DE19705216A1 - Gasturbinenanlage - Google Patents

Description

Es ist bekannt, einen gasförmigen oder flüssigen Brenn­ stoff für eine Gasturbine mit einem herkömmlichen Rohr­ bündelwärmeübertrager vorzuwärmen. Zum Schutz des Heiz­ kreislaufs vor einem Durchbruch des Brennstoffs bei einem Defekt des Rohrbündels werden hierbei umfangreiche Schutzmaßnahmen vorgesehen. Ein Schutz vor dem Eintritt von kleinsten Leckagemengen ist allerdings praktisch ge­ sehen nicht möglich.

Ferner ist es bekannt, das Schmieröl einer Gasturbine, des ihr zugeordneten Luftverdichters sowie einer von ihr angetriebenen Nutzmaschine, z. B. eines Produktverdich­ ters, einer Produktpumpe, eines Elektrogenerators oder eines evtl. zwischengeschalteten Getriebes direkt oder indirekt - dann über einen Zwischenkühlkreislauf mit Frostschutzmittel - in Luftkühlern rückzukühlen. Dabei wird allerdings die Wärme des Schmieröls an die Umgebung abgegeben und für die Brennstoffvorwärmung wird zusätz­ licher Brennstoff verbraucht.

Bei der direkten Schmierölkühlung in Luftkühlern entsteht bei niedrigen Außentemperaturen ein Problem bei der Inbe­ triebnahme aufgrund der hohen Viskosität des Schmieröls in den ausgekühlten Apparaten. Dazu werden gesonderte elektrische Begleitheizungen und Jalousien an den Luft­ kühlern vorgesehen. Außerdem ist zusätzliche Energie er­ forderlich.

Bei Defekten an den Luftkühlern tritt Schmieröl oder Frostschutzmittel aus. Diese müssen aufgefangen werden, damit sie nicht in den Erdboden sickern und diesen und/oder das Grundwasser verunreinigen. Dazu werden ge­ sonderte Auffangwannen oder Sperrbetonschichten instal­ liert. Sie machen einen zusätzlichen Bauaufwand notwen­ dig. Auffangwannen müssen zudem nach Regenfällen entleert werden.

Zwischenkühlkreisläufe erfordern einen hohen zusätzlichen Investitions- und Betriebsaufwand für Wärmeübertrager, Pumpen und Ausdehnungsgefäße. Sie bedingen eine erhöhte Temperaturdifferenz und damit eine geringere Ölkühlung als bei der Direktkühlung.

Außerdem ist die Ölrückkühltemperatur direkt abhängig von der Umgebungstemperatur und kann somit bei hohen Außen­ temperaturen ungenügend sein. Ein erhöhter mechanischer Verschleiß in den Lagern, die Abschaltung der Maschinen oder die Verwendung von Spezialölen sind die Folge.

Der Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbinenanlage zu schaffen, welche bei höherem Wirkungsgrad einfacher ausgebildet und wirtschaftlicher betrieben werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in den Merkmalen des Anspruchs 1.

Danach kann wenigstens ein Brennstoffvorwärmer vorgesehen sein, der je nach den örtlichen Gegebenheiten entweder mit dem Schmierölsystem der Gasturbinenanlage oder mit einem Kondensat- bzw. Dampfsystem verbunden ist. Auch kann der Brennstoffvorwärmer in den Abgastrakt der Gasturbine eingebunden sein. Vorstellbar ist ferner, daß zwei solcher Brennstoffvorwärmer oder alle drei miteinan­ der kombiniert zur Anwendung gelangen. Werden mindestens zwei Brennstoffvorwärmer verwendet, so ist dafür Sorge zu tragen, daß der mit dem Schmierölsystem verbundene Brenn­ stoffvorwärmer vor dem mit dem Kondensat- oder Dampfsy­ stem verbundenen Brennstoffvorwärmer oder vor dem in den Abgastrakt eingebundenen Brennstoffvorwärmer in Strö­ mungsrichtung in den Brennstoffstrang eingegliedert bzw. daß der mit dem Kondensat- oder Dampfsystem verbundene Brennstoffvorwärmer vor dem in den Abgastrakt einge­ bundenen Brennstoffvorwärmer im Brennstoffstrang vorgese­ hen wird. Darüberhinaus kann aus Sicherheitsgründen jedem Brennstoffvorwärmer ein Reserve-Brennstoffvorwärmer zuge­ ordnet sein.

Ist ein mit dem Schmierölsystem der Gasturbinenanlage verbundener Brennstoffvorwärmer im Einsatz, so werden Vorteile insbesondere darin erblickt, daß ein getrenntes Ölkühlsystem nicht mehr notwendig ist. Der damit verbun­ dene Investitions-, Betriebs- und Wartungsaufwand ent­ fällt somit. Der benötigte Platz ist wesentlich geringer.

Die bei der Ölkühlung abgeführte Wärme aus mechanischen Verlusten wird dem Gasturbinenkreislauf wieder zugeführt. Der Wirkungsgrad der Gesamtanlage erhöht sich dadurch. Gesonderter Brennstoff zur Brennstoffvorwärmung ist nicht erforderlich.

Die Ölrückkühlung ist auch nicht mehr in dem bekannten Maße von der Umgebungstemperatur abhängig. Der mechani­ sche Verschleiß in den Lagern wird verringert. Inbetrieb­ nahmeprobleme bestehen nicht. Zusätzliche Energie für den Betrieb vom Umwälzpumpen, Ventilatoren und Stillstands­ heizungen des Kühlsystems braucht nicht bereitgestellt zu werden.

Da unterschiedliche Ölsorten in den verschiedenen Maschi­ nen verwendet werden können, ist sowohl eine Parallel- als auch eine Reihenschaltung mehrerer Brennstoffvorwär­ mer denkbar, die jeweils mit einem Schmierölsystem ver­ bunden sind.

Wird ein mit einem Kondensat- oder Dampfsystem verbunde­ ner Brennstoffvorwärmer eingesetzt, so gewährleistet die­ ser, daß bei der Brennstoffvorwärmung mittels Kondensat oder Dampf, z. B. aus einem Gas- und Dampfturbinenkraft­ werk, bei einer Leckage des Doppelrohr-Sicherheitswärme­ übertragers das Eintreten von Brennstoff in den Konden­ sat- bzw. Dampfkreislauf des Gas- und Dampfturbinenkraft­ werks ausgeschlossen ist.

Eine sichere Überhitzung des Brennstoffs unter Nutzung von Abwärme des Gasturbinenkreislaufs wird möglich, wenn ein in den Abgastrakt der Gasturbine eingebundener Brenn­ stoffvorwärmer verwendet wird.

Die erfindungsgemäße Weiterbildung nach Anspruch 2 ermög­ licht es, die Ölrückkühltemperatur, insbesondere bei ei­ ner sehr niedrigen Brennstofftemperatur, zu regeln und so eine zu hohe Viskosität des Schmieröls zu vermeiden.

Mit den Merkmalen des Anspruchs 3 kann Kondensat bzw. Dampf bei der Brennstoffvorwärmung auf die erforderliche Temperatur rückgekühlt werden.

Daß dabei gegebenenfalls mehr Energie dem Abgas ohne zu­ sätzlichen apparativen Aufwand entnommen werden kann, ge­ währleisten die Merkmale des Anspruchs 4.

Die Merkmale des Anspruchs 5 erlauben es, das in einem Leckagefall in den Zwischenraum eines Doppelrohr-Sicher­ heitswärmeübertragers eindringende Leckmedium nachzuwei­ sen, es gegebenenfalls zu identifizieren und Folgehand­ lungen automatisch oder manuell einzuleiten.

Letztlich ist es nach Anspruch 6 im Leckagefall denkbar, bei einem drucklosen Leckmedium, wie z. B. Abgas, dieses indirekt identifizieren zu können.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Veranschaulicht ist im Schema ein Brenngasstrang 1 einer ansonsten nicht näher dargestellten Gasturbinenanlage in einem Gas- und Dampfturbinenkraftwerk (GuDK) mit drei in Reihe angeordneten Doppelrohr-Sicherheitswärmeübertragern (DSWÜ) 2, 12, 17 zur Gasvorwärmung.

In dem in Strömungsrichtung des Brenngases 3 ersten DSWÜ 2 wird Brenngas 3 vorgewärmt und gleichzeitig Schmieröl aus dem Schmierölsystem 4 der Gasturbinenanlage rückge­ kühlt. Ein Dreiwegeregelventil 5 ist mit einem Ölein­ trittsstrang 6 und einem Ölaustrittsstrang 7 des DSWÜ 2 verbunden. Ein dem Dreiwegeregelventil 5 über eine Steu­ erleitung 23 zugeordneter Temperaturfühler 8 sitzt am Ölaustrittsstrang 7 nach dem Eintritt eines Umgangs 9 zwischen dem Dreiwegeregelventil 5 und dem Ölaustritts­ strang 7. Eine Leckagewarneinrichtung 10 in Form eines zweistufig ausgeführten Leckageschalters ist dem Zwi­ schenraum 11 des DSWÜ 2 zugeordnet.

Stellorgane 21 und 22 im Schmierölsystem 4 komplettieren die Schaltung.

In Strömungsrichtung des Brenngases 3 ist hinter dem DSWÜ 2 ein zweiter DSWÜ 12 zur Gasvorwärmung angeordnet. Der DSWÜ 12 wird mit Kondensat aus einem Kondensatsystem 13 betrieben, wie es in GuDK's anfällt. Im Kondensatzulauf­ strang 14 ist ein Durchsatzregelventil 16 angeordnet und am Kondensatablaufstrang 15 ein dem Durchsatzregelventil 16 über eine Steuerleitung 24 zugeordneter Temperaturfüh­ ler 8 vorgesehen. Auch der DSWÜ 12 ist mit einer Leckage­ warneinrichtung 10 in Form eines zweistufig ausgeführten Leckageschalters ausgerüstet, der dem Zwischenraum 11 des DSWÜ 12 zugeordnet ist.

Stellorgane 25 und 26 im Kondensatsystem 13 komplettieren die Schaltung.

Darüberhinaus ist im Brenngasstrang 1 in Strömungsrich­ tung des Brenngases 3 ein dritter DSWÜ 17 angeordnet, der mit Abgas 18 im Abgastrakt 19 der Gasturbine beaufschlagt wird. Dieser DSWÜ 17 ist ebenfalls mit einer Leckagewarn­ einrichtung 10 in Form eines zweistufig ausgeführten Leckageschalters versehen, der dem Zwischenraum 11 des DSWÜ 17 zugeordnet ist. Optional kann vor dem im Ab­ gastrakt 19 angeordneten DSWÜ 17 eine Verbrennungsluft­ leitung 20 in den Brenngasstrang 1 münden.

Die DSWÜ 2, 12 und 17 im Brenngasstrang 1 arbeiten wie folgt:
Das Brenngas 3 wird im ersten DSWÜ 2 von dem Schmieröl der Gasturbinenanlage von 10°C auf 50°C erwärmt. Dabei wird das Schmieröl vollständig von 70°C auf 60°C rück­ gekühlt. Je nach Ölrückkühltemperatur am Temperaturfühler 8 am Ölaustrittsstrang 7 des DSWÜ 2 wird das Schmieröl vom Dreiwegeregelventil 5 entweder über den Öleintritts­ strang 6 in den DSWÜ 2 geleitet oder dem Ölaustritts­ strang 7 direkt über den Umgang 9 zugeführt und auf diese Weise die gewünschte Ölaustrittstemperatur von 60°C ein­ reguliert.

Im Leckagefall des DSWÜ 2 tritt das Leckmedium zunächst in den Zwischenraum 11 ein, wo es hermetisch abgeschlos­ sen zu einem Druckaufbau kommt. Die dem Zwischenraum 11 zugeordnete Leckagewarneinrichtung 10 weist auf die Leckage hin. Bei einer zweistufigen Ausführung der Lecka­ gewarneinrichtung 10 ist gleichzeitig nachweisbar, um welches Leckmedium es sich handelt; entweder um das Brenngas 3 mit einem Druck von 25,5 bar oder um das Schmieröl mit einem Druck von 6,0 bar. Der DSWÜ 2 bleibt jedoch selbst im Leckagefall weiter in Betrieb, da seine zweite Rohrwand die Medien immer noch sicher voneinander trennt. Der notwendige Austausch des DSWÜ 2 kann folglich in Ruhe vorbereitet werden.

Im anschließend im Brenngasstrang 1 angeordneten zweiten DSWÜ 12 wird das Brenngas 3 von 50°C auf 120°C wesent­ lich höher aufgeheizt, und zwar unter Kondensatrückküh­ lung von 150°C auf 80°C. Der Kondensatdurchsatz wird entsprechend der gewünschten Rückkühltemperatur am Tempe­ raturfühler 8 im Kondensatablaufstrang 15 mittels des Durchsatzregelventils 16 im Kondensatzulaufstrang 14 ge­ regelt. Auch hier wird im Leckagefall sicher verhindert, daß Brenngas 3 mit einem Druck von 25,5 bar in das Kon­ densatsystem 13 mit einem Druck von 8,0 bar eintreten kann.

In dem im Brenngasstrang 1 angeordneten dritten DSWÜ 17 zur Abgaswärmenutzung wird das Brenngas 3 von 120°C auf 350°C überhitzt, indem es das heiße Abgas 18 der Gastur­ bine nutzt und dieses von 550°C auf 535°C abkühlt.

Die Ausführung des DSWÜ 17 verhindert im Leckagefall, daß das Brenngas 3 mit einem Druck von 25,5 bar direkt in das drucklose Abgas 18 gelangt und dort von eventuell mitge­ führten Funken entzündet wird. Im Leckagefall tritt das Brenngas 3 mit einem Druck von 25,5 bar zunächst in den Zwischenraum 11 des DSWÜ 17 ein und löst die Überdruck­ stufe der Leckagewarneinrichtung 10 aus. Sollte die Leckage vom Abgastrakt 19 her erfolgen, so entspannt sich das im Zwischenraum 11 unter Druck stehende neutrale Me­ dium, z. B. gasförmiger Stickstoff, in den drucklosen Ab­ gastrakt 19 und löst die Unterdruckstufe der Leckagewarn­ einrichtung 10 aus. Eine Havarie wird somit in beiden Fällen verhindert.

Zur Reduzierung des apparativen Aufwands und zur Erhöhung der Abwärmenutzung aus dem Abgas 18 kann vor dem Eintritt in den als Abgasrekuperator gestalteten DSWÜ 17 eine Ver­ brennungsluftleitung 20 in den Brenngasstrang 1 münden. Brenngas 3 und Verbrennungsluft werden so gemeinsam im Gemisch auf 350°C überhitzt.

Durch die Anwendung von drei verschiedenen DSWÜ 2, 12, 17 im Brenngasstrang 1 wird durch die Gasvorwärmung von 10°C auf bis zu 350°C eine umfangreichere Abwärmereku­ peration verbunden mit einer Verbesserung des Gesamtwir­ kungsgrads möglich, wobei der apparative Aufwand insge­ samt sinkt und die Sicherheit der Anlagen in keinem Be­ triebszustand, auch nicht im Leckagefall eines DSWÜ 2, 12, 17, gefährdet wird.

Bezugszeichenliste

1

Brenngasstrang

2

erster DSWÜ

3

Brenngas

4

Schmierölsystem

5

Dreiwegeregelventil

6

Öleintrittsstrang v.

2

7

Ölaustrittsstrang v.

2

8

Temperaturfühler an

7

,

15

9

Umgang zw.

5

u.

7

10

Leckagewarneinrichtung

11

Zwischenraum v.

2

12

zweiter DSWÜ

13

Kondensatsystem

14

Kondensatzulaufstrang v.

12

15

Kondensatablaufstrang v.

12

16

Durchsatzregelventil

17

dritter DSWÜ

18

Abgas

19

Abgastrakt der Gasturbine

20

Verbrennungsluftleitung

21

Stellorgan in

4

22

Stellorgan in

4

23

Steuerleitung zw.

5

u.

8

24

Steuerleitung zw.

8

u.

16

25

Stellorgan in

13

26

Stellorgan in

13

DSWÜ Doppelrohr-Sicherheitswärmeübertrager
GuDK Gas- und Dampfturbinenkraftwerk

Claims (6)

1. Gasturbinenanlage, die einen Brennstoffstrang (1) mit mindestens einem als Doppelrohr-Sicherheitswärmeüber­ trager (2, 12, 17) ausgebildeten Brennstoffvorwärmer aufweist, der mit dem Schmierölsystem (4) der Gasturbinenanlage und/oder mit einem Kondensat- oder Dampfsystem (13) verbunden und/oder in den Abgastrakt (19) der Gasturbine eingebunden ist.

2. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit dem Schmierölsystem (4) der Gasturbinenanlage verbundener Doppelrohr-Sicherheitswärmeübertrager (2) eine Regel­ einrichtung in Form eines Temperaturfühlers (8) am Ölaustrittsstrang (7) und eines Dreiwegeregelventils (5) mit einem entsprechenden Umgang (9) zwischen dem Dreiwegeregelventil (5) und dem Ölaustrittsstrang (7) vor dem Temperaturfühler (8) sowie einer Verbindung zum Öleintrittsstrang (6) aufweist.

3. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit einem Kondensat- oder Dampfsystem verbundener Doppelrohr-Sicherheitswärmeübertrager (12) eine Regeleinrichtung in Form eines Temperaturfühlers (8) im Kondensatablaufstrang (15) und eines Durchsatzre­ gelventils (16) im Kondensatzulaufstrang (14) oder im Kondensatablaufstrang (15) aufweist.

4. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verbrennungsluftleitung (20) vor dem in den Ab­ gastrakt (19) eingebundenen Doppelrohr-Sicherheits­ wärmeübertrager (17) in den Brennstoffstrang (1) mün­ det.

5. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an einen Zwischenraum (11) des Doppelrohr-Sicherheits­ wärmeübertragers (2, 12, 17) eine zweistufige Lecka­ gewarneinrichtung (10) angeschlossen ist.

6. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem drucklosen Medium auf einer Seite eines Doppel­ rohr-Sicherheitswärmeübertragers (17) der Zwischen­ raum (11) des Doppelrohr-Sicherheitswärmeübertragers (17) mit dem Überdruck eines neutralen Mediums beauf­ schlagbar oder auf Unterdruck haltbar ist und eine Stufe der Leckagewarneinrichtung (10) auf eine Ände­ rung des Über- oder Unterdrucks im Zwischenraum (11) ansprechbar ist.