DE69024517T2 - Kraftwerk mit kombiniertem Zyklus - Google Patents

Kraftwerk mit kombiniertem Zyklus

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen Kraftwerke mit kombiniertem Zyklus. Im speziellen betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrades eines Kraftwerks mit kombiniertem Zyklus durch Vorwärmen von in die Verbrennungsturbine des Kraftwerks eingespeistem Kraftstoff.
  • Üblicherweise enthält ein Kraftwerk mit kombiniertem Zyklus eine Verbrennungsturbine zum Abtrieb eines elektrischen Generators, einen Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator (nachfolgend HRSG) zur Aufnahme von Abgas aus der Verbrennungsturbine und eine mit einem weiteren elektrischen Generator gekoppelte Dampfturbine. Der HRSG beinhaltet typischerweise auch drei Wärmeaustauscherabschnitte, einen Überhitzerabschnitt, einen Verdampferabschnitt und einen Abgasvorwärmerabschnitt. Das Abgas aus der Verbrennungsturbine strömt zuerst über den Überhitzerabschnitt, dann über den Verdampferabschnitt und schließlich über den Abgasvorwärmerabschnitt. Kondenswasser aus der Dampfturbine wird als Speisewasser zu einem Eingang des Abgasvorwärmerabschnitts geleitet. Das Speisewasser wird durch das Abgas erwärmt, und erwärmtes Speisewasser wird zum Verdampferabschnitt geleitet, in dem gesättigter Dampf erzeugt wird. Der gesättigte Dampf wird danach in den Überhitzerabschnitt geleitet, in dem überhitzter Dampf erzeugt wird, der zur Dampfturbine geleitet wird. So ist die Dampfturbine Zwischenglied in einer Schleife, die den Eingang und den Ausgang des HRSG verbindet, d.h. den Eingang des Abgasvorwärmerabschnitts und den Ausgang des Überhitzerabschnitts.
  • Die aus dem Abgas im HRSG gewonnene Wärme ist durch den Temperaturunterschied zwischen dem Abgas und der Dampf-Verdampfungstemperatur (d.h. der Verdampfer-"Druck"-Temperatur) begrenzt. Obwohl der Abgasvorwärmerabschnitt zur Verbesserung des Kraftwerkwirkungsgrades beiträgt, ist die zusätzliche, aus dem Abgasvorwärmerabschnit gewonnene Wärme durch die Wasserdurchsatzrate begrenzt, die die Dampferzeugung im Verdampferabschnitt ausgleicht. So wird ein Teil der Wärmeenergie des Systems vergeudet, und es verbleibt noch ein Potential zur Erhöhung des Wirkungsgrades des Kraftwerks.
  • US-Patent 4,099,374 offenbart ein Kraftstoffvorwärmverfahren, in dem ein Teil des Speisewassers aus dem Verdampferabschnitt in einen Kraftstoffvorwärmer abgeleitet wird, wo es das Kraftstoffgas vorwärmt, das dann seinerseits zur Verbrennungsturbine geleitet wird. Vorwärmen des Kraftstoffs mit Energie, die sonst vergeudet würde, erhöht den Wirkungsgrad des Kraftwerks.
  • Es ist die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, ein weiteres Verfahren zum Vorwärmen des Kraftstoffgases zur Verbesserung des Kraftwerkwirkungsgrades zu bieten.
  • Unter Berücksichtigung dieser Aufgabe gründet sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrades eines Kraftwerks mit kombiniertem Zyklus, wobei Abgas aus einer Verbrennungsturbine durch einen Wärmeruckgewinnungs-Dampfgenerator (HRSG) geführt wird, Speisewasser durch einen Abgasvorwärmerabschnitt des HRSG in einer Durchsatzmenge zur Lieferung von erwärmtem Speisewasser geleitet wird, und dann durch einen Verdampferabschnitt des HRSG zur Erzeugung von gesättigtem Dampf mit einer Produktionsrate geleitet wird, wobei das Speisewasser in einer Durchsatzmenge größer als die erforderliche Menge zur Erhaltung der Dampfproduktionsrate im Verdampferabschnitt durch den Verdampferabschnitt geleitet wird; und ein Teil des erwärmten Speisewassers aus dem Abgasvorwärmerabschnitt (vor dem Verdampferabschnitt) zu einem Wärmeaustauscher geleitet und dann zu einem Eingang des Abgasvorwärmerabschnitts zurückgeführt wird, und Kraftstoff für die Turbine durch den Wärmeaustauscher geleitet wird, so daß er durch das Speisewasser erwärmt wird. Dieser Teil des erwärmten Speisewassers wird von dem zum Verdampferabschnitt geleiteten Speisewasser abgeleitet. Vorzugsweise ist der Abgasvorwärmerabschnitt so groß, daß eine Erhöhung der Speisewasser-Durchsatzmenge die Temperatur des erwärmten Speisewassers nicht wesentlich reduziert, das sonst vom Abgasvorwärmerabschnitt geliefert würde. Bei einer 25%igen Erhöhung der Durchsatzmenge durch den Abgasvorwärmerabschnltt fand man heraus, daß eine 20%ige Erhöhung der Wärmeleitfläche des Abgasvorwarmerabschnitts (über diejenige hinaus, nie ohne Vorwärmen des Kraftstoffgases erforderlich wäre), die Dampfprodukionsrate auf dem gleichen Wert hält, wie vor der Erhöhung der Durchsatzmenge, während der Kraftstoff auf 150ºC (300ºF) erwärmt wird. Dieser Vorwärmewert steigert den Kraftwerkwirkungsgrad um 0,5% bis 1%.
  • Die Erfindung wird anhand der detaillierten Beschreibung einer dargestellten, beispielhaften Ausführungsform und der begleitenden Zeichnung leichter verständlich, wobei:
  • Figur 1 ein Diagramm zur Darstellung eines Kraftwerks mit kombiniertem Zyklus gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
  • Ein in der Figur dargestelltes Kraftwerk mit kombiniertem Zyklus beinhaltet eine Verbrennungsturbine 10, einen Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator (HRSG) 24 und eine Dampfturbine 40. Die Verbrennungsturbine 10 beinhaltet einen Verdichter- abschnitt 12 mit einem Lufteingang 16 und ist in Wirkverbindung mit einem Stromgenerator 18 zu dessen Antrieb gekoppelt. Der Verdichterabschnitt 12 ist mittels eines Läufers 20 mit einem Turbinenabschnitt 14 gekoppelt. Ein Brennerabschnitt 22 erwärmt verdichtetes Gas aus dem Verdichterabschnitt 12 und leitet es auf bekannte Weise zum Turbinenabschnitt 14. Kraftstoff wird, wie bei 60 dargestellt, zu einem Eingang des Brennerbereichs 22 geführt.
  • Der HRSG 24 nimmt Abgas aus der Verbrennungsturbine 10 auf, wie bei 32 dargestellt wird. Der HRSG beinhaltet drei Wärmeaustauscherabschnitte, einen Überhitzerabschnitt 30, einen Verdampferabschnitt 28 und einen Abgasvorwärmerabschnitt 26, von denen jeder einen Eingang und einen Ausgang hat. Wie bekannt ist, strömt das Abgas zuerst über den Überhitzerabschnitt 30, dann über den Verdampferabschnitt 28, und schließlich über den Abgasvorwärmerabschnitt 26. Es können zusätzliche Wärmeaustauscherabschnitte vorhanden sein, und der Umfang der Erfindung ist nicht auf den Einsatz eines HRSG mit nur drei Abschnitten begrenzt. Eine geschlossene Schleife um den HRSG 24 wird durch Rohrabschnitte definiert, die den Ausgang des Überhitzerabschnitts 30, Dampfturbine 40, Kondensator 42, Kondensatpumpe 44, Spesewasserleitung 48, Luftabscheider 56, Kesselspeisepumpe 54 und den Eingang des Abgasvorwärmerabschnitts wie dargestellt verbinden. Wie bekannt ist, wird Speisewasser 52 durch den Abgasvorwärmerabschnitt 26 zum Liefern von erwärmten, unter Druck stehendem Speisewasser an dessen Ausgang geleitet. Das erwärmte, unter Druck stehende Speisewasser 38 wird zu einer Dampftrommel 34 geleitet, die zur Erzeugung von gesättigtem Dampf auf bekannte Weise in Wirkverbindung mit dem Verdamtferabschnitt 28 gekoppelt ist. Ein Ventil 64 wird zur Erhaltung des korrekten Dampf/Wasser-Verhältnisses 10 der Trommel 34 eingestellt. Gesättigter Dampf 36 wird in den Überhitzerabschnitt 30 eingespeist. Dann wird überhitzter Dampf 50 durch die Dampfturbine 40 geführt, die einen Stromgenerator 46 antreibt. Falls erforderlich, wird Frischwasser zugeführt, wie bei 62 dargestellt ist.
  • Das soweit beschriebene System ist in der Technik wohl bekannt. In Standardkraftwerken ohne Kraftstoffvorwärmung werden Größe (d.h. der vom Abgas beaufschlagte Oberflächenbereich) des Abgasvorwärmerabschnitts 26 und die Durchsatzmenge des Speisewassers 52 so gewählt, daß eine gewünschte Menge gesättigten Dampfes im Verdampferabschnitt 28 erzeugt wird. Erfindungsgemäß wird aber die Größe (d.h. der vom Abgas beaufschlagte Oberflächenbereich) des Abgasvorwärmerabschnitts 26 und die Durchsatzmenge des Speisewassers durch diesen so erhöht, daß (1) die Durchsatzmenge des Speisewassers durch den Abgasvorwänmerabscnnitt 26 die zur Erreichung der Dampfproduktionsrate im Verdampferabschnitt erforderliche Menge übersteigt, und (2) die Temperatur des unter Druck stehenden, erwärmten Speisewassers 38 nicht wesentlich unter aie des Speisewassers absinkt, das sonst in nen Abgasvorwärmerabschnitt 26 geleitet würde. Es stellte sich heraus, daß für eine 25%ige Erhöhung der Durchsatzmenge durch den Abgasvorwärmerabschnitt ungefähr eine 20%ige Vergrößerung der Wärmeleitfläche des Abgasvorwarmerabschnitts, bzw. eine 5%ige Erhöhung der Gesamtfläche des HRSG (über die normalerweise ohne die Erfindung erforderliche) nötig sind, um die Dampfproduktionsrate im Verdampferabschnitt auf dem gleichen Wert zu halten wie vor der Erhöhung der Durchsatzmenge, während der Kraftstoff auf 150ºC (300ºF) erwärmt wird. Der Betrag des Vorwärmens erhöht den Wirkungsgrad des Kraftwerks um 0,5 bis 1%.
  • Die für die Praxis der vorliegenden Erfindung benötigte Hardware ist mit 100, 102 und 104 bezeichnet. Wie dargestellt, verbindet ein Rohrabschnitt 102 den Einganganschluß des Abgasvorwärmerabschnitts 26 und die Trommel 34 mit dem Eingang eines Wärmeaustauschers 100. Ein Rohrabschnitt 104 verbindet den Ausgang des Wärmeaustauschers 100 mit einer Schleife, die mit dem Eingang des Abgasvorwärmerabschnitts 26 verbunden ist. Kraftstoff wird durch einen Eingang des Wärmeaustauschers, wie unter 58 dargestellt wird, dann zum Kraftstoffeingang des Brennerabschnitts 22, wie unter 60 dargestellt wird, geleitet. Die aus der erhöhten Speisewasser- Durchsatzmenge durch den Abgasvorwärmerabschnitt 26 resultierende überschüssige Menge des erwärmten und unter Druck stehenden Speisewassers 38 wird vom Eingang der Dampftrommel 34 und somit vom Verdampferbereich 28 abgeleitet, durch den Wärmeaustauscher 100 geleitet und dann zum Eingang des Abgasvorwärmerabschnitts 26 zurückgeführt. Wie dargestellt ist, wird das erwarmte Speisewasse 104 vom Wärmeaustauscher 100 zum Luftabscheider 56 geführt, bevor es zum Eingang des Abgasvorwärmerabschnitts 26 geleitet wird. Kondensierter Dampf aus dem Dampfturbine wird ebenfalls zum Luftabscheider 56, dann zum Eingang des Abgasvorwärmerabschnitts geleitet. Das überschüssige erwärmte und unter Druck stehende Speisewasser 38 wird bei einer Temperatur nahe der Verdampfertemperatur, d.h der Abgasvorwärmerabschnitt-"Abnäherungs"- Temperatur, abgeleitet. Kraftstoff 58 für die Verbrennungsturbine 10 wird durch den Wärmeaustauscher 100 vorgewärmt.
  • Da eine Erwärmung des Kraftstoffs 58 durch den Einsatz von aus einer hinter dem Verdampferabschnitt (in Strömungsrichtung des Abgases) liegenden Wärmequelle gewonnenem Heißwasser erreicht wird, und da ferner die Temperatur des zum Verdampferabschnitt 28 gelieferten erwärmten Speisewassers 38 nicht wesentlich reduziert wird, mindert die Rückgewinnung der zur Erwärmung des Kraftstoffs 58 benutzen Wärme nicht die Menge des überhitzten Dampfes, der sonst zum Einsatz in der Dampfturbine 40 zur Verfügung steht. Der Kraftstoff 56 wird auf diese Weise mit Energie erwärmt, die sonst verloren oder nicht für den Einsatz verfügbar wäre. Man fand heraus, daß die Implementierung der Erfindung die Gesamtleistung des Systems um 0,5% bis 1% steigert.
  • Größe des Abgasvorwärmerabschnitts 26 und Wahl der Speisewasser-Durchsatzmenge durch diesen können mittels bekannter Konstruktionsgleichungen, Tabellen, etc. gewählt werden. Als Wärmeaustauscher 100 kann ein herkömmlicher Röhrenwärmeaustauscher verwendet werden. Das aus dem Wärmeaustauscher 100 austretende gekühlte Wasser kann entweder sofort zum Eingang des Abgasvorwärmerabschnitts 26 rückgeführt oder zunächst für andere Heizzwecke eingesetzt werden. In der dargestellten Ausführungsform wird das gekühlte Wasser aus dem Wärmeaustauscher 100 zur Entlüftung benutzt und mit dem Kondenswasser aus der Dampfturbine 40 gemischt.

Claims (2)

1. Verfahren zum Betrieb eines Kraftwerks mit kombiniertem Zyklus, wobei Abgas (32) aus einer Verbrennungsturbine (10) durch einen Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator (HRSG) (24), Speisewasser (52) durch einen Abgasvorwärmerabschnitt (26) des HRSG (24) mit einer Durchsatzrate geleitet wird, um erwärmtes Spesewasser (38) zu liefern, und dann durch einen Verdampferabschnitt (28) des HRSG (24) zur Erzeugung von gesättigtem Dampf mit einer Produktionsrate geleitet wird, wobei das Speisewasser (52) in einer Durchsatzmenge, die größer ist als die erforderliche Menge zur Erhaltung der Dampfproduktionsrate im Verdampferabschnitt (28) durch den Abgasvorwärmerabschnitt (26) geleitet wird; und ein Teil des erwärmten Speisewassers (38) zu einem Wärmeaustauscher (100) abgeleitet wird und dann zu einem Eingang des Abgasvorwärmerabschnitts (26) rückgeführt wird, und Kraftstoff (58) für die Turbine (10) durch den Wärmeaustauscher (100) geleitet wird, so daß er durch das Speisewasser erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Teil des erwärmten Speisewassers (38) von dem zum Verdampferabschnitt (28) geleiteten Speisewasser (52) abgeleitet wird.
2. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasvorwärmerabschnitt (26) mit einer vom Abgas (32) beaufschlagten Oberfläche versehen ist, die größer ist als zur Lieferung von Spesewasser (38) erforderlich wäre, wenn die Durchsatzrate der Produktionsrate entspricht, so daß die Temperatur des erwärmten Speisewasser (38) im wesentlichen durch die erhöhte Speisewasser-Durchsatzmenge 52) durch den Abgasvorwärmerabschnitt (26) unverändert bleibt.
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