DE19609607A1 - Kombi-Kraftwerksanlage und Verfahren zu ihrem Betrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kombi-Kraftwerksanlage mit einer eine Gasturbine auf­ weisenden Gasturbinenanlage, welcher Gasturbine Verdichterluft von einem Ver­ dichter zuströmt, und mit einer von einem Abhitzekessel gespeisten Dampfturbine aufweisenden Dampfturbinenanlage sowie mit wenigstens einem strömungsmäßig zwischen dem Verdichter und der Gasturbine angeordneten Wärmetauscher zur Temperaturanpassung der aus dem Verdichter der Gasturbine zuströmenden Ver­ dichterluft.

Um einen sicheren Betrieb einer Gasturbine zu gewährleisten, ist im Bereich der Abgasturbine Kühlung erforderlich. Zu diesem Zweck wird dem Verdichter Luft ent­ nommen und auf die gewünschte Temperatur gekühlt. Anschließend wird die ge­ kühlte Luft in den zu kühlenden Bereich der Turbine eingeleitet.

Bei der Kühlung wird der Verdichterluft eine Wärmeleistung von bis zu ca. 20 MW entzogen. Um für ein Kombikraftwerk (Combine Cycle Kraftwerk) einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erreichen, wird diese Wärmeleistung für den Kraftwerks­ prozeß genutzt, anstatt sie als Abwärme an die Umgebung abzuführen.

Um die Wärmeleistung wieder in den sogenannten Combine Cycle Prozeß einzu­ bringen, stehen derzeit zwei Standardvarianten für die Luftkühlung zur Verfügung.

Gemäß der ersten bekannten Verfahrensweise wird in die heiße Verdichterluft Wasser eingedüst. Das Wasser verdampft und entzieht der Luft die Verdamp­ fungsenthalpie. Durch die Abnahme der Enthalpie wird die Luft abgekühlt. Des weiteren steigt durch das verdampfte Wasser die relative Feuchte der Luft. Die feuchte Luft wird zur Kühlung in den Turbinenbereich eingespeist. Da dieses Ver­ fahren die Abwärme ohne einen Wasser-/Dampfkreislauf in den Prozeß rekuperiert, stellt es die Standardvariante für Simple Cycle Anlagen dar.

Als Nachteil ist hierbei festzuhalten, daß das Wasser für den Einsatz im Einspritz­ kühler demineralisiert werden muß. Hierfür ist eine Wasseraufbereitungsanlage erforderlich. Die Kosten einer solchen Anlage für die Bereitstellung der erforderli­ chen Menge, zum Beispiel 8 kg/s, an demineralisiertem Wasser sind erheblich. In die Betriebskosten dieses Verfahrens gehen ferner die ebenfalls nicht unbeträchtli­ chen Wasserkosten ein.

Eine zweite Verfahrensweise bedient sich eines Zwangsdurchlaufwärmetauschers, In welchem das Sekundärluftsystem, in dem die Verdichterluft strömt, und der Was­ ser/Dampf-Kreislauf des Abhitzekessel in einem Wärmeaustauscher verknüpft wer­ den. Auf der Seite des Wasser/Dampf-Kreislaufes tritt Kesselspeisewasser in den Wärmeaustauscher ein und überhitzter Dampf aus. Der überhitzte Dampf wird der Dampfturbine zugeführt. Die Verdichterluft wird durch das Vorwärmen, Verdampfen und Überhitzen des Wassers abgekühlt.

Der Nachteil dieser Verfahrensweise besteht im wesentlichen darin, daß in dem zwangsdurchströmten Wärmetauscher der Gasturbinenprozeß und der Wasser-/Dampf-Prozeß unmittelbar verknüpft sind, so daß bei einem Combine Cycle Kraft­ werk die Gasturbine nicht allein für sich im Einkreis-Betrieb über einen Bypasska­ min betrieben werden kann. Der Betrieb der Gasturbine führt zwangsläufig zum Aufheizen des Wasser/Dampf-Kreislaufes.

Darüber hinaus kommen zusätzliche Probleme hinzu, wenn zunächst nur die Gasturbine installiert und betrieben wird, während zum Beispiel die Installation des Wasser-/Dampf-Kreislaufes erst Jahre später vorgesehen ist. Für die Dauer des Einkreis-Betriebes der Gasturbine wird der erzeugte überhitzte Dampf an die Um­ gebung abgegeben, da die Dampfturbine zur Nutzung des Dampfes nicht zur Ver­ fügung steht. Für die Dauer des Einkreis-Betriebes ist der Wasserverbrauch ca. 90% größer als im Kombi-Betrieb, da im Kombi-Betrieb nur die Leckageverluste ersetzt werden müssen. Das bedeutet für den Fall einer zeitversetzten Montage der Gasturbine sowie des zugehörigen Dampfturbinenteils, daß die Wasseraufberei­ tungsanlage für das Combine Cycle Kraftwerk überdimensioniert ist.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein Kom­ bikraftwerk der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welchem die Kühlung der Verdichterluft auf einfache Art und Weise erfolgt und die vorstehend geschilderten Nachteile im Stand der Technik vermieden werden. Außerdem soll ein Verfahren angegeben werden, mit welchem die vorstehende Kraftwerksanlage betrieben wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 13 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesse­ rungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß ist der wenigstens eine Wärmetauscher als Luft/Luft-Wärmetauscher ausgebildet, in welchem die im Sekundärluftsystem strömende Verdichterluft gekühlt wird. Das Kühlmedium ist hierbei vorteilhafterweise Umge­ bungsluft, die mit einem drehzahlgeregelten Radialgebläse durch den Wärmeaus­ tauscher gefördert wird. Im Wärmeaustauscher wird die Umgebungsluft auf so hohe Temperaturen aufgeheizt, daß der Exergiegehalt eine Rekuperation mit hohem Wirkungsgrad erlaubt.

Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der wenigstens eine Wärmetauscher als Rohrbündelwärmeaustauscher ausgebildet, bei welchem die Rohre von der Verdichterluft durchströmt sind, während die zur Kühlung die­ nende Umgebungsluft die Kühlrohre außen umströmt, vorteilhafterweise im Ge­ genstrom.

Gemäß einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kraftwerksanlage strömt die Verdichterluft vom Verdichter in wenigstens zwei Teilströmen der Gasturbine zu, wobei für jeden Verdichterstrom ein Wärmetauscher vorgesehen ist.

Vorteilhafterweise sind die Teilströme derart ausgebildet, daß ein erster Teilstrom als Hochdruckluftstrom und ein zweiter Teilstrom als Niederdruckluftstrom vorgese­ hen sind. Dabei weist der Hochdruckluftstrom am zugeordneten Wärmetauscher eine Eingangstemperatur von T_He < 500°C und eine Austrittstemperatur von T_Ha < 350°C auf, während die zugeführte Umgebungsluft mit einer Temperatur von T_Hu = 500°C ± 15 K aus dem Wärmetauscher ausströmt.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Nieder­ druckluftstrom am zugeordneten Wärmetauscher eine Eingangstemperatur von T_Ne < 400°C und eine Austrittstemperatur von T_Na < 350°C auf, wobei die zugeführte Umgebungsluft mit einer Temperatur von T_Nu = 400°C ± 15 K aus dem Wärmetau­ scher ausströmt.

Wie bereits erwähnt ist für jeden Zuluftstrom zur Einspeisung der zur Kühlung der Verdichterluft dem zugeordneten Wärmetauscher zugeführten Umgebungsluft we­ nigstens ein Fördergebläse vorgesehen.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kraftwerksanla­ ge sieht vor, daß die aus dem zugeordneten Wärmetauscher austretende, mit der Verdichterwärme beaufschlagte Umgebungsluft dem Abhitzekessel der Dampfturbi­ nenanlage zuströmt und sich mit dem dorthin zugeführten Abgas der Gasturbine vermischt.

Dabei erfolgt die Zuführung der im zugeordneten Wärmetauscher erwärmten Um­ gebungsluft in den Abhitzekessel auf der Temperaturstufe entsprechend ihrer Aus­ trittstemperatur aus dem zugeordneten Wärmetauscher. Damit ist auf einfache Weise eine verlustfreie Nutzung der Verdichtungsarbeit im Kombi-Prozeß möglich, da die von der Verdichterluft aufgenommene Wärme, die auf einem niedrigeren Temperaturniveau liegt, nicht unmittelbar mit dem aus der Abgasturbine austreten­ den Abgasstrom vermischt wird und hierbei dessen Temperatur absenken würde, sondern erst dort dem Abhitzekessel zugeführt wird, wo der Abgasstrom sich auf das entsprechende Temperaturniveau abgekühlt hat.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb der zuvor beschriebenen Kraft­ werksanlage ist durch die folgenden Schritte gekennzeichnet:

• 1.) die Verdichterluft wird an wenigstens zwei Verdichterstufen entnommen;
• 2.) die wenigstens zwei Teilströme der Verdichterluft werden in zugeordneten Wärmetauschern mit Umgebungsluft gekühlt und an wenigstens zwei Turbi­ nenstufen der Gasturbine zugeführt;
• 3.) die zur Kühlung benutzte Umgebungsluft wird dem jeweiligen Wärmetauscher mit Druck zugeführt, wo sie die Verdichtungswärme der Verdichtungsluft auf­ nimmt;
• 4.) die erwärmte Umgebungsluft steht zur weiteren Nutzung zur Verfügung.

Entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung dieses Verfahrens wird die im zu­ geordneten Wärmetauscher erwärmte Umgebungsluft dem Abhitzekessel zuge­ führt.

Hierbei ist in vorteilhafter Ausgestaltung vorgesehen, daß die erwärmte Umge­ bungsluft entsprechend ihrer Temperatur in den Abhitzekessel jeweils auf der Tem­ peraturstufe eingespeist wird, die der örtlichen Abgastemperatur entspricht. Die aufgeheizte Umgebungsluft wird dabei in das Heißgas der Gasturbine eingeblasen. Das Gemisch aus heißer Luft und Heißgas strömt anschließend durch den Abhitze­ kessel. Die dem Sekundärluftsystem entnommene Wärmemenge wird also im Ab­ hitzekessel des Wasser-/Dampf-Kreises rekuperiert. Um einen hohen Wirkungs­ grad im Combine Cycle zu erreichen, wird die Luft also direkt in den Abhitzekessel eingespeist und zwar an der Stelle, an der die Heißgastemperatur gleich der Luft­ temperatur ist. Damit ist sichergestellt, daß die Temperatur des Heißgases durch die Mischung mit der Luft nicht gesenkt wird.

Die Vorteile dieser Verfahrensweise sind nachstehend aufgeführt:

• 1.) Der Gasturbinenprozeß ist durch Einsatz des Luft-/Luft-Wärmeaustauschers vom Wasser-/Dampfkreislauf entkoppelt. Aus diesem Grund ist es möglich, mit dem Luft-/Luft-Wärmeaustauscher ein Combine Cycle Kraftwerk im Simple Cycle Betrieb zu fahren. Die aufgeheizte Umgebungsluft kann dann ungenutzt in den Bypass Kamin gegeben werden.
• 2.) Die Installation einer Wasseraufbereitungsanlage für die Einspritzkühlung der Verdichterluft kann entfallen. Damit sind die Betriebskosten erheblich redu­ ziert gegenüber der Einspritz-Variante, da kein demineralisiertes Wasser ver­ braucht wird.
• 3.) Der Luft-/Luft-Wärmeaustauscher kann sowohl für Simple Cycle als auch für Combine Cycle Anlagen eingesetzt werden.
• 4.) Die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit des Luft/Luft-Wärmeaustauschers ein­ schließlich der vorgesehenen Gebläse zur Förderung der Umgebungsluft ist den beiden Standardvarianten überlegen.
• 5.) Schließlich ist die erfindungsgemäß vorgesehene Kraftwerksanlage auch hin­ sichtlich der Errichtungskosten günstiger.

Diese und weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Anhand eines in der schematischen Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels sollen die Erfindung, vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen sowie be­ sondere Vorteile der Erfindung näher erläutert und beschrieben werden.

In der einzigen Fig. ist ein Teil einer erfindungsgemäßen Kombikraftwerksanlage 10 mit einer Gasturbogruppe 12 und einem hiervon beaufschlagten Abhitzekessel 14 dargestellt, der seinerseits in einen nicht näher dargestellten Wasser-Dampf-Kreislauf einer ebenfalls nicht näher gezeigten Dampfturbogruppe entsprechend den Pfeilen Pein und Paus eingebunden ist. Das dem Abhitzekessel 14 zugeführte Abgas der Gasturbogruppe 12 durchströmt diesen und wird anschließend über ei­ nen nicht dargestellten Abgaskamin ausgeleitet und an die Umgebung abgegeben.

Die Gasturbogruppe umfaßt einen Verdichter 16, in welchem die Brennluft für die Gasturbine verdichtet wird, und eine wellengleiche Gasturbine 18 sowie eine hier nicht näher dargestellte Brennkammer, in welcher der zugeführte Brennstoff ver­ brannt wird, um das Treibgas für die Gasturbine zu bilden.

Wie der einzigen Fig. ferner zu entnehmen ist, weist der Verdichter 16 zwei Ent­ nahmestellen 20, 22 auf, an welchen Verdichterluft ausgeleitet und über Rohrlei­ tungen 21, 21′, 23, 23′ zwei Einspeisestellen 20′, 22′ an der Gasturbine zugeführt wird.

Die Entnahmestelle 20 liefert Verdichterluft mit einem niedrigen bis mittleren Druck und die Entnahmestelle 22 Verdichterluft mit hohem Druck, welche Verdichterluft quasi ohne Druckverlust in Gasturbine 18 eingespeist wird.

In diese Leitungen 21, 21′, 23, 23′ sind jeweils Wärmetauscher 24, 26 zwischenge­ schaltet, welche als Luft/Luft-Wärmetauscher vorgesehen sind und mit Umgebungs­ luft von beispielsweise 15°C durchströmt werden. Die den Wärmetauschern 24, 26 mittels Gebläseeinrichtungen 28 über Leitungen 30, 32 zugeführte Umgebungsluft nimmt in den Wärmetauschern 24, 26 die aus der Verdichtungsarbeit gewonnene Wärmeenergie der Verdichterluft auf und gelangt über Leitungen 30′, 32′ in den Abhitzekessel 14.

Entsprechend der Erfindung ist dabei vorteilhafterweise vorgesehen, daß die Ein­ speisestellen für die erhitzte Umgebungsluft am Abhitzekessel 14 jeweils örtlich so angeordnet sind, daß das in den Abhitzekessel 14 eingeleitete Turbinenabgas an der Einleitstelle praktisch die gleiche Temperatur aufweist wie die zugeführte Heißluft.

Für die beispielhaft gezeigte Kraftwerksanlage beträgt die Austrittstemperatur an der Entnahmestetle 20, am Verdichter etwa 430°C und an der Entnahmestelle 22 etwa 540°C. Die Zulauftemperatur der Umgebungsluft beträgt jeweils etwa 15°C. Die Austrittstemperatur der Verdichterluft beträgt am Niederdruck-Wärmetauscher 24 etwa 340°C und am Hochdruck-Wärmetauscher 26 ebenfalls etwa 340°C. Die Zulauftemperatur der in den Wärmetauschern 24, 26 erzeugten Heißluft beträgt im Hochdruckstrang etwa 500°C und im Niederdruckstrang etwa 400°C.

Der Vorteil der vorliegenden Erfindung beruht im wesentlichen darauf, daß das zur Kühlung der Verdichterluft verwendete Medium, nämlich Umgebungsluft, praktisch unbegrenzt zur Verfügung steht und ohne unzulässige Beeinträchtigung der Umge­ bung wieder abgegeben werden kann, wenn der Dampfturboblock nicht zur Verfü­ gung steht.

Claims (15)

1. Kombi-Kraftwerksanlage (10) mit einer eine Gasturbine (18) aufweisenden Gasturbogruppe (12), welcher Gasturbine (18) Verdichterluft von einem Verdichter (16) zuströmt, und mit einer von einem Abhitzekessel (14) gespeisten Dampfturbine aufweisenden Dampfturbogruppe sowie mit wenigstens einem strömungsmäßig zwischen dem Verdichter (16) und der Gasturbine (18) angeordneten Wärmetau­ scher (24, 26) zur Temperaturanpassung der aus dem Verdichter (16) der Gastur­ bine (18) zuströmenden Verdichterluft, dadurch gekennzeichnet, daß der wenig­ stens eine Wärmetauscher (24, 26) als Luft/Luft-Wärmetauscher ausgebildet ist.

2. Kraftwerksanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der we­ nigstens eine Wärmetauscher (24, 26) von der Verdichterluft sowie von Umge­ bungsluft durchströmt ist.

3. Kraftwerksanlage nach Anspruch 1 oder 2, daß die Verdichterluft ihre mit der Verdichtungsarbeit zugeführte Wärmeenergie in dem wenigstens einen Wärme­ tauscher (24, 26) auf die Umgebungsluft überträgt.

4. Kraftwerksanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, daß der wenigstens eine Wärmetauscher (24, 26) als Rohrbündelwärmeaustauscher ausgebildet ist, bei welchem die Geradrohre von der Verdichterluft durchströmt sind.

5. Kraftwerksanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, daß der wenigstens eine Wärmetauscher (24, 26) im Gegenstrom von der Umgebungsluft durchströmt ist.

6. Kraftwerksanlage nach einem der vorherigen Ansprüche, daß die Verdich­ terluft vom Verdichter (16) in wenigstens zwei Teilströmen der Gasturbine (18) zu­ strömt und daß für jeden Verdichterstrom ein Wärmetauscher (24, 26) vorgesehen ist.

7. Kraftwerksanlage nach Anspruch 6, daß ein Teilstrom als Hochdruckluft­ strom und ein zweiter Teilstrom als Niederdruckluftstrom vorgesehen sind.

8. Kraftwerksanlage nach einem der Ansprüche 6 oder 7, daß der Hochdruck­ luftstrom am zugeordneten Wärmetauscher (26) eine Eingangstemperatur von T_He < 500°C und eine Austrittstemperatur von T_Ha < 350°C aufweist und daß die zuge­ führte Umgebungsluft mit einer Temperatur von T_Hu = 500°C ± 15 K aus dem Wär­ metauscher (26) ausströmt.

9. Kraftwerksanlage nach einem der Ansprüche 6 oder 7, daß der Nieder­ druckluftstrom am zugeordneten Wärmetauscher (24) eine Eingangstemperatur von T_Ne < 400°C und eine Austrittstemperatur von T_Na < 350°C aufweist und daß die zugeführte Umgebungsluft mit einer Temperatur von T_Nu = 400°C ± 15 K aus dem Wärmetauscher (24) ausströmt.

10. Kraftwerksanlage nach einem der vorherigen Ansprüche, daß für jeden Zuluftstrom zur Einspeisung der zur Kühlung der Verdichterluft dem zugeordneten Wärmetauscher (24, 26) zugeführten Umgebungsluft wenigstens ein Fördergebläse (28) vorgesehen ist.

11. Kraftwerksanlage nach einem der vorherigen Ansprüche, daß die aus dem zugeordneten Wärmetauscher (24, 26) austretende, mit der Verdichterwärme be­ aufschlagte Umgebungsluft dem Abhitzekessel (14) der Dampfturbogruppe zu­ strömt und sich mit dem dorthin zugeführten Abgas der Gasturbine (18) vermischt.

12. Kraftwerksanlage nach Anspruch 11, daß die Zuführung der im zugeord­ neten Wärmetauscher (24, 26) erwärmten Umgebungsluft in den Abhitzekessel (14) auf der Temperaturstufe entsprechend ihrer Austrittstemperatur aus dem zugeord­ neten Wärmetauscher (24, 26) vorgesehen ist.

13. Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei dem Verdichter (16) Verdichterluft entnommen wird und die ent­ nommene Verdichterluft gekühlt und der Gasturbine (18) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichterluft an wenigstens zwei Verdichterstufen (20, 22) entnommen wird, daß die wenigstens zwei Teilströme der Verdichterluft in zu­ geordneten Wärmetauschern mit Umgebungsluft gekühlt und an wenigstens zwei Turbinenstufen (20′, 22′) der Gasturbine (18) zugeführt werden, daß die zur Küh­ lung benutzte Umgebungsluft dem jeweiligen Wärmetauscher (24, 26) mit Druck zugeführt wird, wo sie die Verdichtungswärme der Verdichtungsluft aufnimmt, und daß die erwärmte Umgebungsluft zur weiteren Nutzung zur Verfügung steht.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die im zuge­ ordneten Wärmetauscher (24, 26) erwärmte Umgebungsluft dem Abhitzekessel (14) zugeführt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die erwärmte Umgebungsluft entsprechend ihrer Temperatur in den Abhitzekessel (14) jeweils auf der Temperaturstufe eingespeist wird, die der örtlichen Abgastemperatur im Abhitzekessel (14) entspricht.