DE2242301C3 - Vorrichtung zur vorübergehenden Leistungssteigerung einer Gasturbinenanlage in einem Verbundkraftwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur vorübergehenden Leistungssteigerung einer Gasturbinenanlage in einem Verbundkraftwerk mit einem Dampfturbinenkreislauf und einem Gasturbinenkreislauf, in welchen zwischen Verdichter und Gasturbine Dampf aus einer Dampfquelle einspritzbar ist.

Kraftwerke müssen während der Spitzenzeiten in der Lage sein, zusätzliche elektrische Energie zu liefern. Die Turbine und der Dampkessel des Dampfturbinenkreislaufs sind einander angepaßt und für den überwiegend auftretenden Betriebszustand ausgelegt, so daß sie kaum in der Lage sind, in Spitzenzeiten zusätzliche Energie abzugeben. Eine geringfügige Leistungssteigerung läßt sich höchstens erreichen, wenn man vorübergehend von der Entnahme von Hochdruckdampf aus der Hochdruckstufe der Turbine absieht. Diese Maßnahme führt jedoch nur zu einer maximalen Leistungssteigerung der Turbine von unter 10 %.

Auch die Gasturbine im Gasturbinenkreislauf eines Verbundkraftwerkes eignet sich nicht für eine direkte Leistungssteigerung. Eine derartige Leistungssteigerung macht eine Erhöhung der Dimensionen des Kompressorteils der Turbinenanlage oder eine Erhöhung der Eintrittstemperatur erforderlich. Wenn man jedoch mit einem wirtschaftlichen Optimum fahren will, besteht hierbei der Nachteil, daß die Anlage bereits im Normalbetrieb bei einem Maximum seiner beiden 5" Größen arbeitet.

Da eine Erhöhung der Dimensionen des Kompressorteils einer Gasturbinenanlage zur Leistungssteigerung in Spitzenzeiten aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten ausscheidet, ist man dazu übergegangen, Dampf in die Gasturbine zur Leistungssteigerung in Spitzenzeiten einzuspritzen (vgl. US-PS 28 69 323), Der in die Gasturbine eingespritzte Dampf wird in der Regel in Rekuperationskesseln erzeugt (vgl. US-PS 26 78 531, FR-PS 15 30 850 und GB-FS 1143 469). Ferner ist es bekannt (vgl. FR-PS 12 26 255), auch besondere Kessel zu verwenden, welche den in Spitzenzeiten benötigten Dampf zum Einspritzen in die Gasturbinenanlage erzeugen.

Die FR-PS 15 42 479 zeigt beispielsweise ein Verbundkraftwerk aus einer Dampfturbinenanlage und einer Gasturbinenanlage. Die Dampfturbinenanlage weist einen Dampfkessel, eine Dampfturbine und einen von der Dampfturbine angetriebenen elektrischen Generator auf. Die Gasturbinenanlage besitzt einen Verdichter, eine Brennkammer, zwei Gasturbinen und einen von den Gasturbinen angetriebenen elektrischen Generator. Der Brennkammer wird Frischluft, Brennstoff, die Abgase des Kessels und Wasserdampf zugeführt. Die Brennkammer brennt während des gesamten Betriebes des Verbundkraftwerkes und liefert aufgrund der ihr zugeführten Strömungsmedien, wie Frischluft, Brennstoff, Abgas und Wasserdampf ein Heißgas, das die beiden Gasturbinen und damit den mit den Gasturbinen verbundenen Generator antreibt.

Der der Brennkammer zugeführte Wasserdampf kommt aus einer gesonderten Aufbereitungsanlage. Diese besondere Anlage für die Aufbereitung und Zuleitung des Wasserdampfes zur Brennkammer besteht aus einer Ringleitung, einer Einspritzpumpe, einem Wärmetauscher, einem Hilfswärmetauscher in der Brennkammer, einem Reduzierventil, einem Kapillarrohrbündel, einem Entspannungsgefäß, einer Riicklaufleitung und einer Entnahmeleitung, durch welche der Wasserdampf zur Brennkammer geführt wird.

Gesonderte Aufbereitungsanlagen für die Erzeugung und Zuleitung des Wasserdampfes zur Brennkammer sind sehr aufwendig und verursachen sehr hohe Investionskosten. Zu diesen hohen Investionskosten kommen noch die laufenden erheblichen Betriebs- und Wartungskosten dieser gesonderten Aufbereitungsanlagen. Diese hohen Kosten schlagen auf den Preis je Kilowatt durch. Ein Kraftwerk ist vom wirtschaftlichen Standpunkt aus um so interessanter, je niedriger die Investitions-, Betriebs- und Wartungskosten je kW sind Darüberhinaus sind die Kraftwerksanlagen interessant, bei welchen der Wirkungsgrad während der Abgabe von zusätzlicher Energie in Spitzenzeiten im Vergleich zum Normalbetrieb nicht abnimmt.

Es war daher die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, eine Vorrichtung zur vorübergehenden Leistungssteigerung einer Gasturbinenanlage in einem Verbundkraftwerk der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welcher die hohen Investitions-, Betriebsund Wartungskosten einer gesonderten Aufbereitungsanlage für die Erzeugung und Zuleitung des Wasserdampfes zur Gasturbinenanlage zur Erzielung einer Leistungssteigerung in Spitzenzeiten vermieden werden können und bei welcher der Gesanitwirkungsgrad der Kraftwerksanlage auch bei einer Leistungssteigerung während der Spitzenzeiten im wesentlichen erhalten bleibt.

Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß die Dampfquelle ein zum Anfahren des Dampfturbinenkreislaufs verwendeter Hilfskessel ist.

Gemäß der Erfindung wird als Dampfquelle für die Gasturbinenanlage ein Aggregat verwendet, das zum Anlassen des Dampfturbinenkreislaufs dient und ohnehin einen festen Bestandteil einer jeden Kraftwerksanlage darstellt. Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung eines Verbundkraftwerkes mit einem Damplfturbinenkreislauf und einem Gasturbinenkreislauf entfällt die bisher übliche gesonderte Aufbereitungsanlage zur Erzeugung und Zuleitung des Wasserdampfes zur Gasturbinenanlage. Zusätzliche Aggregate für die Einspeisung von Wasserdampf zur Gasturbinenanlage sind daher nicht mehr erforderlich. Durch die Einsparung einer aufwendigen, gesonderten Aufbereitungsanlage zur Erzeugung und Entspeisung von Wasserdampf in die Gasturbinenanlage können die Investitions-, Betriebs- und Wartungskosten eines Verbundkraftwer-

kes erheblich gesenkt werden. Darüberhinaus gestattet die erfindungsgemäße Vorrichtung auch in Spitzenzeiten einen Betrieb, dessen Wirkungsgrad im wesentlichen der gleiche wie in Normalzeiten ist.

Ein besonders einfacher Aufbau und störungsfreier S Betrieb können dadurch erreicht werden, daß der Hilfskessel und die Gasturbinenanlage über eine Leitung miteinander verbunden sind, die als Entspannungseinrichtung einen flach gewalzten Abschnitt aufweist. ίο

Wenn die den Hilfskessel und die Gasturbinenanlage verbindende Leitung direkt in die Brennkammer der Gasturbinenanlage mündet, wird eine weitere Steigerung des Wirkungsgrades erreicht, da ein Zusammenfassen des Wasserdampfes mit anderen der Brennkammer zugeführten Strömungsmedien außerhalb der Brennkammer zu Strömungs- und Wärmeverlusten führen kann.

Im nachstehenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt ein Fließbild eines mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgerüsteten Verbundkraftwerkes mit einem Dampfturbinenkreislauf und einem Gasturbinenkreislauf.

In der Zeichnung stellen die voll ausgezogenen Linien 2$ die Dampfleitungen, die gestrichelten Linien die Wasserleitungen und die strichpunktierten Linien die Gasleitungen dar. Eine Hauptturbine, d. h. die Turbine des Dampfkreislaufs treibt einen Generator 1 an. Die Hauptturbine weist einen Hochdruckteil 2 und einen Niederdruckteil 3 auf. Der Dampf wird nach seiner vollständigen Entspannung in einem Kondensator 4 gekühlt, der einen Kühler 5 besitzt. Das kondensierte Wasser wird mit Hilfe einer Pumpe 6 über einen Wärmetauscher 8 einem Wasserspeicher 7 zugeführt. Der Wärmetauscher 8 wird mit einem der Turbine entnommenen Dampf 9 erwärmt.

Das Wasser wird vom Wasserspeicher 7 mit Hilfe einer Pumpe 10 einem Kessel 11 zugeführt, der vorzugsweise ein Turmkessel ist. Das Wasser wird zunächst in einem Wärmetauscher 12 erwärmt und anschließend in einem Siedekessel 13 verdampft. Der Dampf wird in einem Wärmetauscher 14 überhitzt, bevor er dem Hochdruckteil der Turbine zugeführt wird. Der Dampf wird zwischen den beiden Teilen der Hauptiurbine in einem Wärmetauscher des Turmkessels zwischenerhitzt.

Eine durch den Pfeil 15 dargestellte Leitung führt dem Turmkessel von außen Brennstoff zu. Der Brennstoff kann beispielsweise Heizöl sein, das einem geeigneten Brenner zugeführt wird.

Der Turmkessel erhält gleichzeitig über eine Leitung 16 heiße Gase, die von einer G;asturbine 17 kommen. Diese heißen Gase werden vorher einem Rückgewinnungskessel 18 zugeführt. Aufgrund von Schiebern 19 kann dem Turmkessel bei Stillstand der Gasturbine mit Hilfe eines Gebläses 20 Luft zugeführt werden, die eventuell erhitzt sein kann.

Die Gasturbinenanlage weist in an sich bekannter Weise einen Kompressor 21 und eine Turbine 22 auf. Der Kompressor 21 und die Turbine 22 sind mit einer Brennkammer 23 verbunden, welcher über eine durch den Pfeil 24 dargestellte Leitung flüssiger Brennstoff zugeführt wird.

Wenn die Gasturbine läuft, erzeugt der Rückgewinnungskessel 18 mit Hilfe eines Siedekessels 25 und von Wärmetauschern 26 aus dem vom Speicher 7 kommenden Wasser Dampf, der einerseits einer Turbine 27 und andererseits einer Turbine 29 zugeführt wird. Die Turbine 27 treibt einen zusätzlichen Wechselstromgenerator 28 an, während die Turbine 29 die Pumpe 10 antreibt.

Aufgrund eines Schiebers 30 können die Turbinen 27 und 29 gleichzeitig von einem Hilfskessel 31 gespeist werden, welcher wie der Kessel 18 einen Siedekessel 32 und Wärmetauscher 33 aufweist.

Der Kessel 31 kann über eine Leitung 34 ein in geeigneter Weise gereinigtes Wasser erhalten, das von außen zugeführt wird. Die Leitung 34 kann mit der Ausgangsseite der Pumpe 10 verbunden sein, welche auch sämtliche Kessel mit Wasser speisen kann, das dem Speicher 7 direkt von außen zugeführt worden ist.

Der im Hilfskessel 31 erzeugte Dampf kann gemäß der Erfindung dank eines Schiebers 36 über eine Leitung

35 der Brennkammer 23 zugeführt werden. Der in die Brennkammer 23 eintretende Dampf vermischt sich mit der vom Kompressor 21 kommenden Luft und wird in der Brennkammer 23 überhitzt. Die Luft und der Dampf, die in der Brennkammer 23 erhitzt worden sind, werden in der Turbine 22 gleichzeitig entspannt.

Beim Anfahren des Kraftwerkes ist der Schieber 30 offen und der Schieber 36 geschlossen. Der Hilfskessel 31 liefert aufgrund des durch den Pfeil 38 schematisch dargestellten Brenners die zusätzliche Energie, die für den Antrieb der Turbinen 27 und 29 erforderlich ist. Wenn die Gasturbine angelaufen ist, kann der die Turbinen 27 und 29 antreibende Dampf vom Rückgewinnungskessel 18 geliefert werden. Der Hilfskessel 31 kann daraufhin abgeschaltet werden. Während der Spitzenzeiten wird der Hilfskessel 31 wieder eingeschaltet, der Schieber 30 wird geschlossen und der Schieber

36 geöffnet, damit der im Hilfskessel 31 entstehende Dampf der Brennkammer 23 zugeführt werden kann.

Die Leitung 35 weist einen flachgewalzten Abschnitt

37 auf, der eine Entspannungseinrichtung für den der Brennkammer 23 zugeführten Dampf bildet. Diese Anordnung gestattet, die Regelunterschiede zwischen dem Druck am Ausgang des Kompressors und dem Druck des Hilfskessels auszugleichen, der etwas höher ist.

Gemäß der Erfindung konnte beispielsweise die Leistung einer Gasturbine, die normalerweise 65 MW liefert, bis auf 80 MW gesteigert werden. Diese Leistungssteigerung wurde dadurch erzielt, daß 801 Dampf/h mit einem Druck von 30 bar und einer Temperatur von 300° C in die Gasturbine eingespritzt wurden. Die Gesamtleistung an den Klemmen des Kraftwerkes steigt von 400 MW auf etwa 420 MW, wobei der Gesamtwirkungsgrad nur von 38,4 % auf 34.8 % abfiel.

Die Erfindung kann für sämtliche Verbundkraftwerke zur Abgabe von Spitzenenergie verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur vorübergehenden Leistungssteigerung einer Gasturbinenanlage in einem Verbundkraftwerk mit einem Dnrnpfturbinenkreislauf und einem Gasturbinenkreislauf, in weichin zwi' sehen Verdichter und Gasturbine Dampf aus einer Dampfquelle einspritzbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfquelle ein zum Anfahren des Dampfturbinenkreislaufs verwendeter Hilfskessel (31) ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfskessel (31) und die Gasturbinenanlage (17) über eine Leitung (35) miteinander verbunden sind, die einen flachgewalzten Abschnitt (37) als Entspannungseinrichtung aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung (35) in die Brennkammer (23) der Gasturbinenanlage (17) mündet. »