EP1275820A1 - Gasturbinenanlage sowie ein zugehöriges Betriebsverfahren - Google Patents

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EP1275820A1
EP1275820A1 EP02405518A EP02405518A EP1275820A1 EP 1275820 A1 EP1275820 A1 EP 1275820A1 EP 02405518 A EP02405518 A EP 02405518A EP 02405518 A EP02405518 A EP 02405518A EP 1275820 A1 EP1275820 A1 EP 1275820A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
wall
exhaust gas
gas turbine
feed water
fresh air
Prior art date
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EP02405518A
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English (en)
French (fr)
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EP1275820B1 (de
Inventor
Klaus DÖBBELING
Hans-Erik Hansson
Dieter Winkler
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GE Vernova GmbH
Original Assignee
Alstom Schweiz AG
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Publication date
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Publication of EP1275820B1 publication Critical patent/EP1275820B1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K21/00—Steam engine plants not otherwise provided for
    • F01K21/04—Steam engine plants not otherwise provided for using mixtures of steam and gas; Plants generating or heating steam by bringing water or steam into direct contact with hot gas
    • F01K21/047—Steam engine plants not otherwise provided for using mixtures of steam and gas; Plants generating or heating steam by bringing water or steam into direct contact with hot gas having at least one combustion gas turbine

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a gas turbine system with the Features of the preamble of claim 1.
  • the invention also relates a gas turbine plant with the features of the preamble of claim 6.
  • the invention further relates to the use of a trickle film or Thin film evaporator.
  • a gas turbine system is known from WO 98/01658, which is a gas turbine with steam feed, several heat exchangers for heat recovery from the exhaust gas of the gas turbine, an evaporator or humidifier to generate the water vapor and a compressor to generate compressed fresh air.
  • the compressor gets compressed fresh air removed and via several heat exchangers of the humidification device fed.
  • This humidifier is also heated Feed water supplied, which evaporates and together with the compressed Fresh air forms a water vapor-air mixture.
  • This water vapor-air mixture is returned via one or more heat exchangers and upstream the gas turbine, in particular upstream of the associated combustion chamber, fed.
  • the heating of the feed water and the overheating of the Steam-air mixture takes place in heat exchangers, which are from the exhaust gas be applied to the gas turbine.
  • These heat exchangers form one Device for heat recovery from the exhaust gas.
  • that can Exhaust gas also for preheating the feed water in another Heat exchangers are used.
  • the overall efficiency of such Gas turbine plant depends in particular on how much thermal energy the Exhaust gas emerging from the gas turbine can be extracted.
  • a device is known from EP 0 843 083, with the aid of which a liquid Fuel is processed by means of a purge gas so that the liquid Fuel in terms of volumetric calorific value to a gaseous one Align fuel.
  • This device contains a for this purpose Evaporator tube, which consists of a good heat-conducting material and with a heater interacts.
  • the liquid fuel is so in the evaporator tube is introduced above, which he along the inner surface of the Evaporator tube runs off and forms a relatively thin film. Through the Heating the evaporator tube can easily evaporate the fuel film.
  • the purge gas is introduced into the evaporator tube from below, so that this mixes with the fuel vapor; at the same time this will the fuel is transported away. In this way the density of the fuel-purge gas mixture set so that the desired volumetric Calorific value results.
  • Such a device can also be called a "falling film or Thin film evaporators "are referred to.
  • the invention as characterized in the claims, deals with the problem, for a gas turbine plant and for an associated one Operating method of the type mentioned to specify an embodiment, which enables an increased overall efficiency for the gas turbine plant.
  • this problem is solved by a method with the features of claim 1 and by a gas turbine system with the features of Claim 6 solved.
  • the problem underlying the invention becomes also solved by use with the features of claim 14.
  • Advantageous embodiments are in the dependent claims played.
  • An improvement in the evaporation effect can be achieved that the fresh air and the exhaust gas the wall on which the feed water expires, act on the counterflow principle.
  • the feed water can be used in a first heat exchanger fresh air compressed in the compressor and thereby heated in the Heat exchange stand.
  • the feed water can a second heat exchanger with the exhaust in heat transfer Connected, that already through the falling film or thin film evaporation has cooled down.
  • At least one of the called heat exchanger an integral unit with the falling film or Form thin film evaporators, thereby avoiding line losses can.
  • FIG. 1 shows a highly simplified schematic diagram of a Gas turbine plant according to the invention.
  • a gas turbine system 1 has a Compressor 2, the input 3 with fresh air 4, for. B. from the area, is supplied.
  • the compressor 2 compresses the fresh air, so that compressed at an outlet 5 of the compressor 2 Fresh air 6 exits.
  • the majority of the compressed fresh air 6 becomes one Combustion chamber 7 of the gas turbine system 1 supplied in the conventional Way a combustion of a common fuel 40, in particular natural gas, is carried out.
  • hot and hot emerge from the combustion chamber 7 highly compressed exhaust gases 8 from an inlet 9 of a gas turbine 10 Gas turbine system 1 are supplied. These are in the gas turbine 10 Exhaust gases relaxed, so that at an outlet 11 of the gas turbine 10 relaxed, hot exhaust gases 12 escape.
  • the energy released in the gas turbine 10 is essentially for driving the compressor 2 and for driving a Consumer, in particular a generator used to generate electricity 13 used.
  • the gas turbine system 1 is also modern with a trickle film Thin film evaporator 14 equipped, which is an integral unit from a Evaporation device and an exhaust gas heat recovery device forms.
  • the falling film or thin film evaporator 14 has a housing 15, a water inlet 16 for feed water 17, an air inlet 18 for compressed fresh air 6 or 19, an exhaust gas inlet 20 for the hot exhaust gas 12, a steam outlet 21 for superheated steam or for superheated Steam-air mixture 22, an exhaust gas outlet 23 for cooled exhaust gas 24, an additional input 25 for preheating feed water 26 and one Has additional output 27 for preheated feed water 28.
  • the housing 15 contains an evaporation line arrangement 29 which for example from a plurality of tubes 30 running parallel to one another is formed and in a marked by a curly bracket 31 Evaporator section of the housing 15 is arranged.
  • the Evaporation line assembly 29 is at the top of each tube 30 at 32 via the water inlet 16 with the feed water to be evaporated 17 supplied.
  • the feed water 17 is guided so that it is inside the Tubes 30 runs on their wall surfaces and forms a film thereon in particular can be thinner than 1 mm.
  • the tubes 30 and the Evaporation line arrangement 29 thus contain in the evaporator section 31 a wall 39 symbolically marked with a continuous line, along which the feed water 17 to be evaporated runs off.
  • the evaporation line arrangement 29 is via the air inlet 18 at 33, thus supplied with compressed fresh air 6 or 19 below, as a result of which the pipes 30 fresh air is applied inside. Is accordingly also the feed water running on said wall 39 with the Fresh air applied.
  • Fresh air 6 becomes a partial flow 38 of the fresh air 6 after the compressor 2 diverted. It is also possible to use the fresh air required for evaporation to branch off at another point of the compressor 2.
  • first heat exchanger 34 provided, the 38 with respect to the branched, compressed fresh air upstream of the air inlet 18 and upstream of the feed water Water inlet 16 is arranged.
  • This first heat exchanger 34 is thus on the one hand from the feed water and on the other hand from the compressed fresh air 38 flows through.
  • the feed water is preheated while the compressed fresh air is cooled; the cooled fresh air is here at 19 designated.
  • a second heat exchanger 35 integrated, which on the one hand flows through the feed water and on the other hand with the Exhaust gas turbine 10 is acted upon.
  • This second heat exchanger 35 is in relation to the exhaust gases downstream of the falling film or Thin film evaporator 14 and upstream of the first with respect to the feed water Heat exchanger 34 or arranged upstream of the water inlet 16.
  • a third heat exchanger 36 is arranged, on the one hand by a Steam-air mixture 37 flows through, which from the Evaporator section 31 of the evaporation line arrangement 29 emerges.
  • this third heat exchanger 36 with the hot exhaust gases 12 applied.
  • this third heat exchanger 36 is thus upstream of the evaporator section 31 of the evaporation line arrangement 29 arranged while he 37 regarding the water vapor-air mixture between the evaporator section 31 and the steam-air mixture outlet 21, that is to say upstream of the gas turbine 10.
  • the Evaporation line arrangement 29 forms with its evaporator section 31 inside an evaporation device, while outside an exhaust gas heat recovery device forms, moreover, by the second Heat exchanger 35 and / or the third heat exchanger 36 can be supplemented.
  • the fresh air 19 acts on it along the evaporator wall 39 formed by the inside of the tubes 30 Feed water 17 according to the countercurrent principle.
  • the fresh air 19 and the hot exhaust gas 12 in the housing 15 Tubes 30 act on the fresh air 19 and the hot exhaust gas 12 in the housing 15 Tubes 30 according to the counterflow principle.
  • the first Heat exchanger 34, the second heat exchanger 35 and the third heat exchanger 36 flows through according to the countercurrent principle.
  • the gas turbine plant 1 is operated as follows: In operation of the gas turbine plant 1, the compressor 2 compresses fresh air 6, of which the portion designated 38 is supplied to the first heat exchanger 34. After the first heat exchanger 34, the compressed and cooled fresh air 19 is fed via the air inlet 18 to the evaporation line arrangement 29, in which it mixes with the feed water evaporating therein, the fresh air 19 also transporting the water vapor-air mixture designated 37 from the Evaporation line arrangement 29 ensures.
  • the hot exhaust gases 12 enter the housing 15 and first act on the third heat exchanger 36 and cause one therein Overheating the water vapor-air mixture 37, causing the desired superheated steam-air mixture 22 is formed.
  • the third Heat exchangers 36 flow around the still hot exhaust gases onto the pipes 30 their outsides. That means the above Evaporator wall 39, along which the feed water flows inside, outside with the still hot exhaust gas.
  • the pipes 30 preferably made of a relatively good heat-conducting material, e.g. B. steel, are produced, there is a relatively intense heat transfer in which on the one hand, the exhaust gases cool relatively strongly, on the other hand, one intensive evaporation of the feed water is achieved.
  • Downstream of this Evaporator section 31 act on the still relatively warm exhaust gases the second heat exchanger 35 and cause a first preheating of the Feedwater.
  • those that have cooled relatively far occur Exhaust gases 24 from the housing 15.
  • feed water 26 is fed into the housing 15 or introduced into the second heat exchanger 35, in which the already above called first preheating of the feed water takes place. So far preheated feed water 28 exits at the additional outlet 27 Housing 15 out and gets into the first heat exchanger 34.
  • Turbolators or the like are used. It can also be beneficial be to feed the feed water tangentially into the individual pipes 30 in order to for example to get a helical flow.
  • the feed water vapor / fresh air mixture formed in the evaporator section 31 37 then passes into the third heat exchanger 36, in which the above described overheating of the water vapor-air mixture takes place.
  • the superheated steam-air mixture 22 can then flow upstream of the combustion chamber 7 are returned to the main stream of compressed fresh air 6.

Landscapes

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  • Vaporization, Distillation, Condensation, Sublimation, And Cold Traps (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Gasturbinenanlage (1), wobei: nach einem Verdichter (2) komprimierte Frischluft (6, 19, 38) abgezweigt und einer Verdampfungseinrichtung (14) zugeführt wird, zur Erzeugung eines Wasserdampf-Luft-Gemischs (22, 37) in der Verdampfereinrichtung (14) unter Wärmezuführung Speisewasser (17, 26, 28) verdampft und mit der Frischluft (6, 19, 38) vermischt wird, das Wasserdampf-Luft-Gemisch (22, 37) stromauf einer Gasturbine (10) rückgeführt wird, die für die Verdampfung des Speisewassers (17, 26, 28) benötigte Wärme zumindest teilweise einem Abgas (12) der Gasturbine (10) entzogen wird. Zur Verbesserung des Wirkungsgrads der Gasturbinenanlage (1) läuft das Speisewasser (17, 26, 28) entlang einer mit dem Abgas (12) beheizten Wandung (39) ab und wird mit der Frischluft (6, 19, 38 beaufschlagt. Das Speisewasser (17, 26, 28) verdampft und vermischt sich mit der Frischluft (6, 19, 38), wodurch sich das Wasserdampf-Luft-Gemisch (22, 37) für die Rückführung bildet. <IMAGE>

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Gasturbinenanlage mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine Gasturbinenanlage mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 6. Die Erfindung betrifft des weiteren eine Verwendung eines Rieselfilm- oder Dünnfilmverdampfers.
Stand der Technik
Aus der WO 98/01658 ist eine Gasturbinenanlage bekannt, die eine Gasturbine mit Wasserdampfeinspeisung, mehrere Wärmetauscher zum Wärmerückgewinn aus dem Abgas der Gasturbine, eine Verdampfer- bzw. Befeuchtungseinrichtung zur Erzeugung des Wasserdampfes sowie einen Verdichter zur Erzeugung komprimierter Frischluft aufweist. Dem Verdichter wird komprimierte Frischluft entnommen und über mehrere Wärmetauscher der Befeuchtungseinrichtung zugeführt. Dieser Befeuchtungseinrichtung wird außerdem erhitztes Speisewasser zugeführt, das verdampft und zusammen mit der komprimierten Frischluft ein Wasserdampf-Luft-Gemisch bildet. Dieses Wasserdampf-Luft-Gemisch wird über einen oder mehrere Wärmetauscher rückgeführt und stromauf der Gasturbine, insbesondere stromauf der zugehörigen Brennkammer, eingespeist. Die Erhitzung des Speisewassers sowie die Überhitzung des Wasserdampf-Luft-Gemischs erfolgen dabei in Wärmetauschern, die vom Abgas der Gasturbine beaufschlagt werden. Diese Wärmetauscher bilden dabei eine Einrichtung zum Wärmerückgewinn aus dem Abgas. Darüber hinaus kann das Abgas außerdem zur Vorerwärmung des Speisewassers in einem weiteren Wärmetauscher verwendet werden. Der Gesamtwirkungsgrad einer solchen Gasturbinenanlage hängt insbesondere davon ab, wieviel Wärmeenergie dem aus der Gasturbine austretenden Abgas entzogen werden kann.
Aus der EP 0 843 083 ist eine Vorrichtung bekannt, mit deren Hilfe ein flüssiger Brennstoff mittels eines Spülgases aufbereitet wird, um so den flüssigen Brennstoff hinsichtlich des volumetrischen Heizwertes an einen gasförmigen Brennstoff anzugleichen. Diese Vorrichtung enthält zu diesem Zweck ein Verdampferrohr, das aus einem gut wärmeleitenden Material besteht und mit einer Heizeinrichtung zusammenwirkt. Der flüssige Brennstoff wird dabei so in das Verdampferrohr oben eingeleitet, das er entlang der Innenfläche des Verdampferrohres abläuft und dabei einen relativ dünnen Film bildet. Durch die Beheizung des Verdampferrohres kann der Brennstofffilm leicht verdampfen. Gleichzeitig wird von unten das Spülgas in das Verdampferrohr eingeleitet, so dass sich dieses mit dem Brennstoffdampf vermischt; gleichzeitig wird dadurch der Brennstoff abtransportiert. Auf diese Weise wird die Dichte des Brennstoff-Spülgasgemisches so eingestellt, dass sich der gewünschte volumetrische Heizwert ergibt. Eine derartige Vorrichtung kann auch als "Rieselfilm- oder Dünnfilmverdampfer" bezeichnet werden.
Darstellung der Erfindung
Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Gasturbinenanlage sowie für ein zugehöriges Betriebsverfahren der eingangs genannten Art eine Ausführungsform anzugeben, die für die Gasturbinenanlage einen erhöhten Gesamtwirkungsgrad ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Gasturbinenanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Das der Erfindung zugrundeliegende Problem wird außerdem durch eine Verwendung mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen wiedergegeben.
Durch die erfindungsgemäße Anwendung einer Rieselfilm- oder Dünnfilmverdampfung beim Verdampfen des Speisewassers kann dem Abgas der Gasturbine mehr Wärme entzogen werden als bei einer herkömmlichen Speisewasserverdampfung. Auf diese Weise kann der Gesamtwirkungsgrad der Anlage erhöht werden. Die intensive Kühlwirkung der Rieselfilm- oder Dünnfilmverdampfung beruht insbesondere auf der hohen Wärmeübertragung zwischen der Wandung und dem Speisewasser und auf dem direkten Kontakt der Wandung mit dem daran entlang ablaufenden Speisewasser.
Eine Verbesserung der Verdampfungswirkung kann dadurch erreicht werden, dass die Frischluft und das Abgas die Wandung, an der das Speisewasser abläuft, nach dem Gegenstromprinzip beaufschlagen.
Eine weitere Verbesserung der Verdampfungsleistung kann dadurch erzielt werden, dass das Speisewasser vor seiner Verdampfung vorgewärmt wird. Hierzu kann einerseits das Speisewasser in einem ersten Wärmetauscher mit der im Verdichter komprimierten und dadurch erhitzten Frischluft im Wärmeaustausch stehen. Alternativ oder zusätzlich kann das Speisewasser über einen zweiten Wärmetauscher mit dem Abgas in wärmeübertragender Verbindung stehen, das bereits durch die Rieselfilm- oder Dünnfilmverdampfung abgekühlt ist.
Des weiteren ist es sinnvoll, die Überhitzung des Wasserdampf-Luft-Gemischs ebenfalls mit Hilfe der im Abgas enthaltenden Wärme durchzuführen, was mittels eines dritten Wärmetauschers realisierbar ist, der einerseits im Dampfpfad stromab der Rieselfilm- oder Dünnfilmverdampfung und andererseits im Abgaspfad stromauf der Rieselfilm- oder Dünnfilmverdampfung angeordnet ist.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann wenigstens einer der genannten Wärmetauscher eine integrale Einheit mit dem Rieselfilm- oder Dünnfilmverdampfer bilden, wodurch Leitungsverluste vermieden werden können.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die einzige Figur 1 zeigt eine stark vereinfachte Prinzipdarstellung einer Gasturbinenanlage nach der Erfindung.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Entsprechend Figur 1 weist eine erfindungsgemäße Gasturbinenanlage 1 einen Verdichter 2 auf, dessen Eingang 3 mit Frischluft 4, z. B. aus der Umgebung, versorgt wird. Im Betrieb der Gasturbinenanlage 1 komprimiert der Verdichter 2 die Frischluft, so dass an einem Ausgang 5 des Verdichters 2 komprimierte Frischluft 6 austritt. Die Hauptmenge der komprimierten Frischluft 6 wird einer Brennkammer 7 der Gasturbinenanlage 1 zugeführt, in der in herkömmlicher Weise eine Verbrennung eines üblichen Brennstoffs 40, insbesondere Erdgas, durchgeführt wird. Dementsprechend treten aus der Brennkammer 7 heiße und hoch komprimierte Abgase 8 aus, die einem Eingang 9 einer Gasturbine 10 der Gasturbinenanlage 1 zugeführt werden. In der Gasturbine 10 werden diese Abgase entspannt, so dass bei einem Ausgang 11 der Gasturbine 10 entspannte, heiße Abgase 12 austreten. Die in der Gasturbine 10 dabei freigesetzte Energie wird im wesentlichen zum Antrieb des Verdichters 2 sowie zum Antrieb eines Verbrauchers, insbesondere eines zur Stromerzeugung dienenden Generators 13, verwendet.
Die erfindungsgemäße Gasturbinenanlage 1 ist außerdem mit einem Rieselfilmoder Dünnfilmverdampfer 14 ausgestattet, der eine integrale Einheit aus einer Verdampfungseinrichtung und einer Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung bildet. Der Rieselfilm- oder Dünnfilmverdampfer 14 weist ein Gehäuse 15 auf, das einen Wassereingang 16 für Speisewasser 17, einen Lufteingang 18 für komprimierte Frischluft 6 bzw. 19, einen Abgaseingang 20 für das heiße Abgas 12, einen Dampfausgang 21 für überhitzten Wasserdampf bzw. für überhitztes Wasserdampf-Luft-Gemisch 22, einen Abgasausgang 23 für abgekühltes Abgas 24, einen Zusatzeingang 25 für vorzuwärmendes Speisewasser 26 sowie einen Zusatzausgang 27 für vorgewärmtes Speisewasser 28 aufweist. Desweiteren enthält das Gehäuse 15 eine Verdampfungsleitungsanordnung 29, die beispielsweise aus einer Vielzahl parallel zu einander verlaufender Rohre 30 gebildet ist und in einem durch eine geschweifte Klammer 31 gekennzeichneten Verdampferabschnitt des Gehäuses 15 angeordnet ist. Die Verdampfungsleitungsanordnung 29 wird am oberen Ende der einzelnen Rohre 30 bei 32 über den Wassereingang 16 mit dem zu verdampfenden Speisewasser 17 versorgt. Das Speisewasser 17 wird dabei so geführt, dass es im Inneren der Rohre 30 an deren Wandflächen abläuft und daran einen Film bildet, der insbesondere dünner als 1mm sein kann. Die Rohre 30 bzw. die Verdampfungsleitungsanordnung 29 enthalten somit im Verdampferabschnitt 31 eine mit ununterbrochener Linie symbolisch gekennzeichnete Wandung 39, entlang der das zu verdampfende Speisewasser 17 abläuft.
Die Verdampfungsleitungsanordnung 29 wird über den Lufteingang 18 bei 33, also unten mit komprimierter Frischluft 6 bzw. 19 versorgt, wodurch die Rohre 30 in ihrem Inneren mit der Frischluft beaufschlagt werden. Dementsprechend ist auch das an der genannten Wandung 39 ablaufende Speisewasser mit der Frischluft beaufschlagt.
Zur Versorgung des Rieselfilm- oder Dünnfilmverdampfers 14 mit komprimierter Frischluft 6 wird ein Teilstrom 38 der Frischluft 6 nach dem Verdichter 2 abgezweigt. Ebenso ist es möglich, die für die Verdampfung benötigte Frischluft an einer anderen Stelle des Verdichters 2 abzuzweigen.
In der hier gezeigten Ausführungsform ist außerdem ein erster Wärmetauscher 34 vorgesehen, der bezüglich der abgezweigten, komprimierten Frischluft 38 stromauf des Lufteingangs 18 und bezüglich des Speisewassers stromauf des Wassereingangs 16 angeordnet ist. Dieser erste Wärmetauscher 34 wird somit einerseits vom Speisewasser und andererseits von der komprimierten Frischluft 38 durchströmt. Hierdurch wird das Speisewasser vorgewärmt, während die komprimierte Frischluft abgekühlt wird; die abgekühlte Frischluft ist hier mit 19 bezeichnet.
Entsprechend der hier gezeigten speziellen Ausführungsform ist in das Gehäuse 15 des Rieselfilm- oder Dünnfilmverdampfers 14 ein zweiter Wärmetauscher 35 integriert, der einerseits vom Speisewasser durchströmt und andererseits mit den Abgasen der Gasturbine 10 beaufschlagt ist. Dieser zweiter Wärmetauscher 35 ist dabei bezüglich der Abgase stromab des Rieselfilm- oder Dünnfilmverdampfers 14 und bezüglich des Speisewassers stromauf des ersten Wärmetauschers 34 bzw. stromauf des Wassereingangs 16 angeordnet.
Darüber hinaus ist im Gehäuse 15 des Rieselfilm- oder Dünnfilmverdampfers 14 ein dritter Wärmetauscher 36 angeordnet, der einerseits von einem Wasserdampf-Luft-Gemisch 37 durchströmt wird, das aus dem Verdampferabschnitt 31 der Verdampfungsleitungsanordnung 29 austritt. Andererseits ist dieser dritte Wärmetauscher 36 mit den heißen Abgasen 12 beaufschlagt. Hinsichtlich der Abgase ist dieser dritte Wärmetauscher 36 somit stromauf des Verdampferabschnitts 31 der Verdampfungsleitungsanordnung 29 angeordnet, während er hinsichtlich des Wasserdampf-Luft-Gemischs 37 zwischen dem Verdampferabschnitt 31 und dem Dampf-Luft-Gemisch-Ausgang 21, also stromauf der Gasturbine 10, angeordnet ist. Die Verdampfungsleitungsanordnung 29 bildet mit ihrem Verdampferabschnitt 31 innen eine Verdampfungseinrichtung, während sie außen eine Abgaswärme-Rückgewinnungseinrichtung bildet, die außerdem durch den zweiten Wärmetauscher 35 und/oder den dritten Wärmetauscher 36 ergänzt sein kann.
Durch die gewählte Anordnung beaufschlagt die Frischluft 19 das entlang der durch die Innenseite der Rohre 30 gebildete Verdampferwandung 39 ablaufende Speisewasser 17 nach dem Gegenstromprinzip. In entsprechender Weise beaufschlagen die Frischluft 19 und das heiße Abgas 12 im Gehäuse 15 die Rohre 30 nach dem Gegenstromprinzip. Ebenso werden der erste Wärmetauscher 34, der zweite Wärmetauscher 35 und der dritte Wärmetauscher 36 nach dem Gegenstromprinzip durchströmt.
Erfindungsgemäß wird die Gasturbinenanlage 1 wie folgt betrieben:
Im Betrieb der Gasturbinenanlage 1 komprimiert der Verdichter 2 Frischluft 6, von welcher der mit 38 bezeichnete Anteil dem ersten Wärmetauscher 34 zugeführt wird. Nach dem ersten Wärmetauscher 34 wird die komprimierte und abgekühlte Frischluft 19 über den Lufteingang 18 der Verdampfungsleitungsanordnung 29 zugeführt, in der sie sich mit dem darin verdampfenden Speisewasser vermischt, wobei die Frischluft 19 außerdem den Transport des mit 37 bezeichneten Wasserdampf-Luft-Gemischs aus der Verdampfungsleitungsanordnung 29 gewährleistet.
Am Abgaseingang 20 treten die heißen Abgase 12 in das Gehäuse 15 ein und beaufschlagen zunächst den dritten Wärmetauscher 36 und bewirken darin eine Überhitzung des Wasserdampf-Luft-Gemischs 37, wodurch das gewünschte überhitzte Wasserdampf-Luft-Gemisch 22 entsteht. Nach dem dritten Wärmetauscher 36 umströmen die noch immer heißen Abgase die Rohre 30 an deren Außenseiten. Das bedeutet, dass die vorstehend genannte Verdampferwandung 39, an der innen das Speisewasser entlang abfließt, außen mit dem noch immer heißen Abgas beaufschlagt wird. Da die Rohre 30 vorzugsweise aus einem relativ gut wärmeleitenden Material, z. B. Stahl, hergestellt sind, ergibt sich dabei ein relativ intensiver Wärmeübergang, bei dem sich einerseits die Abgase relativ stark abkühlen, während andererseits eine intensive Verdampfung des Speisewassers erreicht wird. Stromab dieses Verfdampferabschnitts 31 beaufschlagen die noch immer relativ warmen Abgase den zweiten Wärmetauscher 35 und bewirken darin eine erste Vorwärmung des Speisewassers. Am Abgasausgang 23 treten dann die relativ weit abgekühlten Abgase 24 aus dem Gehäuse 15 aus.
Am Zusatzeingang 25 wird relativ kühles Speisewasser 26 in das Gehäuse 15 bzw. in den zweiten Wärmetauscher 35 eingeleitet, in dem die bereits oben genannte erste Vorwärmung des Speisewassers stattfindet. Das insoweit vorgewärmte Speisewasser 28 tritt am Zusatzausgang 27 wieder aus dem Gehäuse 15 aus und gelangt in den ersten Wärmetauscher 34. Dort erfolgt eine zweite Vorwärmung des Speisewassers, bevor es am Wassereingang 16 in das Gehäuse 15 bzw. in den Verdampferabschnitt 31 der Verdampfungsleitungsanordnung 29 eintritt. In diesem Verdampferabschnitt 31 findet dann die Rieselfilm- oder Dünnfilmverdampfung statt, wobei sich das verdampfte Speisewasser mit der bei 33 eingeleiteten Frischluft vermischt. Um eine intensive Durchmischung zu erhalten, können nicht näher beschriebene Turbolatoren oder dergleichen eingesetzt werden. Ebenso kann es vorteilhaft sein, das Speisewasser tangential in die einzelnen Rohre 30 einzuleiten, um beispielsweise eine schraubenförmige Strömung zu erhalten.
Das im Verdampferabschnitt 31 gebildete Speisewasserdampf-Frischluft-Gemisch 37 gelangt dann in den dritten Wärmetauscher 36, in dem die oben geschilderte Überhitzung des Wasserdampf-Luft-Gemischs erfolgt. Das überhitzte Wasserdampf-Luft-Gemisch 22 kann dann stromauf der Brennkammer 7 in den Hauptstrom der komprimierten Frischluft 6 rückgeführt werden.
Durch die Rieselfilm- oder Dünnfilmverdampfung im Verdampferabschnitt 31 wird eine intensive Wärmerückgewinnung aus den Turbinenabgasen erreicht, wodurch sich der Wirkungsgrad der Gesamtanlage 1 erhöht. Desweiteren führt auch die Integration des zweiten Wärmetauschers 35 und des dritten Wärmetauschers 36 in das Gehäuse 15 des Rieselfilm- oder Dünnfilmverdampfers 14 zu einer Erhöhung des Gesamtwirkungsgrads, wobei außerdem eine besonders kompakte Bauweise erreicht wird.
Bezugszeichenliste
1
Gasturbinenanlage
2
Verdichter
3
Eingang von 2
4
unkomprimierte Frischluft
5
Ausgang von 2
6
komprimierte Frischluft
7
Brennkammer
8
komprimiertes, heißes Abgas
9
Eingang von 10
10
Gasturbine
11
Ausgang von 10
12
entspanntes, heißes Abgas
13
Generator
14
Rieselfilm- oder Dünnfilmverdampfer
15
Gehäuse von 14
16
Wassereingang von 15
17
Speisewasser, zweifach vorgewärmt
18
Lufteingang von 15
19
gekühlte komprimierte Frischluft
20
Abgaseingang von 15
21
Dampf-Luft-Gemisch-Ausgang von 15
22
überhitztes Wasserdampf-Luft-Gemisch
23
Abgasausgang von 15
24
gekühltes Abgas
25
Zusatzeingang von 15
26
ungewärmtes Speisewasser
27
Zusatzausgang von 15
28
Speisewasser, einfach vorgewärmt
29
Verdampfungsleitungsanordnung
30
Rohr
31
Verdampferabschnitt
32
Eingang von 29 für 17
33
Eingang von 29 für 19
34
erster Wärmetauscher
35
zweiter Wärmetauscher
36
dritter Wärmertauscher
37
Wasserdampf-Luft-Gemisch
38
abgezweigte, komprimierte Frischluft
39
Verdampferwandung
40
Brennstoffzuführung

Claims (14)

  1. Verfahren zum Betrieb einer Gasturbinenanlage (1),
    bei dem nach oder aus einem Verdichter (2) komprimierte Frischluft (6, 19, 38) abgezweigt und einer Verdampfereinrichtung (14) zugeführt wird,
    bei dem zur Erzeugung eines Wasserdampf-Luft-Gemischs (22, 37) in der Verdampfereinrichtung (14) unter Wärmezuführung Speisewasser (17) verdampft und mit der Frischluft (6, 19, 38) vermischt wird,
    bei dem das Wasserdampf-Luft-Gemisch (22, 37) stromauf einer Gasturbine (10) rückgeführt wird,
    bei dem die für die Verdampfung des Speisewassers (17, 26, 28) benötigte Wärme zumindest teilweise einem Abgas (12) der Gasturbine (10) entzogen wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Speisewasser (17, 26, 28) entlang einer mit dem Abgas (12) beheizten Wandung (39) abläuft und mit der Frischluft (6, 19, 38) beaufschlagt wird, wobei das Speisewasser (17, 26, 28) verdampft und sich mit der Frischluft (6, 19, 38) vermischt und ein Wasserdampf-Luft-Gemisch (22, 37) bildet, das zumindest teilweise der Gasturbinenanlage zugeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Frischluft (6, 19, 38) und das Abgas (12) die Wandung (39) nach dem Gegenstromprinzip beaufschlagen.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Speisewasser (17, 26, 28) stromauf der Wandung (39) in einem ersten Wärmetauscher (34) vorgewärmt wird, der mit der Frischluft (6, 38) beaufschlagt wird, bevor diese die Wandung (39) beaufschlagt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Speisewasser (17, 26, 28) stromauf der Wandung (39) und insbesondere stromauf des ersten Wärmetauschers (34) in einem zweiten Wärmetauscher (35) vorgewärmt wird, der mit dem Abgas (12) beaufschlagt wird, nachdem dieses die Wandung (39) erhitzt hat.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Wasserdampf-Luft-Gemisch (22, 37) stromab der Wandung (39) in einem dritten Wärmetauscher (36) überhitzt wird, der mit dem Abgas (12) beaufschlagt wird, bevor dieses die Wandung (39) erhitzt.
  6. Gasturbinenanlage, umfassend eine Gasturbine (10) mit Wasserdampf-Luft-Einspeisung, eine Einrichtung (29, 35, 36) zur Wärmerückgewinnung aus dem Abgas (12) der Gasturbine (10), eine Verdampfereinrichtung (29, 31) zur Erzeugung eines Wasserdampf-Luft-Gemisches (37), einen Verdichter (2) zur Erzeugung komprimierter Frischluft (6, 19, 38), wobei die Verdampfereinrichtung (29, 31) mit Speisewasser (17, 26, 28), komprimierter Frischluft (6, 19, 38) aus dem Verdichter (2) und Wärme aus dem Abgas (12) versorgt wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Wärmerückgewinn und die Verdampfereinrichtung eine Einheit bilden, die als Rieselfilm- oder Dünnfilmverdampfer (14) ausgebildet ist, der einen Wassereingang (16) für das Speisewasser (17), einen Lufteingang (18) für die Frischluft (19, 38), einen Abgaseingang (20) für das heiße Abgas (12), einen Abgasausgang (23) für das kalte Abgas (24), einen Dampf-Luft-Gemisch-Ausgang (21) für das heiße Wasserdampf-Luft-Gemisch (22, 37) und eine Verdampferwandung (39) aufweist, entlang der auf der einen Seite das Speisewasser (17) abläuft und mit der Frischluft (19, 38) beaufschlagt ist, und die auf der anderen Seite mit dem Abgas (12) beaufschlagt ist.
  7. Gasturbinenanlage nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Rieselfilm- oder Dünnfilmverdampfer (14) ein Gehäuse (15) aufweist, in dem eine Verdampfungsleitungsanordnung (29) untergebracht ist, die in einem Verdampferabschnitt (31) die Wandung (39) aufweist oder bildet, wobei das Abgas (12) innerhalb des Gehäuses (15) die Verdampfungsleitungsanordnung (29) von außen beaufschlagt, wobei das Speisewasser (17) im Verdampferabschnitt (31) im Inneren der Verdampfungsleitungsanordnung (29) entlang der Wandung (39) abläuft und mit der Frischluft (6) beaufschlagt ist.
  8. Gasturbinenanlage nach Anspruch 6 oder 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass Lufteingang (18) und Dampfausgang (21) sowie Abgaseingang (20) und Abgasausgang (23) so angeordnet sind, dass der Rieselfilm- oder Dünnfilmverdampfer (14) nach dem Gegenstromprinzip durchströmbar ist.
  9. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Wärmetauscher (34) vorgesehen ist, der einerseits vom Speisewasser (26, 28) stromauf der Wandung (39) und andererseits von der Frischluft (6, 38) stromauf der Wandung (39) durchströmbar ist.
  10. Gasturbinenanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Wärmetauscher (35) vorgesehen ist, der einerseits vom Speisewasser (26) stromauf der Wandung (39), insbesondere stromauf des ersten Wärmetauschers (34), und andererseits vom Abgas (12) stromab der Wandung (39) durchströmbar ist.
  11. Gasturbinenanordnung nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wärmetauscher (35) in den Rieselfilm- oder Dünnfilmverdampfer (14), insbesondere in das Gehäuse (15), integriert ist.
  12. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 6 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass ein dritter Wärmetauscher (36) vorgesehen ist, der einerseits vom Wasserdampf-Luft-Gemisch (37) stromab der Wandung (39) und andererseits vom Abgas (12) stromauf der Wandung (39) durchströmbar ist.
  13. Gasturbinenanlage nach Anspruch 12,
    dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Wärmetauscher (36) in den Rieselfilm- oder Dünnfilmverdampfer (14), insbesondere in das Gehäuse (15), integriert ist.
  14. Verwendung eines Rieselfilm- oder Dünnfilmverdampfers (14), bei dem ein flüssiges Medium (17, 26, 28) entlang einer beheizten Wandung (39) abläuft und mit einem gasförmigen Medium (6, 19, 38) beaufschlagt wird, wobei das flüssige Medium (17, 26, 28) verdampft, mit dem gasförmigen Medium (6, 19, 38) vermischt und abgeführt wird, zur Rückgewinnung von Wärme aus einem Abgas (12) einer Gasturbine (10) mit Wasserdampfeinspeisung, wobei das Abgas (12) zum Beheizen der Wandung (39) dient, wobei das flüssige Medium durch Speisewasser (17, 26, 28) gebildet ist, wobei das gasförmige Medium durch in einem Verdichter (2) komprimierte Frischluft (6, 19, 38) gebildet ist und wobei das verdampfte und mit der Frischluft (6, 19, 38) vermischte Speisewasser (17, 26, 28) das Wasserdampf-Luft-Gemisch (22, 37) für die Einspeisung bildet.
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