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Heiz-Kraftanlage mit Gasturbinensystern und Dampfkraftsystem Die Erfindung
bezieht sich auf eine kombinierte Wärmekraftanlage, die mindestens ein Gasturbinensystem
und mindestens ein Dampfkraftsystem enthält. Bei derartiaen Wärmekraftanlagen ist
es bekannt, eine Wärmeübertragung vom Gasturbinensystem zum Dampfkraftsystem vorzusehen.
So kann insbesondere der Abgasstrom einer Gasturbine oder ein von ihm abgezweigter
Teilstrom der Dampfkraftanlage in der Weise zugeleitet werden, daß die Aufwärmung
des Arbeitsmittels im Dampfkraftsystem unterstützt wird.
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Es ist weiterhin bekannt, Gasturbinenanlagen und Dampfkraftanlagen
so zu gestalten, daß neben der Krafterzeugung eine Wärmeabgabe nach außen hin in
nutzbringender Weise z. B. zur Versorgung eines Heiznetzes vollzogen wird. So sind
Gasturbinenanlagen bekannt, bei denen der Abgasstrom einer Gasturbine der Aufheizung
und gegebenenfalls Verdampfung eines als Wärmeträger dienenden, innerhalb eines
selbständigen Kreislaufes umgewälzten Mediums, insbesondere Wasser, im Sinne eines
Heizkraftwerkes herangezogen wird. Andererseits ist es aber auch bei Dampfkraftanlagen
bekanntgeworden, unter Verwendung von Gegendruckdampfturbinen oder Kondensationsturbinen
mit geeigneten Anzapfungen Dampf zu entnehmen, der unmittelbar oder durch Wärmeaustausch
mit einem anderen geeigneten Medium, insbesondere Wasser, Wärme für ein Heiznetz
liefert.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmekraftanlage mit einem Dampfkraftsystem
der eingangs geschilderten Art, bei der Möglichkeiten einer übertragung von Wärme
aus dem Gasturbinensystem in das Dampfkraftsystem bestehen. Es wird dabei in bekannter
Weise die Abgaswärme des Gastarbinensystems im Sinne eines Heizkraftwerkes ausgenutzt,
bei dem in Wärmetauschern der Gasturbinenabgasstrom oder ein Teil desselben zur
Aufheizung und gegebenenfalls Verdampfung eines als Wärmeträger dienenden, innerhalb
eines selbständigen Kreislaufes (Heiznetz) umgewälzten Mediums, insbesondere Wasser,
zur Versorgung von Wärmeverbrauchern herangezogen wird.
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Es ist weiterhin ein Verfahren zur Verwertano, der Abwärine von aus
einem oder mehreren Freikolbengaserzeugern und einer oder mehreren diesen nachgeschalteten
Gasturbinen bestehenden Gasturbinenanlagen für den Betrieb von Heizungsanlagen bekanntgeworden,
wobei die Abgase der Gasturbinenanlage als Verbrennungsluft den Feuerungen einer
Dampferzeugungsanlage zugeführt werden können und die Kesselabgase für den Heizkreislauf
ausgenützt werden. Bei der dort vorgesehenen wärmemäßigen Kopplung des Fleiznetzes
mit dem Gasturbinensystem und dem Dampferzeuger ist 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 Mög-
lichkeit erwogen
worden, mit dem im Dampfsystem erzeugten, insbesondere auf einen höheren Druck Crebrachten
Dampf eine Gegendruckturbine zu betreiben, deren Abdampf über einen Wärmetauscher
eine überführung von Wärme in das Heizsystem gestattet.
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Es ist weiterhin bekannt, die Wärmeentnahme für das Heiznetz wahlweise
vom Gasturbinensystem auf das Dampfkraftsystem umzuschalten. Dabei wird die zur
übertragung von Wärme an das Dampfkraftsystern dienende Wärmetauscheranordnung ganz
oder zum Teil zur Wärmeversorgung des Heiznetzes aus dem Dampfkraftsystem herangezogen
oder mit herangezogen.
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Eine solche Umschaltmöglichkeit ist wünschenswert, wenn man die Belastung
des Gastarbinensystems einerseits und die Belastung des Dampfkraftsystems andererseits
ändern möchte, ohne daß dabei große Wärmeverluste in Kauf genommen werden
müssen. Um eine kombinierte Wärmekraftanlage wirtschaftlich betreiben zu können,
ist es bekanntlich erforderlich, das Gaskraftsystern und das Dampfkraftsystem aufeinander
abzustimmen, d. h. einen bestimmten Leistungsanteil dem Gaskraftsystem und
den restlichen Anteil dem Dampfkraftsystem zuzuordnen. Dies gilt ün allgemeinen
aber nur für eine bestimmte Belastung oder innerhalb eines bestimmten
Belastungsbereiches
mit hinreichender Annäherung. Wenn man auf andere Belastungszustände, vor allem
auf Schwachlastbetrieb oder Spitzenlast übera -
geht, bereitet die Erfüllung
der geschilderten Bedin guno, aber Schwierigkeiten.
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Noch weiter erschwert wird das Problem im vorliegenden Fall dadurch,
daß die Belastung der beiden Systeme nur zu einem Teil für die Kraftgewinnunc, zu
einem anderen Teil aber zur Speisung eines Heiznetzes ausgenutzt werden soll. Die
dem Heiznetz an-ehörenden Wärineverbraucher stehen nicht oder nicht unmittelbar
mit den Systemen der Kraftanlage in Verbindung, und man muß damit rechnen, daß von
Fall zu Fall nicht nur hinsichtlich des Wärmebedarfes der an das Heiznetz angeschlossenen
Wärmeverbraucher, sondern auch hinsichtlich der abzugebenden elektrischen Leistungen
Schwankungen vorkommen können, die vielfach nicht gleichartio, verlaufen. Dies bedeutet
einerseits, der Mög-
lichkeit einer erhöhten Wärmelieferung in das Heiznetz
bei geringerer Kraftmaschinenleistung nachzukom en, andererseits aber auch umgekehrt
eine höhere elektrische Leistung bei verringerter Heizentnahme aufbringen zu müssen.
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Bei den eingangs geschilderten bekannten kombinierten Kraftanlagen
besteht zwar die Möglichkeit einer Umschaltung in dem Sinn, daß das Heiznetz wahlweise
vom Gasturbinensystem und vom Dampfkraftsystem gespeist wird. Dabei müssen aber
mitunter hohe Wärmeverluste in Kauf genommen werden. Diese Nachteile gilt es durch
die Erfindung zu beseitigen. Auch die Erfindung bezieht sich auf eine ein Gasturbinensystein
und ein Dampfkraftsyste-111 enthaltende Wärmekraftanlage, bei der Möglichkeiten
einer übertragung von Wärme aus dem Gasturbinensysteni in das Dampfkraftsystem bestehen
und - unter Ausnutzung der Abgaswärme des Gasturbinensystems im Sinne eines
Heizkraftwerkes, bei dem in Wärmetauschem der Gasturbinenabgasstrom oder ein Teil
desselben zur Aufheizung und gegebenenfalls Verdampfung eines als Wärineträger dienenden,
innerhalb eines selbständigen Kreislaufes (Heiznetz) umgewälzten - Mediums,
insbesondere Wasser, zur Versorgung von-Wärmeverbrauchern herangezogen wird
- eine Unischaltmöglichkeit der Wärmeentnahme für das Heiznetz vom Gasturbinensystem
auf das Dampfkraftsystem in der Weise vorgesehen ist, daß die zur übertragung von
Wärme an das Dampfkraftsystem dienende Wärmeaustauscheranordnung ganz oder zum Teil
zur Wärmeversorgung des Heiznetzes aus dem Dampfkraftsystem herangezogen oder mit
herangezogen ist. Im Gegensatz zu den bekannten Anlagen ist aber erfindungsgemäß
nunmehr die für das Heiznetz benötigte Wärme dem Dampfkraftsystem im Bereich der
Regenerativvorwärinung entnommen. Erst dadurch werden die den geschilderten bekannten
Anlagen anhaftenden Nachteile überw-unden und ein mit hoher Wirtschaftlichkeit bei
stark voneinander abweichenden Betriebszuständen arbeitendes Heizkraftwerk geschaffen.
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Die Erfindung gestattet dabei auch, ein besonders schwieriges Problem
bei dieser die verschiedensten Belastungszustände umfassenden Verteilung von Wärme
und Kraft zu bewältigen, nämlich bei Schwachlastbetrieb der Kraftanlage dem Heiznetz
oße Wärmemengen zuzuführen. Bei normalem Be, trieb der Anlage kann man unter entsprechender
Auslegung der Einzelsysteine des Kraftwerkes die Abwärme des Gasturbinensystenis
ganz oder überwiegend zur Wärmeversorgung des Heiznetzes heranziehen, während die
Dampfkraftanlage für sich allein arbeitet und keinen oder nur einen geringen Anteil
der Abwärme aus der Gasturbinenanlage übernimmt. Innerhalb eines großen Belastungsbereiches
können Gasturbinensysteme und Dampfkraftsysteme also in gewissem Sinne unabhängig
voneinander arbeiten, wobei die Gasturbinenarlage so betrieben wird, daß die erzeugte
Leistung an der Gasturbine nach Maßgabe des Wärmebedarfes im Heiznetz bestimmt wird.
Die vom Kraftwerk geforderte Leistung wird dann so aufgebracht, daß der an der Gesamtleistung
noch fehlende, nicht von der Gasturbine aufgebrachte Leistungsanteil von der Dampfkraftmaschine
aufgebracht wird, so daß die Dampfkraftanlage ganz oder überwiegend die Leistungsregelung
übernimmt.
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Wenn jetzt eine erhöhte Leistung benötigt wird, also z. B. vorübergehend
für eine gewisse Zeit Spitzenlast aufzubringen ist, kann man für diese Zeit zumindest
einen Teil der in das Heiznetz vom Gasturbinensystem abzugebenden Wärme in der Weise
umschalten, daß diese Wärme anstatt dem Heiznetz solange der Dampfkraftanlage zur
Steigerung deren Kraftmaschinenleistung zugeführt wird. Die Wärmeversorgung des
Heiznetzes kann dann beispielsweise mit Hilfe von Wärmespeichern oder zusätzlichen
Wärmeerzeugern aufrechterhalten werden.
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Die bekannten Anlagen versagen im Schwachlastbetrieb, wenn also die
vom Wärmekraftwerk geforderte Leistung besonders gering ist, andererseits aber ein
hoher Wärmebedarf seitens des Heiznetzes vorliegt, und können dann nicht mehr wirtschaftlich
arbeiten. Wenn jetzt erfindungsgemäß die für das Heiznetz benötigte Wärme der Dampfkraftanlage
im Bereich der Regenerativvorwärmung entnommen wird, so kann man unter Stillsetzung
des Gasturbinensystems und Aufrechterhaltung eines Schwachlastbetriebes des Dampfkraftsystems
große Dampfmengen aus den Turbinenanzapfungen entnehmen, so daß nur geringe Dampfmengen
den Niederdruckteil der Turbine durchströmen und demgemäß auch nur geringe Dampfmengen
in den Kondensator gelangen. Durch den auf diese Weise stark verringerten Dampfdurchsatz
wird die Turbinenleistung stark herabgesetzt und der geforderte Schwachlastbetrieb
erreicht, während andererseits große Entnahmedampfmengen zur Verfügung stehen, die
für das Heiznetz nutzbar gemacht werden können. Wenn man statt dessen zur Wärmeübertragung
an das Heiznetz etwa Abdampf einer Gegendruckturbine verwenden wollte, so würde
sich die beabsichtigte Wirkung nicht erzielen lassen, da große Abdampfmenggen einer
Gegendruckturbine nur bei entsprechend großer Turbinenleistung, nicht aber im Schwachlastbereich
der Turbine entstehen.
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Für die Wirtschaftlichkeit dieser Betriebsweise ist ausschlaggebend,
daß der Entnahmedampf bereits Arbeit geleistet hat, also im Gegensatz zur Verwendung
von Frischdampf, den man bei den bekannten Anlagen zur Wärmelieferung heranziehen
müßte, einen geringeren wärinewirtschaftlichen Wert aufweist.
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Eine Kondensations-Entnahmeturbine, bei der im mittleren Lastbereich
bestimmte Entnahmedampfmengen aus den Anzapfungen zur Regenerativvorwärmun- hin
abströmen und bei der im Spitzenlastbetrieb unter Verringerung der Entnahmedampfmengen
eine
größere Dampfmenge die Radkammern der Turbine bis zum Kondensator hin durchsetzt,
kann jetzt für Schwachlastbetrieb so ausgenutzt werden, daß erhöhte Anzapfdampfmengen
entnommen werden. Die Leistung der Dampfturbine geht damit in der gewünschten
Weise zurück, während andererseits große Entnahmedampfmengen der Vorwärmanlage zugeleitet
werden. Die im Dampfkraftsystem jetzt mehr benötigte erhöhte Wärmeinenge
komm
dann dem Heiznetz zugute.
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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, zum Teil schematischer Darstellung. Dem Gasturbinensystern
gehören die Gasturbine 1, die Brennkammer 2 und der Verdichter
3 an. 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 durchströmen zunächst den
Wärmetauscher zur Aufwärmung der Verbrennungsluft und gelangen dann als Gesamt-
oder als Teilstrom zum Wärmetauscher 6, in welchem das Medium für das Heiznetz
aufgewärmt wird. Eine zusätzliche Beheizung 7 mit Luftzufuhr 8 und
Brennstoffzufuhr 9
dient zur zusätzlichen oder vom Gasturbinenprozeß unabhängigen
Aufwärmung des Mediums für das Heiznetz. Im Heiznetz 10 sind die Wärmeverbraucher
durch das Symbol 11 versinnbildlicht, das Arbeitsmittel des Heiznetzes wird
mit Hilfe einer Förderpumpe 27 umgewälzt. Gegebenenfalls können im Heiznetz
10 noch geeignete Wärmespeicher 31 vorgesehen sein.
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Das Dampfkraftsystem ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
als Blockanlage dargestellt, bei dem Kessel und Kraftmaschine eine wärine- und regeltechnische
Einheit bilden. 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 Hochdruckrea,enerativvorwärmstufen
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. Die dargestellte Anlage ermöglicht für den
Fall einer erhöhten Kraftmaschinenleistuno, eineWärmeübertragung, vom bl t2 Gasturbinensystem
auf das Dampfkraftsystem, wobei zur Wärmeübertragung ein Wänneaustauscher
26
vorgesehen ist. Durch teilweises oder vollständiges öffnen der in den am
Heiznetz abzweigenden Leitungen liegenden Ventile 23 und 24 kann ein Teilstrom
des Heizkreislaufes dem Wärmetauscher 26
zugeleitet 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 beträchtlichen Teil durch die Aufwärmung aus dem Heiznetz ersetzt. Demzufolge
kann die den Turbinenstufen 21 und 22 entnommene Anzapfdampfmenge wesentlich verringert
werden, so daß eine größere Dampfmenge die niedrigeren Druckstufen 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 Niederdruckgenerativvorwärmstufen
erfolgen.
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An Stelle eines einzigen Wärmetauschers 26 könnten gegebenenfalls
auch einzelne Wärmetauscher in Parallel- oder Hintereinanderschaltung vorgesehen
sein. So wäre es denkbar, daß z. B. für jede der einzelnen Niederdruck-Regenerativvorwärinstufen
oder für wenige Stufen gemeinsam ein besonderer Wärmetauscher Verwendung finden
könnte oder zumindest in einem gemeinsamen Gehäuse mehrere getrennte Wärmeaustauschflächen
unterzubringen wären.
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Weiterhin besteht auch die Möglichkeit, den Wärinetauscher
26 mit dem Wärmetauscher 6 in geeigneter Weise zu vereinigen. Dies
könnte z. B. in der Weise erfolgen, daß die Sekundärseite des Wärmetauschers
26 als tertiäre Wärineaustauschfläche im Wärinetauscher 6 mit untergebracht
würde. Andererseits wäre es auch möglich, den Wärmetauscher 26 als Doppelwicklungswärmetauscher
auszubilden.
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Der Wärmefluß im Heiznetz ist durch die ausaezogen dargestellten Pfeile
während des Betriebes unter alleiniger Wärmeversorgung aus dem Gasturbinensystem
veranschaulicht. Der kühle Rücklauf von den Wärmeverbrauchem 11 strömt bei
-eöffnetem Ventil 29 und geschlossenem Ventil 24 in Richtung des Pfeiles
33 unter Wirkung der Förderpumpe 27 in Richtung des Pfeiles 34 bei
geöffnetem Ventil 35 und geschlossenem Ventil 36 zum Wärinetauscher
6. Das hierin aufgewärmte oder verdampfte Arbeitsmittel gelangt in Richtung
des Pfeiles 37 bei geöffnetem Ventil 38 und geschlossenem Ventil
23
züi den Wärmeverbrauchern 11, wobei das Ventil 39
geöffnet
sein muß.
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Beim übergang auf erhöhte Last wird ein wählbarer Anteil der vom Wärmetauscher
6 abgegebenen Leistung vom Heiznetz abgezweigt und dem Wärmetauscher
26 zuoeführt. Durch teilweises oder vollständiaes öffnen der Ventile
23 und 24 gelangt nun für sich allein oder zusätzlich Arbeitsmittel des Heizkreislaufes
in Richtung des Pfeiles 40 zum Wärme tauscher 26 und verläßt diesen in Richtung
des Pfeiles 41 durch das mehr oder weniger weit geöffnete Ventil 24.
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Erfindungsgemäß ist jetzt eine Umschaltmöglichkeit geschaffen, um
über den Wärmetauscher 26 dem Dampfkraftsystem Wärme zu entziehen und dem
Heiznetz nutzbar zu machen. Die Gasturbinenanlage wird dabei stillgesetzt. Wenn
auch die Zusatzfeuerung in der Brennkammer 7 dann nicht betrieben wird, kann
im Wärmetauscher 6 kein Wärmeübergang mehr stattfinden. Es werden dann die
Ventile 35 und 38 geschlossen. Dafür wird jetzt bei geöffnetem Ventil
23 das Ventil 36 geöffnet, während das Ventil 24 geschlossen wird.
Der Durchfluß vollzieht sich nun gemäß den gestrichelt gezeichneten Pfeilen 42,
43 und 44 in der Weise, daß das durch die Umwälzpumpe 27 geförderte Medium
in Richtung der Pfeile 42 und 43 durch das geöffnete Ventil 36 zum Wärmetauscher
26 gelangt und diesen jetzt in entgegengesetzter Richtung durchströmt wie
zuvor. Das Medium nimmt nun im Wärmeaustauscher 26 Wärme auf und gelangt
in Richtung des Pfeiles 44 durch das Ventil 23 in den Verlauf des Heiznetzes.
Die Dampfturbinenteile 21 und 22 liefern jetzt große Anzapfdampfinengen, wobei nur
geringe Dampfmengen zum C
Kondensator 32 hin abströmen.
Die Kraftmaschinenleistung geht dabei stark zurück, während große Entnahmedampfmengen
über die Vorwärmanlage 13
dem Wärmetauscher 26 zugeleitet werden, um
von dort in das Heiznetz übergeführt werden zu können.