DE19702830C1 - Kombinierte Gas- und Dampfturbinenanlage sowie Verfahren zu deren Betrieb - Google Patents

Kombinierte Gas- und Dampfturbinenanlage sowie Verfahren zu deren Betrieb

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Description

Die Erfindung betrifft eine kombinierte Gas- und Dampfturbi­ nenanlage mit einer Gasturbine, einer Dampfturbine und einem Abhitzekessel sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen kombinierten Gas- und Dampfturbinenanlage.
In der EP 0436536 B1 ist ein Verfahren zum Betrieb einer Dampfturbine, die mindestens ein Mitteldruckteil und ein Hochdruckteil aufweist, beschrieben. Mit Hilfe eines von ei­ nem heißen Gas, insbesondere dem heißen Abgas einer Gasturbi­ nenanlage, durchströmten Abhitzedampferzeugers wird Heißdampf zum Antrieb der Dampfturbine erzeugt. Der Abhitzedampferzeu­ ger weist verschiedene Sektionen zur Erzeugung von Dampf un­ terschiedlicher Druck- und Temperaturniveaus auf. Die Gastur­ binenanlage sowie die Dampfturbinenanlage ist jeweils auf ei­ ner eigenen Turbinenwelle angeordnet und mit einem jeweiligen Generator verbunden. Der Heißdampf höchsten Druckes und höch­ ster Temperatur wird der Hochdruck-Teilturbine zugeführt. Der darin entspannte Dampf wird wiederum dem Abhitzedampferzeuger zugeführt, in diesem zwischenüberhitzt und einem Mitteldruck­ teil der Dampfturbine zugeführt. Der darin entspannte Dampf wird mit Dampf des Abhitzedampferzeugers niedrigeren Druck- und Temperaturniveaus zusammengeführt und in die Niederdruck-Teil­ turbine eingespeist.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine kombinierte Gas- und Dampfturbinenanlage mit verbesserter Ausnutzung des in dem Abhitzekessel erzeugten Dampfes anzugeben. Eine weitere Auf­ gabe der Erfindung liegt darin, ein Verfahren zum Betrieb ei­ ner solchen kombinierten Gas- und Dampfturbinenanlage anzuge­ ben.
Erfindungsgemäß wird die auf eine Anlage gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 gerichtete Aufgabe dadurch gelöst, daß die Gasturbine mindestens eine mit Kühldampf kühlbare Kompo­ nente aufweist, die zur Kühldampfeinleitung mit der Dampftur­ bine und/oder dem Abhitzekessel und zur Kühldampfableitung mit einem Strahlmischer verbunden ist. Der Strahlmischer weist einen Strahleingang zur Einspeisung von Heißdampf, ei­ nen Strahlausgang und einen mit der Gasturbine verbundenen Kühldampfeinlaß auf, wobei der Strahlausgang mit der Dampf­ turbine verbunden ist.
Durch das Einmischen von Kühldampf aus der Gasturbine in Heißdampf, welcher vorzugsweise aus dem Abhitzekessel abge­ führt wird, in einen Strahlmischer erfolgt eine effektive Zu­ mischung des Kühldampfes in den Heißdampf. Das hierdurch er­ zielte Dampfgemisch weist einen deutlich höheren Druck als der Kühldampf auf. Das Dampfgemisch erlaubt somit eine Ein­ speisung in die Dampfturbine mit einem besonders guten Wir­ kungsgrad. Die durch eine Kühlung der Komponente oder der Komponenten der Gasturbine entstehenden Verluste sind über den gesamten Dampfprozeß betrachtet somit reduziert.
Vorzugsweise ist der Strahleingang des Strahlmischers mit dem Abhitzekessel und/oder einer Hochdruck-Teilturbine der Dampf­ turbine, insbesondere mit dem Austritt der Hochdruck-Teiltur­ bine, verbunden. Dies gewährleistet einen hohen Druck des aus Kühldampf und Heißdampf in dem Strahlmischer gebildeten Dampfgemisches.
Der Strahlausgang des Strahlmischers ist vorzugsweise mit ei­ ner Mitteldruck-Teilturbine und/oder einer Niederdruck-Teil­ turbine der Dampfturbine, insbesondere mit dem Eintritt für Dampf der Mitteldruck-Turbine und/oder an einer Stelle nied­ rigeren Druckes, verbunden.
Eine alternative Lösung der Aufgabe besteht darin, daß der aus der Gasturbine austretende Kühldampf unmittelbar, d. h. ohne Durchmischung, in eine Niederdruck-Teilturbine oder in eine Mitteldruck-Teilturbine, je nach dem vorherrschenden Druck des Kühldampfes, über eine entsprechende Leitung einge­ speist wird. Ohne zusätzliche Druckverluste ist somit eine Einspeisung des Kühldampfes bei einem geeigneten Druckniveau in die Dampfturbine gegeben.
Vorzugsweise ist die Turbinenwelle der Gasturbine zur Kühlung mit Kühldampf ausgebildet, wobei der Kühldampf der Turbinen­ welle in diese eingeleitet und daraus wieder herausgeleitet wird. Das Gehäuse der Gasturbine ist ebenfalls so ausgestalt­ bar, daß es zum Zwecke der Kühlung von Kühldampf aus der Hochdruck-Teilturbine durchströmbar ist.
Die kombinierte Gas- und Dampfturbinenanlage weist vorzugs­ weise eine einzige Turbinenwelle auf, die gegebenenfalls aus mehreren aneinandergekuppelten Wellensträngen aufgebaut ist. Die Turbinenwelle erstreckt sich über die Gasturbine mit Kom­ pressor sowie die Dampfturbine und ist vorzugsweise an einen Generator oder mehrere Generatoren angeschlossen. Es ist ebenfalls möglich für die Gasturbine und die Dampfturbine je­ weils eine eigene Turbinenwelle vorzusehen.
Eine weitere alternative Lösung der Aufgabe besteht darin, daß in einer Zuführung von Kühldampf zur Gasturbine ein Strahlmischer zur Erhöhung des Kühldampfes der Gasturbine angeordnet ist. Der Strahlmischer weist einen Strahleingang zur Einspeisung von Heißdampf, einen Strahlausgang zur Zufüh­ rung des Kühldampfes zur Gasturbine sowie einen Dampfeinlaß zur Zuführung von Dampf geringeren Druckes als an dem Strahl­ eingang auf. Der Dampfeinlaß ist vorzugsweise mit einem Dampfauslaß einer Hochdruck-Teilturbine und/oder einer Hoch­ drucksektion geringeren Druckes des Abhitzekessels verbunden. Ein durch den Strahlmischer erzeugt er Kühldampf kann nach Durchströmen der Gasturbine mit dabei auftretendem Druckver­ lust dennoch einen Druck hohen Niveaus aufweisen, insbeson­ dere einen Druck, der im wesentlichen dem Druck von in einer Mitteldruck-Teilturbine einströmendem Dampf entspricht. Vor­ zugsweise ist eine Rückführung von Kühldampf vorgesehen, wel­ che in den Einströmbereich einer Mitteldruck-Teilturbine der Dampfturbine einmündet.
Die auf ein Verfahren zum Betrieb einer kombinierten Gas- und Dampfturbinenanlage mit einer Gasturbine, einer Dampfturbine umfassend eine Hochdruck-Teilturbine sowie eine Mitteldruck-Teil­ turbine und/oder eine Niederdruck-Teilturbine und mit ei­ nem Abhitzekessel wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Gasturbine von der Hochdruck-Teilturbine oder dem Abhit­ zekessel Kühldampf zugeführt wird und der die Gasturbine mit einem Druckverlust verlassende Kühldampf in einen Strahl ei­ nes Heißdampfes mit höherem Druck eingemischt und der so ge­ mischte Dampf der Dampfturbine, insbesondere der Mitteldruck-Teil­ turbine und/oder der Niederdruck-Teilturbine zugeführt wird. Alternativ oder ergänzend wird der gesamte die Gastur­ bine verlassende Kühldampf oder eine Teilmenge dieses Kühldampfes unmittelbar, d. h. ohne Vermischung mit einem Heißdampf höheren Druckes, der Dampfturbine wieder zugeführt. Dies geschieht vorzugsweise in der Mitteldruck-Teilturbine oder der Niederdruck-Teilturbine bei einem Druckniveau, wel­ ches im wesentlichen dem Druckniveau des die Gasturbine ver­ lassenden Kühldampfes entspricht. Durch beide Maßnahmen ist eine effektive Ausnutzung und Rückführung des die Gasturbine verlassenden Kühldampfes in den gesamten Dampfprozeß gegeben.
Es ist ebenfalls möglich den Druck des Kühldampfes der Gasturbine zu erhöhen, indem Hochdruckdampf des Abhitzekes­ sels mit Dampf geringeren Druckes, z. B. Abdampf der Hoch­ druck-Teilturbine und/oder Dampf zur Einströmung in eine Mit­ teldruck-Teilturbine, vermischt wird. Nach Kühlung der Gasturbine kann der Dampf das Druckniveau des in die Mittel­ druck-Teilturbine einströmenden Dampfes aufweisen.
Anhand der Zeichnung werden die kombinierte Gas- und Dampf­ turbinenanlage sowie das Verfahren zu ihrem Betrieb näher er­ läutert. Es zeigen in schematisierter nichtmaßstäblicher Dar­ stellung unter Angabe der für die folgende Erläuterung not­ wendigen Komponenten die
Fig. 1 ein Schema einer kombinierten Gas- und Dampf­ turbinenanlage,
Fig. 2 einen Strahlmischer in einem Längsschnitt und
Fig. 3 und 4 jeweils ein Schema einer kombinierten Gas- und Dampfturbinenanlage.
Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine kombi­ nierte Gas- und Dampfturbinenanlage mit einer Gasturbine 1, einer Dampfturbine 2 und einem Generator 17, die auf einer einzigen, gegebenenfalls aus mehreren Wellensegmenten zusam­ mengesetzten, Welle 4 angeordnet sind. Die Dampfturbine 2 umfaßt eine Hochdruck-Teilturbine 12a sowie schematisiert in einem Gehäuse dargestellt eine Mitteldruck-Teilturbine 12b und eine Niederdruck-Teilturbine 12c. Die Gasturbinenanlage umfaßt die eigentliche Gasturbine 1, einen Verdichter 15 und eine strömungstechnisch zwischen Verdichter 15 und Gastur­ bine 1 angeordnete Brennkammer 16. Die Gasturbine 1 ist aus­ laßseitig mit einem Abhitzekessel 3 zur Erzeugung von Heiß­ dampf zum Betrieb der Dampfturbine 2 verbunden. Der Abhitze­ kessel 3 weist nicht näher dargestellte Sektionen unter­ schiedlichen Druckniveaus auf, wobei eine Hochdrucksektion einlaßseitig mit der Hochdruck-Teilturbine 12a, eine weitere Hochdrucksektion einlaßseitig mit der Mitteldruck-Teiltur­ bine 12b und eine Niederdrucksektion einlaßseitig mit der Niederdruck-Teilturbine 12c verbunden ist. In eine Verbindung zwischen Abhitzekessel 3 und Mitteldruck-Teilturbine 12b ist ein Strahlmischer 5 (siehe Fig. 2) angeordnet.
Die Gasturbine 1 weist als zu kühlende Komponenten die Turbi­ nenwelle 4a sowie ein Gehäuse 4b auf. Die nicht näher darge­ stellte Führung von Kühldampf 6 in der Turbinenwelle 4a sowie dem Gehäuse 4b ist einlaßseitig jeweils mit dem Dampfaus­ laß 19 der Hochdruck-Teilturbine 12a verbunden. Auslaßseitig mündet die jeweilige Kühldampfführung der Gasturbine 1 in den Strahlmischer 5 ein.
Dieser in Fig. 2 schematisch in einem Längsschnitt darge­ stellte Strahlmischer 5 ist entlang einer Hauptachse 14 ge­ richtet und zu dieser im wesentlichen symmetrisch. Er weist einen entlang der Hauptachse 18 gerichteten, diese umgebenden Strahleingang 7 für Heißdampf 8 (siehe Fig. 1) aus dem Ab­ hitzekessel 3 auf. Der Strahleingang 7 ist von einem nicht näher dargestellten Ringkanal 20 umgeben, welcher sich in Strömungsrichtung des Heißdampfes 8 verjüngt. In den Ringka­ nal 20 mündet ein Kühldampfeinlaß 10, durch welchen Kühldampf 6 im wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung des Heißdampfes 8 in den Strahlmischer 5 einführbar ist. Der sich verjüngende Ringkanal 20 geht in einen entlang der Hauptachse 18 gerichteten Strahlausgang 9 über. Der durch die Gasturbine 1 strömende Kühldampf 6 erfährt in der Gastur­ bine 1 einen Druckverlust und wird in dem Strahlmischer 5 mit Heißdampf 8 aus dem Abhitzekessel 3 mit einem höheren Druck vermischt. Der Strahlmischer 5 ist wie eine Strahlpumpe aus­ geführt, wobei der in Richtung der Hauptachse 18 strömende Heißdampf 8 den Kühldampf 6 ansaugt und sich mit diesem ver­ mischt, wobei der hierdurch entstehende gemischte Dampf 14 (siehe Fig. 1) einen Druck deutlich oberhalb des Druckes des Kühldampfes 6 aufweist. Der Druck des Heißdampfes 8 kann bei­ spielsweise 50% bis 150% oberhalb des Druckes des Kühl­ dampfes 6 liegen, wobei der Druck des gemischten Dampfes 14 beispielsweise 25% bis 75% oberhalb des Druckes des Kühl­ dampfes 6 liegen kann. Der Druck des Kühldampfes 6 liegt bei­ spielsweise bei 15 bar, der Druck des Heißdampfes 8 bei etwa 30 bar und der Druck des gemischten Dampfes 14 bei etwa 20 bar.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Gas- und Dampfturbinenanlage ähnlich der Darstellung gemäß Fig. 1, wobei allerdings der aus der Gasturbine 1 austretende Kühldampf 6 unmittelbar ohne Zumischung von weiterem Dampf, insbesondere Heißdampf, der Mitteldruck-Teilturbine 12b oder der Niederdruck-Teilturbine 12c bei einem entsprechenden Druckniveau zugeführt wird. In Fig. 4 ist schematisch und ausschnittsweise eine Gas- und Dampfturbinenanlage ähnlich der in Fig. 1 und 3 dargestellten Gas- und Dampfturbinenan­ lagen dargestellt. Hierin ist ein Strahlmischer 5 analog zu dem Strahlmischer gemäß Fig. 2 in die Zuführung von Kühldampf 6 der Gasturbine 1 stromauf der Gasturbine angeord­ net. Mit dem Strahleingang 7 ist der Strahlmischer 5 mit ei­ ner Hochdrucksektion des Abhitzekessel 3 verbunden. Der Strahlausgang 9 ist mit einer nicht näher dargestellten Kühl­ mittelführung mit der Gasturbine 1 verbunden. Der Dampfein­ laß 10 ist mit dem Dampfauslaß 19 der Hochdruck-Teiltur­ bine 12a sowie mit einer der Zuführung von Hochdruckdampf in die Mitteldruck-Teilturbine 12b dienenden nicht näher darge­ stellten Hochdrucksektion des Abhitzekessels 3 verbunden. Der aus dem Strahlmischer 5 austretende Kühldampf 6 weist mithin ein erhöhtes Druckniveau auf und hat nach Durchströmen der Gasturbine 1 und Erleidung eines Druckabfalles einen Druck vergleichbar des Druckes des in die Mitteldruck-Teiltur­ bine 12b einströmenden Dampfes. Der Kühldampf 6 wird aus der Gasturbine 1 in die Mitteldruck-Teilturbine 12b zurückge­ führt. Die Bezugszeichen gemäß Fig. 3 und 4 haben entspre­ chend dieselbe Bedeutung wie die Bezugszeichen gemäß Fig. 1.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß zur Kühlung ei­ ner Komponente oder mehrerer Komponenten der Gasturbine ver­ wendeter Kühldampf wieder der Dampfturbine zugeleitet wird. Vorzugsweise wird dieser die Gasturbine verlassende Kühldampf in einem als Strahlpumpe wirkenden Strahlmischer einem Heiß­ dampf beigemischt, welcher insbesondere aus einer Hochdruck­ sektion des Abhitzekessels entnommen wird. Ein solcher Strahlmischer kann alternativ oder ergänzend zur Erhöhung des Druckes des Kühldampfes verwendet werden.

Claims (9)

1. Kombinierte Gas- und Dampfturbinenanlage mit einer Gastur­ bine (1), einer Dampfturbine (2) und einem Abhitzekessel (3) dadurch gekennzeichnet, daß die Gasturbine (1) mindestens eine mit Kühldampf (6) kühlbare Komponente (4a, 4b) aufweist, die zur Kühldampfeinleitung mit der Dampfturbine (2) und/oder mit dem Abhitzekessel (3) und zur Kühldampfableitung mit einem Strahlmischer (5) verbunden ist, der einen Strahleingang (7) zur Einspeisung von Heiß­ dampf (8), einen Strahlausgang (9) und einen mit der Gastur­ bine (1) verbundenen Kühldampfeinlaß (10) aufweist, wobei der Strahlausgang (9) mit der Dampfturbine (2) verbunden ist.
2. Kombinierte Gas- und Dampfturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampf­ turbine (2) eine Hochdruck-Teilturbine (12a) aufweist, und der Strahleingang (7) mit der Hochdruck-Teilturbine (12a) und/oder dem Abhitzekessel (3) verbunden ist.
3. Kombinierte Gas- und Dampfturbinenanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampf­ turbine (2) eine Mitteldruck-Teilturbine (12b) und/oder eine Niederdruck-Teilturbine (12c) aufweist, mit der oder mit de­ nen der Strahlausgang (9) verbunden ist.
4. Kombinierte Gas- und Dampfturbinenanlage mit einer Gastur­ bine (1), einer Dampfturbine (2) umfassend eine Hochdruck-Teil­ turbine (12a) sowie eine Mitteldruck-Teilturbine (12b) und/oder eine Niederdruck-Teilturbine (12c) und mit einem Ab­ hitzekessel (3), dadurch gekennzeichnet, daß die Gasturbine (1) mindestens eine mit Kühldampf (6) kühlbare Komponente (4a, 4b) aufweist, die zur Kühldampfeinleitung mit der Hochdruck-Teilturbine (12a) und/oder mit dem Abhitzekes­ sel (3) und zur Kühldampfableitung unmittelbar mit der Mit­ teldruck-Teilturbine (12b) und/oder der Niederdruck-Teiltur­ bine (12c) verbunden ist.
5. Kombinierte Gas- und Dampfturbinenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die kühl­ bare Komponente (4a, 4b) eine Turbinenwelle (4a) und/oder ein Gehäuse (4b) der Gasturbine (1) ist.
6. Kombinierte Gas- und Dampfturbinenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gastur­ bine (1) und die Dampfturbine (2) ein gemeinsame Turbinen­ welle (4) aufweisen.
7. Kombinierte Gas- und Dampfturbinenanlage mit einer Gastur­ bine (1), einer Dampfturbine (2) und einem Abhitzekessel (3) dadurch gekennzeichnet, daß die Gastur­ bine (1) mindestens eine mit Kühldampf (6) kühlbare Kompo­ nente (4a, 4b) aufweist, die zur Kühldampfeinleitung mit der Dampfturbine (2) und/oder mit dem Abhitzekessel (3) über ei­ nen Strahlmischer (5) verbunden ist, welcher einen Strahl­ eingang (7) zur Einspeisung von Heißdampf (8), einen mit der kühlbaren Komponente (4a, 4b) der Gasturbine (1) verbundenen Strahlausgang und einen Dampfeinlaß (10) zur Einleitung von Dampf geringeren Druckes als zur Einleitung an dem Strahlein­ gang (7) aufweist.
8. Verfahren zum Betrieb einer kombinierten Gas- und Dampf­ turbinenanlage mit einer Gasturbine (1), einer Dampfturbine (2) umfassend eine Hochdruck-Teilturbine (12a) sowie eine Mitteldruck-Teilturbine (12b) und/oder eine Niederdruck-Teil­ turbine (12c) und mit einem Abhitzekessel (3) dadurch gekennzeichnet, daß der Gasturbine (1) von der Hochdruck-Teilturbine (12a) oder dem Abhitzekessel (3) Kühldampf (6) zugeführt, der die Gasturbine (1) mit einem Druckverlust verlassende Kühldampf (6) in einen Strahl (13) eines Heißdampfes (8) mit höherem Druck eingemischt und der so gemischte Dampf (14) der Dampf­ turbine (2), insbesondere der Mitteldruck-Teilturbine (12b) und/oder der Niederdruck-Teilturbine (12c), zugeführt wird.
9. Verfahren zum Betrieb einer kombinierten Gas- und Dampf­ turbinenanlage mit einer Gasturbine (1), einer Dampfturbine (2) umfassend eine Hochdruck-Teilturbine (12a) sowie eine Mitteldruck-Teilturbine (12b) und/oder eine Niederdruck-Teil­ turbine (12c) und mit einem Abhitzekessel (3) dadurch gekennzeichnet, daß der Gasturbine (1) von der Hochdruck-Teilturbine (12a) oder dem Abhitzekessel (3) Kühldampf (6) zugeführt und der die Gasturbine (1) mit einem Druckverlust verlassende Kühldampf (6) direkt der Mitteldruck-Teilturbine (12b) und/oder der Niederdruck-Teilturbine (12c) zugeführt wird.
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