleichzeitig
geringerer Kraftleistung Rechnung zu tragen, andererseits aber auch umgekehrt eine
höhere elektrische Leistung bei gleichzeitig verringerter Heizentnahme aufbringen
zu müssen.
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Es ist eine Wärmekraftanlage mit Abwärmeausnutzung bekanntgeworden,
in welcher ein gasföriniges Arbeitsmittel, vorzugsweise Luft, dauernd einen geschlossenen
Kreislauf unter überdruck beschreibt und bei der die Abwärme für Nutzzwecke verwendet
wird. Dort wird durch Einschalten eines Wärmeaustauschers parallel zum Nutzwärinenetz
die Anlage unabhängig vom Wärmebedarf (auch ohne Nutzwärrneabgabe) bei jeder gewünschten
elektrischen Leistung in dem Sinn betrieben, daß der parallel zum Heizungsnetz schaltbare
Wärineaustauscher einerseits mit dem Heizungswasser, andererseits mit Frischwasser
beaufschlagt ist. Auf diese Weise wird erreicht, daß ein im Abgasstrom der Gasturbine
befindlicher, mit Heizungswasser beaufschlagter Wärmetauscher stets unter denselben
Bedingungen arbeitet, für das Gasturbinensystem also stets optimale Bedingungen
geschaffen werden, wobei aber mit abnehmendem Wännebedarf des Heiznetzes zunehmend
größere Wärmemengen über den zur Kühlung benötigten Frischwasserkreislauf abgeführt
werden, also Verluste ergeben.
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Es ist schließlich noch ein Verfahren zur Verwertun- der Abwärme von
aus einem oder mehreren Freikolbengaserzeugem und einer oder mehreren diesen nachgeschalteten
Gasturbinen bestehenden Gasturbinenanlagen für den Betrieb von Heizungsanlagen sowie
eine Anlage zur Durchführung dieses Verfahrens bekanntgeworden, bei der die Heizungsanlage
so geschaltet werden kann, daß sie entweder mit der Gasturbine allein oder mit der
Dampferzeugungsanlage allein, dann im gemischten Betrieb sowohl mit der Gasturbinenanlage
als auch mit der Dampferzeugungsanlage und schließlich auch mit einer Dampfturbine
betrieben werden kann, welche gegebenenfalls zusammen mit der Gasturbine einen gemeinsamen
Generator antreibt. Hierbei werden die Abgase der Gasturbinenanlage als Verbrennungsluft
den Feuerungen einer Dampferzeugungsanlage zugeführt und die Kesselabgase für den
Heizkreislauf ausgenutzt. Bei der dort vorgesehenen wärmemäßigen Kopplung des Heiznetzes
mit dem Gasturbinensystem und dem Dampferzeuger ist in bezug auf den Dampferzeuger
demgemäß vorwiegend nur an eine Wärmeübertragung von den Rauchgasen des Dampferzeugers
her gedacht, wobei daneben wasserführende Heizflächen (gegebenenfalls mit Verdampfung)
die Wärme aus dem Dampfsystem den Rauchgasen entziehen und dem Heizsystem zuführen.
Im Rahmen der Wärmeüberführung aus dem Dampfsystem in das Heizsystem ist dabei die
Möglichkeit erwogen worden, mit dem im Dampfsystem erzeugten, insbesondere auf einen
höheren Druck gebrachten Dampf eine Gegendruck-> turbine zu betreiben, deren Abdampf
über einen Wärmetauscher eine überführung von Wärme in das Heizsystem gestattet.
Diese bekannte Anlage ist aber ebenfalls nicht in der Lage, den erwähnten Bedingungen
zu genügen, nämlich bei Anwendung der W schriebenen Umschaltmöglichkeit und bei
entsprechend verschiedenen Kraftmaschinenbelastungen sowie wechselndem Wärinebedarf
im Heiznetz jeweils eine hohe Wirtschaftlichkeit zu gewährleisten.
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Diese Aufgabe wird dem Bekannten gegenüber erst durch die Erfindung
gelöst. Die Erfindung geht aus von einer Kombination der Gasturbinenanlage mit einer
Dampfkraftanlage, bei der zumindest ein Teil der in das Heiznetz abzugebenden Wärme
vom Heiznetz auf die Dampfkraftanlage zur Steigerung deren Kraftmaschinenleistung
umschaltbar gestaltet, indem das Heiznetz wärmemäßig mit der Speisewasservorwärmung,
insbesondere Niederdruckvorwärinung der Dampfkraftanlage gekoppelt ist. Die Erfindung
besteht aber nun darin, eine von Abgasen des Gasturbinensystems beaufschlagte Wärmetauscheranordnung
vorzusehen, die sekundärseitig wahlweise vom Heizmedium und vom Arbeitsmedium der
Dampfkraftanlage durchsetzt wird.
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Auf diese Weise ist es möglich, die Regenerativvorwärmung des Dampfkraftsystems
zu verringern, so daß jetzt der vorher zur Regenerativvorwärinung aus der Kraftmaschine
entnommene Anzapfdampf die Radkammem der nachfolgenden Druckstufen der Turbine durchsetzt
und dann eine Erhöhung der Leistung des Dampfturbinensatzes hervorruft. Die dann
größer werdende Dampfmenge, die in den Kondensator strömt, verringert zwar von der
Dampfkraftanlage aus gesehen deren therinischen Wirkungsgrad gegenüber dem Betriebszustand
mit hoher Regenerativvorwärmung, andererseits wird aber auf diese Weise eine Gegenleistung
der Dampfturbine bewirkt, wobei die Abwärme der Gasturbine diese Mehrleistung schafft.
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In manchen Fällen ist es nicht erwünscht, daß eine direkte Vermischung
des Arbeitsmittels des Dampfkraftsystems mit dem Wärmeträger des Heiznetzes stattfindet.
Unzulässig wäre dies vor allem, wenn man an die Reinheit des Speisewassers hohe
Anforderungen stellt und mit der Möglichkeit von Verunreinigungen im Heiznetz zu
rechnen ist. Man müßte sonst auch im Heiznetz für einen hohen Reinheitsgrad des
Heizwassers Sorge tragen. Mit Hilfe eines zusätzlichen Wärmetauschers läßt sich
unter Beibehaltung der wärmemäßigen Kopplung eine Trennung des Heiznetzes vom Speisewasserkreislauf
der Dampfkraftanlage herbeiführen. Vom Heiznetz kann dann jederzeit ein wählbarer
Teilstrom abgezweigt und dem sekundärseitig vom Turbinenkondensat durchflossenen
Wärinetauscher zugeleitet werden. Gegebenenfalls lassen sich zusätzliche Wärmetauscher
ganz oder teilweise auch dadurch einsparen, daß in die Wärmetauscher, die primärseitig
vom Abgasstrom der Gasturbine beaufschlagt werden und sekundärseitig an das Heiznetz
angeschlossen sind, noch als tertiärer Kreislauf, beispielsweise im Sinne von Doppel-
oder Bifilar-Rohrwicklungen, eine Anschlußmöglichkeit an den Turbinenkondensatkreislauf
geschaffen wird.
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Um den Aufwand der erforderlichen Reinhaltung des Heizwassers einzusparen
und trotzdem eine Verunreinigung des Kesselspeisewassers zu vermeiden, kann auch
so verfahren werden, daß beim
Übergang vom Versorgungsbetrieb des
Heiznetzes zum Betrieb der Wärmeüberführung zum Dampfkraftsystem jedesmal der oder
die Wärmetauscher entleert werden und nach ausreichender Entwässerung und Spülung
der Wärmeaustauschflächen eine Auffüllung derselben mit Speisewasser hohen Reinheitsgrades,
insbesondere mit voll entsalztem Wasser bewerkstelligt wird. Dabei empfiehlt es
sich, naturgemäß Maßnahmen vorzusehen, die eine Fehlbedienung erschweren oder unmöglich
machen, um eine Verschmutzung des Kesselwassers weitgehend zu verhindern.
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An Hand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Die
Figuren zeigen Ausführungsbeispiele in ihren für die Erfindung wesentlichen Teilen
in stark vereinfachter, zum Teil schematischer Darstellung. Gleiche oder einander
entsprechende Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist vom
Gasturbinensystem die Gasturbine 1, die Brennkammer 2 und der Verdichter
3 veranschaulicht. Die durch den Verdichter 3 komprimierte und im
Wärmetauscher 4 vorgewärmte Verbrennungsluft wird der Brennkammer 2 zusammen mit
dem Brennstoff 5 zugeleitet. Die Abgase der Gasturbine 1 durchb ZD
strömen zunächst den WärTnetauscher 4 zur Aufwärmung der Verbrennun sluft und gelangen
dann 9 C als Gesamt- oder als Teilstrom zum Wärmetauscher 6,
in welchem
das Medium für das Heiznetz 10 auf-ewärmt wird. Eine zusätzliche Beheizung
7 mit Luftzufuhr 8 und Brennstoffzufuhr 9 dient zur zusätzlichen
oder vom Gasturbinenprozeß unabhängigen Aufwärmung des Heiznetzes.
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Im Heiznetz 10 sind die Wärmeverbraucher durch das Symbol
11 dargestellt. Das Arbeitsmittel des Heiznetzes wird durch eine Förderpumpe
27 umgewälzt. Gegebenenfalls können im Heiznetz 10 noch geeignete
Wärmespeicher 31 vorgesehen sein.
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Erfindungsgemäß kann nun vom Heiznetz ein wählbarer Anteil der zur
Verfügung gestellten Wärine abgezweigt und einer Dampfkraftanlage zugeleitet werden.
Das Arbeitsmittel der Dampfkraftanlage wird vermittels der Kondensatpumpe 12 durch
die mehrstufige Niederdruckvorwärmanlage 13 gefördert und gelangt zum Speisewasserbehälter
14. Mit 15 ist die Kesselspeisepumpe bezeichnet, von wo aus das Arbeitsmittel
über die Hochdruckregenerativvorwärmstufen 16 zum Kessel 17 gelangt.
Der überhitzer ist mit 18, die Hochdruckturbine mit 19 und ein Zwischenüberhitzer
mit 20 bezeichnet. 21 und 22 sind die Mitteldruck- und Niederdruckstufen der Dampfturbine.
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Durch teilweises oder vollständiges öffnen der in den am Heiznetz
10 abzweigenden Leitungen liegenden Ventile 23 und 24 kann ein Teilstrom
des Heizkreislaufes 10 über die Niederdruckvorwärm-Anlage13 oder einen Teil
der Vorwärmer geleitet werden. Hierdurch kann entweder eine höhere Aufwärmung des
Speisewassers der Dampfkraftanlage erfolgen, oder es wird die sonst durch Anzapfdampf
beheizte Regenerativvorwärmung ganz oder zu einem t' ZD beträchtlichen Teil durch
die Aufwärinung aus dem Heiznetz ersetzt. Demzufolge kann die Anzapfdampfmenge wesentlich
verringert werden, so daß eine größere Dampfmenge die Niederdruckstufen der Turbine
bis zum Turbinenkondensator 32 durchsetzt und auf diese Weise also eine Mehrleistung
der Dampfturbine zustande kommt. Die Ankopplung des Heiznetzes an die Regenerativvorwärmung
kann an eine oder mehrere oder gegebenenfalls auch alle Niederdrück-re 'generativvorwärmstufen
erfolgzn.
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Um eine Verinischung des Turbinenkondensats mit Heizwasser des Heiznetzes
zu vermeiden und damit bei unsauberem Helzwasser die Gefahr einer Verunreinigung
des Kesselspeisewassers auszuschließen, kann vor Beginn einer Einspeisung vom Wärmetauscher
6 in die Regenerativvorwärmanlage 13 eine Entwässerung und Reinigung
der Wärmeaustauschflächen sowie der anschließenden Rohrleitungen vorgenommen werden,
die dann vom Turbinenkondensat durchflossen werden. Ehe also z. B. die Ventile
23 und 24 geöffnet werden, sind zunächst die Ventile 28 und
29 zu schließen und über geeignete nicht näher dargestellte Entwässerungsventile
kann nun der Wärmetauscher 6 entleert werden. Gegebenenfalls können zur Reinigung
des Systems zusätzlich noch Spülmaßnahmen ergriffen werden. Dann wird der Wärmetauscher
und das anschließende Rohrsystem mit Wasser hohen Reinheitsgrades, insbesondere
mit voll entsalztem Speisewasser aufgefüllt. Während des Entleerens und Auffüllens
des Wärmetauschers 6
wird der Abgasstrom der Gasturbine vorübergehend über
die Bypaßleitung 30 geführt.
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Durch Einschalten eines zusätzlichen Wärmetauschers kann eine durch
Fehlbedienung mögliche Vermischung von Heizwasser geringeren Reinheitsgrades und
hochwertigem Kondensat der Dampfanlage vermieden werden. Eine derartige zusätzliche
Wärmetauschereinrichtung bedeutet zwar einen erhöhten Aufwand. bietet aber den Vorteil,
daß jederzeit ohne Betriebsunterbrechung die gewünschte Umschaltung vollzogen werden
kann. Dar-über hinaus ist es auf diese Weise auch möglich, einen wählbaren Anteil
der Abgaswänne der Gasturbine nach Belieben sowohl in das Heiznetz als auch in die
Dampfkraftanlage zu überführen.
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Eine Möglichkeit hierzu zeigt das in F i g. 2 dargestellte
Ausführungsbeispiel. Hier ist zwischen das Heiznetz 10 und die Niederdruckregenerativvorwärmunc,
13 ein Wärmetauscher 26 geschaltet, so daß das Heizwasser des Heiznetzes
keinen hohen Reinheitsgrad aufzuweisen braucht und trotzdem die Gefahr einer Verunreinigung
des Kesselspeisewassers durch das Heiznetz nicht mehr besteht. Die Sekundärseite
des Wärmetauschers 26 ist hier in gleicher Weise mit der Regenerativvorwännung
verbunden, wie dies in dem in F i g. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
gezeigt ist.
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Im Primärkreis der Wärmetauscher befindet sich die Umwälzpumpe
27, die auch das Heizwasser im Heizkreis fördert. An Stelle eines einzigen
Wärinetauschers 26 könnten gegebenenfalls auch einzelne Wärmetauscher in
Parallel- oder Hintereinanderschaltung vorgesehen sein. So wäre es denkbar, daß
z. B. für jede der einzelnen Niederdruckregenerativvorwärmstufen oder für wenige
Stufen gemeinsam ein besonderer Wärmetauscher Verwendune, finden könnte, oder zumindest
in einem gemeinsamen Gehäuse mehrere getrennte Wärmeaustauschflächen unterzubringen
wären.
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Weiterhin besteht auch die Möglichkeit, den Wärmetauscher
26 mit dem Wärinetauscher 6 in geeigneter Weise zu vereinigen. Dies
könnte z. B. in der Weise erfolgen, daß die Sekundärseite des Wärmetauschers
26 als tertiäre Wärmeaustauschfläche
im Wärmetauscher
6 mit untergebracht würde. Andererseits wäre es auch möglich,' den Wärmetauscher
26 ganz oder zum Teil mit einigen oder sämtlichen Vorwärmern der Regenerativvorwärmung
13 zu vereinigen. Auch hier könnte man daran denken, Doppelwicklungswärmetauscher
vorzusehen. Im übrigen sei noch darauf hingewiesen, daß die Wärinekopplung nicht
unbedingt auf die Niederdruckvorwärmung beschränkt sein muß, sondern sich gegebenenfalls
auch auf einen oder mehrere Vorwärmer im Hochdruckteil erstrecken kann.