DE3734959C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Gas-Dampf-Kraftanlage der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art.

Aus der DE-OS 14 76 903 ist eine solche Gas-Dampf- Kraftanlage bekannt, bei der der überwiegende, in der Anlage erzeugte Dampf, mit samt den Brenngasen an die Umgebung ausgeschleust wird; nur ein geringer Teil des in der Turbine entspannten Dampfes wird zum Vorwärmen des Speisewassers mit dem Wasser vermischt. Der Dampf der ohne Kondensationseinrichtung ausgeführten Dampfturbine wird in den Feuerraum an einer Stelle zugegeben, an der nach der Vermischung eine gemeinsame Temperatur des Verbrennungsgases und des Dampfes von ca. 600°C vorliegt, während die Temperatur des Verbrennungsgases vor der Mischstelle 1300°C beträgt. Der in der Gasturbine teilexpandierte Dampf wird also nicht auf die im Feuerraum höchstmögliche Temperatur erhitzt.

Aus der DE-Z. "Technische Mitteilungen", 71. Jahrgang, Heft 7, Juli 1978, S. 360, Bild 3 ist eine solche Gas- Dampf-Kraftanlage bekannt, bei der der eingesetzte Brennstoff unter Verwendung von Dampf und Luft einer Druckvergasung unterzogen wird. Nach einer Kühlung und einer ersten Teilentspannung wird das Produktgas mit Hilfe von Luft in einer Brennkammer verbrannt. Der mit Hilfe des Wasser-Dampf-Kreislaufes erzeugte Dampf wird in der Dampfturbine entspannt. Bei der bekannten Gas-Dampf- Kraftanlage wird also der aus der Turbine entnommene zumindest teilexpandierte Dampf für eine Vergasung der Kohle unter unterstöchiometrischen Bedingungen verwendet.

Andere Gas-Dampf-Kraftanlagen mit Hochdruckdampferzeuger können mit einer druckaufgeladenen Wirbelschichtfeuerung, mit einer Druckkohlenstaubfeuerung, Drucköl- oder Druckgasfeuerung ausgerüstet sein. Es wird stets angestrebt, den Wirkungsgrad von Gas-Dampf-Kraftanlagen zu verbessern.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bei einer Gas-Dampf-Kraftanlage der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art anzugeben, bei dem ohne Ausschleusung des überwiegenden Teiles des in der Anlage erzeugten Dampfes ein hoher Wirkungsgrad erzielt wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der einer Kondensationsdampfturbine entnommene Dampf bei einem nahstöchimetrischen Verbrennungsluft-Verhältnis im Bereich von 1 bis 1,5 des Brennstoffes in den Feuerraum eingegeben wird und dort auf die im Feuerraum höchstmögliche Temperatur erhitzt wird.

Bei der erfindungsgemäßen Gas-Dampf-Kraftanlage wird nur eine Teilmenge des in der Anlage erzeugten Dampfes als sogenannter Anzapfdampf in den Feuerraum zurückgeführt, dort jedoch auf die im Feuerraum höchstmögliche Temperatur erhitzt, um als Arbeitsmittel für die Gasturbine zu dienen. Bei einer Druckwirbelschichtfeuerung mit einer höchstmöglichen Feuerraumtemperatur von 850°C wird der Dampf auf eine Temperatur erhitzt, die im wesentlichen über der zur Zeit höchstmöglichen Temperatur im Wasser-Dampf- Kreislauf liegt, die z. B. 530°C betragen kann.

Gegenüber der Verfahrensführung in der aus der DE-Z. "Technischen Mitteilungen" bekannten Gas-Dampf-Kraftanlage nimmt der aus der Dampfturbine entnommene zumindest teilexpandierte Dampf nicht an einem Oxidationsprozeß teil.

Bei der erfindungsgemäßen Gas-Dampf-Kraftanlage sorgt die durch die Zuordnung der Heizfläche zum Feuerraum mögliche direkte Wärmeübertragung an den Hochdruckdampf dafür, daß bei nahstöchiometrischem Verbrennungsluftverhältnis n, d.h. im Bereich von n = 1-1,5, vorzugsweise 1-1,4, die Verbrennungstemperatur im Feuerraum und somit die Treibgastemperatur vor der Gasturbine so begrenzt bleiben wie durch das Feuerungssystem (Druckkohlenstaub-Feuerung, Druckwirbelschicht usw.) und die Bauweise der eingesetzten Gasturbine vorgegeben wird. Wird in einen Feuerraum, dem mindestens eine Heizfläche zugeordnet ist, Dampf injiziert, so kann durch entsprechende Auslegung der Größe der Heizfläche oder Heizflächen erreicht werden, daß die an den Hochdruckdampf übertragene Wärmemenge gerade um soviel vermindert wird, wie zu der Überhitzung des direkt in den Feuerraum eingegebenen Dampfes auf die Abgastemperatur, d. h. die Treibgastemperatur der Gasturbine, aufzuwenden ist.

Bei Ausbildung des Feuerraumes als druckaufgeladene Wirbelschicht kann die Heizflächenanpassung in besonders einfacher Weise durch Anpassung der Wirbelschichthöhe erfolgen.

Bei der erfindungsgemäßen Gas-Dampf-Kraftanlage erfolgt die Verbrennung unverändert bei gleichem nahstöchiometrischem Verbrennungsluftverhältnis. Bei gleichem Luftmassenstrom wie im Falle ohne Dampfinjektion in den Feuerraum wird daher der Treibgasmassenstrom nur um den Injektionsdampfmassenstrom vergrößert, nicht aber durch einen zusätzlichen Verbrennungsgasstrom. Der Abgasverlust nach Ausnutzung der im Abgas der Gasturbine verfügbaren Energie ist daher kleiner als im bekannten Prozeß.

Die Heizfläche kann vorzugsweise als Wand- und/oder als Heizfläche ausgebildet sein, die im Feuerraum angeordnet ist.

Es wird weiterhin bevorzugt, daß der Feuerraum als Druck-Wirbelschichtfeuerung mit stationärer Wirbelschicht ausgebildet ist.

Zur weiteren Ausnutzung der Abwärme ist es von Vorteil, wenn der Gasturbine in an sich aus der DE-OS 35 36 451 bekannten Art und Weise ein Wärmetauscher für den Wärmetausch zur Verbrennungsluft und/oder ein Wärmetauscher zum Wasser-Dampf-Kreislauf und diesem eine weitere Gasturbine nachgeschaltet ist, in dem das Verbrennungsgas arbeitsleistend weiterexpandiert wird. Diese zweite Turbine ist in wiederum bevorzugter und an sich bekannter Weise Teil eines Turboladers für die Verbrennungsluft.

Bei der Ausbildung des Feuerraums als Druckwirbelschichtfeuerung wird weiterhin bevorzugt, daß der in den Feuerraum eingeführte Dampf zumindest teilweise als Treibdampf zur Injektion des Brennstoffes in die Druckwirbelschicht dient. Da aber u. U. für die Injektion des Brennstoffes weniger Treibdampf erforderlich ist als für die Wirkungsgradanhebung zugeführt werden kann, ist es weiterhin von Vorteil, daß der dem Feuerraum zuzuführende und aus der Turbine entnommene Dampf dem Feuerraum in mindestens zwei Druckstufen zugeführt wird, wobei z. B. bei einer Turbinenanlage mit Zwischenüberhitzung die eine Druckstufe aus der kalten ZÜ entnommen werden kann, während die niedrigere Druckstufe aus einer mit dem ZÜ-Dampf beaufschlagten Turbine entnommen werden kann.

Die Erfindung soll nun anhand der beigefügten Figuren genauer erläutert werden. Es zeigt:

Fig. 1 ein vereinfachtes Schaltdiagramm zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Gas-Dampf-Kraftanlage,

Fig. 2 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gas- Dampf-Kraftanlage, bei der der Feuerraum des Hochdruck-Dampferzeugers als druckaufgeladene Wirbelschicht ausgebildet ist, und

Fig. 3 ein Ts-Diagramm zur Erläuterung der Zustandsänderung für den einen Dampfteilstrom, der bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 in den Feuerraum eingeführt wird.

In der Fig. 1 ist schematisch ein Hochdruck-Dampferzeuger (1) dargestellt, dessen Feuerraum (2) als druckaufgeladene Wirbelschicht ausgebildet ist. Der Wirbelschicht wird als Brennstoff Kohle (K) und zur Entschwefelung CaCO₃ zugeführt. Dem Feuerraum (2) ist eine Heizfläche (3) zugeordnet (es ist klar, daß mehrere Heizflächen in Form von Wandheizflächen und im Innern des Feuerraums angeordneten Heizflächen vorgesehen sein können). Der die Heizfläche (3) verlassende Hochdruckdampf wird über eine Leitung (4) einer Dampfturbine (5) zugeleitet, in der er arbeitsleistend expandiert wird. Die Dampfturbine (5) treibt einen Generator (6) an. Der aus der Dampfturbine (5) austretende Dampf wird in einem Kondensator (7) kondensiert und mittels Pumpen (8) und (9) und einem zwischen diesen Pumpen liegenden Speisewasserbehälter (10) über eine Leitung (11) dem Hochdruck-Dampferzeuger (1) zugeleitet.

Der druckaufgeladenen Wirbelschicht wird mittels eines Verdichters (12) verdichtete Verbrennungsluft (L) zugeführt. Die Verbrennungsabgase aus dem Feuerraum (2) werden über einen Filter (13) einer das Verbrennungsabgas arbeitsleistend expandierenden Gasturbine (14) zugeleitet und von dieser über einen in die Leitung (11) eingeschalteten Wärmetauscher (15) zu einem nicht dargestellten Kamin abgeführt.

Neben dem in den Wasser-Dampf-Kreislauf eingebundenen Wärmetauscher (15) können bei Bedarf in der Leitung (11) noch weitere Wärmetauscher angeordnet sein, die mit Anzapfdampf von der Dampfturbine (5) her beaufschlagbar sind (vgl. Fig. 2).

Über eine Anzapfleitung (16), in der ein Drosselventil (17) vorgesehen ist, wird Anzapfdampf von der Dampf­ turbine (5) direkt in den Feuerraum (2) des Hochdruck-Dampferzeugers (1) eingeleitet. Der Dampf wird auf die im Feurraum vorhandene höchstmögliche Temperatur erwärmt und zusammen mit dem Verbrennungsabgas in der Gasturbine (14) entspannt, die den Verdichter (12) und ggf. zusätzlich einen weiteren Generator (18) antreibt.

Der Dampf wird der Dampfturbine (5) z. B. mit einer Temperatur in der Größenordnung von 530°C und einem Druck von 37 bar zugeführt. Der über die Leitung (16) in den Feuerraum eingeführte Anzapfdampf kann jedoch auf eine Temperatur von 850°C im Falle einer Druckwirbelschicht erhitzt werden und in der Gasturbine (14) entspannt werden, wodurch der Wirkungsgrad verbessert wird.

Entsprechend der aus dem Wasserdampf-Kreislauf entnommenen Dampfmenge wird vor oder nach Speisewasserbehälter eine entsprechende Speisewassermenge über Leitung (19) fortlaufend zugeführt.

Für die Gas-Dampf-Kraftanlage gemäß Fig. 2 werden die in der Fig. 1 benutzten Bezugszeichen übernommen, soweit dies möglich ist. Hinsichtlich der dort gezeigten Schaltung des Gasturbinenprozesses wird ausdrücklich auf die DE-OS 35 36 451 und die DE-Z "Technische Mitteilungen", 71. Jhrg., Heft 7, Juli 1978, S. 360, Bild 3 verwiesen, deren Offenbarung hiermit auch zum Gegenstand der Offenbarung der vorliegenden Anmeldung gemacht wird.

Bei der Gas-Dampf-Kraftanlage gemäß Fig. 2 ist eine Hochdruckturbine (5 a) und einer Niederdruckturbine (5 b) vorgesehen. Aus der Hochdruckturbine (5 a) austretender Dampf wird über Leitung (20) einer Heizfläche (21) im Hochdruckdampferzeuger (1) zugeführt, um dort einer Zwischenüberhitzung unterzogen zu werden. Der zwischenüberhitzte Dampf wird über eine Leitung (22) der Niederdruckturbine (5 b) zugeführt.

An der Hochdruckturbine (5 a) wird über eine kalte Zwischenüberhitzerleitung (23) Dampf einer ersten Druckstufe einem parallel zum Wärmetauscher (15) liegenden Vorwärmer (24) zugeführt. In Reihe zum Vorwärmer (24) liegt ein weiterer Vorwärmer (25), der über eine Anzapfleitung (26) mit Anzapfdampf von der Niederdruck­ turbine (5 b) versorgt wird. Mit den Vorwärmern (24) und (25) liegt ein erstes Regelventil (27) in Reihe. Über eine weitere Anzapfleitung (28) der Niederdruckturbine (5 b) wird der Speisewasser-Vorratsbehälter (10) beheizt.

Von der Zwischenüberhitzerleitung (23) zweigt eine ein Drosselventil (29) aufweisende Leitung (30) ab, über die Treibdampf zur Injektion des Brennstoffs (K) in den Feuerraum (2) dem Hochdruck-Dampferzeuger (1) zugeleitet wird. Da für die Injektion des Brennstoffes in Form einer Kohle-Wasser-Mischung weniger Dampf direkt in den Feuerraum (2) eingeführt wird, als für die mögliche Erhöhung des Wirkungsgrades sinnvoll erscheint, ist der Feuerraum über eine Anzapfleitung (31) weiterhin mit der Niederdruckturbine (5 b) verbunden, wobei in der Anzapfleitung (31) ebenfalls ein zweites Regelventil (32) eingestellt ist.

Der Druck in der Anzapfleitung (31) und der Leitung (30) stromab des zweiten Regelventils (32) und des Drossel­ ventils (29) muß größer sein als der durch den Verdichter (12) im Feuerraum aufgebaute Feuerraumdruck, und weiterhin wird der Druck in der Leitung (30) wegen der Injektion des Brennstoffes höher sein als in der Anzapfleitung (31).

Weiterhin wird bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 das aus der Gasturbine (14) austretende Gas über einen Verbrennungsluft-Verbrennungsgas-Wärmetauscher (33) dem Wärmetauscher (15) zugeführt und wird nach diesem in einer weiteren Gasturbine (34) nachexpandiert, die zusammen mit einem dem Verdichter (12) vorgeschalteten Verdichter (35) einen Turbolader aufbaut. Zwischen den beiden Verdichtern (35) und (12) ist ein vorzugsweise ebenfalls in den Wasser-Dampf-Kreislauf eingebundener Gaskühler (36) angeordnet.

Es kann zweckdienlich sein, der Reihenschaltung aus Verdichter (35) und Kühler (36), dem Wärmetauscher (15) und der weiteren Gasturbine (34) jeweils eine vorzugsweise regelbare Bypassleitung zuzuordnen, um verschiedene Betriebszustände besser auffangen zu können.

Wie aus der Fig. 3 ersichtlich ist, wird der über Leitung (4) herangeführte und eine Temperatur von 530° aufweisende Dampf in der Hochdruckturbine (5 a) teilentspannt und nach erneuter Zwischenüberhitzung auf eine Temperatur von 530° in der Turbine (5 b) voll entspannt und bei einer Temperatur von 30°C kondensiert. Der aus der Hochdruckturbine (5 a) über die Zwischenüberhitzerleitung (23) und der Leitung (30) entnommene Dampf wird in den Feuerraum (2) im Falle der Druckwirbelschicht gemäß Fig. 2 auf die höchstmögliche Temperatur von 850°C erwärmt und zusammen mit den Verbrennungsabgasen in der Gasturbine arbeitsleistend entspannt. Dies ist in dem (Ts)-Diagramm des Dampfturbinenprozesses durch die strichpunktierte Linie dargestellt. Die Gasturbine (14) bzw. die Gasturbinen (14) und (34) können somit bezogen auf den Dampfturbinenprozeß auch als in die Gasturbinen integrierte Dampfturbine gewertet werden.

Aus dem Vorstehenden geht hervor, daß mit der erfindungsgemäßen Gas-Dampf-Kraftanlage durch die Anhebung der mittleren Temperatur des Dampfprozesses eine Wirkungsgradverbesserung erreicht werden kann, ohne daß die heute üblichen Bereiche für Frischdampfdruck und/oder -temperatur für Dampfturbinen verlassen werden müssen. Heute hat sich unter Vermeidung der teuren austenitischen Werkstoffe bei den Großturbinen die Frischdampf- und Zwischenüberhitzungstemperatur auf etwa 520 bis 565°C, der Frischdampfdruck auf etwa 160 bis 250 bar eingependelt.

Claims (7)

1. Gas-Dampf-Kraftanlage mit mindestens einem einen Wasser-Dampf-Kreislauf aufweisenden Hochdruckdampferzeuger, in dessen unter Druck stehendem Feurraum durch Verbrennung eines Brennstoffes Wärme und Verbrennungsabgase erzeugt werden, mindestens einer dem Feuerraum zugeordneten Heizfläche, über die Wärme aus dem Feuerraum unmittelbar auf den Wasser-Dampf-Kreislauf übertragen wird, mindestens einer der Heizfläche nachgeschalteten Dampfturbine und mindestens einer dem Feuerraum abgasseitig nachgeschalteten Gasturbine zur Expansion des Verbrennungsabgases, wobei aus der Dampfturbine zumindest teilexpandierter Dampf unter Nachspeisung einer entsprechenden Wassermenge in den Wasser-Dampf-Kreislauf entnommen wird und bei einem Druck oberhalb des im Feuerraum herrschenden Drucks direkt in den Feuerraum gegeben wird und danach zusammen mit dem Verbrennungsgas in der Gasturbine expandiert wird, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der einer Kondensationsdampfturbine (5, 7) entnommene Dampf bei einem nahstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis im Bereich von 1 bis 1,5 des Brennstoffes (K) in den Feuerraum (2) eingegeben wird und dort auf die im Feuerraum höchstmögliche Temperatur erhitzt wird.

2. Gas-Dampf-Kraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizfläche (3; 21) als Wand- und/oder als im Feuerraum (2) angeordnete Heizfläche ausgebildet ist.

3. Gas-Dampf-Kraftanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Feuerraum (2) als Druckwirbelschichtfeuerung mit stationärer Wirbelschicht ausgebildet ist.

4. Gas-Dampf-Kraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasturbine (14) ein Wärmetauscher (33) für den Wärmetausch zur Verbrennungsluft (L) und/oder ein Wärmetauscher zum Wasser-Dampf-Kreislauf (15) und diesem eine weitere Gasturbine (34) nachgeschaltet ist, in der das Verbrennungsgas weiter expandiert wird.

5. Gas-Dampf-Kraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der in den Feuerraum (2) eingeführte Dampf zumindest teilweise als Treibdampf zur Injektion des Brennstoffes (K) dient.

6. Gas-Dampf-Kraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Feuerraum (2) zuzuführende und aus der Dampfturbine (5) entnommene Dampf dem Feuerraum in mindestens zwei Druckstufen zugeführt wird.

7. Gas-Dampf-Kraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit einer Turbinenanlage mit Zwischenüberhitzung, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil des in den Feuerraum (2) einzuführenden Dampfes aus der Zwischenüberhitzerleitung (23) entnommen wird.