WO2010081656A2 - Gekoppelte gas/dampfturbine - Google Patents

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WO2010081656A2
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    • F05D2220/70—Application in combination with
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Definitions

  • the present invention relates to a combined gas turbine / steam turbine process with additional introduction of thermal energy, in particular solar thermal energy, for the generation of technical work or electricity.
  • the aim of the present invention may be to be able to operate a gas turbine plant with variable heat extraction for a steam turbine process up to the switching away of the steam cycle efficiently.
  • the heat extraction may serve here only for the partial heating of the steam turbine process and it may be optionally provided a combination with at least one other heat source such as a solar heat input.
  • a combined gas and steam turbine plant comprising a gas turbine plant having a main gas turbine unit and an end expansion stage, a steam turbine plant and a gas turbine plant
  • said heat exchanger is arranged between the main gas turbine unit and the Endxpansionstress and is arranged such that it provides the steam turbine plant thermal energy available.
  • the coupled gas and steam turbine plant may have a heat exchanger, which is traversed on the primary side by flue gas from the gas turbine plant or the gas turbine cycle.
  • the main gas turbine unit may be the turbine unit which is arranged in the high-pressure part of the gas turbine plant, ie it
  • the high pressure gas, air, or flue gas may relax to one intermediate pressure via one or more expansion stages, whereas the final expansion stage depressurizes the flue gas from the intermediate pressure to low pressure, eg, atmospheric pressure or outside pressure.
  • the end expansion stage may be in
  • the coupling heat exchanger may interconnect the gas turbine plant and the steam turbine plant, e.g. may he be used to heat the steam turbine plant.
  • the heat exchanger may be disposed in the exhaust gas flow, whether air or flue gas, of the main gas turbine unit and may provide heat extraction from the exhaust gas flow of the main gas turbine unit.
  • a significant advantage of the special gas turbine interconnection with the heat extraction mentioned here for the steam turbine process may be given by the fact that the temperature after exiting the main gas turbine arrangement is much higher than in systems with heat extraction after exiting the last turbine stage. This may make it possible to operate a highly efficient steam turbine process.
  • Another advantage may result from the fact that pressure losses in the coupling heat exchanger due to the increased pressure levels in the gas flow only imperceptibly lead to reductions in performance in the gas turbine process and thus connected compact heat exchanger can be used with a high degree of transmission.
  • the steam turbine plant has an additional heating device.
  • the additional likes
  • Heating device can be powered by solar energy, but also inferior fuels such as biomass can be used.
  • the coupling heat exchanger is set up in such a way that it overheats steam of the steam turbine plant, and / or the additional heating device is set up to evaporate condensate.
  • the steam turbine plant further comprises a second heat exchanger, which is connected between the steam turbine and the condensation unit.
  • this heat exchanger may be configured to recycle heat into a high pressure condensate.
  • the coupling heat exchanger is further configured to evaporate a condensate.
  • this Heat exchangers are set to evaporate condensate of the steam turbine plant.
  • the heat exchanger is the
  • the heat exchanger may serve for heat recovery and / or may serve to preheat and / or heat the gas supplied to the high pressure section of the main gas turbine unit and / or the highly compressed air after exiting the compressor unit.
  • this can also be called air heater.
  • the air heater may be upstream of the final expansion stage.
  • the gas turbine plant further comprises a branch, which is arranged between the coupling heat exchanger and the air heater and which is arranged such that a part of a gas flow leaving the heat exchanger, bypasses the air heater.
  • the branch may be arranged such that a portion of the gas stream is supplied directly bypassing the air heater the expansion stage, while another part of the gas stream is supplied to the air heater.
  • the coupled gas and steam turbine plant is set up such that the steam turbine plant is switched inactive when a heat input by the additional heater falls below a predetermined threshold.
  • the inactivation of the steam turbine plant may be achieved in that the steam turbine plant is no longer supplied with energy by means of the coupling heat exchanger.
  • the steam turbine cycle process may be switched off or inactivated.
  • the gas turbine plant further comprises a heating device, which is upstream and / or downstream of the main turbine unit.
  • the heating device may have two Operamosoothen, wherein one of the main turbine unit is connected upstream and the second of the main turbine unit downstream.
  • the gas turbine plant has a main gas turbine arrangement with one or more expansion stages in the high-pressure part and an end expansion stage in the low-pressure part and a device for heat recovery or preheating or heating of the highly compressed air from the compressor unit.
  • the device for the combustion of fossil or biogenic fuels is either upstream of the expansion stages in the high pressure part of the plant or is downstream. In the downstream combustion chamber, the expansion stages of the high-pressure part are flowed through only with heated air. The heating of the air via a kuperativen heat exchanger, the air heater, which primary side of flue gas with high temperature is flowed through.
  • expansion stages in the high-pressure part downstream device for combustion is achieved that the flowed through at high temperature blading away from the harmful effects of ash-containing flue gases from low-quality fuels.
  • the expansion stages in the low-pressure part are traversed by flue gas both in the upstream and downstream combustion chamber.
  • this gas turbine process is very well suited for variable heat extraction.
  • the heat extraction takes place here from the gas flow after exiting the main gas turbine unit at medium pressure level.
  • this heat extraction is not only for the heating of thermal networks, but for processes for further extraction of technical work or electricity, in particular for the heating of
  • An important objective of an exemplary aspect of the present invention may be to provide a gas turbine plant with heat extraction for a steam turbine process operating in the low temperature range is mainly heated by solar thermal energy to operate efficiently.
  • heat is decoupled from a special gas turbine arrangement having a main gas turbine arrangement with one or more expansion stages in the high-pressure part and an expansion stage in the low-pressure part and a device for heat recovery, wherein the heat extraction from the gas flow takes place after exiting the main gas turbine unit and serves to heat a steam turbine process, which is additionally heated by a further heating device for the low temperature range.
  • a significant advantage of this special gas turbine interconnection with the heat extraction for the steam turbine process mentioned here may be given by the fact that the temperature after exiting the main gas turbine arrangement is much higher than in known systems with heat extraction after exiting the last turbine stage. This allows a highly efficient steam turbine process to operate. Another advantage may result from the fact that pressure losses in the heat exchanger due to the increased pressure levels in the gas flow only imperceptibly lead to reductions in performance in the gas turbine process and thus connected compact heat exchanger can be used with a high degree of transmission. It may be particularly advantageous in combination with solar heat input that the gas turbine plant can be operated efficiently even with the elimination of heat extraction or reduced heat removal.
  • Process heat can be used for example for seawater desalination plants.
  • the term "low temperature" in the solar circuit refers above all to the vaporization temperature in the steam turbine process, in order not to achieve excessively high pressures in the solar collectors and to reduce the temperature high heat input, moderate evaporation temperatures around 200 0 C are considered.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a gas turbine plant
  • FIG. 2 is a schematic representation of a gas turbine process used here with an upstream combustion chamber, a downstream combustion chamber and the coupling of the steam turbine process via the coupling heat exchanger according to an embodiment of the invention.
  • Fig. 3 is a schematic representation of a gas turbine process used here with a downstream combustion chamber, a special heat extraction via the coupling heat exchanger and an additional device for branching the gas stream. Detailed description of the figures
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a gas turbine plant with heat extraction for a steam turbine process according to the prior art.
  • air is compressed via a compressor unit 1 and converted in a combustion chamber 4 to flue gas at high temperature, which is then expanded via expansion stages 5, 6 of the gas turbine arrangement to external pressure.
  • a heat exchanger 7 for heating the steam turbine process is now arranged on the primary side.
  • Steam turbine process is a closed circuit, which is heated in the secondary circuit of the heat exchanger 7.
  • the steam turbine process takes place in a steam turbine plant, which has a steam turbine unit 8, which is followed by a condensation unit 9. Furthermore, the steam turbine process has a pump 10, which forwards the condensate into a condensate collection unit 12.
  • the condensate in the condensate collection unit 12 is then at least partially evaporated and fed to the heat exchanger 7.
  • In the base load no solar heating
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a gas turbine process according to a first exemplary embodiment of a coupled combined cycle power plant.
  • the gas turbine plant has a
  • Compressor unit 1 by means of which air or gas is compressed, which is then fed to a heat exchanger 2, in which the gas is subjected to a first heating.
  • the preheated gas is then supplied to an upstream combustion chamber 4 and converted into flue gas, before it is then fed to a main gas turbine unit 5 and subjected to a first expansion.
  • the flue gas expanded to an intermediate pressure is then fed to a second heat exchanger 7, which extracts heat from the expanded flue gas.
  • the cooled flue gas is fed to a second downstream combustion chamber 3, in which a further combustion takes place with heating.
  • the reheated flue gas is then fed to the heat exchanger 2 and serves the above-mentioned preheating of the incoming air (gas) after exiting the compressor unit. Subsequently, the flue gas is fed to a second expansion stage 6 with relaxation to low pressure or external pressure.
  • the steam turbine plant in which the steam turbine process takes place is similar to that described above in connection with FIG.
  • the heat input for steam superheating for the closed steam turbine process is primarily due to the Heat exchanger 7 instead.
  • the superheated steam is passed from the heat exchanger 7 to a steam turbine unit 8, which is followed by a condensation unit 9.
  • the condensate from the condensation unit 9 is then brought to high pressure via a pump 10 and passed into a condensate collection unit 12.
  • the collected condensate is fed to an additional heating device 13, which is operated for example solar, but this additional heating device with a variety of fuels, including inferior and / or environmentally friendly fuels, such as biomass, are heated.
  • the vaporized condensate is then returned to the condensate collection unit 12 from which it is then fed to the heat exchanger 7 for overheating.
  • the main advantage compared to the system shown in FIG. 1 may be that, in combination with the gas turbine process shown here, high solar heating inputs are made possible because the entire heat of vaporization can be introduced via the solar collectors.
  • the steam turbine is controllable over a moderate power range.
  • the heating heat extraction via the gas turbine circuit should be withdrawn at reduced solar heat output. The measure of the power withdrawal is depending on the controllability of the steam turbine in a moderate range. In the absence of solar heat input of the steam turbine cycle can be switched off without the efficiency of the gas turbine plant drops significantly, since the fuel supply drops accordingly.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a gas turbine process according to a second exemplary embodiment of a coupled combined cycle power plant.
  • the gas turbine plant has a compressor unit 1, by means of which air (gas) is compressed, which then a heat exchanger 2 for heating
  • Turbine inlet temperature is supplied.
  • the heated air (gas) is then supplied to a main gas turbine unit 5 and subjected to a first expansion.
  • the air (gas) expanded to an intermediate pressure is then supplied to a second heat exchanger 7, which extracts heat from the expanded air (gas).
  • the cooled air (gas) is then fed to a branch 14, which supplies a first part of the cooled and partially expanded air (gas) to a downstream combustion chamber 3, in which high-temperature flue gas is generated, before it is fed via the heat exchanger 2 to a second expansion stage 6 is used, which relaxes the flue gas to low pressure or external pressure.
  • a second part of the cooled and partially expanded air (gas) is added after the branch 14 directly into the flue gas stream after exiting the heat exchanger 2.
  • the steam turbine plant in which the steam turbine process takes place is similar to that described above in connection with FIG.
  • the heat input for the closed steam turbine process takes place primarily through the heat exchanger 7.
  • the superheated steam is passed from the heat exchanger 7 to a steam turbine unit 8, which is an additional Heat exchanger 11 is connected downstream, in which the relaxed steam, a portion of the energy is removed.
  • the additional heat exchanger 11 is followed by a condensation unit 9.
  • the condensate from the condensation unit 9 is then directed by a pump 10 into a condensate collection unit 12, in which the condensate is collected and fed to an additional heater 13, which is solar powered, for example, but this additional heater can be equipped with a variety of energy sources Inferior fuels such as biomass, are heated.
  • the vaporized condensate is then supplied to the condensate collection unit 12, from which it is then supplied to the heat exchanger 7 for overheating.
  • a part of the condensate from the condensate collection unit is supplied to the additional heat exchanger 11 to be vaporized there before being supplied to the heat exchanger 7 via the condensate collection unit 12.
  • Heat exchanger 7 can be lowered at a given minimum load of the steam turbine, the minimum load of solar heating heat.
  • the steam in the turbine stages is not expanded down to the wet steam zone.

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Abstract

Es wird eine gekoppelte Gas- und Dampfturbinenanlage geschaffen, welche eine Gasturbinenanlage mit einer Hauptgasturbineneinheit und einer Endexpansionsstufe, eine Dampfturbinenanlage und einen Kopplungswärmetauscher aufweist, wobei der Kopplungswärmetauscher zwischen der Hauptgasturbineneinheit und der Expansionsstufe angeordnet ist und derart eingerichtet ist, dass er der Dampfturbinenanlage thermische Energie zur Verfügung stellt.

Description

Gekoppelte Gas/ Dampfturbine
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen kombinierten Gasturbinen/Dampfturbinenprozess mit zusätzlicher Einbringung von thermischer Energie, insbesondere solarthermischer Energie, für die Erzeugung von technischer Arbeit bzw. Strom.
Hintergrund der Erfindung
Übliche Anlagen mit kombiniertem Gasturbinen/Dampfturbinenprozess arbeiten nach einem zweistufigen wärmetechnischen Verfahren zur Gewinnung von technischer Arbeit und im weiteren Sinne zur Stromgewinnung. Die primäre Stromgewinnung (technische Arbeit) erfolgt über einen offenen Gasturbinenprozess und die sekundäre Stromgewinnung (technische Arbeit) über einen nachgeschalteten Dampfturbinenprozess mit Wärmeentnahme aus dem Abgasstrom der Gasturbinenanlage. Nachteilig ist, dass der Gasturbinenprozess auf hoher Temperatur (Gaseintrittstemperatur in Turbinenbeschaufelung > 12500C) betrieben werden muss, da das Abgas ansonsten auf relativ niedrige Temperaturen absinkt und nicht mehr effizient für den Dampfturbinenprozess genutzt werden kann. Die Beheizung der Gesamtanlage erfolgt in einer den Turbinenstufen vorgeschalteten Brennkammer über hochwertige fossile Brennstoffe ohne Aschebildung. Druckverluste im Wärmetauscher zur Wärmeauskopplung führen zu merkbaren Leistungsverlusten der Gesamtanlage. Eine Teillastauskopplung oder das Wegschalten der Wärmeauskopplung für den Dampfprozess ist quasi unmöglich, da dann die Gesamtanlageneffizienz entsprechend niedrig wird. Kurzdarstellung der Erfindung
Ziel der vorliegenden Erfindung mag es sein eine Gasturbinenanlage mit variabler Wärmeauskopplung für einen Dampfturbinenprozess bis hin zur Wegschaltung des Dampfkreises effizient betreiben zu können. Die Wärmeauskopplung mag hierbei nur für die teilweise Beheizung des Dampfturbinenprozesses dienen und es mag optional eine Kombination mit mindestens einer weiteren Wärmequelle wie zum Beispiel einer solaren Wärmeeinbringung vorgesehen sein.
Diese Aufgabe mag durch die gekoppelte Gas- und Dampfturbinenanlage gemäß dem unabhängigen Patentanspruch gelöst werden. Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
Gemäß einem beispielhaften Aspekt der Erfindung wird eine gekoppelte Gas- und Dampfturbinenanlage geschaffen, welche eine Gasturbinenanlage mit einer Hauptgasturbineneinheit und einer Endexpansionsstufe, eine Dampfturbinenanlage und einen
Kopplungswärmetauscher aufweist, wobei dieser Wärmetauscher zwischen der Hauptgasturbineneinheit und der Endexpansionsstufe angeordnet ist und derart eingerichtet ist, dass er der Dampfturbinenanlage thermische Energie zur Verfügung stellt.
Insbesondere mag die gekoppelte Gas- und Dampfturbinenanlage einen Wärmetauscher aufweisen, welcher primärseitig von Rauchgas aus der Gasturbinenanlage oder dem Gasturbinenkreis durchströmt wird. Insbesondere mag die Hauptgasturbineneinheit die Turbineneinheit sein, welche im Hochdruckteil der Gasturbinenanlage angeordnet ist, d.h. sie mag das unter Hochdruck befindliche Gas, Luft bzw. Rauchgas, über ein- oder mehrere Expansionsstufen auf einen Zwischendruck entspannen, wohingegen die Endexpansionsstufe das Rauchgas von dem Zwischendruck auf Niederdruck, z.B. atmosphärischen Druck oder Außendruck entspannt. D.h. die Endexpansionsstufe mag im
Niederdruckteil der Gasturbinenanlage angeordnet sein. Insbesondere mag der Kopplungswärmetauscher die Gasturbinenanlage und die Dampfturbinenanlage miteinander zusammenschalten, z.B. mag er verwendet werden, die Dampfturbinenanlage zu beheizen. Mit anderen Worten mag der Wärmetauscher im Abgasstrom, ob Luft oder Rauchgas, der Hauptgasturbineneinheit angeordnet sein und mag eine Wärmeauskopplung aus dem Abgasstrom der Hauptgasturbineneinheit bereitstellen.
Ein wesentlicher Vorteil der speziellen Gasturbinenverschaltung mit der hier genannten Wärmeauskopplung für den Dampfturbinenprozess mag dadurch gegeben sein, dass die Temperatur nach Austritt aus der Hauptgasturbinenanordnung um einiges höher ist als bei Anlagen mit Wärmeauskopplung nach Austritt aus der letzten Turbinenstufe. Dies mag es ermöglichen einen hocheffizienten Dampfturbinenprozess zu betreiben. Ein weiterer Vorteil mag sich dadurch ergeben, dass Druckverluste im Kopplungswärmetauscher aufgrund des erhöhten Druckniveaus im Gasstrom nur unmerklich zu Leistungsminderungen im Gasturbinenprozess führen und damit verbunden kompakte Wärmetauscher mit hohem Übertragungsgrad eingesetzt werden können.
Geringe Wärmeentnahme mit herabgesetzter Dampfüberhitzung oder das gänzliche Wegschalten des Dampfkreises mag zu keiner maßgeblichen Effizienzminderung des Gasturbinenprozesses führen, da die Wärmerückführung im Gegenzug höher wird und bei konstant gehaltener Turbineneintrittstemperatur weniger Brennstoff eingesetzt werden muss. Die Last der Wärmeauskopplung mag somit über die Brennstoffzufuhr geregelt sein, ohne dass die Strömungsparameter für die Gasturbinenstufen entscheidend verändert werden. Die Wärme- auskopplung dient vorwiegend zur Überhitzung des Rücklaufkondensates aus dem Dampfturbinenkreislauf.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der gekoppelte Gas- und Dampfturbinenanlage weist die Dampfturbinenanlage eine zusätzliche Heizeinrichtung auf. Insbesondere mag die zusätzliche
Heizeinrichtung über Solarenergie gespeist werden, jedoch können auch minderwertige Brennstoffe wie beispielsweise Biomasse verwendet werden.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der gekoppelte Gas- und Dampfturbinenanlage ist der Kopplungswärmetauscher derart eingerichtet, dass er Dampf der Dampfturbinenanlage überhitzt, und/oder die zusätzliche Heizeinrichtung ist eingerichtet, Kondensat zu verdampfen.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der gekoppelte Gas- und Dampfturbinenanlage weist die Dampfturbinenanlage ferner einen zweiten Wärmetauscher auf, welcher zwischen Dampfturbine und Kondensationseinheit geschaltet ist. Insbesondere mag dieser Wärmetauscher eingerichtet sein, Wärme in ein Hochdruckkondensat rückzuführen.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der gekoppelte Gas- und Dampfturbinenanlage ist der Kopplungswärmetauscher ferner eingerichtet, ein Kondensat zu verdampfen. Insbesondere mag dieser Wärmetauscher eingerichtet sein Kondensat der Dampfturbinenanlage zu verdampfen.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der gekoppelte Gas- und Dampfturbinenanlage ist der Wärmetauscher dem
Kopplungswärmetauscher nachgeschaltet und ist derart eingerichtet, einem Hochdruckbereich der Gasturbinenanlage Wärme zuzuführen. Insbesondere mag der Wärmetauscher einer Wärmerückführung dienen und/oder mag dazu dienen das Gas, welches dem Hochdruckbereich der Hauptgasturbineneinheit zugeführt wird, und/oder die hochkomprimierte Luft nach Austritt aus der Kompressoreinheit vorzuheizen und/oder zu heizen. Gemäß dem maßgeblichen Einsatz des Wärmetauschers zur Erhitzung von hochkomprimierter Luft kann dieser auch Lufterhitzer genannt werden. Beispielsweise mag der Lufterhitzer der Endexpansionsstufe vorgeschaltet sein.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der gekoppelte Gas- und Dampfturbinenanlage weist die Gasturbinenanlage ferner eine Verzweigung auf, welche zwischen dem Kopplungswärmetauscher und dem Lufterhitzer angeordnet ist und welche derart eingerichtet ist, dass ein Teil eines Gasstroms, welcher den Wärmetauscher verlässt, den Lufterhitzer umgeht. Insbesondere mag die Verzweigung derart eingerichtet sein, dass ein Teil des Gasstroms unter Umgehung des Lufterhitzers direkt der Expansionsstufe zugeführt wird, während ein anderer Teil des Gasstroms dem Lufterhitzer zugeführt wird.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der gekoppelte Gas- und Dampfturbinenanlage ist die gekoppelte Gas- und Dampfturbinenanlage derart eingerichtet, dass die Dampfturbinenanlage inaktiv geschaltet wird, wenn ein Wärmeeintrag durch die zusätzliche Heizeinrichtung unter einen vorgegebenen Schwellwert fällt. Insbesondere mag die Inaktivierung der Dampfturbinenanlage dadurch erreicht werden, dass der Dampfturbinenanlage keine Energie mehr mittels des Kopplungswärmetauschers zugeführt wird. In anderen Worten mag der Dampfturbinenkreisprozess weggeschaltet oder inaktiviert werden.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der gekoppelte Gas- und Dampfturbinenanlage weist die Gasturbinenanlage ferner eine Heizeinrichtung auf, welche der Hauptturbineneinheit vor- und/oder nachgeschaltet ist. Insbesondere mag die Heizeinrichtung zwei Teilheizeinrichtungen aufweisen, wobei eine der Hauptturbineneinheit vorgeschaltet ist und die zweite der Hauptturbineneinheit nachgeschaltet ist.
Ein für die Wärmeauskopplung in einer gekoppelten Gas- und Dampfturbinenanlage gemäß einem exemplarischen Aspekt der Erfindung möglicher Gasturbinenprozess wird nachfolgend kurz beschrieben. Die Gasturbinenanlage weist eine Hauptgasturbinenanordnung mit ein oder mehreren Expansionsstufen im Hochdruckteil und einer Endexpansionsstufe im Niederdruckteil sowie eine Einrichtung zur Wärmerückführung bzw. Vorwärmung oder Beheizung der hochkomprimierten Luft aus der Kompressoreinheit auf. Die Einrichtung zur Verbrennung von fossilen oder biogenen Brennstoffen ist entweder den Expansionsstufen im Hochdruckteil der Anlage vorgelagert oder liegt nachgeschalten. Bei nachgeschalteter Brennkammer werden die Expansionsstufen des Hochdruckteils ausschließlich mit erhitzter Luft durchströmt. Die Erhitzung der Luft erfolgt über einen kuperativen Wärmetauscher, dem Lufterhitzer, welcher primärseitig von Rauchgas mit hoher Temperatur durchströmt wird. Durch die den Expansionsstufen im Hochdruckteil nachgeschalteten Einrichtung zur Verbrennung wird erreicht, dass die bei hoher Temperatur durchströmten Beschaufelungen von schädigenden Einflüssen aschehaltiger Rauchgase aus minderwertigen Brennstoffen fern gehalten werden. Die Expansionsstufen im Niederdruckteil werden sowohl bei vor- als auch nachgeschalteter Brennkammer von Rauchgas durchströmt.
Es hat sich gezeigt, dass dieser Gasturbinenprozess sehr gut für die variable Wärmeauskopplung geeignet ist. Die Wärmeauskopplung erfolgt hierbei aus dem Gasstrom nach Austritt aus der Hauptgasturbineneinheit auf mittlerem Druckniveau. Unter speziellen Bedingungen ist diese Wärmeauskopplung nicht nur für die Beheizung von thermischen Netzen, sondern für Prozesse zur weiteren Gewinnung von technischer Arbeit bzw. Strom, insbesondere für die Beheizung von
Dampfturbinenprozessen, sehr interessant. Voraussetzung für einen effizienten Kombiprozess mag insbesondere sein, dass die Hochtemperaturwärme aus dem Gasturbinenprozess weitgehend zur Dampfüberhitzung genutzt wird. Um den Gesamtprozess sinnvoll zu betreiben sollte somit eine weitere Wärmequelle in den Dampfkreislauf zugeschaltet werden, die den Niedertemperaturbereich der Kondensatvorwärmung und Verdampfung übernimmt. Besonders wirtschaftlich ist die Gesamtanlage dann zu betreiben, wenn die zusätzliche Wärme aus minderwertigen Brennstoffen, Abwärme von vorgelagerten thermischen Prozessen oder aus Solarenergie stammt.
Ein wichtiges Ziel eines exemplarischen Aspekts der vorliegenden Erfindung mag sein, eine Gasturbinenanlage mit Wärmeauskopplung für einen Dampfturbinenprozess, welcher im Niedertemperaturbereich vorwiegend über solarthermische Energie beheizt wird, effizient betreiben zu können.
Hierzu wird aus einer speziellen Gasturbinenanordnung mit einer Hauptgasturbinenanordnung mit ein oder mehreren Expansionsstufen im Hochdruckteil sowie einer Expansionsstufe im Niederdruckteil und einer Einrichtung zur Wärmerückführung Wärme ausgekoppelt, wobei die Wärmeauskopplung aus dem Gasstrom nach Austritt aus der Hauptgasturbineneinheit erfolgt und zur Beheizung eines Dampf- turbinenprozess dient, welcher zusätzlich über eine weitere Heizeinrichtung für den Niedertemperaturbereich beheizt wird.
Ein wesentlicher Vorteil dieser speziellen Gasturbinenverschaltung mit der hier genannten Wärmeauskopplung für den Dampfturbinenprozess mag dadurch gegeben sein, dass die Temperatur nach Austritt aus der Hauptgasturbinenanordnung um einiges höher ist als bei bekannten Anlagen mit Wärmeauskopplung nach Austritt aus der letzten Turbinenstufe. Dies ermöglicht einen hocheffizienten Dampfturbinenprozess zu betreiben. Ein weiterer Vorteil mag sich dadurch ergeben, dass Druckverluste im Wärmetauscher aufgrund des erhöhten Druckniveaus im Gasstrom nur unmerklich zu Leistungsminderungen im Gasturbinenprozess führen und damit verbunden kompakte Wärmetauscher mit hohem Übertragungsgrad eingesetzt werden können. Besonders vorteilhaft in Kombination mit solarer Wärmeeinbringung mag sein, dass die Gasturbinenanlage auch bei Wegfall der Wärmeauskopplung oder bei reduzierter Wärmeentnahme effizient betrieben werden kann.
Geringe Wärmeentnahme mit herabgesetzter Dampfüberhitzung oder das gänzliche Wegschalten des Dampfkreises mag zu keiner maßgeblichen Effizienzminderung des Gasturbinenprozesses führen, da die Wärmerückführung im Gegenzug höher wird und bei konstant gehaltener Turbineneintrittstemperatur weniger Brennstoff eingesetzt werden muss. Die Last der Wärmeauskopplung mag somit über die Brennstoffzufuhr geregelt werden, ohne dass die Strömungsparameter für die Gasturbinenstufen entscheidend verändert werden. Die Wärmeauskopplung dient vorwiegend zur Überhitzung des Rücklaufkondensates aus dem Dampfturbinenkreislauf. Um die Dampfturbine nicht allzu starken Lastschwankungen aus dem Solarkreis zu unterwerfen, bietet sich die Möglichkeit auch Kondensat über die Wärmeauskopplung aus dem Gasturbinenkreis zu verdampfen. Dies sollte aber vorzugsweise nur in geringem Ausmaß erfolgen, sofern für die Beheizung der Gasturbinenanlage kostspielige Brennstoffe eingesetzt werden, da die Exergie der eingebrachten Wärme im Temperaturbereich der Kondensatverdampfung (~ 2000C) naturgemäß niedrig ist. Idealerweise ist die Dampfturbine über ein moderates Leistungsband regelbar.
Mit der Strategie, die Temperatur im Solarkreis auf niedrige Temperaturen einzugrenzen und kombiniert fossile und/oder biogene Energieträger einzusetzen mag eine effiziente Wärmeeinbringung über die Solarkollektoren zu erreichen sein. Die Verdampfung kann nun direkt in den Kollektoren stattfinden, oder erfolgt über zwischengeschaltete Speichermedien. Die Kondensationswärme aus dem Dampfturbinenkreislauf kann bei entsprechendem Gegendruck natürlich auch noch an Heizungsnetze weitergegeben werden oder als
Prozesswärme beispielsweise für Meerwasserentsalzungsanlagen eingesetzt werden. Mit „niedriger Temperatur" im Solarkreis ist vor allem die Verdampfungstemperatur im Dampfturbinenprozess gemeint. Um nicht allzu hohe Drücke in den Solarkollektoren zu erreichen und um eine hohe Wärmeeinbringung zu erreichen, werden moderate Verdampfungstemperaturen um die 2000C in Betracht gezogen.
Figurenkurzbeschreibung
Weitere Merkmale und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Gasturbinenanlage mit
Wärmeauskopplung für einen Dampfturbinenprozess nach dem Stand der Technik.
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines hier zur Anwendung kommenden Gasturbinenprozesses mit einer vorgeschalteten Brennkammer, einer nachgeschalteten Brennkammer und der Ankopplung des Dampfturbinenprozesses über den Kopplungswärmetauscher gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines hier zur Anwendung kommenden Gasturbinenprozesses mit einer nachgeschalteten Brennkammer, einer speziellen Wärmeauskopplung über den Kopplungswärmetauscher und einer zusätzlichen Einrichtung zur Verzweigung des Gasstroms. Ausführliche Beschreibung der Figuren
Im Folgenden werden mit Bezug auf die Figuren exemplarische Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben, wobei gleiche oder ähnliche Elemente in verschiedenen Figuren mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet werden.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Gasturbinenanlage mit Wärmeauskopplung für einen Dampfturbinenprozess nach dem Stand der Technik. Hierbei wird Luft über eine Kompressoreinheit 1 komprimiert und in einer Brennkammer 4 zu Rauchgas mit hoher Temperatur umgewandelt, welches anschließend über Expansionsstufen 5, 6 der Gasturbinenanordnung auf Außendruck entspannt wird. Im Abgasstrom der Gasturbine ist nun primärseitig ein Wärmetauscher 7 für die Beheizung des Dampfturbinenprozesses angeordnet. Der
Dampfturbinenprozess ist ein geschlossener Kreislauf, welcher im Sekundärkreis des Wärmetauschers 7 beheizt wird. Der Dampfturbinenprozess findet in einer Dampfturbinenanlage statt, welche eine Dampfturbineneinheit 8 aufweist, der eine Kondensationseinheit 9 nachgeschaltet ist. Ferner weist der Dampfturbinenprozess eine Pumpe 10 auf, welche das Kondensat in eine Kondensatsammlungseinheit 12 weiterleitet. Das Kondensat in der Kondensatsammlungseinheit 12 wird dann zumindest teilweise verdampft und dem Wärmetauscher 7 zugeführt. In der Grundlast (keine Solarbeheizung) wird die komplette Verdampfung und Überhitzung über die Wärmeauskopplung aus dem
Gasturbinenkreis bewerkstelligt. Bei Zuschaltung von solarer Heizenergie 13 zur Kondensatverdampfung muss die Leistung der Dampfturbine 8 über den zunehmenden Massendurchsatz gesteigert werden, da die Wärmeauskopplung aus dem Abgas weiterhin höchstmöglich sein soll. Ein Wegschalten des Dampfturbinenprozesses ist nicht sinnvoll, da die Wärme des Abgases noch hohe Exergie beinhaltet. Der solare Energieanteil ist somit stark vom Regelverhalten der Dampfturbine abhängig und sehr eingeschränkt. Die Leistungsabgabe der Dampfturbine ist im Verhältnis der Wärmeentnahme aus dem Abgas relativ niedrig, da auch bei solarer Verdampfungsunterstützung noch ein Großteil der Verdampfung über die Wärmeauskopplung 7 erfolgt.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Gasturbinenprozesses gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel für eine gekoppelte Gas- und Dampfturbinenanlage. Die Gasturbinenanlage weist eine
Kompressoreinheit 1 auf, mittels welcher Luft oder Gas komprimiert wird, welches dann einem Wärmetauscher 2 zugeführt wird, in welchen das Gas einer ersten Erwärmung unterzogen wird. Das vorgewärmte Gas wird dann einer vorgeschalteten Brennkammer 4 zugeführt und zu Rauchgas verwandelt, bevor es dann einer Hauptgasturbineneinheit 5 zugeführt wird und einer ersten Expansion unterzogen wird. Das auf einen Zwischendruck expandierte Rauchgas wir dann einem zweiten Wärmetauscher 7 zugeführt, welcher dem expandierten Rauchgas Wärme entzieht. Das abgekühlte Rauchgas wird einer zweiten nachgeschalteten Brennkammer 3 zuführt, in welcher eine weitere Verbrennung mit Erhitzung stattfindet. Das wieder erhitzte Rauchgas wird dann dem Wärmetauscher 2 zugeführt und dient der oben genannten Vorwärmung der zuströmenden Luft (Gas) nach Austritt aus der Kompressoreinheit. Nachfolgend wird das Rauchgas einer zweiten Expansionsstufe 6 mit Entspannung auf Niederdruck bzw. Aussendruck zugeführt.
Die Dampfturbinenanlage, in welcher der Dampfturbinenprozess stattfindet, ist ähnlich dem oben in Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen. Der Wärmeeintrag zur Dampfüberhitzung für den geschlossenen Dampfturbinenprozess findet primär durch den Wärmetauscher 7 statt. Der überhitzte Dampf wird vom Wärmetauscher 7 zu einer Dampfturbineneinheit 8 geleitet, welcher eine Kondensationseinheit 9 nachgeschaltet ist. Das Kondensat aus der Kondensationseinheit 9 wird dann über eine Pumpe 10 auf Hochdruck gebracht und in eine Kondensatsammlungseinheit 12 geleitet. Das gesammelte Kondensat wird einer zusätzlichen Heizeinrichtung 13 zugeführt, welche beispielsweise solar betrieben wird, jedoch kann diese zusätzliche Heizeinrichtung mit einer Vielzahl von Energieträgern, auch minderwertigen und/oder umweltfreundlichen Brennstoffen, z.B. Biomasse, beheizt werden. Das verdampfte Kondensat wird dann zur Kondensatsammlungseinheit 12 rückgeführt von welchem es dann dem Wärmetauscher 7 zur Überhitzung zugeführt wird.
Diese Anlage erreicht aufgrund des Wärmetauschers 2 zur Wärmerückgewinnung auch bei gemäßigten
Turbineneintrittstemperaturen ohne Anbindung des Dampfturbinenkreises sehr hohe technische Wirkungsgrade. Erfindungsgemäß erfolgt die Wärmeauskopplung für den Dampfturbinenprozess über den Wärmetauscher 7, der primärseitig den Expansionsstufen 5 im Hochdruckteil unmittelbar nachgeschaltet ist. Der wesentliche Vorteil im Vergleich zu dem in Fig. 1 gezeigten System mag sein, dass in Kombination mit dem hier gezeigten Gasturbinenprozess hohe solare Heizeinträge ermöglicht werden, da die gesamte Verdampfungswärme über die Sonnenkollektoren eingebracht werden kann. Idealerweise ist die Dampfturbine über einen moderaten Leistungsbereich regelbar. Um den technischen Wirkungsgrad der eingebrachten Heizwärme über den Wärmetauscher 7 möglichst hoch zu halten, sollte bei verminderter solarer Heizleistung auch die Heizwärmeauskopplung über den Gasturbinenkreis zurückgenommen werden. Das Maß der Leistungsrücknahme wird je nach Regelbarkeit der Dampfturbine in einem moderaten Bereich liegen. Bei Wegfall der solaren Wärmeeinbringung kann der Dampfturbinenkreis weggeschaltet werden, ohne dass die Effizienz der Gasturbinenanlage maßgeblich abfällt, da die Brennstoffzufuhr entsprechend absinkt.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Gasturbinenprozesses gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel für eine gekoppelte Gas- und Dampfturbinenanlage. Die Gasturbinenanlage weist eine Kompressoreinheit 1 auf, mittels welcher Luft (Gas) komprimiert wird, welche dann einem Wärmetauscher 2 zur Erhitzung auf
Turbineneinlasstemperatur zugeführt wird. Die erhitzte Luft (Gas) wird dann einer Hauptgasturbineneinheit 5 zugeführt und einer ersten Expansion unterzogen. Die auf einen Zwischendruck expandierte Luft (Gas) wird dann einem zweiten Wärmetauscher 7 zugeführt, welcher der expandierten Luft (Gas) Wärme entzieht. Die abgekühlte Luft (Gas) wird dann einer Verzweigung 14 zugeführt, welche einen ersten Teil der abgekühlten und teilentspannten Luft (Gas) einer nachgeschalteten Brennkammer 3 zuführt, in welcher Rauchgas mit hoher Temperaturerzeugt wird, bevor es über den Wärmetauscher 2 einer zweiten Expansionsstufe 6 zugeführt wird, über welche das Rauchgas auf Niederdruck bzw. Außendruck entspannt. Ein zweiter Teil der abgekühlten und teilentspannten Luft (Gas) wird nach der Verzweigung 14 direkt in den Rauchgasstrom nach Austritt aus dem Wärmetauscher 2 zugemischt.
Die Dampfturbinenanlage, in welcher der Dampfturbinenprozess stattfindet, ist ähnlich dem oben in Zusammenhang mit Fig. 2 beschriebenen. Der Wärmeeintrag für den geschlossenen Dampfturbinenprozess findet primär durch den Wärmetauscher 7 statt. Der überhitzte Dampf wird vom Wärmetauscher 7 zu einer Dampfturbineneinheit 8 geleitet, welchem ein zusätzlicher Wärmetauscher 11 nachgeschaltet ist, in welchem dem entspannten Dampf ein Teil der Energie entzogen wird. Dem zusätzlichen Wärmetauscher 11 ist eine Kondensationseinheit 9 nachgeschaltet. Das Kondensat aus der Kondensationseinheit 9 wird dann mittels einer Pumpe 10 in eine Kondensatsammlungseinheit 12 geleitet, in welcher das Kondensat gesammelt wird und einer zusätzlichen Heizeinrichtung 13 zugeführt wird, welche beispielsweise solar betrieben wird, jedoch kann diese zusätzliche Heizeinrichtung mit einer Vielzahl von Energieträgern, auch minderwertigen Brennstoffen wie z.B. Biomasse, beheizt werden. Das verdampfte Kondensat wird dann der Kondensatsammlungseinheit 12 zugeführt von welchem es dann dem Wärmetauscher 7 zur Überhitzung zugeführt wird. Zusätzlich wird ein Teil des Kondensats aus der Kondensatsammlungseinheit dem zusätzlichen Wärmetauscher 11 zugeführt, um dort verdampft zu werden, bevor es über die Kondensatsammlungseinheit 12 dem Wärmetauscher 7 zugeführt wird. Ferner wird im Gegensatz zu dem in Fig. 2 beschriebenen Ausführungsbeispiel auch die Möglichkeit gezeigt einen Anteil des Kondensats dem Wärmetauscher 7 in flüssiger Form zuzuführen.
Über die Verzweigung 14 wird ein geringer Anteil (z.B. 10 bis 20%) in den Rauchgasstrom nach Austritt aus dem Wärmetauscher 2 zur Lufterhitzung zugeleitet. Dies ist insbesondere bei voller Wärmeauskopplung sinnvoll, da die Luft im Wärmetauscher 7 auf entsprechend niedere Temperaturen gebracht werden muss. Das grundsätzliche Ziel dieses Aufwandes ist, den Wärmetauscherpol im
Wärmetauscher 2 auf die Seite des Sekundärkreises zu legen und somit die bestmögliche Wärmerückgewinnung zu erreichen. Bei der nachgeschalteten Brennkammer 3 wie hier dargestellt ist zu beachten, dass die Eintrittstemperatur des Rauchgases in den Wärmetauscher 2 bei festgelegter Turbineneintrittstemperatur der Luft entsprechend höher wird. Durch die Nachschaltung der Verbrennungseinrichtung 3 können minderwertige Brennstoffe und Biomasse mit Aschebildung verbrannt werden, ohne dass die Turbinenbeschaufelungen geschädigt werden. Der Wärmetauscher 7 zur Dampfüberhitzung liegt primärseitig im reinen Luftstrom. Durch die zusätzliche Kondensatverdampfung im
Wärmetauscher 7 kann bei vorgegebener Minimallast der Dampfturbine die Mindestlast an solarer Heizwärme abgesenkt werden. Bei Gegendruckanlagen wird bei Ausnutzung der höchstmöglichen Überhitzungstemperatur der Dampf in den Turbinenstufen nicht bis in das Naßdampfgebiet entspannt. Um den Dampfturbinenprozess trotzallem möglichst effizient zu halten empfiehlt sich, einen Wärmetauscher 11 zur Wärmerückgewinnung zwischenzuschalten.
Die Erfindung beschränkt sich nicht nur auf die hier vorgestellten Varianten, sondern auch auf naheliegende Kombinationen die sich daraus ableiten lassen. Bei den in allen Figuren schematisch dargestellten erfindungsgemäßen Merkmalen ist darauf hinzuweisen, dass die einzelnen Bauteile sowie Zuleitungen in allen verschiedenen Ausfϋhrungsvarianten und Materialien gefertigt sein können. Sämtliche mit technischer Arbeit verbundene Kompressions- und
Expansionsvorgänge sollen auch mit anderen Arbeitsmaschinen erfolgen können, und nicht nur mit den hier in Betracht gezogenen, kontinuierlich durchströmten Turbinensätzen.

Claims

Patentansprüche
1. Gekoppelte Gas- und Dampfturbinenanlage, welche aufweist: eine Gasturbinenanlage mit einer Hauptgasturbineneinheit (5) einer Endexpansionsstufe (6) und einem Wärmetauscher (2), welcher der Endexpansionsstufe (6) vorgelagert ist und primärseitig von Rauchgas aus der Gasturbinenanlage durchströmt wird, eine Dampfturbinenanlage, und einen Kopplungswärmetauscher (7), wobei der Kopplungswärmetauscher (7) zwischen der Hauptgasturbineneinheit (5) und der Endexpansionsstufe (6) angeordnet ist und derart eingerichtet ist, dass er der Dampfturbinenanlage thermische Energie zur Verfügung stellt.
2. Gekoppelte Gas- und Dampfturbinenanlage nach Anspruch 1, wobei die Dampfturbinenanlage eine zusätzliche Heizeinrichtung (13) aufweist.
3. Gekoppelte Gas- und Dampfturbinenanlage nach Anspruch 2, wobei die zusätzliche Heizeinrichtung (13) über Solarenergie gespeist wird.
4. Gekoppelte Gas- und Dampfturbinenanlage Anspruch 3, wobei die zusätzliche Heizeinrichtung (13) eingerichtet ist,
Kondensat zu verdampfen.
5. Gekoppelte Gas- und Dampfturbinenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Kopplungswärmetauscher (7) derart eingerichtet ist, dass er Dampf der Dampfturbinenanlage überhitzt.
6. Gekoppelte Gas- und Dampfturbinenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Dampfturbinenanlage ferner aufweist: eine Dampfturbine (8) und einen zweiten Wärmetauscher (11), welcher der Dampfturbine (8) nachgeschaltet ist.
7. Gekoppelte Gas- und Dampfturbinenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Kopplungswärmetauscher (7) ferner eingerichtet ist ein
Kondensat zu verdampfen.
8. Gekoppelte Gas- und Dampfturbinenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Wärmetauscher (2) dem Kopplungswärmetauscher (7) nachgeschaltet ist und der eingerichtet ist, einem Hochdruckbereich der Gasturbinenanlage Wärme zuzuführen.
9. Gekoppelte Gas- und Dampfturbinenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Gasturbinenanlage ferner aufweist: eine Verzweigung (14), welche zwischen den Kopplungswärmetauscher (7) und dem Wärmetauscher (2) angeordnet ist und welche derart eingerichtet ist, dass ein Teil eines Gasstroms, welcher den Kopplungswärmetauscher (7) verlässt, den Wärmetauscher umgeht.
10. Gekoppelte Gas- und Dampfturbinenanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei die gekoppelte Gas- und Dampfturbinenanlage derart eingerichtet ist, dass die Dampfturbinenanlage inaktiv geschaltet wird, wenn ein Wärmeeintrag durch die zusätzliche Heizeinrichtung (13) unter einen vorgegebenen Schwellwert fällt.
11. Gekoppelte Gas- und Dampfturbinenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Gasturbinenanlage eine Heizeinrichtung (3, 4) aufweist, welche der Hauptturbineneinheit (5) vor- und/oder nachgeschaltet ist.
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