EP0750718B1 - Verfahren zum betreiben einer gas- und dampfturbinenanlage sowie danach arbeitende anlage - Google Patents

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EP0750718B1
EP0750718B1 EP95910440A EP95910440A EP0750718B1 EP 0750718 B1 EP0750718 B1 EP 0750718B1 EP 95910440 A EP95910440 A EP 95910440A EP 95910440 A EP95910440 A EP 95910440A EP 0750718 B1 EP0750718 B1 EP 0750718B1
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EP
European Patent Office
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turbine
gas
hydrogen
fuel
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Walter Vanselow
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Siemens AG
Siemens Corp
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Siemens AG
Siemens Corp
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/9901—Combustion process using hydrogen, hydrogen peroxide water or brown gas as fuel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23L—SUPPLYING AIR OR NON-COMBUSTIBLE LIQUIDS OR GASES TO COMBUSTION APPARATUS IN GENERAL ; VALVES OR DAMPERS SPECIALLY ADAPTED FOR CONTROLLING AIR SUPPLY OR DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; INDUCING DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; TOPS FOR CHIMNEYS OR VENTILATING SHAFTS; TERMINALS FOR FLUES
    • F23L7/00—Supplying non-combustible liquids or gases, other than air, to the fire, e.g. oxygen, steam
    • F23L7/007—Supplying oxygen or oxygen-enriched air

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a gas and steam turbine system in which the heat contained in the relaxed working fluid from the gas turbine is used to generate steam for the steam turbine connected in a water-steam cycle.
  • the working medium for the gas turbine is generated by burning a fuel with the supply of compressed air.
  • the invention is further directed to a gas and steam turbine plant operating according to this method.
  • the heat contained in the relaxed working fluid from the gas turbine is used to generate steam for the steam turbine.
  • the heat transfer takes place in a steam generator or waste heat boiler downstream of the gas turbine, in which heating surfaces are arranged in the form of tubes or tube bundles. These in turn are connected to the steam turbine water-steam cycle.
  • the water-steam cycle comprises several, e.g. two, pressure levels, each pressure level having a preheating, an evaporator and a superheater heating surface.
  • a gas and steam turbine plant known from European Patent 0 148 973 achieves a thermodynamic efficiency of approximately 50% to 55% depending on the pressure conditions prevailing in the water-steam cycle of the steam turbine.
  • the invention has for its object to provide a method for operating such a gas and steam turbine system with which an increase in efficiency is achieved. In a suitable gas and steam turbine plant, this is to be achieved with particularly simple means.
  • this object is achieved in that the steam generated before it is introduced into the steam turbine is superheated by means of heat generated in a hydrogen-oxygen combustion, the hydrogen being generated by separating it from the fuel internally in the process.
  • the invention is based on the consideration of superheating the superheated steam generated in the actual gas and steam turbine process in a particularly effective manner to a temperature of approximately 800 to 1100 ° C. and using a hydrogen-oxygen steam generator known per se.
  • both the hydrogen required for the combustion and the oxygen are generated internally in the process.
  • the hydrogen for the hydrogen-oxygen combustion is expediently produced by processing the fuel supplied to the gas and steam turbine system.
  • this can be partial or pre-combustion (partial oxidation) or another suitable method.
  • the oxygen is expediently generated by decomposing air.
  • Compressed air from the compressor assigned to the gas turbine system is advantageously used.
  • such an air separation plant for generating the oxygen required for coal gasification is already available.
  • the hydrogen is already generated internally in the process.
  • the hydrogen-oxygen combustion is supplied with the steam which has been generated in the high-pressure stage of the water-steam cycle of the steam turbine and has already been overheated to about 500 to 550 ° C. there.
  • the fuel for the gas turbine is expediently burned in two stages.
  • the heat generated during the partial combustion of the fuel in the first stage is used to generate steam.
  • the steam generated in this way is advantageously mixed with the steam to be superheated by means of hydrogen-oxygen combustion.
  • the second combustion chamber is connected to the first combustion chamber via a fuel gas line connected via which the fuel prepared in the second combustion chamber is supplied as fuel gas to the first, actual gas turbine combustion chamber.
  • the second combustion chamber is connected to the hydrogen-oxygen burner via a hydrogen line.
  • a heat exchanger is expediently provided, which is connected on the primary side into the fuel gas line connected to the second combustion chamber and on the secondary side into the water-steam cycle.
  • feed water from the water-steam cycle is expediently fed to the heat exchanger, this feed water first being evaporated in the heat exchanger and then being overheated.
  • the heat exchanger is therefore designed as a waste heat boiler with a high-pressure evaporator and a high-pressure superheater.
  • a separation device is provided, which is connected to the hydrogen line opening into the hydrogen-oxygen burner.
  • the air required for the partial combustion of the fuel in the second combustion chamber is advantageously taken from the compressor connected to the first combustion chamber.
  • FIG. 1 An embodiment of the invention is explained in more detail with reference to a drawing.
  • the figure shows a gas and steam turbine system with a hydrogen-oxygen burner for overheating the generated steam.
  • the gas and steam turbine system 1 comprises a gas turbine system with a gas turbine 2 with coupled Air compressor 3 and a combustion chamber 4 upstream of the gas turbine 2, which is connected to a fresh air line 5 of the air compressor 3.
  • a fuel or fuel gas line 6 opens into the combustion chamber 4 of the gas turbine 2.
  • the gas turbine 2 and the air compressor 3 as well as a generator 7 sit on a common shaft 8.
  • the gas and steam turbine system 1 further comprises a steam turbine system with a steam turbine 10 with a coupled generator 11 and in a water-steam circuit 12 a condenser 13 connected downstream of the steam turbine 10 and a waste heat steam generator 14.
  • the steam turbine 10 consists of a high-pressure part 10a and a low-pressure part 10b, which drive the generator 11 via a common shaft 15.
  • An exhaust line 17 is connected to an inlet 14a of the heat recovery steam generator 14 in order to supply working medium A ′ or flue gas relaxed in the gas turbine 2 to the heat recovery steam generator 14.
  • the relaxed working medium A 'from the gas turbine 2 leaves the heat recovery steam generator 14 via its outlet 14b in the direction of a chimney (not shown).
  • the waste heat steam generator 14 comprises in a low-pressure stage of the water-steam circuit 12 as heating surfaces a preheater 20 and a low-pressure evaporator 22 and a low-pressure superheater 24. It further comprises in a high-pressure stage of the water-steam circuit 12 as Heating surfaces a high pressure evaporator 26 and a high pressure superheater 28.
  • the low pressure superheater 24 is connected via a steam line 30 to the low pressure part 10b of the steam turbine 10.
  • the high-pressure superheater 28 is connected to the high-pressure part 10 a of the steam turbine 10 via a steam line 31.
  • the low-pressure part 10b of the steam turbine 10 is connected on the output side to the condenser 13 via a steam line 32.
  • the water-steam circuit 12 shown in the figure is thus made up of two pressure stages. However, it can also be constructed from three pressure stages.
  • the waste heat steam generator 14 additionally has a medium-pressure evaporator and a medium-pressure superheater, which are connected to the water-steam circuit 12 and are connected to a medium-pressure part of the steam turbine 10.
  • the condenser 13 is connected to the preheater 20 via a condensate line 34, into which a condensate pump 36 is connected.
  • the condensate line 34 is also connected to a feed water tank 44 via a series connection of three heat exchangers 38, 40 and 42.
  • the preheater 20 is connected to the condensate line 34 via a line 46 between the heat exchangers 38 and 40.
  • the feed water container 44 is connected on the output side via a feed water line 48 to a water-steam separation vessel 50 of the low-pressure stage.
  • the low-pressure superheater 24 and the low-pressure evaporator 22 are connected to this vessel 50.
  • the feed water tank 44 is also connected on the output side to a water / steam separating vessel 54 of the high pressure stage via a feed water line 51, into which a high pressure pump 52 is connected.
  • the high-pressure superheater 28 and the high-pressure evaporator 26 are connected to the vessel 54.
  • a steam line 56 connected to the steam line 30 also opens into the feed water tank 44, which also functions as a degasser.
  • a hydrogen-oxygen burner 58 is connected between the waste heat steam generator 14 and the steam turbine 10 in the water-steam circuit 12.
  • the burner 58 is connected on the input side to the output of the high-pressure superheater 28 and on the output side to the input of the high-pressure part 10 a of the steam turbine 10.
  • the oxygen line 60 is connected to an air separation unit 64 via the heat exchangers 42 and 40.
  • a pump 66 and 68 are connected to the oxygen line 60.
  • a line 69 which is connected to the compressor 3 via the heat exchanger 38, opens into the air separation plant 64 for supplying compressed air L.
  • the hydrogen line 62 is connected to a further combustion chamber 76 via a pump 70 and a separation device 72 and via a waste heat boiler 74. This in turn is connected to the compressor 3 via a branch 78 of the fresh air line 5.
  • a fuel line 80 opens into the combustion chamber 76.
  • the combustion chamber 76 When the gas and steam turbine system is operating, the combustion chamber 76 is supplied with liquid, gaseous or solid fuel B, for example heating oil, natural gas or coal from a coal gasification system, not shown, via the fuel line 80.
  • the fuel B is partially burned in the combustion chamber 76 with the supply of compressed air L from the compressor 3 and is thereby processed with the aim that a hydrogen fraction is also generated in addition to a fuel gas B '.
  • the heat generated during the partial combustion is used in the waste heat boiler or heat exchanger 74 to generate steam.
  • the waste heat boiler 74 has an evaporator 84 and a superheater 86 as heating or heat exchange surfaces, which are connected to a water-steam separation vessel 88.
  • the water-steam separating vessel 88 is supplied with high-pressure feed water from the feed water container 44 via a feed water line 90, which is connected to the feed water line 51 on the pressure side of the high-pressure pump 52.
  • the steam generated in the evaporator 84 and subsequently overheated in the superheater 86 is, via a steam line 92, the steam flowing out of the high-pressure superheater 28 before it is introduced into the hydrogen-oxygen burner 58 added.
  • the pressure of this steam generated by heat exchange with the fuel gas B ′ corresponds to the pressure p H of the steam flowing out of the high-pressure superheater 28.
  • the hydrogen H 2 generated in the fuel processing in the combustion chamber 76 is separated from the cooled fuel gas B ′ and fed to the hydrogen-oxygen burner 58 via the hydrogen line 62.
  • the fuel gas B ' is fed to the combustion chamber 4 of the gas turbine 2 and burned there with compressed fresh air L from the air compressor 3.
  • the hot and high-pressure working medium A which arises during the combustion is expanded in the gas turbine 2 and drives it and the air compressor 3 as well as the generator 7.
  • the expanded flue gas or working fluid A 'emerging from the gas turbine 2 with a temperature T A' of approximately 600 ° C. is introduced into the waste heat steam generator 14 via the exhaust gas line 17 and is used there to generate steam for the steam turbine 10.
  • the flue gas stream and the water-steam circuit 12 are linked to one another in countercurrent.
  • steam is generated at different pressure levels, the enthalpy of which is used to generate electricity in the steam turbine 10.
  • steam can be generated with a pressure p N of approx. 7.5 bar and a temperature T N of 230 ° C.
  • steam can be generated with a pressure p H of 80 bar and a temperature T H of 530 ° C.
  • the oxygen O 2 is generated in the air separation unit 64.
  • the oxygen O 2 is separated from the fresh air L compressed by means of the compressor 3.
  • the proportion of oxygen O 2 which is not required for the combustion in the burner 58 and for the air separation in the air separation plant 64 generated nitrogen N 2 can for example be fed to the combustion chamber 4 of the gas turbine 2.
  • the superheated steam emerging from the high-pressure superheater 28 of the high-pressure stage is preferably heated to a temperature T ′ H greater than 600 ° C. before it is introduced into the steam turbine 10 by means of the heat generated during the combustion of the hydrogen H 2 and the oxygen O 2 of approx. 1100 ° C, highly overheated.
  • the steam supplied to the burner 58 cools the hot combustion gas generated during the hydrogen-oxygen combustion.
  • the pressure p ' H of the superheated steam is still approximately 80 bar.
  • the oxygen O 2 fed to the burner 58 is compressed in two stages by means of the pumps 68 and 66 from a pressure p 1 of approximately 2 bar to a pressure p 2 of approximately 20 bar and then to a pressure p 3 of approximately 80 bar .
  • the heat generated during the compression is advantageously used in a second and a third stage by means of the heat exchangers 40 and 42, respectively, for preheating the condensate K from the condenser 30 fed to the feed water tank 44.
  • the heat exchanger 38 in which the heat contained in the compressed fresh air L from the compressor 3 is transferred to the condensate K, is also used for preheating the condensate.
  • the hydrogen H 2 is also brought to a pressure p 4 of about 80 bar by the pump 70 before it is introduced into the burner 58.
  • a hydrogen-oxygen burner 58 for generating superheated steam in a gas and steam turbine plant with integrated coal gasification is particularly advantageous, since in such a plant both the hydrogen H 2 and the oxygen O 2 are usually already generated internally in the process.
  • By generating superheated steam using hydrogen-oxygen combustion a particularly high efficiency of the gas and steam turbine plant is achieved.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Gas- und Dampfturbinenanlage (1), bei der die im entspannten Arbeitsmittel (A') aus der Gasturbine (2) enthaltene Wärme zur Erzeugung von Dampf für die in einen Wasser-Dampf-Kreislauf (12) geschaltete Dampfturbine (10) genutzt wird, wobei das Arbeitsmittel (A) für die Gasturbine (2) durch Verbrennen eines Brennstoffs (B, B') unter Zufuhr komprimierter Luft (L) erzeugt wird. Zur Steigerung des Anlagenwirkungsgrades ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß der erzeugte Dampf vor seiner Einleitung in die Dampfturbine (10) mittels bei einer Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennung entstehender Wärme überhitzt wird. Die Anlage (1) umfaßt einen der Gasturbine (2) abgasseitig nachgeschalteten Abhitzedampferzeuger (14), in dem eine Anzahl von in den Wasser-Dampf-Kreislauf (12) der Dampfturbine (10) geschalteten Heizflächen (20 bis 28) angeordnet sind, wobei ein Wasserstoff-Sauerstoff-Brenner (58) vorgesehen ist, der zwischen dem Abhitzedampferzeuger (14) und der Dampfturbine (10) in den Wasser-Dampf-Kreislauf (12) geschaltet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Gas- und Dampfturbinenanlage, bei der die im entspannten Arbeitsmittel aus der Gasturbine enthaltene Wärme zur Erzeugung von Dampf für die in einen Wasser-Dampf-Kreislauf geschaltete Dampfturbine genutzt wird. Dabei wird das Arbeitsmittel für die Gasturbine durch Verbrennen eines Brennstoffs unter Zufuhr komprimierter Luft erzeugt. Die Erfindung richtet sich weiter auf eine nach diesem Verfahren arbeitende Gas- und Dampfturbinenanlage.
  • Bei einer derartigen Gas- und Dampfturbinenanlage wird die im entspannten Arbeitsmittel aus der Gasturbine enthaltene Wärme zur Erzeugung von Dampf für die Dampfturbine genutzt. Die Wärmeübertragung erfolgt in einem der Gasturbine nachgeschalteten Dampferzeuger oder Abhitzekessel, in dem Heizflächen in Form von Rohren oder Rohrbündeln angeordnet sind. Diese wiederum sind in den Wasser-Dampf-Kreislauf der Dampfturbine geschaltet. Der Wasser-Dampf-Kreislauf umfaßt mehrere, z.B. zwei, Druckstufen, wobei jede Druckstufe eine Vorwarm-, eine Verdampfer- und eine Überhitzer-Heizfläche aufweist. Mit einer derartigen, z.B. aus der Europäischen Patentschrift 0 148 973 bekannten Gas- und Dampfturbinenanlage wird je nach den im Wasser-Dampf-Kreislauf der Dampfturbine herrschenden Druckverhältnissen ein thermodynamischer Wirkungsgrad von etwa 50 % bis 55 % erreicht.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Gas- und Dampfturbinenanlage anzugeben, mit dem eine Steigerung des Wirkungsgrades erreicht wird. Dies soll bei einer geeigneten Gas- und Dampfturbinenanlage mit besonders einfachen Mitteln erreicht werden.
  • Bezüglich des Verfahrens wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der erzeugte Dampf vor dessen Einleitung in die Dampfturbine mittels bei einer Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennung entstehender Wärme überhitzt wird, wobei der Wasserstoff durch Abtrennen aus dem Brennstoff prozeßintern erzeugt wird.
  • Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, den im eigentlichen Gas- und Dampfturbinenprozeß erzeugten überhitzten Dampf in besonders effektiver Weise kontinuierlich auf eine Temperatur von etwa 800 bis 1100° C hoch zu überhitzen und dazu einen an sich bekannten Wasserstoff-Sauerstoff-Dampferzeuger einzusetzen.
  • Bei einem z.B. aus der Druckschrift "VDI-Bericht Nr. 602", 1987, Seiten 231 - 245, bekannten Wasserstoff-Sauerstoff-Dampferzeuger werden Wasserstoff und Sauerstoff in einen Brennraum eingeführt und dort mit Hilfe einer Zündflamme gezündet. Das entstehende, über 3000° C heiße Verbrennungsgas wird durch Zugabe von Wasser auf die gewünschte Dampftemperatur abgekühlt, wobei die Dampftemperatur über das Massenstromverhältnis von eingespritztem Wasser zum Verbrennungsgas eingestellt werden kann. Der auf diese Weise erzeugte Dampf soll als Sekundenreserve (Momentanreserve) oder zur Spitzenlastabdeckung für kurze Zeiten in einer Dampfturbinenanlage verwendet werden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden sowohl der für die Verbrennung erforderliche Wasserstoff als auch der Sauerstoff prozeßintern erzeugt. Dabei wird der Wasserstoff für die Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennung zweckmäßigerweise durch Aufbereitung des der Gas- und Dampfturbinenanlage zugeführten Brennstoffs erzeugt. Dies kann z.B. bei einem gasförmigen Brennstoff für die Gasturbine eine Teil- oder Vorverbrennung (Partialoxidation) oder ein anderes geeignetes Verfahren sein.
  • Der Sauerstoff wird zweckmäßigerweise durch Zerlegung von Luft erzeugt. Dabei wird vorteilhafterweise komprimierte Luft aus dem der Gasturbinenanlage zugeordneten Kompressor verwendet. Bei einer Gas- und Dampfturbinenanlage mit integtrierter Kohlevergasung ist eine derartige Luftzerlegungsanlage zur Erzeugung des für die Kohlevergasung erforderlichen Sauerstoffs bereits vorhanden. Auch wird bei einer derartigen Anlage der Wasserstoff bereits prozeßintern erzeugt.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung wird der Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennung derjenige Dampf zugeführt, der in der Hochdruckstufe des Wasser-Dampf-Kreislaufs der Dampfturbine erzeugt und dort bereits auf etwa 500 bis 550° C überhitzt worden ist.
  • Der Brennstoff für die Gasturbine wird zweckmäßigerweise in zwei Stufen verbrannt. Dabei wird die bei der Teilverbrennung des Brennstoffs in der ersten Stufe entstehende Wärme zur Dampferzeugung genutzt. Der so erzeugte Dampf wird vorteilhafterweise dem mittels der Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennung hoch zu überhitzenden Dampf zugemischt.
  • Bezüglich der Gas- und Dampfturbinenanlage mit einer der Gasturbine vorgeschalteten und mit einem Verdichter verbundenen ersten Brennkammer sowie mit einem in einen Wasser-Dampf-Kreislauf der Dampfturbine geschalteten Abhitzedampferzeuger, in dem eine Anzahl von in den Wasser-Dampf-Kreislauf geschalteten Heizflächen angeordnet sind, wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch einen zwischen dem Abhitzedampferzeuger und der Dampfturbine in den Wasser-Dampf-Kreislauf geschalteten Wasserstoff-Sauerstoff-Brenner oder -Dampferzeuger, wobei zur prozeßinternen Erzeugung des erforderlichen Wasserstoffs eine zweite Brennkammer vorgesehen ist. In dieser wird der zur Erzeugung des Arbeitsmittels für die Gasturbine verwendete Brennstoff mit dem Ziel der Erzeugung eines Wasserstoffanteils aufbereitet. Dabei ist die zweite Brennkammer mit der ersten Brennkammer über eine Brenngasleitung verbunden, über die der in der zweiten Brennkammer aufbereitete Brennstoff als Brenngas der ersten, eigentlichen Gasturbinen-Brennkammer zugeführt wird. Außerdem ist die zweite Brennkammer mit dem Wasserstoff-Sauerstoff-Brenner über eine Wasserstoffleitung verbunden.
  • Um die bei der Brennstoffaufbereitung, d.h. bei der Partialverbrennung des Brennstoffs in der zweiten Brennkammer entstehende Wärme zur Dampferzeugung nutzen zu können, ist zweckmäßigerweise ein Wärmetauscher vorgesehen, der primärseitig in die mit der zweiten Brennkammer verbundene Brenngasleitung und sekundärseitig in den Wasser-Dampf-Kreislauf geschaltet ist. Dabei wird zweckmäßigerweise dem Wärmetauscher Speisewasser aus dem Wasser-Dampf-Kreislauf zugeführt, wobei dieses Speisewasser in dem Wärmetauscher zunächst verdampft und anschließend überhitzt wird. Daher ist der Wärmetauscher als Abhitzekessel mit einem Hochdruck-Verdampfer und einem Hochdruck-Überhitzer ausgebildet.
  • Zum Abtrennen des Wasserstoffs aus dem durch die teilweise Verbrennung des Brennstoffs entstehenden Brenngases ist eine Trenneinrichtung vorgesehen, die mit der in den Wasserstoff-Sauerstoff-Brenner mündenden Wasserstoffleitung verbunden ist.
  • Die für die teilweise Verbrennung des Brennstoffs in der zweiten Brennkammer erforderliche Luft wird zweckmäßigerweise dem mit der ersten Brennkammer verbundenen Verdichter entnommen.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt die Figur eine Gas- und Dampfturbinenanlage mit einem Wasserstoff-Sauerstoff-Brenner zur Überhitzung des erzeugten Dampfes.
  • Die Gas- und Dampfturbinenanlage 1 gemäß der Figur umfaßt eine Gasturbinenanlage mit einer Gasturbine 2 mit angekoppeltem Luftverdichter 3 und eine der Gasturbine 2 vorgeschaltete Brennkammer 4, die an eine Frischluftleitung 5 des Luftverdichters 3 angeschlossen ist. In die Brennkammer 4 der Gasturbine 2 mündet eine Brennstoff- oder Brenngasleitung 6. Die Gasturbine 2 und der Luftverdichter 3 sowie ein Generator 7 sitzen auf einer gemeinsamen Welle 8.
  • Die Gas- und Dampfturbinenanlage 1 umfaßt weiter eine Dampfturbinenanlage mit einer Dampfturbine 10 mit angekoppeltem Generator 11 und in einem Wasser-Dampf-Kreislauf 12 einen der Dampfturbine 10 nachgeschalteten Kondensator 13 sowie einen Abhitzedampferzeuger 14.
  • Die Dampfturbine 10 besteht aus einem Hochdruckteil 10a und einem Niederdruckteil 10b, die über eine gemeinsame Welle 15 den Generator 11 antreiben.
  • Zum Zuführen von in der Gasturbine 2 entspanntem Arbeitsmittel A' oder Rauchgas in den Abhitzedampferzeuger 14 ist eine Abgasleitung 17 an einen Eingang 14a des Abhitzedampferzeugers 14 angeschlossen. Das entspannte Arbeitsmittel A' aus der Gasturbine 2 verläßt den Abhitzedampferzeuger 14 über dessen Ausgang 14b in Richtung auf einen (nicht dargestellten) Kamin.
  • Der Abhitzedampferzeuger 14 umfaßt in einer Niederdruck-Stufe des Wasser-Dampf-Kreislaufs 12 als Heizflächen einen Vorwärmer 20 und einen Niederdruck-Verdampfer 22 sowie einen Niederdruck-Überhitzer 24. Er umfaßt weiter in einer Hochdruck-Stufe des Wasser-Dampf-Kreislaufs 12 als Heizflächen einen Hochdruck-Verdampfer 26 und einen Hochdruck-Überhitzer 28. Der Niederdruck-Überhitzer 24 ist über eine Dampfleitung 30 mit dem Niederdruckteil 10b der Dampfturbine 10 verbunden. Der Hochdruck-Überhitzer 28 ist über eine Dampfleitung 31 mit dem Hochdruckteil 10a der Dampfturbine 10 verbunden. Der Niederdruckteil 10b der Dampfturbine 10 ist ausgangsseitig über eine Dampfleitung 32 an den Kondensator 13 angeschlossen.
  • Der in der Figur dargestellte Wasser-Dampf-Kreislauf 12 ist somit aus zwei Druckstufen aufgebaut. Er kann aber auch aus drei Druckstufen aufgebaut sein. In diesem Fall weist der Abhitzedampferzeuger 14 in nicht näher dargestellter Art und Weise zusätzlich einen Mitteldruck-Verdampfer und einen Mitteldruck-Überhitzer auf, die in den Wasser-Dampf-Kreislauf 12 geschaltet und mit einem Mitteldruckteil der Dampfturbine 10 verbunden sind.
  • Der Kondensator 13 ist über eine Kondensatleitung 34, in die eine Kondensatpumpe 36 geschaltet ist, mit dem Vorwärmer 20 verbunden. Die Kondensatleitung 34 ist außerdem über eine Hintereinanderschaltung aus drei Wärmetauschern 38, 40 und 42 mit einem Speisewasserbehälter 44 verbunden. Der Vorwärmer 20 ist ausgangsseitig über eine Leitung 46 zwischen den Wärmetauschern 38 und 40 an die Kondensatleitung 34 angeschlossen.
  • Der Speisewasserbehälter 44 ist ausgangsseitig über eine Speisewasserleitung 48 mit einem Wasser-Dampf-Trenngefäß 50 der Niederdruck-Stufe verbunden. An dieses Gefäß 50 sind der Niederdruck-Überhitzer 24 und der Niederdruck-Verdampfer 22 angeschlossen. Der Speisewasserbehälter 44 ist ausgangsseitig außerdem über eine Speisewasserleitung 51, in die eine Hochdruckpumpe 52 geschaltet ist, mit einem Wasser-Dampf-Trenngefäß 54 der Hochdruck-Stufe verbunden. An das Gefäß 54 sind der Hochdruck-Überhitzer 28 und der Hochdruck-Verdampfer 26 angeschlossen. Weiter mündet in den auch als Entgaser arbeitenden Speisewasserbehälter 44 eine an die Dampfleitung 30 angeschlossene Dampfleitung 56.
  • Zwischen den Abhitzedampferzeuger 14 und die Dampfturbine 10 ist in den Wasser-Dampf-Kreislauf 12 ein Wasserstoff-Sauerstoff-Brenner 58 geschaltet. Dazu ist der Brenner 58 eingangsseitig an den Ausgang des Hochdruck-Überhitzers 28 und ausgangsseitig an den Eingang des Hochdruckteils 10a der Dampfturbine 10 angeschlossen. In den Wasserstoff-Sauerstoff-Brenner 58 münden außerdem eine Sauerstoffleitung 60 sowie eine Wasserstoffleitung 62. Die Sauerstoffleitung 60 ist über die Wärmetauscher 42 und 40 an eine Luftzerlegungsanlage 64 angeschlossen. Zwischen den Wärmetauschern 42 und 40 sowie zwischen dem Wärmetauscher 40 und der Luftzerlegungsanlage 64 sind in die Sauerstoffleitung 60 je eine Pumpe 66 bzw. 68 geschaltet. In die Luftzerlegungsanlage 64 mündet zum Zuführen komprimierter Luft L eine Leitung 69 , die über den Wärmetauscher 38 mit dem Verdichter 3 verbunden ist.
  • Die Wasserstoffleitung 62 ist über eine Pumpe 70 und eine Trenneinrichtung 72 sowie über einen Abhitzekessel 74 an eine weitere Brennkammer 76 angeschlossen. Diese wiederum ist über einen Zweig 78 der Frischluftleitung 5 mit dem Verdichter 3 verbunden. In die Brennkammer 76 mündet eine Brennstoffleitung 80.
  • Beim Betrieb der Gas- und Dampfturbinenanlage wird der Brennkammer 76 über die Brennstoffleitung 80 flüssiger, gasförmiger oder fester Brennstoff B, z.B. Heizöl, Erdgas oder Kohle aus einer nicht dargestellten Kohlevergasungsanlage, zugeführt. Der Brennstoff B wird in der Brennkammer 76 unter Zufuhr von komprimierter Luft L aus dem Verdichter 3 teilweise verbrannt und dabei mit dem Ziel aufbereitet, daß neben einem Brenngas B' auch ein Wasserstoffanteil erzeugt wird. Die bei der Teilverbrennung entstehende Wärme wird in dem Abhitzekessel oder Wärmetauscher 74 zur Erzeugung von Dampf genutzt. Dazu weist der Abhitzekessel 74 als Heiz- oder Wärmetauschflächen einen Verdampfer 84 und einen Überhitzer 86 auf, die mit einem Wasser-Dampf-Trenngefäß 88 verbunden sind. Dem Wasser-Dampf-Trenngefäß 88 wird über eine Speisewasserleitung 90, die auf der Druckseite der Hochdruckpumpe 52 an die Speisewasserleitung 51 angeschlossen ist, unter hohem Druck stehendes Speisewasser aus dem Speisewasserbehälter 44 zugeführt. Der in dem Verdampfer 84 erzeugte und anschließend im Überhitzer 86 überhitzte Dampf wird über eine Dampfleitung 92 dem aus dem Hochdruck-Überhitzer 28 abströmenden Dampf vor dessen Einleitung in den Wasserstoff-Sauerstoff-Brenner 58 zugemischt. Dabei entspricht der Druck dieses durch Wärmetausch mit dem Brenngas B' erzeugten Dampfes dem Druck pH des aus dem Hochdruck-Überhitzer 28 abströmenden Dampfes.
  • Mittels der Trenneinrichtung 72 wird der bei der Brennstoffaufbereitung in der Brennkammer 76 erzeugte Wasserstoff H2 aus dem abgekühlten Brenngas B' abgetrennt und über die Wasserstoffleitung 62 dem Wasserstoff-Sauerstoff-Brenner 58 zugeführt. Das Brenngas B' wird der Brennkammer 4 der Gasturbine 2 zugeführt und dort mit verdichteter Frischluft L aus dem Luftverdichter 3 verbrannt. Das bei der Verbrennung entstehende heiße und unter hohem Druck stehende Arbeitsmittel A wird in der Gasturbine 2 entspannt und treibt dabei diese und den Luftverdichter 3 sowie den Generator 7 an. Das aus der Gasturbine 2 mit einer Temperatur TA' von etwa 600° C austretende entspannte Rauchgas oder Arbeitsmittel A' wird über die Abgasleitung 17 in den Abhitzedampferzeuger 14 eingeleitet und dort zur Erzeugung von Dampf für die Dampfturbine 10 genutzt. Zu diesem Zweck sind der Rauchgasstrom und der Wasser-Dampf-Kreislauf 12 im Gegenstrom miteinander verknüpft.
  • Um eine besonders gute Wärmeausnutzung zu erreichen, wird dabei Dampf bei unterschiedlichen Druckniveaus erzeugt, dessen Enthalpie zur Stromerzeugung in der Dampfturbine 10 genutzt wird. So kann in der Niederdruck-Stufe Dampf mit einem Druck pN von ca. 7,5 bar und einer Temperatur TN von 230° C erzeugt werden. In der Hochdruck-Stufe kann Dampf mit einem Druck pH von 80 bar bei einer Temperatur TH von 530° C erzeugt werden.
  • Während der für die Verbrennung in dem Brenner 58 erforderliche Wasserstoff H2 aus dem Brennstoff B gewonnen wird, wird der Sauerstoff O2 in der Luftzerlegungsanlage 64 erzeugt. Dabei wird der Sauerstoff O2 aus der mittels des Verdichters 3 komprimierten Frischluft L abgetrennt. Der für die Verbrennung in dem Brenner 58 nicht erforderliche Anteil an Sauerstoff O2 sowie bei der Luftzerlegung in der Luftzerlegungsanlage 64 erzeugter Stickstoff N2 können beispielsweise der Brennkammer 4 der Gasturbine 2 zugeführt werden.
  • Der aus dem Hochdruck-Überhitzer 28 der Hochdruck-Stufe austretende überhitzte Dampf wird vor dessen Einleitung in die Dampfturbine 10 mittels der bei der Verbrennung des Wasserstoffs H2 und des Sauerstoffs O2 entstehenden Wärme auf eine Temperatur T'H großer 600° C, vorzugsweise von ca. 1100° C, hoch überhitzt. Dabei kühlt der dem Brenner 58 zugeführte Dampf das bei der Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennung entstehende heiße Verbrennungsgas ab. Der Druck p'H des hoch überhitzten Dampfes beträgt weiterhin etwa 80 bar.
  • Der dem Brenner 58 zugeführte Sauerstoff O2 wird mittels der Pumpen 68 und 66 in zwei Stufen von einem Druck p1 von etwa 2 bar zunächst auf einen Druck p2 von etwa 20 bar und anschließend auf einen Druck p3 von ca. 80 bar komprimiert. Die bei der Komprimierung entstehende Wärme wird in einer zweiten und einer dritten Stufe mittels der Wärmetauscher 40 bzw. 42 vorteilhafterweise zur Vorwärmung des dem Speisewasserbehälter 44 zugeführten Kondensats K aus dem Kondensator 30 genutzt. Zur Kondensatvorwärmung in einer ersten Stufe dient auch der Wärmetauscher 38, in dem die in der komprimierten Frischluft L aus dem Verdichter 3 enthaltene Wärme auf das Kondensat K übertragen wird.
  • Ebenso wie der Sauerstoff O2, wird auch der Wasserstoff H2 vor dessen Einleitung in den Brenner 58 mittels der Pumpe 70 auf einen Druck p4 von etwa 80 bar gebracht.
  • Besonders vorteilhaft ist der Einsatz eines Wasserstoff-Sauerstoff-Brenners 58 zur Erzeugung von hoch überhitztem Dampf bei einer Gas- und Dampfturbinenanlage mit integrierter Kohlevergasung, da bei einer derartigen Anlage sowohl der Wasserstoff H2 als auch der Sauerstoff O2 üblicherweise bereits prozeßintern erzeugt werden. Durch die Erzeugung von hoch überhitztem Dampf mittels der Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennung wird ein besonders hoher Wirkungsgrad der Gas- und Dampfturbinenanlage erreicht.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Gas- und Dampfturbinenanlage, bei der die im entspannten Arbeitsmittel (A) aus der Gasturbine (2) enthaltene Wärme zur Erzeugung von Dampf für die in einen Wasser-Dampf-Kreislauf (12) geschaltete Dampfturbine (10) genutzt wird, wobei das Arbeitsmittel (A) für die Gasturbine (2) durch Verbrennen eines Brennstoffs (B,B') unter Zufuhr komprimierter Luft (L) erzeugt wird,
    dadurch gekennzeichnet, daß der erzeugte Dampf vor seiner Einleitung in die Dampfturbine (10) mittels bei einer Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennung entstehender Wärme überhitzt wird, wobei der Wasserstoff (H2) durch Abtrennen aus dem Brennstoff (B, B') prozeßintern erzeugt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoff (O2) durch Abtrennen aus der komprimierten Luft (L) prozeßintern erzeugt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff (B,B') für die Gasturbine (2) in zwei Stufen (76,4) verbrannt wird, wobei die bei der Teilverbrennung (Partialoxidation) in der ersten Stufe (76) entstehende Wärme zusätzlich zur Damferzeugung genutzt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß der bei der Teilverbrennung erzeugte Dampf dem mittels der Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennung weiter zu überhitzenden Dampf zugemischt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einem aus einer Niederdruckstufe (20,22,24) und einer Hochdruckstufe (26,28) aufgebauten Wasser-Dampf-Kreislauf (12), wobei der in der Hochdruckstufe (26,28) erzeugte Dampf mittels der Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennung auf eine Temperatur (TH') größer 600° C überhitzt wird.
  6. Gas- und Dampfturbinenanlage mit einer der Gasturbine (2) vorgeschalteten und mit einem Verdichter (3) verbundenen ersten Brennkammer (4) sowie mit einem in einen Wasser-Dampf-Kreislauf (12) der Dampfturbine (10) geschalteten Abhitzedampferzeuger (14), in dem eine Anzahl von in den Wasser-Dampf-Kreislauf (12) geschalteten Heizflächen (20 bis 28) angeordnet sind,
    gekennzeichnet durch einen zwischen dem Abhitzedampferzeuger (14) und der Dampfturbine (10) in den Wasser-Dampf-Kreislauf (12) geschalteten Brenner (58), dem Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) zuführbar sind, und durch eine zweite Brennkammer (76), die mit der ersten Brennkammer (4) über eine Brenngasleitung (6) und mit dem Brenner (58) über eine Wasserstoffleitung (62) verbunden ist.
  7. Anlage nach Anspruch 6,
    gekennzeichnet durch einen Wärmetauscher (74,84,86), der primärseitig in die Brenngasleitung (6) und sekundärseitig in den Wasser-Dampf-Kreislauf (12) geschaltet ist.
  8. Anlage nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (74) als Abhitzekessel ausgebildet ist, der eine Anzahl von Heizflächen (84, 86) zur Erzeugung von überhitztem und unter hohem Druck (pH) stehendem Dampf aufweist.
  9. Anlage nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, daß in die Brenngasleitung (6) eine mit der Wasserstoffleitung (62) verbundene Einrichtung (72) zum Abtrennen des Wasserstoffs (H2) aus dem der ersten Brennkammer (4) zugeführten Brenngas (B') geschaltet ist.
  10. Anlage nach einem der Ansprüche 6 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Brennkammer (76) mit dem Verdichter (3) verbunden ist.
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