DE19745272A1 - Gas- und Dampfturbinenanlage und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Anlage - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gas- und Dampfturbinenan­ lage mit einem einer Gasturbine rauchgasseitig nachgeschalte­ ten Abhitzedampferzeuger, dessen Heizflächen in den Wasser- Dampf-Kreislauf einer Dampfturbine geschaltet sind. Sie be­ trifft weiter ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Gas- und Dampfturbinenanlage.

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.

Der im Abhitzedampferzeuger erzeugte Dampf wird der Dampftur­ bine zugeführt, wo er sich arbeitsleistend entspannt. Die Dampfturbine kann dabei eine Anzahl von Druckstufen umfassen, die in ihrer Zahl und Auslegung an die Auslegung des Abhitze­ dampferzeugers angepaßt sind. Der in der Dampfturbine ent­ spannte Dampf wird üblicherweise einem Kondensator zugeführt und kondensiert dort. Das bei der Kondensation des Dampfes entstehende Kondensat wird dem Abhitzedampferzeuger als Spei­ sewasser erneut zugeführt, so daß ein geschlossener Wasser- Dampf-Kreislauf entsteht.

Der Kondensator einer derartigen Gas- und Dampfturbinenanlage ist üblicherweise in der Art eines Wärmetauschers mit einem Kühlmedium beaufschlagbar, das dem Dampf zur Kondensation Wärme entzieht. Als Kühlmedium ist dabei üblicherweise Wasser vorgesehen; alternativ kann der Kondensator aber auch als ein mit Luft als Kühlmedium beaufschlagter Luftkondensator ausge­ bildet sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gas- und Dampfturbinenanlage der obengenannten Art anzugeben, die ei­ nen besonders hohen Anlagenwirkungsgrad aufweist. Zudem soll ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Gas- und Dampf­ turbinenanlage angegeben werden, mit dem ein besonders hoher Anlagenwirkungsgrad erreichbar ist.

Diese Aufgabe wird für eine Gas- und Dampfturbinenanlage der obengenannten Art erfindungsgemäß gelöst, indem ein der Dampfturbine dampfseitig nachgeschalteter Kondensator über der Gasturbine zuzuführende Ansaugluft kühlbar ist.

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, daß für einen be­ sonders hohen Anlagenwirkungsgrad im Anlagenprozeß anfallende Wärme im größtmöglichen Umfang nutzbar gemacht werden sollte. Dabei sollte auch die dem Dampf bei seiner Kondensation ent­ zogene Wärme - zumindest teilweise - in den Anlagenprozeß rückgeführt werden. Aufgrund des Temperaturniveaus des Damp­ fes bei seiner Kondensation von etwa 60°C ist die Überführung der dabei entzogenen Wärme in die der Gasturbine zuzuführende Ansaugluft besonders günstig.

Durch die Vorwärmung der Ansaugluft der Gasturbine verringert sich der der Gasturbine insgesamt pro Zeiteinheit zuführbare Gesamtmassenstrom an Brennstoff-Luft-Gemisch, so daß die durch die Gasturbine maximal erreichbare Leistungsabgabe ge­ ringer ist als beim Verzicht auf die Vorwärmung der Ansaug­ luft. Wie sich allerdings herausgestellt hat, sinkt bei der Vorwärmung der Ansaugluft durch Zuführung der Kondensations­ wärme der Brennstoffverbrauch stärker als die maximal er­ reichbare Leistungsabgabe, so daß der Gesamtwirkungsgrad steigt.

Üblicherweise ist der Gasturbine ein Verdichter zugeordnet, dem die Ansaugluft für die Gasturbine über eine Ansaugluft­ leitung zuführbar ist. In vorteilhafter Weiterbildung ist der Kondensator kühlmittelseitig direkt in diese Ansaugluftlei­ tung geschaltet. Bei einer derartigen Ausgestaltung ist der Kondensator zweckmäßigerweise als Luftkondensator ausgebil­ det, wobei aufgrund der einstufigen Wärmeübertragung vom kon­ densierenden Dampf auf die Ansaugluft Verluste infolge von Umwandlungsprozessen besonders gering gehalten sind.

In alternativer vorteilhafter Weiterbildung ist der Kondensa­ tor kühlmittelseitig über einen Zwischenkühlkreis an einen Wärmetauscher angeschlossen, der seinerseits sekundärseitig in die der Gasturbine vorgeschaltete Ansaugluftleitung ge­ schaltet ist. Bei einer derartigen Anordnung ist der Trans­ port der bei der Kondensation auf ein im Zwischenkühlkreis geführtes Medium übertragenen Wärme auch über große Strecken in vergleichsweise einfacher Weise möglich.

Für eine besonders hohe Flexibilität auch bei verschiedenen Betriebszuständen der Gas- und Dampfturbinenanlage ist der Kondensator vorteilhafterweise wasser-dampfseitig einem der Dampfturbine zugeordneten Hauptkondensator parallel geschal­ tet. Der Kondensator kann dabei in der Art eines Zusatzkon­ densators mit Anzapfdampf aus der Dampfturbine-beaufschlagt sein. In einer derartigen Anordnung ist der Kondensator auf besonders günstige Weise zur Bereitstellung einer schnellen Leistungsreserve nutzbar, die beispielsweise auch in kürzerer Reaktionszeit zur Stützung der Netzfrequenz im von der Gas- und Dampfturbinenanlage bespeisten Stromnetz erforderlich sein kann. Zur Aktivierung der Leistungsreserve wird dabei die Dampfzufuhr zum Kondensator unterbrochen, so daß der ge­ samte Dampfstrom über den Hauptkondensator geführt wird. So­ mit unterbleibt die Vorwärmung der Ansaugluft für die Gastur­ bine, was zu einem raschen Anstieg der von der Gasturbine ge­ lieferten Maximalleistung führt.

Das Dampfmengenverhältnis zwischen den dem Kondensator und dem Hauptkondensator zuzuleitenden Dampfströmen ist zweckmä­ ßigerweise einstellbar, vorzugsweise in Abhängigkeit vom Lastzustand der Gas- und Dampfturbinenanlage. Der über den Hauptkondensator geführte Dampfstrom wird beim Betrieb einer derartigen Anlage in üblicher Weise unter Verwendung eines externen Kühlmittels kondensiert. Durch die Einstellbarkeit des Dampfmengenverhältnisses zwischen den Dampfströmen können dabei die Betriebsparameter des über den Kondensator geführ­ ten Dampfstromes auf besonders einfache Weise annähernd kon­ stant gehalten werden, so daß eine derartige Anlage besonders zuverlässig betreibbar ist. Zudem ist dadurch auch für jeden Betriebszustand der Anlage die Ansaugluft auf die für den je­ weiligen Betriebszustand maximal erreichbare Temperatur vor­ wärmbar.

Zweckmäßigerweise ist dabei dem Hauptkondensator ein Konden­ satvorwärmer nachgeschaltet, wobei aus dem Kondensator ab­ strömendes Kondensat in Strömungsrichtung des Kondensats ge­ sehen nach dem Kondensatvorwärmer in den Wasser-Dampf-Kreis­ lauf der Dampfturbine einspeisbar ist. Somit ist die nach der Kondensation des Dampfes im Kondensat verbliebene Restwärme auf besonders günstige Weise in den Wasser-Dampf-Kreislauf einbringbar.

Bezüglich des Verfahrens zum Betreiben der Gas- und Dampftur­ binenanlage wird die genannte Aufgabe gelöst, indem der Gasturbine zuzuführende Ansaugluft über bei der Kondensation von aus der Dampfturbine abströmendem Dampf entnommene Wärme vorgewärmt wird.

Das bei der Kondensation gewonnene Kondensat wird dabei vor­ teilhafterweise im Wasser-Dampf-Kreislauf der Dampfturbine geführtem vorgewärmtem Kondensat zugemischt.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesonde­ re darin, daß durch die Übertragung der bei der Kondensation des Dampfes entnommenen Wärme auf die Ansaugluft für die Gasturbine diese Wärme für den Anlagenprozeß nutzbar gemacht wird. Eine derartige Gas- und Dampfturbinenanlage weist somit einen besonders hohen Anlagenwirkungsgrad auf. Aufgrund der vergleichsweise geringfügig verminderten maximalen Leistungs­ abgabe der Gasturbine ist ein günstiger Wirkungsgrad der Gas- und Dampfturbine dabei besonders im Teillastbereich der Gasturbine erreichbar.

Wie sich weiterhin herausgestellt hat, weist eine derartige Gas- und Dampfturbinenanlage auch vergleichsweise geringere Schadstoffemissionen auf. Neben anderen Größen ist für die Schadstoffemissionen einer Gas- und Dampfturbinenanlage der sogenannte Umschaltpunkt relevant, der angibt, bei welcher Leistung die Gasturbine vom Diffusionsbetrieb auf den Vor­ mischbetrieb umzustellen ist. Die Gas- und Dampfturbinenanla­ ge mit vorgewärmter Ansaugluft für die Gasturbine weist einen vergleichsweise niedrigeren Umschaltpunkt auf, so daß sie auch bei vergleichsweise niedrigen Lastzuständen im für ge­ ringe Schadstoffemissionen günstigeren Vormischbetrieb be­ treibbar ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeich­ nung näher erläutert. Darin zeigen

Fig. 1 schematisch eine Gas- und Dampfturbinenanlage, und

Fig. 2 schematisch eine alternative Ausführungsform ei­ ner Gas- und Dampfturbinenanlage.

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

Die in den Fig. 1, 2 jeweils schematisch dargestellte Gas- und Dampfturbinenanlage 1 bzw. 1' umfaßt eine Gasturbinenan­ lage 1a und eine Dampfturbinenanlage 1b. Die Gasturbinenanla­ ge 1a umfaßt eine Gasturbine 2 mit angekoppeltem Luftver­ dichter 4. Der Luftverdichter 4 ist eingangsseitig an eine Ansaugluftleitung 5 angeschlossen. Der Gasturbine 2 ist eine Brennkammer 6 vorgeschaltet, die an eine Frischluftleitung 8 des Luftverdichters 4 angeschlossen ist. In die Brennkammer 6 der Gasturbine 2 mündet eine Brennstoffleitung 10. Die Gas­ turbine 2 und der Luftverdichter 4 sowie ein Generator 12 sitzen auf einer gemeinsamen Welle 14.

Die Dampfturbinenanlage 1b umfaßt eine Dampfturbine 20 mit angekoppeltem Generator 22 und in einem Wasser-Dampf-Kreis­ lauf 24 einen der Dampfturbine 20 nachgeschalteten Hauptkon­ densator 26 sowie einen Abhitzedampferzeuger 30. Die Dampf­ turbine 20 besteht aus einer ersten Druckstufe oder einem Hochdruckteil 20a und einer zweiten Druckstufe oder einem Mitteldruckteil 20b sowie einer dritten Druckstufe oder einem Niederdruckteil 20c, die über eine gemeinsam Welle 32 den Ge­ nerator 22 antreiben.

Zum Zuführen von in der Gasturbine 2 entspanntem Arbeitsmit­ tel AM' oder Rauchgas in den Abhitzedampferzeuger 30 ist eine Abgasleitung 34 an einen Eingang 30a des Abhitzedampferzeu­ gers 30 angeschlossen. Das entspannte Arbeitsmittel AM' aus der Gasturbine 2 verläßt den Abhitzedampferzeuger 30 über dessen Ausgang 30b in Richtung auf einen nicht näher darge­ stellten Kamin.

Der Abhitzedampferzeuger 30 umfaßt in einer ersten Druckstufe oder Hochdruckstufe des Wasser-Dampf-Kreislaufs 24 einen Hochdruckvorwärmer oder Economizer 36, der über eine mit ei­ nem Ventil 38 absperrbare Leitung 40 an eine Hochdrucktrommel 42 angeschlossen ist. Die Hochdrucktrommel 42 ist mit einem im Abhitzedampferzeuger 30 angeordneten Hochdruckverdampfer 44 zur Bildung eines Wasser-Dampf-Umlaufs 46 verbunden. Zum Abführen von Frischdampf F ist die Hochdrucktrommel 42 an ei­ nen im Abhitzedampferzeuger 30 angeordneten Hochdrucküberhit­ zer 48 angeschlossen, der ausgangsseitig mit dem Dampfeinlaß 49 des Hochdruckteils 20a der Dampfturbine 20 verbunden ist.

Der Dampfauslaß 50 des Hochdruckteils 20a der Dampfturbine 20 ist über eine Dampfleitung 52 ("kalte ZÜ") mit einem Zwi­ schenüberhitzer 54 verbunden, dessen Ausgang 56 über eine Dampfleitung 58 an den Dampfeinlaß 60 des Mitteldruckteils 20b der Dampfturbine 20 angeschlossen ist. Dessen Dampfauslaß 62 ist über eine Überströmleitung 64 mit dem Dampfeinlaß 66 des Niederdruckteils 20c der Dampfturbine 20 verbunden. Der Dampfauslaß 68 des Niederdruckteils 20c der Dampfturbine 20 ist über eine Dampfleitung 70 an den Hauptkondensator 26 an­ geschlossen. Dieser ist über eine Speisewasserleitung 72, in die eine Speisewasserpumpe 74 und ein Kondensatvorwärmer 76 geschaltet sind, mit dem Economizer 36 verbunden, so daß ein geschlossen Wasser-Dampf-Kreislauf 24 entsteht.

In den Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 1, 2 ist somit lediglich die erste Druckstufe des Wasser-Dampf-Kreislaufs 24 detailliert dargestellt. Im Abhitzedampferzeuger 30 sind je­ doch noch weitere, nicht näher dargestellte Heizflächen ange­ ordneten, die jeweils einer Mittel- oder einer Niederdruck­ stufe des Wasser-Dampf-Kreislaufs 24 zugeordneten sind. Diese Heizflächen sind in geeigneter Weise mit dem Dampfeinlaß 60 des Mitteldruckteils 20b der Dampfturbine 20 oder mit dem Dampfeinlaß 66 des Niederdruckteils 20c der Dampfturbine 20 verbunden.

Die Gas- und Dampfturbinenanlage 1, 1' ist zur Erzielung ei­ nes besonders hohen Wirkungsgrades ausgelegt. Dazu ist ein der Dampfturbine 20 dampfseitig nachgeschalteter, als Zusatz­ kondensator ausgebildeter Kondensator 80 über der Gasturbi­ nenanlage 1a zuzuführende Ansaugluft A kühlbar. Der Kondensa­ tor 80 ist der Dampfturbine 20 über eine mit einem Ventil 82 absperrbare Anzapfdampfleitung 84 nachgeschaltet. Ausgangs­ seitig ist der Kondensator 80 über eine Kondensatorleitung 86 an die Speisewasserleitung 72 angeschlossen, so daß sich eine wasser-dampf-seitige Parallelschaltung des Kondensators 80 zu dem der Dampfturbine 20 zugeordneten Hauptkondensator 26 er­ gibt. Die Kondensatleitung 86 ist dabei mit der Speisewasser­ leitung 72 an einer Einspeisestelle 88 verbunden. Die Ein­ speisestelle 88 ist in Strömungsrichtung des aus dem Haupt­ kondensator 26 abströmenden Kondensators K gesehen hinter dem Kondensatvorwärmer 76 angeordnet. Über das Ventil 82 ist das Dampfmengenverhältnis zwischen dem dem Hauptkondensator 26 zugeleiteten Dampfteilstrom und dem dem Kondensator 80 zuge­ leiteten Dampfteilstrom einstellbar. Durch eine Variation dieses Dampfmengenverhältnisses kann für die jeweils aktuelle Leistungsabgabe der Gas- und Dampfturbinenanlage 1, 1' die Ansaugluft A bis zur maximal erreichbaren Temperatur vorge­ wärmt werden.

Die Gas- und Dampfturbinenanlage 1 gemäß Fig. 1 ist für ei­ nen einstufigen Wärmetausch zwischen dem im Kondensator 80 zu kondensierenden Dampfteilstrom und der der Gasturbinenanlage 1a zuzuführenden Ansaugluft A ausgebildet. Dazu ist als Kon­ densator 80 ein Luftkondensator vorgesehen, der mit Kühlluft als Kühlmedium beaufschlagbar ist. Der Kondensator 80 ist in diesem Fall kühlmittelseitig direkt in die Ansaugluftleitung 5 geschaltet. Bei der Gas- und Dampfturbinenanlage 1 sind die bei der Wärmeübertragung vom im Kondensator 80 kondensieren­ den Dampf auf die Ansaugluft A infolge von Umwandlungsprozes­ sen entstehenden Verluste besonders gering gehalten.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist hingegen eine zwei­ stufige Wärmeübertragung vom im Kondensator 80 zu kondensie­ renden Dampf auf die Ansaugluft A vorgesehen. Dazu ist bei der Gas- und Dampfturbinenanlage 1' gemäß Fig. 2 in die An­ saugluftleitung 5 ein separater Wärmetauscher 90 geschaltet. Der separate Wärmetauscher 90 ist primärseitig an einen Zwi­ schenkreis 92 angeschlossen, mit dem der Kondensator 80 kühl­ mittelseitig verbunden ist. Im Zwischenkreis 92 geführtes Wärmeträgermedium W ist dabei mittels einer in den Zwischen­ kreis 92 geschalteten Umwälzpumpe 94 umwälzbar.

Beim Betrieb der Gas- und Dampfturbinenanlage 1 oder der Gas- und Dampfturbinenanlage 1' wird ein aus dem Niederdruckteil 20c der Dampfturbine 20 entnommener Dampfteilstrom als An­ zapfdampf über den Kondensator 80 geführt. Dieser Dampfteil­ strom wird im Kondensator 80 kondensiert, wobei die den Dampf bei seiner Kondensation entzogene Wärme auf die Ansaugluft A für die Gasturbinenanlage 1a übertragen wird. Das bei der Kondensation des Dampfes im Kondensator 80 gewonnene Konden­ sat wird dem aus dem Hauptkondensator 26 abströmenden, vorge­ wärmten Kondensat K beigemischt.

Durch die Übertragung der dem Dampfteilstrom bei seiner Kon­ densation im Kondensator 80 entzogenen Wärme auf die Ansaug­ luft A für die Gasturbinenanlage 1a wird diese Wärme in den Energieumwandlungsprozeß der Gas- und Dampfturbinenanlage 1 bzw. der Gas- und Dampfturbinenanlage 1' zurückgeführt. Die Gas- und Dampfturbinenanlage 1, 1' weist somit einen beson­ ders hohen Anlagenwirkungsgrad auf. Andererseits bewirkt die Vorwärmung der Ansaugluft A für die Gasturbinenanlage 1a aber auch, daß der Gesamtmassenstrom des der Gasturbine 2 zuführ­ baren Arbeitsmediums AM geringer ist als beim Verzicht auf die Vorwärmung der Ansaugluft A. Die bei Betrieb der Gastur­ bine 2 erreichbare maximale Leistungsabgabe ist somit ver­ gleichsweise geringer. Der Betrieb der Gas- und Dampfturbi­ nenanlage 1, 1' mit Vorwärmung der Ansaugluft A durch Konden­ sation von Anzapfdampf im Kondensator 80 eignet sich somit besonders für den Teillastbereich. Zudem ist bei dieser Be­ triebsart in besonders einfacher Form eine schnelle Lei­ stungsreserve der Gas- und Dampfturbinenanlage 1, 1' gewähr­ leistet, da nämlich bei einer Schnellabschaltung der Vorwär­ mung der Ansaugluft A aufgrund des dann vergleichsweise er­ höhten lieferbaren Gesamtmassenstroms an Arbeitsmedium AM für die Gasturbine 2 eine rasche Erhöhung der Leistungsabgabe der Gasturbine 2 ermöglicht ist.

Claims (8)

1. Gas- und Dampfturbinenanlage (1, 1') mit einem einer Gasturbine (6) rauchgasseitig nachgeschalteten Abhitzedampf­ erzeuger (30), dessen Heizflächen in den Wasser-Dampf-Kreis­ lauf (24) einer Dampfturbine (20) geschaltet sind, wobei ein der Dampfturbine (20) dampfseitig nachgeschalteter Kondensa­ tor (80) über der Gasturbine (2) zuzuführende Ansaugluft (A) kühlbar ist.

2. Gas- und Dampfturbinenanlage (1, 1') nach Anspruch 1, bei der einem der Gasturbine (2) zugeordneten Verdichter eine An­ saugluftleitung (5) vorgeschaltet ist, in die der Kondensator (80) kühlmittelseitig direkt geschaltet ist.

3. Gas- und Dampfturbinenanlage (1, 1') nach Anspruch 1, bei der der (80) Kondensator kühlmittelseitig über einen Zwi­ schenkühlkreis (54) an einen Wärmetauscher (90) angeschlossen ist, der sekundärseitig in eine Ansaugluftleitung (5) ge­ schaltet ist, die einem der Gasturbine (2) zugeordneten Ver­ dichter vorgeschaltet ist.

4. Gas- und Dampfturbinenanlage (1, 1') nach einem der An­ sprüche 1 bis 3, bei der der Kondensator (80) wasser-dampf-seitig einem der Dampfturbine (20) zugeordneten Hauptkonden­ sator (26) parallel geschaltet ist.

5. Gas- und Dampfturbinenanlage (1, 1') nach Anspruch 4, bei der das Dampfmengenverhältnis der dem Kondensator (80) und dem Hauptkondensator (26) zuzuleitenden Dampfströme einstell­ bar ist.

6. Gas- und Dampfturbinenanlage (1, 1') nach Anspruch 4 oder 5, deren Hauptkondensator (26) ein Kondensatvorwärmer (76) nachgeschaltet ist, wobei aus dem Kondensator (80) abströmen­ des Kondensat in Strömungsrichtung von aus dem Hauptkondensa­ tor (26) abströmenden des Kondensats (80) gesehen nach dem Kondensatvorwärmer (76) in den Wasser-Dampf-Kreislauf (24) der Dampfturbine (20) einspeisbar ist.

7. Verfahren zum Betreiben einer Gas- und Dampfturbinenanlage (1, 1') nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Gastur­ bine zuzuführende Ansaugluft (A) über bei der Kondensation von aus der Dampfturbine (20) abströmendem Dampf entnommene Wärme vorgewärmt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das bei der Kondensa­ tion gewonnene Kondensat vorgewärmtem Kondensat zugemischt wird, das im Wasser-Dampf-Kreislauf (24) der Dampfturbine (20) geführt wird.