DE3127733C2

DE3127733C2 - Kombinierte Gasturbinen-Dampfkraftanlage

Info

Publication number: DE3127733C2
Application number: DE3127733A
Authority: DE
Inventors: Emile Dipl.-Ing. 8404 Winterthur Aguet
Original assignee: Gebrueder Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1981-06-10
Filing date: 1981-07-14
Publication date: 1983-12-01
Also published as: DE3127733A1; CH653097A5; US4462206A

Abstract

Die Anlage weist in einem Druckbehälter (5) einen Luftverteilkasten (13) und eine Brennkammer (15) mit Wirbelbett (18) auf. Die Luftverteilkammer (13) ist an den Austritt eines Luftverdichters (2) und die Brennkammer (15) über einen Abscheider (43) an den Eintritt einer Gasturbine (3) angeschlossen. Im Rauchgasstrom zwischen der Brennkammer (15) und dem Abscheider (43) sind die Primärseite eines Rekuperators (35) sowie ein Wärmeübertrager (38) vorgesehen, während die Sekundärseite des Rekuperators zwischen den Abscheider und die Gasturbine (3) geschaltet ist. Durch das Anbringen des Rekuperators und des Wärmeübertragers wird das in den Abscheider eintretende Rauchgas soweit abgekühlt, daß als Abscheider elektrostatische Staubfilter oder Tuchfilter eingesetzt werden können. Trotzdem bleibt wegen des Rekuperators die für die Gasturbine thermodynamisch günstige, hohe Eintrittstemperatur für das Rauchgas erhalten.

Description

Die Erfindung betrifft eine kombinierte Gasturbinen-Dampfkraftanlage nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine solche Anlage ist aus Bild 7 der Zeitschrift »VGB Kraftwerkstechnik«, August 1979, S. 637, bekannt. In ihr bestehen die Abscheidemittel aus einem Hochtemperatur-Druckelektrofilter, und der Wärmeübertrager bildet einen zweiten Lufterhitzer, der zu dem ersten, im Wirbelbett angeordneten Lufterhitzer parallelgeschaltet ist. Die bekannte Anlage hat den Nachteil, daß der Elektrofilter wegen der hohen Betriebstemperatur von mehr als 800⁰C mit schlechtem Abscheideeffekt arbeitet und daher sehr groß ausgelegt werden muß. Wegen dieser Größe und der hohen Betriebstemperatur ist er entsprechend teuer. Wegen des schlechten Abscheideeffektes ist auch die Gasturbine durch Verunreinigungen und Abnützungen gefährdet.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die bekannte Anlage so zu verbessern, daß s'e mit erheblich kleinerem Kostenaufwand erstellt werden kann und die genannten Gefahren für die Gasturbine wesentlich verringert sind.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Kennzeichens des Anspruchs 1 gelöst. Durch den Einbau eines Rekuperators in den Rauchgasstrom vor den Abscheidemitteln und die Einschaltung des Wärmeübertragers in den Arbeitsmittelstrom des Abgasdampferzeugers wird nicht nur eine Absenkung der Temperatur des Rauchgases vor dessen Eintritt in die temperaturempfindlichen Abscheidemittel erreicht, sondern darüberhinaus eine Verkleinerung der Heizflächen des Abgasdampferzeugers.

Durch diesen zusätzlichen Vorteil ergibt sich also eine Kombinationswirkung der im Kennzeichen beanspruchten Merkmale.

Aus Abb. 3 der Zeitschrift »Energie und Technik«, August 1964, S. 271, ist ein Rekuperator in einer Anlage mit Gasturbinengruppe un Schlackenbadgenerator bekannt; in dieser Anlage sind jedoch keine temperaturempfindlichen Abscheidemittel im Sinne der Erfindung vorhanden, die im trockenen Verfahren arbeiten. Bei der bekannten Anlage erfolgt die Gasreinigung in einem nassen Verfahren durch Waschen. Da hier die

is Temperaturempfindlichkeit der Abscheidemittel nicht releyant ist, kann die bekannte Anlage keine Anregung für die Erfindung vermitteln.

Bei Anwendung der Merkmale nach Anspruch 2, die aus der US-PS 29 58 298 an sich bekannt sind, werden die zwischen der Brennkammer und der Gasturbine angeordneten Abscheidemittel wegen der groben Vorreinigung des Rauchgases entlastet

Durch die Merkmale gemäß Anspruch 3 werden nicht nur die Brennstoffverluste verringert, sondern gleichzeitig auch die Menge der abzulagernden Verbrennungsrückstände verringert

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnung näher erläutert, die schematisch eine kombinierte Gasturbinen-Dampfkraftanlage zeigt

Die Anlage umfaßt im wesentlichen eine Gasturbinengruppe 1 — bestehend aus einem mit einer Gasturbine 3 und einem Generator 4 auf derselben Welle sitzenden Verdichter 2 und einem die Funktion einer Brennkammer der Gasturbinengruppe 1 übernehmenden Druckbehälter 5 — sowie einen Abgasdampferzeuger 8 mit Dampfturbine 7 und elektrischem Generator 8.

Der Druckbehälter 5 mit vertikaler Achse enthält, anschließend an eine Lufteintrittsleitung 62, eine Luftverteilkammer 13, die nach oben hin durch einen durchlässigen Boden 14 für ein Wirbelbett 18 begrenzt ist, das in einer Brennkammer 15 untergebracht ist Das Wirbelbett 18 besteht aus inerten Teilchen sowie KaIk- und Kohlekörnern, die von einem aus der Luftverteilkammer 13 aufsteigenden Luftstrom getragen werden. Die Kalk- und Kohlekörner werden, ebenso wie die wegen des Abtriebs gelegentlich zu ergänzenden inerten Körner, über seitliche Zuführmittel 20 in das Wirbelbett 18 eingebracht Im Wirbelbett sind eine von Arbeitsmittel aus dem Abgasdampferzeuger 6 durchströmte Heizfläche 22 und ein von verdichteter Luft durchströmter Lufterhitzer 23 angeordnet Oberhalb des Wirbelbettes 18 enthält die Brennkammer 15 grobe Abscheidemittel in Form zweier Zyklone 25, die je einen seitlichen Rauchgaseintritt 26 und je ein zentrales Austrittsrohr 27 aufweisen. Die Rohre 27 durchstoßen einen Boden 30, der die Brennkammer 15 von einem Rauchgasabzug 33 trennt, der ebenfalls im Druckbehälter 5 enthalten ist Im Rauchgaszug 33 sind — diesem im Gasstrom folgend — ein Wärmeübertrager 38 für Arbeitsmittel des Abgasdampferzeugers 6 vorgesehen.

Der Druckbehälter 5 ist am oberen Ende des

Rauchgaszuges 33 über eine Leitung 41 mit dem Eintritt 42 eines die Funktion von Abscheidemitteln erfüllenden Staubabscheiders 43 verbunden. Dieser Abscheider 43 weist ein zylindrisches Druckgefäß 44 mit vertikaler Achse und einen Boden in Form eines Trichters 40 auf.

Der Eintritt 42 liegt nahe dem oberen Ende des Gefäßes 44 und ist tangential gerichtet Im Zentrum des Gefäßes 44 ist ein Tauchrohr 45 vorgesehen, das bis in den unteren Bereich des Abscheiders reicht und über das das gereinigte Rauchgas aus dem Abscheider austritt Das Tauchrohr 45 ist von einem Filtersack 46 umgeben, der an seinem oberen Ende mit dem Deckel des Druckgefäßes 44 dicht verbunden ist Am Trichter 40 sind nicht gezeichnete Abschlußmittel vorgesehen, über die am Filtersack 46 abgeschiedene und im Trichter sich ι ο ansammelnde Stoffe ausgeschleust werden können. Vom Tauchrohr 45 führt eine Verbindungsleitung 50 zur Sekundärseite des Rekuperators 35, der über eine ■·'■ Leitung 60 mit der Gasturbine 3 verbunden ist
Von der den Austritt des Luftverdichters 2 mit der : Luftverteilkammer 13 verbindenden Leitung 62 zweigt ''■: eine Leitung 63 ab, die über ein Drosselorgan 64 mit ;^;; dem Eintritt des Lufterhitzers 23 verbunden ist Dessen *ii. Austritt mündet in die Leitung 60 und führt damit ^:; ebenfalls in die Gasturbine 3.

- Der Abgasdampferzeuger 6 arbeitet auf zwei

' Druckstufen des Arbeitsmittels und weist eine Nieder- ;' drucktrommel 70 und eine Hochdrucktrommel 72 auf. Die meisten Heizflächen des Dampferzeugers 6 sind in j; einem Abgaskanal 75 angeordnet, der eingangsseitig über eine Abgasleitung 76 an der Gasturbine 3 angeschlossen ist In Strömungsrichtung der Abgase i' sind im Abgaskanal 75 ein Hochdruck-Überhitzer 78, ;' ein Hochdruck-Vorverdampfer 79, ein Hochdruck-Speisewasservorwärmer 80, ein Niederdruck-Überhitzer 82 und ein Niederdruck-Verdampfer 83 vorgesehen. Von : einem am Austritt der Dampfturbine 8 angeschlossenen Kondensator 86 führt eine Kondensatleitung 87 mit Niederdruckpumpe 88 zur Niederdrucktrommel 70, an ;; der der Niederdruck-Verdampfer 83 beidendig ange- ^ b; schlossen ist Aus der Niederdrucktrommel 70 führt eine Sattdampfleitung 90 zum Niederdruck-Überhitzer 82, Kj der über einen Niederdruckstutzen 92 mit der ;'i Dampfturbine 7 verbunden ist.

ti Von der Niederdrucktrommel 70 führt eine Wasser-

!>' leitung 94 mit Hochdruckpumpe 95 über den Hochji druck-Vorwärmer 80 zur Hochdrucktrommel 72. Aus ']' dieser führt eine Leitung % mit Umwälzpumpe 97 über i# den Hochdruck-Vorverdampfer 79, die im Wirbelbett 18 ' angeordnete Heizfläche 22 und den im Rauchgaszug 33 ⁴^

angeordneten Wärmeübertrager 38 wieder zur Hoch- ^: drucktrommel 72. Am Dampfraum der Hochdrucktrommel 72 ist schließlich eine Leitung 98 für Sattdampf angeschlossen, die zum Hochdruck-Überhitzer 78 führt, : der über eine Frischdampfleitung 99 mit dem Hoch- ^5(l

druckeintritt der Dampfturbine 7 verbunden ist.
■ Die beschriebene Anlage funktioniert wie folgt:

Die Gasturbine 1 wird durch den zu diesem Zweck als Motor schaltbaren Generator 4 angeworfen. Die im

Luftverdichter 2 komprimierte Luft strömt zum Teil über die Leitung 62 und die Luftverteilkammer 13 in das

; Wirbelbett 18, in das über die Zuführmittel 20 Kohle^r und Kalkkörper eingeführt werden. Diese Körner : befinden sich, zusammen mit Körnern ei.ies inerten Stoffes, wie Schlacke und Sand, in turbulenter \ Bewegung. Das Wirbelbett hat eine fast einheitliche Temperatur von etwa 900°C, so daß die Kohle verbrennt. Das dabei entstehende, nur geringen Luftüberschuß aufweisende Rauchgas von ebenfalls etwa 900°C strömt durch die groben Abscheidemittel 25, in denen gröbere, aus dem Wirbelbett 18 mitgerissene Teilchen abgeschieden werden. Diese Teilchen gelangen auf naicht gezeichnete Weise in das Wirbelbett zurück. Das derart vorgereinigte Rauchgas strömt weiter durch den Rauchgasabzug 33, wobei es Wärme an den Rekuperator 35 und den Wärmeübertager 38 abgibt Das Rauchgas weist zwischen dem Rekuperator 35 und dem Wärmeübertrager 38 noch eine Temperatur von beispielsweise 550° C auf. Diese Temperatur wird beim Durchströmen des Wärmeübertragers 38 weiter auf etwa 500⁰C gesenkt Dieser Wert ist für den im Rauchgasstrom folgenden Filtersack 46 des Staubabscheiders 43 gerade nocht zulässig. Im Filtersack 46 werden die feinen Asche- und Schlacketeilchen des Rauchgases zurückgehalten. Eine nicht gezeichnete Einrichtung bringt den Filtersack periodisch in Schwingungen, wobei der auf dem Gewebe angesammelte Filterkuchen sich löst und in den Trichter 40 fällt, aus dem das abgeschiedene Material periodisch ausgeschleust wird. Das derart gereinigte Rauchgas wird nun über die Leitung 50 dem Rekuperator 35 zugeführt in dem es um etwa dieselbe Temperaturspanne erhitzt wird, um die es vorher primärseitig abgekühlt worden ist. Mit etwa 850° C verläßt das Rauchgas den Rekuperator und strömt über die Leitung 60 in die Gasturbine 3. Der andere Teil der vom Luftverdichter 2 kommenden Luft führt über die Leitung 63 in den Lufterhitzer 23 und gelangt dann zur Gasturbine 3. Dieser Luftstrom wird im Lufterhitzer 23 ebenfalls auf etwa 850⁰C erwärmt, so daß die Gasturbine 3 ein Gasgemisch von praktisch einheitlicher Temperatur erhält. Nach der Entspannung des Gases in der Gasturbine 3 strömt das Gas über die Abgasleitung 76 in den Abgasdampferzeuger 6, wo noch Wärme an die Heizflächen 78 bis 83 abgegeben wird.

Erwähnenswert ist, daß die über den Lufterhitzer 23 geführte Luftmenge etwa doppelt so groß ist wie die durch das Wirbelbett 18 geschickte Gasmenge. Der Rekuperator 35 ist zum Erreichen der angegebenen Temperaturen auf knapp das Dreifache der Oberfläche des Lufterhitzers 23 zu bemessen. Durch Vergrößern des Rekuperators 35 und des Wärmeübertragers 38 und/oder durch Absenken des Frischdampfdruckes des den Dampferzeuger 6 verlassenden Hochdruckdampfes läßt sich die Temperatur vor dem Abscheider 43 weiter herabsetzen.

Auf der Dampferzeugerseite der Anlage wird aus dem Kondensator 86 mit der Niederdruckpumpe 88 Kondensat in die Niederdrucktrommel 70 eingespeist. Im Naturumlauf strömt Wasser aus der Niederdrucktrommel 70 in den Niederstruck-Verdampfer 83 und gelangt als Wasscrdampfgernisch in die Trommel 70 zurück. Aus deren Sattdampfraum strömt Dampf in den Niederdruck-Überhitzer 82 und dann in überhitztem Zustand zum Niederdruckstutzen 92 der Dampfturbine 7. Mittels der Hochdruckpumpe 95 wird Wasser aus der Niederdrucktrommel 70 über den Hochdruck-Speisewasservorwärmer 80 in die Hochdrucktrommel 72 eingespeist. Die Umwälzpumpe 97 fördert Wasser aus dieser Trommel 72 über den Hochdruck-Vorverdampfer 79, in dem noch kein oder nur wenig Dampf erzeugt wird, in die Heizfläche 22 und den Wärmeübertrager 38; als Wasser-Dampfgemisch gelangt dann das Arbeitsmittel in die Hochdrucktrommel 72. Der in der Trommel 72 abgeschiedene Hochdruckdarnpf strömt in den Hochdruck-Überhitzer 78 und gelangt als Frischdampf zur DamDfturbine7.

Durch die mit dem Anbringen des Rekuperators 35 und des Wärmeübertragers 38 erzielte Herabsetzung der Rauchgastemperatur wird es möglich, die Rauchgase mit wirksameren Abscheidemitteln als bisher zu

reinigen.

Werden elektrostatisch wirkende Filter als Staubabscheider verwendet, so kann es zweckmäßig sein, deren Sprühelektroden bezüglich der Masse des Rekuperators 35 so zu polarisieren, daß geladene feinste Teilchen, die den Abscheider passiert haben, sich nicht auf den Innenwänden des Rekuperators abscheiden, sondern von diesen abgestoßen werden.

Die Wand des Druckbehälters 5 kann beispielsweise aus dicht miteinander verschweißten Rohren gebildet sein, in denen Wasser aus dem Abgasdampferzeuger 6 fließt, das die Wand kühlt. Sie kann aber auch durch einen besonderen aus Kühlrohren gebildeten Einsatz vor zu hohen Temperaturen geschützt sein.

Aus thermodynamischen Gründen kann es günstig sein, von der im Druckbehälter 5 freiwerdenden Wärme einen möglichst großen Anteil an den der Gasturbine-3 zugefühnen Gasstrom zu übertragen, beispielsweise indem die Heizfläche 22 verkleinert oder eliminiert wird und/oder indem die gekühlten Wände des Druckbehälters 5 durch Chamottierung vor hoher Wärmeaufnahme geschützt werden.

Anstatt die in den groben Abscheidemitteln 25 ausgeschiedenen Teilchen aus dem Druckraum des Druckbehälters 5 auszuschleusen und sie über die Zuführmittel 20 wieder in diesen einzuschleusen, können sie auch über siphonartige Mittel in das Wirbelbett 18 zurückgeleitet werden.

Für den Fall, daß das im Rekuperator 35 erhitzte Rauchgas nicht dieselbe Temperatur aufweist wie der im Lufterhitzer 23 erwärmte Luftstrom, können an der Vereinigungsstelle der beiden Gasströme oder zwischen dieser Stelle und der Gasturbine 3 Mischmitte!, 2. B. statische Mischer, angeordnet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kombinierte Gasturbinen-Dampfkraftanlage mit einem Luftverdichter, einer Gasturbine und einem Druckbehälter, der eine Luftverteilerkammer und eine Brennkammer mit Wirbelbett aufweist, wobei die Luftverteilkammer mit dem Austritt des Luftverdichters und die Brennkammer über einen Wärmeübertrager und Abscheidemittel mit dem Eintritt der Gasturbine verbunden sind, wobei ferner im Wirbelbett ein mit seiner Sekundärseite zwischen den Luftverdichter und die Gasturbine geschalteter Lufterhitzer angeordnet ist und wobei am Austritt der Gasturbine ein Abgasdampferzeuger angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Druckbehälter (5) im Rauchgasstrom zwischen der Brennkammer (15) und dem Wärmeübertrager (38) ein Rekuperator (35) angeordnet ist, dessen Sekundärseite zwischen die Abscheidemittel (43) und die Gasturbine (3) eingeschaltet ist, und daß der Wärmeübertrager (38) sekundärseitig in den Arbeitsmittelstrom des Abgasdampferzeugers (6) geschaltet ist

2. Gasturbinen-Dampfkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vorreinigung des Rauchgases im Rauchgasstrom zwischen dem Wirbelbett (18) und dem Rekuperator (35) grobwirkende Abscheidemittel (25), vorzugsweise der Zyklonbauart, angeordnet sind.

3. Gasturbinen-Dampfkraftanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Austritte für die aus dem Rauchgas abgeschiedenen Teilchen der grobwirkenden Abscheidemittel (25), gegebenenfalls über weitere Trennmittel, an Zuführmittel (20) angeschlossen sind, die Brennstoffe und/oder Kalk in das Wirbelbett (18) einspeisen.