DE19723543A1 - Energieerzeugungsanlage - Google Patents
EnergieerzeugungsanlageInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Energieerzeugungsanlage mit
einer Gasturbine mit Dampfeindüsung, wobei für die
Dampferzeugung ein Abhitzekessel vorgesehen ist, der
zusätzlich an einen externen Verbraucher Prozeßdampf
liefert.
Bekannt sind Energieerzeugungsanlagen, bei denen eine
Gasturbine mit zusätzlicher Dampfinjektion betrieben
wird, wobei die Dampferzeugung in einem Abhitzekessel
erfolgt, der von den Abgasen der Dampfturbine beheizt
ist und eine Zusatzbefeuerung aufweisen kann. Konse
quent durchgeführt ist dieses Prinzip beim Cheng-Cycle,
bei dem die gesamte ohne Zusatzfeuerung erzeugbare
Dampfmenge in die Gasturbine eingespeist werden kann.
Eine derartige Energieerzeugungsanlage ist in dem Pros
pekt der Firma ELIN Energieversorgung Gesellschaft mbH
"Cheng Cycle Serie 7, Kraft-Wärme-Kopplung mit Gastur
binen" beschrieben. Der Cheng-Cycle zeichnet sich im
Vergleich zu Dampfturbinenanlagen durch geringere In
vestitionskosten aus, weil im Abhitzekessel moderate
Drücke und Temperaturen herrschen und ein Kondensator
nicht erforderlich ist.
Bekannt sind ferner solare Dampferzeuger, die Sonnen
energie zur Dampferzeugung benutzen. Typisch hierfür
sind Parabolrinnenkollektoren, welche die Sonnenenergie
mit Parabolspiegeln auf ein Rohr konzentrieren, das von
einem Wärmeträgermedium durchströmt wird. Ein Problem
bei der Verwendung solarer Dampferzeuger besteht in der
Unzuverlässigkeit der verfügbaren Sonnenenergie. Es ist
daher erforderlich, zusätzlich eine Befeuerung mit
Brennstoff vorzusehen. Aufgrund der mit solarer Energie
erreichbaren Dampfzustände kann der Brennstoff bei der
Zusatzfeuerung nur mit geringem energetischen Wirkungs
grad genutzt werden. Bei Hybridanlagen sind negative
Wechselwirkungen zwischen solarem und konventionellen
Anlagenteil in der Regel nicht zu vermeiden (z. B. redu
zierter Wirkungsgrad im fossilen Betrieb, Einschränkun
gen des Betriebsbereichs des Solarfeldes). Solardampf
eindüsung in eine Gasturbine ist für die reine Stromer
zeugung nicht attraktiv, da die im Abhitzekessel er
zeugbare Dampfmenge das Schluckvermögen der Turbine
bereits deckt bzw. übersteigt. Die Notwendigkeit eines
100%-igen fossilen Back-up führte bisher dazu, daß
eine Solaranlage nicht optimal in ein dafür ausgelegtes
Gesamtsystem eingebunden, sondern einem konventionellen
System "aufgesetzt" wurde. Die zusätzlich erzeugte so
lare Wärme ist in solchen Systemen nur eingeschränkt
nutzbar. Dies reduziert den Nutzungsgrad der Solaran
lage und die erreichbaren Brennstoffeinsparungen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Energie
erzeugungsanlage zu schaffen, die sowohl mit fossiler
Energie als auch mit Solarenergie gespeist wird und
flexibel auf das jeweilige Angebot an Solarenergie rea
gieren kann, um in jedem Betriebszustand eine Gastur
bine mit hohem Wirkungsgrad betreiben zu können.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit
den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.
Die erfindungsgemäße Energieerzeugungsanlage arbeitet
generell nach dem Cheng-Cycle mit allen dadurch erziel
baren Vorteilen. Hierbei ist zusätzlich zu dem Ver
dampfer, der mit der Dampftrommel einen ersten Kreis
lauf bildet, an die Dampftrommel ein zweiter Kreislauf
angeschlossen, der einen solaren Dampferzeuger enthält.
Hierbei werden die in dem ersten Kreislauf des Cheng-Cycle
auftretenden moderaten Druck- und Temperaturver
hältnisse ausgenutzt, um eine direkte Anschaltung eines
solaren Dampferzeugers durchzuführen. Der durch das
Solarfeld erzeugte Dampf wird in dem Überhitzer des
Wärmetauschers aufgeheizt und kann als Sattdampf in der
Gasturbine mit Dampfeindüsung je nach Bedarf zur Er
höhung der Stromproduktion oder zur Reduzierung des
Brennstoffbedarfs genutzt werden. Die Dampfeindüsung in
die Gasturbine erfordert nur moderate Drücke (etwa 20
bar). Die damit verbundenen niedrigen Siedetemperaturen
wirken sich günstig auf den Wirkungsgrad des Solarer
zeugers aus.
Besondere Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die
Direktverdampfung. Die Sattdampferzeugung im Rezirkula
tionsverfahren erlaubt einen stabilen Betrieb des so
laren Dampferzeugers ohne hohe Anforderungen an die
Regelung, auch bei schwankendem Strahlungsangebot. Der
solare Dampferzeuger kann als Parabolrinnenkollektor
ausgebildet sein, in dem das zirkulierende Wasser di
rekt verdampft wird. Andererseits besteht auch die Mög
lichkeit, ein Wärmeträgermedium, z. B. Öl, solar auf zu
heizen und die aufgenommene Wärmeenergie mit einem Wär
metauscher an Wasser abzugeben. Die Temperatur des von
dem solaren Dampferzeuger gelieferten Dampfs sollte bei
etwa 200°C liegen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben
sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausfüh
rungsbeispiels sowie den Unteransprüchen.
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die einzige
Figur der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfin
dung näher erläutert.
In der Zeichnung ist die Energieerzeugungsanlage sche
matisch dargestellt.
Die Energieerzeugungsanlage weist eine Gasturbine 10
mit Dampfeindüsung auf, die einen Stromgenerator 11
antreibt. Der Einlaß der Gasturbine ist mit einem Bren
ner 12 verbunden, dem über eine Brennstoffleitung 13
flüssiger oder gasförmiger Brennstoff und über eine
Luftleitung 14 Druckluft zugeführt wird, die in einem
von der Gasturbine 10 angetriebenen Kompressor 15 er
zeugt wird. In den Brenner 12 mündet ferner eine Dampf
leitung 16 zur Eindüsung von Dampf in die Brennkammer.
Die in dem Brenner 12 erzeugten Verbrennungsgase werden
mit dem eingedüsten Dampf vermischt und in den Einlaß
17 der Gasturbine 10 geliefert.
Die expandierten Abgabe der Gasturbine 10 werden vom
Auslaß 18 durch einen Abhitzekessel 19 geleitet und
einer Abgasleitung 20 zugeführt, in der durch Konden
sation eine Wiedergewinnung des Wassers erfolgen kann.
Der Abhitzekessel 19 enthält einen Wärmetauscher 21 und
eine Dampftrommel 22. Die Abgase der Dampfturbine 10
strömen in den Wärmetauscher 21, um Wärme abzugeben.
Diese Wärme wird drei Wärmeaufnehmern zugeführt, die in
dieser Reihenfolge im Wärmetauscher 21 angeordnet sind:
einem Überhitzer 22, einem Verdampfer 23 und einem Vor
wärmer 24. Die Abgase haben am Überhitzer 22 die größte
Temperatur und am Vorwärmer 24 die niedrigste Tempera
tur, weil sie einen Teil ihrer Wärme bereits abgegeben
haben.
Der Vorwärmer 24 ist mit seinem Einlaß an eine Speise
wasserleitung 25 angeschlossen, die eine Speisewasser
pumpe 26 enthält, und mit seinem Auslaß an die Dampf
trommel 22.
Der Verdampfer 23 bildet mit der Dampftrommel 22 einen
ersten Kreislauf 27, in welchem eine Pumpe 28 enthalten
ist. Der Einlaß der Pumpe 28 befindet sich in Bodennähe
der Dampftrommel 22, so daß die Pumpe Wasser aus der
Dampftrommel 22 herauspumpt. Die Rückleitung des Kreis
laufs 27 führt oberhalb des in der Dampftrommel 22
herrschenden Wasserstandes in die Dampftrommel hinein.
Im oberen Bereich enthält die Dampftrommel 22 einen
Dampfauslaß 29, der einerseits mit einem Auslaß 30 für
Prozeßdampf und andererseits mit einer zu dem Über
hitzer 22 führenden Dampfleitung 31 verbunden ist. Von
der Dampfleitung 31 strömt der Dampf durch den Über
hitzer 22 zu der Dampfleitung 16 für die Dampfein
düsung.
Die Dampftrommel 22 besteht aus einem Behälter, in dem
sich ein Wasserpegel 32 ausbildet. Über dem Wasserpegel
32 befindet sich Dampf bei einem Druck von etwa 20 bar
und einer Temperatur von etwa 200°C. Die Höhe des Was
serpegels 32 wird von einem Sensor 33 erkannt, der die
Pumpe 28 in der Weise regelt, daß bei einem zu hohen
Pegelstand der Durchfluß durch den ersten Kreislauf 27
vergrößert und bei einem zu niedrigen Pegel stand der
Durchfluß verringert wird.
Der Abhitzekessel 19 ist mit einem Brenner 34 versehen,
um dem Wärmetauscher 21 zusätzliche Wärme zuführen zu
können. Der Brenner 34 wird in Abhängigkeit von dem
Signal eines Durchflußmessers 35 gesteuert, der in dem
Dampfauslaß 29 enthalten ist. Wenn die der Dampftrommel
22 entnommene Dampfmenge groß ist, wird die Leistung
des Brenners 34 erhöht. Ferner steuert der Durchfluß
messer 35 die Speisewasserpumpe 26. Wird der Dampftrom
mel 22 viel Dampf entnommen, dann muß entsprechend mehr
Speisewasser zugeführt werden.
Erfindungsgemäß ist an die Dampftrommel 22 ein solarer
Dampferzeuger 36 angeschlossen, der im vorliegenden
Fall aus einem Solarfeld aus Rinnenkollektoren besteht.
Das Solarfeld enthält rinnenförmige Reflektoren 37, die
das Sonnenlicht auf ein Absorberrohr 38 konzentrieren,
welches von Wasser durchströmt ist. Das Absorberrohr 38
ist mit der Dampftrommel 22 zu einem zweiten Kreislauf
39 verbunden, der eine Pumpe 40 für die Zirkulation
enthält. Die Pumpe 40 ist in Abhängigkeit von dem Sig
nal des Pegelsensors 33 in der Weise gesteuert, daß bei
sinkendem Pegel 32 die Pumpenleistung vergrößert wird.
Anstelle des Solarfeldes aus direktverdampfenden Kolek
toren kann auch ein solarer Dampferzeuger mit zwischen
geschalteten Thermoölkreislauf verwendet werden.
Die Zusatzfeuerung mit dem Brenner 34 wird so geregelt,
daß die Summe der gemessenen Dampfmassenströme für den
Prozeßdampf (am Auslaß 30) und den Injektionsdampf der
vorgegebenen Gesamtmenge entspricht. Die Speisewasser
pumpe 26 wird entsprechend der jeweiligen momentanen
Dampfproduktion geregelt.
Änderungen der Sonneneinstrahlung auf den solaren
Dampferzeuger 36 führen zu einer Änderung der Dampfpro
duktion des solaren Dampferzeugers und damit zu einer
Änderung des Wasserpegels 32 in der Dampftrommel 22.
Diese Pegeländerung dient als Signal zur Anpassung der
Massenströme im solaren Dampferzeuger 36 bzw. im Ab
hitzekessel 22. Bei sinkendem Flüssigkeitspegel wird
die Förderleistung der Pumpe 40 erhöht und diejenige
der Pumpe 28 reduziert. Gleichzeitig wird die Brenn
stoffzufuhr des Brenners 34 gedrosselt. Bei steigendem
Flüssigkeitspegels 32 wird umgekehrt verfahren.
Falls bei guter Sonneneinstrahlung und geringem Bedarf
an Prozeßdampf die Dampfproduktion den Bedarf über
steigt, kann die Stromerzeugung durch Dampfeindüsung
bis zur Maximalleistung der Gasturbine 10 erhöht wer
den. Der Überschuß wird dann in das Stromversor
gungsnetz eingespeist. Alternativ hierzu kann auch bei
gleichzeitiger Dampfinjektion die Brennstoffzufuhr zur
Gasturbine so weit reduziert werden, daß gerade der
Eigenbedarf an Strom und Prozeßdampf gedeckt wird.
Die Dampfeindüsung in die Gasturbine 10 erfordert nur
moderate Drücke. Die damit verbundenen niedrigen Siede
temperaturen wirken sich günstig auf den Wirkungsgrad
des Solarfeldes 37 aus. Die Maschinenanlage kann in
relativ kleiner Anlagengröße realisiert werden. Die
Sattdampferzeugung im Rezirkulationsverfahren erlaubt
einen stabilen Betrieb des solaren Dampferzeugers ohne
hohe Anforderungen an die Regelung, auch bei schwanken
dem Strahlungsangebot.
Durch die Flexibilität des Gasturbinenprozesses mit
Dampfeindüsung kann der solarerzeugte Dampf mit gutem
Wirkungsgrad genutzt werden. Dennoch wird der Wirkungs
grad der fossilen Verbrennung nicht durch Teillast
betrieb verschlechtert.
Claims (7)
1. Energieerzeugungsanlage mit
- - einer einen Stromgenerator (11) antreibenden Gasturbine (10),
- - einem Abhitzekessel (19), der einen mit dem Auslaß (18) der Gasturbine (10) verbundenen Wärmetauscher (21) und eine Dampftrommel (22) enthält,
- - wobei der Wärmetauscher (21) aufweist:
- - einen Überhitzer (22), der von der Dampf trommel (22) gelieferten Dampf aufheizt und zur Dampfeindüsung an die Gasturbine (10) liefert,
- - einen mit der Dampftrommel (22) einen ersten Kreislauf (27) bildenden Verdampfer (23),
- - und einen Vorwärmer (24), der Speisewasser aufheizt und an die Dampftrommel (22) lie fert,
daß an die Dampftrommel (22) ein solarer Dampfer zeuger (36) in einem zweiten Kreislauf (39) ange schlossen ist.
2. Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Dampftrommel (22) mit
einem Prozeßdampf an einen externen Verbraucher
liefernden Dampfauslaß (30) verbunden ist.
3. Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kreislauf
(27) eine Pumpe (28) enthält, die in Abhängigkeit
von dem Wasserpegel (32) in der Dampftrommel (22)
gesteuert ist.
4. Energieerzeugungsanlage nach einem der Ansprüche 1
bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite
Kreislauf (39) eine Pumpe (40) enthält, die in
Abhängigkeit von dem Wasserpegel (32) in der
Dampftrommel (22) gesteuert ist.
5. Energieerzeugungsanlage nach einem der Ansprüche 1
bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abhitzekes
sel (19) einen Brenner (34) aufweist, der in Ab
hängigkeit von der die Dampftrommel (22) verlas
senden Dampfmenge gesteuert ist.
6. Energieerzeugungsanlage nach einem der Ansprüche 1
bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Speisewas
ser über eine Speisewasserpumpe (26) geliefert
wird, die in Abhängigkeit von der die Dampftrommel
(22) verlassenden Dampfmenge gesteuert ist.
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