DE19651965B4 - Kombinierte Gas-Dampf-Kraftwerksanlage mit Zwangsdurchlaufdampferzeuger - Google Patents

Abstract

Kombinierte Gas-Dampf-Kraftwerksanlage, bestehend aus einer Gasturbogruppe, welche zumindest einen Verdichter (2), eine Brennkammer (3) und eine Gasturbine (4) umfasst, einer Dampfturbine, welche zumindest einen Hochdruckteil (9) und einen Niederdruckteil (10) umfasst, sowie einer als Zwangsdurchlaufdampferzeuger mit nur einer Druckstufe ausgebildeten Abhitzedampferzeugungsanlage (7), wobei die Abgase der Gasturbine (4) ihre Restwärme über das in dem Zwangsdurchlaufdampferzeuger strömende Arbeitsmittel an die Dampfturbine abgeben und anschliessend ins Freie geleitet werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasser-Dampfkreislauf der Dampfturbine (9, 10) für überkritische Parameter ausgelegt ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine kombinierte Gas-Dampf-Kraftwerksanlage, bestehend aus einer Gasturbogruppe, welche zumindest einen Verdichter, eine Brennkammer und eine Gasturbine umfasst, einer Dampfturbine, welche zumindest einen Hochdruckteil und einen Niederdruckteil umfasst, sowie einer als Zwangsdurchlaufdampferzeuger mit nur einer Druckstufe ausgebildeten Abhitzedampferzeugungsanlage, wobei die Abgase der Gasturbine ihre Restwärme über das in dem Zwangsdurchlaufdampferzeuger strömende Arbeitsmittel an die Dampfturbine abgeben.
• Der Wasserdampfkreislauf der derzeitigen Gas-Dampf-Kraftwerksanlagen wird ausnahmslos mit unterkritischen Parametern gefahren. Der Abhitzekessel zur Nutzung der Abwärme der Gasturbinen wird in der Regel mit Trommelkessel, mit Zwangdurchlaufkessel oder mit Kombinationen davon ausgeführt. Bei grossen hocheffizienten Anlagen gelangen zum Teil Mehrdruckanlagen mit Zwischenüberhitzung zur Anwendung. Gegenüber konventionell gefeuerten Kesseln ist indes die Rauchgastemperatur bei Abhitzekesseln begrenzt. Insbesondere die Verdampfung, welche bei konstanter Temperatur vor sich geht, führt zu thermodynamischen und technischen Auslegungszwängen. Dies zum einen infolge der grossen Temperaturdifferenz zwischen dem Heizmedium und dem aufzuhei zenden, das heisst, dem zu verdampfenden Medium, welche zu Exergieverlusten führt, und zum anderen bezüglich des "Pinch-Point" und der Notwendigkeit zu Mehrdrucksystemen.
• In einem von der eingangs definierten Kraftwerksgattung signifikant abweichenden Kraftwerkskonzept, welches von Kernkraftanlagen her bekannt ist, offenbart DE-3509357 C1 eine Dampf-Gasturbineanlage, deren Wasserdampfkreislauf bei überkritischem Druck betrieben wird. Die Anlage umfasst eine mehrstufige Dampfturbine mit Zwischenüberhitzung, einen Dampferzeuger zur Erzeugung des dampfförmigen Arbeitsmediums für die Turbinenstufen, sowie eine Gasturbine, welche von einem in einem geschlossenen Kreislauf umgewälzten, erhitzten Arbeitsgas, vorzugsweise Helium oder Stickstoff, beaufschlagt wird.
• Gemäss der hier offenbarten Lösung ersetzt eine konventionelle kohlebeheizte Brennkammer den Kernreaktor als Wärmequelle. Über ein System von Wärmeübertragern wird die thermische Energie der heissen Abgase auf die Arbeitsmedien sowohl der Gas- wie auch der Dampfturbine übertragen.
• Das in genannter Druckschrift vorgestellte Konzept einer kombinierten Dampf-Gasturbinenanlage weicht grundlegend von demjenigen der eingangs definierten Anlagengattung ab, wonach unter ausschliesslicher Nutzung der Restwärme der in der Gasturbine arbeitsleistend entspannten heissen Verbrennungsgase das Arbeitsmittel für die Dampfturbine in einer Druckstufe eine Hochdruckverdampfung erfährt. Insbesondere die Prozesse der Dampferzeugung sind grundlegend verschieden.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kombinierte Gas-Dampf-Kraftwerksanlage der eingangs genannten Art zu schaffen, die auf die thermodynamisch erforderlichen Elemente des Wasser-Dampf-Kreisprozesses beschränkt ist und damit zu einer beträchtlichen Kostenreduzierung führt.
• Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass der Wasser-Dampfkreislauf einer kombinierten Gas-Dampf-Kraftwerksanlage der eingangs genannten Art für überkritische Parameter ausgefegt ist.
• Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, dass durch den Wegfall der Verdampfungsgebiete mit nur einer Druckstufe die Thermodynamik der Dampferzeugung verbessert wird. Durch Vermeidung dickwandiger Bauteile wie Trommeln u. dgl. und grosser Wasservolumina im Kesselbereich wird das dynamische Verhalten verbessert. Die Reduzierung der Anzahl der Komponenten führt zu einer extremen Systemvereinfachung, wodurch eine Verbesserung der Zuverlässigkeit und der Verfügbarkeit zu erwarten ist.
• In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in ihrer einfachsten Form dargestellt. Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmittel ist mit Pfeilen dargestellt.
• Es zeigen:
• 1 das Schema einer kombinierten Gas-Dampf-Kraftwerksanlage;
• 2 ein Temperatur-Wärmeleistungs-Diagramm.
• Gemäss 1 wird im Gasturbinensystem über eine Leitung 1 angesaugte Frischluft in einem Verdichter 2 auf den Arbeitsdruck verdichtet. Die verdichtete Luft wird in einer beispielsweise mit Erdgas befeuerten Brennkammer 3 stark erhitzt und das so entstandene Brenngas wird in einer Gasturbine 4 arbeitsleistend entspannt. Die dabei gewonnene Energie wird an einen Generator 5 bzw. den Verdichter 2 abgegeben. Das noch heisse Abgas der Gasturbine wird über eine Leitung 6 vom Ausgang der Gasturbine einer Abhitzedampferzeugungsanlage 7 zugeführt und daraus nach Abgabe seiner Wärme über eine Leitung 8 und einen nicht dargestellten Kamin ins Freie geleitet.
• Im Wasser-Dampfkreislauf ist eine Dampfturbine 9, 10 auf der gleichen Welle mit der Gasturbine angeordnet. Der im Niederdruckteil 10 der Dampfturbine entspannte Arbeitsdampf kondensiert in einem Kondensator 11. Das Kondensat wird mittels einer Speisewasserpumpe 12 direkt in den Dampferzeuger 7 gefördert.
• Die Abhitzedampferzeugungsanlage 7 ist als stehender Kessel ausgeführt und arbeitet mit nur einer Druckstufe. Das System ist als Zwangsdurchlaufsystem ausgeführt und für überkritische Parameter ausgelegt. Es besteht im Rauchgasweg des Kessels im wesentlichen aus dem Hochdruckeconomiser 13 und dem Hochdruckverdampfer 14 und dem Hochdrucküberhitzer 15. Diese Unterteilung ist rein virtuell, da bei überkritischen Parametern das für unterkritische Anlagen typische Verdampfungsgebiet bei konstanter Temperatur nicht auftritt. Der Übergang von Wasser in Dampf erfolgt kontinuierlich. Die obige Unterteilung der insgesamt nur einen Heizfläche ist indessen sinnvoll, weil beim Betrieb der Anlage im unterkritischen Bereich, beispielsweise beim An- und Abfahren oder bei Teillast, den unterschiedlichen Phasen "Wasser – Wasser/Dampf – Dampf" konstruktiv Rechnung zu tragen ist.
• Der überhitzte Dampf wird über eine Frischdampfleitung 16 in den Hochdruckteil 9 der Dampfturbine überführt.
• Als Systemdruck eignet sich ein Druck von ca. 260-300 bar. Die Eintrittstemperatur in den Kessel entspricht im gezeigten Fall der Kondensattemperatur, da kein Speisewasserbehälter/Entgaser vorgesehen ist. Mit Vorteil wird die Materialwahl für die sogenannten Vorwärmflächen des Zwangsdurchlaufdampferzeugers in Abhängigkeit des Brennstoffes und insbesondere dessen Schwefelgehaltes sowie in Abhängigkeit der Kondensattemperatur getroffen, um Taupunktkorrosion vorzubeugen. Mit sinkender wasserseitiger Eintrittstemperatur einerseits und/oder zu nehmendem Schwefelgehalt andererseits wird von einfachem Kohlenstoffstahl über niedriglegierten Stahl zu rostfreiem Stahl übergegangen.
• Im Diagramm in 2 ist auf der Ordinate die Temperatur T in °C, auf der Abzisse die Wärmeleistung in MW aufgetragen.
• Zugrundegelegt werden moderne Gasturbinen grosser Leistung mit einer Austrittstemperatur von ca. 650°C.
• Dargestellt ist zum einen der Temperaturverlauf bei einer klassischen Zweidruckanlage mit Niederdruck/Hochdruckvorwärmung a (zwei getrennte Heizflächen), Niederdruckverdampfung b, Hochdruckvorwärmung c, Hochdruckverdampfung d und Hochdrucküberhitzung e. Erkennbar ist, dass insbesondere in den beiden Verdampfungbereichen grosse Exergieverluste in Kauf genommen werden müssen. Demgegenüber ist bei der erfindungsgemässen Anlage die Temperaturdifferenz zwischen dem Heizmedium und dem aufzuheizenden Medium viel geringer.
• Bei einem Betrieb im überkritischen Bereich lässt sich demnach die Wasser-Dampflinie D nahezu ideal an die Abgaslinie A anlegen.

1

Leitung (angesaugte Frischluft)

2

Verdichter

3

Brennkammer

4

Gasturbine

5

Generator

6

Leitung (Abgas)

7

Abhitzedampferzeugungsanlage

8

Leitung (zum Kamin)

9

Hochdruckturbine

10

Niederdruckturbine

11

Kondensator

12

Speisewasserpumpe

13

Hochdruckeconomiser

14,15

Hochdruckverdampfer/überhitzer

16

Frischdampfleitung

Claims (1)

1. Kombinierte Gas-Dampf-Kraftwerksanlage, bestehend aus einer Gasturbogruppe, welche zumindest einen Verdichter (2), eine Brennkammer (3) und eine Gasturbine (4) umfasst, einer Dampfturbine, welche zumindest einen Hochdruckteil (9) und einen Niederdruckteil (10) umfasst, sowie einer als Zwangsdurchlaufdampferzeuger mit nur einer Druckstufe ausgebildeten Abhitzedampferzeugungsanlage (7), wobei die Abgase der Gasturbine (4) ihre Restwärme über das in dem Zwangsdurchlaufdampferzeuger strömende Arbeitsmittel an die Dampfturbine abgeben und anschliessend ins Freie geleitet werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasser-Dampfkreislauf der Dampfturbine (9, 10) für überkritische Parameter ausgelegt ist.