DE4237665A1 - Verfahren zum Betrieb einer Kombianlage - Google Patents

Verfahren zum Betrieb einer Kombianlage

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Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer aus einer Gasturbogruppe und einer Dampfturbinenanlage gebilde­ ten Kombianlage nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Stand der Technik
Es ist allgemein bekannt, daß die beim Gasturbinenprozeß benötigte Verbrennungsluft von Verdichtern bereitgestellt wird. Dabei wird häufig ein Teil der Verdichterluft abge­ zweigt, um zur Kühlung der Beschaufelung der Gasturbine beizutragen.
Letzteres ist aber nur möglich, wenn die Verdichterluft ausreichend niedrig temperiert ist, da anderenfalls die Kühlung in Frage gestellt ist. Darüberhinaus führen hohe Temperaturen der Verbrennungsluft zu Schwierigkeiten bei der Einhaltung niedriger Stickoxidwerte (NOx) im Abgas der Gasturbine.
Insbesondere bei modernen Hochleistungsgasturbinen sind hohe Druckverhältnisse der Verbrennungsluft erforderlich, d. h., es muß besonders stark verdichtete Verbrennungsluft zugeführt werden, was sich im zuvor beschriebenen Sinne nachteilig auswirkt.
Zwar ist es bereits bekannt, zur Abhilfe der vorgenannten Probleme das Temperaturniveau der verdichteten Verbren­ nungsluft durch Kühlung in einem oder gegebenenfalls in mehreren Kühlern abzusenken, jedoch ist der hierbei erfol­ gende Wärmeentzug aus der Verbrennungsluft bei Kombianlagen bezüglich Wirkungsgrad ungünstig und daher kaum zu vertre­ ten, wenn nicht gleichzeitig die entzogene Wärmeenergie ge­ nutzt wird.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß eine ausreichende Kühlung der Verbren­ nungsluft erreicht wird und gleichzeitig die bei der Abküh­ lung der Verbrennungsluft erhaltene Wärmeenergie im Prozeß selbst weiter verwertet wird. Außerdem soll eine Vorrich­ tung zur Durchführung des Verfahrens angegeben werden.
Darstellung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche 1 und 6 gelöst. Danach ist vorgesehen, daß das von der Abwärme der verdichteten Verbrennungsluft er­ hitzte Kühlwasser in wenigstens einer Stufe entspannt wird. Der dabei entstehende Dampf wird der Dampfturbine zugelei­ tet, während das unverdampfte Restwasser dem zur Dampftur­ binenanlage zugehörigen Mischvorwärmer zugeleitet wird und nach Vermischung mit dem aus dem der Dampfturbine nachge­ schalteten Kondensator zugeführten Kondensat zur Einspei­ sung des Kühlers verwendet wird.
In zweckmäßiger Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß das in einer ersten Stufe entspannte Wasser teilweise ausdampft und daß der hierbei gebildete Dampf überhitzt wird, bevor er der Dampfturbine zugeleitet wird.
Entsprechend einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das unverdampfte Restwasser im Mischvorwärmer ent­ spannt und der hierbei gebildete Dampf ebenfalls der Dampf­ turbine zugeleitet.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß das erhitzte Kühlwasser in wenigstens einem sogenannten Flash-Verdampfer spontan entspannt wird, daß der hierbei gebildete Dampf dem Abhitzekessel zugeleitet wird und daß das unverdampfte Restwasser dem Mischvorwärmer zugeführt wird.
Eine konkretisierte Lösung der zugrundeliegenden Aufgabe in Form einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsge­ mäßen Verfahrens ist erfindungsgemäß durch die kennzeich­ nenden Merkmale des Patentanspruchs 6 gekennzeichnet.
Dabei ist vorgesehen, daß der wasserseitige Ausgang des Kühlers mit wenigstens einem Ausdampfgefäß verbunden ist, welches seinerseits mittelbar oder unmittelbar mit der Dampfturbine und mit dem Mischvorwärmer verbunden ist.
Vorteilhafterweise kann dabei ein Ausdampfgefäß die zum Ab­ hitzekessel gehörige Trommel sein.
Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung ist als Ausdampfgefäß ein soge­ nannter Flash-Verdampfer vorgesehen, welcher eine spontane Ausdampfung des erhitzten und unter höherem Druck, als er im Flash-Verdampfer vorherrscht, stehenden Kühlwassers erlaubt.
In weiterer Verbesserung dieser Ausgestaltung können meh­ rere Ausdampfgefäße in Reihe geschaltet sein. Dabei ist je­ des nachfolgende Ausdampfgefäß hinsichtlich Druck und Tem­ peratur auf das jeweils vorherige Ausdampfgefäß angepaßt. Auf diese Weise ist es möglich, eine optimale Ausnutzung der Restwärme des durch die Abwärme des Verdichters erhitz­ ten Kühlwassers zu erreichen.
Diese und weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfin­ dung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei­ spielen der Erfindung sollen die Erfindung, vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung sowie be­ sondere Vorteile der Erfindung näher erläutert und beschrie­ ben werden.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Schaltschema einer ersten erfindungsgemäßen Kombianlage mit Überhitzung des verdampften Kühl­ wassers
Fig. 2 ein Schaltschema einer zweiten erfindungsgemäßen Kombianlage mit Verdampfung auf optimalem Druck­ niveau in einem Flash-Verdampfer
Fig. 3 ein Schaltschema einer dritten erfindungsgemäßen Kombianlage mit einem als Zweidrucksystem ausge­ bildeten Abhitzekessel
In Fig. 1 ist das Schaltschema einer Kombianlage 10 mit ei­ ner Gasturbogruppe 12 und einer Dampfturbinenanlage 14 dar­ gestellt.
Die Gasturbogruppe 12 weist einen zweistufigen Verdichter 16 mit einem zwischen den beiden Verdichterstufen 16.1 und 16.2 angeordneten Kühler 18, eine Brennkammer 20 und eine Gasturbine 22 auf.
Die Dampfturbinenanlage 14 umfaßt einen Abhitzekessel 24, der vom Abgas der Gasturbine 22 beheizt wird und in welchem eine Trommel 25, ein Economizer 26, ein Verdampfer 27 und ein Überhitzer 28 integriert sind, eine nachgeschaltete Dampfturbine 30, einen hieran nachgeschalteten Kondensator 32 und einen mit dem Kondensator 32 verbundenen Mischvorwärmer 34.
Der hier insbesondere interessierende Kühler 18 ist als Luft-/Wasser-Kühler ausgebildet und auf seiner Eingangs­ seite mit dem Mischvorwärmer unter Zwischenschaltung einer Druckerhöhungspumpe 36 zwecks Bereitstellung von vorgewärm­ tem Druckwasser als Kühlwasser verbunden.
Der Ausgang des Kühlers 18 ist mit der Trommel 25 verbun­ den, die ihrerseits sowohl mit dem Economizer 26 und dem Verdampfer 27 als auch mit dem Überhitzer 28 in Verbindung steht.
Entsprechend der schaltungsmäßigen Betriebsweise der darge­ stellten Anordnung 10 wird das Kühlwasser infolge der Ver­ dichtungsarbeit im Verdichter 16 auf ein Temperaturniveau aufgeheizt, welches höher liegt als die Temperatur der Trommel 25, in welcher der aus dem Verdampfer 27 kommende Dampf gesammelt wird. Demgemäß kommt es zu einer teilweisen Ausdampfung des der Trommel 25 zugeführten erhitzten Kühlwassers. Der dabei gebildete Dampf strömt dem Überhit­ zer 28 zu und gelangt anschließend zur Dampfturbine, die er als Antriebsmedium beaufschlagt.
Das nicht verdampfte Restwasser wird von der Trommel 25 dem Mischvorwärmer 34 zugeleitet, wo eine weitere Teilverdamp­ fung stattfindet, da auch der mit Kondensat gespeiste Mischvorwärmer 34 sich auf einem niedrigeren Temperaturni­ veau als das zuströmende Restwasser befindet. Der bei dieser Ausdampfung gebildete Dampf wird unmittelbar der Dampftur­ bine 30 zugeführt und trägt auf diese Weise zu einer Nut­ zung der Restwärmeenergie bei.
Die in Fig. 2 per Schaltschema gezeigte Anordnung betrifft ebenfalls eine Kombianlage 11, wobei das dargestellte Schaltschema dem in Fig. 1 gezeigten Schaltschema in zahl­ reichen Merkmalen entspricht, so daß für die überein­ stimmenden Merkmale jeweils die entsprechenden Bezugszif­ fern verwendet wurden, für die dann auch die zu Fig. 1 gege­ benen Erläuterungen gelten.
Gegenüber der in Fig. 1 gezeigten Anordnung weist der Schal­ tung gemäß Fig. 2 jedoch einige in thermodynamischer Hin­ sicht relevante Verbesserungen auf.
So ist zunächst zu beachten, daß aufgrund des relativ hohen Druckniveaus in der Trommel 25 nur ein verhältnismäßig kleiner Teil des zugeführten heißen Kühlwassers zur Ver­ dampfung kommt. Diesem Aspekt wird dadurch begegnet, daß ein separates erstes Ausdampfgefäß 38 vorgesehen ist, wel­ ches vorzugsweise ein sogenannter Flash-Verdampfer ist. Der beim Entspannen des heißen Restwassers in diesem ersten Ausdampfgefäß 38 entstehende Dampf wird zunächst einem Überhitzer 29 zugeführt und anschließend der Dampfturbine 30.
Dieses erste Ausdampfgefäß 38 ist unabhängig von den durch die Abgasbeheizung des Abhitzekessels 24 bestimmten Verfah­ rensparametern, sondern kann individuell auf das erforder­ liche Druck- und Temperaturniveau des Kühlers 18 bzw. auf die verfahrenstechnischen Daten des erhitzten Kühlwassers angepaßt werden. Hierdurch ist eine optimale Ausnutzung der im Kühlwasser enthaltenen Abwärme möglich.
In Weiterverfolgung dieser Überlegungen ist ein zweites Ausdampfgefäß 40 dem ersten in Reihe nachgeschaltet, das ebenfalls hinsichtlich Druck und Temperatur auf das vom er­ sten Ausdampfgefäß 38 zuströmende Restwasser ausgelegt ist. Vorteilhafterweise ist das zweite Ausdampfgefäß 40 wie auch bereits das erste Ausdampfgefäß 38 als Flash-Verdampfer ausgebildet.
Der beim Ausdampfen des aus dem ersten Ausdampfgefäß 38 zu­ geleiteten Restwassers in diesem zweiten Ausdampfgefäß 40 entstehende Dampf wird zur weiteren Nutzung ebenfalls der Dampfturbine 30 zugeführt, während das unverdampfte Rest­ wasser zur restlichen Entspannung dem Mischvorwärmer 34 zugeleitet wird, dessen Dampfdom ebenfalls mit der Dampf­ turbine 30 verbunden ist.
Die in Fig. 3 dargestellte Schaltungsanordnung betrifft ebenfalls eine Kombianlage 13, die weitgehend mit den in Fig. 1 beziehungsweise in Fig. 2 gezeigten und erläuterten Anordnungen übereinstimmt, so daß für die übereinstimmenden Merkmale jeweils die entsprechenden Bezugsziffern verwendet wurden, für die dann auch die zu Fig. 1 beziehungsweise zu Fig. 2 gegebenen Erläuterungen gelten.
Der wesentliche Unterschied gegenüber den zuvor erläuterten Anordnungen 10 und 11 ist darin zu sehen, daß hier der Ab­ hitzekessel 24 als Zweidrucksystem ausgeführt ist, wobei an Stelle eines Flash-Verdampfers als erstes Ausdampfgefäß 42 für das heiße Kühlwasser eine Kesseltrommel 42 vorgesehen ist. Durch diese Maßnahme gelingt es neben einer wirkungs­ vollen Ausnutzung der Abwärme aus dem Verdichter 16 noch besser die Abwärme der Rauchgase der Gasturbine 22 im Abhit­ zekessel 24 auszunutzen.
Demgemäß weist der Abhitzekessel 24 zusätzlich zu den in Fig. 1 bereits gezeigten als zweite Druckstufe vorgesehenen Baugruppen wie Economizer 26, Verdampfer 27 und Überhitzer 28 eine auf das Druckniveau des Kühlers 18 abgestimmte er­ ste Druckstufe mit ebenfalls einem Economizer 44, einem Verdampfer 45 und einem Überhitzer 46 auf.
Das in der als Ausdampfgefäß fungierenden Trommel 42 un­ verdampfte Restwasser wird zu einem zweiten Ausdampfgefäß 40 mit geringerer Temperatur und geringerem Druck geleitet, so daß eine erneute Ausdampfung stattfindet, wobei der re­ sultierende Dampf der Dampfturbine 30 und das verbleibende Restwasser zur weiteren Entspannung dem Mischvorwärmer 34 zugeleitet wird.
Eine mit 3 Trommeln abgestuften Druckes bestückte Drei­ druckkesselanordnung, wie sie für höchstwertige Kombianla­ gen zur Anwendung kommt, gestattet eine fein abgestufte Ausdampfung des Kühlwassers mit geringstem zusätzlichem Bauaufwand.

Claims (9)

1. Verfahren zum Betrieb einer Kombianlage (10, 11, 13) mit einer einen Verdichter (16) mit zugeordnetem von Wasser als Kühlmedium beaufschlagtem Kühler (18), eine Brennkammer 20) und eine Gasturbine (22) aufweisenden Gas­ turbogruppe (12) und mit einer einen vom Abgas der Gastur­ bine (22) beheizten Abhitzekessel (24) mit Verdampfer (27, 45), Trommel (25, 42), Economizer (26, 44) und Überhitzer (28, 46), eine nachgeschaltete Dampfturbine (30) sowie einen Mischvorwärmer (34), der von einem der Dampfturbine (30) nachgeschalteten Kondensator 32) mit Kondensat ge­ speist wird, aufweisenden Dampfturbinenanlage 14), dadurch gekennzeichnet, daß das von der Abwärme der verdichteten Ver­ brennungsluft des Verdichters (16) erhitzte Kühlwasser in wenigstens einer Stufe entspannt wird, daß der hierbei ge­ bildete Dampf dem Abhitzekessel (24) und/oder der Dampftur­ bine (30) zugeleitet wird, daß das unverdampfte Restwasser dem Mischvorwärmer (34) zugeleitet wird und nach Vermi­ schung mit dem zugeführten Kondensat zur Einspeisung des Kühlers 18) verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das in einer ersten Stufe entspannte Wasser teilweise ausdampft und daß der hierbei gebildete Dampf überhitzt wird, bevor er der Dampfturbine (30) zugeleitet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das unverdampfte Restwasser im Mischvorwärmer (34) ent­ spannt wird und der hierbei gebildete Dampf ebenfalls der Dampfturbine (30) zugeleitet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erhitzte Kühlwasser in wenigstens einem sogenannten Flash-Verdampfer (38, 40) spontan entspannt wird, daß der hierbei gebildete Dampf dem Abhitzekessel (24) zugeleitet wird und daß das unverdampfte Restwasser dem Mischvorwärmer (34) zugeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das im ersten Flash-Verdampfer (38) anfallende Restwas­ ser zunächst in einem zweiten Flashverdampfer (40) weiter entspannt wird, daß der hierbei gebildete Dampf einer Zwi­ schenstufe der Dampfturbine (30) zugeführt wird und daß das im zweiten Flash-Verdampfer (40) anfallende Restwasser dem Mischvorwärmer (34) zugeleitet wird.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einer Kombianlage (10, 11, 13), die eine einen Verdichter (16) mit zugeordnetem von Wasser als Kühlmedium beaufschlagtem Kühler (18), eine Brennkammer (20) und eine Gasturbine 22) aufweisenden Gas­ turbogruppe (12) sowie eine einen vom Abgas der Gasturbine (22) beheizten Abhitzekessel 24) mit Verdampfer (27, 45), Trommel (25, 42), Economizer (26, 44) und Überhitzer (28, 46), eine nachgeschaltete Dampfturbine (30) sowie einen Mischvorwärmer (34), der von einem der Dampfturbine (30) nachgeschalteten Kondensator (32) mit Kondensat gespeist wird, aufweisenden Dampfturbinenanlage (14) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß der wasserseitige Ausgang des Kühlers (18) mit wenigstens einem Ausdampfgefäß (25, 38, 40, 42) verbunden ist, das seinerseits mittelbar oder unmittelbar mit der Dampfturbine (30) und mit dem Mischvorwärmer (34) verbunden ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß ein Ausdampfgefäß (25, 42) die zum Abhitzekessel (24) gehörige Trommel (25, 42) ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß als Ausdampfgefäß (38, 40) ein sogenannter Flash- Verdampfer vorgesehen ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß mehrere Ausdampfgefäße (38, 40, 42) in Reihe geschaltet sind und daß jedes nachfolgende Ausdampfgefäß hinsichtlich Druck und Temperatur auf das je­ weils vorherige Ausdampfgefäß angepaßt ist.
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