NL8600063A - Werkwijze voor het bedrijven van een centrale en inrichting voor het toepassen van deze werkwijze. - Google Patents

Description

* ΐ- ί * V.0.7568

Werkwijze voor het bedrijven van een centrale en inrichting voor het toepassen van deze werkwijze.

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze en een inrichting voor het bedrijven van een centrale door middel van een gecombineerd gasturbine-stoomturbineproces, waarbij de, aan de gasturbine toegevoerde lucht met behulp van warmte uit de stoomcentrale wordt verwarmd.

5 Set over een reeks jaren tegen een gunstige prijs ter beschikking staande aardgas heeft in verband met de verbrandingstechnische eigenschappen daarvan de ontwikkeling van zogenaamde gecombineerde blokken begunstigd, waarbij het proces volgens Joule met het proces volgens Clausius-fRankine is gekoppeld. Deze koppeling geschiedt zodanig, dat 10 het stoomcentraleproces aan een met aardgas gestookte gasturbine voorafgaat. De afvoergassen daarvan worden aan de stoomgenerator van het stoomcentraleproces toegevoerd en wekken daar uit de afvalwarmte van het gasturbineproces zonder een extra verbranding in de zich daarachter bevindende stoomgenerator de stoom voor het bijbehorende stoomcircuit 15. op. Zo kunnen de thermodynamische voordelen van de beide processen worden benut en de bezwaren daarvan worden vermeden. Daardoor verkrijgt men rendementen, welke hoger liggen dan die van de onder dezelfde omstandigheden bedreven niet-gekoppelde Joule-of Clausius-Rankine-proces-sen. De voor de beide processen vereiste energie wordt uitsluitend door 20 het verbranden van aardgas in de verbrandingskamer van de gasturbine opgewekt, terwijl de stoomgenerator van het stoomcentraleproces als afvalwarmteketel is uitgevoerd.

De bij de stoechiometrische verbranding van het gas in de verbrandingskamer van de gasturbine optredende maximale temperaturen over-25 schrijden de tot nu toe te beheersen gasturbinetoevoertemperaturen.

Een verlaging van de verbrandingstemperatuur van het gas-luchtmengsel hetzij door koelen van de verbrandingskamerwanden bij een gelijktijdige stoomopwekking of door een vergroting van. het luchtoverschot in de verbrandingskamer is derhalve niet te vermijden.

30 Wanneer deze verlaging van de verbrandingstemperatuur in de verbrandingskamer van de gasturbine door een overeenkomstig luchtover-

' ' A ί 7 -·? - v xJ J J

* ¢. -¾ -2- schot wordt bewerkstelligd, dan bevatten de afvoergassen van de gasturbine niet-gebonden zuurstof; hierdoor is het mogelijk in de zich achter de gasturbine bevindende stoomgenerator verdere brandstof te verbranden.

5 Bij deze extra verbranding kunnen de in de stookinrichting van de stoomgenerator optredende rookgastemperaturen boven de temperaturen van de afvoergassen van. de gasturbine worden verhoogd, hetgeen weer hogere stoomparameters voor het stoomcircuit en daardoor een beter rendement van het daarachter plaatsvindende stoomcentraleproces moge-10 lijk maakt.

Bij toenemende maximaal toelaatbare gasturbinetoevoertempera-tuur neemt echter het voor het verlagen van de verbrandingstemperatuur vereiste luchtoverschot af en daardoor ook het zuurstofgehalte in de afvoergassen van de gasturbine omdat de verbranding in de verbrandings-15 kamer van de gasturbine de stoechiometrische waarden nadert. Echter wordt in dezelfde mate ook de mogelijkheid gereduceerd in de zich daarachter bevindende stoomgenerator met de afvoergassen van de gasturbine extra brandstof toe te passen om op deze wijze de rookgastemperatuur boven de temperatuur van de afvoergassen van de gasturbine te kunnen 20 verhogen.

De in de laatste tijd stijgende aardgasprijzen zijn aanleiding voor een ontwikkeling, die de stroomopwekking in thermische centrales naast de kernenergie weer richt op de steenkool als primaire energiedrager, waarbij de voordelen van de met gas verwarmde gecombineerde 25 blokken ook bij met steenkool verwarmde centrales op de wijze van gecombineerde gasturbine-stoomturbine-processen worden beoogd.

De uitvinding stelt zich ten doel een werkwijze en een inrichting voor het bedrijven van een centrale van het bovenbeschreven type te verschaffen, waarbij een zo groot mogelijk aandeel van de vereiste 30 energie wordt verkregen door een direkte verbranding van steenkool en tegelijkertijd een verhoging van het rendement van het gecombineerde proces wordt verkregen.

De oplossing van dit probleem berust op de gedachte uit het gasturbinecircuit en het stoomturbinecircuit warmte af te nemen en aan 35 het andere circuit steeds daar toe te voeren waar de warmte ten gevolge van het temperatuurniveau daarvan een verbetering van de totale instal- f re 0 0 6 3 ï i -3- latie en een reductie van de vereiste hoeveelheid gas van de gasturbine-installatie bewerkstelligt.

Meer gedetailleerd wordt dit probleem volgens de uitvinding in eerste instantie opgelost door het gebruik van een bij geringe drukken 5 tot hoge temperaturen vloeibare warmtedrager in een met de rookgassen van de stoomcentrale in aanraking komende warmte-uitwisselaar en/of door stoom uit de stoomcentrale voor he.t verwarmen van de aan de gasturbine en/of de stookinrichting van de stoomcentrale toegevoerde lucht. Voorts wordt het probleem ook opgelost eventueel in combinatie met de 10 bovengenoemde oplossing, door het gebruik van een bij lage drukken tot hoge temperaturen vloeibare warmtedrager in een met de rookgassen van de stoomcentrale in aanraking komende warmte-uitwisselaar en/of door stoom uit de stoomcentrale voor het voorverwarmen van het aan de gasturbine toegevoerde verbrandingsgas. Tenslotte wordt het probleem ook 15 nog opgelost, eventueel in combinatie met de bovenstaande oplossingen, door het gebruik van een bij lage drukken tot hoge temperaturen vloeibare warmtedrager in een met de afvoergassen van de gasturbine in aanraking komende warmte-uitwisselaar voor het verwarmen van de aan de gasturbine en/of de oveninrichting van de stoomcentrale toegevoerde 20 lucht en/of het voorverwarmen van het aan de gasturbine toegëvoerde verbrandingsgas.

Door het gebruik van een bij lage drukken tot hoge temperaturen vloeibare warmtedrager kan warmte met hoge temperatuur uit het rookgas van de stoomcentrale worden afgevoerd. Deze warmte dient ertoe de voor 25 het bedrijven van de gasturbine vereiste lucht en/of het verbrandingsgas tot een hoge temperatuur voor te verwarmen. De daartoe vereiste hoeveelheid warmte behoeft derhalve niet aan het circuit van de gasturbine, dat wil zeggen aan de verbrandingskamer door verbranding van gas, te worden toegevoerd, doch wordt door de verbranding van steenkool 30 in de oveninrichting van de stoomcentrale gewonnen.

Hetzelfde geldt wanneer stoom uit de stoomcentrale ertoe dient warmte uit de stoomcentrale aan het gasturbinecircuit toe te voeren.

In dit geval liggen de temperaturen echter lager, zodat de stoom als warmtedrager bij voorkeur in een eerste trap van een voorverwarming met 35 een aantal trappen van de lucht en het verbrandingsgas wordt toegepast, λ *} \

? 'S

-4- terwijl in de tweede trap gebruik wordt gemaakt van de bij lage drukken tot hoge temperaturen vloeibare warmtedrager.

De met behulp van de damp en de rookgassen uit de stoomcentrale afgevoerde hoeveelheid warmte kan zo groot worden, dat een extra warmte-5 toevoer uit de verbranding van het verbrandingsgas in de verbrandings- kamer niet meer nodig is en de gasturbine als een echte luchtturbine werkt.

Voorts is het mogelijk het gecombineerde proces slechts uit te voeren met een warmte-afvoer uit de rookgassen van de stoomgenerator.

Bij voorkeur wordt als een bij lage drukken tot hoge tempera-10 turen vloeibare warmtedrager natrium gebruikt. Aangezien natrium bij ongeveer 100°C vloeibaar wordt en pas bij de omgevingsdruk bij ongeveer 890°C verdampt, kan natrium warmte binnen dit temperatuurgebied in een tot wrijvingsverliezen drukloos circuit overdragen zonder dat een faseverandering plaatsvindt. Daarboven neemt de verzadigingstempe-15 ratuur van het natrium bij toenemende druk steil toe, zodat het natrium ook warmte met veel hogere temperaturen bij een relatief lage druk in vloeibare toestand kan overdragen (b.v. 1000°C bij een verzadigings-druk van ca. 2,7 bar). De andere materiaaleigenschappen van het natrium, zoals de grote warmtegeleiding daarvan, de grote warmtecapaciteit daar-20 van en geringe viscositeit daarvan, maken natrium bijzonder geschikt warmte naar en uit gasstromen over te dragen, waarbij de drukverliezen van de warmte-uitwisseling in de gasstromen klein worden gehouden en lange kanalen resp. leidingen, die gas met een hoge temperatuur voeren, kunnen worden vermeden. Naast natrium zijn als warmtedragers kalium, 25 een eutectische legering van kalium en natrium, kwik en verschillende zouten geschikt.

Door de sterke voorverwarming van de aan de gasturbine toegevoerde lucht en het verbrandingsgas wordt het vereiste luchtoverschot in de verbrandingskamer en daardoor het zuurstofgehalte in de afvoer-30 gassen van de gasturbine vergroot. Derhalve kan ten minste een deel van de zuurstof bevattende afvoergassen van de gasturbine aan de stookinrichting van de stoomcentrale worden toegevoerd.

Aangezien bovendien de temperatuur van het gasturbine-afvoer-gas niet door een warmte-afgifte aan de verbrandingslucht van de gas-35 turbine wordt verlaagd, verkrijgt men door de hogere temperatuur en tegelijkertijd met een hoger zuurstofgehalte in zijn totaal een meer gunstige verbranding in de stookinrichting van de stoomgenerator.

q p n Π ft -λ η

ύi, j ij y -J

% -5-

De zeer hoge temperaturen bij het voorverwarmen van de verbrandingslucht en het verbrandingsgas voor de gasturbine leiden derhalve tot een reductie van de vereiste hoeveelheid verbrandingsgassen en daardoor , indien dit verbrandingsgas door het vergassen van steenkool wordt 5 verkregen, tot geringere kosten voor de steenkoolvergassingsinstallatie evenals omgekeerd tot een groter brandstofaandeel, dat in de stookinrichting van de stoomgenerator wordt omgezet; de temperaturen leiden echter ook bij een bepaalde intreedtemperatuur in de gasturbine tot een groter luchtoverschot bij de verbranding in de verbrandingskamer 10 van de gasturbine, zodat een verbetering van de verbranding in de zich daarachter bevindende stoomgenerator optreedt.

In verband met het gebruik van een bij lage drukken tot hoge temperaturen vloeibare warmtedrager, meer in het bijzonder natrium, kunnen de warmte-uitwisselaarvlakken klein worden gehouden, waardoor de 15 installatiekosten laag blijven. Bovendien wordt op deze wijze warmte met hoge temperatuur over de in een centrale aanwezige grote afstand tussen de stoomcentrale en de gasturbinecentrale bij een geringe druk door leidingen met een kleine dwarsdoorsnede getransporteerd, welke leidingen gemakkelijk kunnen worden geïsoleerd, geen grote wanddikten 20 vereisen en waarvan de thermische uitzetting kan worden beheerst.

De natriumverwarmingsinrichting kan in de rookgasstroom van de stoomgenerator zodanig zijn opgesteld, dat deze voldoende is beveiligd tegen schadelijke invloeden vanuit de stookruimte, terwijl de stookruimte zelf door de watergekoelde wanden van de stoomgenerator wordt 25 beveiligd.

Wanneer men daarentegen warmte uit het rookgas van de stoomgenerator door een direkte warmte-uitwisseling naar de verbrandingslucht en/of het verbrandingsgas van de gasturbine wenst over te dragen, dan moet rookgas met een zeer hoge temperatuur in verband met het 30 volume daarvan in grote kanalen aan de direkt aan de verbrandingskamer voorafgaande luchtverhitter worden toegevoerd en van daaruit terug naar de rookgasstroom van de stoomgenerator worden getransporteerd. Daarbij doen zich problemen voor ten gevolge van de thermische uitzetting in de warm wordende kanalen met grote dwarsdoorsnede ten gevolge van de 35 vereiste thermische isolatie. Om de drukverliezen bij het heengaande en teruggaande transport van de rookgassen te elimineren, moet de . > * \ * λ S' ΐ -6- stoomgenerator raet overdruk worden bedreven. Het warmtetransport door middel van rookgas in de verbrandingslucht is derhalve oneconomisch.

Het transport van de verbrandingslucht voor de gasturbine over de in een gecombineerde centrale van de huidige grootte aanwezige a£-5 stand naar de warmte-uitwisselaar in de rookgasstroom van de stoomgenerator is in verband met de grote volumestromen nog minder economisch, meer in het bijzonder in verband met het daarbij optredende drukverlies in de verbrandingslucht en in verband met de grote kanaaldwarsdoorsnede. De kanalen worden derhalve niet slechts warm doch staan ook ook nog 10 onder de einddruk van de verdichter.

Ook wanneer het probleem van het gebruik van dergelijke kanalen oplosbaar zou zijn, dan bleven echter nog steeds wat volume betreft in het geheel niet onder te brengen kanalen over aangezien de kanalen met groot volume, die het afvoergas van de gasturbine naar de stookinrich-15 ting van de stoomgenera.tor voeren, de ter beschikking staande ruimte reeds vullen.

Om grote hoeveelheden warmte op een hoog temperatuurniveau (b.v. van meer dan 800°C) vanuit het rookgas van een stoomgenerator direkt naar de verbrandingslucht van de gasturbine over te dragen, is 20 derhalve technisch en economisch niet mogelijk doch wordt derhalve pas door het gebruik van een bij geringe drukken tot hoge temperaturen vloeibare warmtedrager, zoals natrium, mogelijk.

Bovendien verkrijgt men door het gebruik van natrium als warmtedrager de mogelijkheid zonder thermodynamische verliezen verse lucht 25 verwarmd aan de stookinrichting van de stoomgenerator toe te voeren wanneer een deelstroom van de afvoergassen uit de gasturbine ertoe dient warmte aan het natriumcircuit toe te voeren. Deze af gekoelde deelstroom van het afvoergas uit de gasturbine wordt dan langs de stookinrichting van de stoomgenerator naar de aan de schoorsteen vooraf-30 gaande rookgasreinigingsinstallaties toegevoerd, terwijl de in het natriumcircuit verwarmde verse lucht evenals de niet-afgekoelde deelstroom van het afvoergas uit de gasturbine aan de stookinrichting van de stoomgenerator worden toegevoerd. Het voorverwarmen van de lucht kan daarbij plaatsvinden tot zeer hoge temperaturen zonder dat een gro-35 te hoeveelheid warm wordende kanalen nodig is aangezien de luchtverhit-ter in het natriumcircuit direkt vóór de branders van de stookinrichting 8 0 Λ ^ -7- van de stoomgenerator kan zijn aangebracht.

Het voorgestelde circuit met natrium als warmtedrager biedt derhalve de mogelijkheid warmte uit de rookgasstroom van de stoomgenerator evenals uit de afvoergasstroom van de gasturbine bij een hoog 5 temperatuurniveau in verschillende punten van de gecombineerde centrale ter beschikking te stellen.

Tenslotte is het ook mogelijk warmte met een relatief laag temperatuurniveau uit het gasturbineproces af te nemen en aan de stoomcen-trale toe te voeren doordat de lucht en/of het verbrandingsgas voor het 10 gasturbineproces in een aantal trappen wordt verdicht en tenminste tussen twee trappen door middel van condensaat uit het stoomturbineproces weer wordt gekoeld. Dit condensaat wordt daarbij verwarmd en komt weer in het stoomturbinecircuit terug, zodat een deel van de uit te voeren verdichtingsarbeid in de vorm van warmte aan het stoomturbinecircuit 15 wordt toegevoerd.

Een inrichting voor het toepassen van de werkwijze volgens de uitvinding met een gasturbine-installatie, bestaande uit een verdichter, een door rookgassen verwarmde luchtvoorverwarmereneengasturbine,enmete€n eventueel de afvoergassen van de gasturbine als verbrandingslucht opnemen-20 de stoomcentrale, bestaande uit een stoomgenerator met een stookruimte en een stoomturbine omvat volgens de uitvinding ten minste een lucht-verhitter en/of gasverhitter waaraan een in een rookgaswarmte-uitwisse-laar verhitte, bij geringe drukken tot hoge temperaturen vloeibare warmtedrager kan worden toegevoerd.

25 Voorts kunnen ten minste êên luchtverhitter en/of een gasver hitter waaraan aftakstoom uit de stoomturbine wordt toegevoerd in de luchtleiding resp. de gasleiding zijn opgesteld, zodat men een in twee trappen verwarmen van de aan de gasturbine toegevoerde lucht en/of het verbrandingsgas verkrijgt.

30 .Op deze wijze dient een deel van de stoom, welke in het hoge- drukdeel van de stoomturbine reeds arbeid heeft verricht, ertoe de verbrandingslucht voor te verwarmen, waardoor het rendement van het totale proces op een soortgelijke wijze als door de regeneratieve voorverwar-ming bij het stoomcircuit wordt vergroot.

35 Om de verdichterarbeid gering te houden, is het van voordeel tussen afzonderlijke verdichtertrappen een tussenkoeler aan te brengen.

-· *· · ..· "-J ‘j J

y s -8-

Deze tussenkoeler wordt volgens de uitvinding door middel van condensaat uit het stoomturbineproces weer gekoeld, dat daarna als voedings-water naar de stoomcentrale wordt teruggevoerd. Op deze wijze kan de verdichtingswarmte ten minste gedeeltelijk voor het voorverwarmen van 5 het voedingswater worden gebruikt en derhalve worden teruggewonnen.

Onder*bepaalde omstandigheden kan het van voordeel zijn de afvoer-gassen van de gasturbine niet volledig in de stookruimte van de stoomgenerator te gebruiken doch een deel daarvan voor andere doeleinden af te leiden, echter toch de totale in de afvoergassen van de gasturbine 10 aanwezige warmte aan de stookruimte van de stoomgenerator toe te voeren. Dit geschiedt bij voorkeur met behulp Van een natriumverhitter in de rookgasstroom, een natriumverhitter in de af voer gas stroom van de gasturbine en een luchtverhitter waaraan het verhitte natrium wordt toegevoerd. De natriumverhitter waaraan de afvoergassen van de gasturbine 15 worden toegevoerd is voor dit doel opgesteld in een deelstroomleiding voor de afvoergassen van de gasturbine, welke in verbinding staat met een schoorsteen, terwijl een verdere deelstroomleiding voor niet gekoelde afvoergassen van de gasturbine met de stookruimte van de stoomgenerator is verbonden. Voorts is in het natriumcircuit een met de stook-20 ruimte van de stoomgenerator via een leiding verbonden luchtverhitter voor extra verbrandingslucht aanwezig.

De natriumverhitter in de afvoergasstroom van de gasturbine en de verhitte lucht aan de stookruimte van de stoomgenerator toevoerende luchtverhitter kunnen óf in een gesloten gescheiden circuit óf zodanig 25 zijn. aangebracht, dat aan de natriumverhitter in de afvoergasstroom van de gasturbine een deelstroom van het natrium wordt toegevoerd en de natriumverhitter met de natriumverhitter in de rookgasstroom in serie is verbonden en de luchtverhitter of gasverhitter in het natriumcircuit parallel zijn verbonden.

30 In tegenstelling met de vroeger voorgestelde warmtekrachtpro- cessen, welke bijvoorbeeld met kwik, difenyl of antimoonbromide als werkzaam medium moesten worden bedreven, wordt bij de hier voorgestelde methode het natrium slechts als warmtedrager gebruikt om warmte tussen de gebruikelijke bedrijfsmedia water (stoom) en lucht resp. gas te 35 transporteren.

v. y -J u ύ 3 -9-

De uitvinding zal hierna nader worden toegelicht onder verwijzing naar de tekening. Daarbij toont: fig. 1 het blokschema van een inrichting volgens de uitvinding; en 5 fig. 2 een temperatuur-entropiediagram van het gasturbineproces.

De verbrandingslucht voor een gasturbine 8 wordt door een ver-dichter 1 aangezogen. De toestand van de aangezogen verbrandingslucht is in fig. 2 aangegeven met a- In deze eerste verdichtertrap wordt de verbrandingslucht tot b verdicht, waarbij de lucht wordt verwarmd. De 10 in de eerste trap verdichte verbrandingslucht bereikt dan een luchtkoeler 2 waaraan condensaat uit het stoomturbinecircuit wordt toegevoerd en wordt onder afgifte van de hoeveelheid warmte Q4 overeenkomstig het vlak b, b', c', c aan het condensaat op de begintemperatuur resp. de toestand c teruggekoeld. In een verdichter 3 wordt de verbran-15 dingslucht onder verwarming tot d verdicht en bereikt de lucht een luchtverhitter 4 waaraan aftakstoom uit het stoomturbineproces wordt toegevoerd, in welke luchtverhitter aan de verbrandingslucht de hoeveelheid warmte Q^, overeenkomende met het oppervlak e, e', d', d wordt toegevoerd, waarbij de aftakstoom condenseert en de verbrandingslucht 20 tot de verzadigingsstoomtemperatuur van de stoom volgens e wordt verwarmd.

De hoeveelheid warmte Q_ komt overeen met een verwarmen van de 3 verdichte lucht van een temperatuur volgens d tot een temperatuur volgens e en behoeft derhalve niet meer aan de verbrandingskamer van de 25 gasturbine door het verbranden van gas te worden toegevoerd; de hoeveelheid warmte wordt veeleer van te voren door het verbranden in een stoomgenerator 9 geleverd, waardoor een verschuiving van de vereiste hoeveelheid brandstof in de zin van een reductie van het gasverbruik en een vergroting van het steenkoolverbruik optreedt.

30 De verdichte en voorverhitte verbrandingslucht stroomt door een verdere luchtverhitter 5, waaraan de lucht de hoeveelheid warmte overeenkomende met het oppervlak f, f1, e’, e wordt toegevoerd, zodat de verbrandingslucht de luchtverhitter 5 met een temperatuur volgens f verlaat.

35 De hoeveelheid Q>, die voor het verwarmen van de verdichte lucht van e naar f uit de stoomgenerator 9 wordt afgenomen, kan niet meer - ·, : , h o o -10- * r" f door aftakstoom worden overgedragen aangezien de temperatuur daarvan te laag is. In plaats daarvan wordt hier gebruik gemaakt van een bedrijf smedium, dat zeer veel hogere temperaturen mogelijk maakt. Natrium kan aangezien de kooktemperatuur daarvan bij omgevingsdruk ongeveer bij 5 890°C ligt en daarboven reeds bij geringe drukken steil toeneemt, zonder faseverandering warmte tot zeer hoge temperaturen aan de voor het gas-turbineproces verdichte lucht afgeven en de temperatuur daarvan dienovereenkomstig verhogen. De materiaaleigenschappen van het natrium maken het daarbij mogelijk de warmte uit de stoomgenerator naar het 10 gasturbinecircuit te transporteren en de kosten en verliezen bij de warmte-Qverdracht klein te houden. Vanuit de luchtverhitter 5 komt de verbrandingslucht via een luchtleiding 31 in een verbrandingskamer 7.

Het verbrandingsgas van de gasturbine 8 wordt parallel aan de verbrandingslucht eveneens in twee trappen door middel van verdichters 15 25, 27 en een daartussen aanwezige, eveneens met condensaat gekoelde gaskoeler 26 verdicht.

Condensaatpompen 18 voeren het condensaat vanuit een condensor 17 naar de luchtkoeler 2 en naar de gaskoeler 26 evenals vandaaruit naar een voedingswatervoorverwarmer 14.

20 Na de tweede verdichtingstrap komt het verbrandingsgas via een gasverhitter 28 waaraan condenserende aftakstoom wordt toegevoerd en een gasverhitter 6 waaraan vloeibaar natrium wordt toegevoerd, in een eveneens naar de verbrandingskamer 7 leidende verbrandingsleiding 30.

De stoom voor de luchtverhitter 4 en de verbrandingsgasverhitter 28 wordt 25 uit de eerste trap van een twee traps stoomturbine 11 afgenomen en via een ‘leiding 24 aan de luchtverhitter 4 en de verbrandingsgasverhitter 28 toegevoerd. Eventueel kan de aftakstoomvoorverwarming van lucht en verbrandingsgas ook in meer trappen plaatsvinden. Het condensaat komt uit de luchtverhitter 4 en de verbrandingsgasverhitter 28 door middel van de 30 condensaatpomp 43 via de leiding 42 in de voedingswaterleiding voor de voedingspomp 20.

In de verbrandingskamer 7 leidt de verbranding van het verbrandingsgas met de verdichte en de verwarmde verbrandingslucht tot een hoeveelheid warmte overeenkomende met het oppervlak g, g', f', f.

35 Daarbij neemt de temperatuur van de verbrandingsgassen tot g toe.

«Λ * r\ -7 , %: j \j 0 '3 -11-

De verbrandingsgassen bereiken dan via een afvoergasleiding 32 de gasturbine 8, waarin de gassen zich onder het verrichten van arbeid tot het punt h ontspannen en afkoelen. De gasturbine 8 drijft daarbij een generator 15 aan.

5 Indien nodig bereikt slechts een deel van de verbrandingsgassen uit de gasturbine 8 de stookruimte 23 van een stoomgenerator 9 via een afvoergasleiding 33, terwijl een verder deel van de verbrandingsgassen via een afvoergasleiding 34, een natriumverhitter 35 en een afvoergasleiding 36 een schoorsteen 29 bereikt. In de stookruimte 33 wordt via 10 poederkoolleidingen 44 toegevoerde steenkool verbrand.

Overeenkomstig de door de verwarming van de lucht en het verbrandingsgas vóór de verbranding in de verbrandingskamer 7 reeds bereikte hoge temperaturen overeenkomende met het punt f, moet de verbranding in de verbrandingskamer 7 bij een groot luchtoverschot plaatsvinden om · 15 de toelaatbare gasturbinetoevoertemperatuur niet te overschrijden. Dit luchtoverschot brengt een zuurstofoverschot in de afvoergassen van de gasturbine 8 met zich mede, welke met een temperatuur, overeenkomende met h als verbrandingslucht in de stookruimte 23 van de stoomgenerator 9 binnentreden.

20 Het zuurstofoverschot in de verbrandingsgassen van de gasturbine 8 is bij eenzelfde gasturbine-ingangstemperatuur des te groter naarmate de verdichte lucht en het verbrandingsgas sterker worden voorverwarmd. Een hoger zuurstofgehalte begunstigt echter weer de verbranding van de steenkolen in de stoomgenerator 9, maakt het mogelijk meer steenkool te 25 verbranden en daarbij een grotere hoeveelheid minder hoogwaardige, onder bepaalde omstandigheden voor een vergassing slecht geschikte steenkool te gebruiken.

Aan de stookruimte 23 van de stoomgenerator 9 wordt dientege-volge met de verbrandingslucht uit de gasturbine 8 een hoeveelheid 30 warmte Qs overeenkomende met het oppervlak h, h*, a', a en met de steenkool via de poederkoolleidingen 44 een hoeveelheid warmte Qg toegevoerd. Hiervan wordt een deel, namelijk de hoeveelheid warmte Q^, via een rook-gaswarmte-uitwisselaar 10 aan het natriumcircuit 19 en derhalve aan de luchtverhitter 5, evenals een hoeveelheid warmte Q' via de warmte-35 uitwisselaar 10 en het natriumcircuit 19 aan de verbrandingsgasverhitter 6 toegevoerd. De uit een hoogwaardig materiaal bestaande rookgaswarmte- ·’ ; j 0 -12- uitwisselaar resp. natriumverhitter 10 bevindt zich bij voorkeur in een gunstig punt, bijvoorbeeld als raakverwarmingsvlak in de stookruimte 23 van de stoomverhitter 9, terwijl de wanden van de stookruimte 23 evenals bij de gebruikelijke stoomgeneratoren met water worden ge-5 koeld. Op deze wijze kunnen warmte-overdrachts- en stookproblemen zoals drukverliezen worden vermeden, welke zich bij het gebruik van steenkool verbrandende gasturbineprocessen met lucht als werkzaam medium voordoen.

Het natriumcircuit 19 neemt derhalve in de rookgasstroom van de 10 stoomgenerator 9 de warmtehoeveelheden Q2 en Q' op, draagt deze naar de verdichte verbrandingslucht en het' verbrandingsgas over en verwarmt deze beide zeer sterk. Deze in het gasturbinecircuit arbeid verrichtende hoeveelheden warmte Q en Q' worden in een gebruikelijke met steenkool verwarmde stookinrichting 23 vrijgemaakt en behoeven derhalve niet als 15 hoogwaardig verbrandingsgas aan het gasturbinecircuit te worden toegevoerd. Eveneens worden de over de met stoom verhitte luchtverhitter 4 toegevoerde hoeveelheid warmte en analoog de aan de verbrandingsgas-verhitter 28 toegevoerde hoeveelheid warmte Q' in de met steenkool verwarmde stookinrichting 23 van de stoomgenerator 9 vrijgemaakt. Zij 20 behoeven derhalve ook niet in de vorm van verbrandingsgas aan het gasturbinecircuit te worden toegevoerd. Derhalve dient slechts nog de hoeveelheid warmte Q^, overeenkomende met het oppervlak g, g', f', f door verbranding van verbrandingsgas in de verbrandingskamer 7 van de gasturbine 8 te worden geleverd, zodat of slechts weinig duur aardgas be-25 hoeft te worden gebruikt of, wanneer het verbrandingsgas door een vergassing van steenkool wordt gewonnen, een aanzienlijk kleinere en derhalve ook wat kosten betreft meer gunstige steenkoolvergassingsinstal-latie voldoende is dan zonder het voorverwarmen van de verdichte verbrandingslucht en het verbrandingsgas met behulp van het natriumcir-30 cuit en de aftakstoom uit het stoomkrachtproces mogelijk zou zijn.

Wanneer het zuurstofgehalte in de stookinrichting 23 moet worden vergroot zonder dat een thermodynamisch verlies optreedt, dan wordt via een verse-luchtventilator 37 lucht via een verse-luchtvoorverwarmer 38 en een leiding 39 naar de stookruimte 23 van de stoomgenerator 9 35 gevoerd. De verse-luchtvoorverwarmer 38 bevindt zich eveneens in het natriumcircuit en wordt derhalve door de in de stoomgenerator 9 aan-

fy > * T

8'; ij -i U 0 3 -13- wezige natriumverhitter 10 verwarmd, zodat de verse lucht op de voor de verbranding meest gunstige temperatuur kan worden geregeld.

De hoeveelheid van de in de stookruimte 23 van de stoomgenerator 9 binnentredende af voergassen uit de gasturbine 8 kan worden gere-5 duceerd en in plaats daarvan gedeeltelijk door lucht worden vervangen wanneer een verdere natriumverhitter in de vorm van een afvoergaswarmte-uitwisselaar 35 in de afvoergasleiding 34 wordt opgenomen. Door deze af voergasleiding 34 wordt een deel van de afvoergassen van de gasturbine gevoerd en dit deel levert zijn warmte aan het natriumcircuit.

10 Via de afvoergasleiding 36 wordt dit deel van de turbineaf voergassen naar de schoorsteen 29 geleid. Om een lage eindtemperatuur voor deze afvoergasdeelstroom te verkrijgen kan de natriumverhitter 35 onder tussenschakeling van een circulatiepomp 40 achter verse-luchtvoorverwarmer 38 zijn aangebracht, zodat deze in een punt met lage temperatuur in het 15 natriumcircuit is opgenomen. Een verdere circulatiepomp 41 dient om het natrium vanuit de luchtverhitters 5, 38 en vanuit de verbrandingsgas-verhitter 6 aan de natriumverhitter 10 toe te voeren.

Wanneer het gecombineerde gasturbine-stoomturbineproces zodanig wordt uitgevoerd, dat de gasturbine-intreedtemperatuur de uittreedtem-20 peratuur bij de luchtverhitter 5 niet te boven gaat, dan kunnen de ver-brandingskamer 7, de verbrandingsgasverhitter 6, de verse-luchtvoor-verwarmer 38 en de natriumverhitter 35 tezamen met de bijbehorende leidingen worden geëlimineerd aangezien het gasturbineproces wordt vereenvoudigd tot een luchtturbineproces. De totale hoeveelheid afvoer-25 lucht uit de gasturbine 8 wordt dan als verbrandingslucht in de stoomgenerator 9 gebruikt; warmte wordt dan slechts in de stookruimte 23 van de stoomgenerator 9, bijvoorbeeld uit steenkool, vrijgemaakt, waarbij de voor het luchtturbineproces vereiste warmte volledig door het natriumcircuit 19 wordt overgedragen.

30 In de stoomgenerator 9 is een verdamper 22 en een stoomover- verhitter 21 aangebracht. Van hieruit stroomt de stoom in de tweetraps-stoomturbine 11, uit het hoge-drukdeel waarvan via een aftakstoomafneem-inrichting een deel van de stoom wordt afgenomen en via een leiding 24 aan de luchtverhitter 4 en de brandstofgasverhitter 28 wordt toegevoerd, 35 Het hoofdgedeelte van de uit de hoge-druktrap van de stoomturbine 11 uittredende stoom bereikt via een tussenoververhitter 13 een midden- en »0 -- v -J ύ -14- lage-drukdeel en van daaruit een condensor 17. De stoomturbine 11 drijft een generator 16 aan en bezit een aantal aftakkingen 12, welke voor voe-dingswatervoorverwarming in een regeneratieve voorverwarmingsinrichting, voorgesteld door de voedingswatervoorverwarmingsinrichting 14, dienen.

5 Condensaatpompen 18 leiden het condensaat uit de condensor 17 naar de luchtverhitter 4, de verbrandingsgasverhitter 28, de luchtkoeler 2, de verbrandingsgaskoeler 26 en de voedingswatervoorverwarmer 14, van-waaruit het condensaat door middel van een voedingswaterpomp 20 hoog verhit weer in de stoomgenerator 9 wordt geperst. Het condensaat uit de 10 luchtverhitter 4 en de verbrandingsgasverhitter 28 wordt via de leiding 42 en de pomp 43 in verband met de hogere temperatuur daarvan aan het stoomcircuit in een geschikt punt vóór de voedingspomp 20 toegevoerd.

Met de werkwijze en de inrichting volgens de uitvinding is een aanmerkelijke verhoging van het omzetrendement ten opzichte van de hui-15 dige processen mogelijk. Bij gecombineerde gas-stoomturbineprocessen met de brandstoffen gas en steenkool kan met de werkwijze een vergroting van het steenkoolaandeel worden verkregen. Voorts verkrijgt men een gecombineerd gas-dampturbineproces uitsluitend op basis van steenkool, waarbij het grootste gedeelte van de vereiste steenkool in een 20 gebruikelijke stookinrichting wordt verbrand, terwijl slechts het kleinste gedeelte in een steenkoolvergassingsinstallatie moet worden vergast. Als gevolg hiervan verkrijgt men een aanmerkelijke verkleining en/of vereenvoudiging van de steenkoolvergassingsinstallatie. De geringere omvang van de installatie, de overgang van de vereiste brandstof 25 naar de ten opzichte van aardgas wat prijs betreft meer gunstige en wat hoeveelheid betreft in voldoende mate aanwezige steenkool en het hogere rendement maken een meer economisch en in verband met het meer geringe specifieke brandstofgebruik ook een meer milieu-vriendelijke procesvoering bij centrales mogelijk.

o , . ..· ·; ~i 0

Claims (15)

1. Werkwijze voor het bedrijven van een centrale door middel van een gecombineerd gasturbine-stoomturbineproces, waarbij de, aan de gasturbine toegevoerde lucht met behulp van warmte uit de stoomcentrale wordt verwarmd, gekenmerkt door het gebruik van een bij lage drukken tot 5 hoge temperaturen vloeibare warmtedrager in een met de rookgassen van de stoomcentrale in aanraking komende warmte-uitwisselaar en/of door stoom uit de stoomcentrale voor het verwarmen van de aan de gasturbine en/of de stookinrichting van de stoomcentrale toegevoerde lucht.

2. Werkwijze voor het bedrijven van een centrale door middel van een 10 gecombineerd gasturbine-stoomturbineproces, waarbij de aan de gasturbine toegevoerde lucht met behulp van warmte uit de stoomcentrale wordt verwarmd, meer in het bijzonder volgens conclusie 1, gekenmerkt door het gebruik van een bij lage drukken tot hoge temperaturen vloeibare warmtedrager in een met de rookgassen van de stoomcentrale in aanraking komen-15 de warmte-uitwisselaar en/of door stoom uit de stoomcentrale voor het voorverwarmen van het aan de gasturbine toegevoerde verbrandingsgas.

3. Werkwijze voor het bedrijven van een centrale door middel van een gecombineerd gasturbine-stoomturbineproces, waarbij de aan de gasturbine toegevoerde lucht met behulp van warmte uit de stoomcentrale wordt 20 verwarmd, meer in het bijzonder volgens conclusie 1 of 2, gekenmerkt door het gebruik van een bij lage drukken tot hoge temperaturen vloeibare warmtedrager in een met de afvoergassen van de gasturbine in aanraking komende warmte-uitwisselaar voor het verwarmen van de aan de gasturbine en/of de stookinrichting van de stoomcentrale toegevoerde 25 lucht en/of het voorverwarmen van het aan de gasturbine toegevoerde verbrandingsgas.

4. Werkwijze volgens een van de conclusies 1 tot 3, met het kenmerk, dat ten minste een deel van de zuurstof bevattende afvoergassen van de gasturbine aan de stookinrichting van de stoomcentrale wordt toegevoerd.

5. Werkwijze volgens één van de conclusies 1-4, gekenmerkt door het gebruik van natrium, kalium, een eutectische legering van kalium en natrium, kwik of zouten als warmtedrager. 8 Λ *' . > , ν' V V . j J -16-

5. Werkwijze volgens één van de conclusies 1-5, met het kenmerk, dat de voor het gasturbineproces verdichte lucht en/of het verbrandingsgas in eenaantal trappen eerst door stoom en daarna met het natrium als warmtedrager door de afvoergassen van de gasturbine en/of de rookgassen 5 van de stoomcentrale worden verwarmd.

7. Werkwijze volgens conclusie 1, 2 of 3 en 4, 5 of 6, met het kenmerk dat de lucht en/of het verbrandingsgas voor het gasturbineproces in een aantal trappen wordt verdicht en ten minste tussen twee trappen door middel van condensaat uit het stoomturbineproces worden teruggekoeld.

8. Inrichting voor het toepassen van de werkwijze volgens conclusie 1 of 2 voorzien van een gasturbine-installatie, bestaande uit een ver-dichter, een luchtvoorverwarmer en een gasturbine, en een stoomcentrale bestaande uit een stoomgenerator met een stookruimte en een stoomturbine gekenmerkt door ten minste een met een in een rookgaswarmteuitwisselaar 15 (10) verhitte luchtverhitter (5) en/of gasverhitter (6), waaraan een bij lage drukken tot hoge temperaturen vloeibare warmtedrager wordt toegevoerd.

9. Inrichting voor het toepassen van de werkwijze volgens conclusie 1, 2 of 8, gekenmerkt door ten minste een luchtverhitter (4) en/of gas- 20 verhitter (28) waaraan aftakstoom uit de stoomturbine (11) wordt toegevoerd.

10. Inrichting volgens conclusies 8 en 9 voor het toepassen van de werkwijze volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat steeds een luchtverhitter (4, 5) respectievelijk gasverhitter (28, 6) waaraan stoom en 25 een bij lage drukken tot hoge temperaturen vloeibare warmtedrager wordt toegevoerd in de luchtleiding (31) respectievelijk gasleiding (30) achter elkaar zijn opgesteld.

11. Inrichting volgens conclusies 8 en 9 voor het toepassen van de werkwijze volgens conclusie 7, gekenmerkt door tussen ten minste twee verdichtertrappen (1, 3; 25, 27) aangebrachte lucht, respectieve- 30 lijk gaskoelers (2, 26) waaraan condensaat uit de stoomturbine (11) wordt toegevoerd.

12. Inrichting volgens één of meer van de conclusies 8-11 voor het toepassen van de werkwijze volgens conclusie 5, gekenmerkt door een natriumverhitter (10) in de rookgasstroom van de stoomgenerator (9) , een 35 natriumverhitter (35) in de afvoergasstroom van de gasturbine (8) en 3600 0-3 3 -17- een luchtverhitter (5, 38) respectievelijk gasverhitter (6) waaraan via een natriumcircuit (19) verhit natrium wordt toegevoerd.

13. Inrichting volgens conclusie 12, met het kenmerk, dat de natriumverhitter (35) waaraan de afvoergassen van de gasturbine (8) 5 worden toegevoerd, is opgesteld in een deelstroomleiding (34, 36) voor de afvoergassen van de gasturbine (8), welke met een schoorsteen (29) in verbinding staat, een verdere deelstroomleiding(33) voor niet-gekoel-* de afvoergassen van de gasturbine (8) met de stookruimte (23) van de stoomgenerator (9) is verbonden en in het natriumcircuit (19) een met 10 de stookruimte (23) van de stoomgenerator (9) via een leiding (39) verbonden luchtverhitter (38) voor extra verbrandingslucht aanwezig is.

14. Inrichting volgens conclusie 13, gekenmerkt door een gesloten natriumcircuit uit de natriumverhitter (35) in de af voergasstroom van i de gasturbine (8) en de, verhitte lucht aan de stookruimte (23) van de 15 stoomgenerator (9) leverende luchtverhitter (38).

15. Inrichting volgens conclusie 13, met het kenmerk, dat de natriumverhitter (35) waaraan een deelstroom van het natrium wordt toegevoerd in de afvoergasstroom van de gasturbine (8) met de natriumverhitter (10) in de rookgasstroom in serie is verbonden en de luchtverhitter 20 (5, 38) evenals de gasverhitter (6) in het natriumcircuit (19) parallel zijn verbonden. 8C U : 3 ö ^