DE2749496A1 - Verfahren zum betreiben einer kombinierten gasturbinen-dampfturbinenanlage mit integriertem brennstoff-teilverbrennungsprozess - Google Patents

Verfahren zum betreiben einer kombinierten gasturbinen-dampfturbinenanlage mit integriertem brennstoff-teilverbrennungsprozess

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Description

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Ke/Ca
4.10.77
BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)
Verfahren zum Betreiben einer kombinierten Gasturbinen-Dampfturbinenanlage mit integriertem Brennstoff-Teilverbrennungsprozess .
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer kombinierten Gasturbinen-Dampfturbinenanlage mit integriertem Brennstoff-Teilverbrennungsprozess, bei dem ein Teil der verdichteten Verbrennungsluft über einen Wärmeaustauscher und einen Booster-Verdichter einem Vergasungsreaktor zugeführt wird, in welchem ein Brennstoff vergast wird, worauf das entstehende Rohgas in einem Kessel abgekühlt wird, gereinigt wird und schliesslich das Reingas der Brennkammer der Gasturbine zugeführt wird, und bei dem ferner im Kessel erzeugter Sattdampf dem Ueberhitzer eines mit dem Abgas der Gasturbine beaufschlagten Abhitze-Dampferzeugers zugeführt wird.
Derartige Verfahren werden angewendet, um Brennstoffe zu erzeugen, die gereinigt, bei Verbrennung den heutigen
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gültigen Vorschriften bezüglich Reinhaltung der Umgebungsluft entsprechen. Hierzu wird schwefelhaltiger Brennstoff, beispielsweise Schweröl, in einem Druckreaktor vergast, wozu ein Teil der im Verdichter der Gasturbinenanlage komprimierten Verbrennungsluft herangezogen wird, und anschliessend in einer Aufbereitungsanlage auf einen hohen Reinheitsgrad gebracht. Die Vergasung ist ein eigentlicher Hochtemperaturprozess, weshalb das Gas vor der Reinigung in mindestens einem Kessel abgekühlt wird, welcher mit vorgewärmtem Speisewasser des Dampfwasserkreislaufes beaufschlagt ist, und in denimittels der dem Gas entzogenen Wärme Sattdampf erzeugt wird, der anschliessend im Abhitze-Dampfkessel auf Frischdampfzustand überhitzt und der Dampfturbine zugeführt wird.
Ein Verfahren der genannten Art ist in der Druckschrift der BBC Brown Boveri Nederland BV Nr. NL-BBN 20IN unter dem Titel "milieuvriendelijke energie-opwekking onder toepassing van vergassing van sterk zwavelhoudende vaste en vloeibare brandstoffen" beschrieben und schematisch dargestellt. Die der verdichteten Verbrennungsluft im Wärmeaustauscher entzogene Wärme wird bei dieser Anlage zu einer bescheidenen Aufheizung des Reingases vor dessen Zufuhr zur Gasturbinen-Brennkammer benutzt. Von Nachteil ist hierbei, dass die relativ geringe Wärmemenge den Grad der Brenngasvorwärmung begrenzt.
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Ein eingangs beschriebenes Verfahren ist auch bekannt geworden aus der Druckschrift ASME Publication 75-GT-73 unter dem Titel "Process Systems for Conversion of Difficult Fuels to Synthetic Fuels for Baseload Gas Turbines". Bei diesem Verfahren wird in einem Luftkühler die zum Booster-Verdichter führende Luft rückgekühlt, wobei die anfallende Wärme nicht wieder in den Kreislauf eingeführt wird und damit als Verlustenergie gilt.
Bei beiden bekannten Lösungen besteht zudem die Möglichkeit, dass der anlässlich der Gasabkühlung erzeugte, unter hohem Druck stehende Sattdampf Feuchtigkeit enthält, die vor dem Eintritt in den Ueberhitzerteil des Abhitze-Dampferzeugers in einem Wasserabscheider abgesondert werden muss. Bei den herrschenden Drücken ist Sattdampftrocknung durch Drosselung von höherem Druck auf Ueberhitzerdruck nicht mehr möglich; es würde dadurch nur noch die Dampffeuchtigkeit erhöht werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu vermeiden sowie den Gesamtwirkungsgrad einer kombinierten Gasturbinen-Dampfturbinenanlage der eingangs genannten Art zu erhöhen.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass der Sattdampf im Wärmeaustauscher getrocknet und vorüberhitzt wird.
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Die Vorteile der Erfindung sind insbesondere darin zu sehen, dass zum einen durch die Rückkühlung der verdichteten Vergasungsluft die Temperaturbeanspruchung am Austritt des Booster-Verdichters auf zulässige Werte begrenzt wird und zum anderen, dass mit dem vorüberhitzten Dampf die Hochdrucktrommel des Abhitze-Dampfkessels und deren Feuchtigkeitsabscheider umgangen werden können. Dadurch, dass nur ein Teil des Dampfturbinen-Arbeitsmittels diese Apparate durchströmen muss, können dieselben mit kleineren Dimensionen und somit billiger ausgeführt werden.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes schematisch dargestellt. Nicht erfindungswesentliche Teile, wie beispielsweise der Booster-Verdichter-Antrieb, die detaillierte Brenngasaufbereitung und die diversen Steuer- und Regelapparate, sind nicht dargestellt. Die Strömungsrichtung der verschiedenen Arbeitsmedien ist mit Pfeilen bezeichnet.
Die Gasturbogruppe des kombinierten Gas-/Dampfturbinen-Kraftwerkes besteht im wesentlichen aus der Gasturbine 1, dem Verdichter 2 und dem Generator 3. Brennluft wird im Verdichter komprimiert und tritt in die Brennkammer 4 ein, die mit Reingas als Brennstoff beaufschlagt ist. Die beim Verbrennungs. prozess anfallenden heissen Gase werden in der Gasturbine 1 unter Abgabe ihrer Energie expandiert; die Abgase geben
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ihre Wärme im Abhitze-Dampferzeuger 5 ab, welcher im gezeigten Beispiel ein Zweidruck-Dampferzeuger ist.
Ein Teil der verdichteten Luft wird vor dem Eintritt in die Brennkammer k abgezweigt, in einem Wärmeaustauscher 6 rückgekühlt, anschliessend in einem Booster-Verdichter 7 auf höheren Druck verdichtet und einem Vergasungsreaktor 8 zugeführt. Die Rückkühlung der verdichteten Luft wird vorgenommen, um die zulässige Materialbeanspruchung an den Austritts-Schaufelreihen des Booster-Verdichters nicht zu überschreiten.
Im Vergasungsreaktor 8 wird mit Hilfe der nunmehr durch die Nachverdichtung heissen Luft ein Brennstoff mit in der Regel hohem Schwefelgehalt, beispielsweise Schweröl oder Kohle, vergast. Nach Durchlaufen dieses Hochtemperaturprozesses gibt das erzeugte Rohgas einen Teil seiner Wärme in einen Kessel 9 ab, einen weiteren Teil in einen] Reingasvorwärmer resp. Rohgaskühler 10. In an sich bekannter Art wird in einer Rohgas-Behandlungsanlage 11 das Rohgas auf einen hohen Reinheitsgrad gebracht, d.h. es wird insbesondere entrusst und entschwefelt. Das Reingas wird anschliessend im Vorwärmer 10 erneut aufgeheizt und der Gasturbinen-Brenn·- kammer H zugeführt.
Die stark vereinfacht dargestellte Dampfturbogruppe besteht
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im wesentlichen aus der Dampfturbine 12 und dem mit ihr gekuppelten Generator 13. Im Kondensator Ik wird der in der Dampfturbine 12 entspannte Dampf kondensiert. Das gebildete Wasser wird von der Kondensatpumpe 15 in den Speisewasserbehälter 16 und von dort aus von der Niederdruck-Speisepumpe 17 in den Niederdruckvorwärmer 18 des Abhitze-Dampferzeugers 5 gefördert. Anschliessend gelangt es in die Niederdruck-Trommel 19. Ein erster Teil des vorgewärmten Speisewassers wird im Niederdruck-Verdampfer 20 umgewandelt und als Sattdampf über die Niederdruck-Trommel 19 teilweise dem Speisewasserbehälter 16 zur Vorwärmung und Entgasung des Speisewassers zugeleitet, teilweise der Rohgas-Behandlungsanlage 11 zugeführt. In letzterer wird der Sattdampf unter anderem zur Entrussung und Entschwefelung des Rohgases verwendet. Das dabei anfallende Kondensat wird über eine Rückführpumpe 21 wieder in die Niederdruck-Trommel 19 gefördert. Ein zweiter Teil des vorgewärmten Speisewassers wird über die Hochdruck-Speisepumpe 22 in den Hochdruck-Vorwärmer 23 des Abhitze-Dampferzeugers 5 und von dort in die Hochdruck-Trommel 2k gefördert. Im Hochdruck-Verdampfer
25 wird diese Menge im Zwangsumlauf verdampft. Sie wird in dem der Hochdruck-Trommel 2k nachgeschalteten Ueberhitzer
26 auf Frischdampfzustand gebracht und dann der Dampfturbine 12 zugeführt, in welcher funter Abgabe seiner Energie entspannt wird.
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Der dritte Teil des vorgewärmten Speisewasser wird von der Druckerhöhungspumpe 27 in den Kessel 9 der Rohgasanlage gefördert. Die Druckerhöhung geschieht in dem Masse, dass der im Kessel erzeugte Hochdruck-Sattdampf unter Berücksichtigung aller anschliessenden Druckverluste einen Druck aufweist, der zumindest annäherd dem Dampfdruck nach dem Hochdruck-Verdampfer 25 entspricht. Aus der Sattdampftrommel 28 des Kessels 9 gelangt der Dampf in den Ueberhitzer 26 des Zweidruck-Dampferzeugers, in dem er, zusammen mit der Dampfmenge aus der Hochdruck-Trommel 24, auf Frischdampfzustand überhitzt wird.
Soweit sind Anlagen und Verfahren zu deren Betrieb bekannt. Hochdruck-Sattdampf aus einer Dampftrommel enthält jedoch Feuchte. Diese muss in einem Wasserabscheider vor dem Eintritt in den Ueberhitzer 26 entfernt werden, was in der Regel in einem Abscheider, eingebaut in der Hochdruck-Trommel 24 geschieht.
Erfindungsgemäss durchströmt nun der Hochdruck-Sattdampf zunächst den Wärmeaustauscher 6 und wird dort durch die der verdichteten Verbrennungsluft entzogene Wärme getrocknet und leicht überhitzt. Der Wärmeaustauscher 6 erfüllt demnach die Funktionen eines Luftkühlers und eines Dampftrockners und -Vorüberhitzers. Der leicht überhitzte Dampf gelangt anschliessend direkt in den Ueberhitzer 26. Ein beträchtlicher Teil des Dampfturbinen-Arbeitsmittels durch-
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strömt demnach nicht die Hochdruck-Trommel 2k, wodurch diese wesentlich kleiner dimensioniert werden kann, d.h. sie muss lediglich für die Aufnahme des Hochdruck-Speisewassers und den im Hochdruck-Verdampfer 25 erzeugten Dampf ausgelegt sein. Dies ist insbesondere günstig, wenn die ganze Anlage nur mit Teillast betrieben wird, sowie im Fall, dass der Kessel 9 ausser Betrieb ist und die Gasturbinenanlage mit Fremdbrennstoff gefahren wird.
Zum besseren Verständnis wird das Verfahren anhand eines Zahlenbeispiels erläutert. Es versteht sich, dass im vorliegenden Rahmen auf die Bekanntgabe von allen, den Berechnungen zugrundeliegenden Absolutwerten verzichtet wird, da diese wegen ihrer Abhängigkeit von allzu zahlreichen Parametern ohnehin ungenügende Aussagekraft besitzen.
Unter der Annahme, dass im Verdichter 2 der Gasturbogruppe Umgebungsluft von 15 C angesaugt wird und die Anlage mit Vollast betrieben wird, beträgt die Lufttemperatur nach Verdichter ungefähr 335° C. Zwischen 16 und 20 % dieser verdichteten Luft werden abgezweigt und im Wärmeaustauscher 6 auf 300° C rückgekühlt. Diese Temperatur erlaubt einen ungefährdeten Betrieb des Booster-Verdichters 7. Steht der im Kessel 9 erzeugte Sattdampf unter einem Druck von 50 bar mit der entsprechenden Sattdampftemperatur, so ist bei den gegebenen Luft- und Dampfmengen eine Ueberhitzung des Sattdampfes im Wärmeaustauscher 6 von 7° C erzielbar.
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Diese Werte gelten für den Fall, dass das Mengenverhältnis Kesseldampf zu gesamten}Frischdampf etwa 0,6 beträgt und dass die Gasturbinen- und die Dampfturbinenanlage etwa die gleiche Leistung erbringen.
Die erzielbare Verbesserung des Anlagenwirkungsgrades lässt sich selbstverständlich nicht ohne weiteres zahlenmässig ausdrücken, doch dürfte es dem Fachmann unschwer sein, die Verbesserung gegenüber den bekannten Methoden nachzurechnen.
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Claims (1)

  1. Patentanspruch
    Verfahren zum Betreiben einer kombinierten Gasturbinen-Dampfturbinenanlage mit integriertem Brennstoff-Teilverbrennungsprozess, bei dem ein Teil der verdichteten Verbrennungsluft über einen Wärmeaustauscher und einen Booster-Verdichter einem Verbrennungsreaktor zugeführt wird, in welchem ein Brennstoff vergast wird, worauf das entstehende Rohgas in einem Kessel abgekühlt wird, gereinigt wird und schliesslich das Reingas der Brennkammer der Gasturbine zugeführt wird, und bei dem ferner im Kessel erzeugter Sattdampf dem Ueberhitzer eines vom Abgas der Gasturbine beaufschlagten Abhitze-Dampferzeugers zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Sattdampf im Wärmeaustauscher (6) getrocknet und vorüberhitzt wird.
    BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie.
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    ORIGINAL INSPECTED
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