DE4137946A1 - Gas and steam power plant - incorporates gas turbine whose exhaust gas heat is used for steam prodn. and steam is fed to steam turbine and heat exchanger - Google Patents

Gas and steam power plant - incorporates gas turbine whose exhaust gas heat is used for steam prodn. and steam is fed to steam turbine and heat exchanger

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Abstract

A heat exchanger (6) is used for pre-heating the combustion air, which is heatable by at least a part of the steam. The heat exchanger is heatable with the output steam from a user unit (17) and is operable as a condenser for the steam. The amt. of steam fed to the heat exchanger and user units is variable and may be controlled. USE/ADVANTAGE - A power plant with which the operating parameters are achieved by a variable use of the steam produced with the aid of exhaust gas heat.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage, insbesondere ein Kraftwerk, mit einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere einer einen Generator antreibenden Gasturbine und einem mit deren Abgas beheizbaren Dampferzeuger, dessen Dampf Verbrauchern, insbesondere einer Dampfturbine zuleitbar ist.The present invention relates to a plant, in particular a power plant, with an internal combustion engine, in particular a gas turbine driving a generator and a steam generator that can be heated with its exhaust gas, its steam Consumers, especially a steam turbine can be fed.

Es ist bekannt, Gasturbinen zum Antrieb von Generatoren zur Elektrizitätserzeugung zu verwenden; ebenso ist es bekannt, die in den Abgasen der Gasturbine enthaltene Wärme dadurch zu nutzen, daß mit ihr Dampf erzeugt wird, mit dem wiederum eine einen weiteren Generator antreibende Dampfturbine betrieben wird. Alternativ hierzu ist eine Nutzung des Dampfes als Prozeßdampf, insbesondere in der Chemieindustrie, möglich. Dabei kann der Anteil des Dampfes, der dem einen oder anderen Verwendungszweck zugeführt wird, entsprechend den Betriebsbedingungen des Kraftwerks, z. B. nach dem geforderten Ausmaß der Elektrizitätserzeugung, verändert werden. Zum Stande der Technik zählt ferner die nicht vorveröffentlichte deutsche Patentanmeldung P 41 36 003.6, in der ein Wärmetauscher beschrieben ist, der sich in besonderer Weise für die rekuperative Vorwärmung der Luft für Verbrennungs­ kraftmaschinen eignet. Er zeichnet sich durch eine gewendelte Bauart der Wärmetauscherrohre aus, die sowohl auf ihrer Innen- als auf ihrer Außenseite mit die Oberfläche vergrößernden Strukturen, insbesondere Rippen, versehen ist. Dieser Wärmetauscher wird unmittelbar mit dem Abgas der Verbrennungs­ kraftmaschine betrieben, wobei der Anteil des Abgases variabel ist, der für die Luftvorwärmung (die zu einer Verbesserung des Wirkungsgrades der Verbrennungskraftmaschine führt) oder für andere Zwecke, z. B. für die Dampferzeugung, genutzt wird.It is known to use gas turbines to drive generators To use electricity generation; it is also known the heat contained in the exhaust gases from the gas turbine thereby use that with it steam is generated, with which in turn a operated another steam turbine driving generator becomes. Alternatively, the steam can be used as Process steam, especially in the chemical industry, possible. The proportion of steam that one or the other can Purpose is supplied according to the Operating conditions of the power plant, e.g. B. according to the required Extent of electricity generation to be changed. To the State of the art also includes the unpublished one German patent application P 41 36 003.6, in which a Heat exchanger is described, which is in a special way for the recuperative preheating of the air for combustion suitable for engines. It is characterized by a coiled Design of the heat exchanger tubes, which are than on the outside with the surface enlarging Structures, especially ribs, is provided. This Heat exchanger is directly with the exhaust gas from the combustion Engine operated, the proportion of exhaust gas variable is for the air preheating (which improves the Efficiency of the internal combustion engine leads) or for other purposes, e.g. B. is used for steam generation.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Anlage, insbesondere ein Kraftwerk bei dem durch eine variable Nutzung des mit Hilfe der Abgaswärme erzeugten Dampfes eine optimale Abstimmung der Betriebsparameter aufeinander erleichtert wird, z. B. eine Verbesserung des Wirkungsgrades der Verbrennungs­ kraftmaschine durch eine Vorwärmung ihrer Verbrennungsluft gegenüber einer erhöhte Elektrizitätserzeugung durch eine Dampfturbine.The object of the present invention is a system in particular a power plant with variable use of the steam generated with the help of the exhaust gas heat is optimal Coordination of the operating parameters is facilitated, e.g. B. an improvement in combustion efficiency engine by preheating its combustion air versus increased electricity generation from a Steam turbine.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt dadurch, daß in der Anlage ein Wärmetauscher zur Vorwärmung der Verbrennungsluft vorhanden ist, der mit zumindest einem Teil des Dampfes beheizbar ist. Durch die nunmehr dreifache Möglichkeit der Dampfnutzung (Betrieb einer Dampfturbine, Vorwärmung der Verbrennungsluft und Prozeßwärme) wird eine größere Flexibilität im Betrieb der Anlage erreicht. Dies ist von besonderer Bedeutung für solche Anlagen, die in Kraft-Wärmekopplung betrieben werden.This problem is solved in that in the system a heat exchanger for preheating the combustion air is present with at least part of the steam is heated. The triple possibility of Steam utilization (operation of a steam turbine, preheating the Combustion air and process heat) becomes a larger one Flexibility in the operation of the plant achieved. This is from of particular importance for such plants that are in Cogeneration are operated.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Wärmetauscher mit dem Abdampf der Verbraucher, z. B. der Dampfturbine beheizbar. Dies ermöglicht eine volle Nutzung des Dampfes für den Antrieb einer Turbine oder für Prozesse, in denen nur Dampf einer bestimmten, höheren Temperaturspanne verwendbar ist, wenn auch auf Kosten einer geringeren Vorwärmung der Verbrennungsluft.In a further embodiment of the invention, the heat exchanger with the evaporation of the consumer, e.g. B. the steam turbine heatable. This allows full use of the steam for the drive of a turbine or for processes in which only Steam of a certain, higher temperature range can be used is, albeit at the expense of less preheating Combustion air.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Wärme­ tauscher zur Vorwärmung der Verbrennungsluft als Kondensator für den Dampf betreibbar. Durch die sonst kaum mögliche Nutzung der Kondensationswärme läßt sich eine Verbesserung des Wirkungsgrades der Anlage erreichen.According to another feature of the invention is heat exchanger for preheating the combustion air as a condenser operable for the steam. Because of the otherwise hardly possible Use of the heat of condensation can improve the Achieve system efficiency.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Anteil des Dampfes, der jeweils dem Wärmetauscher und den Verbrauchern zugeleitet wird, variabel, um so den von außen der Anlage aufgeprägten Betriebsbedingungen, z. B. dem tages- und jahreszeitlich bedingten Wechsel im Strombedarf, zu folgen.According to a further feature of the invention, the proportion of Steam, each of the heat exchanger and consumers is fed, variable, so that from the outside of the system  imprinted operating conditions, e.g. B. the daily and seasonal changes in electricity needs to follow.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt, und zwar zeigen:An embodiment of the invention is in the drawing shown, namely:

Fig. 1 ein Schaltbild der Anlage, Fig. 1 is a circuit diagram of the plant,

Fig. 2 eine erste und Fig. 2 shows a first and

Fig. 3 eine zweite Variante der Anordnung von Dampferzeuger und Wärmetauscher zueinander. Fig. 3 shows a second variant of the arrangement of steam generator and heat exchanger to each other.

Die Fig. 1 zeigt zunächst eine Gasturbine 1, die in bekannter Weise einen hier nicht gezeigten Generator zur Elektrizitätserzeugung antreibt. Die Gasturbine 1 wird mit durch Verbrennung eines über eine Leitung 2 zugeführten Brennstoffes mit Luft in einer (normalerweise eingehäusig mit der Gasturbine 1 ausgeführten, hier zur Verdeutlichung jedoch getrennt gezeichneten) Brennkammer 3 betrieben, wobei die Verbrennungsluft durch einen Kompressor 5 verdichtet über eine weitere Leitung 4 zugeführt wird, die in einem Wärmetauscher 6 vorgewärmt wird. Das Abgas der Gasturbine 1 wird einem Dampferzeuger 7 zugeführt und schließlich einem Nachkühler 8, in den das bereits stark abgekühlte Abgas seine Wärme z. B. zur Erzeugung von Heißwasser für Heizungszwecke in einer Leitung 9 abgibt. Der aus dem Dampferzeuger 7 austretende Dampf kann wahlweise und in durch Ventile 10, 11 gesteuerten Anteilen entweder beliebigen Verbrauchern 17, z. B. einer Dampfturbine, zum Antrieb eines weiteren, hier ebenfalls nicht gezeigten Generators zugeleitet werden oder aber dem Wärmetauscher 6, wo er seine Wärme an die Verbrennungsluft abgibt; dies vorzugsweise so lange, bis er kondensiert und, durch eine erste Pumpe 12 gefördert, einem Kondensatbehälter 13 zufließt. Von hier aus wird das Kondensat mittels einer zweiten Pumpe 14 in den Dampferzeuger zurückgefördert. Ebenso wird der in den Verbrauchern 17 kondensierte Dampf mittels einer dritten Pumpe 15 in den Kondensatbehälter 13 gefördert. Fig. 1 shows the gas turbine 1 that drives a generator, not shown here for producing electricity in a known manner. The gas turbine 1 is operated with air by combustion of a fuel supplied via a line 2 in a combustion chamber 3 (which is normally designed with the gas turbine 1 , but is shown separately here for clarity), the combustion air being compressed by a compressor 5 via a further line 4 is supplied, which is preheated in a heat exchanger 6 . The exhaust gas from the gas turbine 1 is fed to a steam generator 7 and finally to an aftercooler 8 , in which the exhaust gas, which has already cooled down considerably, transfers its heat, for B. for the production of hot water for heating purposes in a line 9 . The steam emerging from the steam generator 7 can optionally and in proportions controlled by valves 10 , 11 either any consumers 17 , e.g. B. a steam turbine, to drive a further generator, also not shown here, or the heat exchanger 6 , where it gives off its heat to the combustion air; this preferably until it condenses and, fed by a first pump 12 , flows to a condensate container 13 . From here, the condensate is fed back into the steam generator by means of a second pump 14 . Likewise, the steam condensed in the consumers 17 is conveyed into the condensate container 13 by means of a third pump 15 .

Fällt in den Verbrauchern 17 noch kein Kondensat, sondern noch Dampf an dessen Temperatur über derjenigen der bereits durch die Verdichtung im Kompressor 5 erwärmten Luft liegt, so kann dieser über eine weitere, mittels eines dritten Ventils 16 absperrbare Leitung seinerseits zur Beheizung des Wärmetauschers 6 verwendet werden.If there is still no condensate in the consumers 17 , but still steam at its temperature above that of the air which has already been heated by the compression in the compressor 5 , this can in turn be used to heat the heat exchanger 6 via a further line which can be shut off by means of a third valve 16 will.

Die Fig. 2 zeigt den Dampferzeuger 7 mit in einem ringförmigen Sammler endendem Speisewasserzulauf 18, von dem aus ein wendelförmiges Rohrbündel 20 seinen Ausgang nimmt, um schließlich über weitere Sammler in einer Dampfleitung 19 zu enden. Das heiße Abgas nimmt den durch die Pfeile gekennzeichneten Weg durch den Wärmetauscher, wobei ein zentraler Verdrängungskörper 21 vorhanden ist, der den sonst nicht nutzbaren Raum innerhalb des Rohrbündels 20 einnimmt. Dieser ist am unteren und oberen Ende offen gestaltet und kann mit Absperrklappen 22 verschlossen werden. Sind diese wie gezeichnet offen, nimmt das Abgas seinen Weg vorzugsweise durch den Verdrängungskörper 21, so daß die Dampfproduktion eingeschränkt wird zugunsten einer etwa beabsichtigten unmittelbaren Nutzung der Abwärme zu anderen Zwecken. über die Leitung 19 wird der erzeugte Dampf wahlweise und gegebenenfalls in wechselnden, durch die Ventile 10, 11 bestimmten Anteilen den Verbrauchern 17 zugeführt oder aber dem Wärmetauscher 6. Von der Zuleitung 19 aus wird über ebenfalls ringförmige Sammler der Dampf durch ein gleichfalls wendelförmig angeordnetes Rohrbündel 23 geleitet, wo er kondensiert und schließlich über eine weitere Leitung 24 abfließt. Die hierdurch vorzuwärmende Verbrennungsluft erreicht bzw. verläßt den Wärmetauscher 6 über die Leitung 4, die vorzugsweise als koaxialleitung ausgebildet ist, jedoch auch (gestrichelte Linien) am einen Ende ein- und am anderen Ende des Wärmetauschers 6 ausgeleitet werden kann. Um die wegen des schlechten Wärmeübergangs vom Dampf zur Luft erforderliche große Wärmetauschfläche zur Verfügung zu stellen, sind die Rohre 23 zweckmäßigerweise auf ihrer Innen- oder Außenseite mit Mitteln z. B. Rippen versehen, die deren Oberfläche vergrößern. FIG. 2 shows the steam generator 7 with feed water inlet 18 ending in an annular collector, from which a helical tube bundle 20 begins to finally end in a steam line 19 via further collectors. The hot exhaust gas takes the path indicated by the arrows through the heat exchanger, a central displacement body 21 being present, which takes up the otherwise unusable space inside the tube bundle 20 . This is open at the lower and upper ends and can be closed with butterfly valves 22 . If these are open as shown, the exhaust gas preferably makes its way through the displacement body 21 , so that the steam production is restricted in favor of any intended direct use of the waste heat for other purposes. Via line 19 , the steam generated is optionally and optionally in alternating proportions determined by valves 10 , 11 to consumers 17 or to heat exchanger 6 . From the feed line 19 , the steam is also passed through annular collectors through a likewise helically arranged tube bundle 23 , where it condenses and finally flows off via a further line 24 . The combustion air to be preheated in this way reaches or leaves the heat exchanger 6 via the line 4 , which is preferably designed as a coaxial line, but can also be (broken lines) at one end and discharged at the other end of the heat exchanger 6 . In order to provide the large heat exchange surface required because of the poor heat transfer from steam to air, the tubes 23 are expediently on their inside or outside with means such. B. provide ribs that increase their surface.

Die Fig. 3 zeigt eine alternative Ausführungsform, bei der der Wärmetauscher 6 als innerhalb des Dampferzeugers 7 angeordneter Verdrängungskörper ausgebildet ist. Die funktionsgleichen Teile sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen versehen, wie in der Fig. 2. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil eines geringeren Platzbedarfes und geringerer Wärmeverluste. In beiden Fällen werden die Gehäuse von Dampferzeuger 7 und Wärmetauscher 6 nur mit verhältnismäßig geringem Druck (verglichen mit dem Dampfdruck) belastet. Zu lnspektionszwecken, insbesondere im Bereich von naturgemäß schadensanfälligeren Schweißnähten, können Inspektionszonen 25 vorgesehen sein, in denen die Rohre gerade verlaufen und in deren Bereich Inspektionsöffnungen in den Gehäusen des Dampferzeugers 7 und des Wärmetauschers 6 vorgesehen sein können. FIG. 3 shows an alternative embodiment in which the heat exchanger 6 is designed as a displacement body arranged inside the steam generator 7 . The functionally identical parts are provided with the same reference numerals as in FIG. 2. This embodiment offers the advantage of a smaller space requirement and less heat losses. In both cases, the housing of the steam generator 7 and the heat exchanger 6 is only loaded with a relatively low pressure (compared to the steam pressure). For inspection purposes, in particular in the area of weld seams which are naturally more susceptible to damage, inspection zones 25 can be provided, in which the pipes run straight and in the area of which inspection openings can be provided in the housings of the steam generator 7 and the heat exchanger 6 .

Claims (4)

1. Anlage mit einer Verbrennungskraftmaschine (1) und einem mit deren Abgas beheizbaren Dampferzeuger (7), dessen Dampf Verbrauchern (17) zuleitbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wärmetauscher (6) zur Vorwärmung der Verbrennungsluft vorhanden ist, der mit zumindest einem Teil des Dampfes beheizbar ist.1. System with an internal combustion engine ( 1 ) and a heatable with its exhaust gas steam generator ( 7 ), the steam consumers ( 17 ) can be fed, characterized in that a heat exchanger ( 6 ) is provided for preheating the combustion air, which with at least part the steam is heated. 2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (6) mit dem Abdampf der Verbraucher (17) beheizbar ist.2. Plant according to claim 1, characterized in that the heat exchanger ( 6 ) with the exhaust steam of the consumer ( 17 ) can be heated. 3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (6) als Kondensator für den Dampf betreibbar ist.3. Plant according to claim 1 or 2, characterized in that the heat exchanger ( 6 ) can be operated as a condenser for the steam. 4. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Dampfes, der jeweils dem Wärmetauscher (6) und den Verbrauchern (17) zugeleitet wird, variabel ist.4. Installation according to claim 1, characterized in that the proportion of the steam which is supplied to the heat exchanger ( 6 ) and the consumers ( 17 ) is variable.
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