DE19936655A1 - Gasturbinenanlage mit Brennstoffvorwärmung sowie Kombikraftwerk mit einer solchen Gasturbinenanlage - Google Patents

Gasturbinenanlage mit Brennstoffvorwärmung sowie Kombikraftwerk mit einer solchen Gasturbinenanlage

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Abstract

Bei einer Gasturbinenanlage (11), umfassend eine Turbine (17) sowie eine Brennkammer (15), in welcher ein erster Brennstoff (19) unter Zufuhr von Verbrennungsluft verbrannt wird, und die entstehenden Verbrennungsgase zum Antrieb der Turbine (17) verwendet werden, wobei Mittel (20, 43) vorhanden sind, um den ersten Brennstoff (19) vor der Verbrennung in der Brennkammer (15) vorzuwärmen, wird ein verbesserter Wirkungsgrad auf einfache und kostengünstige Weise dadurch erreicht, dass die Vorwärmmittel einen Brennwertkessel (43) umfassen, welcher mit einem zweiten Brennstoff (44) betrieben wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Gasturbinen. Sie betrifft eine Gasturbinenanlage, umfassend eine Turbine sowie eine Brennkammer, in welcher ein erster Brennstoff unter Zufuhr von Verbrennungsluft verbrannt wird, und die entstehenden Verbrennungsgase zum Antrieb der Turbine verwendet werden, wobei Mittel vorhanden sind, um den ersten Brennstoff vor der Verbren­ nung in der Brennkammer vorzuwärmen. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kom­ bikraftwerk mit einer solchen Gasturbinenanlage, welches Kombikraftwerk eine Dampfturbine sowie einen Abhitzekessel umfasst, durch welchen Abhitzekessel die heissen Abgase der Gasturbinenanlage zur Erzeugung von Dampf für die Dampfturbine geleitet werden.
Eine solche Gasturbinenanlage und ein solches Kombikraftwerk sind z. B. aus der EP-A2-0 391 082 oder der US-A-5,628,183 bekannt.
STAND DER TECHNIK
Moderne Gasturbinenanlagen werden häufig mit einer Brennstoffvorwärmung ausgerüstet, um vorhandene Abwärme zu nutzen oder um den Brennstoff in einen betrieblich zugelassenen Zustand zu bringen. Wenn eine Form von ansonsten nicht nutzbarer Abwärme vorhanden ist (z. B. in einem Kombikraftwerk), kann dies zu einer Wirkungsgradsteigerung führen. Meist werden dazu aber technisch auf­ wendige Wärmeauskopplungen benötigt, die mit geringen Temperaturdifferenzen arbeiten und daher grosse Wärmetauscherflächen benötigen bzw. teuer sind.
Ein aus dem Stand der Technik (EP-A2-0 391 082) bekanntes Kombikraftwerk, bei dem eine Gasturbinenanlage mit Brennstoffvorwärmung durch Kraftwerksab­ wärme vorgesehen ist, ist schematisch in Fig. 1 dargestellt. Das Kombikraftwerk 10 umfasst im wesentlichen eine Gasturbinenanlage 11, einen Abhitzekessel (Heat Recovery Steam Generator HRSG) 33 und eine Dampfturbine 25, die unter­ einander verbunden sind. Die Gasturbinenanlage 11 besteht aus einem Kompres­ sor 14 und einer Turbine 17, die auf einem Rotor 16 angeordnet sind, sowie einer Brennkammer 15. Der Kompressor 14 saugt im Betrieb Luft durch einen Luftein­ lass 12 an, verdichtet sie und gibt die verdichtete Luft an die Brennkammer 15 ab, wo sie als Verbrennungsluft zusammen mit einem flüssigen oder gasförmigen Brennstoff 19, der über eine Brennstoffleitung 19 herangeführt wird, verbrannt wird. Die heissen Verbrennungsgase werden von der Brennkammer 15 in die Tur­ bine 17 geleitet, wo sie den Rotor 16 in Rotation versetzten. Das aus der Turbine 17 austretende Heissgas 18 wird dann zur Erzeugung von Dampf durch den Ab­ hitzekessel 33 geleitet, wo es nacheinander einen Ueberhitzer (superheater) 40, einen Verdampfer (evaporator) 39 und einen Vorwärmer (economizer) 34 um­ strömt und schrittweise Wärme abgibt. Das abgekühlte Gas tritt schliesslich als Abgas 42 aus dem Abhitzekessel 33 aus.
Ueberhitzer 40, Verdampfer 39 und Vorwärmer 34 sind hintereinandergeschaltet Teil eines Wasser-/Dampf-Kreislaufes, in den auch die Dampfturbine 25 einge­ schaltet ist. Der Abdampf aus der Dampfturbine 25 gelangt in einen Kondensator 26 und kondensiert dort. Das Kondensat wird - gegebenenfalls unter Zugabe von Frischwasser 27 - von einer Kondensatpumpe 28 durch eine Speisewasserleitung 29 zu einem Entlüfter (Deaerator) 30 gepumpt. Das entlüftete Kondensat wird dann mittels einer Kesselspeisepumpe 31 als Speisewasser 32 durch den Vor­ wärmer 34, und als Speisedruckwasser 35 über das Ventil 36 zu einer Dampf­ trommel 37 mit dem angeschlossenen Verdampfer 39 gepumpt. Der Dampf ge­ langt dann zum Ueberhitzer 40, wo er überhitzt wird und als überhitzter Dampf 41 schliesslich die Dampfturbine 25 antreibt. Sowohl die Dampfturbine 25 als auch die Gasturbinenanlage 11 treiben jeweils einen Generator 13 bzw. 24 an, der elektrischen Strom erzeugt.
Zur Brennstoffvorwärmung im herkömmlichen Sinn wird nun vor dem Ventil 36 hinter dem Vorwärmer 34 erwärmtes Wasser abgezweigt und über ein erstes Ver­ bindungsrohr 23 zu einem Wärmetauscher 20 geführt, wo es den ebenfalls durch den Wärmetauscher geleiteten Brennstoff 19 vorwärmt. Das aus dem Wärmetau­ scher 20 austretende abgekühlte Wasser wird dann über ein zweites Verbindungs­ rohr 22 zum Entlüfter 30 zurückgeführt, wodurch der Kreislauf geschlossen wird. Wie sich leicht erkennen lässt, müssen der Wärmetauscher 20 ebenso wie die Verbindungsrohre 22 und 23 und die Abzweigungen hinter dem Vorwärmer 34 und am Entlüfter 30 an die Bauart des Kombikraftwerkes 10 angepasst sein, was nicht nur aufwendig ist, sondern auch die Flexibilität bei der Konstruktion einschränkt. Weiterhin ist der Vorwärmprozess durch die Anbindung an den Wasser-/Dampf- Kreislauf mit dem Kraftwerksprozess eng verzahnt, was zu einer vergleichsweise aufwendigen Steuerung führt. Schliesslich ist diese Art der Brennstoffvorwärmung auf Anwendungsfälle begrenzt, bei denen Abwärme überhaupt in geeigneter Form zur Verfügung steht.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Gasturbinenanlage mit Brennstoffvor­ wärmung zu schaffen, die sich kostengünstig und mit standardisierten Kompo­ nenten unabhängig von der übrigen Kraftwerkstechnik aufbauen lässt, und eine deutliche Wirkungsgradsteigerung im Bezug auf den eingesetzten Brennstoff er­ möglicht, sowie ein Kombikraftwerk mit einer solchen Gasturbinenanlage anzuge­ ben.
Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale der Ansprüche 1 und 13 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, die Vorwärmung des Brennstoffes durch eine vollkommen separate Vorwärmeinrichtung vorzunehmen, die hinsicht­ lich der energetischen Effizienz optimiert ist und einen Brennwertkessel umfasst. Unter Brennwertkessel ist dabei ein Kessel zu verstehen, wie er in der modernen Hausheizungstechnik Verwendung findet, und der sich dadurch auszeichnet, dass er auch die in den Abgasen latent enthaltene Kondensationswärme nutzt und so - bezogen auf den üblicherweise verwendeten unteren Heizwert - einen Nutzungsgrad von über 100% (z. B. 109%) erreicht. Der Einsatz eines Brennwertkessels hat verschiedene Vorteile:
  • - Die Lösung ist kostengünstig, da standardisierte Komponenten aus Baurei­ hen mit hoher Stückzahl verwendet werden können (z. B. aus der Gebäude- Heiztechnik).
  • - Die Lösung ist entkoppelt von der Bauart der Gasturbinenanlage und des Kombikraftwerkes und kann auch dort angewendet werden, wo keine Ab­ wärme direkt nutzbar vorhanden ist oder bereits anderweitig genutzt wird (z. B. bei Kraft-Wärmekopplung).
  • - Die Lösung führt zu einer Wirkungsgradsteigerung der Gesamtanlage, da der Brennwert (Heizwert plus Kondensationswärme bzw. oberer Heizwert) des Brennstoffes in einer Gasturbine aufgrund der höheren Abgastemperatur direkt nicht genutzt werden kann. In der beschriebenen Lösung mit Brennwertkessel wird jedoch der Teil des Brennstoffes, der zur Vorwärmung verwendet wird, energetisch besser genutzt, da hier auch die Kondensationswärme des Wassers im Abgas zur Vorwärmung des übrigen Brennstoffes genutzt wird und damit der Gasturbine in Form fühlbarer Wärme zur Verfügung steht.
Eine erste bevorzugte Ausführungsform der Gasturbinenanlage nach der Erfin­ dung ist dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Brennstoffe gleich sind. Hier­ durch ergibt sich die Möglichkeit, auf einfache Weise für die Vorwärmung und den Betrieb der Gasturbine dieselbe Brennstoffversorgung einzusetzen. Die Brenn­ stoffe können dabei entweder beide gasförmig oder flüssig sein.
Es ist aber gemäss einer zweiten bevorzugten Ausführungsform auch denkbar, dass die beiden Brennstoffe unterschiedlich sind, Wobei die beiden Brennstoffe entweder gasförmig oder flüssig sind, oder der eine der beiden Brennstoffe flüssig und der andere gasförmig ist.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Turbine mit einer sequentiellen Verbrennung durch zwei mit Brenn­ stoff betriebene Brennkammern ausgerüstet ist, und dass nur der Brennstoff für eine der beiden Brennkammern vorgewärmt wird.
Noch höher ist der Wirkungsgrad, wenn die Turbine mit einer sequentiellen Ver­ brennung durch zwei mit Brennstoff betriebene Brennkammern ausgerüstet ist, und der Brennstoff für beide Brennkammern vorgewärmt wird, wobei entweder für die Vorwärmung der beiden Brennstoffe derselbe Brennwertkessel verwendet oder zwei separate Brennwertkessel verwendet werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Kombikraftwerks ist dadurch gekennzeichnet, dass für die Vorwärmung des dritten Brennstoffes ein separater Brennwertkessel verwendet wird.
Es ist aber auch denkbar, dass der erste und dritte Brennstoff gleich, insbeson­ dere gasförmig, sind, und dass für die Vorwärmung der beiden Brennstoffe der­ selbe Brennwertkessel verwendet wird.
Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusam­ menhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
Fig. 1 das Schema eines Kombikraftwerkes mit Brennstoffvorwärmung nach dem Stand der Technik;
Fig. 2 ein von der Anlage nach Fig. 1 ausgehendes erstes Ausführungs­ beispiel eines Kombikraftwerkes nach der Erfindung mit Vorwär­ mung des Brennstoffes der Gasturbine in einem Brennwertkessel, der mit einem zweiten Brennstoff betrieben wird;
Fig. 3 ein von der Anlage nach Fig. 2 ausgehendes zweites Ausfüh­ rungsbeispiel eines Kombikraftwerkes nach der Erfindung mit Vorwärmung des Brennstoffes der Gasturbine in einem Brenn­ wertkessel, der mit demselben Brennstoff betrieben wird;
Fig. 4 ein von der Anlage nach Fig. 3 ausgehendes drittes Ausführungs­ beispiel eines Kombikraftwerkes nach der Erfindung mit Vorwär­ mung eines Brennstoffes oder zweier Brennstoffe einer Gastur­ bine mit sequentieller Verbrennung in einem Brennwertkessel, der mit demselben Brennstoff betrieben wird;
Fig. 5 ein von der Anlage nach Fig. 4 ausgehendes viertes Ausführungs­ beispiel eines Kombikraftwerkes nach der Erfindung mit Vorwär­ mung der Brennstoffe einer Gasturbine mit sequentieller Verbren­ nung in zwei separaten Brennwertkesseln;
Fig. 6 ein von der Anlage nach Fig. 2 ausgehendes fünftes Ausfüh­ rungsbeispiel eines Kombikraftwerkes nach der Erfindung mit Vorwärmung des Brennstoffes der Gasturbine und einer Zusatz­ feuerung im Abhitzekessel mittels eines Brennwertkessels; und
Fig. 7 ein von der Anlage nach Fig. 6 ausgehendes sechstes Ausfüh­ rungsbeispiel eines Kombikraftwerkes nach der Erfindung mit Vorwärmung des Brennstoffes der Gasturbine und des Brenn­ stoffes einer Zusatzfeuerung im Abhitzekessel mittels zweier Brennwertkessel.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
In Fig. 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines Kombikraftwerkes nach der Er­ findung mit Vorwärmung des Brennstoffes der Gasturbine in einem Brennwertkes­ sel wiedergegeben. Die Darstellung geht dabei zur Verdeutlichung der Unter­ schiede von einer Anlage aus, wie sie in Fig. 1 als bekannt dargestellt ist. Gleiche Anlagenteile sind dabei auch mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es versteht sich aber von selbst, dass die Erfindung nicht auf diese konkrete Anlagenform be­ schränkt ist, sondern auch in anderen Anlagen eingesetzt werden kann. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 2 wird für die Vorwärmung des Brennstoffes 19, der in der Brennstoffzuleitung 21 der Brennkammer 15 der Gasturbinenanlage 11 zugeführt wird, ein Brennwertkessel 43 eingesetzt, wie er aus der Technik der Ge­ bäudeheizungen bekannt ist. Der Brennwertkessel 43 enthält einen Wärmetau­ scher 46, durch den der Brennstoff 19 strömt. Der Brennwertkessel 43 wird im all­ gemeinsten Fall mit einem zweiten Brennstoff 44 betrieben. Am Ausgang des Brennwertkessels 43 werden dabei Abgase 45 niedriger Temperatur abgegeben. In der Anlage nach Fig. 2 können die beiden Brennstoffe 19 und 44 unterschied­ lich gewählt werden. Insbesondere kann es sich bei den beiden Brennstoffen 19 und 44 um unterschiedliche gasförmige oder unterschiedliche flüssige Brennstoffe handeln, die den jeweiligen Bedingungen optimal angepasst sind. Es ist aber auch denkbar, den einen Brennstoff 19 oder 44 flüssig und den anderen Brennstoff 44 oder 19 gasförmig zu wählen.
Besonders einfach wird die Brennstoffversorgung wenn gemäss Fig. 3 für beide Aufgaben (Brennkammer 15 und Brennwertkessel 43) derselbe Brennstoff ver­ wendet wird. In diesem Fall kann der Brennstoff 44 für den Brennwertkessel 43 beispielsweise über ein Ventil 47 von der Leitung für den Brennstoff 19 abge­ zweigt werden, oder umgekehrt.
Weitere Varianten der Brennstoffvorwärmung ergeben sich, wenn - wie in Fig. 4 und 5 gezeigt - in der Gasturbinenanlage 11 eine sequentielle Verbrennung mit zwei Brennkammern 15 und 48 und zwei Turbinenteilen 171 und 172 eingesetzt wird. Die Vorwärmung kann dann nur für eine der Brennkammern 15, 48 oder für beide durchgeführt werden. Wird nur der Brennstoff 19 der ersten Brennkammer 15 vorgewärmt (Fig. 4 ohne den gestrichelten Teil der Brennstoffzuleitung 49), kann dies in der gleichen Weise geschehen, wie in Fig. 2 oder 3 wiedergegeben, d. h. mit unterschiedlichen oder gleichen flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen 19 und 44. Der Brennstoff 50 für die zweite Brennkammer 48 kann davon unab­ hängig gewählt werden, aber auch identisch mit den anderen Brennstoffen sein. Soll auch der Brennstoff 50 für die zweite Brennkammer 48 vorgewärmt werden, kann dies entweder im selben Brennwertkessel 43 mittels eines zweiten Wärme­ tauschers 52 geschehen (gestrichelt in Fig. 4), oder der Brennstoff 50 wird (bei Verwendung der selben Brennstoffe) hinter dem Brennwertkessel 43 von der Brennstoffzuleitung 21 abgezweigt (nicht in Fig. 4 dargestellt), oder es wird für den Brennstoff 50 - wie in Fig. 5 wiedergegeben - ein separater zweiter Brennwertkes­ sel 53 mit entsprechendem Wärmetauscher 55, Brennstoff 52 und Abgas 54 ver­ wendet.
Weitere Möglichkeiten der Wirkungsgradsteigerung ergeben sich, wenn - wie in Fig. 6 und 7 gezeigt - im Abhitzekessel 33 eine mit einem Brennstoff 58 betriebene Zusatzfeuerung 56 vorgesehen ist. Wenn der Brennstoff 58 derselbe ist wie der Brennstoff 19 für die Gasturbinenanlage 11, kann die Brennstoffzuleitung 59 der Zusatzfeuerung 56 von der Brennstoffzuleitung 21 hinter dem Brennwertkessel 43 abzweigen (Fig. 6). Mittels eines Ventils 57 lässt sich dann das Massenstromver­ hältnis der Brennstoffe 19 und 58 zueinander einstellen. Es ist aber auch denkbar, für die Erwärmung des Brennstoffes 58 einen zweiten Brennwertkessel 53 einzu­ setzen (Fig. 7), wie er bereits im Zusammenhang mit Fig. 5 beschrieben worden ist. Hierdurch ist ein Maximum an Flexibilität bei der Auswahl der Brennstoffe ge­ währleistet.
Insgesamt ergibt sich mit der Erfindung eine kostengünstige und variabel einsetz­ bare Möglichkeit, den Wirkungsgrad einer Gasturbinenanlage bzw. eines Kom­ bikraftwerkes deutlich zu erhöhen.
BEZUGSZEICHENLISTE
10
Kombikraftwerk
11
Gasturbinenanlage
12
Lufteinlass
13
,
24
Generator
14
Kompressor
15
Brennkammer
16
Rotor
17
Turbine
171
,
172
Turbinenteil
18
Heissgas
19
Brennstoff
20
Wärmetauscher
21
Brennstoffzuleitung
22
,
23
Verbindungsrohr
25
Dampfturbine
26
Kondensator
27
Frischwasser
28
Kondensatpumpe
29
Speisewasserleitung
30
Entlüfter
31
Kesselspeisepumpe
32
Speisewasser
33
Abhitzekessel (HRSG)
34
Vorwärmer
35
Speisedruckwasser
36
Ventil
37
Trommel
38
Sattdampf
39
Verdampfer
40
Ueberhitzer
41
überhitzter Dampf
42
,
45
,
54
Abgas
43
,
53
Brennwertkessel
44
,
50
,
52
,
58
Brennstoff
46
,
51
,
55
Wärmetauscher (Brennwertkessel)
47
,
57
Ventil
48
Brennkammer
49
,
59
Brennstoffzuleitung
56
Zusatzfeuerung

Claims (15)

1. Gasturbinenanlage (11), umfassend eine Turbine (17) sowie eine Brenn­ kammer (15), in welcher ein erster Brennstoff (19) unter Zufuhr von Verbren­ nungsluft verbrannt wird, und die entstehenden Verbrennungsgase zum Antrieb der Turbine (17) verwendet werden, wobei Mittel (20, 43) vorhanden sind, um den ersten Brennstoff (19) vor der Verbrennung in der Brennkammer (15) vorzuwär­ men, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorwärmmittel einen Brennwertkessel (43) umfassen, welcher mit einem zweiten Brennstoff (44) betrieben wird.
2. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Brennstoffe (19, 44) gleich sind.
3. Gasturbinenanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Brennstoffe (19, 44) gasförmig sind.
4. Gasturbinenanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Brennstoffe (19, 44) flüssig sind.
5. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Brennstoffe (19, 44) unterschiedlich sind.
6. Gasturbinenanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Brennstoffe (19, 44) gasförmig sind.
7. Gasturbinenanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Brennstoffe (19, 44) flüssig sind.
8. Gasturbinenanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der eine der beiden Brennstoffe (19, 44) flüssig und der andere gasförmig ist.
9. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Turbine (17; 171, 172) mit einer sequentiellen Verbrennung durch zwei mit Brennstoff (19, 50) betriebene Brennkammern (15, 48) ausgerüstet ist, und dass nur der Brennstoff (19 bzw. 50) für eine der beiden Brennkammern (15, 48) vorgewärmt wird.
10. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Turbine (17; 171, 172) mit einer sequentiellen Verbren­ nung durch zwei mit Brennstoff (19, 50) betriebene Brennkammern (15, 48) aus­ gerüstet ist, und dass der Brennstoff (19, 50) für beide Brennkammern (15, 48) vorgewärmt wird.
11. Gasturbinenanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass für die Vorwärmung der beiden Brennstoffe (19, 50) derselbe Brennwertkessel (43) verwendet wird.
12. Gasturbinenanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass für die Vorwärmung der beiden Brennstoffe (19, 50) zwei separate Brennwertkes­ sel (43, 53) verwendet werden.
13. Kombikraftwerk (10) mit einer Gasturbinenanlage (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, welches Kombikraftwerk (10) eine Dampfturbine (25) sowie einen Abhitzekessel (33) umfasst, durch welchen Abhitzekessel (33) die heissen Abgase der Gasturbinenanlage (11) zur Erzeugung von Dampf für die Dampftur­ bine (25) geleitet werden, dadurch gekennzeichnet, dass im Abhitzekessel (33) eine mit einem dritten Brennstoff (58) betriebene Zusatzfeuerung (56) vorgesehen ist, und dass der dritte Brennstoff mittels eines Brennwertkessels (43 bzw. 53) vorgewärmt wird.
14. Kombikraftwerk nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass für die Vorwärmung des dritten Brennstoffes (58) ein separater Brennwertkessel (53) verwendet wird.
15. Kombikraftwerk nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und dritte Brennstoff (19 bzw. 58) gleich, insbesondere gasförmig, sind, und dass für die Vorwärmung der beiden Brennstoffe (19, 58) derselbe Brennwertkes­ sel (43) verwendet wird.
DE1999136655 1999-08-04 1999-08-04 Gasturbinenanlage mit Brennstoffvorwärmung sowie Kombikraftwerk mit einer solchen Gasturbinenanlage Withdrawn DE19936655A1 (de)

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