DE2444909A1

DE2444909A1 - Verfahren zum betrieb einer gasturbine fuer spitzenlasteinsatz

Info

Publication number: DE2444909A1
Application number: DE19742444909
Authority: DE
Inventors: Theodor Schwarz
Original assignee: Kraftwerk Union AG
Current assignee: Kraftwerk Union AG
Priority date: 1974-09-19
Filing date: 1974-09-19
Publication date: 1976-04-08
Also published as: NL7509492A; DK399775A; LU72873A1; BE833411A

Description

Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine für Spitzenlasteinsatz Bei Verbrennungskraftmaschinen mit verhältnismäßig hohen Abgastemperaturen, beispielsweise bei Gasturbinen, kann ein großer Teil der Abgaswärme in Röhrenwärmetauschern zur Vorwärmung der Verbrennungsluft oder für sonstige Heizzwecke nutzbar gemacht werden. Außer einer Verbesserung der Wärmewirtschaftlichkeit, die hierdurch ermöglicht wird, wirkt sich mit der Einsparung an Brennstoffen auch die niedrigere Temperatur der in die Atmosphäre abströmenden Abgase günstig auf die Umweltbelastung aus.
Die Bemessung solcher Wärmetauscher, d.h. die Festlegung ihres Austauschgrades, ist im wesentlichen mit von dem zu erwartenden Taupunkt der Rauchgase abhängig. Dieser wiederum unterliegt neben dem Schwefelgehalt des Brennstoffes auch verschiedenen anderen Einflüssen. Hierdurch läßt sich bei der Verbrennung von Heizöl der große Säuretaupunktbereich von 800C bis 16000 erklären.
3ei Gasturbinen erfolgt die Verbrennung bei hohem tuftüberschuß.
3 es fb:Y:-% dazu, daß ein Teil des Schwefeldioxyds zu Sckwefeltrioxyd aufoxydiert, was den Taupunkt erheblich anhebt.
Dennoch sind im langjährigen Betrieb einer solchen Anlage, bei welcher die Abgase mit 11000 aus dem Wärmetauscher austreten und an dieser Stelle das Heizwasser mit einer Rücklauftemperatur von 70 cm eintritt, bei Verbrennung von Heizöl keine Tieftemperaturkorrosionen aufgetreten. Die niedrigste Wandtemperatur liegt in diesem Falle infolge der hohen Wärme übergangszahl des Wassers bei etwa 720C. Dieses Temperaturniveau kann also als vertretbare untere Grenze der Wandtemperatur angesehen werden. Dabei ist durchaus denkbar, daß infolge ungleichmäßiger Verteilung der Heizflächen zum Rauchgasstrom ein gelegentlicher Tauniederschlag durch Gasteilströme geringeren Säureanteils wieder aufgetrocknet wird.
Ein solches Auftrocknen kann bei Anlagen, die arbeitetäglich nur zur Deckung des Spitzenlastbedarfes relativ kurz eingesetzt werden, durch die nachfolgende Betriebsunterbrechung unterbunden werden und es müssen daher zur Schonung der Anlage gegen Korrosion während der Stillstandszeiten besondere Maßnahmen getroffen werden. Eine Verringerung des Austauschgrades allein würde im wesentlichen nur eine Steigerung der Abgasaustrittstemperatur zur Folge haben, die Wandtemperatur jedoch nur geringfügig erhöhen. Es müßte also auch das aufzuheizende Medium mit einer höheren Temperatur in die Heizröhren eingeleitet werden, um die Wandtemperatur über den zu erwartenden Rauchgastaupunkt anzuheben. Es kann aber auch zur Senkung des Gehaltes an Schwefeltrioxyd und damit zur Herabsetzung des Rauchgastaupunktes beispielsweise Ammoniak in den Rauchgasstrom eingeleitet werden. Hierdurch wird eine chemische Verbindung der Schwefelsäure ermöglicht, die als harmlos angesehen wird und relativ geringe Kosten verursacht.
Die Erfindung macht sich zur Aufgabe, bei Spitzenlastanlagen nach Beendigung ihres jeweiligen Einsatzes den gegen Daupunkt-Xorresionen gefährdeten Bereich des Abgaswärmetauschers zu schützen. Dabei kommen insbesondere Gasturbinenanlagen in Betracht, deren Verbrennungsluft in Schwachlastzeiten in unterirdischen Speichern gelagert wird.
Gegenüber einer konventionellen Anlage unterscheidet sich eine derartige Sptizenlastanlage insbesondere durch den von der Gasturbine zeitlich getrennten Verdichterbetrieb. Nach Beendigung des Nutzleistungsbetriebes muß das Brennkammersystem zusätzlich mit Druckluft gespült werden, um Brenngasrückstände mit Sicherheit zu entfernen und etwaige Explosionsgefahr bei der Wiederinbetriebnahme zu vermeiden. Außerdem wird hierdurch die Beschaufelung der Turbine gekühlt.
Bei einer Spitzenlastanlage mit Luftspeichern wird ein solches Nachkühlen der Beschaufelung und das Spülen der Brennkammern zweckmäßigerweise für einige Zeit mit Speicherluft vorgenommen. Die Schaltung einer Gasturbinenanlage mit einem Ituftspeicher und mit einer derartigen Spülleitung ist in Figur 1 dargestellt.
Ein von einem Elektromotor 1 angetriebener Verdichter 2 ist über Ventile 3 und 4 mit einem Suftspeicher 5, der ein unterirdischer Luftspeicher sein kann, verbunden. Außerdem besteht über ein Ventil 6 sowie über einen Abgaswärmetauscher 7 und ein als Schnellschlußstellventil ausgebildetes Ventil 8 eine Verbindung zu der Brennkammer 9 einer Gasturbine 10. Über eine Abgasleitung 11 ist die Gasturbine 10 wiederum mit dem Abgaswärmetauscher 7 verbunden, von wo aus die Abgasleitung 11 ins Freie führt. Parallel zu den Ventilen 6 und 8 und zum Abgaswärmetauscher 7 ist eine Umgehungsleitung 12 mit einem eingeschalteten Ventil 13 vorgesehen. Die Umgehungsleitung 12 mündet in die Brennkammer 9 ein.
Nach Beendigung des Nutzlastbetriebes, bei dem die Gasturbine 1D aus dem Buftspeicher 5 gespeist wird, wird zur Spülung der Brennkammer und der Beschaufelung der Gasturbine'mit Kühlluft das Ventil 6 geschlossen und das Ventil 13 in der Umgehungsleitung 12 geöffnet. Die in der Brennkammer 9 und in der Gasturbine 10 erwärmte Kühlluft umströmt die Wärmetauscherrohre des Abgaswärmetauschers 7 und wärmt dabei den kälteren Teil des Wärmetauscher auf. Dieser Aufwärmeffekt ist jedoch infolge der niedrigen Geschwindigkeit und wegen des atmosphärischen Druckes der Kühlluft sehr gering, so daß bei vorherigem Unterschreiten des Taupunktes das AuStrocknen eines vorhandenen Tauniederschlages nicht oder nur sehr unvollkommen erfolgt.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine, insbesondere für Spitzenlasteinsatz, bei dem die Verbrennungsluft in Schwachlastzeiten in Speichern gelagert ist und während des Nutzleistungsbetriebes in Abgaswärmetauschern vorgewärmt dem Brennkammersystem zugeführt wird.
Das Neue besteht dabei darin, daß nach Beendigung des Nutzleistungsbetriebes die für die Nachkühlung der Gasturbine und Durchspülung der Brennkammern erforderliche Luft, bevor sie diesen Anlagenteilen zugeführt wird, mindestens den kälteren Teil des Wärmetauscherröhrenbndels innen in entgegengesetzter Richtung zum Normalbetrieb durchströmt.
Ein Ausführungsbeispiel für eine Schaltung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Figur 2 dargestellt.
Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen wie in Figur 1 versehen. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die aus dem Luftspeicher 5 über das Ventil 4 zu entnehmende Kühlluft über ein Reduzierventil 14 geleitet, das in eine Kühlluft leitung 15 eingeschaltet ist. Die Kühlluftleitung 15 mündet zwischen dem Abgaswärmetauscher 7 und dem diesem nachgeschalteten Ventil 8. Im Gegensatz zu Figur 1 zweigt die Umgehungsleitung 12, die parallel zum Wärmetauscher 7 liegt, nicht vor, sondern hinter dem Ventil 6 ab. Bei geschlossenen Ventilen 6 und 8 und bei geöffnetem Reduzierventil 14 sowie bei geöffnetem Ventil 13 werden die Rohre des Abgaswärmetauschers 7 bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung von der Kühlluft entgegengesetzt zur Strömungsrichtung der Luft bei Nutzleistungsbetri eb durchströmt.
An Hand der Figuren 3a bis 3c läßt sich die Wirkung dieser Maßnahme erkennen. In diesen Figuren und in der Figur 2 ist die bei Nutzleistungsbetrieb als Eintrittsseite der Kühlluft dienende Seite der Wärmetauscherrohre im Abgaswärmetauscher 7 mit A und die Austrittsseite der Kühlluft mit B bezeichnet.
In den Figuren 3a bis 3c ist über die Länge des Abgaswärmetauschers zwischen den Seiten A und B die Temperatur der Wärmetauscherrohre aufgetragen. Figur 3a zeigt die Temperatur der Wärmetauscherrohre unmittelbar nach Beendigung des Nutzleistungsbetriebes. Man sieht, daß die Temperatur auf der Seite A niedrig und auf der Seite B hoch ist und dazwischen etwa geradlinig verläuft. Der Pfeil 16 in den Figuren 3b und 3c kennzeichnet die Temperatur der von der Seite B eintreenden Kühlluft. In Figur 3b sind die Verhältnisse kurz nach Beginn der Kühlung dargestellt. Da die Luft mit wesentlich geringerer Temperatur in die Wärmetauscherrohre des Abgaswärmetauschers 7 einströmt, wärmt sie sich zunächst schnell auf und gibt in der Nähe der Seite A einen Teil der aufgenommenen Wärme wieder an die kältere Seite der Wärmetauscherrohre ab. In Figur 3b zeigt die strichpunktierte Kurve 17 die Temperatur der Wärmetauscherrohre vor Beginn des Kühlbetriebes, die gestrichelte Kurve 18 die Temperatur der Kühlluft und die ausgezogene Kurve 19 die Temperatur der Wärmetauscherrohre zu einem Zeitpunkt kurz nach Beginn des Kühlbetriebes. Nach Beendigung des Kühlbetriebes ergeben sich die in Figur 3c dargestellten Verhältnisse. Aus der Kurve 19 in Figur 3c läßt sich erkennen, daß sich die Temperaturen der Wärmetauscherrohre an den Seiten A und B nahezu ausgeglichen haben. Insbesondere ist die Temperatur der Wärmetauscherrohre an der Seite A erheblich angestiegen. Bei diesem Verfahren wird also Wärme aus dem heißeren Heizflächenteil des Abgaswärmetauschers 7 von der Kühlluft aufgenommen und von ihr beim weiteren Durchströmen an den kälteren Heizflächenteil von innen abgegeben. Infolge des besseren Wärmeüberganges beim Durchströmen der Röhren begünstigt durch den höheren Luftdruck bzw.
der größeren Luftgeschwindigkeit und der gezielten Durchströmung der kälteren Rohrpartien wärmen sich diese schneller auf als bei der Aufwärmung von außen, bei der ja nur ein Teilstrom der Kühlluft wirksam ist.
Durch die Aufwärmung der kälteren Rohrpartien von innen wird außerdem die Temperatur des äußeren Luftstromes erhöht. Dieses begünstigt zusätzlich das Auftrocknen etwaiger Säureniederschläge, so daß durch den Wärmeausgleich innerhalb der durchströmten Wärmeaustauschheizflächen bei längeren Stillstandszeiten die Korrosionsgefahr wirksam herabgesetzt wird.
Liegt die maximale Rohrwandtemperatur des von der Kühlluft durchströmten Wärmetauschers beispielsweise bei 2500C und wäre die minimale Rohrwandtemperatur etwa 800C, würde sich während des Turbinenkühlbetriebes mit einer Speicherlufttemperatur von ca. 500C bei nahezu vollkommenem Temperaturausgleich eine mittlere Rohrwandtemperatur von etwa 11000 einstellen.
Um eine möglichst gleichmäßige Beaufschlagung sämtlicher Röhren des Wärmetauschers durch die Kühlluft zu erzielen, wird zweckmäßigerweise der Druck der Speicherluft vor Eintritt in dieselben durch ein Reduzierventil 14 entsprechend herabgesetzt. Bei höheren Rohrwandendtemperaturen genügt es, nur den kälteren Abschnitt des Röhrensystems im Abgaswarmetauscher mit der Kühlluft zu beaufschlagen, um eine ausreichend hohe Endtemperatur nach Durchströmen der K»iBlluSt zu erreichen.
2 Patentansprüche 3 Figuren

Claims

Patentansgrüche 1. Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine, insbesondere für Spitzenlasteinsatz, bei der die Verbrennungsluft in Schwachlastzeiten in Speichern gelagert ist und während des Nutzleistungsbetriebes in Abgaswärmetauschern vorgewärmt dem Brennkammersystem zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß nach Beendigung des Nutzleistungsbetriebes die für die Nachkühlung der Gasturbine (10) und Durchspülung der Brennkammern (9) erforderliche Luft, bevor sie diesen Anlagenteilen zugeführt wird, mindestens den kälteren Teil des Röhrenbündels des Abgaswärmetauschers (7) innen in entgegengesetzter Richtung zum Nutzleistungsbetrieb durchströmt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühl- und Spülluft Luft aus einem Luftspeicher (5) verwendet wird, die vor dem Eintritt in das Röhrenbündel des Abgaswärmetauschers (7) mittels eines Reduzierventils (14) soweit entspannt wird, daß sämtliche Röhren des Röhrenbündels nahezu gleichmäßig von der als Wärmeträger dienenden Kühl- und Spülluft beaufschlagt werden.