DE19829088A1 - Stromerzeugung in einem Verbundkraftwerk mit einer Gas- und einer Dampfturbine - Google Patents

Stromerzeugung in einem Verbundkraftwerk mit einer Gas- und einer Dampfturbine

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verbundkraftwerk mit einer Gasturbine (1) mit Generator (28) und mit Dampferzeugern (2, 10) für eine Dampfturbine (6) mit Generator (29), wobei das Abgas der Gasturbine (1) einem ersten Abhitzekessel (1) mit Überhitzern (23, 24), Economiser (3), HD-Verdampfer (22) und Zusatzbrenner (27) zugeführt wird und Rauchgase einer thermischen Umwandlungsanlage einem zweiten Abhitzekessel (10) zugeführt werden. DOLLAR A In dem von Rauchgasen durchströmten zweiten Abhitzekessel (10) sind einerseits Hochdruck(HD)-Verdampfer (16) mit einem Tragrohrsystem (13) und HD-Dampftrommel (11), andererseits Niederdruck(ND)-Verdampfer (17) mit einem Tragrohrsystem (14) und ND-Dampftrommel (12) angeordnet. DOLLAR A Der HD-Verdampfer (16) ist über eine Dampfleitung (21) mit den im ersten Abhitzekessel (2) angeordneten ersten (23) und zweiten HD-Dampfüberhitzer (24) verbunden. Zwischen beiden HD-Dampfüberhitzern (23, 24) ist eine HD-Dampftrommel (5) mit Oberflächenkühler (46) angeordnet. Der HD-Dampfüberhitzer (24) ist über eine HD-Dampfleitung (20) und der ND-Verdampfer (17) über eine ND-Dampfleitung (25) mit der Dampfturbine (6) verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verbundkraftwerk mit einer Gasturbine mit Generator und mit Dampferzeugern für eine Mehrdruck-Dampfturbine mit Generator, wobei das Abgas der Gasturbine einem ersten Abhitzekessel mit Heizflächen, zur Speisewasservorwärmung, Dampferzeugung und Dampfüberhitzung zugeführt wird und Rauchgase einer thermischen Umwandlungsanlage einem zweiten Abhitze­ kessel zugeführt werden.
Die Nutzung von niedertemperaturiger Abwärme von Rauchgasen aus thermischen Umwandlungsprozessen zur Stromerzeugung scheiterte bisher an der geringen wirtschaftlichen Effizienz der im Verbund arbeitenden Anlagen.
Die relativ niedrigen und prozeßbedingt stark schwankenden Abgastemperaturen dieser Abwärmequellen ermöglichten bisher nur geringe Dampfparameter. Der elektrische Wirkungsgrad der Stromerzeugung in einem Generator im Zusammenspiel mit einer Dampfturbine wurde durch Maßnahmen zur Erzielung einer geeigneten Dampf­ temperatur der Dampfdruck geprägt.
Aus der DE 195 23 062 A1 ist ein Verbundkraftwerk mit einem Gasturbinenkraftwerk und einem Dampfkraftwerk bekannt.
Bei diesem Verbundkraftwerk mit einem Gasturbinen­ kraftwerk und einem Dampfkraftwerk wird eine Dampf­ turbinenanlage mit dem Dampf eines mit einer Feuerung versehenen Dampferzeugers und/oder dem Dampf eines vom Abgas der Gasturbine durchströmten Abhitzekessels betrieben. Für eine regelbare Vorwärmung der verdich­ teten Verbrennungsluft der Gasturbinenanlage ist ein Wärmeaustauscher vorgesehen. Um das Verbundkraftwerk auch bei Teillastbetrieb besonders wirtschaftlich zu betreiben, ist der Wärmeaustauscher für die Verbrennungsluft der Gasturbinenanlage im Rauchgas­ kanal des Dampferzeugers angeordnet und als Rekupe­ rator ausgebildet, wobei das Rauchgas um und die Verbrennungsluft durch die Rohre des Rekuperators geführt wird. Der Rekuperator ist über ein Drei-Wege- Ventil und eine Nebenleitung an die vom Verdichter zum Gasbrenner der Gasturbinenanlage führende Verbrennungs­ luftleitung angeschlossen.
Aus der bisher unveröffentlichten DE 197 34 862.9 ist ein Wärmekraftwerk mit einer Gasturbine und einem Dampferzeuger für eine Mehrdruck-Dampfturbine bekannt, wobei das Abgas der Gasturbine einem Abhitzekessel zugeführt wird, der zur Erhöhung der HD-Dampfleistung mit einer Zusatzfeuerung ausgestattet ist und welcher der Dampfbildung dienende Wärmetauscher enthält. Um auf wirtschaftliche Weise die Erzeugung von Dampf für eine Mehrdruck-Dampfturbine, insbesondere auch bei schwan­ kender Belastung zu ermöglichen, ist vorgesehen, daß zur Bildung eines Hochdruckdampfs drei hintereinander­ geschaltete HD-Überhitzerstufen mit zwei Einspritz­ kühlern und zur Bildung eines Zwischendruckdampfes (ZD) zwei ZD-Überhitzerstufen mit einer Einspritzkühlung vorgesehen sind. Die Endstufen des HD-Überhitzers bzw. ZD-Überhitzers sind im gleichen Abschnitt des Abhitze­ kessels angeordnet, wobei deren Rohre kammartig abwechselnd nebeneinander liegen. Die erste ZD-Über­ hitzerstufe liegt zwischen oder hinter den beiden ersten HD-Überhitzerstufen. Eine das Abgas der Gas­ turbine nutzende erste Feuerung ist im Bereich der Endstufen der Überhitzer und eine zweite Feuerung ist vor dem HD-Verdampfer angeordnet, wobei die erste Feuerung in Abhängigkeit von der Temperatur des Dampfes am Ausgang der ersten ZD-Überhitzerstufe und die zweite Feuerung druckabhängig von der HD-Belastung geregelt wird.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Strom­ erzeugung in einem Verbundkraftwerk mit einer Gas- und Dampfturbine derart zu gestalten, in dem niedertempera­ turige Abwärme von Rauchgasen aus thermischen Umwand­ lungsprozessen, z. B. Prozeßabgase, aus Müllver­ brennungsanlagen und ähnlichen Prozessen zur Dampf­ erzeugung genutzt und der Gesamtprozess durch Verwertung der Abwärme von Rauchgasen einer verbesserten wirtschaftlichen Nutzung zugeführt wird.
Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst, die Unteransprüche stellen eine vor­ teilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar.
Erfindungsgemäß wird niedertemperaturige Abwärme von Rauchgasen aus thermischen Umwandlungsprozessen, beispielsweise bei der Zement- und Kalksteinerzeugung, bei Eisenerz-Sinteranlagen, bei der Stahlerzeugung, bei der Müllverbrennung u. a. Verfahren zunächst einem sogenannten Prozeß-Abhitzekessel zugeführt, bevor die Rauchgase in eine Reinigungsstufe und danach gereinigt und gekühlt in die Atmosphäre gelangen.
Eine hohe Wärmeausnutzung im Prozeß-Abhitzekessel erfolgt durch Installation eines HD-Verdampfers und eines ND-Verdampfersystems.
Zur Vermeidung von Kondensation werden beide Dampf­ ströme über die Tragrohre der jeweiligen Verdampfer­ systeme geleitet und überhitzt. Dieser überhitzte HD-Dampf wird über eine Verbindungsleitung mit dem im Abhitzekessel auf der Gasturbinen-Abgasseite erzeugten Dampf gemischt.
Beide Dampfmengen werden gemeinsam in den mindestens beiden Überhitzern des Gasturbinen-Abhitzekessels auf die gewünschte Dampftemperatur überhitzt. Über eine Verbindungsleitung gelangt der überhitzte Dampf in die Hochdruckstufe der Dampfturbine.
Der im Prozeßabhitzekessel erzeugte ND-Dampf gelangt über eine ND-Trommel und über die Verbindungsleitungen zu dem Speisewasserbehälter, wo eine thermische Entgasung erfolgt. Der restliche ND-Dampf gelangt über eine Verbindungsleitung zur ND-Stufe der Dampfturbine. Die Überwindung der rauchgasseitigen Druckverluste erfolgt durch das nachgeschaltete prozeßintegrierte Saugzuggebläse.
Die Speisewasservorwärmung erfolgt in einem gemeinsamen Economiser am Ende des Gasturbinen-Abhitzekessels. Über ein Drei-Wege-Ventil werden die Speisewassermengen auf die jeweiligen HD-Trommeln aufgeteilt.
Durch einen außenliegenden Wasser-Wasser-Wärmetauscher wird das Speisewasser durch das vom Kondensator kommende Kondensat soweit abgekühlt, daß mit der dann vorliegenden niedrigen Wassereintrittstemperatur am HD-Economiser eine sehr hohe Abwärmenutzung im Gas­ turbinen-Abhitzekessel möglich ist.
Die Stromerzeugung erfolgt im Generator der Gasturbine mit DLN-Brennkammer und im Generator der Mehrdruck- Dampfturbine.
Bei Ausfall der Gasturbine operiert der Abhitzekessel im sogenannten simulierten Abhitzebetrieb. Ein Frisch­ luftgebläse fördert dann solch eine Luftmenge in den Abhitzekessel, daß die gleiche Abgasmenge wie im Gas­ turbinenbetrieb vorliegt.
Zusatzbrenner am Eingang des Abhitzekessels heizen dabei die kalte Luft soweit auf, daß die geforderten Dampfzustände erreicht werden.
Das erfindungsgemäße Verbundkraftwerk verbindet die Abwärmenutzung auf der Prozeßabgasseite über einen HD- und ND-Verdampfer mit nachfolgender geringer Überhitzung.
Die volle Überhitzung des Dampfes erfolgt auf der Gasturbinen-Abgasseite über einen zweigeteilten Überhitzer sowie einem HD-Verdampfer und einem gemein­ samen HD-Economiser. Der HD-Economiser speist sowohl den HD-Verdampfer auf der Gasturbinen-Abgasseite als auch den HD-Verdampfer auf der Rauchgasseite der thermischen Umwandlungsanlage. Durch eine hohe Abwärmenutzung auf der Gasturbinen-Abgasseite wird eine Stromerzeugung mit insgesamt hohem elektrischen Wirkungsgrad möglich.
Ein Teil des ND-Dampfes dient der thermischen Entgasung, der Rest wird verstromt, wobei der Dampf­ druck und die Dampftemperatur weitestgehend durch die Prozeßgasdaten bestimmt werden.
Die Nachteile bisheriger Anlagenschaltungen ergeben sich aus:
  • - Die Stromerzeugung aus rein niedertemperaturiger Abwärme limitiert den elektrischen Wirkungsgrad,
  • - Durch Zusatzfeuer auf der Rauchgasseite der thermischen Umwandlungsanlage wird eine Erhöhung der Gastemperatur vor dem Abhitzedampferzeuger erreicht, die zu einer höheren Stromerzeugung führt, aber höhere Energieverluste und Abgasverluste nach sich zieht (zusätzliche Rauchgasmenge),
  • - In den meist staubhaltigen Abgasen wird durch hohe Zusatzfeuerungsleistungen der Ascheerweichungspunkt der Staubpartikel erreicht, was zu hohen Verschmut­ zungsproblemen an den Heizflächen führen kann.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verbundkraftwerks lassen sich wie folgt zusammenfassen:
  • - Durch Verschiebung des Zusatzfeuers in eine Gas­ turbine erfolgt eine Steigerung des elektrischen Wirkungsgrades durch die Stromerzeugung der Gas­ turbine, gleichzeitig ermöglicht die hohe Abgas­ temperatur der Gasturbine höhere Heißdampftempe­ raturen und damit zusätzlich eine Steigerung des Wirkungsgrades auf der Dampfturbinenseite,
  • - Hoher Dämpfungsgrad der stark ozillierenden Dampfmenge aus der thermischen Umwandlungsanlage (z. B. prozeßbedingte schwankende Abgastempera­ turen oder Abgasmengen) durch das Dampferzeuger­ system auf der Gasturbinen-Abgasseite,
  • - Die Abgascharakteristik und die hohe Rotordynamik der für solche Kraftwerksprozesse eingesetzten Mehrwellengasturbinen ermöglicht auch bei großen Laständerungen der Gasturbine, mit der entsprechen­ den Regelung, die für die Dampfturbine zulässige Dampftemperatur in sehr engen Grenzen konstant zu halten,
  • - Bei Ausfall oder Stillstand der Prozeßseite (thermische Umwandlungsanlage) ist eine autarke Stromerzeugung über dem Gasturbinen-Abhitzekessel möglich,
  • - Flexible Stromerzeugung durch Einsatz von Mehrwellen- Gasturbinen mit angepaßter elektrischer Leistung an die zu überhitzende Gesamtdampfleistung,
  • - Niedrige NOx-Werte durch Einsatz von Dry-Low-Nox- Brennern in der Gasturbine (z. B. Hybridbrenner mit 13 ppm NOx),
  • - Erweiterung des Anwendungsbereiches bei der thermi­ schen Entsorgung von-Sondermüll, wo in der Regel hohe Prozeßtemperaturen mit geringen Abgasmassenströmen bei hoher Schadstoffbelastung (Vanadium, Chlor und Alkalien) vorherrschen. Aus Materialgründen ist eine hohe Überhitzung auf der Rauchagsseite der thermischen Umwandlungsanlage nicht möglich, dadurch bietet sich eine Verlagerung der Überhitzung auf die Gasturbinen-Abgasseite an,
  • - Keine Limitierung der Dampfparameter durch die Prozeßabgasdaten,
  • - Das Wirkungsgradpotential bei der Stromerzeugung liegt bei ca. 60%,
  • - Da eine prozeßgesteuerte Abwärme aus thermischen Umwandlungsanlagen immer anfällt, wird diese als geschenktes Wärmepotential betrachtet, das einer wirtschaftlichen Nutzung zugeführt wird.
Die Erfindung wird anhand eines schematischen Verfah­ rensschemas näher erläutert, wobei die Stromerzeugung über den Generator (28) der Gasturbine (1) und den Generator (29) der Dampfturbine (6) erfolgt.
Aus einer nicht dargestellten Anlage, beispielsweise einer Kalzinierungsanlage von Kalkstein, einer Erz- Sinteranlage, einer Stahlerzeugungsanlage bzw. einer Müllverbrennungsanlage, wird die niedertemperaturige Abwärme aus der thermischen Umwandlungsanlage in den Prozeßgas-Abhitzekessel (10) geleitet. Eine hohe Wärmeausnutzung erfolgt durch Installation eines HD-Verdampfers (16) und eines ND-Verdampfersystems (17).
Zur Vermeidung von Kodensation werden beide Dampf­ ströme über die Tragrohre (13) und (14) der jeweiligen Verdampfersysteme (16) und (17) leicht überhitzt. Dieser überhitzte HD-Dampf wird über die Verbindungs­ leitung (21) mit dem im Gasturbinen-Abhitzekessel (2) erzeugten Dampf durch den HD-Verdampfer (22) und der HD-Trommel (5) gemischt.
Beide Dampfmengen werden in den beiden Überhitzern (23 und 24) auf die gewünschte Dampftemperatur überhitzt. Über die Verbindungsleitung (20) gelangt der überhitzte Dampf in die Dampfturbine (6).
Der im Prozeß-Abhitzekessel (10) erzeugte Niederdruck­ dampf gelangt über die ND-Trommel (12) und über die Verbindungsleitungen (25) zu dem Speisewasserbehälter (9), wo eine thermische Entgasung erfolgt. Der rest­ liche ND-Dampf gelangt über die Verbindungsleitung (19) zur Dampfturbine (6).
Die Überwindung der rauchgasseitigen Druckverluste für den Prozeß-Abhitzekessel (10) wird problemlos durch das vorhandene, in der thermischen Umwandlungsanlage inte­ grierte Saugzuggebläse (15) übernommen, da bei Abhitze­ betrieb geringere Betriebstemperaturn für das Gebläse vorliegen.
Die Speisewasservorwärmung erfolgt im gemeinsamen Eco­ nomiser (3) auf der Gasturbinen-Abgasseite (2). Über das Drei-Wege-Ventil (26) werden die Speisewasser­ mengen auf die jeweiligen HD-Trommeln (5) und (11) aufgeteilt.
Durch den außenliegenden Wasser-Wasser-Wärmetauscher (8) wird das Speisewasser durch das vom Kondensator (7) kommende Kondensat soweit abgekühlt, daß mit der dann vorliegenden niedrigen Wassereintrittstemperatur am HD-Economiser (3) eine sehr hohe Abwärmenutzung im Gasturbinen-Abhitzekessel (2) möglich ist.
Die Stromerzeugung erfolgt - wie bereits erwähnt - durch einen Generator (28) der Gasturbine (1) sowie den Generator (29) der Dampfturbine (6). Bei Ausfall der Gasturbine (1) operiert der Abhitzekessel (2) im soge­ nannten simulierten Abhitzebetrieb. Ein Frischluftge­ bläse (4) fördert die gleiche Luftmenge über die Leitung (42) in den Abhitzekessel (2) wie im Gasturbinenbetrieb. Ein Zusatzbrenner (27) heizt dabei die kalte Luft mit Erdgas (43) soweit auf, daß die geforderten Dampfzustände für eine effektive Strom­ erzeugung erreicht werden.
Sowohl zwei HD-Speisewasserpumpen (31) als auch zwei ND-Speisewasserpumpen (32) sorgen mit den Leitungen (38) und (39) für die erforderliche Wasserversorgung der beiden HD-Verdampfer (16) und (22) in den Abhitze­ kesseln (2) und (10) und des ND-Verdampfers (17) im Abhitzekessel (10).
Der in der Dampfturbine (6) verbrauchte Dampf fällt als Kondensat an, der in einem Kondensator (7) gekühlt und mittels einer Kondensatpumpe (33) durch die Kondensat­ leitung (34) dem Speisewasserbehälter (9) zugeleitet wird.
Bezugszeichenliste
1
Gasturbine
2
Abhitzekessel (Gasturbinen-Abgasseite)
3
Economiser für Speisewasservorwärmung
4
Frischluftgebläse
5
HD-Dampftrommel
6
Dampfturbine
7
Kondensator
8
Wasser-Wasser-Wärmetauscher
9
Speisewasserbehälter
10
Abhitzekessel hinter thermischer Umwandlungsanlage
11
HD-Dampftrommel
12
ND-Dampftrommel
13
Tragrohre, HD-System
14
Tragrohre, ND-System
15
Saugzuggebläse
16
Hochdruck (HD)-Verdampfer
17
Niederdruck (ND)-Verdampfer
18
ND-Dampfleitung zu
9
19
ND-Dampfleitung zu
6
20
HD-Dampfleitung
21
HD-Dampfleitung
22
HD-Verdampfer
23
Erster HD-Dampfüberhitzer
24
Zweiter HD-Dampfüberhitzer
25
ND-Dampfleitung zu
18
und
19
26
Drei-Wege-Ventil
27
Zusatzbrenner
28
Generator an
1
29
Generator an
6
30
Motor von
4
31
HD-Speisewasserpumpen
32
ND-Speisewasserpumpen
33
Kondensatpumpe
34
Kondenatleitung
35
Rauchgasleitung
36
Filter (Rauchgasreinigung)
37
Abgaskamin
38
HD-Speisewasserleitung
39
ND-Speisewasserleitung
40
HD-Dampfleitung
41
Abgasleitung von
1
42
Luftzuführung
43
Erdgasleitung
44
HD-Speisewasserleitung für
11
45
HD-Speisewasserleitung für
5
46
Oberflächenkühler in
5

Claims (13)

1. Verbundkraftwerk mit einer Gasturbine mit Generator und mit Dampferzeugern für eine Mehrdruck-Dampftur­ bine mit Generator, wobei das Abgas der Gasturbine einem ersten Abhitzekessel mit Heizflächen zur Speisewasservorwärmung, Dampferzeugung und Dampf­ überhitzung zugeführt wird und Rauchgase einer thermischen Umwandlungsanlage einem zweiten Abhitzekessel zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß in dem von Rauchgasen durchströmten zweiten Abhitzekessel (10) einerseits Hochdruck(HD)- Verdampfer (16) mit einem Tragrohrsystem (13) und HD-Dampftrommel (11), andererseits Nieder­ druck(ND)-Verdampfer (17) mit einem Tragrohr­ system (14) und ND-Dampftrommel (12) angeordnet sind,
  • - daß der HD-Verdampfer (16) über eine Dampf­ leitung (21) mit den im ersten Abhitzekessel (2) angeordneten ersten (23) und zweiten HD-Dampf­ überhitzer (24) verbunden ist,
  • - daß der zweite HD-Dampfüberhitzer (24) über eine HD-Dampfleitung (20) mit der Dampfturbine (6) verbunden ist und
  • - daß der ND-Verdampfer (17) über eine ND-Dampf­ leitung (25) ebenfalls mit der Dampfturbine (6) verbunden ist.
2. Verbundkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen erstem (23) und zweitem HD-Dampf­ erhitzer (24) eine HD-Dampftrommel (5) mit einem Oberflächenkühler (46) angeordnet ist.
3. Verbundkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im kühleren Teil des Abhitzekessels (2) eine Economiser (3) zur Speisewasservorwärmung für die beiden Abhitzekessel (2) und (10) angeordnet ist.
4. Verbundkraftwerk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Speisewasserbehälter (9) über eine Speise­ wasserleitung (38) mit den HD-Speisewasserpumpen (31) und dem Economiser (3) verbunden ist.
5. Verbundkraftwerk nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Economiser (3) über die Speisewasserleitung (44) mit der HD-Dampftrommel (11) des Abhitze­ kessels (10) und über die Speisewasserleitung (45) mit der HD-Dampftrommel (5) verbunden ist, wobei die Aufteilung der jeweiligen Speisewassermenge auf die Abhitzekessel (2) und (10) über ein Drei-Wege- Ventil (26) erfolgt.
6. Verbundkraftwerk nach den Ansprüchen 3-5, dadurch gekennzeichnet, daß der Speisewasserbehälter (9) über eine ND-Speisewasserleitung (39) mit den ND-Speise­ wasserpumpen (32) und der. ND-Dampftrommel (12) des Abhitzekessels (10) verbunden ist
7. Verbundkraftwerk nach den Ansprüchen 3-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfturbine (6) und der Speisewasser­ behälter (9) über eine Kondensatleitung (34) mit Kondensator (7) und Kondensatpumpe (33) verbunden sind.
8. Verbundkraftwerk nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kondensatleitung (34) ein Wasser- Wasser-Wärmetauscher (8) angeordnet ist, durch den die HD-Speisewasserleitung (38) geführt wird.
9. Verbundkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Rauchgasleitung (35) nach dem Abhitze­ kessel (10) eine Rauchgasreinigung (36) und ein Saugzuggebläse (15) angeordnet sind.
10. Verbundkraftwerk nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der Rauchgasleitung (35) zwischen den Abhitzekesseln (2) und (10) ein Abgaskamin (37) angeordnet ist.
11. Verbundkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Abgasleitung (41) der Gasturbine (1) am Eintritt des Abhitzekessels (2) ein Zusatzbrenner (27) angeordnet ist.
12. Verbundkraftwerk nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzbrenner (27) über eine Leitung (42) mit dem Frischluftgebläse (4, 30) verbunden ist.
13. Verbundkraftwerk nach den Ansprüchen 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasturbine (1) und der Zusatzbrenner (27) jeweils an eine Erdgasleitung (43) bzw. Ölleitung angeschlossen sind.
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