EP1275820B1 - Gasturbinenanlage sowie ein zugehöriges Betriebsverfahren - Google Patents

Gasturbinenanlage sowie ein zugehöriges Betriebsverfahren Download PDF

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EP1275820B1
EP1275820B1 EP02405518A EP02405518A EP1275820B1 EP 1275820 B1 EP1275820 B1 EP 1275820B1 EP 02405518 A EP02405518 A EP 02405518A EP 02405518 A EP02405518 A EP 02405518A EP 1275820 B1 EP1275820 B1 EP 1275820B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
exhaust gas
gas turbine
fresh air
feed water
wall arrangement
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP02405518A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1275820A1 (de
Inventor
Klaus DÖBBELING
Hans-Erik Hansson
Dieter Winkler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Electric Technology GmbH
Original Assignee
Alstom Technology AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Alstom Technology AG filed Critical Alstom Technology AG
Publication of EP1275820A1 publication Critical patent/EP1275820A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1275820B1 publication Critical patent/EP1275820B1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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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 plant having the features of the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to a gas turbine plant having the features of the preamble of claim 6.
  • the invention further relates to a use of a trickle film or thin film evaporator.
  • a gas turbine plant which comprises a gas turbine with steam injection, a plurality of heat exchangers for heat recovery from the exhaust gas of the gas turbine, an evaporator or humidifier for generating the water vapor and a compressor for generating compressed fresh air. Compressed fresh air is taken from the compressor and fed to the humidifier via several heat exchangers.
  • This moistening device is also supplied with heated feed water, which evaporates and forms a water vapor-air mixture together with the compressed fresh air. This water vapor-air mixture is recycled via one or more heat exchangers and fed upstream of the gas turbine, in particular upstream of the associated combustion chamber.
  • the heating of the feedwater and the overheating of the water vapor-air mixture carried out in heat exchangers, which are acted upon by the exhaust gas of the gas turbine.
  • These heat exchangers form a Device for recovering heat from the exhaust gas.
  • the exhaust gas can also be used for preheating the feedwater in another heat exchanger. The overall efficiency of such a gas turbine plant depends in particular on how much heat energy can be withdrawn from the exhaust gas leaving the gas turbine.
  • a device is known with the aid of which a liquid fuel is treated by means of a purge gas so as to equalize the liquid fuel with respect to the volumetric calorific value of a gaseous fuel.
  • This device contains for this purpose an evaporator tube, which consists of a good heat conducting material and cooperates with a heater.
  • the liquid fuel is introduced into the top of the evaporator tube so that it runs along the inner surface of the evaporator tube and thereby forms a relatively thin film. By heating the evaporator tube of the fuel film can easily evaporate.
  • the purge gas is introduced into the evaporator tube from below, so that it mixes with the fuel vapor; at the same time the fuel is transported away. In this way, the density of the fuel-purge gas mixture is adjusted so as to give the desired volumetric calorific value.
  • Such a device may also be referred to as a "trickle-film or thin-film evaporator”.
  • the invention deals with the problem of specifying for a gas turbine plant and for an associated operating method of the type mentioned an embodiment which allows for the gas turbine plant increased overall efficiency.
  • this problem is solved by a method having the features of claim 1 and by a gas turbine plant having the features of Claim 6 solved.
  • the problem underlying the invention is also achieved by use with the features of claim 14.
  • Advantageous embodiments are given in the dependent claims.
  • the inventive use of a trickle-film or thin-film evaporation during evaporation of the feed water more heat can be removed from the exhaust gas of the gas turbine than in a conventional feed water evaporation. In this way, the overall efficiency of the system can be increased.
  • the intensive cooling effect of falling film or thin film evaporation is based, in particular, on the high heat transfer between the wall and the feed water and on the direct contact of the wall with the feed water running along it.
  • An improvement of the evaporation effect can be achieved in that the fresh air and the exhaust gas act on the wall, where the feed water drains, according to the countercurrent principle.
  • a further improvement of the evaporation performance can be achieved by preheating the feed water before it evaporates.
  • the feed water in a first heat exchanger with the compressed in the compressor and thereby heated fresh air are in heat exchange.
  • the feed water can be in heat-transmitting connection via a second heat exchanger with the exhaust gas, which has already cooled by the trickle film or thin film evaporation.
  • At least one of said heat exchangers can form an integral unit with the falling film or thin film evaporator, whereby line losses can be avoided.
  • FIGURE 1 shows a greatly simplified schematic representation of a gas turbine plant according to the invention.
  • a gas turbine installation 1 has a compressor 2, the inlet 3 of which is supplied with fresh air 4, e.g. B. from the environment is supplied.
  • the compressor 2 compresses the fresh air, so that at an output 5 of the compressor 2 compressed fresh air 6 exits.
  • the majority of the compressed fresh air 6 is supplied to a combustion chamber 7 of the gas turbine plant 1, in which combustion of a conventional fuel 40, in particular natural gas, is carried out in a conventional manner.
  • a gas turbine 10 of the gas turbine plant 1 hot and highly compressed exhaust gases 8, which are fed to an input 9 of a gas turbine 10 of the gas turbine plant 1.
  • these exhaust gases are expanded, so that at an output 11 of the gas turbine 10 relaxed, hot exhaust gases 12 exit.
  • the energy released in the gas turbine 10 is substantially used to drive the compressor 2 and to drive a Consumer, in particular a power generating generator 13, used.
  • the gas turbine plant 1 is also equipped with a trickle film or thin film evaporator 14, which forms an integral unit of an evaporation device and an exhaust heat recovery device.
  • the falling-film or thin-film evaporator 14 has a housing 15 which has a water inlet 16 for feedwater 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 superheated steam Water vapor-air mixture 22, an exhaust outlet 23 for cooled exhaust gas 24, an additional input 25 for preheated feed water 26 and an additional output 27 for preheated feedwater 28 has.
  • the housing 15 includes an evaporation line assembly 29, which is formed for example from a plurality of parallel to each other extending tubes 30 and is arranged in a marked by a brace 31 evaporator section of the housing 15.
  • the evaporation line assembly 29 is supplied at the upper end of the individual tubes 30 at 32 via the water inlet 16 with the feed water 17 to be evaporated.
  • the feedwater 17 is guided so that it runs in the interior of the tubes 30 on the wall surfaces and forms a film thereon, which may be in particular thinner than 1 mm.
  • the tubes 30 and the evaporation line arrangement 29 thus contain in the evaporator section 31 a wall 39 which is symbolically marked with a continuous line and along which the feed water 17 to be evaporated runs.
  • the evaporation line assembly 29 is supplied via the air inlet 18 at 33, so below with compressed fresh air 6 and 19, whereby the tubes 30 are acted upon in their interior with the fresh air. Accordingly, the running of said wall 39 feed water is supplied with the fresh air.
  • a partial stream 38 of the fresh air 6 is branched off after the compressor 2. It is also possible to divert the fresh air required for the evaporation at another point of the compressor 2.
  • a first heat exchanger 34 is also provided, which is arranged upstream of the air inlet 18 with respect to the branched, compressed fresh air 38 and upstream of the water inlet 16 with respect to the feed water.
  • This first heat exchanger 34 is thus traversed on the one hand by the feed water and on the other hand by the compressed fresh air 38.
  • the feed water is preheated while the compressed fresh air is cooled; the cooled fresh air is designated 19 here.
  • a second heat exchanger 35 is integrated in the housing 15 of the falling film or thin film evaporator 14, which flows through the feed water on the one hand and on the other hand is acted upon by the exhaust gases of the gas turbine 10.
  • This second heat exchanger 35 is arranged downstream of the falling-film or thin-film evaporator 14 with respect to the exhaust gases and upstream of the first heat exchanger 34 or upstream of the water inlet 16 with respect to the feed water.
  • a third heat exchanger 36 is disposed in the housing 15 of the falling film or thin film evaporator 14, which is traversed on the one hand by a water vapor-air mixture 37, which emerges from the evaporator section 31 of the evaporation line 29.
  • this third heat exchanger 36 is acted upon by the hot exhaust gases 12.
  • this third heat exchanger 36 is thus arranged upstream of the evaporator section 31 of the evaporation line arrangement 29, while it is arranged with respect to the water vapor-air mixture 37 between the evaporator section 31 and the steam-air mixture outlet 21, ie upstream of the gas turbine 10 is.
  • the Vapor line assembly 29 forms with its evaporator section 31 inside an evaporator, while externally forms an exhaust heat recovery device, which can also be supplemented by the second heat exchanger 35 and / or the third heat exchanger 36.
  • the fresh air 19 acts on the feed water 17 running along the evaporator wall 39 formed by the inside of the tubes 30 in the counterflow principle.
  • the tubes 30 act on the fresh air 19 and the hot exhaust gas 12 in the housing 15, the tubes 30 according to the countercurrent principle.
  • the first heat exchanger 34, the second heat exchanger 35 and the third heat exchanger 36 flows through the countercurrent principle.
  • the gas turbine plant 1 is operated as follows:
  • the compressor 2 compresses fresh air 6, of which the fraction denoted by 38 is supplied to the first heat exchanger 34.
  • the compressed and cooled fresh air 19 is supplied via the air inlet 18 of the evaporation line 29, in which it mixes with the feed water evaporating therein, the fresh air 19 also the transport of the designated water vapor-air mixture from the Evaporating line arrangement 29 ensures.
  • the hot exhaust gases 12 enter the housing 15 and initially act on the third heat exchanger 36 and cause it to overheat the water vapor-air mixture 37, whereby the desired superheated steam-air mixture 22 is formed.
  • the still hot exhaust gases flow around the tubes 30 on their outer sides. This means that the above-mentioned evaporator wall 39, at the inside of the feed water flows along, outside is applied to the still hot exhaust gas.
  • the pipes 30 preferably made of a relatively good heat conducting material, for. As steel, are produced, this results in a relatively intense heat transfer, in which on the one hand, the exhaust gases cool relatively strong, while on the other hand, an intensive evaporation of the feed water is achieved.
  • Downstream of this Verfdampferabitess 31 act on the still relatively warm exhaust gases, the second heat exchanger 35 and cause a first preheating of the feedwater.
  • the exhaust outlet 23 then exit the relatively far cooled exhaust gases 24 from the housing 15.
  • feed water 26 is introduced into the housing 15 or into the second heat exchanger 35, in which the already mentioned first preheating of the feedwater takes place.
  • the so far preheated feedwater 28 exits at the additional output 27 again from the housing 15 and enters the first heat exchanger 34.
  • a second preheating of the feedwater takes place before it enters the housing 15 or in the evaporator section 31 of the evaporation line 29 at the water inlet 16 , In this evaporator section 31 then the trickle film or thin film evaporation takes place, with the evaporated feed water mixed with the fresh air introduced at 33.
  • turbochargers or the like which are not described in more detail can be used. It may also be advantageous to introduce the feed water tangentially into the individual tubes 30, for example, to obtain a helical flow.
  • the feedwater fresh air mixture 37 formed in the evaporator section 31 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 be recycled upstream of the combustion chamber 7 into the main flow of the compressed fresh air 6.
  • the trickle-film or thin-film evaporation in the evaporator section 31 achieves intensive heat recovery from the turbine exhaust gases, whereby the efficiency of the entire system 1 increases. Furthermore, the integration of the second heat exchanger 35 and the third heat exchanger 36 in the housing 15 of the falling film or thin film evaporator 14 also leads to an increase in the overall efficiency, wherein in addition a particularly compact design is achieved.

Description

  • 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.
    • 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 Rieselfilm- oder 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 1 mm 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 AbgaswärmeRückgewinnungseinrichtung 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-FrischluftGemisch 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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