DE4117191A1 - Verfahren zur erzeugung von energie in einer kombinierten gas-dampfkraftanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Energie in einer kombinierten Gas-Dampfkraftanlage mit einer Gasturbine und einem vorzugsweise kohlegefeuerten Dampferzeuger.

Bei einem bekannten Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie in einer kombinierten Gas-Dampfkraftanlage wird das in der öl- oder gasbefeuerten Brennkammer der Gasturbine anfallende ver­ dichtete Arbeitsgas bei einer Temperatur von inzwischen über 1000°C zunächst in der Gasturbine arbeitsleistend entspannt. Die heißen Turbinenabgase werden in die Feuerungsleistungszone des Dampferzeugers eingespeist, wobei dann auch die Restwärme des Gasturbinenabgases im Dampferzeuger genutzt wird. Aufgrund der hohen Temperaturdifferenz zwischen dem Eingang der Gasturbine und dem Ausgang der Dampfturbine weist ein derartiger kombinierter Prozeß einen relativ hohen Wirkungsgrad auf.

Die heißen Turbinengase, für die mit fortschreitender Gastur­ binenentwicklung steigende Gasturbineneintrittstemperaturen angestrebt werden, weisen mit höheren Temperaturen geringere Sauerstoffgehalte auf. Dies führt in zusatzgefeuerten Dampf­ erzeugern, die sowohl die Gasturbinenabgaswärme als auch den im Gasturbinenabgas enthaltenen Sauerstoff zur Verbrennung in der Zusatzfeuerung nutzen wollen, dazu, daß die hiermit gebotene Sauerstoffkonzentration durch weitere Frischluft erhöht werden muß, um eine vollständige Verbrennung zu gewährleisten.

Dadurch erhöht sich bei gleicher Dampferzeugerleistung der Abgas- bzw. Rauchgasmassenstrom durch den Dampferzeuger und die nachgeschalteten Komponenten, wie Elektrofilter, Saugzug, Entstickungsanlage und Rauchgasentschwefelungsanlage. Größeres Gasturbinenvolumen und zusätzliche Frischluft führten im Ver­ gleich zu einer Verbrennung ausschließlich mit Frischluft wiederum zu einer Erhöhung des Energieeigenbedarfes der Kraft­ werksanlage, so daß ein Teil der durch die Kombination von Gasturbine und Dampfturbine gewonnenen Wirkungsgradverbesserung wieder aufgezehrt wird.

In Feuerungen ist eine Erhöhung des Rauchgasmassenstromes nur begrenzt möglich, so daß z. B. in Schmelzkammerfeuerungen, deren Schmelzfluß in der Brennkammer negativ beeinflußt oder in Feuerungen, deren arteigene Strömungsgeschwindigkeiten mit Ein­ leitung der Gasturbinenabgase wesentlich überschritten werden. Eine Nachrüstung von Dampfkraftanlagen mit solchen Feuerungen auf kombinierte Gas-Dampfkraftanlagen der beschriebenen Art ist daher nur bedingt möglich.

Auch ist nicht auszuschließen, daß durch die enge und vielfache Verknüpfung der beiden Teilprozesse die Verfügbarkeit der Ge­ samtanlage negativ beeinflußt wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erzeugung von Energie in einer kombinierten Gas-Dampf­ kraftanlage der eingangs genannten Art sowohl zur Erzielung höherer Wirkungsgrade als auch zur Erhöhung der Verfügbarkeit weiterzuentwickeln.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Gas­ turbine eine mit Wasser aus dem Wasser-Dampfkreislauf der Gas-Dampf­ kraftanlage gespeiste Abhitzedampferzeugeranlage nachge­ schaltet wird, daß die Temperatur des Dampfstromes aus der Abhitzedampferzeugeranlage durch Zufuhr von Zusatzwärme an die Temperatur des Dampfstromes aus dem Dampferzeuger angeglichen wird und daß beide Dampfströme danach vermischt und der gleichen Dampfturbine zugeführt werden, wobei die einerseits für die Erzeugung und Temperaturanpassung des Dampfstromes aus der Abhitzedampferzeugeranlage und andererseits für die Erzeugung des Dampfstromes im Dampferzeuger benötigten Wärmemengen jeweils über feuerungsseitig voneinander unabhängigen Wärmeerzeugungs- und Wärmeübertragungssysteme zur Verfügung gestellt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch eine voll­ ständige feuerungsseitige Entkopplung der beiden Energieer­ zeugungskreisläufe aus. Im Vergleich zum bekanntgewordenen Stand der Technik wird also das heiße Abgas der Gasturbine nicht in den Dampferzeuger eingeleitet, sondern zur Erzeugung von Pro­ zeßdampf in einer eigenen Abhitzedampferzeugeranlage genutzt.

Durch eine derartige Entkopplung entfällt eine wesentliche Nahtstelle in der Gesamtanlage mit Vorteilen im Hinblick auf die Verbesserung von deren Verfügbarkeit.

Auch werden bei einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren be­ triebenen Kraftwerksanlage der Dampferzeuger selbst und in der Regel auch die nachgeschalteten Aggregate nicht mit zusätzlichen Abgasmengen aus dem Gasturbinenprozeß bzw. einer ggf. vorhan­ denen Zusatzfeuerung zur Erzeugung der benötigten Zusatzwärme belastet.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich somit insbesondere auch zur Nachrüstung bzw. Erweiterung bestehender Dampfkraft­ werke, da hierbei keine Eingriffe in den Feuerungsbereich des Dampferzeugers bzw. in die in den Rauchgasweg integrierten Wärmeableitungs- und Gasreinigungssysteme erforderlich werden.

Die thermodynamische Verknüpfung der beiden Energieerzeugungs­ kreisläufe erfolgt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aus­ schließlich über den Wasser-Dampfkreislauf. Die beiden in der Abhitzedampferzeugeranlage und im Dampferzeuger erzeugten hochgespannten Dampfteilströme werden nach Angleichung ihrer Dampfzustände, also im wesentlichen ihrer Temperaturen, ver­ mischt und dann in der gleichen Dampfturbine arbeitsleistend entspannt.

Dabei wird auch die zur Angleichung der Dampfströme benötigte Zusatzwärme ohne Einflußnahme auf die Feuerung des Dampf­ erzeugers erzeugt und übertragen, d. h. es ist z. B. nicht vorgesehen, sofern die Zusatzwärme in einer Zusatzfeuerung erzeugt wird, die heißen Rauchgase dieser Zusatzfeuerung in die Feuerungsleistungszone des Dampferzeugers einzuleiten.

Die Erfindung sieht für den Fall einer Zusatzfeuerung vielmehr vor, den heißen Rauchgasstrom dieser Feuerung entweder dem Abgas der Gasturbine vor Eintritt in die Abhitzedampferzeugeranlage oder auch dem Rauchgas des Dampferzeugers hinter der Feuerungs­ leistungszone zuzumischen, um dann die Restwärme entweder in der Abhitzedampferzeugeranlage selbst oder auch in den im Rauchgasweg des Dampferzeugers integrierten Wärmetauschern zu nutzen. Dabei bietet sich eine Zumischung zum Abgas der Gas­ turbine dann an, wenn die Zusatzfeuerung mit Gas oder Öl als Brennstoff betrieben wird, während eine Zumischung zum Rauch­ gasstrom des Dampferzeugers bei einer mit festen Brennstoffen betriebenen Zusatzfeuerung eher in Frage kommt.

Nach einem weiteren Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die benötigte Zusatzwärme aber auch durch Wärmetausch mit dem im Dampferzeuger anfallenden heißen Rauchgas übertragen werden. Dabei kann die vollständige Unabhängigkeit der Systeme beispielsweise durch eine Dampftemperaturregelung der der Ab­ hitzedampferzeugeranlage zuzuordnenden Dampfströme (Hoch­ druckdampf, Zwischenüberhitzerdampf) erreicht werden.

Sofern das in der Brennkammer des Gasturbinenkreislaufes be­ nötigte Brenngas in einer Kohlevergasungs- oder Kohleentga­ sungsanlage erzeugt wird, kann die benötigte Zusatzwärme selbstverständlich auch aus einer solchen Anlage an geeigneter Stelle ausgekoppelt werden.

Das Leistungsverhältnis zwischen der Abhitzedampferzeugeranlage und dem Dampferzeuger liegt bei der erfindungsgemäß betriebenen Gas-Dampfkraftanlage zweckmäßigerweise bei 1, vorzugsweise zwischen 1 : 1 und 1 : 4. Dabei kann nach einem weiteren Merkmal der Erfindung das jeweils geforderte bzw. gewünschte Leistungsverhältnis von Abhitzedampf­ erzeugeranlage zu Dampferzeuger durch die Anordnung mehrerer Gasturbinen, deren jeweilige Abhitzedampferzeugeranlagen in Bezug auf die Dampfführung parallel geschaltet sind, eingestellt werden.

Weitere Erläuterungen zu der Erfindung sind dem in der Figur schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel zu entnehmen.

Die Figur zeigt schematisch eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitende kombinierte Gas-Dampfkraftanlage.

Im Gasturbinenkreislauf wird über eine Leitung 1 angesaugte Frischluft in einem Verdichter 2 auf den Arbeitsdruck der Gasturbine verdichtet, in einer mit Erdgas befeuerten Brenn­ kammer 3 stark erhitzt und dann in einer Gasturbine 4 arbeits­ leistend entspannt. Die dabei gewonnene Energie wird an einen Generator 5 bzw. den Verdichter 2 abgegeben. Das noch heiße Abgas der Gasturbine wird über eine Leitung 6 einer Abhitze­ dampferzeugeranlage 7 zugeführt und dann über eine Leitung 8 und einen nicht dargestellten Kamin ins Freie geleitet.

Im Dampfturbinenkreislauf wird der in drei Turbinenstufen 9, 10 und 11, die auf gleicher Welle mit einem Generator 12 angeordnet sind, entspannte Arbeitsdampf in einem Kondensator 13 konden­ siert und als Kondensat mittels einer Pumpe über parallel ge­ schaltete Vorwärmer 15 und 16 in einen Speisewasserbehälter 17 gefördert.

Das im Speisewasserbehälter 17 gesammelte Wasser wird in einer Hochdruckpumpe 18 auf Verfahrensdruck gepumpt und dann in zwei Teilströme aufgeteilt.

Der eine Teilstrom passiert über eine Leitung 19 zunächst einen entnahmedampfbeheizten Wärmetauscher 20 und wird dann einer kohlebefeuerten Dampferzeugeranlage 21, beispielsweise kann es sich hier um den Dampferzeuger eines bestehenden Kohlekraft­ werkes handeln, zugeführt.

Der zweite Teilstrom des auf Druck gebrachten Speisewassers wird nach der Erfindung über eine Leitung 22 der Abhitzedampferzeuger­ anlage 7 zugeführt und in Heizflächen 23 im Wärmetausch mit dem heißen Abgas der Gasturbine 4 verdampft und überhitzt. Der dabei gewonnene, noch nicht endüberhitzte Dampf wird über eine Leitung 24 einem in diesem Ausführungsbeispiel gasbeheizten Endüber­ hitzer 25 zugeführt und dort durch Zufuhr von Zusatzwärme auf die Temperatur des im Dampferzeuger 21 anfallenden überhitzten Wasserdampfes weiter erhitzt.

Beide nunmehr in ihren Dampfzuständen angeglichenen Teilströme aus dem Zusatzkessel 25 und der Dampferzeugeranlage 21 werden miteinander vermischt und der ersten Stufe 9 der dreistufigen Dampfturbine zugeführt. Vor Eintritt in die zweite Entspannungs­ stufe 10 wird der teilentspannte Dampfstrom zwischenüberhitzt. Hierzu wird der Dampfstrom in zwei Teilströme aufgeteilt. Die Zwischenüberhitzung des einen Teilstromes erfolgt in Heizflächen 27 innerhalb des gasbeheizten Endüberhitzers 25, während der zweite Teilstrom in einem in den Rauchgasweg des Dampferzeugers integrierten Zwischenüberhitzer 28 erneut erhitzt wird. Zweckmäßigerweise entspricht dabei der in den Heizflächen 27 geführte Dampfteilstrom mengenmäßig dem über die Leitung 24 aus der Abhitzedampferzeugeranlage 7 strömenden Dampfstrom. Auf diese Weise erfolgt auch die Zwischenüberhitzung des in der Abhitzedampferzeugeranlage 7 erzeugten Dampfes unabhängig von den Wärmeerzeugungs- und Wärmeübertragungssystemen des Dampf­ erzeugers 21, so daß z. B. ein Stillstand des Dampferzeugers 21 keine Auswirkungen auf die Zwischenüberhitzung des Dampfes aus der Abhitzedampferzeugeranlage 7 hat.

Das im Zusatzkessel 25 anfallende noch heiße Rauchgas wird gemäß der Erfindung über eine Leitung 26 abgezogen, mit dem in der Leitung 6 strömenden heißen Abgas der Gasturbine 4 vermischt und zusammen mit diesem in der Abhitzedampferzeugeranlage 7 abge­ kühlt und dann aus der Anlage abgezogen.

Claims (9)

1. Verfahren zur Erzeugung von Energie in einer kombinierten Gas-Dampfkraftanlage mit einer Gasturbine und eines vor­ zugsweise kohlegefeuerten Dampferzeugers, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Gasturbine eine mit Wasser aus dem Wasser-Dampfkreislauf der Gas-Dampfkraftanlage gespeiste Abhitzedampferzeugeranlage nachgeschaltet wird, daß die Temperatur des Dampfstromes aus der Abhitzedampferzeuger­ anlage durch Zufuhr von Zusatzwärme an die Temperatur des Dampfstromes aus dem Dampferzeuger angeglichen wird und daß beide Dampfströme danach vermischt und der gleichen Dampftur­ bine zugeführt werden, wobei die einerseits für die Erzeu­ gung und Temperaturangleichung des Dampfstromes aus der Abhitzedampferzeugeranlage und andererseits für die Erzeu­ gung des Dampfstromes im Dampferzeuger benötigten Wärme­ mengen jeweils über feuerungsseitig voneinander unabhängigen Wärmeerzeugungs- und Wärmeübertragungssysteme zur Verfügung gestellt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzwärme in einer eigenen Feuerung erzeugt und das dabei anfallende Rauchgas dem Abgas der Gasturbine vor Eintritt in die Abhitzedampferzeugeranlage zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzwärme in einer eigenen Feuerung erzeugt und das dabei anfallende Rauchgas dem Rauchgasstrom des Dampferzeugers hinter der Feuerungsleistungszone zugeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzwärme durch Wärmetausch mit dem im Dampferzeuger an­ fallenden heißen Rauchgas übertragen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzwärme aus einer das Brenngas für den Gasturbinenprozeß erzeugenden Kohlevergasungs- oder Kohleentgasungsanlage aus­ gekoppelt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Leistungsverhältnis zwischen der Abhitze­ dampferzeugeranlage und dem Dampferzeuger 1, vorzugs­ weise zwischen 1 : 1 und 1 : 4 liegt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mehrere Gasturbinen mit ihren jeweiligen Ab­ hitzedampferzeugeranlagen in Bezug auf die Dampfführung parallel geschaltet werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der über­ hitzte Dampf mehrstufig entspannt und zumindest nach der ersten Entspannungsstufe zwischenüberhitzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß für die Zwischenüberhitzung zumindest eines Dampfteilstromes ein Teil der erzeugten Zusatzwärme verwendet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der mittels Zusatzwärme zwischenzuüberhitzende Dampfteilstrom mengenmäßig dem Dampfteilstrom aus der Abhitzedampferzeuger­ anlage entspricht.