DE2350581C3

DE2350581C3 - Combined gas turbine-steam power plant

Info

Publication number: DE2350581C3
Application number: DE19732350581
Authority: DE
Inventors: Emile Dipl.-Ing. Winterthur Aguet (Schweiz)
Original assignee: Gebrueder Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1973-10-02
Filing date: 1973-10-09
Publication date: 1976-03-04

Description

Die Erfindung betrifft eine kombinierte Gasturbinen-Dampfkraftanlage, die mindestens eine aus Verdichter, Brennkammer und Gasturbine bestehende Gasturbinengruppe mit nachgeschaltetem Abgasdampferzeuger aufweist, der mit einem Speisewasservorwärmer und einem daran angeschlossenen Verdampfer versehen ist, wobei ein weiterer, von den Abgasen der Gasturbinengruppe unabhängiger, unter Verwendung von Frischluft befeuerter Dampferzeuger mit in Serie geschaltetem Speisewasservorwärmer, Verdampfer und Überhitzer vorgesehen ist, sowie mit einer Dampfturbine, die Frischdampf des befeuerten Dampferzeugers und Dampf des Abgasdampferzeugers erhält.The invention relates to a combined gas turbine-steam power plant, the at least one gas turbine group consisting of a compressor, a combustion chamber and a gas turbine with downstream exhaust gas steam generator, which is connected to a feed water preheater and an evaporator connected to it is provided, with another one of the exhaust gases from the gas turbine group independent steam generator fired using fresh air and connected in series Feed water preheater, evaporator and superheater is provided, as well as with a steam turbine, the live steam of the fired steam generator and steam of the exhaust steam generator receives.

Eine solche Anlage ist aus der Zeitschrift »Oil Engine and Gas Turbine« März 1964, S. 52 bekannt, wobei jeder Dampferzeuger seine eigene Speisewasserzufuhr hai und der Abgasdampferzeuger ebenfalls einen Überhitzer aufweist. Sie hat im Vergleich zu Dampfkraftanlagen ohne Gasturbine den Vorteil eines höheren Wirkungsgrades sowie geringere Anlagekosten. Trotzdem haben sich kombinierte Anlagen noch nicht allgemein durchgesetzt, was darauf beruhen mag, daß die Betriebssicherheit von Gasturbinenanlagen noch nicht gleich gut ist wie die von konventionellen Dampfkraftanlagen. Für kombinierte Anlagen besteht somit ein erhöhtes Ausfallrisiko.Such a system is known from the magazine "Oil Engine and Gas Turbine" March 1964, p. 52, each The steam generator has its own feed water supply and the exhaust steam generator also has a superheater having. Compared to steam power plants without a gas turbine, it has the advantage of higher efficiency as well as lower investment costs. Even so, combined systems have not yet become general enforced, which may be based on the fact that the operational safety of gas turbine plants is not yet is just as good as that of conventional steam power plants. There is therefore an increased for combined systems Failure risk.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, kombinierte Anlagen der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß das Ausfallrisiko wesentlich verringert ist.The invention is based on the object of improving combined systems of the type mentioned at the outset in such a way that that the risk of failure is significantly reduced.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Speisewasservorwärmer des Abgasdampferzeugers so bemessen ist, daß er mindestens doppelt soviel Speisewasser vorwärmt wie im Verdampfer des Abgasdampferzeugers verdampt wird, daß der Speisewasservorwärmer des Abgasdampferzeugers und der Speisewasservorwärmer des befeuerten Dampferzeugers austrittsseitig über eine absperrbare Sammelleitung miteinander verbunden sind und daO auch der Verdampfer des Abgasdampferzeugers und der Verdampfer des befeuerten Dampferzeugers austrittsseitig über eine absperrbare Sammelleitung miteinander verbunden sind.This object is achieved according to the invention in that the feed water preheater of the exhaust gas steam generator is dimensioned so that it preheats at least twice as much feed water as in the evaporator of the Exhaust steam generator is evaporated that the feedwater preheater of the exhaust steam generator and the Feed water preheater of the fired steam generator on the outlet side via a lockable collecting line are connected to one another and there is also the evaporator of the exhaust gas steam generator and the evaporator of the fired steam generator are connected to one another on the outlet side via a lockable collecting line are.

Dadurch, daß der Überhitzer des befeuerten Dampferzeugers die in allen Verdampfern der Anlage erzeugte Dampvmenge aufnimmt und dessen Verdampfer außerdem mit einem Teil des in den Vorwärmern der Abgasdampferzeuger vorgewärmten Speisewassers gespeist wird, lassen sich die bekannten Vorteile des höheren Wirkungsgrades und der geringeren Anlagekosten mit dem Vorteil eines erheblich verminderten Ausfallrisikos kombinieren. Bei Ausfall einer Gasturbinengruppe und damit des zugehörigen Abgasdampferzeugers kann der befeuerte Dampferzeuger höher belastet werden, so daß nicht der gesamte, durch den Ausfall der Gasturbinengruppe bedingte Leistungsverlust zur Wirkung kommt. Bei der höheren Belastung des befeuerten Dampferzeugers steigt zwar die Rauchgastemperatur im Kamin an, was den gesamten Wirkungsgrad der Anlage etwas verschlechtert, jedoch im Hinblick auf das verringerte Ausfallrisiko ohne weiteres in Kauf genommen werden kann. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anlage besteht darin, daß ihr Anlagewirkungsgrad besser ist, weil die Frischdampftemperatur höher ist und die Abgaswärme besser ausgenützt wird als in der bekannten Anlage.Because the superheater of the fired steam generator generated that in all evaporators of the system Absorbs steam and its evaporator also with part of the in the preheaters Exhaust steam generator is fed preheated feed water, the known advantages of the higher Efficiency and the lower system costs with the advantage of a significantly reduced risk of failure combine. In the event of failure of a gas turbine group and thus the associated exhaust gas steam generator the fired steam generator can be loaded higher, so that not the entire, by the failure the power loss caused by the gas turbine group comes into effect. At the higher load of the fired Steam generator increases the flue gas temperature in the chimney, which increases the overall efficiency of the system has deteriorated somewhat, however, in view of the reduced risk of failure, without further ado Purchase can be made. Another advantage of the plant according to the invention is that its plant efficiency is better because the live steam temperature is higher and the exhaust gas heat is better utilized is known as in the plant.

Aus der Zeitschrift »Brown Boveri Mitteilungen« Dezember 1960, S. 802 bis 806 ist eine kombinierte Gasturbinen-Dampfkraftanlage bekannt, bei der zwei abgasbeheizte Dampferzeuger gasseitig parallel geschaltet sind, von denen der eine mit einer Zusatzfeuerung versehen ist. Dieser Dampferzeuger weist nur Verdampfer und Überhitzer auf, wogegen der andere Dampferzeuger einen Speisewasservorwärmer und einen Verdampfer enthält. Die Verdampfer der beiden Dampferzeuger sind arbeitsmittelseitig parallel geschaltet. Die Dampferzeuger dieser Anlage können nur betrieben werden, wenn auch die Gasturbinengruppe in Betrieb ist.From the magazine "Brown Boveri Mitteilungen" December 1960, pp. 802 to 806 is a combined Gas turbine steam power plant known in which two exhaust gas-heated steam generators are connected in parallel on the gas side of which one is provided with an additional combustion. This steam generator only has Evaporator and superheater on, while the other steam generator has a feed water preheater and contains a vaporizer. The evaporators of the two steam generators are connected in parallel on the working medium side. The steam generators of this plant can only be operated if the gas turbine group is also in Operation is.

Ein Ausführungsbeispiei der Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert.An Ausführungsbeispiei the invention is on hand the drawing explained in more detail.

In der Anlage ist eine erste Gasturbinengruppe 1 vorgesehen, die aus einem Verdichter 2, einer Brennkammer 3 und einer Gasturbine 4 besteht. Die Gasturbine 4 ist über eine Abgasleitung 5 mit einem Abgasdampferseuger 6 verbunden, der einen Speisewasservorwärmer 7 sowie einen Verdampfer 8 enthält. Mit dem Verdichter 2 und der Gasturbine 4 ist ein elektrischer Generator 9 gekuppelt. Der Speisewasservor-In the system, a first gas turbine group 1 is provided, which consists of a compressor 2, a combustion chamber 3 and a gas turbine 4 consists. The gas turbine 4 is connected to an exhaust gas evacuator via an exhaust pipe 5 6 connected, which contains a feed water preheater 7 and an evaporator 8. With An electric generator 9 is coupled to the compressor 2 and the gas turbine 4. The feed water supply

wärmer 7 ist so bemessen, daß in ihm mindestens die doppelte Wassermenge vorgewärmt wird, wie im Verdampfer 8 verdampft wird.warmer 7 is dimensioned so that at least twice the amount of water is preheated in it, as in the evaporator 8 is vaporized.

In der Anlage ist außerdem eine zweite Gasturbinengruppe 11 vorgesehen, die gleich aufgebaut und bemessen ist wie die Gasturbinengruppe 1. Die Gasturbine 14 der zweiten Gasturbinengruppe ist über e-ne Lei'ung 15 mit eine.'.i Abgasdampferzeuger 16 verbunden, der ebenso wie der Abgasdampferzeuger 6 einen Speisewasservorwärmer 17 und einen Verdampfer 18 aufweist. Der Speisewasservorwärmer 17 ist wie der Speisewasservorwärmsr 7 für mindestens die doppelte Wassermenge im Vergleich zum Verdampfer 18 ausgelegt. There is also a second group of gas turbines in the plant 11 is provided, which is constructed and dimensioned the same as the gas turbine group 1. The gas turbine 14 the second gas turbine group is via one line 15 is connected to a. '. I exhaust gas steam generator 16, which, like the exhaust gas steam generator 6, has a feed water preheater 17 and an evaporator 18. The feed water preheater 17 is like the feed water preheater 7 designed for at least twice the amount of water compared to the evaporator 18.

Ferner ist in der Anlage ein weiterer, befeuerter Dampferzeuger 21 vorgesehen, der in seinem unteren Teil eine Brennkammer 23 aufweist, deren Wände mit. einem Verdampfer 24 bekleidet sind. Die Feuerung des Dampferzeugers 21 ist mit 22 bezeichnet. Sie erhält Brennstoff über eine Leitung 31 und vorgewärmte Verbrennungsluft über eine Leitung 30. Im Rauchgasstrom hinter dem Verdampfer 24 folgen im Dampferzeuger 21 ein Überhitzer 25, ein Zwischenüberhitzer 26 und ein Speisewasservorwärmer oder Economiser 27. Am Rauchgasaustritt des Dampferzeugers 21 ist eine Leitung 28 angeschlossen, die zu einem Luftvorwärmer 29 führt, in dem die Vorwärmung der Verbrennungsluft für die Feuerung 22 stattfindet.Furthermore, another, fired steam generator 21 is provided in the system, which in its lower Part has a combustion chamber 23, the walls of which with. an evaporator 24 are clothed. The firing of the Steam generator 21 is denoted by 22. It receives fuel via a line 31 and preheated combustion air via a line 30. In the flue gas flow behind the evaporator 24 follow in the steam generator 21 a superheater 25, a reheater 26 and a feed water preheater or economizer 27. Am A line 28 is connected to the flue gas outlet of the steam generator 21, which leads to an air preheater 29 leads, in which the preheating of the combustion air for the furnace 22 takes place.

Die Verdampfer 8, 18 und 24 der drei Dampferzeuger 6,16 und 21 sind dampfseitig über je einen Abscheider 10, 20 bzw. 40 mit einer Sammelleitung 41 verbunden, die zum Eintritt des < Jberhitzers 25 im Dampferzeuger 21 füiirt. Der Überhitzer nimmt also die in allen drei Dampferzeugern erzeugte Dampfmenge auf. Eine ähnliche Sammelleitung 42 existiert für das vorgewärmte Wasser, indem die Speisewasservorwärmer 7, 17 und 27 austrittsseitig an die Sammelleitung 42 angeschlossen sind, die zum Eintritt des Verdampfers 24 im Dampferzeuger 21 führt.The evaporators 8, 18 and 24 of the three steam generators 6, 16 and 21 are each via a separator on the steam side 10, 20 or 40 connected to a collecting line 41, which leads to the entry of the < Superheater 25 in the steam generator 21. So the superheater takes the in amount of steam generated by all three steam generators. A similar manifold 42 exists for the preheated Water by connecting the feed water preheaters 7, 17 and 27 to the collecting line 42 on the outlet side which leads to the entry of the evaporator 24 in the steam generator 21.

Eintrittsseitig sind die Speisewasservorwärmer 7, 17 und 27 mit einer Verteilleitung 50 verbunden, die über eine Hochdruck-Speisewasserpumpe 51 an einen Speisewasserbehälter 52 angeschlossen ist. Zwischen der Verteilleitung 50 und den Speisewasservorwärmern 7 und 17 ist je ein Ventil 53 und 54 vorgesehen. Entsprechende Ventile 45,46 sind zwischen der Sammelleitung 42 für das vorgewärmte Speisewasser und den Speisewasservorwärmern 7 und 17 angebracht. Ferner sind solche Ventile 47, 48 zwischen der Dampfsammelleitung 41 und den Abscheidern 10 und 20 vorhanden.On the inlet side, the feedwater preheaters 7, 17 and 27 are connected to a distribution line 50, which via a high pressure feed water pump 51 is connected to a feed water tank 52. Between the Distribution line 50 and feedwater preheaters 7 and 17 are each provided with a valve 53 and 54. Appropriate Valves 45, 46 are between the manifold 42 for the preheated feed water and the feed water preheaters 7 and 17 attached. Furthermore, such valves 47, 48 are between the steam manifold 41 and the separators 10 and 20 are available.

Der Austritt des Überhitzers 25 ist mit dem Eintritt der Hochdruckstufe 62 einer Dampfturbine verbunden. Der Zwischenüberhitzer 26 ist zwischen dem Austritt der Hochdruckstufe 62 und dem Eintritt einer Mittel- und Niederdruckstufe 63 der Dampfturbine geschaltet, die einen elektrischen Generator 65 antreibt. Am Austritt der Niederdruckstufe ist ein Kondensator 66 angeschlossen, der über eine Kondensatleitung 67 mit dem Speisewasserbehälter 52 in Verbindung steht. Die Kondensatleitung weist eine Kondensatpumpe 68 und mehrere dampfbeheizte Vorwärmer 69 auf.The outlet of the superheater 25 is connected to the inlet of the high pressure stage 62 of a steam turbine. The reheater 26 is between the outlet of the high pressure stage 62 and the inlet of a medium and low-pressure stage 63 of the steam turbine, which drives an electrical generator 65. At the exit the low-pressure stage, a condenser 66 is connected, which via a condensate line 67 with the Feed water tank 52 is in communication. The condensate line has a condensate pump 68 and several steam-heated preheater 69 on.

Im Normalbetrieb der Anlage sind alle drei Dampferzeuger 6, 16 und 21 in Betrieb. Die sechs Ventile 45, 46, 47, 48, 53 und 54 sind geöffnet, und das Abgas der Gasturbinen 4 und 14 der Gasturbinengruppe 1 und 11 strömt mit einer Temperatur von ungefähr 500⁰C über die Abgaslehungen 5 und 15 in die Abgasdampferzeuger 6 bzw. 16. Die beiden Speisewasservorwärmer 7 und 17 der Abgasdampferzeuger 6 und 16 erhalten mittels der Hochdruck-Speisewasserpumpe 51 über die Verteilleitung 50 je eine Speisewassermenge, die ungefähr dreimal so groß ist wie die in den Verdampfern 8 und 18 erzeugte Dampfmenge. Bei der Vorwärmung und Verdampfung des Arbeitsmittels kühlt sich das Abgas auf etwa 180⁰C ab, mit welcher Temperatur das Abgas die Anlage verläßt. Das von etwa 150⁰C auf etwa 330⁰C vorgewärmte Speisewasser gelangt vonDuring normal operation of the system, all three steam generators 6, 16 and 21 are in operation. The six valves 45, 46, 47, 48, 53 and 54 are opened and the exhaust gas of the gas turbine 4 and 14 of the gas turbine group 1 and 11 flows at a temperature of about 500 ⁰ C on the Abgaslehungen 5 and 15 in the exhaust steam generator 6 or 16. The two feed water preheaters 7 and 17 of the exhaust gas steam generators 6 and 16 each receive a feed water amount by means of the high pressure feed water pump 51 via the distribution line 50 which is approximately three times as large as the amount of steam generated in the evaporators 8 and 18. During the preheating and evaporation of the working medium, the exhaust gas cools down to about 180 ^° C., at which temperature the exhaust gas leaves the system. The feed water, which has been preheated from approximately 150 ^° C. to approximately 330 ^{° C., comes from}

■ 5 den Speisewasservorwärmern 7 und 17 zu je einem Drittel in den zugehörigen Verdampfer 3 bzw. 18, während der Rest über die Sammelleitung 42 in den Verdampfer 24 des befeuerten Dampferzeugers 2i geführt wird. Die von der Hochdruck-Spjisewasserpumpe 51■ 5 the feed water preheaters 7 and 17 each one Third into the associated evaporator 3 or 18, while the rest via the collecting line 42 into the evaporator 24 of the fired steam generator 2i is performed. The from the high pressure jet water pump 51

ω geförderte und nicht den Abgasdampferzeugern δ und 16 zugeführte Speisewassermenge gelangt zum Speisewasservorwärmer 27 des Dampferzeugers 21, wo sie ebenfalls auf ungefähr 330⁰C vorgewärmt wird und dann dem Verdampfer 24 zuströmt. Die in den drei Verdampfern 8, 18 und 24 erzeugte Sattdampfmenge strömt über die Sammelleitung 41 zum Überhitzer 25, den sie mit einem Druck von ungefähr 180 ata und 540⁰C verläßt. Nach teilweiser Entspannung in der Hochdruckstufe 62 wird der Dampf im Zwischenüberhitzer 26 nochmals überhitzt und gelangt mit ungefähr 34 ata und 540⁰C in die Mittel- und Niederdruckstufe 63 der Dampfturbine. Das Rauchgas verläßt den Dampferzeuger 21 mit etwa 340⁰C und gelangt über die Leitung 28 in den Luftvorwärmer 29, in dem eine Abkühlung des Rauchgases auf etwa 140° C eintritt, während die Luft auf etwa 25O⁰C vorgewärmt wird. Während die beiden Gasturbinengruppen 1 und 11 ungefähr je 83 MW abgeben, beträgt die Leistungsabgabe des von der Dampfturbine angetriebenen Generators etwa 283 MW. Mit der beschriebenen Anlage läßt sich im Normalbetrieb ein Wirkungsgrad von etwa 44% er reichen.ω promoted and not the exhaust gas steam generators δ and 16 fed feed water amount reaches the feed water preheater 27 of the steam generator 21, where it is also ^{preheated to approximately 330 0} C and then flows to the evaporator 24. The amount of saturated steam generated in the three evaporators 8, 18 and 24 flows through the bus line 41 to the superheater 25, which they leave at a pressure of about 180 ata and 540 ⁰ C. After partial relaxation in the high pressure stage 62, the steam is superheated again in the reheater 26 and reaches the medium and low pressure stage 63 of the steam turbine ^{at approximately 34 ata and 540 ° C.} The flue gas leaving the steam generator 21 to about 340 ⁰ C and passes enters via line 28 into the air preheater 29, in which a cooling of the flue gas to about 140 ° C, while the air is preheated to about 25O ⁰ C. While the two gas turbine groups 1 and 11 each deliver approximately 83 MW, the power output of the generator driven by the steam turbine is around 283 MW. With the system described, an efficiency of about 44% can be achieved in normal operation.

Fällt beispielsweise die Gasturbinengruppe 1 aus, so kann der zugehörige Abgasdampferzeuger 6 abgeschaltet werden, indem die Ventile 45, 47 und 53 geschlossen werden. Bei gleichbleibender Förderleistung der Hochdruck-Speisewasserpumpe 51, gelangt nunmehr entsprechend mehr Speisewasser in den Speisewasservorwärmer 27. Durch Erhöhen der Feuerleistung der Feuerung 22 kann der Dampferzeuger 21 eine größere Dampfmenge produzieren, wobei die Rauchgastemperatur hinter dem Luftvorwärmer 29 zwar ansteigt und der Gesamtwirkungsgrad etwas verschlechtert wird, der durch den Ausfall der Gasturbinengruppe 1 entstandene Leistungsverlust beträgt jedoch nur knapp 20%. Sollte, was sehr unwahrscheinlich ist, auch die zweite Gasturbinengruppe 11 ausfallen, so vermag die Anlage bei alleinigem Betrieb des befeuerten Dampferzeugers 21 noch etwa 50% ihrer Nennleistung abzugeben, wodurch das Ausfallrisiko der beschriebenen Anlage gegenüber einer konventionellen kombinierten Anlage erheblich vermindert ist.If, for example, the gas turbine group 1 fails, the associated exhaust gas steam generator 6 can be switched off by closing valves 45, 47 and 53. With the same delivery rate the high-pressure feed water pump 51, more feed water now reaches the feed water preheater 27. By increasing the fire output of the furnace 22, the steam generator 21 can produce a larger amount of steam, with the Flue gas temperature behind the air preheater 29 increases and the overall efficiency deteriorates somewhat is, however, the power loss caused by the failure of the gas turbine group 1 is just under 20%. If, which is very unlikely, the second gas turbine group 11 should also fail, so the system is capable of around 50% of its nominal output when the fired steam generator 21 is operated on its own to give up, whereby the risk of failure of the described system compared to a conventional one combined system is significantly reduced.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Combined gas turbine-steam power plant, which consists of at least one compressor and combustion chamber and gas turbine has existing gas turbine group with downstream exhaust gas steam generator, which is provided with a feed water preheater and an evaporator connected to it, another, more independent of the exhaust gases from the gas turbine group, using Fresh air fired steam generator with series-connected feed water preheater, evaporator and superheater is provided, as well as with a steam turbine, the live steam of the fired Steam generator and steam from the exhaust gas generator, characterized in that the feedwater preheater (7, 17) of the exhaust gas steam generator (6,16) is dimensioned so that it is at least twice as much feed water is preheated as in the evaporator (8,18) of the exhaust gas steam generator (6, 16) is evaporated that the feedwater preheater (7,17) of the exhaust gas steam generator (6,16) and the Feed water preheater (27) of the fired steam generator (21) on the outlet side via a shut-off valve Manifold (42) are interconnected and that the evaporator (8, 18) of the Exhaust gas steam generator (6, 16) and the evaporator (24) of the fired steam generator (21) on the outlet side are connected to each other via a lockable collecting line (41).

2. Plant according to claim 1, characterized in that the feedwater preheater (27) of the fired Steam generator (21) on the inlet side after the high pressure feed water pump (51) with a Distribution line (50) is connected to which the feedwater preheater (7, 17) of the exhaust gas steam generator (6,16) is connected.

3. Plant according to claim 1, characterized in that the furnace (22) of the fired steam generator (21) is dimensioned so that it will fail in the event of failure of the gas turbine group (1) or gas turbine groups (1, 11) can deliver an increased heating output.

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