DE3524882C1 - Verfahren zum Betreiben einer Heizkraftwerksanlage zur Fernwärme- und Stromerzeugung - Google Patents

Description

• Erfindungsgemäß dient der zusätzliche Einsatz von Brennstoff zur Befeuerung der Brennkammer ausschließlich der Steigerung der Gasturbineneintrittstemperatur des Dampfes und damit der Steigerung der elektrischen Leistung. Es ergibt sich somit eine klare Zuordnung der Brennstoffe, wobei Kohle für die Grundlastanlage mit Strom- und Fernwärmeabgabe sowie für die Fernwärme-Spitzenlasterzeugung eingesetzt werden kann, also für die gesamte Fernwärmeerzeugung, während für die Mischungsüberhitzung und die dadurch erzielbare elektrische Spitzenlast für Gasturbinen geeignete Brennstoffe erforderlich sind.
• Da die Gasturbine zwar mit hoher Temperatur auf Gasturbinenniveau arbeitet, aber mit mäßigem Druck, ergibt sich selbst bei Anlagen kleinerer Wärmeleistung ein für einen günstigen Turbinenwirkungsgrad ausreichender Volumenstrom. Da Dampf ohnehin neben den Verbrennungsgasen der Mischungsüberhitzung als Arbeitsmedium dient, erleichtert dies auch die Kühlung mit Dampf oder Wasser zur Steigerung der Gasturbinentemperatur, begünstigt Einspritzkühlung bei Verdichtern und verringert die Stickoxidbildung bei den Brennern durch Wasser- oder Dampfzugabe.
• Für Teillastbetrieb der Heizkraftwerksanlage wird die Gasturbineneintrittstemperatur durch Verringerung der Luft- und Brennstoffzufuhr zur Brennkammer dem Strombedarf und die Dampfmenge dem Fernwärmebedarf angepaßt.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit hinsichtlich Fernwärmeerzeugung und Stromerzeugung außerordentlich flexibel, insbesondere ist die strenge Kopplung zwischen Fernwärmebedarf und Stromerzeugung aufgehoben.
• Nachfolgend werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert, die sich lediglich im Kondensationsbereich unterscheiden. Die beiden Wärmeschaltbilder zeigen eine erfindungsgemäß aufgebaute Heizkraftwerksanlage, wobei der Kondensationsteil unterschiedlich ausgeführt ist, und zwar zeigen: F i g. 1 ein Heizkraftwerk mit Warmwassererzeugung durch die Gasturbinenabwärme, F i g. 2 ein Heizkraftwerk mit unmittelbarer Niederdruck-Dampferzeugung durch die Gasturbinenabwärme.
• Im Überdruckgebiet bis zum Abhitzekessel sind die Bezugszeichen in beiden Fällen gleich.
• Der Grundlastanteil an Dampf wird im Grundlastdampferzeuger 1 erzeugt, expandiert in der Hochdruckdampfturbine 2, wobei sich der Gegendruck im Gleitdruck von der Mischkammer 4 her aufbaut, und wird im Zwischenüberhitzer 3 des Grundlastdampferzeugers auf etwa 530 bis 600"C überhitzt. In der nachgeschalteten Mischkammer 4 erfolgt die Aufheizung des Dampfes durch Vermischen mit Verbrennungsgasen aus der Brennkammer auf Gasturbineneintrittstemperatur der Gasturbine 5.
• Gasturbinenbetrieb Da die Verdichterantriebsleistung nur etwa 20% der Gasturbinenleistung beträgt gegenüber mehr als 50% bei herkömmlichen Gasturbinen, kann die gleiche Generatorleistung mit nur etwa 50% des Massendurchsatzes und entsprechend geringeren Kosten erzeugt werden.
• Die Regelung der Leistung kann bei konstanter Temperatur über eine Änderung der Dampfmenge statt über eine Änderung der Gasturbineneintrittstemperatur erfolgen. Diese wird erst dann abgesenkt, wenn die Abgastemperatur über den für den nachfolgend noch beschriebenen Abhitzekessel 11 zulässigen Wert ansteigt.
• Eine Beschränkung auf den für die Brenner erforderlichen Mindestluftbedarf auch bei Teillast bietet den Vorteil geringer Verdichterantriebsleistung und eines möglichst hohen Wasserdampfpartialdruckes sowie entsprechend hoher Sattdampftemperatur bei der Kondensation des Dampfanteiles im Abgas. Die Regelung des Luftdurchsatzes ist in gewissem Maße mittels Schaufelverstellung am Verdichter 6 möglich. Zur besseren Anpassung vor allem bei Teillast ist gemäß Darstellung eine Entkopplung des Verdichters 6 von der Gasturbinenwelle zweckmäßig, was durch eine Kupplung 7 erfolgt. Der Verdichter wird dann separat durch einen Motor 9 angetrieben, der mit einer elektrischen Drehzahlregelung 10 versehen ist. Dadurch wird eine Auslegung des Motors für die volle Verdichterantriebsleistung vermieden. Bei Vollast wird durch eine Kupplung 8 der Verdichter vom Motor getrennt und durch die Gasturbine 5 angetrieben.
• Der Verdichter 6 kann in mehreren Einheiten, z. B. in 2 Einheiten je 50% ausgeführt werden, von denen eine bei Teillast abgekuppelt wird. Die verbleibende kann dann weiterhin über die Gasturbine 5 bzw. über einen drehzahlgeregelten Antrieb angetrieben werden, wenn eine bessere Anpassung an die Schwachlastverhältnisse angestrebt wird.
• Abhitzekessel In dem aus F i g. 1 ersichtlichen Abhitzekessel 11 wird vorwiegend Frischdampf mit gleichem Dampfzustand wie im Grundlastdampferzeuger 1 erzeugt. Der im Abhitzekessel 11 erzeugte Dampf strömt gemeinsam mit dem Dampf vom Grundlastdampferzeuger 1 in die Hochdruckdampfturbine 2. Die noch verbleibende Wärme des Abhitzekessels 11 kann teilweise zur Speisewasservorwärmung verwendet werden. Danach erfährt das Speisewasser in einem mit Turbinenabdampf beheizten Hochdruckvorwärmer 12 noch eine Restaufwärmung und wird über eine Leitung 13 in den Grundlastdampferzeuger 1 eingespeist. Ferner wird im Abhitzekessel 11 in einer getrennten relativ niedrigen Druckstufe Entgaserdampf erzeugt, der über eine Leitung 14 einem Speisewasserbehälter 15 zugeführt wird. Von dort fördert eine Speisepumpe 16 die gesamte Speisewassermenge in den Abhitzekessel 11.
• Kondensationsteil für Fernwärmegrundlast Im Kondensationsteil wird der Kraft-Wärmekopplungsanteil der Fernwärmeleistung abgegeben. Den in Heizkraftwerken üblichen Heizkondensatoren entsprechen hier die Gemischkondensatoren, die den Dampf aus dem Abgasgemisch herauskondensieren, wobei das Heizwasser erwärmt wird. Je Grad Abkühlung des Gemisches werden in Abhängigkeit vom verbleibenden Wasserdampfpartialdruck unterschiedliche Kondensationswärmemengen frei. Daher wird der Kondensationsvorgang in einzelne Berohrungsabschnitte bzw.
• Kondensatoren aufgeteilt, deren wasserseitige Durchflußmengen unterschiedlich sind je nach anfallender Wärmemenge.
• Zunächst wird in einem Restenthitzer 17 das Abgasgemisch bis in die Nähe des Taupunktes abgekühlt, was dadurch erfolgt, daß Rauchgas über eine Leitung 18 aus dem Bereich des letzten Gemischkondensators 20.4 auf eine Kaminaustrittstemperatur von ca. 80CC aufgeheizt und mit der Restwärme die Vorlauftemperatur des Fernheizwassers in einer Leitung 19 erhöht wird.
• Bei der in F i g. 1 dargestellten Ausführungsform mit 4 Kondensatoren tritt das Heizwasser mit zwei Teilströmen unterschiedlicher Rücklauftemperatur ein. Ein kleinerer Teilstrom, der etwa 30 bis 40% der gesamten Menge beträgt, tritt über eine Leitung 21 mit etwa 48C C in den Gemischkondensator 20.3 ein. Er wird dort um etwa 10°C aufgewärmt und schließlich mit dem größeren Teilstrom des Rücklaufwassers über eine Leitung 22 auf vergleichbarem Temperaturniveau von etwa 58"C vereinigt (Leitung 23). Der gesamte Heizwasserstrom wird dann in den beiden ersten Gemischkondensatoren 20.1 und 20.2 bis nahe an die Vorlauftemperatur aufgeheizt. Nach der bereits oben angesprochenen geringen Aufwärmung im Restenthitzer 17 ist dann die Vorlauftemperatur der Kraft-Wärmekopplung (etwa 80 bis 85 C) erreicht.
• Spitzenlastdampferzeuger Soweit diese Vorlauftemperatur von ca. 80-850C nicht ausreicht, wird sie durch zusätzliche Wärmelieferung aus einem Spitzenlastdampferzeuger 26 erhöht, dessen Dampf über eine Reduzierstation 27, einen Einspritzkühler 28 und eine Leitung 25 einem Heizkondensator 24 zugeführt wird. Das Heizkondensat strömt über eine Leitung 29 zu einem Speisewasserbehälter 30 und wird von dort über eine Speisepumpe 31 und einen Vorwärmer 32 dem Spitzenlastdampferzeuger 26 zugeführt.
• Im Normalbetrieb wird der Vorwärmer 32 über eine Leitung 33 mit Dampf aus der Hochdruckdampfturbine 2 versorgt, über dessen Druck mittels einer verstellbaren Drossel 34 die Speisewassertemperatur eingeregelt wird. Im Störfall wird der Vorwärmer über eine Leitung 35 mit Eigendampf beheitzt. Über einen Abzweig 36 der Leitung 33 wird ein Erdgasvorwärmer 37 beheizt. Das Kondensat strömt über eine Leitung 38 zu dem Speisewasserbehälter 15.
• Der Heizkondensator 24 kann die Spitzenlast sowohl ganz übernehmen als auch nur z. T. in Form der Endaufwärmung bei nachstehender Betriebsweise: Die Ausbildung der Fernwärmespitzenlastanlage als Spitzenlastdampferzeuger 26 bringt den Vorteil, das der Frischdampfdruck entsprechend hoch gewählt werden kann, um anstelle oder parallel zur Dampfzufuhr vom Zwischenüberhitzer 3 Dampf in die Mischkammer über die Leitung 39 einzuspeisen. Durch Temperatursenkung wird im Bedarfsfall das Schluckvermögen der Gasturbine erhöht, so daß ihre Generatorleistung etwa erhalten bleibt, obwohl Erdgasleistung freigesetzt wird. Zudem steigen dabei der Wasserdampfpartialdruck und damit die Vorlauftemperatur an. Reicht diese Temperatur nicht mehr aus, so wird zunächst der Gegendruck angehoben, soweit dies zulässig ist, und schließlich der Heizkondensator 24 mit Spitzendampf beheizt. Mit einer Pumpe 55 wird der Druck aufgebaut und das Fernheizwasser über eine Leitung 41 dem Verbraucher 56 zugeführt.
• Die Auslegung des Spitzenlastdampferzeugers 26 bietet zudem den Vorteil, daß er bei Ausfall des Grundlastdampferzeugers 1 die Dampfversorgung für die Gasturbine 5 über die Leitung 39 übernehmen und deren elektrische Leistung sichern kann. Damit der Abhitzekessel 11 parallel zum Spitzenlastdampferzeuger 26 einspeisen kann, muß sein Druck entsprechend verringert werden, da die Entspannung in der Turbine 2 wegen fehlender Zwischenüberhitzung sich nicht mehr empfiehlt. Diese Direktverbindung zwischen Abhitzekessel 11 und Mischkammer 4 wird auch bei sinkender Abgastemperatur der Gasturbine 5 bei Schwachlast be- nötigt.
• Ein Warmwassererzeuger 40 dient als Reserveeinheit.
• Angesichts der geringen Auslastung wird er aus Kostengründen mit Erdgasfeuerung versehen.
• Kondensationsstromerzeugung (F i g. 1) Wenn zwar die volle elektrische Leistung angefordert ist, die Fernwärmeleistung der Kraft-Wärmekopplung aber nicht voll oder gar nicht benötigt wird, so kann die Abwärme am einfachsten über einen Trockenkühlturm abgegeben werden.
• Dies würde einer Gegendruckstromerzeugung entsprechen. Andererseits aber kann je nach Dauer dieser Betriebsweise das hohe Temperaturniveau der Abwärme noch zu einer Stromerzeugung genutzt werden.
• Hierzu wird das Fernheizwasser über eine Leitung 50 nach entsprechender Druckminderung vor jedem Behälter nacheinander durch Ausdampfbehälter 51.1, 51.2 und 513 geleitet, wobei die jeweiligen Ausdampfmengen in drei Druckstufen von etwa 0,4, 0,3 und 0,2 bar über zugeordnete Leitungen 52.1, 52.2 und 52.3 in eine Kondensationsturbine 53 strömen. Da deren Leistungsanteil hier geringer ist als in herkömmlichen Anlagen, wäre eine Vakuumverschlechterung infolge Trockenkühlung weniger von Einfluß. In einem solchen Betriebsfall mit minimaler Fernwärmeabgabe würde das Heizkraftwerk zum Kondensationskraftwerk.
• Wird nur ein Teil Fernwärmeleistung der Kondensatoren benötigt, so erfolgt im Ausdampfbehälter 51.1 durch Ausdampfung eine Abkühlung bis auf die benötigte Vorlauftemperatur, mit der das Heizwasser über eine Leitung 54 einer Pumpe 55 und dem Verbraucher 56 zugeführt wird.
• Wird Fernwärme von höherem Temperaturniveau oder Prozeßdampf benötigt, so ist der Gegendruck der Gasturbine anzuheben, soweit Abhitzekessel und Gemischkondensation für einen Überdruck wirtschaftlich ausgelegt werden können. Das Rauchgas wäre dann hinter dem letzten Gemischkondensator 20.4 zu entspannen, u. U. über eine Gasturbine.
• Genügen tiefere Fernwärmetemperaturen bis herunter zu Kühlwassertemperaturen, so ist der Gegendruck unter 1 bar zu senken und die betroffenen Apparate für Unterdruck auszulegen. Das Rauchgas würde durch einen Verdichter abgesaugt.
• Kondensatrückgewinnung (F i g. 1) Zur Rückführung des aus dem Abgasgemisch herauskondensierten Wassers dient ein unter Vakuum stehender Kondensatsammelbehälter 42, dem das Kondensat von den einzelnen Gemischkondensatoren 20.1 bis 20.4 über Ablaufleitungen 43.1 bis 43.4 zugeführt wird. Ferner sind eine Kondensat-Aufbereitungsanlage 44 sowie ein Kondensatvorratsbehälter 45 vorgesehen, von dem aus das aufbereitete Kondensat über eine Kondensatpumpe 47 und eine Leitung 48 nach Vorwärmung im Kondensator 20.1 wieder in den Speisewasserbehälter 15 eingebracht wird. Der Kondensatvorratsbehälter 45 wird über eine Verbindungsleitung 46 zur Dampfleitung 14 mit Deckdampf versorgt.
• Dem Kondensator 20.4 ist schließlich ein Kühlkreis 49 von tieferer Temperatur (unterhalb von 40°C) zugeordnet, um auch die Restmenge der in die Mischkammer 4 eingebrachten Dampfmenge als Kondensat aus dem Abgasgemisch wiederzugewinnen. Die Wärmeleistung des Kühlkreises wird entweder als Verlust abgeführt oder als Niedertemperaturwärme, beispielsweise über Wärmepumpen, genutzt.
• Kondensationsteil mit direkter Niederdruck-Dampferzeugung (F i g. 2) Eine Betriebsweise mit Erzeugung von Niederdruckdampf in den Gemischkondensatoren 20.1 bis 20.3 ist in F i g. 2 dargestellt. Für den Überdruckbereich vor Abhitzekessel sind hier das gleiche Schaltungskonzept sowie die gleichen Bezugszeichen wie in F i g. 1 verwendet (linke Hälfte des Bildes). Eine solche Auslegung bietet sich z. B. an. wenn die Kondensationsstromerzeugung vorrangig ist gegenüber der Fernwärmeabgabe.
• In Leitungen 21.1 bis 21.3 wird der erzeugte Niederdruckdampf in drei Druckstufen je nach geforderter Fernwärme-Vorlauftemperatur entweder als Heizdampf auf Heizkondensatoren 22.1 bis 22.3 geleitet oder er strömt über Bypaßleitungen 50.1 bis 50.3 an den Heizkondensatoren vorbei in eine mit 53 bezeichnete Turbine. Das Turbinenkondensat wird von einem Kondensator 57 mittels einer Kondensatpumpe 58 über eine Leitung 59 durch den Gemischkondensator 20.4 und einen Vorwärmer 61 in den Speisewasserbehälter 15 gefördert, von wo es in aufbereitetem Zustand wieder in den Hochdruckkreislauf eingespeist wird.
• Das von den Gemisch-Kondensatoren 20.1 bis 20.4 ablaufende Kondensat strömt in Leitungen 43.1 bis 43.4 zu einem Sammelbehälter 42 und wird von einer Pumpe 48 über eine Kondensataufbereitungsanlage 44 in einen Entgaser 45 gefördert und über-eine Niederdruck-Speisepumpe 60 über Leitungen 23.1 bis 23.3 den als Verdampfer ausgebildeten Gemischkondensatoren 20.1 bis 20.3 zugeführt. Ein Kühlkreis 49 bewirkt durch Wärmeabfuhr das Herauskondensieren der restlichen Speisewassermenge und eventuell eines Teiles des durch Verbrennung entstandenen Wasserdampfes.
• Ob eine Ausführung gemäß F i g. 2 mit Kondensataufbereitung über Verdampfung oder eine chemische Kondensataufbereitung gemäß F i g. 1 gewählt wird, wäre im konkreten Einzelfall unter Beachtung der sonstigen Auswirkungen zu untersuchen.
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Claims (5)

1. Patentansprüche: 1 - Verfahren zum Betreiben einer Heizkraftwerksanlage zur Fernwärme- und Stromerzeugung, mit einem Grundlastdampferzeuger, einer Hochdruckdampfturbine, einem Zwischenüberhitzer und einer weiteren Turbine, dadurch gekennzeichnet, daß - für eine vom Fernwärmebedarf unabhängige Spitzenstromerzeugung der Abdampf der Hochdruckdampfturbine (2) über den Zwischenüberhitzer (3) in an sich bekannter Weise einer als Mischkammer (4) ausgebildeten Brennkammer einer Gasturbinenanlage zugeführt wird, in welcher der Dampf durch Mischung mit den Verbrennungsgasen, die aus der Verbrennung eines Brennstoffes mit der Mindestluftmenge erzeugt werden, auf die Gasturbineneintrittstemperatur erhitzt wird, wobei die weitere Turbine die Gasturbine der Gasturbinenanlage ist und aus dem Abgas-Dampfgemisch der Gasturbine der Dampf unter Abgabe von Nutzwärme auskondensiert und in den Dampfkreislauf rückgeführt wird, und - für Teillastbetrieb der Heizkraftwerksanlage die Gasturbineneintrittstemperatur durch Verringerung der Luft- und Brennstoffzufuhr zur Brennkammer dem Strombedarf und die Dampfmenge dem Fernwärmebedarf angepaßt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas-Dampfgemisch vor der Auskondensierung des Dampfes einem Abhitzekessel (11) zugeführt wird, in welchem sekundärseitig Frischdampf erzeugt wird, der gemeinsam mit dem Dampf des Grundlastdampferzeugers (1) der Hochdruckdampfturbine (2) zugeführt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Auskondensieren stufenweise abhängig vom Wasserdampfpartialdruck des jeweiligen Dampfanteils erfolgt, und daß die verschiedenen Kondensationsstufen (20.1, 20.2, 20.3) für die Gewinnung der Nutzwärme mit unterschiedlichen Wasserdurchsätzen bei unterschiedlichen Temperaturen betrieben werden.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter (6) der Gasturbinenanlage im Teillastbetrieb mit variabler Drehzahl antreibbar ist.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch einen Spitzenlastdampferzeuger (26) für die Fernwärme eine Dampfzufuhr zur Mischkammer (4) zusätzlich zur oder anstelle der Dampfzufuhr aus dem Grundlastdampferzeuger (1) erfolgt.

   Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

   Konventionelle Heizkraftwerke weisen üblicherweise einen Grundlastdampferzeuger, eine Hochdruckdampfturbine, einen Zwischenüberhitzer und eine weitere Turbine auf. Diese Heizkraftwerke müssen je nach Außentemperatur eine recht unterschiedliche Heizleistung bereitstellen. Der maximale Wärmebedarf der Winterspitze bestimmt zwar die Höhe der Fernwärmeleistung, die Turbinenkapazität wird jedoch meist nur für eine Abgabe von etwa 50% dieser Spitzenleistung bemessen, um eine rentable Auslastung der teueren in Kraft-Wärmekupplung ausgeführten Grundlasteinheit zu erhalten. Die verbleibende Spitzenleistung von ca.

   50% wird ohne Stromerzeugung abgegeben. Ferner ist bei den Heizkraftwerken die Strommenge jeweils von der erzeugten Fernwärme abhängig, so daß zwischen Stromabgabe und Fernwärmeerzeugung eine zwangsweise starre Kupplung besteht. Wird nur wenig Fernwärme erzeugt, so ist auch entsprechend die Stromerzeugung reduziert. Die relativ geringe elektrische Leistung der Heizkraftwerke sowie die vorwiegend auf das Winterhalbjahr begrenzte Betriebsdauer erlauben bei Anlagen mit Gegendruckturbinen somit keine thermodynamisch hochwertige Lösung. Bevorzugt größere Anlagen mit Entnahme-Kondensationsturbinen können einen höheren elektrischen Wirkungsgrad erreichen und sind in der Stromabgabe unabhängig von der Heizlei stung. Allerdings wird auch hier die Fernwärme mit einer elektrischen Minderleistung und entsprechenden Brennstoffkosten belastet.

   Anzustreben wäre demnach ein Konzept, das eine volle elektrische Leistungsabgabe unabhängig vom Fernwärmebedarf unter Einsatz von Energie erlaubt, die gerade auch unter Beachtung unterschiedlicher Forderungen an ein Heizkraftwerk im jahreszeitlichen Betrieb ausreichend und kostengünstig zur Verfügung steht.

   Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer Heizkraftwerksanlage zu schaffen, welche eine volle elektrische Leistungsabgabe unabhängig von der Fernwärmeerzeugung in wirtschaftlicher Weise ermöglicht.

   Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 enthaltenen Merkmale gelöst.

   Nach Maßgabe der Erfindung erfolgt eine vom Fernwärmebedarf unabhängig Stromabgabe dadurch, daß der Abdampf der Hochdruckdampfturbine einer als Mischkammer ausgebildeten Brennkammer einer Gasturbinenanlage zugeführt wird. In dieser wird die Temperatur des Dampfes durch zusätzliche Befeuerung, vorzugsweise mit Erdgas, auf eine wesentlich höhere Temperatur und zwar insbesondere auf eine für Gasturbinen übliche Temperatur von etwa 1000"C und darüber gebracht. Die verfahrenstechnisch eingesetzte Turbine wird in Gasturbinentechnik ausgeführt. Es kann aber auch mit einer für Dampfturbinen üblichen Temperatur gefahren werden, wenn bei Stromtälern keine Mischungsüberhitzung erforderlich ist. Die Zufuhr von Dampf zu einer als Mischkammer ausgebildeten Brennkammer einer Gasturbinenanlage ist an sich bekannt (DE-OS 26 48 576). Hierbei wird allerdings nur zur Spitzenstromerzeugung ein Teil der Dampfmenge vom Grundlastdampferzeuger abgezweigt und der Mischkammer zugeführt, jedoch fehlt es an einem Zusammenwirken von Stromerzeugung und Fernwärmeerzeugung.