DE19744456A1 - Gasturbinenanlage und Gas- und Dampfturbinenanlage mit einer derartigen Gasturbinenanlage sowie Verfahren zum Betreiben einer derartigen Gasturbinenanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinenanlage mit ei­ ner mit wiederverdampftem flüssigem Erdgas als Brennstoff be­ treibbaren Gasturbine, bei der zur Wiederverdampfung des flüssigen Erdgases ein erster Wärmetauscher in eine an die Gasturbine angeschlossene Brennstoffzuleitung geschaltet ist.

Sie betrifft weiter eine Gas- und Dampfturbinenanlage mit ei­ ner derartigen Gasturbinenanlage, bei der der Gasturbine rauchgasseitig ein Abhitzedampferzeuger nachgeschaltet ist, dessen Heizflächen in den Wasser-Dampf-Kreislauf einer Dampf­ turbine geschaltet sind, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Gasturbinenanlage.

Bei einer Gas- und Dampfturbinenanlage wird die im entspann­ ten Arbeitsmittel (Rauchgas) aus der Gasturbine enthaltene Wärme zur Erzeugung von Dampf für die Dampfturbine genutzt. Die Wärmeübertragung erfolgt in einem der Gasturbine rauch­ gasseitig nachgeschalteten Abhitzedampferzeuger, in dem Heiz­ flächen in Form von Rohren oder Rohrbündeln angeordnet sind. Diese wiederum sind in den Wasser-Dampf-Kreis lauf der Dampf­ turbine geschaltet. Der Wasser-Dampf-Kreislauf umfaßt übli­ cherweise mehrere, beispielsweise zwei, Druckstufen, wobei jede Druckstufe eine Vorwärm- und eine Verdampferheizfläche aufweist.

Die Gasturbine der in einer derartigen Gas- und Dampfturbi­ nenanlage eingesetzten Gasturbinenanlage kann für eine Viel­ zahl verschiedener Brennstoffe ausgelegt sein. Als Brennstoff für die Gasturbine kommt beispielsweise Erdgas in Betracht.

Insbesondere bei Gasturbinenanlagen, deren Standorte weit entfernt von Erdgasvorkommen gelegen sind, kann die Bereit­ stellung des Brennstoffs jedoch aufwendig sein. Zur Vereinfa­ chung des Bereitstellungsaufwandes kann vorgesehen sein, das Erdgas in verflüssigter Form anzuliefern, wobei unmittelbar vor der Zuführung in die Brennkammer der Gasturbine eine Wie­ derverdampfung des flüssigen Erdgases vorgenommen wird. Dazu ist üblicherweise ein erster Wärmetauscher in eine an die Gasturbine angeschlossene Brennstoffzuleitung geschaltet.

Über diesen Wärmetauscher wird dem flüssigen Erdgas Verdam­ pfungswärme zugeführt, wobei die dem flüssigen Erdgas bei seiner Verdampfung entzogene Kälte auf ein Wärmeträgermedium übertragen wird. Aus der WO 95/16105 ist eine Gas- und Dampf­ turbinenanlage mit einer mit flüssigem Erdgas als Brennstoff betreibbaren Gasturbine bekannt, bei der für einen besonders hohen Anlagenwirkungsgrad die dem flüssigen Erdgas bei seiner Verdampfung entzogene Kälte über einen ersten Zwischenkreis und über einen zweiten Zwischenkreis auf der Gasturbine zuzu­ führende Ansaugluft übertragen und somit zu Kühlzwecken ge­ nutzt wird. Dabei ist eine zweistufige Kälteübertragung not­ wendig, um Korrosionserscheinungen und Beschädigungen der eingesetzten Komponenten sicher zu vermeiden. Eine derartige Gasturbinenanlage ist jedoch insbesondere im Hinblick auf das Brennstoffzufuhrsystem vergleichsweise aufwendig.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Gastur­ binenanlage der obengenannten Art anzugeben, bei der ein ho­ her Anlagenwirkungsgrad auch bei besonders einfacher Ausfüh­ rung des Brennstoffzufuhrsystems gewährleistet ist. Zudem sollen eine für den Einsatz einer derartigen Gasturbinenan­ lage besonders geeignete Gas- und Dampfturbinenanlage sowie ein besonders günstiges Verfahren zum Betreiben der Gasturbi­ nenanlage angegeben werden.

Bezüglich der Gasturbinenanlage der obengenannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der erste Wärmetauscher primärseitig über einen einzigen Zwischenkreis mit einem der Gasturbine zugeordneten Luftkühler verbunden ist.

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, daß das Brenn­ stoffzufuhrsystem der Gasturbine besonders einfach ausgeführt sein kann, indem die Anzahl der vorgesehenen Komponenten be­ sonders gering gehalten ist. Dazu ist die Übertragung der dem flüssigen Erdgas bei seiner Verdampfung entzogenen Kälte auf die Ansaugluft der Gasturbine einstufig ausgeführt.

Eine besonders kompakte und somit wirtschaftliche Anordnung der erforderlichen Komponenten ist dabei erreichbar, indem der Luftkühler vorzugsweise eine Anzahl von in den Zwischen­ kreis geschalteten Rippenrohrwärmeübertragern umfaßt, die in einem Luftansaugkanal der Gasturbine vor deren Luftfiltern angeordnet sind. Unter Rippenrohrwärmeübertrager ist dabei insbesondere eine Anzahl von für den Durchfluß eines Wärme­ trägermediums parallel geschalteten Rippenrohren zu verste­ hen, deren Außenwände mit der Ansaugluft für die Gasturbine in Kontakt bringbar sind. Bei einer derartigen Anordnung ist das Wiederverdampfungssystem für das flüssige Erdgas auf be­ sonders einfache Weise in ohnehin vorhandene Standardkompo­ nenten der Gasturbinenanlage integrierbar, ohne daß eine auf­ wendige Neukonstruktion, beispielsweise der Luftansaugstrecke der Gasturbine, erforderlich ist.

Die Auswirkungen der Installation eines derartigen Wiederver­ dampfungssystems auf die Gasturbinenanlage an sich sind somit besonders gering, so daß sich ein derartiges System auch be­ sonders für die Nach- oder Umrüstung bereits bestehender Gasturbinen eignet. Die Rippenrohrwärmeübertrager sind dabei zweckmäßigerweise in ein der Gasturbine ansaugluftseitig vor­ geschaltetes Filterhaus integriert.

Um auch bei der Verwendung lediglich eines Zwischenkreises zur Übertragung der dem flüssigen Erdgas entzogenen Kälte auf die Ansaugluft der Gasturbine Korrosionserscheinungen an den Komponenten sowie Beeinträchtigungen der Zuverlässigkeit si­ cher zu vermeiden, ist vorteilhafterweise im Zwischenkreis ein auf Basis von Glykolethern gebildetes Wärmeträgermedium geführt. Das Wärmeträgermedium umfaßt in alternativer oder weiterer vorteilhafter Ausgestaltung Ethylenglykol. Wie sich nämlich herausgestellt hat, weist ein derartiges Wärmeträger­ medium einen besonders niedrigen Stockpunkt und eine beson­ ders niedrige Viskosität auf. Ein Ethylenglykol umfassendes Wärmeträgermedium, das beispielsweise aus einer Mischung von Ethylenglykol und Wasser im Mischungsverhältnis 1 : 1 bestehen kann, ist zudem unbrennbar. Die Bildung eines zündfähigen Gasgemisches im Bereich des Luftansaugkanals der Gasturbine, beispielsweise bei Leckagen, ist somit sicher vermieden.

Bezüglich der Gas- und Dampfturbinenanlage wird die genannte Aufgabe dadurch gelöst, daß dem Luftkühler im Zwischenkreis ein zweiter Wärmetauscher nachgeschaltet ist, der primärsei­ tig in einen Kühlwasserstrang geschaltet ist, der an einen dem Wasser-Dampf-Kreislauf zugeordneten Kondensator ange­ schlossen ist.

Bei einer derartigen Anlage ist das Wiederverdampfungssystem für das flüssige Erdgas besonders flexibel einsetzbar, da auch bei verschiedenen Betriebszuständen der Gasturbine die gesamte dem flüssigen Erdgas entzogene Kälte sicher abführbar ist. Auch wenn es, beispielsweise bei niedriger Umgebungstem­ peratur oder beim Anfahren der Gas- und Dampfturbinenanlage, aus thermodynamischen Gründen unmöglich sein sollte, die ge­ samte dem flüssigen Erdgas entzogene Kälte auf die Ansaugluft für die Gasturbine zu übertragen, ist die Restkälte sicher auf das Kühlwasser für den Kondensator übertragbar.

Eine besonders hohe Flexibilität beim Einsatz des Wiederver­ dampfungssystems ist dabei gewährleistet, indem vorteilhaf­ terweise dem zweiten Wärmetauscher im Zwischenkreis eine Um­ führungsleitung parallel geschaltet ist. Der zweite Wärmetau­ scher ist somit im Bedarfsfall auf besonders einfache Weise umführbar.

Bezüglich des Verfahrens zum Betreiben der Gasturbinenanlage wird die genannte Aufgabe dadurch gelöst, daß dem flüssigen Erdgas bei seiner Wiederverdampfung entzogene Kälte über ei­ nen einzigen Zwischenkreis auf Ansaugluft für die Gasturbine übertragen wird.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesonde­ re darin, daß durch die Übertragung der dem flüssigen Erdgas bei seiner Wiederverdampfung entzogenen Kälte auf Ansaugluft für die Gasturbine über einen einzigen Zwischenkreis mit be­ sonders einfachen Mitteln ein hoher Wirkungsgrad der Gastur­ binenanlage gewährleistet ist. Durch die Integration des in den Zwischenkreis geschalteten, der Gasturbine zugeordneten Luftkühlers in deren Filterhaus ist zudem eine besonders kom­ pakte Anordnung der Komponenten ermöglicht, wobei die erfor­ derlichen Modifikationen an sonstigen Komponenten der Gastur­ bine nur gering sind. Somit sind auch bereits bestehende Gasturbinenanlagen auf besonders einfache Weise nachrüstbar.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Gas- und Dampfturbinenanlage, deren Gasturbine mit wiederverdampftem flüssigen Erdgas als Brennstoff betreibbar ist, und

Fig. 2 ein der Gasturbine der Gas- und Dampfturbinenanlage gemäß Fig. 1 ansaugluftseitig vorgeschaltetes Fil­ terhaus.

Gleiche Teile sind in beiden Figuren mit denselben Bezugszei­ chen versehen.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Gas- und Dampfturbi­ nenanlage 1 umfaßt eine Gasturbinenanlage 2 mit rauchgassei­ tig nachgeschaltetem Abhitzedampferzeuger 4. Die Gasturbinen­ anlage 2 umfaßt eine Gasturbine 6 mit angekoppeltem Luftver­ dichter 8. Der Gasturbine 6 ist eine Brennkammer 10 vorge­ schaltet, die an eine Frischluftleitung 12 des Luftverdich­ ters 8 angeschlossen ist. Der Luftverdichter 8 ist eingangs­ seitig mit einer Luftansaugleitung 13 verbunden. In die Brennkammer 10 der Gasturbine 6 mündet eine Brennstoffzulei­ tung 14. Die Gasturbine 6 und der Luftverdichter 8 sowie ein Generator 16 sitzen auf einer gemeinsamen Welle 18.

Der der Gasturbine 6 der Gasturbinenanlage 2 rauchgasseitig nachgeschaltete Abhitzedampferzeuger 4 weist eine Heizflä­ chenanordnung 20 auf, die in einen Wasser-Dampf-Kreislauf 22 einer Dampfturbine 24 geschaltet sind. Die Heizflächenanord­ nung 20 umfaßt dabei in nicht näher dargestellter Weise einen Kondensatvorwärmer, einen Niederdruckverdampfer, einen Nie­ derdrucküberhitzer, einen Hochdruckvorwärmer, einen Hoch­ druckverdampfer sowie einen Hochdrucküberhitzer. Die Dampf­ turbine 24 ist im Ausführungsbeispiel ebenfalls auf der Welle 18 angeordnet. Alternativ kann die Dampfturbine 24 aber auch über eine separate Welle mit einem separaten Generator ver­ bunden sein.

Der Dampfturbine 24 ist dampfseitig ein Kondensator 40 nach­ geschaltet, der über eine Kondensat- und Speisewasserleitung 42, in die eine Speisewasserpumpe 44 geschaltet ist, mit der im Abhitzedampferzeuger 4 angeordneten Heizflächenanordnung 20 verbunden ist. Diese ist ausgangsseitig über eine Dampfleitung 46 an die Dampfturbine 24 angeschlossen, so daß ein geschlossener Wasser-Dampf-Kreislauf 22 entsteht.

Die Gasturbine 6 der Gasturbinenanlage 2 ist mit wiederver­ dampftem flüssigem Erdgas E als Brennstoff B betreibbar. Dazu ist in die Brennstoffzuleitung 14 ein erster Wärmetauscher 50 geschaltet. Der erste Wärmetauscher 50 ist primärseitig von einem Wärmeträgermedium W durchströmbar, von dem zur Wieder­ verdampfung Wärme auf das in der Brennstoffzuleitung 14 ge­ führte flüssige Erdgas E übertragbar ist. Die dem flüssigen Erdgas E bei seiner Wiederverdampfung entzogene Kälte ist so­ mit über das Wärmeträgermedium W abführbar.

Der erste Wärmetauscher 50 ist primärseitig über einen einzi­ gen Zwischenkreis 52, in dem das Wärmeträgermedium W geführt ist, mit einem der Gasturbine 6 zugeordneten Luftkühler 54 verbunden. Dem Luftkühler 54 ist im Zwischenkreis 52 ein zweiter Wärmetauscher 56 nachgeschaltet. Das im Zwischenkreis 52 geführte Wärmeträgermedium W ist mittels einer Umwälzpumpe 57 umwälzbar.

Der zweite Wärmetauscher 56 ist primärseitig in einen an den Kondensator 40 angeschlossenen Kühlwasserstrang 58 geschal­ tet. Der Kühlwasserstrang 58 umfaßt einen mit Seewasser als Kühlmedium beaufschlagbaren Hauptstrang 60, an den ein Ne­ benstrang 62 angeschlossen ist. Der zweite Wärmetauscher 56 ist dabei gemeinsam mit einer Hilfspumpe 64 in den Neben­ strang 62 geschaltet. Im Zwischenkreis 52 ist dem zweiten Wärmetauscher 56 eine mit einem Ventil 66 absperrbare Umfüh­ rungsleitung 68 parallel geschaltet.

Als Wärmeträgermedium W ist im Zwischenkreis 52 ein auf Basis von Glykolethern gebildetes Medium geführt. Das Wärmeträger­ medium W umfaßt dabei Ethylenglykol, wobei eine Mischung von Ethylenglykol mit Wasser im Mischungsverhältnis von etwa 1 : 1 vorgesehen ist.

Der an die Luftansaugleitung 13 angeschlossene Luftkühler 54 umfaßt, wie im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 dargestellt, eine Anzahl von in den Zwischenkreis 52 geschalteten Rippen­ rohrwärmeübertragern 70. Diese sind jeweils in einem Luftan­ saugkanal 72 der Gasturbine 6 in Strömungsrichtung der An­ saugluft A gesehen vor deren Luftfiltern 74 angeordnet. Jeder Rippenrohrwärmeübertrager 70 umfaßt eine Anzahl von für den Durchfluß des Wärmeträgermediums W parallel geschalteten Rip­ penrohren 76. Die Rippenrohre 76 sind dabei derart im Luftan­ saugkanal 72 der Gasturbine 6 angeordnet, daß ihre Außenwände mit im Luftansaugkanal 72 strömender Ansaugluft A für die Gasturbine 6 in thermischem Kontakt stehen. Die Rippenrohre 76 und somit auch die durch sie gebildeten Rippenrohrwärme­ übertrager 70 sind dabei in ein der Gasturbine 6 ansaugluft­ seitig vorgeschaltetes Filterhaus 78 integriert.

Beim Betrieb der Gas- und Dampfturbinenanlage 1 wird der Gasturbine 6 flüssiges Erdgas E als Brennstoff B zugeführt. Vor Einleitung in die Brennkammer 10 wird das flüssige Erdgas E wiederverdampft. Dazu wird Wärme von dem im Zwischenkreis 52 geführten Wärmeträgermedium W auf das flüssige Erdgas E übertragen, wobei dem flüssigen Erdgas E Kälte entzogen wird. Diese dem flüssigen Erdgas E bei seiner Verdampfung entzogene Kälte wird zur Kühlung der Ansaugluft A für die Gasturbine 6 verwendet und dazu über den einstufigen Zwischenkreis 52 auf die Ansaugluft A übertragen. Dabei auf die Ansaugluft A mög­ licherweise aus betrieblichen Gründen nicht übertragbare Restkälte wird bedarfsweise über den zweiten Wärmetauscher 56 auf dem Kondensator 40 zuzuführendes Kühlwasser übertragen. Somit ist sichergestellt, daß die dem flüssigen Erdgas E bei seiner Wiederverdampfung entzogene Kälte auch bei verschiede­ nen Betriebszuständen der Gas- und Dampfturbinenanlage 1 si­ cher abführbar ist.

Claims (8)

1. Gasturbinenanlage (2) mit einer mit wiederverdampftem flüssigem Erdgas (E) als Brennstoff (B) betreibbaren Gastur­ bine (6), bei der zur Wiederverdampfung des flüssigen Erdga­ ses ein erster Wärmetauscher (50) in eine an die Gasturbine (6) angeschlossene Brennstoffzuleitung (14) geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Wärmetauscher (50) primärseitig über einen einzigen Zwischen­ kreis (52) mit einem der Gasturbine (6) zugeordneten Luftküh­ ler (54) verbunden ist.

2. Gasturbinenanlage (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftküh­ ler (54) eine Anzahl von in den Zwischenkreis (52) geschalte­ ten Rippenrohrwärmeübertragern (70) umfaßt, die in einem Luftansaugkanal (72) der Gasturbine (6) vor deren Luftfiltern (74) angeordnet sind.

3. Gasturbinenanlage (2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen­ rohrwärmeübertrager (70) in ein der Gasturbine (6) ansaug­ luftseitig vorgeschaltetes Filterhaus (78) integriert sind.

4. Gasturbinenanlage (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Zwischen­ kreis (52) ein auf Basis von Glykolethern gebildetes Wärme­ trägermedium (W) geführt ist.

5. Gasturbinenanlage (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein im Zwi­ schenkreis (52) geführtes Wärmeträgermedium (W) Ethylenglykol umfaßt.

6. Gas- und Dampfturbinenanlage (1) mit einer Gasturbinenan­ lage (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der der Gasturbine (6) rauchgasseitig ein Abhitzedampferzeuger (4) nachgeschaltet ist, dessen Heizflächen (. . .) in den Wasser- Dampf-Kreislauf (20) einer Dampfturbine (21) geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß dem Luftküh­ ler (54) im Zwischenkreis (52) ein zweiter Wärmetauscher (56) nachgeschaltet ist, der primärseitig in einen Kühlwasser­ strang (58) geschaltet ist, der an einen dem Wasser-Dampf- Kreislauf (22) zugeordneten Kondensator (40) angeschlossenen ist.

7. Gas- und Dampfturbinenanlage (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem zweiten Wärmetauscher (56) im Zwischenkreis (52) eine Umführungslei­ tung (68) parallel geschaltet ist.

8. Verfahren zum Betreiben einer Gasturbinenanlage (2) , de­ ren Gasturbine (6) mit wiederverdampftem flüssigem Erdgas (E) als Brennstoff (B) betreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß dem flüssi­ gen Erdgas (E) bei seiner Wiederverdampfung entzogene Kälte über einen einzigen Zwischenkreis (52) auf Ansaugluft (A) für die Gasturbine (6) übertragen wird.