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DE19612921A1 - Kraftwerksanlage und Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage - Google Patents

Kraftwerksanlage und Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage

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Publication number
DE19612921A1
DE19612921A1 DE19612921A DE19612921A DE19612921A1 DE 19612921 A1 DE19612921 A1 DE 19612921A1 DE 19612921 A DE19612921 A DE 19612921A DE 19612921 A DE19612921 A DE 19612921A DE 19612921 A1 DE19612921 A1 DE 19612921A1
Authority
DE
Germany
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recuperator
steam
partial
exhaust
generator
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Withdrawn
Application number
DE19612921A
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English (en)
Inventor
Rolf Bachmann
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Alstom SA
Original Assignee
Asea Brown Boveri AG Switzerland
Asea Brown Boveri AB
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Publication date
Application filed by Asea Brown Boveri AG Switzerland, Asea Brown Boveri AB filed Critical Asea Brown Boveri AG Switzerland
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Priority to GB9705319A priority patent/GB2311824A/en
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    • 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
    • F01K23/00—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
    • F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
    • F01K23/06—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle
    • F01K23/10—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle with exhaust fluid of one cycle heating the fluid in another cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00—Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/08—Heating air supply before combustion, e.g. by exhaust gases
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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
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Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Kraftwerksanlage, im wesentlichen bestehend aus je­ weils mindestens einem Verdichter, einer Brennkammer, einer Gasturbine, einem Generator und einem Rekuperator nach dem Oberbegriff des ersten Anspruches. Sie betrifft ebenfalls ein Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage nach dem Oberbegriff des unabhängigen Verfahrensanspruches.
Stand der Technik
Derartige Kraftwerksanlagen sind bekannt. Vor allem bei Gasturbinen bei denen die Luft während der Verdichtung zwischengekühlt wird, wird die verdichtete Luft vor dem Eintritt in die Brennkammer in einem Wärmetauscher, einem sogenann­ ten Rekuperator, durch die Abgase der Turbine erhitzt. Um einen hohen Wir­ kungsgrad zu erzielen wird der Rekuperator direkt mit den heißen Rauchgasen der Gasturbine beaufschlagt. Der Massenstrom der Abgase setzt sich im wesent­ lichen zusammen aus der angesaugten Luftmenge und dem Brennstoff, wobei die spezifische Wärmekapazität (cp) der Abgase größer ist als die der verdichteten Luft. Dadurch ist der Massenstrom der Rauchgas größer als derjenige der ver­ dichteten Luft und die Rauchgase verlassen den Rekuperator noch mit einer ge­ wissen Restwärme. Diese Wärmeenergie ist jedoch so klein, daß mittels eines nachgeschalteten Wasser-/Dampf-Kreislaufes nur Dampf mit tiefen Dampfpara­ metern erzeugt werden kann. Aufgrund der tiefen Dampfparameter wird deshalb üblicherweise auf einen nachgeschalteten Wasser-/Dampf-Kreislauf verzichtet, da damit nur ein sehr schlechter Wirkungsgrad erzielt werden kann.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Kraftwerksanlage der ein­ gangs genannten Art den Gesamt-Wirkungsgrad der Anlage zu erhöhen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des ersten Anspruchs gelöst.
Kern der Erfindung ist es also, daß von der Abgasleitung, welche den Rekupera­ tor mit der Gasturbine verbindet, über eine Verzweigung mindestens eine weitere Abgasleitung abzweigt und daß diese Abgasleitung in einen Abhitzedampferzeu­ ger einmündet. Der Abgasstrom der Turbine wird dadurch in mindestens einen ersten und einen zweiten Teilstrom aufgeteilt, wobei der erste Teilstrom einem Abhitzedampferzeuger zugeführt wird, in dem die Wärmeenergie des ersten Teil­ stromes an einen Wasser-/Dampf-Kreislauf abgegeben wird. Der zweite Teilstrom wird dem Rekuperator zur Erhitzung der verdichteten Luft zugeführt. Die Rest­ wärmeenergie des aus dem Rekuperator austretende zweiten Teilstromes wird an den Wasser-/Dampf-Kreislauf abgegeben.
Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, daß durch die ho­ he Wärmeenergie und Temperatur des ersten Teilstromes der Dampf im Wasser-/Dampf-Kreislauf stärker überhitzt werden kann. Dadurch steht Dampf mit höheren Dampfparametern zur Verfügung, der beispielsweise in einer Dampfturbine oder einer Industrieanlage verwendet werden kann. Die Restwärme des zweiten Teil­ stromes aus dem Rekuperator wird zur Vorwärmung des Wassers im Wasser-/Dampf-Kreislauf und/oder eventuell auch zur Dampferzeugung verwendet, je nach Dampfparametern und Rekuperatorauslegung. Dadurch wird die Wärme­ energie der Abgase fast vollständig ausgenützt. Insgesamt wird ein sehr hoher Wirkungsgrad erzielt und die Kraftwerksanlage arbeitet dadurch sehr wirtschaft­ lich.
Es ist besonders zweckmäßig, wenn der aus dem Rekuperator austretende zweite Teilstrom in den Abhitzedampferzeuger eingeleitet wird. Dadurch kann dieser Teilstrom auch zur weiteren Dampferzeugung verwendet werden, wodurch ein höherer Wirkungsgrad resultiert. Weiter können dadurch die Wärmetauscher­ flächen in der Vorerwärmung verkleinert werden, wodurch eine Kostenersparnis resultiert.
Im übrigen wird noch ein Verfahren zum Betrieb einer gattungsgemäßen Kraft­ werksanlage angegeben.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
In der einzigen Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer schematischen Darstellung einer Gasturbogruppe mit nachgeschalteten Wärme­ tauschern dargestellt.
Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt.
Weg zur Ausführung der Erfindung
Gemäß der einzigen Figur besteht eine Gasturbogruppe im wesentlichen aus ei­ nem ersten Verdichter 40a, einem zweiten Verdichter 40b, einer Turbine 41 und einem Generator 46, die über eine Welle 42 verbunden sind, sowie einer Brenn­ kammer 43. Im ersten Verdichter 40a wird Luft über eine Luftzuführung 44 ange­ saugt, komprimiert und die verdichtete Luft in einen Zwischenkühler 47 geleitet. Dort wird die durch die Komprimierung erhitzte, verdichtete Luft abgekühlt und in den zweiten Verdichter 40b geleitet, wo die Luft weiter komprimiert wird. Ein klei­ ner Teil der verdichteten Luft kann zur Kühlung der mit heißen Gasen beauf­ schlagten Teile der Gasturbine 41 sowie der Brennkammer 43 verwendet werden. Die restliche verdichtete Luft wird über eine Leitung 2 in einen Rekuperator 1 ge­ leitet, wo die verdichtete Luft erhitzt wird. Die erhitzte, verdichtete Luft wird über eine Leitung 3 in die Brennkammer 43 geleitet. Dort wird der Verbrennungsluft Brennstoff 45 zugeführt und das Brennstoff-Luft-Gemisch verbrannt. Die entstan­ denen Rauchgase werden in die Turbine 41 eingeleitet, wo sie entspannt werden und ein Teil der Energie der Rauchgase in Drehenergie umgewandelt wird. Diese Drehenergie wird über die Welle 42 zum Antrieb des Generators 46 und der Ver­ dichter verwendet.
Die noch heißen Abgase werden danach über eine Abgasleitung 7 zu einer Ver­ zweigung 18 geleitet, wo der Abgasstrom in zwei Teilströme aufgeteilt wird. Ein erster Teilstrom 19 wird über eine weitere Abgasleitung 9 einem Abhitzedampfer­ zeuger 10 zugeführt. Nach Abgabe der Wärme an einen Wasser-/Dampf-Kreislauf 31 wird der erste Teilstrom 19 über eine Leitung 8 und einen nicht dargestellten Kamin ins Freie geleitet. Beim Wasser-/Dampf-Kreislauf 31 kann es sich um einen offenen oder geschlossenen Kreislauf handeln. Der Abhitzedampferzeuger setzt sich zusammen aus einem Economizer 11, einem Verdampfer 12 und einem Überhitzer 13. Durch den Wasser-/Dampf-Kreislauf 31 wird Wasser in den Econo­ mizer 11 eingespeist und erwärmt, im Verdampfer 12 wird das Wasser verdampft und der entstandene Dampf wird im Überhitzer 13 weiter erhitzt. Der überhitzte Dampf wird über eine Dampfleitung 14 des Wasser-/Dampf-Kreislaufes einem Dampfverbraucher 30 zugeführt.
Beim Dampfverbraucher 30 handelt es sich im dargestellten Fall um eine Dampf­ turbine 32. Der überhitzte Dampf wird in der Dampfturbine 32 arbeitsleistend ent­ spannt und die gewonnene Energie über eine Welle 33 an einen Generator 34 abgegeben. Der über eine Abdampfleitung 35 austretende Abdampf wird in einem Kondensator 36 kondensiert und im zugehörigen Hotwell zwischengespeichert. Das kondensierte Wasser wird über eine Wasserleitung zum Abhitzedampferzeu­ ger 10 gefördert.
Beim Dampfverbraucher kann es sich jedoch auch um beliebigen nicht dargestell­ te Verbraucher, beispielsweise Industrieanlagen handeln. Das Wasser kann dann jedoch möglicherweise nicht mehr zurückgewonnen werden, weshalb direkt genü­ gend entgastes und demineralisiertes Frischwasser in den Abhitzedampferzeuger eingespeist werden muß.
Der zweite Teilstrom 20 der Abgase wird über die Abgasleitung 7 dem Rekupera­ tor 1 zugeführt, wo wie oben beschrieben die verdichtete Luft vor dem Eintritt in die Brennkammer 43 erwärmt wird. Der teilweise abgekühlte zweite Teilstrom 20 wird über eine Leitung 4 in den Abhitzedampferzeuger 10 eingeleitet. Dies ge­ schieht beispielsweise im Bereich des Economizers 11 oder des Verdampfers 12 und ist abhängig von der Temperatur des zweiten Teilstromes 20 beim Austritt aus dem Rekuperator, d. h. die beiden Teilströme werden normalerweise mit unge­ fähr derselben Temperatur vermischt.
Das Aufteilungsverhältnis der beiden Abgasteilströme 19 und 20 wird durch die Menge der zu erhitzenden verdichteten Luft bestimmt. Dabei ist zu beachten, daß die spezifische Wärmekapazität (cp) der verdichteten Luft geringer als die­ jenige der Abgase ist, wodurch die Menge der benötigten Abgase zur Erhitzung der verdichteten Luft kleiner ist als diejenige der zu erhitzenden verdichteten Luft. Der Massenstrom der Abgase beim Austritt aus der Turbine 41 ist zudem größer als derjenige der zu erhitzenden Luft, da die Abgase im wesentlichen aus den Verbrennungsprodukten von verdichteter Luft und Brennstoff sowie der Kühlluft zur Kühlung der mit heißen Gasen beaufschlagten Teile der Gasturbine 41 sowie der Brennkammer 43 bestehen. Dadurch resultiert beispielsweise, daß der Anteil des zweiten Teilstromes 20 ca. 80% oder weniger des Gesamtabgasstromes be­ tragen kann.
Die Aufteilung des Abgasstromes in zwei Teilströme 19, 20 bei der Verzweigung 18 erfolgt beispielsweise indem der Querschnitt der Abgasleitung 7 mittels einer nicht dargestellten Trennwand entsprechend der Anteile der Teilströme 19, 20 unterteilt wird. Anschließend an die Trennwand wird der Teilstrom 19 in die Ab­ gasleitung 9 eingeleitet. Die Trennwand kann auch beweglich angeordnet sein, um die Anteile der Teilströme 19, 20 je nach Betriebsbedingung einzustellen.
Der Rekuperator wird üblicherweise so ausgestaltet, daß er gegenüber bekann­ ten Rekuperatoren über eine erhöhte Wärmeaustauschfläche verfügt. Dadurch wird eine Parallelität der Abkühlungskurve der Abgase im Vergleich zur Aufhei­ zung der verdichteten Luft erzielt.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das gezeigte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Der Abhitzedampferzeuger kann auch mit einer Zusatzfeuerung ausgestattet werden, um größere Dampfmengen zu erzeugen. Die Art und Ausgestaltung des Abhitzedampferzeugers ist erfindungsunwesent­ lich, es kann sich beispielsweise auch um einen Zwangsdurchlaufkessel (engl. once through boiler) handeln oder es kann ein Zwischenüberhitzer oder Mehr­ druck-Wasser-/Dampfkreislauf zur Anwendung kommen. Der zweite Abgasteil­ strom muß nach dem Austritt aus dem Rekuperator und der Einleitung in den Abhitzedampferzeuger nicht dem ersten Teilstrom zugemischt werden, sondern kann separat durch den Abhitzedampferzeuger geführt werden. Weiter kann der zweite Teilstrom auch durch einen separaten weiteren Abhitzedampferzeuger geleitet werden. Die Gasturbine kann auch mehrstufig mit zwischengeschalteten Brennkammern ausgeführt werden. Die Unterteilung des Abgasstromes bei der Verzweigung kann natürlich auch auf andere Weise erfolgen als oben beschrie­ ben, beispielsweise durch steuerbare Klappen oder ähnliche Vorrichtungen. Der Zwischenkühler beim Verdichter ist nicht erfindungswesentlich und kann auch weggelassen werden.
Bezugszeichenliste
1 Rekuperator
2 Leitung (von 40b zu 1)
3 Leitung (von 1 zu 43)
4 Leitung (von 1 zu 10)
7 Abgasleitung
8 Kamin
9 Abgasleitung
10 Abhitzedampferzeuger
11 Economizer
12 Verdampfer
13 Überhitzer
14 Dampfleitung
18 Verzweigung
19 erster Teilstrom
20 zweiter Teilstrom
30 Dampfverbraucher
31 Wasser-/Dampf-Kreislauf
32 Dampfturbine
33 Welle
34 Generator
35 Abdampfleitung
36 Kondensator
40a erster Verdichter
40b zweiter Verdichter
41 Turbine
42 Welle
43 Brennkammer
44 Luftzuführung
45 Brennstoff
46 Generator
47 Zwischenkühler

Claims (6)

1. Kraftwerksanlage, im wesentlichen bestehend aus jeweils mindestens ei­ nem Verdichter (40a, 40b), einer Brennkammer (43), einer Gasturbine (41), einem Generator (46) und einem Rekuperator (1), wobei der Rekuperator über mindestens eine Abgasleitung (7) mit der Gasturbine (41) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß von der Abgasleitung (7) über mindestens eine Verzweigung (18) mindestens eine weitere Abgasleitung (9) abzweigt und daß diese Abgas­ leitung (9) in einen Abhitzedampferzeuger (10) einmündet.
2. Kraftwerksanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rekuperator (1) über eine Leitung (4) mit dem Abhitzedampfer­ zeuger (10) verbunden ist.
3. Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage, im wesentlichen bestehend aus jeweils mindestens einem Verdichter (40a, 40b), einer Brennkammer (43), einer Gasturbine (41), einem Generator (46) und einem Rekuperator (1), wobei die aus dem Verdichter (40b) austretende verdichtete Luft im Rekuperator (1) durch Abgase der Turbine (41) erhitzt wird und die so er­ hitzte verdichtete Luft in die Brennkammer (43) eingeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasstrom der Turbine (41) in mindestens einen ersten (19) und einen zweiten Teilstrom (20) aufgeteilt wird, daß der erste Teilstrom (19) einem Abhitzedampferzeuger (10) zugeführt wird, in dem die Wärmeener­ gie des ersten Teilstromes (19) an einen Wasser-/Dampf-Kreislauf (31) abgegeben wird, wobei der dadurch erzeugte Dampf einem Dampfverbrau­ cher (30) zugeführt wird, daß der zweite Teilstrom (20) dem Rekuperator (1) zur Erhitzung der verdichteten Luft zugeführt wird und daß die Rest­ wärmeenergie des aus dem Rekuperator (1) austretenden zweiten Teilstro­ mes (20) an den Wasser-/Dampf-Kreislauf (31) abgegeben wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der aus dem Rekuperator (1) austretende zweite Teilstrom (20) in den Abhitzedampferzeuger (10) eingeleitet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teilströme (19, 20) im Abhitzedampferzeuger (10) ver­ mischt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des in den Rekuperator (1) eingeleiteten zweiten Teilstro­ mes (20) am aus der Gasturbine (41) austretenden Gesamtabgasstrom mehr als die Hälfte, insbesondere 80% des Gesamtabgasstromes beträgt.
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