DE3833832A1 - Method for the operation of a thermal power plant - Google Patents

Method for the operation of a thermal power plant

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Abstract

In order to be able to operate a gas turbine plant, run with oil and gas as the primary energy sources, additionally with solid fuels and waste heat from high-temperature processes, a method is proposed in which heated air is fed to the gas turbine by way of a combustion chamber, which air as waste gas after leaving the gas turbine is admitted to at least one heat exchanger of a district heating plant. At the same time the air, after leaving the compressor and before entering the combustion chamber, is preheated in an air heater, which is operated with solid fuels or hot exhaust gases from an external plant. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Wärme- Kraft-Anlage mit einer einen Generator antreibenden Gasturbine, der über einen von ihr gleichfalls angetriebenen Verdichter und eine mit gasförmigen oder flüssigen Brennstoffen betriebene Brennkammer erhitzte Luft zugeführt wird. Diese beaufschlagt als Abgas nach dem Verlassen der Gasturbine mindestens einen Wärmetauscher einer Fernwärmeanlage.The invention relates to a method for operating a heat Power plant with a generator driving Gas turbine, which is also driven by one of her Compressors and one with gaseous or liquid Fuel-operated combustion chamber fed heated air becomes. This acts as exhaust after leaving the Gas turbine at least one heat exchanger District heating system.

Derartige Verfahren sind allgemein bekannt und dienen dazu, die in der industriellen und kommunalen Energieversorgung in zunehmendem Umfange benötigten Wärme-Kraft-Anlagen zu betreiben, in denen Wärme und Strom erzeugt wird. Da die allgemeine energiewirtschaftliche Lage gekennzeichnet ist durchSuch methods are generally known and are used to those in industrial and municipal energy supply in increasing amount of thermal power plants operate in which heat and electricity is generated. Since the general energy situation is characterized by

  • - ein unverändert hohes Strompreisniveau,- an unchanged high electricity price level,
  • - ein niedriges Öl- und Gaspreisniveau,- a low oil and gas price level,
  • - zunehmende Anforderungen des Umweltschutzes, die vor allem zu einer Verdrängung von Kohle aus dem Wärmemarkt führen,- increasing environmental protection requirements, which is mainly to displace coal lead out of the heating market,

ergibt sich auch im Leistungsbereich unter zehn Megawatt (elektrisch) ein zunehmender Bedarf derartiger Anlagen. Aufgrund ihrer thermodynamischen und konstruktiven Besonderheiten kommen dabei immer häufiger Gasturbinen zum Einsatz. Einerseits verdrangen diese alte, erneuerungsbedürftige Kohleanlagen mit der Konsequenz, daß die neue Infrastruktur dem gegenüber den 50er und 60er Jahren veränderten Energiebedarfsprofil gerade ideal angepaßt werden kann, während ein Heizkraftwerk auf Kohlebasis, das zur Zeit nur als Dampfkraftanlage realisiert werden kann, dies nicht ermöglicht. Andererseits erlauben Gasturbinen mit dem Vorteil der Kraft-Wärme-Kopplung in der kommunalen Wärmeversorgung durch die damit erzielbaren stromwirtschaftlichen Erträge ein Wärmepreisniveau, das den Fernwärmeanlagen zu der Wettbewerbsfähigkeit verhilft, die für deren weiteren Ausbau erforderlich ist. In der kommunalen Versorgung zeichnet sich aus ökologischen Gründen ein starker Trend zur Fernwärmeversorgung ab. Der Hauptwiderstand gegen die Fernwärme lag bisher in den hohen Gesamtkosten. Mit Hilfe der Kraft-Wärme-Kopplung wird dieser Widerstand abgebaut. In einer Vielzahl von Bedarfsfällen kann die Gasturbine die bislang im Bereich von 1 bis 10 MWel bestehende technologische Lücke schließen.there is also an increasing need for such systems in the power range below ten megawatts (electrical). Due to their thermodynamic and design features, gas turbines are being used more and more frequently. On the one hand, these old coal plants in need of renovation were displaced, with the consequence that the new infrastructure can be ideally adapted to the changed energy demand profile compared to the 50s and 60s, whereas a coal-based thermal power station, which can currently only be implemented as a steam power plant, does not make this possible. On the other hand, gas turbines with the advantage of combined heat and power in municipal heat supply through the electricity yields that can be achieved thereby enable a heat price level that helps the district heating systems to achieve the competitiveness required for their further expansion. For ecological reasons, a strong trend towards district heating is emerging in municipal supply. So far, the main resistance to district heating has been the high overall costs. This resistance is reduced with the help of cogeneration. In a large number of cases, the gas turbine can close the technological gap that used to exist in the 1 to 10 MW el range .

Der zunehmende Einsatz von Gasturbinen in dem industriellen und kommunalen Wärmemarkt bedeutet jedoch auch, daß diese Sparte des Energieverbrauchs einseitig auf die Primärenergiearten Öl und Gas festgelegt wird. Dies gilt ganz besonders für Anlagen mit einer elektrischen Leistung von 1 bis 10 MW. Nur im Bereich größerer Leistungen wird versuchsweise Kohle in Verbindung mit Gasturbinenanlagen eingesetzt. Darüber hinaus wurde bisher lediglich auf dem Umweg über die Kohleveredelung (Verflüssigung und Vergasung) versucht, den Einsatz der Kohle in Gasturbinen dennoch zu ermöglichen. Selbst wenn alle diese Entwicklungslinien erfolgreich abgeschlossen werden, bieten diese Verfahren keine Lösung, im Bereich kleiner Anlagen unter 10 MWel den Einsatz von Kohle in Anlagen der Kraft-Wärme-Kopplung zu ermöglichen.However, the increasing use of gas turbines in the industrial and municipal heating market also means that this branch of energy consumption is unilaterally determined on the primary types of oil and gas. This is especially true for systems with an electrical output of 1 to 10 MW. Experimental coal is only used in connection with gas turbine plants in the area of larger outputs. In addition, attempts have so far only been made via the coal refinement (liquefaction and gasification) to nevertheless enable the use of coal in gas turbines. Even if all of these development lines have been successfully completed, these processes do not offer a solution to enable the use of coal in combined heat and power plants in the area of small plants under 10 MW el .

Ähnlich verhält es sich mit der stromwirtschaftlichen Nutzung von heißen Abgasen. Bisher hat man mit geringem Erfolg versucht, Abgaswärmeströme mit einem Energiegehalt von zehn Megawatt oder weniger in Dampfkraftwerken zur Stromerzeugung heranzuziehen, indem die heißen Abgase durch einen Wärmetauscher geleitet wurden, der sekundärseitig hochgespannten und überhitzten Dampf erzeugt, welcher in einer Turbine entspannt wurde. Wegen der geringen Wärmeleistung und den unverhältnismäßig teuren Maschinen und Anlagen lohnt eine solche Abwärmenutzung nicht. Gelingt es jedoch, die Hochtemperaturwärme in eine Gasturbine einzukoppeln, so können mit einer derartigen Anlage zwei Ziele gleichzeitig erreicht werden, nämlich:The situation is similar with electricity use of hot exhaust gases. So far you have had little success tries to exhaust heat flows with an energy content of ten Megawatts or less in steam power plants for electricity generation by using the hot exhaust gases through a Heat exchanger were passed, the secondary side high-tensioned and superheated steam, which in one Turbine was relaxed. Because of the low heat output and the disproportionately expensive machines and systems are worth one such use of waste heat. However, if the Coupling high-temperature heat into a gas turbine, so can achieved two goals at the same time with such a system become, namely:

  • - Stromerzeugung aus Abwärme, Substitution fossiler Brennstoffe durch Abwärme,- Electricity generation from waste heat, substitution of fossil fuels Fuels from waste heat,
  • - Restwärmenutzung der Abgase zur Versorgung von Wärmeverbrauchern.- Use of residual heat from the exhaust gases to supply Heat consumers.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art die Möglichkeit zu schaffen, neben den Primärenergiearten Öl und Gas auch feste Brennstoffe sowie Abwärme aus Hochtemperaturprozessen zum Antrieb von Gasturbinen einzusetzen. Dabei sollen Gas und Öl nicht vollständig durch Kohle oder heiße Abgase substituiert, sondern vorzugsweise nur in verringertem Umfange eingesetzt werden. Insbesondere wird angestrebt, den Grundlastbedarf durch feste Brennstoffe, z.B. Kohle, oder durch die Wärme aus heißen Abgasen zu decken. Es soll nur gerade soviel Gas oder Öl dazu eingesetzt werden, wie für eine optimale Betriebsweise und einen möglichst hohen Wirkungsgrad der Anlage erforderlich ist. Natürlich soll das Verfahren auch den Fall einer 100%igen Festbrennstoff- oder Abwärmeversorgung der Gasturbine als Grenzfall nicht völlig ausschließen.The invention has for its object with a method of the kind described in the introduction to create the possibility in addition to the primary types of oil and gas, also solid fuels as well as waste heat from high temperature processes for driving Use gas turbines. Gas and oil are not meant to be completely substituted by coal or hot exhaust gases, but preferably only used to a limited extent will. In particular, the base load requirement is sought by solid fuels, e.g. Coal, or by the heat to cover hot exhaust gases. There should only be as much gas or Oil can be used as for optimal operation and the highest possible efficiency of the system is required is. Of course, the procedure should also be the case 100% solid fuel or waste heat supply As a borderline case, do not completely exclude the gas turbine.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird von einem Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten gattungsgemäßen Art ausgegangen, welches erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil desselben angegebenen Verfahrensschritte aufweist.To solve this problem is a method of im Preamble of claim 1 generic type assumed which, according to the invention, is characteristic of Has part of the same specified process steps.

Weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 6.Further refinements of the method according to the invention result from claims 2 to 6.

In der Zeichnung ist die Funktionsweise einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betriebenen Gasturbine mit partieller Beheizung aus Festbrennstoffen oder Hochtemperaturabwärme schematisch dargestellt und im folgenden näher beschrieben. Es zeigt In the drawing, the mode of operation is one after the Processed gas turbine according to the invention partial heating from solid fuels or High temperature waste heat is shown schematically and below described in more detail. It shows  

Fig. 1 eine konventionelle Gasturbinenanlage mit 100% Öl- oder Gasversorgung; Fig. 1 shows a conventional gas turbine plant with 100% oil or gas supply;

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Gasturbinenanlage; FIG. 2 shows a gas turbine plant according to the invention;

Fig. 3 eine Gasturbinenanlage gemäß Fig. 2 bei Verwendung der Gasturbinenabgase; Fig. 3 shows a gas turbine plant according to Figure 2 when using the gas turbine exhaust gases.

Fig. 4 eine Gasturbinenanlage gemäß Fig. 2 mit einer den Gasturbinenwirkungsgrad verbessernden Zwischenkühlung und Zwischenerhitzung; FIG. 4 shows a gas turbine system according to FIG. 2 with intermediate cooling and intermediate heating which improve the gas turbine efficiency;

Fig. 5 eine Gasturbinenanlage gemäß Fig. 4 mit zu einem Bauteil zusammengefaßten Lufterhitzern. Fig. 5 shows a gas turbine plant according to Fig. 4 with a component summarized air heaters.

Die in den Figuren der Zeichnung eingetragenen Positionszahien stehen jeweils übereinstimmend für folgende Anlagenteile:The position numbers entered in the figures of the drawing stand for the following parts of the system:

1 Generator 1
1′ Generator 2
2 Verdichter 1
2′ Verdichter 2
3 Turbine 1
3′ Turbine 2
4 Brennkammer 1
4′ Brennkammer 2
5 Abhitzekessel 1
5′ Abhitzekessel 2
6 Lufterhitzer 1
6′ Lufterhitzer 2
7 Zwischenkühler 1
7′ Zwischenkühler 2
8 Zusatzkühler 1 generator 1
1 ′ generator 2
2 compressors 1
2 ′ compressor 2
3 turbine 1
3 ′ turbine 2
4 combustion chamber 1
4 ′ combustion chamber 2
5 waste heat boiler 1
5 ' waste heat boiler 2
6 air heaters 1
6 ′ air heater 2
7 intercooler 1
7 ' intercooler 2
8 additional coolers

Die Gasturbinenanlage gemäß Fig. 1 besteht in konventioneller Weise aus einem Verdichter 2, einer Brennkammer 4 und einer Turbine 3, die bei Industrieturbinen zusätzlich zum Verdichter 2 einen Generator 1 antreibt. Dazu sind der Verdichter 2 und die Turbine 3 auf einer gemeinsamen Welle angeordnet. Die aus der Turbine 3 austretenden heißen Abgase werden in einem Abhitzekessel 5 abgekühlt. Dabei wird Dampf oder Heißwasser erzeugt, mit dem nicht dargestellte Wärmeverbraucher versorgt werden können.The gas turbine plant according to Fig. 1, in a conventional manner from a compressor 2, a combustion chamber 4 and a turbine 3, which in addition to the compressor 2 driving a generator 1 for industrial turbines. For this purpose, the compressor 2 and the turbine 3 are arranged on a common shaft. The hot exhaust gases emerging from the turbine 3 are cooled in a waste heat boiler 5 . Steam or hot water is generated with which heat consumers, not shown, can be supplied.

Im Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 2 besteht die Gasturbinenanlage aus den gleichen Grundkomponenten wie die gemäß Fig. 1. Hinzugefügt ist ein Lufterhitzer 6, der zwischen dem Verdichter 2 und der Brennkammer 4 in den Luftstrom eingefügt ist. Durch den Lufterhitzer 6 erhöht sich die Lufttemperatur auf dem Weg vom Verdichter 2 zur Brennkammer 4. Hierdurch vermindert sich der Brennstoffbedarf der Brennkammer 4. Eine Verbesserung der Energieausnutzung ergibt sich durch den mit 5′ bezeichneten Abhitzekessel 2, der zur weiteren Abkühlung der Abgase aus dem Lufterhitzer 6 eingesetzt wird.In the exemplary embodiment according to FIG. 2, the gas turbine system consists of the same basic components as that according to FIG. 1. An air heater 6 is added , which is inserted into the air flow between the compressor 2 and the combustion chamber 4 . The air heater 6 increases the air temperature on the way from the compressor 2 to the combustion chamber 4 . This reduces the fuel requirement of the combustion chamber 4 . An improvement in energy efficiency results from the 5 ' designated waste heat boiler 2 , which is used for further cooling of the exhaust gases from the air heater 6 .

Ein Vergleich der Verfahren, mit denen eine 3-Megawatt-Gasturbinenanlage gemäß den Fig. 1 und 2 betrieben wird, ergibt sich aus der nachfolgenden Tabelle: A comparison of the methods with which a 3 megawatt gas turbine system according to FIGS. 1 and 2 is operated can be seen from the table below:

Tabelle 1 Table 1

Nach dem in Fig. 3 dargestellten Schaltschema wird der Lufterhitzer 6, der vor die Brennkammer 4 geschaltet ist, mit Festbrennstoffen beheizt, wobei für diese Feuerung ein Verbrennungsluftstrom benötigt wird. Hierfür werden die einen hohen O₂-Gehalt aufweisenden Abgase der Gasturbine 3 eingesetzt. Diese haben einen O₂-Gehalt von 18 bis 20% und hinter dem Abhitzekessel eine Temperatur von rund 130 bis 160°C. Hierdurch wird der Gesamtwirkungsgrad der Gasturbinenanlage verbessert, indem die Abgasverluste durch Wiederverwendung der Turbinenabgase vermindert werden.According to the circuit diagram shown in FIG. 3, the air heater 6 , which is connected upstream of the combustion chamber 4 , is heated with solid fuels, a combustion air flow being required for this furnace. For this purpose, the exhaust gases of the gas turbine 3 having a high O₂ content are used. These have an O₂ content of 18 to 20% and a temperature of around 130 to 160 ° C behind the waste heat boiler. This improves the overall efficiency of the gas turbine system by reducing the exhaust gas losses through reuse of the turbine exhaust gases.

Ein an sich bekanntes Verfahren der Wirkungsgradverbesserung von Gasturbinenanlagen besteht darin, die Verdichtung mit einer Zwischenkühlung und die Entspannung mit einer Zwischenerhitzung zu versehen. In Anwendung auf das erfindungsgemäße Verfahren wird gemäß dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel die Vorerwärmung und die Zwischenerwärmung in jeweils zwei Stufen durchgeführt. Dabei erfolgt die erste Stufe der Erwärmung in einem externen, mit Festbrennstoffen oder mit heißen Abgasen beheizten Lufterhitzer 6 entsprechend dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2. Die Restaufwärmung findet sodann in den mit innerer Verbrennung von Öl oder Gas beheizten Brennkammern 4, 4′ der jeweiligen Turbinengruppe 3 bzw. 3′ statt.A known method of improving the efficiency of gas turbine systems is to provide compression with intermediate cooling and relaxation with intermediate heating. When applied to the method according to the invention, the preheating and the intermediate heating are each carried out in two stages in accordance with the exemplary embodiment shown in FIG. 4. The first stage of heating takes place in an external air heater 6 heated with solid fuels or with hot exhaust gases in accordance with the exemplary embodiment according to FIG. 2. The residual heating then takes place in the combustion chambers 4 , 4 'of the respective turbine group, which are heated with internal combustion of oil or gas 3 or 3 'instead.

Für die Gestaltung der Lufterhitzer 6, 6′ in mehrstufigen Gasturbinenanlagen gemäß dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ergibt sich auch die Möglichkeit, statt der in getrennten Bauteilen verkörperten Lufterhitzer 6, 6′ diese in einem Bauteil zusammenzufassen, wie Fig. 5 zeigt. Diese Ausführungsart ist vor allem dann von Vorteil, wenn die Anlage mit Festbrennstoffen beheizt wird und dadurch die Technik der Brennstoffzufuhr und der Abgasentsorgung wesentlich vereinfacht werden kann. Der Lufterhitzer 6, 6′ verfügt dann über zwei getrennte Heizflächengruppen, die sekundärseitig von zwei Luftströmen mit unterschiedlichem Druckniveau, z.B. 6 bar und 35 bar, durchströmt werden.For the design of the air heater 6 , 6 'in multi-stage gas turbine systems according to the embodiment shown in Fig. 4, there is also the possibility, instead of embodied in separate components, air heaters 6 , 6 ' to summarize them in one component, as shown in FIG. 5. This embodiment is particularly advantageous when the system is heated with solid fuels and the technology of fuel supply and exhaust gas disposal can thereby be significantly simplified. The air heater 6 , 6 'then has two separate heating surface groups, which are flowed through on the secondary side by two air flows with different pressure levels, for example 6 bar and 35 bar.

Thermodynamisch ergeben sich zwischen den Anlagen nach den Ausführungsbeispielen der Fig. 4 und 5 keine merklichen Unterschiede. Die thermodynamischen und energetischen Kennwerte der Anlage mit Zwischenkühlung und Zwischenerwärmung weist die nachfolgende Tabelle aus: Thermodynamically there are no noticeable differences between the systems according to the exemplary embodiments in FIGS. 4 and 5. The following table shows the thermodynamic and energetic parameters of the system with intermediate cooling and intermediate heating:

Tabelle 2 Table 2

Claims (6)

1. Verfahren zum Betreiben einer Wärme-Kraft-Anlage mit einer einen Generator antreibenden Gasturbine, der über einen von ihr gleichfalls angetriebenen Verdichter und eine mit gasförmigen oder flüssigen Brennstoffen betriebene Brennkammer erhitzte Luft zugeführt wird, die als Abgas nach dem Verlassen der Gasturbine mindestens einen Wärmetauscher einer Fernwärmeanlage beaufschlagt, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft nach dem Verlassen des Verdichters und vor dem Eintritt in die Brennkammer durch einen mit festen Brennstoffen oder heißen Abgasen aus einer externen Anlage betriebenen Lufterhitzer vorerhitzt wird.1. A method for operating a thermal power plant with a gas turbine driving a generator, which is supplied via a compressor which is also driven by it and an air heated with gaseous or liquid fuels combustion air which is at least one as exhaust gas after leaving the gas turbine Heat exchanger of a district heating system, characterized in that the air is preheated after leaving the compressor and before entering the combustion chamber by an air heater operated with solid fuels or hot exhaust gases from an external system. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem mit festen Brennstoffen betriebenen Lufterhitzer die Abgase der Gasturbine mindestens teilweise als Verbrennungsluft dem Lufterhitzer zugeleitet werden. 2. The method according to claim 1, characterized in that with a solid fuel Air heaters the exhaust gases of the gas turbine at least partly as combustion air to the air heater be forwarded.   3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den Lufterhitzer verlassenden primärseitigen Abgase mit einer Temperatur von 30-50°C über der Verdichteraustrittstemperatur in einem nachgeschalteten Abhitzekessel bis kurz oberhalb des Taupunktes der Abgase, vorzugsweise auf 180°C, abgekühlt werden und die Wärme an einen Dampf-, Heißwasser- oder Thermoöl-Kreislauf abgegeben wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the primary-side leaving the air heater Exhaust gases with a temperature of 30-50 ° C above the Compressor outlet temperature in a downstream Waste heat boiler to just above the dew point of the Exhaust gases, preferably to 180 ° C, and cooled Heat to a steam, hot water or Thermal oil circuit is released. 4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem mit festem Brennstoff betriebenen Lufterhitzer diesem Verbrennungsluft aus der Gasturbine zugeleitet wird, deren Abgastemperatur hinter dem Abhitzekessel erheblich über der Umgebungstemperatur liegt und einen O2-Gehalt von 18-20% hat.4. The method according to at least one of claims 1 to 3, characterized in that in a solid fuel operated air heater this combustion air is fed from the gas turbine, the exhaust gas temperature behind the waste heat boiler is significantly above the ambient temperature and an O 2 content of 18- Has 20%. 5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine mehrstufig ausgebildete Gasturbinenanlage zum Einsatz kommt und bei der Verdichtung über einen oder mehrere Zwischenkühler deren Kühlenergie mindestens teilweise einem Wärmeverbraucher zugeführt wird. 5. The method according to at least one of claims 1 to 4, characterized in that a multi-level training Gas turbine plant is used and at Compression via one or more intercoolers Cooling energy at least partially to a heat consumer is fed.   6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannung der Abgase mit mindestens einer Zwischenerwärmung erfolgt, die in zwei Stufen unterteilt ist, wobei die erste Stufe der Erwärmung in dem Lufterhitzer erfolgt und die zweite Stufe der Erwärmung in der Brennkammer der Gasturbine als innere Verbrennung vorgenommen wird.6. The method according to at least one of claims 1 to 5, characterized in that the relaxation of the exhaust gases with at least one intermediate heating, which in is divided into two stages, the first stage being the Heating takes place in the air heater and the second Stage of heating in the combustion chamber of the gas turbine as internal combustion is made.
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