DE2512774C2

DE2512774C2 - Kombinierte Gas-Dampfturbinenanlage

Info

Publication number: DE2512774C2
Application number: DE2512774A
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz 6840 Lampertheim Schüller
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Priority date: 1975-03-22
Filing date: 1975-03-22
Publication date: 1982-09-02
Also published as: AT352350B; NO760980L; FI760673A; FI58002C; ATA197476A; FI58002B; DK121876A; NL7602877A; DE2512774A1

Description

a) eine bestimmte Mindest-Wärmestromdichte vorliegt, da sonst der Wärme-Verteilungs-Aufwand unwirtschaftlich groß wäre;

b) bei Raumheizung ein Heizwasserumlaufsystem bereits vorhanden ist, oder nachträglich installiert werden könnte.

In vielen Fällen liegen jedoch Verhältnisse vor bzw. sind solche Bedingungen gegeben, daß eine im Wärmebedarf beachtliche Abnehmergruppe nicht über Wärmeträger-Rohrleitungen erreicht werden kann, insbesondere wenn Wirtschaftlichkeits-Überlegungen als Entscheidungs-Kriterien gelten. Die Forderungen des Umweltschutzes und die Forderungen sparsamer Verwendung fossiler Brennstoffe ließen sich bei diesen über Rohrleitungen nicht erreichbaren Abnehmergruppen, z. B. durch elektrische Direktbeheizung, oder durch eine Kombination elektrischer Direkt- und Speicherheizung oder durch eine Kombination elektrischer Direktbeheizung und elektrisch angetriebener Wärmepumpen erreichen.

Deshalb wurde bereits ein Fernwärmesystem vorgeschlagen (Brown Boveri Mitteilungen 6-73, Seite 253 bis 263), bei dem die Abnehmergruppen mit ausreichender Wärmedichte mit Heizwasser (über Rohrleitungen) versorgt werden sollen und die über Rohrleitungen

nicht erreichbaren Abnehmergruppen durch elektrische Direktbeheizung fernversorgt werden. Die elektrische Energie zur Fernwärmeversorgung der nicht über Wärmeträger-Rohrleitungen erreichbaren Abnehmer soll hierbei im Gegendruckbetrieb der Heizkraftwerke erzeugt werden. Für große Agglomerationen wird in der genannten Veröffentlichung die Errichtung von Hochdruckdampfkesseln mit Gegendruckturbogruppen oder Gasturbinenanlage mit Abwärmenutzung vorgeschlagen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Wärmeveriorgungsanlage und zwar eine kombinierte Gas-Dampfturbinenanlage zu schaffen, welche sich besonders gut für die Erreichung der vorstehend angedeuteten Ziele eignet. Insbesondere soll die Anlage eine möglichst hohe Brennstoffausnutzung bei hoher Stromerzeugung ermöglichen.

Die Lösung der vorgenannten Aufgabe wird bei einer kombinierten Gas-Dampfturbinenanlage der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Dampfturbine eine Gegendruck-Heizturbine ist und daß die Erwärmung des größeren Teils des Heizwassers mit dem Gegendruckdampf der Heizturbine in einem ersten Teilstrang erfolgt und daß für die Heizwassererwärmung im Abhitzekessel ein weiterer Teilstrang gebildet ist, der parallel zum ersten Teilstrang geschaltet ist. Die vorstehend vorgeschlagene Aufteilung der Heizwassererwärmung in eine dampfbeheizte Erwärmungsstrecke und eine rauchgasbeheizte Erwärmungsstrecke im Niedertemperaturbereich des Abhitzekessels erlaubt eine weitgehende Ausnutzung der Brennstoffwärme zur Strom- und Wärmeerzeug'ng. Hierbei ist die Stromkennziffer sehr hoch, d. h. es wird ein bemerkenswerter Anteil der Brennstoffwärme in elektrische Leistung umgesetzt. Damit kann ein entsprechend hoher Anteil der über Rohrleitungen nicht wirtschaftlich erreichbaren Wärmeabnehmer aus derselben Anlage mit Heizstrom versorgt werden.

Nach einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung sind für den mit Gegendruckdampf zu erwärmenden Teilstrang des Heizwassers mindestens zwei wasserseitig hintereinander geschaltete Heizwassererwärmer vorgesehen und es ist der Gegendruck an den Entnahmestellen der Heizturbine verschieden hoch und zwar entsprechend den unterschiedlichen Bedarfsdrükken des Heizdampfes für die einzelnen Heizwassererwärmer. Dabei kann die Heizturbine als zweiflutige Gegendruckturbine mit Mitteneinströmung ausgebildet sein. Bei dieser zweistufigen Erwärmung de*, Heizwassers wird eine besonders hohe Stromausbeute des Gegendruckdampfes erreicht.

Um bei Spitzenwärmebedarf Vorlauftemperaturen für das Heizwasser erreichen zu können, die höher sind, als die Auslegungsvorlauftemperatur, kann nach einer Weiterbildung der Erfindung den mit Gegendruckdampf beheizten Heizwassererwärmem wasserseitig mindestens ein weiterer Heizwassererwärmer nachgeschaltet sein, der bei Wärme-Spitzenbedarf vom Frischdampfnetz über eine Reduzierstaticn mit Heizdampf beaufschlagbar ist.

Eine andere Maßnahme zur Erhöhung der Vorlauftemperatur des Heizwassers — die zusätzlich oder anstelle der gerade genannten Maßnahme (aus dem Frischdampfnetz beaufschlagter Heizwasservorwärmer) vorgesehen werden kann — kann nach einer Weiterbildung der Erfindung darin bestehen, daß im Teilstrang des mit Rauchgas erwärmten Heizwassers hinter dem rauchgasbeheizten Heizwassererwärmer eine Abzweigstelle vorgesehen ist, von welcher eine, ein Regelventil enthaltenem Leitung abzweigt, die in den Teilstrang des kalten Rücklaufwassers, an einer vor dem ersten dampfbeheizten Heizwassererwärmer liegenden Stelle mündet

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert

In der Zeichnung bedeutet i in schematischer Darstellung einen Gasturbosatz. Mit 23 ist die Gasturbine bezeichnet, die den Verdichter 22 und den elektrischen Generator 24 antreibt. Außer der fü·· den normalen Betrieb bestimmten Brennkammer 25 ist im Zuge des Abgasstromes der Gasturbine noch eine Hilfsbrennkammer 4 mit zugehörigem Hilfsgebläse 5 vorgesehen.

Mit 2 ist ein dem Gasturbosatz 1 nachgeschalteter Abhitzekessel bezeichnet. In diesem normalerweise unbefeuerten Abhitzekessel wird überhitzter Dampf erzeugt, der entweder ganz oder teilweise über eine Druck- und Temperaturregelstclle 12 direkt über Leitung 50 a!s Fabrikationsdampf abgegeben werden kann, oder ganz oder teilweise als Arbeitsdampf einer Heizturbine 3 ditnt. In der Zeichnung sind mit 26 der Economises mit 27 der Verdampfer und mit 28 der Überhitzer des vor den Abgasen der Gasturbine 23 durchströmten Kessels 2 bezeichnet.

Als Heizturbine 3 ist bei dem gewählten Ausführungsbeispiel eine zweiflutige Turbine mit Mitteneinströmung vorgesehen, die einen elektrischen Generator 14 antreibt.

Mit 19 ist die zu den Verbrauchern führende Vorlaufleitung für das erwärmte Heizwasser und mit 20 die die Pumpe 49 enthaltende Leitung für das kalte Rücklaufwasser bezeichnet. Für den mit Gegendruckdampf zu erwärmenden Teilstrang 31 des Heizwasfers sind bei dem gewählten Ausführungsbeispiel zwei wasserseitig hintereinander geschaltete Heizwassererwärmer 6a, 6ö vorgesehen, denen Gegendruckdampf über die Leitungen 29 bzw. 30 zugeführt wird. Den beiden Heizwassererwärmem 6a, 6b ist wasserseitig ein weiterer Heizwassererwärmer 6c nachgeschaltet, der bei Wärme-Spitzenbedarf vom Frischdampfnetz 32 über eine Reduzierstation 11 mit Heizdampf beaufschlagbar ist. Das Kondensat der Heizwassererwärmer 6a, 66, 6c wird über entsprechende Leitungen 34, 33, 35 bzw. mit Hilfe der Kondensatpumpen 36, 37 einem Entgaser-Mischvorwärmer 7 zugeführt, dem andererseits Dampf, zwecks weiterer Aufwärmung und zwecks Entgasung des Speisewassers, von der Heizturbine 3 über die Leitung 38 zugeleitet wird. Dem Entgaser-Mischvorwärmer 7 kann über eine Leitung 39 bzw. mittels der Pumpe 40 Zusatzwasser zugeführt werden als Ersatz für Wasser, welches im Kreislauf verloren geht, bzw. als Ersatz bei der Aufgabe von Fabrikationsdampf. Mit 61 ist schematisch eine Einrichtung zur chemischen Aufbereitung des Zusatzwassers bezeichnet. Von dem Entgaser-Mischvorwärmer 7 wird das Speisewasser dann über die Leitung 41 bzw. die Speisepumpe 42 dem Abhitzekessel 2 zugeleitet, wodurch der Kreislauf geschlossen ist.

Ein anderer Teilstrang 51 des Heizwassers wird zwecks Erwärmung mit Rauchgas durch den NiedertemDeraturbereich des Abhitzekessels 2 bzw. durch den dort angeordneten Heizwassererwärmer 21 geführt. Mit 43 ist die Abzweigstelle für die beiden Teilstränge bezeichnet und mit 44 die Stelle, an welcher die beiden Teilstränge nach erfolgter Erwärmung des Heizwassers

wieder zusammenfließen. Hinler der Abzweigstelle 43 ist im Strang des kalten Rücklaufwassers eine Regelstelle bzw. ein Regelventil 10 vorgesehen, durch die der Anteil des den dampfbeheizten Heizwassererwärmern 6a, 6ö zugeführten Rücklaufwassers einstellbar ist. Mit 45 ist eine hinter der Regelstelle 10 liegende Rückschlagklappe bezeichnet.

Der rauchgasbeheizte Heizwassererwärmer 21 ist durch eine ein Mischventil 8 enthaltende Leitung 15 ganz oder teilweise umgehbar. Weiter ist im Teilstrang des mit Rauchgas erwärmten Heizwassers hinter dem rauchgasbeheizten Heizwassererwärmer 21 eine Abzweigstelle 16 vorgesehen, von welcher eine ein Regelventil 9 und eine Pumpe 48 enthaltende Leitung 17 abzweigt, die in den Teilstrang des kalten Rücklaufwassers, an einer vor dem ersten dampfbeheizten Heizwasserenvärmcr 6s liegenden. Stelle !S mündet. Mit 47 ist eine in der Vorlaufleitung 19 liegende Meßstelle bezeichnet, an welcher der Istwert der Vorlauftemperatur r_v abgenommen und einem bei 46 angedeuteten Regler eingegeben wird, der durch nicht dargestellte Regelmittel das Regelventil 10 steuert.

Zur Betriebsweise des vorbeschriebenen Gasturbinen-Heizkraftwerkes ist noch folgendes zu sagen:
Im Normalbetrieb wird ein Teil (der größere Teil) des kalten Rücklaufwassers über die Regelstelle 10 den beiden hintereinander geschalteten, dampfbeheizten Oberflächen-Heizwassererwärmern 6a, 6b zugeführt und hier auf die verlangte Vorlauftemperatur /, erwärmt, während der andere Teil des kalten Rücklaufwassers (der kleinere Teil) im Abgasstrom des Abhitzekessels 2 auf die verlangte Vorlauftemperatur erwärmt wird.

Im Auslegungsfall sind keine sonstigen Regeleingriffe notwendig. Die Aufteilung der Heizwassererwärmung auf die zweistufige dampfbeheizte Erwärmung und die rauchgasbeheizte Heizwassererwärmung erfolgt so, daß einerseits der vom Abgas erzeugte Dampf (abzüglich des direkt abgegebenen Fabrikationsdampfes) nach Entspannung in der Heizturbine 3 vollständig zur Heizwassererwärmung genutzt wird, und andererseits die Rest-Abgaswärme, die im Abhitzekessel 2 nicht zur Dampferzeugung genutzt werden kann, bis zur zulässigen Kessel-Abgastemperatur zur Heizwassererwärmung herangezogen wird.

Werden niedrigere Vorlauftemperaturen gewünscht als die Auslegungsvorlauftemperatur (d. h. bei geringerem Wärmebedarf der an das Heizwassernetz angeschlossenen Verbraucher), so wird das Mischventil 8 geöffnet. Bei voller Öffnung dieses Ventils wird der rauchgasbeheizte Heizwassererwärmer 21 ganz umgangen. Sind dagegen höhere Vorlauftemperaturen erforderlich als der Auslegungsvorlauftemperatur entspricht (also wenn die Außentemperatur besonders tief absinkt), so kann ein Teil des bereits in dem rauchgasbeheizten Heizwassererwärmer 21 erwärmten Heizwassers über das Ventil 9 vor den dampfbeheizten

ίο Heizwassererwärmer 6a gebracht werden, wobei dann die Vorlauftemperatur ansteigt und die Leistungserzeugung im Dampfturbosatz bzw. in der Heizturbine 3 entsprechend zurückgeht. Als weitere Maßnahme zur Erhöhung der Vorlauftemperatur dient das bereits

erwähnte Reduzierventil 11. Bei Öffnung dieses Ventils wird ein Teil des Frischdampfes als Heizdampf dem dritten Heizwassererwärmereczugeführt. was mit einer Minderung der Stromerzeugung im Generator 14 des Dampfturbosatzes bzw. der Heizturbine 3 verbunden ist.

Bei extrem hohem Heizwärmebedarf wird die Hilfsbrennkammer 4 in Betrieb genommen. Durch diese zusätzliche Entbindung von Brennstoffwärme steigt die Abgastemperatur vor Eintritt in den Abhitzekessel 2 entsprechend an. Damit steigt auch die Dampfproduktion im Abhitzekessel und es steigt der Dampfdruck bei voll geöffnetem Dampfturbineneinlaßventil. Die Hilfsbrennkammer 4 dient zugleich als Reserve (bei Ausfall der Gasturbine 23).

Die vorerwähnten zusätzlichen Einrichtungen zur Beeinflussung der Vorlauftemperatur t_y können von Hand gesteuert werden. Es ist natürlich ebensogut möglich, auch diese Einrichtungen einem Regler zu unterstellen, der so eingerichtet ist, daß der Sollwert dieses Reglers für die Vorlauftemperatur sich automatisch in Abhängigkeit von der Außentemperatur ändert. Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene bzw. dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt Es sind hiervon verschiedene Abweichungen baulicher und

•40 schaltungstechnischer Art denkbar. So muß die Heizturbine 3 nicht eine zweiflutige Turbine sein; sie könnte auch als einflutige Gegendruckturbine ausgebildet sein. Die Erwärmung des Heizwassers durch Gegendruckdampf könnte auch einstufig ausgeführt werden. Schließlich ist es auch denkbar, für den Gasturbosatz anstelle der gezeigten offenen Gasturbinenanlage eine geschlossene Gasturbinenanlage vorzusehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kombinierte Gas-Dampfturbinenanlage mit einer Gasturbinenanlage, die mit ihren Abgasen einen Abhitzekessel beaufschlagt, in dem der zum Betrieb der Dampfturbine einer Dampfturbinenanlage benötigte Dampf erzeugt wird; und bei der eine Heizwassererwärmung im Niedertemperaturbereich des Abhitzekessels vorgesehen ist, wobei die Turbinen jeweils mit einem elektrischen Generator antreibend verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfturbine eine Gegendruck-Heizturbine (3) ist und daß die Erwärmung des größeren Teils des Heizwassers mit dem Gegendruckdampf der Heizturbine (3) in einem ersten Teilstrang (31) erfolgt und daß für die Heizwassererwärmung im Abhitzel'essel (2) ein weiterer Teilstrang (51) gebildet ist, der parallel zum ersten Teilstrang (31) geschaltet ist.

2. Kombinierte Gas-Dampfturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den mit Gegendruckdampf zu erwärmenden Teilstrang (31) des Heizwassers mindestens zwei wasserseitig hintereinander geschaltete Heizwassererwärmer (6a, 6b) vorgesehen sind, und der Gegendruck an den Entnahmestellen der Heizturbine (3) verschieden hoch ist und zwar entsprechend den unterschiedlichen Bedarfsdi ücken des Heizdampfes für die einzelnen Heizwassererwärmer.

3. Kombinierte Gas-Dampfturbinenanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizturbine (3) als zweiflutige Gegendruckturbine mit Mitteneinströmung ausgebildet ist und die Entnahmestellen für die Versorgung der Heizwassererwärmer (6a, 6b) mit Heizdampf jeweils an den äußeren Enden der Turbinenfluten angeordnet sind.

4. Kombinierte Gas-Dampfturbinenanlage nach Anspruch 2 oder 3. dadurch gekennzeichnet, daß den mit Gegendruckdampf beheizten Heizwassererwärmern (6a, 6b) wasserseitig mindestens ein weiterer Heizwassererwärmer {6c) nachgeschaltet ist, der bei Wärme-Spitzenbedarf vom Frischdampfnetz über eine Reduzierstation (11) mit Heizdampf beaufschlagbar ist.

5. Kombinierte Gas-Dampfturbinenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Teilstrang (31) des kalten Rücklaufwassers ein Regelventil (10) vorgesehen ist, durch das der Anteil des den dampfbeheizten Heizwassererwärmern (6a, 6b) zugeführten Rücklaufwassers einstellbar ist.

6. Kombinierte Gas-Dampfturbinenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine ein Mischventil (8) enthaltende Leitung (15), durch die der rauchgasbeheizte Heizwassererwärmer (21) ganz oder teilweise umgehbar ist.

7. Kombinierte Gas-Dampfturbinenanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Teilstrang (51) des mit Rauchgas erwärmten Heizwas?ers hinter dem rauchgasbeheizten Heizwassererwärmer (21) eine Abzweigstelle (16) vorgesehen ist, von welcher eine, ein Regelventil (9) enthaltende Leitung (17) abzweigt, die in den Teilstrang des kalten Rücklaufwassers, an einer vor dem ersten dampfbeheizten Heizwassererwärmer (6ajliegenden Stelle (18) mündet.

Die Erfindung betrifft eine kombinierte Gas-Dampfturbinenanlage mit einer Gasturbinenanlage, die mit ihren Abgasen einen Abhitzekessel beaufschlagt, in den der zum Betrieb der Dampfturbine einer Dampfturbinenanlage benötigte Dampf erzeugt wird; und bei der eine Heizwassererwärmung im Niedertemperaturbereich des Abhitzekessels vorgesehen ist, wobei die Turbinen jeweils mit einem elektrischen Generator antreibend verbunden sind.

Bei einer bekannten Anlage dieser Art (FR-PS 10 08 187) wird als Dampfturbine eine Kondensationsdampfturbine verwendet, der ein Kondensator nachgeschaltet ist. Die Erwärmung des Heizwassers erfolgt im Abhitzekessel. Dadurch kann das Resttemperaturgefä! Ie der Abgase ausgenutzt werden. Das Heizwasser selbst wird nach seinem Einsatz in einer Heizanlage in den Kondensator der Dampfturbine geleitet. Die Verwendung des Abdampfes der Kondensationsdampfturbine für die Erwärmung von Heizwasser ist nicht vorgesehen und außerdem auch nicht praktikabel, da die Temperatur des Abdampfes der Turbine bei einem angestrebten guten Wirkungsgrad in aller Regel unterhalb von 40 Grad Celsius liegt, was weit unter der Mindesttemperatur von Heizwasser ist, die bei etwa 80 Grau Celsius anzusetzen ist.

Bekannt ist auch ein Gasturbinen-Heizkraftwerk (MTZ, Heft 9, Sept. 1960, Seiten 382 bis 385) mit dem sowohl Strom als auch Heizwasser e>-zeugt werden kann. Des Heizwasser wird in Wärmetauschern erhitzt, die von den Abgasen der Gasturbinen durchströmt werden. Bei Bedarf kann das Heizwasser aber auch in einem Parallelstrang Wärmetauschern zugeführt werden, die von ölgefeuerten oder elektrisch beheizten Hilfskesseln zusätzlich beheizbar sind. Hier liegt folglich eine Kombination einer Gasturbinenanlage mit einer Heizanlage vor, nicht jedoch eine kombinierte Gas-Dampfturbinenanlage.

Bei der Versorgung mit Fernwärme, beispielsweise durch Anlagen der eingangs genannten Art, ist zu beachten, daß über Wärmeträger-Rohrleitungen sich nur Abnehmergruppen anschließen lassen, bei denen