DE19734862A1

DE19734862A1 - Wärmekraftwerk mit einer Gasturbine und einem Dampferzeuger für eine Mehrdruck-Dampfturbine

Info

Publication number: DE19734862A1
Application number: DE1997134862
Authority: DE
Inventors: Bernd Gericke
Original assignee: Individual
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 1997-08-12
Filing date: 1997-08-12
Publication date: 1999-02-18
Anticipated expiration: 2017-08-13
Also published as: DE19734862C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Wärmekraftwerk mit einer Gastur bine und einem Dampferzeuger für eine Mehrdruck- Dampfturbine, wobei das Abgas der Gasturbine einem Abhitze kessel zugeführt wird, der zur Erhöhung der HD-Dampf leistung mit einer Zusatzfeuerung, die den für Ver brennung erforderlichen Sauerstoff aus den Turbinenabgasen bezieht, ausgestattet ist und welcher der Dampfbildung die nende Wärmetauscher enthält.

Wärmekraftwerke, welche die Abhitze einer Gasturbine zur Dampferzeugung für eine Dampfturbine nutzen, sind in der Regel mit einstufigen Dampfturbinen ausgerüstet. In Indu striebetrieben werden solche Wärmekraftwerke zur Erzeugung Prozeßdampf verwendet, dessen Maximalbedarf meist von einer vor dem Abhitzekessel installierten Zusatzfeuerung und dessen Minimalbedarf allein durch den Abhitzebetrieb gedeckt wird. Die Abhitzekessel sind üblicherweise zur Dampferzeugung für eine einstufige Dampfturbine ausgebil det. Hingegen stößt die Erzeugung von Dampf für die in ih rer Leistung bessere mehrstufige Dampfturbine mit Zwischen überhitzung in solchen ZDÜ-Abhitzekesseln auf Schwierigkei ten, insbesondere bei schwankender Belastung. Wird bei ei ner erhöhten Belastung die Feuerung des Abhitzekessels zur Erzeugung einer größeren Hochdruck-Dampfmenge gesteigert, ist für die Temperaturregelung des Zwischendruckdampfes ei ne stark erhöhte Einspritzkühlung erforderlich, wodurch au ßerdem eine zusätzliche Zwischendruck-Dampfmenge entsteht, die von der MD-Stufe der Dampfturbine nicht verarbeitet werden kann. Der Brennstoffbedarf steigt relativ stark an, wodurch nicht nur die Betriebskosten erheblich steigen, sondern auch der aus Gründen des Umweltschutzes niedrig zu haltende CO₂-Ausstoß erhöht wird.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den einer Gasturbine zugeordneten Abhitzekessel derart aus zu bilden, daß auf wirtschaftliche Weise die Erzeugung von Dampf für eine Mehrdruck-Dampfturbine, insbesondere auch bei schwankender Belastung möglich ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die erfindungsgemäß vorgesehenen beiden Feuerungen haben unterschiedliche Regelaufgaben. Die erste Feuerung, welche das Abgas der Gasturbine nutzt, wird so geregelt, daß der Zwischendampf auf die erforderliche Temperatur erhitzt wird. Dabei wird der Dampf zunächst in der ersten ZD-Über hitzerstufe auf eine der Sollwertvorgabe entsprechende Temperatur erhitzt, bei der die Einspritzkühlung bei jeder Last die Dampftemperatur am Austritt der ZD-Überhitzerstufe regelbar ist. Diese Temperaturregelung des Zwischendruck dampfes ist von der zweiten Feuerung völlig unabhängig. Die Aufgabe der zweiten Feuerung besteht darin, die von der Dampfturbine und gegebenenfalls von einer Prozeßanlage ab verlangte Menge an HD-Dampf zu erzeugen und bei sich än derndem Bedarf zu regeln. Regelgröße für diese Dampfmengen regelung ist der Dampfdruck am Ausgang der Endstufe des HD-Über hitzers. Sinkt der Dampfdruck an dieser Stelle unter den Sollwert, wird die das Abgas der Gasturbine weiter nut zende zweite Feuerung zusätzlich beheizt, so daß der dem Brenner nachgeschaltete HD-Verdampfer eine größere Menge HD-Dampf erzeugt. Im übrigen erfolgt die Temperaturregelung des HD-Dampfes durch eine übliche Einspritzkühlung, wobei die zwischen den HD-Überhitzerstufen befindlichen Ein spritzvorrichtungen von der am Ausgang der jeweils nachge schalteten HD-Überhitzerstufe herrschenden Temperatur als Regelgröße gestellt werden. Die erfindungsgemäß vorgesehene getrennte Regelung der Temperatur des Zwischendruckdampfes einerseits und der HD-Dampfmenge sowie der HD-Dampf temperatur in Verbindung mit der geteilten Feuerung hat den weiteren Vorteil, daß eine erhöhte Belastung und Leistungssteigerung mit einer relativ geringen Erhöhung des Brennstoffverbrauches verbunden ist. Der Wirkungsgrad der Anlage ist wesentlich verbessert.

Das Regelsystem erlaubt einen reinen Abhitzebetrieb ohne zusätzliche regeltechnische Maßnahmen oder Änderungen und ohne Beeinträchtigung der Regelgüte der HD- und ZD-Endtemperaturen. Dies gilt auch bei extremen Störfällen, wenn bei Ausfall der Zusatzfeuerungen unmittelbar der Ab hitzekessel allein in Abhitzebetrieb gefahren werden muß.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt; es zeigt

Fig. 1 eine Gasturbine mit einem nachgeschalteten, der Dampferzeugung dienenden Abhitzekessel in einer schematischen Darstellung,

Fig. 2 Einrichtungen zur Temperaturregelung des Hoch druckdampfes und zur Temperaturregelung des Zwi schendruckdampfes in einer schematischen Darstel lung und

Fig. 3 die in Scheibenkämmung angeordneten Endstufen des Hochdrucküberhitzers und Zwischendrucküberhitzers in einer perspektivischen Ansicht.

Die in Fig. 1 dargestellte Gasturbine 1 ist mit einem Ver dichter 2 und einem mit Erdgas 3 beschickten Brenner 4 ver sehen. Das heiße Abgas der Gasturbine 1 wird über eine Rohrleitung 5 einem der Dampferzeugung dienenden Abhitze kessel 9 zugeführt. Der Rohrleitung 5 ist eine erste, z. B. als Flächenbrenner ausgebildete Feuerung 6 zugeordnet, die bedarfsweise mit Zusatzluft 7 und Erdgas 8 versorgt wird und durch welche die Abgastemperatur zusätzlich erhöht wer den kann.

Der Abhitzekessel 9 ist so ausgebildet, daß er Dampf zum Betrieb einer Mehrdruck-Dampfturbine (in der Zeichnung nicht dargestellt) liefert. In Fig. 1 ist jedoch nur der untere Teil des Abhitzekessels 9 mit mehreren Überhitzer stufen zur Erzeugung des Hochdruck- und des Zwischendruck dampfes sowie den Hochdruckverdampfer und einem Teil der Hochdruck-Speisewasservorwärmung dargestellt. Im nicht dar gestellten Teil des Abhitzekessels 9 sind in bekannter Wei se die Heizflächen für die Speisewasservorwärmung und Ver dampfung der verschiedenen Dampfdruckteile sowie deren Überhitzer angeordnet. Nachfolgend werden für die Ausdrücke Hochdruck- und Zwischendruck- die Abkürzungen HD- bzw. ZD-ver wendet. Im unteren Teil der Abhitzekessel 9 sind drei hintereinander geschaltete HD-Überhitzerstufen 10, 11, 12 so wie zwei ZD-Überhitzerstufen 13, 14 angeordnet. Die beiden Endstufen 12, 14 des HD-Überhitzers und ZD-Überhitzers sind im gleichen unteren Abschnitt des Abhitzekessels 9 angeord net, wobei die parallel in lotrechten Ebenen verlaufenden, mäanderförmig gebogenen HD-Rohre 15 und die entsprechend ausgebildeten ZD-Rohre 16 kammartig abwechselnd nebeneinan der liegen (vgl. Fig. 3). Den HD-Rohren 15 ist ein Vertei ler 17 und ein Sammler 18 und den ZD-Rohren 16 ein Vertei ler 19 und ein Sammler 20 zugeordnet. Die erste ZD-Überhitzerstufe 13 ist zwischen den beiden ersten HD-Überhitzerstufen 10, 11 angeordnet, kann aber auch hinter bzw. vor diesen eingebaut sein. Weiter oben im Abhitzekes sel 9 ist ein HD-Verdampfer 21 und ein Speisewasservorwär mer 22 angeordnet, die beide mit einer HD-Trommel 23 ver bunden sind, von der der HD-Dampf über eine Leitung 24 zu HD-Überhitzerstufen 10 bis 12 gelangt. Außerdem ist vor bzw. unter dem HD-Verdampfer 21 eine zweite das Abgas der Gasturbine nutzende Feuerung 25 angeordnet, die z. B. als mit Erdgas befeuerter Flächenbrenner ausgebildet sein kann.

Weiterhin ist zwischen den drei HD-Überhitzerstufen 10, 11, 12 jeweils eine Einspritzvorrichtung 26, 27 sowie zwi schen den beiden ZD-Überhitzerstufen 13, 14 eine Einspritz vorrichtung 28 vorgesehen. Mit Hilfe der Einspritzvorrich tungen 26, 27 wird die Temperatur des HD-Dampfes so gere gelt, daß er nach verlassen der dritten HD-Überhitzerstufe 12 die vorgegebene Temperatur hat. Jede Einspritzvorrich tung 26, 27 wird von der am Ausgang der jeweils nachgeschal teten HD-Überhitzerstufe 11 bzw. 12 vorgegebenen Temperatur als Regelgröße gestellt. Die zwischen den beiden ZD-Über hitzerstufen 13, 14 vorgesehene Einspritzvorrichtung 28 hat die Aufgabe, den ZD-Dampf auf die für die ZD-Endstufe der Dampfturbine erforderliche Temperatur einzustellen. Auch hier erfolgt die Regelung der Einspritzvorrichtung 28 ähnlich mit Hilfe der am Ausgang der zweiten ZD-Über hitzerstufe 14 vorgegebenen Temperatur als Regelgröße.

Bei Normalbetrieb des Wärmekraftwerks für den Minimalbedarf reicht die Abhitzewärme in der Regel zur Erzeugung der für die Dampfturbine erforderlichen Dampfparameter aus. Tritt jedoch eine höhere Belastung ein, werden bedarfsweise die beiden Feuerungen 6 und 25 zugeschaltet und entsprechend dem höheren Dampfbedarf geregelt. Die erste Feuerung 6 wird, wie in Fig. 2 gezeigt ist, in Abhängigkeit von der Temperatur des Dampfs am Ausgang der ersten ZD-Überhitzer stufe 13 geregelt. In den Fig. 1 und 2 ist diese Meßstelle mit 29 bezeichnet. Die zweite Feuerung 25 wird druckabhän gig von der HD-Belastung geregelt. Hierfür wird der Dampf druck am Ausgang der dritten HD-Überhitzerstufe 12 als Re gelgröße gemessen. Diese Meßstelle ist mit 30 bezeichnet. Im Falle einer höheren Belastung sinkt zunächst der Dampf druck an der Meßstelle 30. Für den erforderlichen Druckaus gleich ist eine Erhöhung der Dampfmenge erforderlich. Dies geschieht durch die zweite Feuerung 25, welche dem HD-Ver dampfer 21 zusätzlich Wärme zuführt, wobei diese zusätz liche Wärmeerzeugung druckabhängig geregelt wird. Die er höhte Dampfmenge verursacht weiterhin einen Temperaturab fall des ZD-Dampfs und einen zusätzlichen Energiebedarf für die Überhitzung des Dampfs in den Überhitzerstufen 10 bis 12. Bei entsprechendem Temperaturabfall an der Meßstelle 29 wird die erste Feuerung 6 zugeschaltet, die in Abhängigkeit der Sollwertabweichung der Temperatur an der Meßstelle 29 geregelt wird. Auf diese Art und Weise wird dem Abhitze kessel 9 die erforderliche Wärmeenergie zugeführt, um die gewünschte Ausgangstemperatur des ZD-Dampfs zu erhalten. Dabei wird der Sollwert so eingestellt, daß auch der HD-Dampf den ersten zugehörigen Überhitzerstufen zunächst eine solche Temperatur erhält, daß eine genaue Temperatur regelung am Austritt der HD-Überhitzerstufe 12 durch die Einspritzkühlungen sichergestellt ist. Die Einspritzkühlun gen zur Regelung der HD-Dampftemperatur an der Meßstelle 30 arbeiten im optimalen Regelbereich, wobei gegebenenfalls der Sollwert verstellbar ist, um den Regelbereich der bei den Einspritzvorrichtungen 26, 27 zu optimieren.

Bezugszeichenliste

1

Gasturbine

2

Verdichter

3

Erdgas

4

Brenner

5

Rohrleitung

6

erste Feuerung

7

Zusatzluft

8

Erdgas

9

Abhitzekessel

10

HD-Überhitzerstufe

11

HD-Überhitzerstufe

12

HD-Überhitzerstufe

13

ZD-Überhitzerstufe

14

ZD-Überhitzerstufe

15

HD-Rohre

16

ZD-Rohre

17

Verteiler

18

Sammler

19

Verteiler

20

Sammler

21

HD-Verdampfer

22

Speisewasservorwärme

23

HD-Trommel

24

Leitung

25

zweite Feuerung

26

Einspritzvorrichtung

27

Einspritzvorrichtung

28

Einspritzvorrichtung

29

Meßstelle

30

Meßstelle

Claims

1. Wärmekraftwerk mit einer Gasturbine und einem Dampfer zeuger für eine Mehrdruck-Dampfturbine, wobei das Ab gas der Gasturbine einem Abhitzekessel zugeführt wird, der zur Erhöhung der HD-Dampfleistung mit einer Zu satzfeuerung ausgestattet ist und welcher der Dampf bildung dienende Wärmetauscher enthält, dadurch ge kennzeichnet, daß zur Bildung eines Hochdruckdampfs wenigstens zwei hintereinandergeschaltete HD-Überhit zerstufen (10, 11, 12) mit wenigstens einer Einspritz kühlung (26, 27) und zur Bildung eines Zwischendruck dampfs wenigstens zwei ZD-Überhitzerstufen (13, 14) mit einer Einspritzkühlung (28) vorgesehen sind, die End stufen (12 bzw. 14) des HD-Überhitzers bzw. ZD-Über hitzers im gleichen Abschnitt des Abhitzekessels (9) angeordnet sind, deren Rohre (15, 16) kammartig abwechselnd nebeneinander liegen, die erste ZD-Überhitzerstufe (13) zwischen oder hinter den beiden ersten HD-Überhitzerstufen (10, 11) liegt, eine das Abgas der Gasturbine nutzende erste Feuerung (6) dem Abhitzekessel (9) im Bereich der Endstufen (12, 14) der Überhitzer zugeordnet und im Abhitzekessel (9) vor dem HD-Verdampfer (21) eine zweite Feuerung (25) angeord net ist, wobei die erste Feuerung (6) in Abhängigkeit von der Temperatur des Dampfes am Ausgang der ersten ZD-Überhitzerstufe (13) und die zweite Feuerung (25) druckabhängig von der HD-Belastung geregelt wird.

2. Wärmekraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Sollwerte für die Regelung der ersten Feuerung (6) derart eingestellt ist, daß die Dampftem peratur am Ausgang der ersten ZD-Überhitzerstufe (13) ständig eine Einspritzkühlung des Zwischendruckdampfs verlangt.