DE69517623T2

DE69517623T2 - Dampfeinspritzgasturbinensystem mit Hochdruckdampfturbine

Info

Publication number: DE69517623T2
Application number: DE69517623T
Authority: DE
Inventors: Michael S. Briesch
Original assignee: Siemens Westinghouse Power Corp
Current assignee: Siemens Energy Inc
Priority date: 1994-04-08
Filing date: 1995-03-15
Publication date: 2001-03-29
Anticipated expiration: 2015-03-16
Also published as: KR950033008A; DE69517623D1; EP0676532A1; JPH0842308A; EP0676532B1; JP2680792B2; US5564269A; TW274575B; CA2146627A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinenkraftanlage, die Dampfeinspritzung und eine Kopfprodukt-Dannpfturbine benutzt. Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesonders auf eine solche Gasturbinenkraftanlage, in der Dampf in einem Wärmewiedergewinnungsdampferzeuger bei höheren und tieferen Drücken erzeugt wird.
Die geringen Kapitalkosten, kurzen Führungszeiten, und Flexibilität von auf Gasturbinen beruhenden Kraftanlagen machen sie für elektrische Versorgungsbetriebe als Mittel zum Erzeugen von elektrischer Leistung besonders attraktiv. Leider ist die Unwirtschaftlichkeit einer alleinstehenden Gasturbine, die einfaches Kreislaufsystem genannt wird, relativ gering verglichen mit konventionell befeuerten Kesseldampfturbinensystemen.
Die Hauptquelle dieser Unwirtschaftlichkeit ist dem Brayton-Kreislauf eigen, mit dem die Gasturbine arbeitet. Der ideale Brayton-Kreislauf arbeitet in drei Phasen - zuerst wird Arbeit an der Flüssigkeit (Luft in dem Fall einer Gasturbine) durch isentrotische Verdichtung in einem Kompressor durchgeführt; als zweites wird der Flüssigkeit in einer Brennkammer isobarisch Wärme zugegeben, und drittens wird die heiße verdichtete Flüssigkeit isentropisch wieder zurück auf ihren anfänglichen Druck in der Turbine expandiert. Während der Expansionsphase wird ein großer Teil der an die Flüssigkeit abgegebene Energie als Ergebnis der Verdichtung und Erwärmung in Gestalt von nützlicher Arbeit wiedergewonnen. Ein bedeutendes Teil der Energie bleibt aber in einer Gestalt mit relativ hoher Temperatur, tiefem Druck, das praktischerweise durch weitere Expansion in der Turbine nicht wiedergewonnen werden kann. Diese Energie wird in einem einfachen Kreislaufsystem an die Atmosphäre verloren, wenn das von der Gasturbine abgelassene Gas an die Atmosphäre entlüftet wird. Die Größe von diesem Energieverlust kann geschätzt werden, indem man bemerkt, dass in einem typischen einfachen Kreislaufsystem, in den Kompressor induzierte Luft bei Umgebungstemperatur auf eine Temperatur über 1090ºC (2000ºF) in der Brennkammer vor der Expansion in der Turbine erwärmt wird, aber nur auf ungefähr 540ºC (1000ºF) abgekühlt wird, wenn sie nach der Expansion in der Turbine zur Atmosphäre entlüftet wird. So wird das Teil des Brennstoffs, das in der Brennkammer verbrannt wird, das benutzt wurde, um die Temperatur der Umgebungsluft auf 540ºC (1000ºF) zu erhöhen, verschwendet, was eine schlechte Gesamtleistungsfähigkeit ergibt.
Folglich sind wesentliche Bemühungen gemacht worden, um Verfahren zum Wiedergewinnen der Energie zu entwickeln, die in dem Gas verfügbar ist, das von einer Gasturbine entlassen wird. Eins der erfolgreichsten Verfahren verwickelt die Übertragung von sensibler Wärme von dem heißen Abgas auf unter Druck gesetztes Speisewasser in einem Wärmewiedergewinnungsdampferzeuger (nachfolgend HRSG). Der HRSG erzeugt Dampf, der in einer Dampfturbine expandiert wird, dabei stellt er zusätzliche sich drehende Wellenleistung her. Da Dampfturbinen mit dem Rankine-Kreislauf statt dem Brayton-Kreislauf arbeiten, werden Kraftanlagen, die solche Wärmewiedergewinnungsverfahren benutzen, kombinierte Kreislaufkraftanlagen genannt.
Ein HRSG weist typischerweise einen großen Kanal auf, durch den das Abgas strömt. Der Kanal umschließt Reihen von Rohren, durch die Wasser/Dampf strömt und über die das Gasturbinenabgas strömt. Die Oberflächen der Rohre liefern Wärmeübertragungsoberflächen. Es sind drei Grundkomponenten vorhanden, in denen Wärme in einem typischen HRSG übertragen wird, jede weist ein Bündel von Rohren auf: ein Speisewasservorwärmer, in dem das Speisewasser auf beinah die Sättigungtemperatur erwärmt wird; ein Verdampfer, in dem das in dem Speisewasservorwärmer erwärmte Wasser in Dampf umgewandelt wird; und ein Überhitzer, in dem die Temperatur des gesättigten Dampfs von dem Verdampfer in den Überhitzungsbereich angehoben wird.
Um eine maximale Leistungsfähigkeit der Dampfturbine zu erhalten, ist es wünschenswert, Dampf mit hoher Temperatur und Druck zu erzeugen. Die Dampftemperatur ist aber auf die Temperatur des Abgases begrenzt, das in den HRSG eintritt, außer wenn zusätzlicher Brennstoff in dem Abgas gebrannt wird, was eine unwirtschaftliche Praxis ist. Der maximale Druck des Dampfs ist auch von der Temperatur des Abgases begrenzt, da die Sättigungstemperatur von Dampf sich mit ihrem Druck erhöht, und nur das Teil der Wärme in dem Abgas, das über der Sättigungstemperatur des Wassers in dem Verdampfer benutzt werden kann, um Dampf zu erzeugen. Daher verringert es auch die Menge des erzeugten Dampfes, obwohl sich erhöhender Dampfdruck die Dampfturbinenleistungsfähigkeit erhöht.
Eine Annäherung zum Maximieren der Wärmewiedergewinnung durch Dampferzeugung verwickelt die Benutzung von einem HRSG, der Dampf bei vielen Druckhöhen durch Benutzen eines getrennten Verdampfers auf jeder Druckhöhe erzeugt. Der an jeder Druckhöhe erzeugte Dampf wird dann in die geeignete Stufe der Dampfturbine induziert. Nach dieser Annäherung wird das Gasturbinenabgas zuerst auf den Verdampfer mit dem höchsten Druck gerichtet, dann auf jeden Verdampfer mit darauffolgendem tieferem Druck. So wird, obwohl die Temperatur des Gases, das in den Verdampfer eintritt, sich bei jeder aufeinanderfolgenden Druckhöhe verringert, der Sättigungsdruck (und so die Sättigungstemperatur des Wassers) in jedem aufeinanderfolgenden Verdampfer auch verringert, so dass zusätzlicher Dampf bei jeder Druckhöhe erzeugt werden kann. Zum Beispiel, wenn Dampf auf drei Druckhöhen erzeugt würde, dann wird der Dampf mit dem höchsten Druck in eine Hochdruckdampfturbine eingeführt, dessen Abgas mit Dampf kombiniert wird, der bei einem Zwischendruck erzeugt wird, und die kombinierte Strömung wird in in eine Zwischendruckdampfturbine eingeführt. Das Abgas von der Zwischendampfturbine kombiniert sich mit Dampf, der bei tiefem Druck erzeugt wird, und die kombinierte Strömung wird in eine Tiefdruckdampfturbine eingeführt. Der Dampf wird dann von der Tiefdruckdampfturbine abgelassen und kondensiert und an den HRSG zurückgegeben. Obwohl diese Annäherung eine verbesserte Leistungsfähigkeit ergibt, schmälern die Kosten und die Komplexität, die großen Zwischen- und Tiefdruckturbinen zugeordnet sind, ihre Erwünschtheit.
Einspritzen von Dampf in die Brennkammer ist manchmal benutzt worden, um den NOx zu verringern, der als Ergebnis der Verbrennung von Brennstoff erzeugt wird, oder um die Leistungsabgabe der Gasturbine zu erhöhen. In der Vergangenheit ist eine solche Dampfeinspritzung in einer Gasturbinenkraftanlage mit einfachem Kreislauf durch Erzeugen von Dampf mit tiefem Druck in einem kleinen HRSG vervollständigt worden, und dann Einspritzen des ganzen erzeugten Dampfes in die Brennkammer der Gasturbine. Leider ergibt diese Annäherung nicht die maximale Ausnutzung der Wärme, die in dem Abgas bleibt, da das Abgas bei Dampftiefdruck mehr Dampf herstellen kann als die Gasturbine handhaben kann.
In einer kombinierten Kreislaufkraftanlage ist Dampfeinspritzung durch Erzeugen von Hochdruckdampf für die Dampfturbine erreicht worden, und dann Entziehen eines Teils des Dampfs halbwegs durch die Turbine und Einspritzen davon in die Gasturbinenbrennkammer. Obwohl diese Annäherung die Wiedergewinnung von wärme von dem Abgas erhöht, sind solche kombinierten Kreislaufanlagen komplex, verwickeln eine große Dampfturbine, HRSG, Kondensator, Kühlturm, usw., und erfordern eine beträchtliche Kapitalinvestition.
In dem Dokument des Standes der Technik GB-A-932718 wird ein Arbeitskreislauf für eine kombinierte Gasturbinen- und Dampfturbinenkraftanlage beschrieben, die einen Kompressor aufweist, in dem ein gasförmiges Arbeitsmedium verdichtet wird, wobei das verdichtete gasförmige Arbeitsmedium, nachdem es erwärmt worden ist, zusammen mit Dampf in eine den Kompressor treibende Turbine gebracht wird, deren Abgase benutzt werden, um ein Lastturbine anzutreiben, in der Kreislaufwärme in den heißen Abgasen von der Lastturbine mittels eines Wärmetauschers entzogen wird und benutzt wird, um Hochdruckdampf herzustellen, der in einer Dampfturbine expandiert wird, deren Abdampf benutzt wird, um Dampf mit einem Druck zu liefern, der ermöglicht, dass er in den Kreislauf als Tiefdruckdampf eingespritzt wird, und mit dem verdichteten und erwärmten gasförmigen Arbeitsmedium in die den Kompressor antreibende Turbine gebracht wird.
In dem Dokument des Standes der Technik GB-A-1143469 wird vorgeschlagen, den in dem Dokument GB-A-932718 beschriebenen Arbeitskreislauf in einer verbesserten Weise zu benutzen, worin weiterer Tiefdruckdampf von einer Quelle unabhängig von der Dampfturbine in den Kreislauf eingespritzt wird, um die Ausgabe der den Kompressor antreibenden Turbine und/oder der Lastturbine zu verbessern.
Man nimmt auch auf das Dokument des Standes der Technik DE-A-33 31 153 Bezug, das eine Gasturbinenanordnung zeigt, in der das Abgas von der Gasturbine durch einen ersten Abfallgasdampfkessel und auch durch einen weiteren Abfallgasdampfkessel gegeben wird. Der in dem ersten Abfallgasdampfkessel hergestellte Dampf wird durch eine Dampfturbine gegeben und dann durch einen Anschluss an die Brennkammer für die Gasturbine, während der Dampf des weiteren Abfallgasdampfkessels direct zu dem Anschluss an die Brennkammer gegeben wird. Durch diese Anordnung wird eine hohe Leistungsfähigkeit für die Gasturbinenanordnung erreicht, und zur gleichen Zeit wird die Brenntemperatur in der Brennkammer ausreichend verringert, so dass nur gestattete Mengen von Stickstoffoxiden auftreten.
Man nimmt auch auf das Dokument des Standes der Technik EP-A-0319699 Bezug, das einen mit Dampf eingespritzten Gasturbinenmotor beschreibt, einschließlich eines Kompressors, einer Brennkammer, einer Hochdruckturbine, und einer Leistungsturbine zum Herstellen der Abgabeleistung für den Motor. Ein Hochdruckkessel ist stromab von der Leistungsturbine eingeschlossen, um überhitzten Dampf bei sehr hohen Drucken und hohen Temperaturen herzustellen. Der Dampf geht durch eine Hilfsdampfturbine zum Entziehen von Leistungsabgabe von dem Dampf, um die Motorabgabe zu erhöhen. Der Dampf wird wieder in den Motor eingespritzt, wie zum Beispiel direkt in die Brennkammer. Die thermische Leistungsfähigkeit und Leistungsabgabe des Motorsystems wird dabei bei einer konstanten Hochdruckturbinenläufereinlasstemperatur wesentlich erhöht.
Die Dokumente des Standes der Technik GB-A-1143469 und DE-A-33 31 153 beschreiben die in dem einleitenden Teil von Anspruch 1 dieser Anmeldung dargelegten Schritte.
Es ist die allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein leistungsfähiges, jedoch einfaches und relativ billiges Verfahren zum Wiedergewinnen von Wärme von dem Abgas einer Gasturbine zu liefern, indem Dampf zur Einspritzung in die Gasturbine erzeugt wird.
Die Erfindung besteht aus einem Verfahren zur Erzeugung von Leistung, das die folgenden Schritte aufweist:
Luft wird in einem Kompressor verdichtet, dabei wird Druckluft hergestellt; Brennstoff wird in der Druckluft in einer Brennkammer gebrannt, dabei wird ein heißes Druckgas hergestellt;
das heiße Druckgas wird in einer ersten Turbine mit einer ersten sich drehenden Welle expandiert, dabei wird Leistung in der ersten sich drehenden Welle und ein expandiertes Gas hergestellt;
eine Strömung von Speisewasser wird unter Druck gesetzt, dabei wird eine Strömung von Druckspeisewasser hergestellt;
eine erste Strömung von Dampf wird in einem ersten Verdampfer durch Übertragen von Wärme von dem expandierten Gas auf wenigstens ein erstes Teil der Strömung von Druckspeisewasser erzeugt;
ein zweites Teil der Strömung von Druckspeisewasser wird weiter unter Druck gesetzt, dabei wird eine Strömung von weiterem Druckspeisewasser hergestellt;
eine zweite Strömung von Dampf wird in einem zweiten Verdampfer durch Übertragen von Wärme von dem expandierten Gas zu der Strömung von weiterem Druckspeisewasser erzeugt;
die zweite Strömung von Dampf wird in einer Dampfturbine mit einer zweiten sich drehenden Welle expandiert, dabei wird Leistung in der zweiten sich drehenden Welle und eine expandierte Strömung von Dampf hergestellt;
die erste Strömung von Dampf von dem ersten Verdampfer und die expandierte Strömung von Dampf von der Dampfturbine werden in die Brennkammer eingeführt;
die zweite Dampfströmung wird vor der Expansion in der Dampfturbine in einem ersten Überhitzer überhitzt, wobei das Überhitzen durch Übertragen von Wärme von dem expandierten Gas zu der zweiten Dampfströmung vervollständigt wird; und
die expandierte Dampfströmung wird vor der Einführung in die Brennkammer in einem zweiten Überhitzer wieder erwärmt, wobei das Wiedererwärmen durch Übertragen von Wärme von dem expandierten Gas zu der expandierten Dampfströmung vervollständigt wird;
gekennzeichnet durch den weiteren Schritt des Überhitzens der ersten Dampfströmung in dem zweiten Überhitzer vor der Einführung in die Brennkammer, wobei das Überhitzen durch Übertragen von Wärme von dem expandierten Gas zu der ersten Dampfströmung vervollständigt wird.
Um die Erfindung deutlich verständlich zu machen, wird man nun auf die begleitenden Zeichnungen Bezug nehmen, die beispielsweise gegeben sind, und in denen:
Fig. 1 ein schematisches Diagramm einer Gasturbinenkraftanlage nach der vorliegenden Erfindung ist.
Fig. 2 ein Wärmeübertragungsdiagramm für den in Fig. 1 gezeigten HRSG ist.
Fig. 3 ein schematisches Diagramm einer anderen Ausführungsform der Gasturbinenkraftanlage nach der vorliegenden Erfindung ist.
Wenn man auf die Zeichnungen Bezug nimmt, dann wird in Fig. 1 ein schematisches Diagramm einer Gasturbinenkraftanlage nach der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Hauptkomponenten der Kraftanlage schließen eine Gasturbine 1 ein, einen HRSG 2, einen Vorrat von Speisewasser 3, eine Dampfturbine 4, und einen elektrischen Generator 5.
Die Gasturbine 1 weist einen Kompressor 6 auf, eine Brennkammer 10, und eine Turbine 11, die mittels einer sich drehenden Welle 7 an dem Kompressor angeschlossen ist. Der Kompressor 6 kann üblicherweise eine Vielzahl von sich abwechselnden Reihen von sich drehenden Schaufeln und stationären Flügeln einschließen. Die sich drehenden Schaufeln sind an Scheiben befestigt, die auf dem Teil der Läuferwelle 7 angebracht sind, die sich durch den Kompressor 6 erstreckt, und die stationären Flügel sind an einem Gehäuse befestigt, das die Kompressorkomponenten umschließt. Ähnlicherweise kann die Turbine 11 eine Vielzahl von sich abwechselnden Reihen von sich drehenden Schaufeln und stationären Flügeln einschließen. Die sich drehenden Schaufeln sind an Scheiben befestigt, die das Teil der Läuferwelle 7 bilden, das sich durch die Turbine 11 erstreckt, und die stationären Flügel sind an einem Gehäuse befestigt, das die Turbinenkomponenten umschließt. Die Brennkammer 10 kann eine Vielzahl von Brennkörben und zugeordnete Brennstoffdüsen aufweisen.
In der Gasturbine 1 wird Umgebungsluft 26 in den Kompressor 6 induziert. Der Kompressor erhöht in der bevorzugten Ausführungsform den Druck der Luft 26 auf ungefähr den Bereich von 1380-1720 kPa (200-250 psia). Die Druckluft 27 von dem Kompressor 6 wird dann in einer Brennkammer 10 durch Brennen eines Brennstoffs 28 erwärmt. Der Brennstoff 28 kann in flüssiger oder gasförmiger Gestalt sein, und ist typischerweise destilliertes Öl Nr. 2 oder Naturgas. Der Brennstoff 28 kann von der Übertragung von Wärme von Dampf/Wasser von dem HRSG 2 vorgewärmt werden. Zusätzlich zu dem Brennstoff 28 wird überhitzter Dampf 88, der wie unten diskutiert erzeugt wird, auch in die Brennkammer 10 eingespritzt. Die Dampfeinspritzung kann durch Mischen des Dampfs 88 in die verdichtete Luft 27 vor seiner Einführung in die Brennkammer 10 vervollständigt werden, -- zum Beispiel durch Einführen davon in die Brennstoffdüse. Andererseits kann der Dampf 88 direkt in die Hauptverbrennungszone der Brennkammer 10 eingespritzt werden. In der bevorzugten Ausführungsform wird ausreichender Brennstoff 28 in der Brennkammer 10 gebrannt, um die heiße Gas/Dampf-Mischung 30, die von der Brennkammer in ungefähr den Temperaturbereich von 1310-1370ºC (2400-2500ºC) entlassen wird, zu erwärmen.
Das heiße mit Feuchtigkeit beladene Gas 30, das von der Brennkammer 10 entlassen wird, wird dann in dem Turbinenabschnitt 11 der Gasturbine 1 herunter auf im wesentlichen atmosphärischen Druck expandiert. Beim Ausführen hiervon wird die Temperatur des heißen Gases 30 beträchtlich verringert. Die Temperatur des expandierten Gases 31, das von der Turbine 11 abgelassen wird, ist in der bevorzugten Ausführungsform in dem Bereich von ungefähr 540-590ºC (1000- 1100ºC). Diese Expansion stellt Leistung in der Turbinenwelle 7 her, die den Kompressor 6 antreibt. Die überschüssige, nicht von dem Kompressor 6 verbrauchte Leistung treibt den elektrischen Generator 5 über die Welle 8 an, sie erzeugt dabei elektrische Leistung. Als Ergebnis der Einspritzung des Dampfs 88 wird die Massenströmungsrate der Arbeitflüssigkeit, die durch die Turbine 11 strömt, erhöht. Folglich ist die in der Turbine 11 hergestellte Leistung beträchtlich größer als sie sein würde, wenn nur die Luft 27 von dem Kompressor expandiert würde. Zusätzlich, wie in der Technik wohlbekannt ist, verringert Dampfeinspritzung die Konzentration von Stickstoffoxiden in dem Abgas, das schließlich zur Atmosphäre entlassen wird, was der Anlage ermöglicht, örtliche Luftverschnutzungsanforderungen nachzukommen. In der bevorzugten Ausführungsform wird ausreichender Dampf 88 erzeugt und in die Brennkammer 10 eingespritzt, um die Massenströmungsrate durch die Turbine 11 um ungefähr 25% zu erhöhen, verglichen mit trockenem Betrieb.
Das expandierte Gas 31 wird dann zu dem HRSG 2 geleitet. Nachdem es den HRSG 2 verlässt, wird das abgekühlte Abgas 48 schließlich zur Atmosphäre entlassen. In der bevorzugten Ausführungsform verringert die Wärmeübertragung in dem HRSG 2 die Temperatur des Abgases 48 auf ungefähr den Temperaturbereich von 90-150ºC (200- 300ºF).
In der bevorzugten Ausführungsform empfängt der HRSG 2 Speisewasser 62, und wandlet das Speisewasser auf zwei Druckhöhen durch Übertragen von Wärme zu ihm in Dampf um. Der bei hohem Druck erzeugte Dampf 82 wird teilweise in einer Kopfprodukt-Dampfturbine 4 expandiert. Der teilweise expandierte Dampf 86 von der Dampfturbine 4 wird dann wieder erwärmt und mit Dampf 74 kombiniert, der bei tiefem Druck erzeugt wird, um den Dampf 88 zu bilden, der in die Brennkammer 10 der Gasturbine 1 eingespritzt wird, wie vorher diskutiert worden ist.
Nach einem wichtigen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird nur die Menge von Dampf, die bei hohem Druck erzeugt werden kann, bei der Temperatur und Strömungsrate des ausgedehnten Gases 31, in der Dampfturbine 4 expandiert. Der Rest der Wärme, die von dem expandierten Gas 31 wiedergewonnen wird, wird benutzt, um Tiefdruckdampf für Dampfeinspritzung zu erzeugen. So ist, obwohl die Menge von Wärme, die von dem expandierten Gas 31 wiedergewonnen wird, dem Kreislauf zurückgegeben wird, groß ist, die Größe (und so die Kosten) der Dampfturbine 4 viel kleiner als die von kombinierten Kreislaufanlagen mit konventionellem Dampfbodenprodukt, in denen im wesentlichen die ganze von dem expandierten Gas wiedergewonnene Energie dem Kreislauf durch Expansion in einer großen Dampfturbine zurückgegeben wird. Nach einem anderen wichtigen Gesichtspunkt der Erfindung wird schließlich der im wesentlichen ganze des in der Dampfturbine 4 expandierte Dampf 82 in die Gasturbine 1 eingespritzt. Als Ergebnis besteht kein Bedarf an Kondensatoren, Kühltürmen, usw., die typischerweise in einer kombinierten Kreislaufkraftanlage mit konventionellem Dampfbodenprodukt erfordert sind.
Das Verfahren und die Vorrichtung zum Wiedergewinnen von Wärme von dem expandierten Gas 31 in dem HRSG 2 nach der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird nun erklärt. Der HRSG 2 weist einen Kanal 12 auf, der verschiedene Wärmeübertragungsabschnitte (d. h. Überhitzer, Verdampfer und Speisewasservorwärmer), und einen Kamin 23 umschließt. Konventionellerweise können die Wärmeübertragungsabschnitte viele Reihen von gerippten Wärmeübertragungsrohren aufweisen, wobei die Anzahl von Rohren von der Menge der erwünschten Wärmeübertragungsgebiet bestimmt wird. Wasser/Dampf strömt in den Rohren und das expandierte Gas 31 strömt über die Außenseitenoberflächen der Rohre.
Die Wärmeübertragungabschnitte schließen jeweils Hoch- und Tiefdrucküberhitzer 13 und 14 ein. Der Hochdrucküberhitzer 13 weist jeweils erste und zweite Abschnitte 13' und 13" auf. Ähnlich weist der Tiefdrucküberhitzer 14 auch jeweils erste und zweite Abschnitte 14' und 14" auf. In der bevorzugten Ausführungsform ist der zweite Tiefdrucküberhitzerabschnitt 14" jeweils zwischen den ersten und zweiten Hochdrucküberhitzerabschnitten 13' und 13" angeordnet. Die Wärmeübertragungsabschnitte schließen auch jeweils Hoch- und Tiefdruckverdampfer 17 und 18 ein, die gezwungene oder natürliche Zirkulationsart sein können, und jeweils Hoch-und Tiefdruckspeisewasservorwärmer 19 und 20.
Die Wärmeübertragungsabschnitte sind angeordnet, um die Wiedergewinnung von Wärme von dem expandierten Gas 31 zu optimieren. So strömt das expandierte Gas 31 zuerst über den zweiten Abschnitt des Hochdrucküberhitzers 13", dann über den zweiten Abschnitt des Tiefdrucküberhitzers 14", dann über den ersten Abschnitt des Hochdrucküberhitzers 13', dann über den Hochdruckverdampfer 17, dann über den Hochdruckspeisewasservorwärmer 19, dann über den ersten Abschnitt des Tiefdrucküberhitzers 14', dann über den Tiefdruckverdampfer 18, und schließlich über den Tiefdruckspeisewasservorwärmer 20.
Während des Betriebs wird Speisewasser 60 von einem Speisewasservorrat 3 auf einen relativ tiefen Druck (d. h. geringer als ungefähr 3450 kPa (500 psia)) von einer Pumpe 25 unter Druck gesetzt. Das unter Druck gesetzte Speisewasser 62 wird dann auf den Tiefdruckspeisewasservorwärmer 20 gerichtet. Andererseits kann das Speisewasser 62 durch Mischen mit Wasser, das der Tiefdrucktrommel 22 entzogen wird, vorgewärmt werden.
Der Tiefdruckspeisewasservorwärmer 20 hat ein ausreichendes Wärmeübertragungsoberflächengebiet, um das Speisewasser 62 auf die Nähe seiner Sättigungstemperatur durch Übertragung von Wärme von dem expandierten Gas 46, das über den Speisewasservorwärmer strömt, zu erwärmen. Um maximale Wärmewiedergewinnung beizubehalten, ist es wünschenswert, soviel Wärme wie möglich in den Speisewasservorwärmer zu übertragen. Die Temperatur des Wassers muss aber unter ihrer Sättigungstemperatur bleiben, um Dampfbildung zu vermeiden, die die Strömung von Wasser durch den Speisewasservorwärmer behindert. In der bevorzugten Ausführungsform wird das Wasser in dem Tiefdruckspeisewasservorwärmer 20 auf ungefähr 5ºC (10ºF) unter seiner Sättigungstemperatur erwärmt.
Das erwärmte, von dem Tiefdruckspeisewasservorwärmer 20 entlassene Speisewasser 64 wird dann von dem Strömungssteuerventil 49 jeweils in erste und zweite Ströme 66 und 68 aufgespalten. Wie unten diskutiert wird, wird der erste Speisewasserstrom 66 benutzt, um Tiefdruckdampf 74 zur Einspritzung in die Gasturbine 1 zu erzeugen, während der zweite Speisewasserstrom 68 benutzt wird, um Hochdruckdampf 82 zur Teilexpansion in der Dampfturbine 4 zu erzeugen, gefolgt von Einspritzung in die Gasturbine. In der bevorzugten Ausführungsform ist das Verhältnis von Hochdruckdampf 82 zu Tiefdruckdampf 74 wenigstens ungefähr zwei und vorzugsweise in dem Bereich von drei bis vier.
Der erste Speisewasserstrom 66 wird auf die Tiefdruckdampftrommel 22 gerichtet, von der er durch den Tiefdruckverdampfer 18 zirkuliert wird und durch die Übertragung von Wärme von dem expandierten Gas 44, das über den Verdampfer strömt, in gesättigten Tiefdruckdampf 72 umgewandelt wird. In der bevorzugten Ausführungsform wird der Druck in dem Tiefdruckverdampfer 18 so tief wie möglich gehalten, um die Menge der Wärme in dem expandierten Gas 44, die wiedergewonnen werden kann, zu maximieren. Durch Verringern der Sättigungstemperatur des Dampfs in dem Verdampfer wird die Menge der Wärme in dem expandierten Gas, die über der Sättigungstemperatur ist, und daher die Menge der Wärme, die von der Erzeugung von Dampf wiedergewonnen werden kann, maximiert. Vorzugsweise wird der Druck in dem Tiefdruckverdampfer 18 auf weniger als ungefähr 350 kPa (50 psi) gehalten, und bevorzugterweise nur auf ungefähr 100 kPa (15 psi) über dem Druck der Druckluft 27, die von dem Kompressor entlassen wird, so dass kein weiteres Setzen unter Druck erfordert ist, um zu gestatten, dass der Dampf 88 in die Brennkammer 10 eingespritzt wird (vorzugsweise ist der Druckabfall, der von dem Dampf erfahren wird, der durch den Tiefdrucküberhitzer 14 strömt, nur ungefähr 15 psi oder weniger). So wird der Druck in dem Tiefdruckverdampfer 18 in der bevorzugten Ausführungsform auf weniger als ungefähr 3450 kPa (500 psia) gehalten, und insbesonders in dem Bereich von ungefähr 1480-2070 kPa (215-300 psia).
Von der Dampftrommel 22 wird der gesättigte Tiefdruckdampf 72 in dem ersten Abschnitt des Tiefdrucküberhitzers 14' durch die Übertragung von Wärme von dem expandierten Gas 42, das über diesen Überhitzerabschnitt strömt, überhitzt. In der bevorzugten Ausführungsform hat der erste Tiefdrucküberhitzerabschnitt 14' ein ausreichendes Wärmeübertragungsoberflächengebiet, um den Dampf 74 in den Temperaturbereich von ungefähr 260-310ºC (500-600ºF) zu überhitzen.
Der zweite Strom von erwärmtem Speisewasser 68 von dem Tiefdruckspeisewasservorwärmer 20 wird weiterhin von der Pumpe 24 auf einen Druck über 6900 kPa (1000 psia) unter Druck gesetzt, und vorzugsweise wenigstens 13800 kPa (2000 psia). Das weitere unter Druck gesetzte Speisewasser 70 wird dann auf den Hochdruckspeisewasservorwärmer 19 gerichtet. Der Hochdruckspeisewasservorwärmer 19 hat ein ausreichendes Wärmeübertragungsoberflächengebiet, um das Speisewasser 70 auf die Nähe seiner Sättigungstemperatur zu erwärmen, durch Übertragung von Wärme von dem expandierten Gas 40, das über den Speisewasservorwärmer strömt. In der bevorzugten Ausführungsform wird das Wasser in dem Hochdruckspeisewasservorwärmer 19 auf ungefähr 11ºC (20ºF) unter die Sättigungstemperatur des Dampfs in der Hochdrucktrommel 21 erwärmt.
Das erwärme Speisewasser 76 von dem Hochdruckspeisewasservorwärmer wird dann auf die Dampftrommel 21 gerichtet, von der es durch den Hochdruckverdampfer 17 zirkuliert wird und von der Übertragung von Wärme von dem expandierten Gas 38, das über den Verdampfer strömt, in gesättigten Hochdruckdampf umgewandelt wird. In der bevorzugten Ausführungsform wird der Druck in dem Hochdruckverdampfer 17 über 6890 kPa (1000 psia) gehalten, und vorzugsweise in dem Bereich von ungefähr 9650-11000 kPa (1400-1600 psia). Erzeugung von Dampf bei solchen hohen Drücken maximiert die Leistung, die in der Dampfturbine 4 hergestellt wird. Der gesättigte Hochdruckstrom 78 wird von der Dampftrommel 21 in dem ersten Abschnitt des Hochdrucküberhitzers 13' durch Übertragung von Wärme von dem expandierten Gas 36, das über diesen Überhitzerabschnitt strömt, überhitzt. Der Dampf 80 von dem ersten Hochdrucküberhitzerabschnitt 13' wird dann weiter in dem zweiten Abschnitt des Hochdrucküberhitzers 13" von der Übertragung von Wärme von dem expandierten Gas 32, das über den Uberhitzerabschnitt strömt, überhitzt. In der bevorzugten Ausführungsform haben die Hochdrucküberhitzerabschnitte 13' und 13" ein ausreichendes Wärmeübertragungsoberflächengebiet, um den Dampf 82 in den Temperaturbereich von ungefähr 480-570ºC (900-1050ºF) zu überhitzen.
Der überhitzte Hochdruckdampf 82 wird mit tiefem Druck (d. h. auf weniger als 3450 kPa (500 psia) in der Dampfturbine 4 teilweise herunter auf den Druck des überhitzten Dampfs 74 expandiert, und vorzugsweise in dem Bereich von ungefähr 1460-2070 kPa (215-300 psia), wie vorher diskutiert worden ist. Bei diesem stellt die Dampfturbine 4 Leistung her, die über die Welle 9 den elektrischen Generator 5 weiter antreibt, um die elektrische Leistungsabgabe von der Kraftanlage zu erhöhen. Der teilweise expandierte Dampf 86, der von der Dampfturbine 4 entlassen wird, wird dann mit dem überhitzten Tiefdruckdampf 74 von dem ersten Tiefdrucküberhitzerabschnitt 14' gemischt. Die kombinierte Strömung von Tiefdruckdampf 84 wird dann in den zweiten Abschnitt des Tiefdrucküberhitzers 14" durch die Übertragung von Wärme von dem expandierten Gas gemischt. Die kombinierte Strömung von Tiefdruckdampf 84 wird dann in dem zweiten Abschnitt mit dem Tiefdrucküberhitzer 14" durch die Übertragung von Wärme von dem expandierten Gas 34, das über den Überhitzerabschnitt strömt, gemischt. In der bevorzugten Ausführungsform hat der zweite Tiefdrucküberhitzerabschnitt 14" ein ausreichendes Wärmeübertragungsoberflächengebiet, um den Dampf 88 in den Temperaturbereich von ungefähr 540-570ºC (1000-1050ºF) zu überhitzen. Der überhitzte Tiefdruckdampf 88 wird dann in die Gasturbine 1 eingespritzt, um die Leistungsabgabe der Turbine 11 zu erhöhen und die Erzeugung von NOx zu verringern, wie vorher diskutiert worden ist. Da die heiße mit Feuchtigkeit beladene Luft 30, die durch den Turbinenabschnitt 11 der Gasturbine 1 expandiert, auf eine Temperatur über 1090ºC (2000ºF) erwärmt wird, verringert das Überhitzen des Dampfs 88 die Menge des Brennstoffs 28, der in der Brennkammer 10 gebrannt werden muss, um das Gas 30 auf die erwünschte Temperatur zur Expansion in der Turbine 11 zu erwärmen.
Wie das Vorangehende anzeigt, ist die Anordnung der verschiedenen HRSG 2 Komponenten mit Bezug auf die Strömung des expandierten Gases ausgewählt worden, so dass Wärme von jeder Komponente entzogen werden kann, obwohl die Temperatur des expandierten Gases 31 sich verringert, während es durch den HRSG strömt. Dieses ist in Fig. 2 dargestellt, das ein Wärmeübertragungsdiagramm für den HRSG ist. Die Achsen des Diagramms sind Temperatur, T genannt, und Wärmeübertragung, Q genannt. Die obere Linie 90 stellt die Wärme dar, die von dem expandierten Gas 31 abgegeben wird, während es durch den HRSG 2 strömt. Das Gas tritt in den HRSG bei Temperatur T1 (ungefähr 540-590ºC (1000-1100ºF) in der bevorzugten Ausführungsform) ein und wird von dem HRSG bei der Temperatur T2 (ungefähr 90-150ºC (200-300ºF) in der bevorzugten Ausführungsform) entlassen. Die untere Linie 92 stellt die Wärme dar, die von dem Speisewasser/Dampf absorbiert wird. Jedes Segment der unteren Linie stellt Wärmeübertragung in einem der HRSG- Komponenten dar. So stellt das Gebiet A des Graphs die Wärmeübertragung in dem zweiten Abschnitt des Hochdrucküberhitzers 13" dar, das Gebiet B stellt die Wärmeübertragung in dem zweiten Abschnitt des Tiefdrucküberhitzers 14" dar, das Gebiet C stellt die Wärmeübertragung in dem ersten Abschnitt des Hochdrucküberhitzers 13' dar, das Gebiet D stellt die Wärmeübertragung in dem Hochdruckverdampfer 17 dar, das Gebiet E stellt die Wärmeübertragung in dem Hochdruckspeisewasservorwärmer 19 dar, das Gebiet F stellt die Wärmeübertragung in dem ersten Abschnitt des Tiefdrucküberhitzers 14' dar, das Gebiet G stellt die Wärmeübertragung in dem Tiefdruckverdampfer 18 dar, und das Gebiet H stellt die Wärmeübertragung in dem Tiefdruckspeisewasservorwärmer 20 dar.
Der Arbeitsdruck (und daher die Sättigungstemperatur) und die Dampferzeugungsrate ist, wie ersichtlich, an jedem Kesselabschnitt ausgewählt, um einen ausreichenden Temperaturgradienten zwischen dem Abgas und der Dampf/Wasserströmung beizubehalten, um eine gute Wärmeübertragung sicherzustellen.
Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine etwas unterschiedliche Anordnung in dem Kühlerende des HRSGs 2' umfasst. In dieser Ausführungsform wird das Speisewasser 109 von dem Speisewasservorrat 3 mit Wasser 111 gemischt, das von einem Brennstofferwärmer 58 entlassen wird, und die kombinierte Strömung 110 wird dann in einem Speisewasservorwärmer 52 erwärmt. Das erwärmte Speisewasser 102 von dem Speisewasservorwärmer 52 wird an einen Entlüfter 56 geliefert. Der Entlüfter 56 ist über eine Dampftrommel 54, die Dampf 100 mit sehr tiefem Druck herstellt, an einen Verdampfer 50 angeschlossen. In der bevorzugten Ausführungsform ist der Dampf 100 auf einem Druck von nur ungefähr 250 kPa (35 psia). Der Dampf mit sehr tiefem Druck wird auf den Entlüfter 56 gerichtet, in dem das Speisewasser 102 mit in der Technik wohlbekannten Techniken erwärmt und entlüftet wird.
Das entlüftete Speisewasser 112 wird von der Dampftrommel 54 in zwei Ströme 103 und 104 aufgeteilt. Der Strom 104 wird von der Pumpe 24 auf einen Druck über 6900 kPa (1000 psia) wie vorher unter Druck gesetzt. In dieser Ausführungsform ist der Hochdruckspeisewasservorwärmer 19 aber jeweils in erste und zweite Abschnitte 19' und 19" aufgeteilt worden, wobei der erste Abschnitt 19' stromab angeordnet ist, betreffs der Strömung von heißem Gas 31, von dem Tiefdruckverdampfer 18, und der zweite Abschnitt 19" stromauf von dem Tiefdruckverdamfer 18 angeordnet ist. In dieser Ausführungsform ist der erste Tiefdruck Überhitzerabschnitt 14' stromauf von dem zweiten Hochdruckspeisewasservorwärmerabschnitt 19" angeordnet.
Das unter Druck gesetzte Speisewasser 105 von dem ersten Hochdruckspeisewasservorwärmer 19' strömt danach durch den zweiten Hochdruckspeisewasservorwärmer 19" und dann in die Hochdruckdampftrommel 21 und den Verdampfer 17, die wie vorhergehend arbeiten.
Der andere Strom 103 von entlüftetem Speisewasser von der Dampftrommel 54 wird vorzugsweise von der Pumpe 24 an einer Zwischenstufenabnahme davon entlassen, so dass er nicht auf einen so hohen Stand wie der Strom 104 unter Druck gesetzt ist. Danach wird der Strom 103 in zwei Ströme 107 und 108 aufgeteilt. Strom 108 strömt durch den Tiefdruckspeisewasservorwärmer 20 und dann zu der Tiefdruckdampftrommel 22 und dem Verdampfer 18, die wie vorhergehend arbeiten. Der andere Strom 107 wird auf einen Brennstofferwärmer 58 gerichtet, dass er den Brennstoff 28 erwärmt, bevor er an die Brennkammer 10 (der Brennstoff 28 kann auch mit Benutzung von Druckluft erwärmt werden, die von dem Kompressor 6 zum Kühlen der Turbine 11 entnommen wird). Das von dem Brennstofferwärmer 58 entlassene Wasser 111 wird dann in das Wasser 109 von dem Speisewasservorrat 3 gemischt, wie vorhergehend diskutiert worden ist.

Claims

1. Verfahren zur Erzeugung von Leistung, das die folgenden Schritte aufweist:

Luft (26) wird in einem Kompressor (6) verdichtet, dabei wird Druckluft (27) hergestellt;

Brennstoff (28) wird in der Druckluft (27) in einer Brennkammer (10) gebrannt, dabei wird ein heißes Druckgas (30) hergestellt;

das heiße Druckgas (30) wird in einer ersten Turbine (11) mit einer ersten sich drehenden Welle (7) expandiert, dabei wird Leistung in der ersten sich drehenden Welle (7) und ein expandiertes Gas (31) hergestellt;

eine Strömung von Speisewasser (62) wird unter Druck gesetzt, dabei wird eine Strömung von Druckspeisewasser hergestellt;

eine erste Strömung von Dampf (74) wird in einem ersten Verdampfer (18) durch Übertragen von Wärme von dem expandierten das (31) auf wenigstens ein erstes Teil der Strömung von Druckspeisewasser erzeugt;

ein zweites Teil der Strömung von Druckspeisewasser wird weiter unter Druck gesetzt, dabei wird eine Strömung von weiterem Druckspeisewasser hergestellt;

eine zweite Strömung von Dampf (82) wird in einem zweiten Verdampfer (17) durch Übertragen von Wärme von dem expandierten Gas zu der Strömung von weiterem Druckspeisewasser erzeugt;

die zweite Strömung von Dampf (82) wird in einer Dampfturbine (4) mit einer zweiten sich drehenden Welle (9) expandiert, dabei wird Leistung in der zweiten sich drehenden Welle (9) und eine expandierte Strömung von Dampf hergestellt;

die erste Strömung von Dampf (74) von dem ersten Verdampfer (18) und die expandierte Strömung von Dampf von der Dampfturbine (4) werden in die Brennkammer (10) eingeführt;

die zweite Dampfströmung (82) wird vor der Expansion in der Dampfturbine (4) in einem ersten Überhitzer (13', 13") überhitzt, wobei das Überhitzen durch Übertragen von Wärme von dem expandierten Gas zu der zweiten Dampfströmung (82) vervollständigt wird; und

die expandierte Dampfströmung wird vor der Einführung in die Brennkammer (10) in einem zweiten Überhitzer (14") wieder erwärmt, wobei das Wiedererwärmen durch Übertragen von Wärme von dem expandierten Gas zu der expandierten Dampfströmung vervollständigt wird;

gekennzeichnet durch den weiteren Schritt des Überhitzens der ersten Dampfströmung (74) in dem zweiten Überhitzer (14") vor der Einführung in die Brennkammer (10), wobei das Überhitzen durch Übertragen von Wärme von dem expandierten Gas zu der ersten Dampfströmung (74) vervollständigt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, in dem der zweite Überhitzer (14") zwischen ersten (13") und zweiten (13') Teilen des ersten Überhitzers angeordnet ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin die folgenden Schritte aufweist:

das erste Teil der Strömung von Druckspeisewasser wird in einem ersten Speisewasservorwärmer (20) vor der Übertragung der Wärme darauf von dem expandierten Gas in dem ersten Verdampfer (18) vorgewärmt; und

die Strömung von weiterem Druckspeisewasser wird in einem zweiten Speisewasservorwärmer (19) vor der Übertragung von der Wärme darauf von dem expandierten Gas in dem zweiten Verdampfer (17) vorgewärmt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, in dem das expandierte Gas zuerst Wärme auf ein erstes Teil (13") des ersten Überhitzers überträgt, dann auf ein erstes Teil (14") des zweiten Überhitzers, dann auf den zweiten Verdampfer (17), dann auf den zweiten Speisewasservorwärmer (19), dann auf den ersten Verdampfer (18), und dann auf den ersten Speisewasservorwärmer (20).