DE3731627A1 - Verfahren zur leistungsregelung eines kohlekombiblocks mit integrierter kohlevergasung und nach dem verfahren betriebenes kohlekraftwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Leistungsregelung eines im kombinierten Gasturbinen-Dampfturbinenprozeß mit­ tels einer Gasturbinenanlage und einer Dampfkraftanlage aus einem Dampferzeuger mit einer Feuerung und einer Dampfturbi­ ne betriebenen Kohlekraftwerks, bei dem Kohle in einer Kohlevergasungsanlage teilvergast, das erzeugte Brenngas der Gasturbine und der Restkoks der Feuerung des Dampferzeu­ gers zugeführt werden, sowie ein Kohlekraftwerk, das insbe­ sondere nach dem Verfahren betrieben wird.

In der DE-OS 28 53 645 sind ein Verfahren und ein Kohle­ kraftwerk dieser Art beschrieben. Angaben über die Regelung zwischen Vollast bzw. Teillast fehlen jedoch.

Ein ähnliches Verfahren ist auch in der DE-OS 36 03 095 beschrieben und zeichnet sich insbesondere durch ein zwi­ schen der Gasturbinenanlage und der Feuerung des Dampferzeu­ gers angeordnetes Wärmeübertragungssystem mit flüssigem Na­ trium als Wärmeträger aus. Auch hier fehlt es an einer Aussage über die Regelung zwischen Vollast und Teillast.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfah­ ren zur Leistungsregelung eines Kohlekraftwerks zu schaf­ fen, mit dem sich ein großer Regelbereich zwischen Vollast und Teillast unter Aufrechterhaltung eines möglichst hohen Gesamtwirkungsgrades erreichen läßt.

Gelöst wird die Aufgabe dadurch, daß bei einer Kraftwerksan­ lage der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß der Lei­ stungsanteil der Gasturbinenanlage an der Gesamtleistung des Kraftwerks von Vollast nach Teillast und der Vergasungs­ grad der Kohlevergasungsanlage von Vollast nach Teillast zunehmend mit auf den Leistungsbedarf der Gasturbine einge­ stellter Menge des erzeugten Brenngases und auf den Lei­ stungsbedarf der Dampfturbine eingestelltem, abnehmenden Restkoksanteil bei insgesamt abnehmender Kohlezufuhr gere­ gelt werden.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß der Wirkungs­ grad einer Gasturbinenanlage im Teillastbetrieb schneller abfällt als der einer Dampfkraftanlage, so daß sich mit der erfindungsgemäßen Regelung das Leistungsangebot der Gastur­ binenanlage im Bereich des optimalen Wirkungsgrades halten läßt, während sich demgegenüber das Leistungsangebot der Dampfkraftanlage überproportional verringern läßt, ohne daß der Gesamtwirkungsgrad im Teillastbereich wesentlich ab­ fällt.

Um das Wärmeangebot in der Kohlevergasungsanlage, in der Gasturbinenanlage und in der Feuerung des Dampferzeugers dem Bedarf bei Vollast bzw. Teillast anpassen zu können, befindet sich zwischen der Gasturbinenanlage, der Feuerung des Dampferzeugers und der Kohlevergasungsanlage ein Wärme­ übertragungssystem, dessen Temperaturen von Vollast nach Teillast ansteigend geregelt werden. Insbesondere geschieht dies bei der Gasturbinenanlage durch Steigerung der Tempera­ tur des zugeführten Brenngases und/oder der verdichteten Luft und bei der Kohlevergasungsanlage durch Steigerung der Prozeßlufttemperatur und gegebenenfalls durch Veränderung der der Kohlevergasungsanlage zugeführten Prozeßluftmenge.

Die maximal mögliche Temperatur im Wärmeübertragungssystem wird daher nicht im Auslegungspunkt, d.h. bei Vollast des Kohlekraftwerks, sondern erst im Teillastgebiet erreicht. Dies bedeutet, daß sich auch bei abfallender Gasproduktion der Kohlevergasungsanlage, die sich ungeachtet der Steige­ rung des Vergasungsgrades von einem gewissen Lastpunkt ab ergibt, ein Ausgleich in der Energiezufuhr für die Gastur­ bine durch Erhöhen der Temperaturen des zugeführten Brennga­ ses und der verdichteten Luft erreichen läßt.

Des weiteren ist trotz des wechselnden Vergasungsgrades in der Kohlevergasungsanlage eine praktisch unveränderte Gas­ qualität gewährleistet. Für einen höheren Vergasungsgrad sind nämlich entsprechend höhere Arbeitstemperaturen der Kohlevergasungsanlage erforderlich, was normalerweise durch eine stärkere Teilverbrennung im autothermen Prozeß, d.h. durch eine Steigerung der Zufuhr des Oxydationsmittels, zum Beispiel der Luft, erreicht wird. Dies hat indessen eine höhere Stickstoffbelastung des erzeugten Brenngases zur Fol­ ge, wodurch die Gasqualität sinkt. Durch eine höhere Vor­ wärmtemperatur der zugeführten Prozeßluft läßt sich diesem Nachteil entgegenwirken.

Da der Vergasungsgrad im Auslegungspunkt des Kraftwerks absichtlich niedrig liegt, um eine entsprechende Steigerung im Teillastbetrieb zu ermöglichen, wird der Feuerung des Dampferzeugers im oberen Lastbereich neben dem Restkoks aus der Kohlevergasungsanlage noch zusätzlicher Brennstoff, bei­ spielsweise Kohle, zugeführt.

Vorzugsweise wird die verdichtete Luft für die Gasturbinen­ anlage zweistufig mit Wärmezufuhr in der ersten Stufe aus den Gasturbinenabgasen und Wärmezufuhr in der zweiten Stufe aus der Feuerung des Dampferzeugers vorgewärmt. Die Rege­ lung der Temperatur der verdichteten Luft vor Eintritt in die Brennkammer der Gasturbine ist dann sehr einfach da­ durch möglich, daß ein in der Gasturbinenabgasleitung ange­ ordneter Rekuperator bei Vollast nicht voll beaufschlagt wird, indem ein Teil der Gasturbinenabgase durch einen regelbaren By-pass am Rekuperator vorbei geleitet wird. Dadurch läßt sich die Gasturbineneintrittstemperatur und somit die Gasturbinenleistung auch bei einem geringeren Angebot an gasförmigem Brennstoff im Teillastbereich des Blockes aufrechterhalten.

Besonders vorteilhaft ist es, im Wärmeübertragungssystem zwischen dem Dampferzeuger und der Gasturbine zur Aufhei­ zung der verdichteten Luft einen bei geringem Überdruck und hohen Temperaturen flüssigen Wärmeträger, beispielsweise Na­ trium zu verwenden. Die damit verbundenen Vorteile sind im einzelnen in der DE-OS 36 03 095 beschrieben.

Da, wie schon erwähnt, der Wirkungsgrad einer Gasturbine im Teillastbetrieb verhältnismäßig stark abfällt, soll die Gas­ turbinenanlage mit im wesentlichen gleichbleibender Lei­ stung und die Dampfkraftanlage mit abnehmender Leistung zwischen Vollast und Teillast des Kraftwerks geregelt wer­ den. Für einen großen Regelbereich zwischen Vollast und Teillast kann es dann vorteilhaft sein, die Gasturbinenlei­ stung auf mehrere Einheiten aufzuteilen, die mit im wesent­ lichen gleichbleibender Leistung gefahren werden können, wobei sich die Gasturbinenleistung durch Abschalten einer oder mehrerer Einheiten und die Dampfturbinenleistung abneh­ mend zwischen Vollast und Teillast des Kraftwerks regeln lassen. Thermodynamisch hat dies auf den Gesamtprozeß zwei Einflüsse. Zum einen wird der im Prozeß verbleibende Lei­ stungsanteil der Gasturbine mit unverändert gutem Wirkungs­ grad (Auslegungspunkt) gefahren, zum anderen vermindert sich dabei das Abgasangebot der Gasturbine, das im Dampfer­ zeuger aufgenommen werden muß. Die Aufnahme des Gasturbinen­ abgases im Dampferzeuger bedeutet nicht nur, zwangsläufig einen bestimmten Luftüberschuß in der Feuerung fahren zu müssen, sondern durch den höheren Luftüberschuß gegenüber einer nahstöchiometrischen Verbrennung auch eine größere Rauchgasmenge in den nachgeschalteten Heizflächen abkühlen zu müssen. Läßt sich die Rauchgasmenge, die sehr wesentlich durch die Abgasmenge der Gasturbine bestimmt wird, bei Teillast nicht vermindern, wie dies mit einer Gasturbine im Teillastbereich der Fall ist, entsteht im Gesamtprozeß ein Mißverhältnis zwischen den Wärmequellen und den verfügbaren Wärmesenken. Da sich die Kondensat- und Speisewassermenge der Dampfkraftanlage mit sinkender Last stark vermindern, wäre eine Abkühlung der Rauchgase des Dampferzeugers auf die gewünschte niedrige Kamineintrittstemperatur nicht mehr möglich und eine Wirkungsgradverschlechterung wäre die Fol­ ge. Dies wird durch die Aufteilung in mehrere Gasturbinen­ einheiten vermieden.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auch durch ein Kohlekraftwerk der eingangs erwähnten Art erfindungsge­ mäß durch ein zwischen der Gasturbinenanlage, der Feuerung des Dampferzeugers und der Kohlevergasungsanlage angeord­ netes Wärmeübertragungssystem mit einem bei geringem Über­ druck und hohen Temperaturen flüssigen Wärmeträger und ei­ nem Wärmetauscher im Abgasstrom der Gasturbinenanlage zum Vorwärmen der verdichteten Luft der Gasturbinenanlage mit einem dazu parallelen, regelbaren By-pass gelöst. Mit die­ sem Wärmeübertragungssystem läßt sich nach Bedarf Wärme aus der Dampfkraftanlage auskoppeln und in die Gasturbinenanla­ ge und die Kohlevergasungsanlage übertragen, wobei durch die Verwendung eines bei geringem Überdruck und hohen Tempe­ raturen flüssigen Wärmeträgers ein hohes Temperaturniveau im Wärmeübertragungssystem gewährleistet ist.

Zu diesem Zweck besteht das Wärmeübertragungssystem aus einem in der Feuerung des Dampferzeugers angeordneten Wärme­ trägererhitzer, einem Prozeßluftvorwärmer, einem Prozeß­ dampferzeuger, einem Brenngasvorwärmer und einem Vorwärmer für die verdichtete Luft der Gasturbinenanlage. Dabei bil­ det der im Abgasstrom der Gasturbinenanlage angeordnete Wärmetauscher die erste Stufe und der mit dem Wärmeträger beaufschlagte Vorwärmer die zweite Stufe eines zweistufigen Vorwärmsystems der verdichteten Luft. Mit dieser Anordnung läßt sich die Temperatur der verdichteten Luft der Gasturbi­ nenanlage in einfacher Weise durch einen parallel zum Abgas­ wärmetauscher angeordneten By-pass regeln, durch den bei Vollast ein Teil der Abgase am Abgaswärmetauscher vorbeige­ leitet wird.

Um einen hohen Wirkungsgrad der Gesamtanlage über einen großen Lastbereich aufrechterhalten zu können, kann die Gasturbinenanlage aus mindestens zwei parallel angeordneten Gasturbinen, die sich bei Bedarf an- und abschalten lassen, bestehen.

Das erfindungsgemäße Verfahren und das nach dem Verfahren betriebene Kohlekraftwerk zeichnen sich somit dadurch aus, daß die Temperatur des Wärmeübertragungssystems mit fallen­ der Blocklast gesteigert wird, um das Wärmeangebot für die Gasturbinenanlage zu erhöhen und daß sich auch bei Teillast die volle Leistung der einzelnen Gasturbinen halten läßt. Des weiteren wird auch die Prozeßlufttemperatur mit fallen­ der Blocklast gesteigert, um den Vergasungsgrad in der Kohlevergasungsanlage weitgehend ohne Verminderung der Gas­ qualität steigern zu können.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispiels des näheren erläu­ tert.

Von einer Mahlanlage 1 gelangt Kohlenstaub in einen Verga­ sungsreaktor 2. Dessen Produktgas und der Restkoks werden in einer Trennvorrichtung 34 getrennt. Aus der Trennvor­ richtung 34 werden das Produktgas über eine Produktgaslei­ tung 3 und der Restkoks über eine Kokstransportleitung 35 abgeführt. Die für die Vergasung benötigte Luft wird mit­ tels eines Verdichters 4 in eine Prozeßluftleitung 5 ge­ drückt und strömt in den Vergasungsreaktor 2. In der Prozeß­ luftleitung 5 befindet sich ein Prozeßluftvorwärmer 6, der von einem mit einer Umwälzpumpe 8 versehenen Natriumkreis­ lauf 7 mit Wärme beaufschlagt wird.

Der für die Vergasung benötigte Wasserdampf wird in einem Prozeßdampferzeuger 22 erzeugt, in den über eine Pumpe 23 und eine Leitung 24 Speisewasser gelangt. Wird der Prozeß­ dampferzeuger 22 mit Dampf gespeist, so wirkt er als Prozeß­ dampfüberhitzer. Das Natrium nimmt die Wärme in einem Natri­ umerhitzer 9 aus dem Rauchgas der Feuerung 10 eines Dampfer­ zeugers 11 auf.

Der in einem Verdampfer 13 des Dampferzeugers 11 erzeugte Dampf wird zunächst durch einen Überhitzer 14 geführt und gelangt dann in eine Dampfturbine 16 mit einem Hochdruck­ teil und einem Niederdruckteil. Die Dampfturbine 16 treibt einen Generator 12 an. Zwischen dem Hochdruckteil und dem Niederdruckteil der Dampfturbine 13 ist ein Zwischenüberhit­ zer 15 angeordnet. An der Dampfturbine 16 befinden sich Anzapfungen, die zum Vorwärmen des Speisewassers in einem Speisewasservorwärmer 19 dienen. Der aus der Dampfturbi­ ne 13 austretende Dampf wird in einem Kondensator 17 nieder­ geschlagen, mittels einer Kondensatpumpe 18 in den Speise­ wasservorwärmer 19 gedrückt und mittels einer Speisewasser­ pumpe 20 in den Dampferzeuger 11 geleitet.

Das Brenngas gelangt über die Leitung 3 in einen Brenngas­ vorwärmer 21, der ebenfalls im Natriumkreislauf 7 angeord­ net ist und daher mit aus der Feuerung 10 ausgekoppelter Wärme beaufschlagt wird. Über eine Brenngasleitung 30 ge­ langt das erhitzte Brenngas in Brennkammern 25, 42, denen über Leitungen 31, 48 verdichtete und vorgewärmte Luft zuge­ führt wird. Die Luft wird in Verdichtern 26, 43 verdichtet, gelangt in als Rekuperatoren gestalteten Wärmetauschern 27, 46 und von dort in weitere Lufterhitzer 28, 47, die mit erhitztem Natrium aus dem Natriumkreislauf 7 beaufschlagt werden. Somit wird die verdichtete Luft zweistufig vorge­ wärmt, wobei die erste Stufe durch die Rekuperatoren 27, 46 und die zweite Stufe durch die Lufterhitzer 28, 47 gebildet wird.

Die Verbrennungsgase aus den Brennkammern 25, 42 gelangen über Leitungen 32, 44 in Gasturbinen 29, 39, die als Zweiwellengasturbinen ausgebildet sein können und die Ver­ dichter 26, 43 und Generatoren 37, 40 antreiben. Die Abgase aus den Gasturbinen 29, 39 durchströmen die Rekuperatoren 27, 46 und bei Vollast zum Teil Ümgehungsleitungen 41, 45, sie werden über eine Leitung 33 der Feuerung 10 zugeführt. Die Abgase enthalten noch einen großen Sauerstoffanteil, da die Gasturbinen 29, 39 mit einem erheblichen Luftüberschuß betrieben werden müssen, um die Verbrennungstemperaturen nicht über das zulässige Maß ansteigen zu lassen. Daher lassen sich die Abgase als Oxydationsmittel für den der Feuerung 10 über die Leitung 35 zugeführten Restkoks und bei Vollast über eine Leitung 36 zugeführten zusätzlichen Kohlenstaub verwenden. Aus der Feuerung 10 entweichen die Rauchgase durch einen Kamin 38.

Die Temperaturen im Wärmeübertragungssystem, bestehend aus dem Natriumerhitzer 9, dem Prozeßluftvorwärmer 6, dem Pro­ zeßdampferzeuger 22, dem Brenngasvorwärmer 21 und den Ver­ brennungsluftvorwärmern 28, 47 lassen sich ähnlich regeln wie die Vorwärmung der verdichteten Luft in den Rekuperato­ ren 27, 46, indem ein Teil der Rauchgase aus der Feuerung 10 bei Vollast am Natriumerhitzer 9 vorbeigeleitet wird, während die Beaufschlagung des Natriumerhitzers 9 durch die Rauchgase bei Teillast immer größer wird, so daß entspre­ chend die Temperaturen im Natriumkreislauf 7 steigen. Auf diese Weise steigt auch das Wärmeangebot für den Vergasungs­ reaktor 2, so daß sich im Vergasungsreaktor 2 eine Erhöhung des Vergasungsgrades bei gleichbleibender Brenngasqualität und durch Abschalten einer der Gasturbinen 29, 39 eine gleichbleibende Leistung bei abnehmender Brenngasmenge er­ reichen läßt.

Claims (15)

1. Verfahren zur Leistungsregelung eines im kombinierten Gasturbinen-Dampfturbinenprozeß mittels einer Gasturbi­ nenanlage und einer Dampfkraftanlage aus einem Dampfer­ zeuger mit einer Feuerung und einer Dampfturbine be­ triebenen Kohlekraftwerks, bei dem Kohle in einer Koh­ levergasungsanlage teilvergast, das erzeugte Brenngas der Gasturbine und der Restkoks der Feuerung des Dampf­ erzeugers zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungsanteil der Gasturbinenanlage an der Gesamtleistung des Kraftwerks von Vollast nach Teil­ last und der Vergasungsgrad einer Kohlevergasungsanla­ ge von Vollast nach Teillast zunehmend mit auf den Lei­ stungsbedarf der Gasturbine eingestellter Menge des erzeugten Brenngases und auf den Leistungsbedarf der Dampfturbine eingestelltem, abnehmendem Restkoksanteil bei insgesamt abnehmender Kohlezufuhr geregelt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen der Gasturbine, der Feuerung des Dampfer­ zeugers und der Kohlevergasungsanlage ein Wärmeüber­ tragungssystem befindet und dessen Temperaturen von Vollast nach Teillast ansteigend geregelt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungsanteil der Gasturbinenanlage an der Ge­ samtleistung des Kraftwerks von Vollast nach Teillast zusätzlich durch Steigerung der Temperatur des der Gasturbinenanlage zugeführten Brenngases und/oder der verdichteten Luft geregelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, daß der Vergasungsgrad in der Kohlevergasungsanla­ ge durch Steigerung der Prozeßlufttemperatur und gege­ benenfalls durch Veränderung der der Kohlevergasungs­ anlage zugeführten Prozeßluftmenge geregelt wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Feuerung des Dampf­ erzeugers im oberen Lastbereich neben dem Restkoks aus der Kohlevergasungsanlage noch zusätzlicher Brennstoff zugeführt wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasqualität durch Steigerung der Prozeßlufttemperatur bei steigendem Ver­ gasungsgrad im wesentlichen konstant gehalten wird.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der ver­ dichteten Luft vor der Gasturbinen-Brennkammer durch einen in der Gasturbinenabgasleitung angeordneten Reku­ perator mit dazu parallelem veränderlichem By-pass ge­ regelt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch ein zweistufiges Vorwärmen der verdichteten Luft der Gas­ turbinen-Anlage mit Wärmezufuhr in der ersten Stufe aus den Gasturbinenabgasen und Wärmezufuhr in der zwei­ ten Stufe aus der Feuerung des Dampferzeugers.

9. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die Verwendung eines bei geringem Überdruck und hohen Tem­ peraturen flüssigen Wärmeträgers im Wärmeübertragungs­ system.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasturbinenanlage mit im wesentlichen gleichbleibender Leistung und die Dampfturbine mit abnehmender Leistung zwischen Vollast und Teillast des Kraftwerks geregelt werden.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasturbinenleistung auf mehrere Einheiten aufgeteilt ist, die mit im we­ sentlichen gleichbleibender Leistung gefahren werden, und daß die Gasturbinenleistung durch Abschalten einer oder mehrerer Einheiten und die Dampfturbinenleistung abnehmend zwischen Vollast und Teillast geregelt wer­ den.

12. Kohlekraftwerk mit einer Gasturbinenanlage und einer Dampfkraftanlage aus einem Dampferzeuger mit einer Feuerung und einer Dampfturbine, das im kombinierten Gasturbinen-Dampfturbinenprozeß betrieben wird, und bei dem Kohle in einer Kohlevergasungsanlage teilver­ gast, das erzeugte Brenngas der Gasturbinenanlage und der Restkoks der Feuerung des Dampferzeugers zugeführt werden, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 11, gekennzeichnet durch ein zwischen der Gasturbinenanlage (29, 39), der Feuerung (10) des Dampferzeugers (11) und der Kohlevergasungsan­ lage (2) angeordnetes Wärmeübertragungssystem (6, 9, 21, 22, 28) mit einem bei geringem Überdruck und hohen Temperaturen flüssigen Wärmeträger und einem Wärmetau­ scher (27, 46) im Abgasstrom der Gasturbinenanlage (29, 39) zum Vorwärmen der verdichteten Luft mit einem dazu parallelen, regelbaren By-pass (41, 45).

13. Kohlekraftwerk nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich­ net, daß das Wärmeübertragungssystem aus einem in der Feuerung (10) des Dampferzeugers (11) angeordneten Wär­ meträgererhitzer (9), einem Prozeßluftvorwärmer (6), einem Prozeßdampferzeuger (22), einem Brenngasvorwär­ mer (21) und einem Vorwärmer (28, 47) zum Aufheizen der verdichteten Luft der Gasturbinenanlage besteht.

14. Kohlekraftwerk nach Anspruch 12 und 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Wärmetauscher (27, 46) die erste Stufe und der Vorwärmer (28, 47) die zweite Stufe eines zweistufigen Vorwärmers für die verdichtete Luft der Gasturbinenanlage bilden.

15. Kohlekraftwerk nach einem oder mehreren der Ansprü­ che 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Gastur­ binenanlage aus mindestens zwei parallel angeordneten Gasturbinen (29, 39) besteht.