DE19523062C2 - Verbundkraftwerk mit einem Gasturbinenkraftwerk und einem Dampfkraftwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verbundkraftwerk mit einem Gasturbinen­ kraftwerk und einem Dampfkraftwerk, bei dem eine Dampfturbinenanlage mit dem Dampf eines mit einer Feuerung versehenen Dampferzeugers und die Gasturbinen einer Gasturbinenanlage mit dem Verbrennungsgas je ei­ nes Gasbrenners betrieben werden, denen vorgewärmte verdichtete Ver­ brennungsluft zugeführt wird, das mit einem Abhitzekessel versehen ist, durch den das Abgas der Gasturbinen strömt und Speisewasser für den Dampferzeuger geleitet werden kann und in dessen Dampferzeuger ein Wärmetauscher angeordnet ist, durch dessen Rohre die Verbrennungsluft ganz oder teilweise geführt werden kann.

Bei Gasturbinenanlagen ist eine regelbare Vorwärmung der verdichteten Verbrennungsluft vor Einleiten in den Gasbrenner bekannt. Dabei kann die Verbrennungsluft entweder durch einen vom Abgas der Gasturbine durchströmten Wärmeaustauscher geführt und unmittelbar aufgeheizt wer­ den, oder es ist nach DE 41 38 522 C2 eine Wärmerückgewinnung mittels eines geschlossenen Flüssigmetallkreislaufs vorgesehen, wobei ein Wär­ meaustauscher die Abgaswärme an den Flüssigmetallkreislauf abgibt und ein weiterer Wärmeaustauscher die vom Flüssigmetallkreislauf aufgenom­ mene Wärme auf die Verbrennungsluft überträgt. Die Verwendung der Ab­ gaswärme von der Gasturbine hat zunächst den Nachteil, daß der Tempe­ raturabfall des Abgases das Nachschalten eines Abhitzekessels zur Dampferzeugung erschwert oder in der Regel unmöglich macht. Für Ver­ bundkraftwerke mit einem Gasturbinenkraftwerk und einem Dampfkraftwerk der dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entsprechenden Art ist eine solche Luftvorwärmung daher völlig ungeeignet. Der bekannte Flüssigmetall­ kreislauf zur Luftvorwärmung bedarf neben dem erhöhten Aufwand für zwei oder mehrere Wärmeaustauscher auch außerordentlich kostspielige Maßnahmen für die Sicherheit der Anlage, die eine wirtschaftliche An­ wendung nicht zuläßt.

Eine rekuperative Luftvorwärmung war bislang nur bei älteren, mit re­ lativ niedrigen Luftdruck arbeitenden Gasturbinenanlagen möglich. Hin­ gegen erfordern Rekuperatoren in der üblichen Anordnung bei den hohen Luftdrücken moderner Gasturbinenanlagen entsprechend groß dimensio­ nierte Druckbehälter. Häufig auftretende Schäden an den Wärmetauschern gaben Anlaß, von einer rekuperativen Luftvorwärmung mit Rauchgasen von Dampferzeugern o. dgl. Abstand zu nehmen.

Bei dem in der CH-PS 637 184 in Verbindung mit den Fig. 2 und 3 be­ schriebenen Verbundkraftwerk wird die für die Gasturbine bestimmte Heißluft in einem vom Abgas der Gasturbine durchströmten Abwärmeüber­ trager aufgeheizt und unmittelbar oder über einen zweiteiligen Wärme­ übertrager, dessen erster Teil im Wirbelbett und dessen zweiter Teil im Rauchgaszug vor dem Überhitzer angeordnet ist, der Gasbrennkammer zugeführt. Für die Dampferzeugung sind dem mit einer Wirbelfeuerung versehenen Dampferzeuger ein Economiser, Verdampfer und Überhitzer zu­ geordnet. Zu dem im Rauchgaszug des Dampferzeugers befindlichen Econo­ miser ist ein zweiter Economiser parallel geschaltet, der in dem vom Abgas der Gasturbine durchströmten Abwärmeübertrager angeordnet ist, so daß das Speisewasser in verstellbaren Mengen vom Rauchgas des Dampferzeugers und/oder dem Abgas der Gasturbine vorgewärmt werden kann. Dieses Kraftwerk hat zunächst den Nachteil, daß für die Dampf­ turbine nur der Dampferzeuger als Dampfquelle zur Verfügung steht. Bei Ausfall des Dampferzeugers ist ein Betrieb der Dampfturbine nicht mög­ lich, aber auch ein Betrieb der Gasturbine verbietet sich wegen des im Abgaswärmeübertrager angeordneten Economisers, der vor dem Heißlufter­ wärmer unmittelbar vom heißen Abgas beaufschlagt wird. Die Dampfturbi­ ne und die Gasturbine können daher immer nur gemeinsam betrieben wer­ den. Schließlich ist bei diesem Kraftwerk eine Wärmeverschiebung, die bei einem verringerten Strombedarf und einer daher reduzierten Dampf­ menge aus wärmewirtschaftlichen Gründen anzustreben ist, nur in einem engen Bereich des Strom- bzw. Wärmebedarfs möglich. Die gleichen Nach­ teile ergeben sich auch mit dem in Fig. 1 der CH-PS 637 184 gezeigten Kraftwerk, bei dem zwar Speisewasser in einem parallel zum Dampferzeu­ ger geführten System in dem vom Abgas der Gasturbine durchströmten Ab­ wärmeübertrager zu Frischdampf erhitzt wird, das der Dampfturbine un­ mittelbar zugeführt wird. Da aber die Gasturbine nur mit der im Dampferzeuger erhitzten Heißluft, also ohne Gasverbrennung arbeitet, hängen Dampf- und Gasturbine von einer gemeinsamen Feuerung ab und können auch nur gemeinsam betrieben werden. Die Zuordnung einer Gas­ brennkammer ist bei dieser Ausführung nicht ohne weiteres möglich, weil heißes Abgas der Gasturbine in den Dampferzeuger strömt. Auch ist die Anordnung der der Frischdampferzeugung dienenden Wärmetauscher für eine Wärmeverschiebung nachteilig.

Weiterhin ist aus der DE 27 43 830 A1 ein Kraftwerk mit einer Gastur­ bine und einer Dampfturbine bekannt, bei dem die der Gasbrennkammer zugeführte verdichtete Luft über einen Bypass und einen in der Wirbel­ schichtfeuerung eines Dampferzeugers angeordneten Wärmetauscher auf­ heizbar ist. Diese Anlage hat einen integrierten Feuerraum mit der un­ teren Wirbelschichtfeuerung und einer oberen der Dampferzeugung die­ nenden Staubfeuerung. Das Abgas der Gasturbine wird den beiden Feue­ rungen lediglich als Verbrennungsluft zugeführt. Auch bei diesem Kraftwerk können beide Turbinen nur gemeinsam betrieben werden und ei­ ne Wärmeverschiebung ist überhaupt nicht möglich. Außerdem fehlt eine rekuperative Aufheizung des Dampfes für die Dampfturbine durch das Ab­ gas der Gasturbine.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verbund­ kraftwerk derart auszubilden, daß ein wesentlich verbesserter Wir­ kungsgrad erzielbar ist.

Erfindungsgemäß ist zur Lösung der Aufgabe vorgesehen, daß der als Re­ kuperator ausgebildete Wärmetauscher für die Verbrennungsluft des Gas­ brenners im Rauchgaszug des Dampferzeugers hinter den der Bildung von überhitztem Dampf dienenden Wärmetauschern angeordnet ist und daß der Abhitzekessel zur Erzeugung von überhitztem Dampf ausgebildet ist und über eine Heißdampfleitung und ein Ventil an die Dampfturbine ange­ schlossen ist.

Die Ausbildung des Wärmeaustauschers zur Vorwärmung der Verbrennungs­ luft der Gasturbinenanlage als Rekuperator und dessen Anordnung im Rauchgaskanal des Dampferzeugers hat zunächst den Vorteil, daß die Ab­ wärme der Gasturbinenanlage im Abhitzekessel voll für die Dampferzeu­ gung nutzbar ist und die Gasturbinenanlage optimal gefahren werden kann. Ein weiterer und ganz bedeutsamer Vorteil besteht darin, daß bei einem geringeren Strombedarf die Dampfturbinenanlage heruntergefahren werden kann, ohne daß die Brennstoffzufuhr des Dampferzeugers verrin­ gert zu werden braucht, da die für die Dampferzeugung nicht mehr benö­ tigte Wärme zur Vorwärmung der Verbrennungsluft der Gasturbinenanlage verwendet wird. Diese Wärme wird hierbei gewissermaßen vom Dampferzeu­ ger in die Gasturbinenanlage verschoben. Auch wenn der z. B. mit Braunkohlestaub befeuerte Dampferzeuger mit sehr kleiner Teillast ge­ fahren wird, entstehen aufgrund der Wärmeaufnahme des Rekuperators ho­ he Rauchgasmengen und damit hohe Heißdampftemperaturen. Da anderseits durch das Abgas der Gasturbine im Abhitzekessel ebenfalls eine volle Überhitzung des Dampfes erzielt wird, kann auch eine getrennte Damp­ ferzeugung durch den Dampferzeuger oder den der Gasturbinenanlage zu­ geordneten Abhitzekessel mit jeweils hohem elektrischen Wirkungsgrad erfolgen.

Der Rekuperator ist vorzugsweise über ein Dreiwegeventil und eine Ne­ benleitung an die vom Verdichter zum Gasbrenner der Gasturbinenanlage führenden Verbrennungsluftleitung angeschlossen.

In der Zeichnung ist ein erfindungsgemäß ausgebildetes Verbundkraft­ werk schematisch dargestellt. Es besteht im wesentlichen aus einem in der rechten Hälfte der Zeichnung dargestellten Gasturbinenkraftwerk und einem auf der linken Hälfte gezeigten Dampfkraftwerk.

Zum Gasturbinenkraftwerk gehören im wesentlichen eine Gasturbine 1, ein Gasbrenner 2, ein Verdichter 3 für Verbrennungsluft 5 und ein Ge­ nerator 4 zur Stromerzeugung. Die im Verdichter 3 komprimierte Ver­ brennungsluft 5 wird über eine Luftleitung 6 dem mit Brenngas 7 be­ heizten Gasbrenner 2 zugeführt. Die Verbrennungsgase gelangen über ei­ ne Heißgasleitung 8 in die Gasturbine, welche den Verdichter 3 und den Generator 4 antreibt. Das die Gasturbine 1 verlassende Abgas 9 wird durch einen der Erzeugung von überhitzten Dampf dienenden Abhitzekes­ sel 10 geführt. Es versteht sich von selbst, daß dem Gasturbinenkraft­ werk mehrere dieser Maschinen und Einrichtungen zugeordnet werden kön­ nen.

Bestandteil des Dampfkraftwerks ist vor allem eine Dampfturbine 11 mit Generator 12 und ein Dampferzeuger 13, der mit einer Feuerung 14 und der Bildung von überhitztem Dampf dienenden Wärmetauschern 15 ausgerü­ stet ist. Der Dampferzeuger 13 kann insbesondere zur Befeuerung mit Braunkohlestaub ausgebildet sein. Doch ist auch eine Befeuerung mit anderen Brennstoffen oder verbrennbaren Abfallstoffen möglich. Der überhitzte Heißdampf wird über eine Heißdampfleitung 16 der Dampftur­ bine 11 zugeführt. Der Abdampf kann über nicht dargestellte Einrich­ tungen zur Erzeugung von Fernwärme o. dgl. verwertet, kondensiert und in einen Speisewasserbehälter 18 rückgeführt werden, aus dem das Spei­ sewasser mittels einer Pumpe 19 im Kreislauf dem Dampferzeuger 13 wie­ der zugeführt wird.

Für einen Verbundbetrieb kann die Dampfturbine 11, von der selbstver­ ständlich mehrere vorgesehen sein können, sowohl vom Dampferzeuger 13 als auch vom Abhitzekessel 10 des Gasturbinenkraftwerks mit überhitz­ tem Dampf betrieben werden. Hierfür wird dem Abhitzekessel 10 mittels einer Pumpe 20 Speisewasser zugeführt. Die Heißdampfleitung 17 ist ebenfalls an die Dampfturbine 11 angeschlossen, wobei in den Heiß­ dampfleitungen 16, 17 je ein Ventil 21 bzw. 22 angeordnet ist, mit de­ nen die anteilige Dampfmenge einstellbar ist.

Wesentlicher Bestandteil der Erfindung ist ein als Rekuperator ausge­ bildeter Wärmetauscher 23, der im Rauchgaskanal des Dampferzeugers 13 angeordnet ist und eine Vorwärmung der verdichteten Verbrennungsluft für die Gasturbinenanlage ermöglicht. Hierfür ist in der vom Verdich­ ter 3 zum Gasbrenner 2 führenden Luftleitung 6 ein Dreiwegeventil 25 vorgesehen, an welches eine mit dem Wärmetauscher 23 verbundene Neben­ leitung 24 anschließt, die zwischen Dreiwegeventil 25 und Gasbrenner 2 wieder in die Luftleitung 6 mündet. Mit Hilfe des Dreiwegeventils 25 kann die verdichtete Verbrennungsluft 5 dem Gasbrenner 2 entweder un­ mittelbar oder ganz oder teilweise über den Wärmetauscher 23 zuströ­ men. Der Wärmetauscher 23 ist so an die Nebenleitung 24 angeschlossen, daß die verdichtete Verbrennungsluft durch die Rekuperatorrohre strömt und die Rauchgase diese Rohre von außen anströmen. Mit einer Regelvor­ richtung läßt sich die über den Wärmetauscher 23 gelenkte Luftmasse in Abhängigkeit von der Belastung der Dampfturbine 11 derart regeln daß bei verringertem Strombedarf und entsprechend gedrosseltem Dampfver­ brauch der Dampferzeuger weiter entsprechend seinem optimalen Wir­ kungsgrad befeuert wird und die nicht für die Dampferzeugung ver­ brauchte Wärmemenge zur Vorwärmung der Verbrennungsluft für die Ga­ sturbinenanlage genutzt wird. Dabei wird der massenmäßig reduzierte Heißdampf im Dampferzeuger nach wie vor auf die optimale Temperatur überhitzt.

Der Wärmetauscher 23 kann an verschiedenen Stellen im Rauchgaskessel des Dampferzeugers 13 angeordnet sein. Eine günstige Stelle liegt z. B. zwischen den Überhitzungsflächen und einem Economiser. Die Rekupe­ ratorrohre können mit Einbauelementen zur Erhöhung der Wärmeübertra­ gung versehen sein. Zum Ausgleich von Wärmeausdehnungen sind die Rohre des Rekuperators vorzugsweise an gekühlten Tragelementen oder in Rohr­ platten aufgehängt.

Bezugszeichenliste

1

Gasturbine

2

Gasbrenner

3

Verdichter

4

Generator

5

Verbrennungsluft

6

Luftleitung

7

Brenngas

8

Heißgasleitung

9

Abgas

10

Abhitzekessel

11

Dampfturbine

12

Generator

13

Dampferzeuger

14

Feuerung

15

Wärmetauscher

16

Heißdampfleitung

17

Heißdampfleitung

18

Speisewasserbehälter

19

Pumpe

20

Pumpe

21

Ventil

22

Ventil

23

Rekuperator

24

Nebenleitung

25

Dreiwegeventil

Claims (1)

1. Verbundkraftwerk mit einem Gasturbinenkraftwerk und einem Dampfkraft­ werk, bei dem eine Dampfturbinenanlage mit dem Dampf eines mit einer Feuerung versehenen Dampferzeugers und die Gasturbinen einer Gasturbi­ nenanlage mit dem Verbrennungsgas je eines Gasbrenners betrieben wer­ den, denen vorgewärmte verdichtete Verbrennungsluft zugeführt wird, das mit einem Abhitzekessel versehen ist, durch den das Abgas der Ga­ sturbinen strömt und Speisewasser für den Dampferzeuger geleitet wer­ den kann und in dessen Dampferzeuger ein Wärmetauscher angeordnet ist, durch dessen Rohre die Verbrennungsluft ganz oder teilweise geführt werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß der als Rekuperator aus ge­ bildete Wärmetauscher (23) für die Verbrennungsluft des Gasbrenners (2) im Rauchgaszug des Dampferzeugers (13) hinter den der Bildung von überhitztem Dampf dienenden Wärmetauschern (15) angeordnet ist und daß der Abhitzekessel (10) zur Erzeugung von überhitztem Dampf ausgebildet ist und über eine Heißdampfleitung (17) und ein Ventil (22) an die Dampfturbine (11) angeschlossen ist.