DE1476903A1 - Verfahren zum gemischten Gas- und Dampfbetrieb einer Gasturbinenanlage sowie Anlage zur Ausuebung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zum gemischten Gas- und Dampfbetrieb einer Gasturbinenanlage sowie Anlage zur Ausuebung des Verfahrens

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Description

U76903
P.4055 Gebrüder Sulzer Aktiengesellschaft« Winterthur/Schweiz
Verfahren zum gemischten Gas- und Dampfbetrieb einer Gasturbinenanlage sowie Anlage zur Ausübung des Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum gemischten Gas- und Dampfbetrieb einer Gasturbinenanlage, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass in der Brennkammer in Heizelemente eingespeistes Wasser bei höherem Druck als dem Brennkammerdruck verdampft und überhitzt wird, dass der überhitzte Dampf in einer Dampfturbine entspannt und nach Entspannung mindestens ein Teil davon mit den Brenngasen vor deren Eintritt in die Gasturbine vermischt wird.
Die zur Ausübung des Verfahrens dienende Gas-Dampfturbinenanlage mit einer Brennkammer, in dieser angeordneten Heizelementen zur Verdampfung und üeberhitzung von Wasser sowie einer an die Brennkammer angeschlossenen Gasturbine ist gekennzeichnet durch eine bezüglich der Dampfströnning
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nach den Heizelementen angeordnete Dampfturbine sowie eine vor der Gasturbine befindliche Mischstelle, in welcher eine , Vermischung des in der Dampfturbine entspannten Dampfes mit den Brenngasen erfolgt.
Es ist bei Gasturbinenanlagen bekannt, zur vorübergehenden Erhöhung der Leistung in die Brenngase Wasser einzuspritzen, dieses zur Verdampfung und Ueberhitzung zu bringen und in der Gasturbine mechanische Arbeit leisten zu lassen. Diese Anlagen haben jedoch eine Reihe von Nachteilen. Wenn die Einspritzung von Wasser in die Brennkammer erfolgt, so wird dadurch die Verbrennung in der Brennkammer durch Abkühlung der Flamme gestört. Erfolgt andererseits die Einspritzung von Wasser erst am Austritt aus der Brennkammer, so wird zwar dieser Nachteil behoben, die Brennkammer muss jedoch mit einer entsprechend höheren Temperatur arbeiten, damit die Brenngase nach der Abkühlung noch eine genügend hohe Temperatur für die Gasentspannung besitzen. Die Einspritzmenge ist daher begrenzt, da sonst eine thermische üeberlastung der Brennkammer eintritt. Ausserdem liefert der so erzeugte Dampf wenig Arbelt im Verhältnis zur Wärmemenge,
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welche für die Dampferzeugung aufgebraucht wurde. Es entsteht daher eine Verschlechterung des Wirkungsgrades der Gasturbine.
Es sind auch Anlagen bekannt, bei denen die Verdampfung von Viasseria einem Abhitzekessel erfolgt, der am Austritt der Brenngase aus der Gasturbine angeordnet ist, worauf der W auf diese Weise erzeugte Dampf den in die Gasturbine eintretenden Brenngasen beigemischt wird. Derartige Anlagen weisen einen besseren Wirkungsgrad auf, erfordern jedoch im Verhältnis zu der durch die Dampfentspannung gewonnenen Leistung Kessel mit relativ grossen Heizflächen, die entsprechend, teuer sind. Um die spezifische Leistung dieser Abhitzekessel zu erhöhen, v/erden sie gelegentlich mit Zusatzbrennern versehen, welche die Temperatur der Abgase erhöhen, bevor diese mit den Heizflächen des Kessels in Berührung kommen. Da jedoch die Abgase einen kleineren Sauerstoffgehalt als reine Luft aufweisen und zudem die in die Turbine eingespritzte Dampfmenge mit sich führen, kann selbst mit den Zusatzbrennern die Temperatur im Feuerraum bei weitem nicht so hoch gesteigert werden wie in einem konventionellen Dampfkessel
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mit normaler Feuerung, * so dass im Verhältnis zur erzeugten Dampfmenge die Heizflächen auch dann gross sein müssen. Schliesslich ist zu erwähnen, dass solche Anlagen mindestens zwei Verbrennungskammern mit verschiedenen Verbrennungsdrücken aufweisen müssen, was die Brennstoffeinspritz- und Regelaiage entsprechend umfangreich und teuer macht.
Es ist andererseits bereits vorgeschlagen worden, die Brennkammer einer Gasturbinenanlage mit Heizflächen in der Form eines Röhren-Dampferzeugers zu versehen, in welchen Wasser zur Verdampfung und üeberhitzung eingespeist wird. Der in der Brennkammer verdampfte und überhitzte Wasserdampf wurde dann in einer Dampfturbine entspannt, in einem Kondensator kondensiert und von neuem dem Dampferzeuger in der Brennkammer eingespeist. Diese Anlage hatte insbesondere den Nachteil, dass der Dampfkreislauf einen Kondensationsteil benötigte, welcher die Anlagekosten verteuert. Auch arbeitete sie ohne Zwischenüberhitzung, was einen niedrigen Wirkungsgrad zur Folge hat. Wollte man bei dieser Ausführung noch zusätzlich einen Zwischenüberhitzer einführen, so hätte dies die Anordnung weiterer Heizflächen zur Folge,
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welche die Anlage nochmals verteuern würde.
Die Erfindung hat die Schaffung eines Verfahrens sowie einer Anlage zum gemischten Gas- und Dampfbetrieb zum Ziel, welche die Erzeugung grosser mechanischer Leistungen bei minimalen Anlagekosten ermöglichen.
Erfindungsgemäss kann der teure Kondensationsteil entfallen und es wird auch eine Zwischenüberhitzung des die Dampfturbine durchgeströmten Dampfes erzielt, und zwar auf sehr einfache Welse, ohne WärmeUbertragungsflachen. Was die Verbrennung in der Brennkammer betrifft, so ist diese erfindungsgemäss durch die Heizflächen, die mit Wasser bzw. Dampf bespült sind, vor Ueberhitzungen geschützt und es braucht kein Ubermässiger Luftüberschuss der Brennkammer zugeführt zu werden, so dass auch dadurch eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrades erzielt wird. Am wichtigsten sind jedoch die erfindungsgemäss erzielten niedrigen Anlagekosten, welche die Anlage insbesondere für Spitzenkraftwerke, für Tages- oder Saisonspitzen, geeignet machen, und zwar für Kraftwerke mit Betriebszeiten bis zu 4000 Stunden im Jahr.
In der erfindungsgemässen Anlage werden die Ver-
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brennungsgase in der Brennkammer durch die Erzeugung und Ueberhitzung von Dampf und darauf durch die Mischung des in der Dampfturbine entspannten Dampfes auf die für den Eintritt in die Gasturbine zulässige Temperatur gekühlt. Eine Kühlung durch überschüssige Verbrennungsluft, wie sie in den Gasturbinen -sonst üblich ist, ist hier nicht mehr erforderlich, und der Ueberschuss an Verbrennungsluft kann auf den kleinsten Wert herabgesetzt werden, welcher zur Erreichung einer guten und vollständigen Verbrennung des Brennstoffes noch notwendig ist. Diese Herabsetzung des LuftüberSchusses hat zur Folge, dass für die gleiche, in die Anlage eingespritzte Brennstoffmenge, die durch den Luftkompressor zu liefernde Luftmenge entsprechend verkleinert und damit auch die von diesem Kompressor aufgenommene Leistung im gleichen Verhältnis vermindert wird. In der Gasturbine entspännt sich nun ein Gemisch von Verbrennungsgasen und Dampf und nur für einen Teil dieses Gemisches, nämlich für die Verbrennungsgase, wird ein Teil der Entspannungsleistung für die Kompression der Verbrennungsluft wieder aufgebraucht. Für den anderen Teil des Gemisches, nämlich den Dampf, der hier anstelle der in der
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konventionellen Gasturbine verwendeten, überschüssigen Verbrennungsluft auftritt, steht die Entspannungsleistung praktisch ungeschmälert als Nutzleistung zur Verfügung. Die Leistungsaufnahme der zur Durchführung des Verfahrens benötigten Speisewasserpumpe ist sehr klein und fällt kaum in Betracht. In bezug auf die Leistungsdichte der Anlage, M d.h. auf die erzeugte Nettoleistung, gemessen an den Abmessungen der Turbine, ist es daher von Vorteil,wenn der Anteil von Dampf in dem zur Entspannung gelangenden Gasdampfgemisch möglichst hoch und der Anteil von überschüssiger Verbrennungsluft möglichst klein ist. Mit dem erfindungsgemässen Verfahren ist diese Bedingung in sehr hohem Masse erfüllt. Erfindungsgemäss wird der in der Brennkammer unter
hohem Druck erzeugte Dampf zunächst in einer Dampfturbine entspannt und nach Austritt aus der Dampfturbine mit den Verbrennungsgasen vermischt, welche zur Entspannung in die Gasturbine gelangen. Durch die Entspannung in der Dampftürtine erfährt der Dampf eine entsprechende Abkühlung, so dass er am Austritt der Dampfturbine eine bedeutend niedrigere
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Temperatur aufweist, als das Dampfgasgemisch, welches in • die Gasturbine geleitet wird. Durch die Mischung erfahren die Verbrennungsgase e&ie Abkühlung, der Dampf aber eine Erwärmung, so dass dür den Dampf diese Mischung nichts anderes als eine Zwischenerhitzung bedeutet. Beim Damp*f prozess erfolgt somit eine erste Entspannung, eine Zwischenerhitzung und eine zweite Entspannung, so dass er sowohl leistungswie auch wirkungsgradmässig als hochwertig betrachtet werden kann, auch wenn die zweite Entspannung nur bis auf atmosphärischen Druck erfolgt. Wesentlich im Hinblick auf die Anlagekosten ist aber der Umstand, dass die Zwischenerhitzung des Dampfes durch reine Mischung mit den Verbrennungsgasen erfolgt, ohne dass irgendwelche Wärmeübertragungsflächen benötigt werden.
Auch für die Erzeugung des HD-Dampfes sind die Apparatekosten ausgesprochen niedrig. Da der Wärmeübergang von den heissen Verbrennungsgasen zu den zur Dampferzeugung- und Ueberhitzung dienenden Heizflächen unter dem in der Brennkammer herrschenden Druck von mehreren Atmosphären erfolgt, sind die Wärmeübergangszahlen sehr günstig und die benötigten
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Heizflächen entsprechend klein.
Bekanntlich ist es, mit Rücksicht auf die Korrosionsgefahr der Heizflächen, von Vorteil, wenn das zur Dampferzeugung eingespeiste Wasser so weit vorgewärmt ist, dass eine Unterschreitung der Taupunktgrenze vermieden wird. Es kann daher das Speisewasser durch Mischung mit einem kleinen Teil der in der Dampfturbine entspannten Dampfmenge vorge- ' wärmt werden, der zu diesem Zweck von der Hauptmenge abgezweigt wird, welche zur Mischung mit den Verbrennungsgasen bestimmt ist. Die Mischung des kalten Speisewassers mit dem. Dampf kann in der an sich bekannten Weise in einem Kaskaden- ' Vorwärmer erfolgen. Auch leistungs- und wlrkungsgradmässig ist eine solche Vorwärmung von Vorteil, da die dafür verwen- λ dete Dampfmenge in der Dampfturbine Arbeit leistet, ohne dass ihre Kondensationswärme mit den Abgasen verloren geht. Naturgemäss kann dabei die Vorwärmungstemperatur höchstens einen Wert erreichen, welcher der Siedetemperatur des Wassers unter dem am Austritt der Dampfturbine herrschenden Druck gleich ist. Eine weitere Vorwärmung kann aber dadurch vorgenommen werden, dass das Speisewasser anschliessend durch
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einen Wärmeübertrager geleitet wird, welcher durch die Abgase der Gasturbine beheizt wird, bevor die letzteren in die Atmosphäre entweichen. Durch die Mischvorwärmung ist das Wasser bereits so weit vorgewärmt, dass auch in diesem Wärmeübertrager die Gefahr einer Überschreitung der Taupunktgrenze vermieden wird. Der Wärmeübertrager kann daher als einfacher Durchlaufvorwärmer ausgebildet werden, ohne dass eine interne Wasserumwälzung nötig ist.
Bei der erfindungsgemassen Anlage hat man grundsätzlich die Möglichkeit, den in der Brennkammer herrschenden Verbrennungsdruck nach freiem Ermessen festzulegen. Um die · Verwendung von Gasturbinen der handelsüblichen Bauart zu · ermöglichen, kann man z.B. diesen Verbrennungsdruck auch gleich hoch wählen, wie es im Gasturbinenbau normal ist, d.h. zwischen 5 und 8 Atmosphären. Im Hinblick auf die spezifischen Kosten der Anlage 1st es jedoch von Vorteil, diesen Druck noch höher zu wählen, z.B. in der Grössenordnung von 20 at. Dadurch wird das Entspannungsgefälle in der Gasturbine grosser und das Dampfgasgemisch kann eine grössere Arbeit liefern, bevor es in die Atmosphäre entweicht. Die aus
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der Gasturbine austretenden Abgase haben auch, gleiche Eintrittstemperatür vorausgesetzt, eine niedrigere Temperatur und können direkt, d.h. ohne Wärmeaustauscher, in die Atmosphäre abgeleitet werden, ohne dass die thermischen Abgasverluste zu sehr ins Gewicht fallen. Bei solchen Verbrennung sdrücken ist es aber von Vorteil, die Kompression der Verbrennungsluft in mindestens zwei Stufen vorzunehmen und zwischen den beiden Stufen für eine Kühlung der komprimierten Luft zu sorgen. Die aus dieser Kühlung der Luft gewonnene Wärme kann zum grössten Teil zur Vorwärmung des zur Dampferzeugung bestimmten Speisewasser? verwendet werden. Die weitere Vorwärmung wird in der bereits beschriebenen Weise durch Mischung mit einem Teil der in der Dampfturbine entspannten Dampfmenge vorgenommen.
Die Vermischung des in der Dampfturbine entspannten Dampfes mit den Verbrennungsgasen kann grundsätzlich an einer beliebigen Stelle zwischen der Verbrennungszone in der Brennkammer und am Eintritt in die Gasturbine erfolgen. Un die Heizflächen in der Brennkammer möglichst klein zu halten, ist es von Vorteil, wenn die Verbrennungsgase, welche diese
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Heizflächen bestreichen, eine möglichst hohe Temperatur aufweisen. Aus diesem Grunde ist es angebracht, wenn die Mischung mit dem verhältnismässig kalten Dampf erst dann erfolgt, wenn die Verbrennungsgase die Gesamtheit der Heizflächen durchgeströmt haben. Andererseits kann man mit der Einspritzung eines Teils der Dampfmenge in einer früheren Zone die Temperatur des mit den Heizflächen in Berührung kommenden Gasgemisches herabsetzen, was von Vorteil sein kann, um die Hochtemperaturkorrosion an gewissen, thermisch besonders stark belasteten Teilen der Heizflächen zu vermeiden, aber auch um die Temperatur des überhitzten Dampfes zu beeinflussen. Aus diesem Grunde werden am besten zwei Mischstellen vorgesehen, wovon sich die erste zweckmässigerweise in der Zone zwischen dem Verdampfer und dem Dampfüberhitzer, die zweite in der Zone nach dem Dampf-
überhitzer befindet. Die Verteilung der Dampfmenge zwischen den beiden Mischstellen kann durch ein Dampfventil geregelt werden, welches in Funktion der Temperatur des überhitzten Dampfes automatisch gesteuert wird.
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Die Erfindung wird anhand einer in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführung erläutert.
In der erfindungsgemässen Anlage ist in an sich bekannter Weise eine Gasturbine 1 mit den zwei Stufen 2 und eines zweistufigen Kompressors an einer Welle angeordnet. Gleichzeitig ist mit der Welle der Gasturbine 1 auch ein elektrischer Generator 4 gekuppelt. Die Gasturbine 1 erhält durch eine Rohrleitung 5 eine Mischung von Brenngasen und Dampf aus einer Brennkammer 6. Die Brennkammer weist einen Brenner 7 auf, dem durch eine Leitung 8 Brennstoff und durch eine Leitung 9 komprimierte Luft aus der zweiten Kompressorstufe 3 zugeführt wird. Die Brennkammer ist mit einer Rohrauskleidung versehen, welche einen Verdampferteil 10 und einen Ueberhitzterteil 11 bildet. Die Wasserzufuhr in dem Verdampferteil 10 erfolgt über eine Anlage 12 zur Entsalzung des Speisewassers, eine Speisepumpe 13, einen ersten Vorwärmer 14 und einen zweiten Vorwärmer 15. Der erste Vorwärmer dient gleichzeitig als Kühler für die komprimierte Luft bei ihrem Uebertritt aus dem Kompressorteil 2 in den Kompressorteil 3. Dem zweiten Vorwärmer 15 werden durch eine
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Leitung 16 Abgase der Gasturbine 1 zugeführt und verlassen diesen durch eine Leitung 17 und einen nicht dargestellten Kamin ins Freie.
Aus dem Verdampfer 10 gelangt der erzeugte Wasserdampf in den Ueberhitzer 11 und wird aus diesem einer Dampfturbine 18 zugeführt, welche einen Generator 20 antreibt. Aus der Dampfturbine 18 gelangt der entspannte Dampf zu einer Mischstelle 21 am Austrittsende der Brennkammer.
Wie aus der Figur ersichtlich ist, kann in der Speiseleitung für Wasser ein Vorwärmer 30 angeordnet sein, welcher durch eine Leitung 31 an den Ausgang der Turbine 18 angeschlossen ist. Der Vorwärmer 30 ist vorzugsweise ein an sich bekannter Kaskadenvorwärmer, in welchem der entspannte Dampf aus der Leitung 31 mit dem Speisewasser vermischt wird. Das Speisewasser wird dem Vorwärmer 30 durch eine Niederdruck-Speisepumpe 32 zugeführt.
Weiter ist in der Figur noch eine Mischstelle 33 vorgesehen, welche durch eine Leitung 34 ebenfalls an den Austritt der Turbine 18 angeschlossen ist. In der Leitung
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34 ist ein thermostatisch gesteuertes Drosselorgan 35 angeordnet, welches von der Temperatur des aus dem Ueberhitzer austretenden Dampfes beeinflusst wird und der Regelung dieser Temperatur dient.
Die für die Verbrennung bestimmte Luft wird beispielsweise im Kompressor 2, 3 auf einen Druck von 6 ata komprimiert. Das Speisewasser kann hingegen dem Verdampfer und Ueberhitzer mit einem Druck von z.B. 100 ata eingespeist werden. Es kann dann in der Dampfturbine eine Entspannung des erzeugten Dampfes von angenähert 100 ata auf ca 7 ata erfolgen, da ein Drucküberschuss des Dampfes für dessen Vermischung erforderlich ist. Die Temperaturverhältnisse sind dabei so gewhält, dass die Temperatur der Brenngase vor der Mischstelle bedeutend niedriger ist als die Temperatur des der Mischstelle zugeführten Dampfes. So kann, entsprechend einem vorgeschlagenen Beispiel, die Temperatur der Brenngase vor der Mischstelle, also nach dem Ueberhitzer 11, ca 1300° C betragen, die Temperatur des der Mischstelle zugeführten Dampfes hingegen 170° C. Dabei wird nach der Vermischung eine gemeinsame Temperatur der Brenn-
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gase und des Dampfes von ca 600° C angestrebt. Auf diese Weise wird mit einfachen Mitteln, ohne Heizflächen, eine Zwischenüberhitzung des in der Dampfturbine entspannten Dampfes herbeigeführt.
Aus der Brennkammer gelangt das Gemisch von Brenngasen mit dem überhitzten Wasserdampf mit einem Druck von 6 ata und 600° C in die Gasturbine 1, in welcher das Gemisch auf einen kleinen Wert über dem Atmosphärendruck entspannt wird. Im Vorwärmer 15 wird darauf noch ein Teil der Wärme der Abgase ausgenützt.
Es versteht sich, dass die beschriebene Anlage im Rahmen der Erfindung vereinfacht werden kann. So kann z.B. ein einstufiger Turbokompressor ohne Zwischenkühler vorgesehen werden. Auch die Anordnung des Vorwärmers 15 ist für die Zwecke der Erfindung nicht unbedingt notwendig. Ebenso kann bei einfachen Anlagen auf den Vorwärmer 30 oder auf die Mischstelle 33 verziehtet werden. Auch kann der Betriebsdruck in der Brennkammer, wie bereits erwähnt., bedeutend höher gswöffilit werden als 6 stau,, welcher Wert im Zusammenhang mit <äöm beschriebenen Beispiel genannt wurde.
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Claims (13)

U76903 - 17 - Patentansprüche
1. Verfahren zum gemischten Gas- und Dampfbetrieb einer Gasturbinenanlage, dadurch gekennzeichnet, dass in der Brennkammer in Heizelemente eingespeistes Wasser bei höherem Druck als dem Brennkammerdruck verdampft und überhitzt wird, dass der überhitz Dampf in einer Dampfturbine entspannt und nach Entspannung mindestens ein Teil davon mit den Brenngasen vor deren Eintritt in die Gasturbine vermischt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampf so weit entspannt wird, dass bei der Beimischung die Temperatur des entspannten Dampfes niedriger ist als die Temperatur des Dampf-Gasgemisches am Eintritt in die Gasturbine.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,· dass das den Heizelementen zugeführte Wasser durch Kompressionswärme der Brennluft vorgewärmt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das den Heizelementen zugeführte Wasser durch die Wärme der die Gasturbine verlassenden Abgase vorgewärmt wird,
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5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das eingespeiste Wasser durch Mischung mit in der Dampfturbine entspanntem Dampf vorgewärmt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennung in der Brennkammer bei einem Luftüberschuss erfolgt, der kleiner ist als 2,5.
7. Gas-Dampfturbinenanlage mit einer Brennkammer, in dieser angeordneten Heizelementen zur Verdampfung und Ueberhitzung von Wasser sowie einer an die Brennkammer angeschlossenen Gasturbine, gekennzeichnet durch eine bezüglich der Dampfströmung nach den Heizelementen angeordnete Dampfturbine sowie eine vor der Gasturbine befindliche
fe Mischstelle, in welcher eine Vermischung des in der Dampfturbine entspannten Dampfes mit den Brenngasen erfolgt.
8. Anlage nach Anspruch 7, mit mehrstufigem Kornpressor für die Brennluft und mindestens einem Luftkühler zur Zwischenkühlung der komprimierten Luft, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftkühler in die Strömung des der Brennkammer zugeführten Speisewassers .eingeschaltet ist, wobei das Speisewasser als Kühlmittel dient.
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9. Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Strömung der aus der Gas- Dampfturbine austretenden Abgase ein Vorwärmer- für das den Heizelementen der Brennkammer zugeführte Wasser geschaltet ist.
10. Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in die Strömung des Speisewassers ein Mischvorwärmer eingeschaltet ist, dem in der Dampfturbine entspannter Dampf zugeführt wird.
11.Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischstelle bezüglich der Strömung der Brenngase nach den Heizelementen der Brennkammer angeordnet ist.
12. Anlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Mischstelle vor dem Ueberhitzer angeordnet ist.
13. Anlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung des* Zufuhr des Dampfes zur zusätzlichen Mischstelle in Ä&Mag$g4Eeit -wen der Ä&stjriJtts temperatur des überhitzten Dampfes erfolgt.
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