DE3734959C2 - - Google Patents
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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.
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