DE3002615A1

DE3002615A1 - Verfahren und einrichtung fuer den teillastbetrieb von kombinierten kraftanlagen

Info

Publication number: DE3002615A1
Application number: DE19803002615
Authority: DE
Inventors: Rolf Dipl.-Ing. Dielsdorf Kehlhofer; Alain Dipl.-Ing. Zürich Plancherel
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1979-12-05
Filing date: 1980-01-25
Publication date: 1981-06-11

Description

Verfahren und Einrichtung für den Teillastbetrieb von
kombinierten Kraft anlagen Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für den Teillastbetrieb einer kombinierten Kraftanlage gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und eine Einrichtung zur DurchfUhrung des Verfahrens.
Derartige Verfahren sind aus DE-OS 28 19 158 sowie aus Brown Boveri-Mitteilungen Nr. 10, Okt. 1978, Band 65, S. 646 ff. bekannt.
Ein Nachteil der kombinierten Gas-/DampSturbinen-Kraftanlagen ist deren schlechter Wirkungsgrad bei Teillastbetrieb. Dies wirkt sich insonderheit in jenen Ländern nachteilig aus, in denen nur kleine oder überhaupt keine Verbundnetze vorhanden sind, wodurch die dort inbetriebgenommenen Kombi-Kraftanlagen an der Frequenzregelung des Netzes teilnehmen müssen.
Eine an einem solchen Stromerzeugungssystem angeschlossene Kombi-Kraftanlage fährt infolgedessen vorwiegend auf Teillast; über weste Strecken ërbringt sie zum möglichen einen um einiges schlechteren Wirkungsgrad, was sich auf die Wirtschaftlichkeit der Kombi-Kraftanlage nachteilig auswirkt.
Bei Teillast rührt der schlechte Wirkungsgrad vom schlechten Teillastverhalten der Gasturbine her.
Verschiedene Massnahmen, die gegenüber dem Brennstoff drosselungsverfahren eine Verbesserung des Wirkungsgrades der Kombi-Kraftanlagen bei Teillastbetrieb anstreben, sind bekannt, nämlich: - Verstellung der Leitschaufeln im Verdichter - Ansaugdrosselung - Rezirkulation der Luft im Verdichter Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde durch geeignete Massnahmen einen höheren Wirkungsgrad der Kombi-Kraftanlage bei Teillastbetrieb gegenüber den obengenannten Verfahren zu erzielen.
Die zur Lösung der gestellten Aufgabe vorgeschlagne Massnahme ist erfindungsgemäss nach Patentanspruch 1 gekennzeichnet.
Die Erfindung betrifft auch eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, wobei die der Erfindung zugrundeliegende Vorerwärmung der Ansaugluft für den Turbinenbetrieb entweder unter Anzapfung von anlage internen Wärmequellen oder unter Ausnützung der kühlungsbedingten Abwärme von Aggregaten der Kombi-Kraftanlage selbst bewerkstelligt wird.
Eine so zustandegekommene Vorerwärmung der Ansaugluft für den Gasturbinenbetrieb beschwert gegenüber dem Brennstoffdrosselungsverfahren nennenswert weder die Betriebskosten (Energiekosten) noch die Anlageinvestitionen (Apparatekosten). Diese Ueberlegungen waren auch für eine weitere Ausgestaltung der Erfindung leitend, wonach die Vorerwärmung der Ansaugluft für den Gasturbinenbetrieb mit der abfallenden Wärme aus dem Betrieb von Drittanlagen erzielt werden kann.
Durch die Vorerwärmung der Ansaugluft verschlechtert sich zwar der Wirkungsgrad der Gasturbine, ihre Abgastemperatur steigt aber an, was zur Folge hat, dass sich der Wirkungsgrad des Dampfkreislaufes derart verbessert, dass global eine Nettoverbesserung des Gesamtwirkungsgrades der Kombi-Kraftanlage daraus resultiert. Da eine Erhöhung der Temperatur der Ansaugluft eine Leistungsreduktion der Kombi-Kraftanlage zur Folge hat, kann dieses Verfahren ohne weiteres zur Lastregelung verwendet werden.
Im folgenden sind anhand der Figuren Ausführungsbeispiele der erfindungsgemässen Vorerwärmung der Ansaugluft für den Gasturbinenbetrieb schematisch dargestellt und näher erläutert. Alle für das Verständnis der Erfindung unwesentlichen Elemente sind nicht dargestellt. Gleiche Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugsziffern versehen.
Es zeigt: Fig. 1 Vorerwärmung der Ansaugluft mit Dampf aus der Vorwärmeschleife des Abhitzekessels, Fig. 2 Vorerwärmung der Ansaugluft mit einem Teil der Abwärme aus den Rauchgasen des Abhitzekessels, Fig. 3 Vorerwärmung der Ansaugluft mit der Abwärme aus der Kühlung der Generatoren der Gasturbine und der Dampfturbine, Fig. 4 Vorerwärmung der Ansaugluft mit der Abwärme aus der Kühlung des Luftkondensators, Fig. 5 Vorerwärmung der Ansaugluft mittels direkter Rezirkulation eines Teiles der Rauchgase aus dem Abhitzekessel in den Verdichter, Fig. 6 Vorerwärmung der Ansaugluft mittels direkter Rezirkulation eines Teiles der Abgase der Gasturbine in den Verdichter, Fig. 7 Vorerwärmung der Ansaugluft mit Dampf aus der Dampfturbine, Fig. 8 Vorerwärmung der Ansaugluft mit abfallender Wärme aus dem Betrieb von Drittanlagen und Fig. 9 Wirkungsgradvergleich zwischen Brennstoffdrosselung und Vorerwärmung der Ansaugluft.
In Fig. 1 ist eine Kombi-Kraftanlage dargestellt, welche dadurch charakterisiert ist, dass die Kombination in einem Zusammenwirken einer Gasturbinenanlage mit einem Dampfturbinenkreislauf besteht. Die Gasturbinenanlage als autonome Einheit besteht im wesentlichen aus einem Verdichter 1, einer mit ihm auf einer gemeinsamen Welle 36 angeordneten Gasturbine 2, einem daran angekuppelten Generator 3 und einer Brennkammer 4. Die vom Verdichter 1 komprimierte Luft gelangt in die Brennkammer 4,,wobei über die Leitung 5 die Brennstoffzufuhr für den Betrieb der Brennkammer 4 beigestellt wird. Das in der Brennkammer 4 aufbereitete Heissgas wird der Gasturbine 2 als Arbeitsmedium zugeführt. Die Abgase 6 der Gasturbine 2 strömen durch einen Abhitzekessel 7 hindurch, in welchem die Restwärme dieser Abgase zur Dampferzeugung für die Beaufschlagung einer Dampfturbine ausgenützt wird.
Beim dargestellten Abhitzekessel 7 handelt es sich um einen Eindruck-Abhitzekessel. Selbstverständlich kann zur besseren Ausnützung der Abgase 6 der Gasturbine 2 ein Mehrdruck-Abhitzekessel eingesetzt werden; mit einem solchen wird die Temperatur der Rauchgase 20 zum Kamin noch weiter herabgesetzt und damit der Wirkungsgrad der Kombi-Kraftanlage gesteigert. Wahlweise kann dem Abhitzekessel 7 eine nicht dargestellte Zusatzfeuerung vorgeschaltet werden, welche die Abgase 6 der Gasturbine 2 auf einem höheren Temperaturniveau aufbereitet.
Im dargestellten Abhitzekessel 7 wird der zur Speisung der Dampfturbine 29 dienende Dampf in drei Stufen 9, 10, 11 erzeugt. Vom Speisewasserbehälter und Entgaser 22 zirkuliert das Speisewasser über die Leitung 14 zum Economizer 9 und nach dessen Durchlauf in die Trommel 16. Von hier gelangt das Speisewasser über die Leitung 17 in den Verdampfer 10, um nach dessen Verlassen als Dampf in die Trommel 16 zurückzuströmen. Von hier durchläuft dann der Dampf über die Leitung 19 die letzte Stufe im Abhitzekessel 7, nämlich den Ueberhitzer 11, um anschliessend die Dampftur- bine 29 zu beaufschlagen. Diese beschriebene Zirkulation, über Economizer 9, Verdampfer 10 und Ueberhitzer 11, wird durch die Umwälzpumpen 15, 18 aufrechterhalten. Ein Generator 30 ist mit der Dampfturbine 29 angekuppelt. Ueber die Abdampfleitung 31 strömt der entspannte Dampf zum Kondensator 32, wobei hierzu als Abkühlungsmedium 35 Wasser oder Luft eingesetzt werden können. Ueber die Leitung 33 strömt das Kondensat zum Speisewasserbehälter und Entgaser 22 zurück, wobei dessen Förderung durch die Kondensatpumpe 34 bewerkstelligt wird. Soweit sind kombinierte Kraftanlagen und Verfahren zu deren Betrieb bekannt.
Gemäss der Erfindung wird nun das Speisewasser mittels Umwälzpumpe 13 vom Speisewasserbehälter und Entgaser 22 über die Leitung 12 zur Vorwärmeschleife 8 gefördert. Im Gegensatz zu den weiteren Ausgestaltungen der Erfindung, wie sie aus Fig. 2 bis 8 hervorgehen, dient diese Schleife nicht nur der Speisewasservorerwärrnung,sondein awh der Vmmrdimmg der Ansaugluft 27 im Wärmeaustauscher 26. Die Temperaturerhöhung der Ansaugluft 27 kann dabei im gewünschten Mass durch ein Regelventil 23 geregelt werden, indem der jeweilige über schüssige vorerwärmte aus der Vorwärmeschleife 8 herströmende Speisewasserdampf über die Leitung 21 va?itig, d.h. vor Durchlauf des Wärmetauschers 26, dem Speisewasserbehälter und Entgaser 22 zurückgeleitet wird.
enn die Durchströmung der Ansaugluft 27 durch den Wärmeaustauscher 26 nicht erwünscht ist, beispielsweise bei Vollastbetrieb der Kombi-Kraftanlage, so kann sie durch die Bypassregelung 28 direkt dem Verdichter 1 zugeleitet werden.
Wie Fig. 2 zeigt, wird der in der Vorwärmeschleife 8 produzierte Dampf, im Gegensatz zu Fig. 1, nicht dazu benutzt, als wärmetauschendes Mittel die Ansaugluft 27 im Wärmeaustauscher 26 vorzuerwärmen. Ueber die Leitung 37 wird dieser Dampf nach Durchlauf der Vorwärmeschleife 8 dem Speisewasserbehälter und Entgaser 22 unmittelbar zurückgeführt. Bei,dieser Ausgestaltung der Erfindung werden als abtauschendes Medium mit Wärmepotential für die Vorerwärmung der Ansaugluft 27 im Wärmeaustauscher 26 Rauchgase 20 umgeleitet. Eine erste Rauchgasklappe 38, welche in Strömung der Rauchgase 20 plaziert ist und eine zweite Rauchgasklappe 39, welche in der Abzweigleitung 40 und vor Eintritt zum Wärmeaustauscher 26 plaziert ist, übernehmen durch Mengenregelung die Vorerwärmung der Ansaugluft 27. Mit dieser Lösung wird das Wärmepotential der Abgase 6 der Gasturbine 2 ein erstes Mal im Abhitzekessel 7 ausgenutzt, während das in den Rauchgasen 20 übriggebliehene Wärmepotential zur Vorerwärmung der Ansaugluft 27 weiterverwendet wird.
Wie aus Fig. 3 hervorgeht, wird zur Vorerwärmung der Ansaugluft 27 im Wärmeaustauscher 26 Abwärme aus der Generatorkühlung 41, 44 herangezogen. Die Kühlluft 47 strömt zum Generator 3 der Gasturbine 2, um danach als Warmluft 44 zum Wärmeaustauscher 26, in welchem bekanntlich eine Wärmeaustauschung mit der Ansaugluft 27 stattfindet, zu strömen. Analog verhält es sich mit der Kühlluft 48, welche nach vollzogener Kühlung des Generators 30 der Dampfturbine 29 ebenfalls zum Wärmeaustauscher 26 strömt. Die Klappen 42, 43, resp. 45, 46 übernehmen die Regelung der Warmluft 41, 44 entsprechend dem gewünschten Vorerwärmungsgrad der Ansaug- luft 27. Dabei kann die KUhlluft 47, 48 von der Umgebung, anhand eines offenen Kreislaufes, direkt zur Kühlung der Generatoren 3, 30 zugeleitet werden, oder, mittels Einfügung eines nicht dargestellten LuRt-/LuStwärmetauschers abgekühlt werden.
Wie in Fig. 4 dargestellt ist, wird zur Vorerwärmung der Ansaugluft 27 im Wärmeaustauscher 26 Abwärme aus der Kondensatorkühlung 51 herangezogen. Beim dargestellten Beispiel handelt es sich um einen-luftgekühlten Kondensator 32.
In unserem dargestellten Beispiel strömt die Warmluft 49 nach Durchlauf des Kondensators 32 zum Wärmeaustauscher 26.
Die Klappen 50, 53 übernehmen die Regelung der Warmluft 49, entsprechend der gewünschten Vorerwärmung der Ansaugluft 27.
Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, wird die Vorerwärmung der Ansaugluft 27 mittels direkter Rezirkulation eines Teils der Rauchgase 20 aus dem Abhitzekessel 7 über die Rauchgasleitung 52 erreicht, dadurch, dass vor dem Verdichter 1 eine Vermischung der Rauchgase 20 mit der Ansaugluft 27 stattfindet, wobei die Rauchgasklappen 38, 39 die Rauchgaszuflussmenge regeln. Der Verdichter 1 muss mit einem Gemisch 20/27 homogener Temperatur beaufschlagt werden, sollen Betriebsstörungen vermieden werden. Dies wird erreicht, indem die Strecke nach der Vermischung der beiden Ströme 20/27 bis zum Verdichter 1 genügend lang vorgesehen wird; es ist allerdings auch möglich, mit einem nicht dargestellten Mischer zu operieren, der gegebenenfalls vor dem Verdichter zu plazieren ist.
In der in Fig. 6 gezeigten Anordnung wird die Vorerwärmung der Ansaugluft 27 mittels direkter Rezirkulation eines Teils der Abgase 6 der Gasturbine 2 über die Abgasleitung 55 erreicht, dadurch, dass vor dem Verdichter 1 eine Vermischung der Abgase 6 mit der Ansaugluft 27 stattfindet, wobei die Abgasklappen 53, 54 die Abgaszuflussmenge regeln. Auch hier muss der Verdichter 1 mit einem Gemisch 6/27 homogener Temperatur beaufschlagt werden, sollen Betriebsstörungen vermieden werden. Dies wird mit den gleichen Massnahmen, wie sie oben unter Fig. 5 erläutert wurden, erreicht.
Aus Fig. 7 ist ersichtlich, dass Dampf der Dampfturbine 29 angezapft und über die Leitung 56 dem Wärmeaustauscher 26, zum Zwecke des Wärmeaustausches mit der Ansaugluft 27, zugeleitet wird, wobei das Regelventil 23 für die gewünschte Dampfdurchflussmenge zur Regelung der Vorerwärmung der Ansaugluft 27 sorgt. Nach der durch die Wärmeaustauschung im Wärmeaustauscher 26 bedingten Kondensation des Dampfes, strömt das Kondensat über die Leitung 57 zurück und mündet in den Kondensator 32 ein.
Aus der Darstellung der Fig. 8 geht hervor, dass die Ansaugluft 27 im Wärmeaustauscher 26 mittels Abwärme aus dem Betrieb von Drittanlagen 59 vorerwärmt werden kann. Die Abwärmezufuhr erfolgt über die Leitung 58, welche den Wärme tauscher 26 speist, wobei das Regelventil 23 die gewünschte Durchflussmenge regelt. Die Abwärmenutzung aus dem Betrieb von Drittanlagen irgendwelcher Art kann dabei in einem offenen oder geschlossenen Kreislauf mit oder ohne Kühlung vor sich gehen.
Die Grafik aus Fig. 9 stellt den Verlauf des Gesamtwirkungsgrades Q in % der Kombi-Kraftanlage in Abhängigkeit zur Teillast P in a der Kombi-Kraftanlage über den ganzen Lastbereich dar, wobei die Gegenüberstellung die Vorerwärmung der angesaugten Luft 61 mit der Brennstoffdrosselung 60 einer Kombi-Kraftanlage betrifft, die aus 3 Gasturbinen und einer Dampfturbine besteht. Die Leistung der Kombi-Kraftanlage wird dabei.in diesem Beispiel wie folgt reguliert: - Von 100 bis 85 % Last wird die Luft progressiv stärker vorerwärmt.
- Unter 85 X Last wird die Brennstoffdrosselung herangezogen, wenn die maximal mögliche Temperatur der angesaugten Luft 27 am Verdichtereintritt 1 erreicht ist.
Das nun folgende Zahlenbeispiel zu Fig. 9 hat nur Richtwertencharakter: Brennstoffdrosselung

teillast der TAnsaugluft Ptot #tot

Kombi-

Kraftanlage

% °C MW %

100 32,2 278,72 44,69

94,95 32,2 264,65 44,21

89,9 32,2 250,58 43,49

84,86 32,2 236,51 42,78

Vorerwärmung der Ansaugluft

100 32,2 278,72 44,69

96,32 40,0 268,45 44,96

93,38 47,5 259,36 45,13

89,49 54,7 249,49 45,23

Bezugszeichenliste 1 Verdichter 2 Gasturbine 3 Generator 4 Brennkammer 5 Brennstoffzuführungsleitung 6 Abgase der Gasturbine 7 Abhitzekessel 8 Vorwärmeschleife 9 Economizer 10 Verdampfer 11 Ueberhitzer 12 Leitung zur Vorwärmeschleife 13 Umwälzpumpe 14 Leitung zum Economizer 15 Umwälzpumpe 16 Trommel 17 Leitung zum Verdampfer 18 Umwälzpumpe 19 Dampfleitung 20 Rauchgase 21 Dampfleitung zum Speisewasserbehälter und Entgaser 22 Speisewasserbehälter und Entgaser 23 Regelventil 24 Leitung zum Speisewasserbehälter und Entgaser 25 Umwälzpumpe 26 Wärmeaustauscher 27 Ansaugluft 28 Bypassregelung 29 Dampfturbine 30 Generator 31 Abdampfleitung 32 Kondensator 33 Kondensatleitung zum Speisewasserbehälter und Entgaser 34 Kondensatpumpe 35 Kühlung des Kondensators 36 Gemeinsame Welle Turbine/Verdichter 37 Leitung zum Speisewasserbehälter und Entgaser 38 Rauchgasklappe 39 Rauchgasklappe 40 Abzweigleitung zum Wärmeaustauscher 41 Leitung Warmluft 42 Klappe 43 Klappe 44 Leitung Warmluft 45 Klappe 46 Klappe 47 Kühlluft 48 Kühlluft 49 Leitung WarmluS4 B n L e 50 Klappe 51 Kühlluft für Kondensator 52 Rauchgasleitung 53 Abgasklappe 54 Abgasklappe 55 Abgasleitung zur Ansaugluft 56 Abzapfdampfleitung 57 Kondensatrückführleitung 58 Leitung für Abwärmezufuhr 59 Drittanlagen 60 Brennstoffdrosselung 61 Vorerwärmung der angesaugten Luft. Leerseite

Claims

Patentanserche Verfahren für den Teillastbetrieb einer kombinierten Kraftanlage, welche im wesentlichen aus mindestens einer Gasturbine, einer zur Erwärmung des Antriebsgases für die Gasturbine dienenden Brennkammer, einem durch die Gasturbine angetriebenen und zur Kompression der der Brennkammer zugeführten Luft dienenden Verdichter, einer Dampfturbine, einem an jeder Turbine angekuppelten Generator, einem zum Erzeugen von Dampf rar den Antrieb der Dampfturbine dienenden Abhitzekessel, einem Speisewasserbehälter, einem der Dampfturbine nachgeschalteten Kondensator besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansaugluft (27) für den Gasturbinenbetrieb vor dem Verdichter (1) der Gasturbine (2) vorerwärmt wird.
2. Einrichtung zur Durch£dhrung des Verfahrens nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorerwärmung der Ansaugluft (27) rar den Gasturbinenbetrieb in einem dem Verdichter (1) vorgeschalteten Wärmeaustauscher (26) und/oder Wärmezuschaltungen (52, 55) durchfUhrbar ist.
3. Einrichtung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorerwärmung der Ansaugluft (27) mittels Ab wärme aus der Vorwärmeschleife (8) des Abhitzekessels (7) erreichbar ist.
4. Einrichtung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorerwärmung der Ansaugluft (27) mit der Abwärme der Abgase (20) aus dem Abhitzekessel (7) erreichbar ist.
5. Einrichtung nach Patentanspruch 2, durch ~~ -gekennzeichnet, dass die Vorerwärmung der Ansaugluft (27) mit Abwärme aus der Kühlung der Generatoren (3, 30) erreichbar ist.
6. ,,Elnric,htung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorerwärmung der Ansaugluft (27) mittels Abwärme aus der Kühlung des Kondensators (32) erreichbar-ist.
7. Einrichtung nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorerwärmung der Ansaugluft (27) mittels direkter Rezirkulation eines Teiles der Rauchgase (20) aus dem Abhitzekessel (7) in den Verdichter (1) erreichbar ist.
8. Einrichtung nach Patentanspruch?, -dadurch gekennzeichnet, dass die Vorerwärmung der Ansaugluft (27) mittels direkter Rezirkulation eines Teiles der Abgase (6) aus der Gasturbine (2) in den Verdichter (1) erreichbar ist.
9. Einrichtung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorerwärmung der Ansaugluft (27) mittels eines Teiles des Dampfes (56) aus der Dampfturbine (29) erreichbar ist.
10. Einrichtung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorerwärmung der Ansaugluft (27) mittels Abwärme aus der Kühlung von Drittanlagen (59) erreichbar ist.