DE4019343C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie in einem Kombi-Kraftwerk gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.

Aus der DE-Z "Die Industriefeuerung", Heft 38, 1986, Aufsatz: "Der Einsatz von Stufenmischbrennern in einer mit Gasturbinenabgas betriebenen Steinkohlenfeuerung", ist ein solches Verfahren bekannt, bei dem das Gasturbinenabgas mit einer Temperatur von ca. 500°C als Verbrennungsgas einem mit einer Steinkohlenstaubfeuerung betriebenem Dampferzeuger zugeführt wird. Über einen Luftvorwärmer, der primärseitig von heißen Rauchgasen (300°C) aus dem Dampferzeuger durchströmt wird, kann einem ggf. sauerstoffarmen Turbinenabgas (< 16% O₂) soviel erwärmte Frischluft zugemischt werden, daß der Kohlenstaubfeuerung ein Verbrennungsgas mit einem Sauerstoffgehalt zwischen 16 und 17% zur Verfügung steht. Neben der Abhitzenutzung des Turbinenabgases im Dampferzeuger wird somit der Restsauerstoffgehalt des Turbinenabgases zur Verfeuerung von Steinkohlenstaub genutzt.

Um die Gasturbine anfahren oder in besonderen Fällen auch betreiben zu können, ist es möglich, das Gasturbinenabgas über einen getrennten Abgaskanal direkt in die Atmosphäre zu leiten. Im Schwachlastbetrieb wird Gasturbinenabgas ganz oder teilweise über einen Bypass an den Mischstellen vorbei in den oberen Teil des Feuerraumes geführt.

Bei dem Trend steigender Eintrittstemperaturen der heutigen und zukünftigen Abgasturbinenanlagen sinkt der Restsauerstoffgehalt des Turbinenabgases ständig ab. Einerseits bedeutet das eine Wirkungsgradsteigerung der Gasturbinen, anderseits aber würde das dazu führen, daß die Zündstabilität im Feuerungssystem aufgrund des mangelnden Sauerstoffangebots des als Sauerstoffträger genutzten Turbinenabgases nicht mehr gewährleistet ist. Unterhalb eines Sauerstoffgehalts von 15% im Verbrennungsgas ist besonders bei festen Brennstoffen, wie Kohle, überhaupt keine Zündung mehr zu erreichen. Würde nun der zu niedrige Sauerstoffgehalt im Turbinenabgas durch Zumischen von sauerstoffreicher Frischluft ausgeglichen werden, so läge eine erhöhte Verbrennungsgasmenge vor und das Feuerungssystem, wie z. B. die Kohlenstaubbrenner, müßte diesem Umstand angepaßt, d. h. größer ausgelegt werden. Ebenfalls entsteht ein erhöhter Rauchgasstrom im Kessel. Um dieser erhöhten Rauchgasmenge zur Erreichung einer Abgastemperatur von ca. 130°C eine ausreichende Wärmesenke zur Verfügung zu stellen, findet ein Teil der Speisewasservorwärmung über dieses Rauchgas statt (Teilstromeco), was üblicherweise mit Anzapfdampf aus den Turbinen durchgeführt wird. Dadurch erleidet der Dampfprozeß eine Wirkungsgradminderung, die aber aufgrund des höheren Gesamtwirkungsgrades des Kombi-Prozesses gegenüber dem einfachen Dampfprozeß in Kauf genommen wird. Mit sinkendem O₂-Gehalt im Turbinenabgas verstärken sich die beschriebenen Probleme, da der Frischluftanteil zur Verbrennung erhöht werden muß.

Aus der DE-Z. "Brennstoff-Wärme-Kraft" 36 (1984) Nr. 6, Juni, Seiten 243-248 - Aufsatz "Gasturbine für Energieversorgungssystem eines Industriebetriebes" von Löffel, H. und Schulz, M., insbesondere Bild 6 auf S. 245 ist ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie in einem Kombi-Kraftwerk mit Gasturbine und Dampfturbine bekannt, bei dem ein Teilstrom des heißen Abgases der Gasturbine dem Kessel durch die ihm zugeordneten Brenner und ein weiterer Teilstrom zwischen Überhitzerheizflächen und diesen nachgeschalteten Heizflächen zur Speisewasservorwärmung zugeführt wird. Weiterhin ist es möglich, den Kessel wahlweise in reinem Frischluftbetrieb zu betreiben. Es findet sich in der Literaturstelle kein Hinweis darauf, die Brenner mit einem Gemisch aus Frischluft und heißem Abgas der Gasturbine zu beaufschlagen. Mit der in Bild 6 vorgeschlagenen Schaltung könnte der Sauerstoffanteil in dem den Brenner als Sauerstoffträger zugeführten Turbinenabgas durch Zumischung von Frischluft erhöht werden. Dies hätte jedoch unweigerlich einen insgesamt höheren Rauchgasstrom im Kessel zur Folge und würde in entsprechender Weise auch zu einem höheren Abgasverlust des Kessels führen. Rein schaltungstechnisch wäre es bei Bild 6 auch möglich, daß zumindest ein Teil des heißen Turbinenabgases oberhalb der Heizflächen zur Speisewasservorwärmung dem zum Kamin führenden Rauchgaszug zugeführt wird, d. h. an den Heizflächen des Kessels vorbeigeführt wird, und dieser Teilstrom durch Frischluft ersetzt wird. Damit würde der Rauchgasstrom durch den Kessel nicht vergrößert und ebenfalls nicht der Abgasverlust. Der an den Heizflächen des Kessels vorbeigeführte Turbinenabgasstrom würde allerdings mit einer sehr hohen Temperatur von z. B. 450°C an die Umgebung abgegeben, so daß der Rauchgasverlust des Kombi-Kraftwerkes erheblich ansteigen würde.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art anzugeben, bei dem eine stabile Verbrennung im Dampferzeuger auch bei Vorliegen eines sauerstoffärmeren Turbinenabgases erreicht werden kann, ohne daß sich die Rauchgasmenge unnötig erhöht.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der abgeleitete Teilstrom des heißen Gasturbinenabgases mit einem dem Dampferzeuger zugeführten Frischluftstrom zum Wärmetausch gebracht wird und danach in die Atmosphäre überführt wird.

Durch das Ersetzen eines Teilstroms des Turbinenabgases durch einen Frischlufstrom liegt somit ein für die Feuerung ausreichend O₂-konzentriertes Verbrennungsgas vor, so daß eine ausreichende Zündstabilität im Feuerungssystem gewährleistet ist z. B. 17-18%. In erster Linie wegen unterschiedlicher Wärmekapazitäten von Abgas und Frischluft brauchen der abgeleitete Teilstrom und der Frischluftstrom nicht volumengleich zu sein; Volumengleichheit wird jedoch angestrebt. Die Wärme des Turbinenabgasteilstroms kann bis zu einer Kondensationstemperatur für Wasser von 60 bis 80°C an den Frischluftstrom übertragen werden und sodann in die Atmosphäre überführt werden. Somit kommt es zu keiner wesentlichen Wirkungsgradminderung des Kombi-Prozesses, da die Abwärme des Turbinenabgasteilstroms nach Übertragung auf den Frischluftstrom wieder in den Prozeß eingebracht wird. Gegenüber der üblichen Kaminaustrittstemperatur von 130°C für Rauchgase einer Feuerung, die dem Säuretaupunkt entspricht, kann die Temperatur des Turbinenabgasteilstroms bis auf 60 bis 80°C abgekühlt werden, was der Taupunkttemperatur für Wasser entspricht. Ein weiterer Vorteil für bestehende Kombi-Prozesse ohne zusätzliche Frischluftzufuhr und mit noch ausreichendem O₂-Anteil im Turbinenabgas besteht darin, daß mit dieser Methode, bei gleichem Rauchgasmassenstrom im Kessel, eine höhere Feuerungsleistung der Brenner möglich ist.

Es ist weiterhin von Vorteil, daß der Frischluftstrom zusätzlich einem Wärmeaustausch mit dem Rauchgasstrom des Dampferzeugers unterzogen wird; hierbei kann der Teilstrom des Turbinenabgases und der Abgasstrom des Dampferzeugers durch je eine oder durch eine einzige von der Frischluft durchströmte Wärmetauschereinheit geführt werden. Somit kann ein ggf. vorhandener und primärseitig in den Rauchgasstrom geschalteter Luvo über ein Klappensystem direkt mit dem Gasturbinenabgasteilstrom beaufschlagt werden. Weiterhin ist es möglich, daß der Abgasteilstrom und der Rauchgasstrom parallel und gleichzeitig eine Wärmetauschereinheit durchströmen, z. B. einen Mehrsektor- Luvo.

Es ist auch möglich, daß dem Dampferzeuger zusätzlich zu dem zum Wärmetausch mit dem abgeleiteten Teilstrom des Gasturbinenabgases gebrachten ersten Frischluftstrom ein zweiter Frischluftstrom zugeführt wird, der einem Wärmetausch mit dem Rauchgas des Dampferzeugers unterzogen wurde.

Hierbei ist es von Vorteil, wenn die von einem Frischluftgebläse zugeführte Frischluft in den einen Frischluftstrom und den zusätzlichen Frischluftstrom aufgeteilt wird. Dann reduziert sich der gerätetechnische Aufwand, da für die Zuführung nur ein Gebläse benötigt wird.

Die Erfindung richtet sich auch auf ein Kombi-Kraftwerk mit einer Gasturbine, einem mit dem Abgas der Gasturbine beaufschlagten nachgefeuerten Dampferzeuger und einer diesem nachgeschalteten Dampfturbine und mindestens einem zugeordneten Generator, bei dem der Abgasturbine ein sich verzweigender Abgaskanal nachgeschaltet ist, dessen einer Zweig mit dem Dampferzeuger verbunden ist, und bei dem ein Wärmetauscher für den Wärmetausch von Gasturbinenabgas zu einem von einem Frischluftgebläse herangeführten Frischluftstrom vorgesehen ist. In DE-Z. "Brennstoff-Wärme-Kraft" ist auf Seite 244, rechte Spalte, 1. Absatz, Satz 2, ein Dampf-Luft- Wärmetauscher erwähnt, durch den Vebrennungsluft vorgewärmt wird.

Erfindungsgemäß ist bei dem Kombi-Kraftwerk vorgesehen, daß der Wärmetauscher in einem nicht mit dem Dampferzeuger verbundenen Zweig des sich verzweigenden Abgaskanales angeordnet ist und luftseitig die Ausgangsseite des Wärmetauschers mit dem Dampferzeuger verbunden ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren soll nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Verfahrensführung, bei dem dem Rauchgas des Dampferzeugers Wärme nur über den Dampf-Wasser- Kreislauf entzogen wird,

Fig. 2 eine Verfahrensführung vergleichbar Fig. 1, bei dem dem zugeführten Frischluftstrom auch noch Wärme aus dem Rauchgas des Dampferzeugers zugeführt wird,

Fig. 3 das Blockschaltbild einer Verfahrensführung, bei dem zusätzlich zu dem mit dem Turbinenabgas in Wärmetausch gebrachten Frischluftstrom ein mit dem Rauchgas in Wärmetausch gebrachter Frischluftstrom zugeführt wird und

Fig. 4 ein detaillierteres Blockschaltbild der Verfahrensführung gemäß Fig. 1 zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Kombi-Betriebes und der Möglichkeiten, das Kombi-Kraftwerk auch in reinem Gasturbinenbetrieb oder in reinem Dampferzeugerbetrieb fahren zu können.

Bei der Verfahrensführung gemäß Fig. 1 wird von einem Frischluftgebläse 1 einer Gasturbinenbrennkammer 2 Frischluft zugeführt, die der Verbrennung von bei 3 zugeführtem Brennstoff dient. Das Abgas einer der Brennkammer nachgeschalteten Gasturbine 4 wird zum einen Teil über eine Zweigleitung 5a der Abgasleitung 5 der Feuerung eines Dampferzeugers 6 zugeführt. Dem Dampferzeuger 6 ist ein Wasser-Dampf-Kreislauf zugeordnet, der schematisch durch die Dampfturbine 7 den Kondensator 8 und die Kesselspeisepumpe 9 dargestellt ist. In beiden Turbinen 4 und 7 sind Generatoren G zugeordnet.

Der Dampferzeuger 6 wird mit einem Brennstoff, wie Steinkohlen- oder Braunkohlenstaub nachgefeuert, wie dies schematisch bei 10 dargestellt ist. Der Dampferzeuger kann auch eine Wirbelschichtfeuerung aufweisen. Das Rauchgas des Dampferzeugers 6 wird über einen Rauchgaskanal 11 mit Entstaubungseinrichtung 12 und einem Saugzug 11a einer Rauchgasreinigungsanlage 13 zugeführt und von dort einem nicht dargestellten Abgaskamin.

Um bei Vorliegen eines Turbinenabgases mit nicht ausreichender Sauerstoffkonzentration einen Teil des Turbinenabgases durch Frischluft zu ersetzen, wird über einen Zweigkanal 5b dieser Teilstrom über einen Wärmetauscher 14 einem nicht dargestellten Abgaskamin zugeleitet und die Atmosphäre abgegeben. Zum Wärmetauscher 14 liegt ein Kanal 5c parallel. Dem Wärmetauscher 14 ist eine Klappe 15 vorgeschaltet und im Parallelkanal 5c liegt eine Klappe 16.

Sekundärseitig wird mittels eines Frischluftgebläses 17 dem Wärmetauscher 14 Frischluft zugeführt und über einen Frischluftkanal 18 dem Dampferzeuger zugeführt. Bei Normalbetrieb des Kombi-Kraftwerks gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Klappe 15 geöffnet und die Klappe 16 geschlossen.

Beispiel

Unter der Annahme, daß das Abgas nur 14 Vol-% O₂ enthalte und die gewünschte O₂-Konzentration in der dem nachgefeuerten Dampferzeuger 6 zugeführten Verbrennungsluft 18 Vol-% betragen soll, erhält man unter Berücksichtigung, daß Luft 23 Vol-% O₂ enthält und Luft und Abgas in etwa die gleiche Dichte aufweisen, das Ergebnis, daß man bei Volumenstromgleichheit zwischen abgeleitetem Abgasstrom und Frischluftstrom 44,5% des nur 14 Vol-% O₂ enthaltenden Abgases durch Frischluft ersetzen müßte, um bei gleichbleibender Verbrennungsgasmenge in diesem eine O₂- Konzentration von 18 Vol-% zu erreichen.

Bei der Verfahrensführung gemäß Fig. 2 ist der Wärmetauscher 14 durch einen Wärmetauscher 19 ersetzt worden, z. B. einen Dreisektordrehluftvorwärmer, durch den sowohl der im Kanal 5b geführte Turbinenabgasstrom als auch der Rauchgasstrom 11 des Dampferzeugers 6 geführt wird, um zusätzlich Wärme auf den einen Teil des Turbinenabgasstrom ersetzenden Frischluftstrom zu übertragen. Der Parallelkanal 16 und die in Fig. 1 dargestellten Klappen sind in der Fig. 2 nicht mit dargestellt.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 wird dem Dampferzeuger 6 nicht nur über Leitung 18 der einem Wärmetausch mit dem über den Zweigkanal 5b herangeführten Turbinenabgasstrom unterzogene Frischluftstrom, sondern über Leitung 18′ ein zusätzlicher Frischluftstrom zugeführt, der zuvor in einem in dem Rauchgaskanal 11 des Dampferzeugers angeordneten Wärmetauscher 20 einem Wärmetausch mit dem Rauchgas unterzogen wurde.

Bei der in der Fig. 3 dargestellten Verfahrensführung ist neben dem Frischluftgebläse 17 noch ein zusätzliches dem Wärmetauscher 20 zugeordnetes Frischluftgebläse 21 vorgesehen. Es ist unter Umständen zweckmäßig, die beiden Frischluftgebläse 17 und 21 durch ein einziges Gebläse zu ersetzen.

Um zu zeigen, daß die erfindungsgemäße Verfahrensführung bei Integration in ein Kombi-Kraftwerk ohne weiteres neben dem angestrebten Kombi-Betrieb auch in Sonderfällen einen reinen Gasturbinenbetrieb oder einen reinen Dampferzeugerbetrieb zuläßt, wurden in der Fig. 4 die dann erforderlichen Kanäle und Klappen zusätzlich zu den in Fig. 1 dargestellten mit dargestellt. Die Leitung 5c zur Umgehung des Wärmetauschers 14 zweigt direkt hinter der Turbine ab und der Verzweigung in die beiden Zweigleitungen 5a und 5b ist eine Klappe 22 vorgeschaltet. Primärseitig ist dem Wärmetauscher 14 auf der Ausgangsseite in dem Kanal 5b eine Klappe 23 nachgeschaltet.

Der den Dampferzeuger 6 verlassende Rauchgaskanal 11, der eine Klappe 24 aufweist, ist zwischen Wärmetauscher 14 und Klappe 15 mit der Primärseite des Wärmetauschers 14 bzw. Kanal 5b verbunden.

Ausgangsseitig der Primärseite des Wärmetauschers 14 ist der zur Rauchgasreinigungsanlage 13 führende Rauchgaskanal 11 mit dem Kanal 5b unter Einschaltung der in der Fig. 4 dargestellten Klappe 25 verbunden. Weiterhin ist unter Einschaltung einer Klappe 26 eine die beiden Rauchgaskanalabschnitte außerhalb der Klappen 24 und 25 auf beiden Seiten des Wärmetauschers 14 verbindende Bypassleitung 27 vorgesehen.

Bei reinem Gasturbinenbetrieb ist die Klappe 16 offen und die Klappe 22 und 23 geschlossen. Bei reinem Kesselbetrieb sind die Klappen 24 und 25 offen, während die Klappen 15, 23 und 26 geschlossen sind. Das Frischluftgebläse 17 läuft mit entsprechender Drehzahl. Bei dem Kombi-Betrieb, bei dem erfindungsgemäß ein Teil des Abgasstromes der Gasturbine abgezweigt und durch Frischluft ersetzt werden soll, sind die Klappen 16, 24 und 25 geschlossen, während die Klappen 22, 15, 23 und 26 geöffnet sind.

Claims (5)

1. Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie in einem Kombi-Kraftwerk mit Gasturbine und Dampfturbine und mindestens einem zugeordneten Generator, bei dem heißes Abgas der Gasturbine einem nachgefeuerten und rauchgasabgebenden Dampferzeuger als Verbrennungsgas zugeführt wird und bei dem ein Frischluftstrom mit heißem Gasturbinenabgas zum Wärmetausch gebracht wird und bei dem ein Teilstrom des heißen Gasturbinenabgases vor dem Dampferzeuger abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der abgeleitete Teilstrom des heißen Gasturbinenabgases mit einem dem Dampferzeuger zugeführten Frischluftstrom zum Wärmetausch gebracht wird und danach in die Atmosphäre überführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Frischluftstrom zusätzlich einem Wärmetausch mit dem Rauchgasstrom des Dampferzeugers unterzogen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Dampferzeuger zusätzlich zu dem zum Wärmetausch mit dem abgeleiteten Teilstrom des Turbinenabgases gebrachten ersten Frischluftstrom ein zweiter Frischluftstrom zugeführt wird, der einem Wärmetausch mit dem Rauchgas des Dampferzeugers unterzogen wurde.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die von einem Frischluftgebläse zugeführte Frischluft in den einen Frischluftstrom und den zusätzlichen Frischluftstrom aufgeteilt wird.

5. Kombi-Kraftwerk zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit einer Gasturbine, einem mit dem Abgas der Gasturbine beaufschlagten nachgefeuerten Dampferzeuger und einer diesem nachgeschalteten Dampfturbine und mit mindestens einem zugeordneten Generator, bei dem der Abgasturbine ein sich verzweigender Abgaskanal nachgeschaltet ist, dessen einer Zweig mit dem Dampferzeuger verbunden ist, und bei dem ein Wärmetauscher für den Wärmetausch von Gasturbinenabgas zu einem von einem Frischluftgebläse herangeführten Frischluftstrom vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (14) in einem nicht mit dem Dampferzeuger (6) verbundenen Zweig (5b) des sich verzweigenden Abgaskanals (5) angeordnet ist und luftseitig die Ausgangsseite des Wärmetauschers mit dem Dampferzeuger (6) verbunden ist.