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EP0976914A1 - Vorrichtung sowie Verfahren zur schnellen Bereitstellung von Leistungsreserven bei kombinierten Gas- und Dampfturbinenanlagen - Google Patents

Vorrichtung sowie Verfahren zur schnellen Bereitstellung von Leistungsreserven bei kombinierten Gas- und Dampfturbinenanlagen Download PDF

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Publication number
EP0976914A1
EP0976914A1 EP98810728A EP98810728A EP0976914A1 EP 0976914 A1 EP0976914 A1 EP 0976914A1 EP 98810728 A EP98810728 A EP 98810728A EP 98810728 A EP98810728 A EP 98810728A EP 0976914 A1 EP0976914 A1 EP 0976914A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
steam
steam turbine
pressure
steam generator
heat
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP98810728A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0976914B1 (de
Inventor
Erhard Dr. Liebig
Jean-Pierre Rickli
Werner Schmidhofer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Electric Switzerland GmbH
Original Assignee
ABB Asea Brown Boveri Ltd
Asea Brown Boveri AB
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ABB Asea Brown Boveri Ltd, Asea Brown Boveri AB filed Critical ABB Asea Brown Boveri Ltd
Priority to EP19980810728 priority Critical patent/EP0976914B1/de
Priority to DE59807318T priority patent/DE59807318D1/de
Publication of EP0976914A1 publication Critical patent/EP0976914A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0976914B1 publication Critical patent/EP0976914B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • 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
    • F01K23/106—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 with water evaporated or preheated at different pressures in exhaust boiler

Definitions

  • a gas and steam turbine system with a water-steam circuit to drive the steam turbine via at least one inlet valve connected to this, in addition to the heat recovery steam generator at least a heat store on which is coupled to the heat recovery steam generator and from the required saturated water or steam for the heat recovery steam generator rapid provision of power reserves can be fed.
  • the invention is based on the idea of an optimal for the performance data a combined heat and power plant designed waste heat steam generator connect additional heat storage.
  • the possible enthalpy gradient of the steam turbine not fully exploited, so that a power reserve through fast Opening the intake valves is available.
  • the size of the power reserve to be applied depends on the distance of the currently driven power with throttled Inlet valve to power level with the inlet valve fully open from. If an increase in performance according to "primary or secondary response" is required, the system is switched to sliding pressure mode, i.e. the steam turbine inlet valves are fully opened. This means that the entire enthaloie gradient can be immediately the steam turbine become effective. There is an increase in performance the steam turbine.
  • the associated with the opening of the intake valves Pressure reduction enables this in the steam generator drum and additionally in the additional heat accumulator coupled to this pressure level to evaporate the saturated water. This steam becomes the steam turbine fed and enables a further short-term increase in performance.
  • the pump 8 delivers saturated water from Constant pressure accumulator 7 preferably in the steam generator drum 3.
  • Constant pressure accumulator 7 preferably in the steam generator drum 3.
  • Die Pump 8 also serves to empty the cold water content after a Start or saturated water for the purpose of decommissioning.
  • the combined cycle power plant designed according to the invention can be operated in this way by means of an inlet valve 12 of the steam turbine 6 in a fixed-pressure mode.
  • saturated water is conveyed from the heat store 7 via the drum 3 into the steam generator 20, as a result of which the supply via the economizer 2 can be reduced.
  • a connecting line III provides the exit of the economizer 2 with the gradient store 10 via a corresponding valve connects, for filling the gradient store 10 with saturated water.
  • Fig. 2 is for unloading a connecting line between the gradient store 10 and the entrance of the Superheater 5 and the steam turbine provided.
  • the gradient store 10 can also be connected to the steam space of the separator 9 are connected, but this is not directly entered in Fig. 2.
  • FIG. 3a shows with the aid of the first exemplary embodiment of a rotary drum steam generator consisting of constant pressure accumulator 7 and gradient accumulator 10.
  • the constant pressure accumulator 7 is unchanged according to the exemplary embodiment Fig. 1 connected to the drum 3.
  • the following supply lines are provided:
  • a feed line Z1 connects the gradient reservoir 10 to the steam line 11 via the live steam can be fed into the gradient store 10.
  • Another Lead Z2 connects the gradient store 10 to the drum 3 in such a way that 3 saturated steam are introduced into the gradient reservoir 10 from the drum can.
  • Another feed line Z3 connects the gradient reservoir 10 to the saturated water area the drum 3 so that saturated water is introduced into the gradient reservoir can be. All supply lines contain control valves through which the filling process can run regulated.
  • the embodiments shown in Figs. 1 and 3a of a waste heat steam generator correspond to the so-called drum circulation steam generator principle.
  • FIG. 3b a so-called forced-through steam generator arrangement is shown in FIG. 3b shown, in which, as in Fig. 2, the gradient store 10 is arranged accordingly.
  • the arrangement according to FIG. 3b a constant pressure accumulator 7 in front, which for loading via a supply line with Vetil to regulate the loading process.
  • the saturated water required for loading is removed at a suitable point between the economizer and the evaporator.
  • the unloading process of the gradient store takes place via the pressure drop inside the water-steam circuit by opening at least one steam turbine inlet valve 12, which causes the feed water under saturated water conditions immediately evaporated within the gradient store and the steam turbine is additionally fed.
  • the capacity reserves required to increase performance can of course be used also by appropriate dimensioning, for example the Steam generator drum can be achieved. Of course it is possible that Power reserves also at the different pressure levels of the heat recovery steam generator to distribute.

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Abstract

Beschrieben wird eine Vorrichtung zur schnellen Bereitstellung von Leistungsreserven bei kombinierten Gas- und Dampfturbinenanlagen mit einem Wasser-Dampfkreislauf, der zum Antrieb der Dampfturbine (6) über wenigstens ein Einlaßventil (12) mit dieser verbunden ist und an dem zusätzlich zur Speisewassereinheit wenigstens eine Wärmespeichereinheit (7,10) angekoppelt ist, aus der bedarfsweise über ein Regelventil Dampf in den Kreislauf zusätzlich einspeisbar ist. Ferner wird ein Verfahren zum Betreiben einer diesbezüglichen kombinierten Gas- und Dampfturbinenanlage beschrieben. <IMAGE>

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur schnellen Bereitstellung von Leistungsreserven bei kombinierten Gas- und Dampfturbinenanlagen.
Stand der Technik
Die Konkurrenzfähigkeit einzelner Stromanbieter im Bereich der elektrischen Energieversorgung, insbesondere in den durch wachsendem Wettbewerb gekennzeichneten Märkten, hängt nicht zuletzt davon ab, wie schnell die stromerzeugenden Anlagen in der Lage sind, elektrische Leistung zur Einspeisung in die Verbrauchernetze zu generieren. Häufig wird demjenigen Stromanbieter der Vorzug gegeben, der innerhalb weniger Sekunden die für die Deckung des Energiebedarfs erforderliche elektrische Leistung, insbesondere zu Zeiten hohen Stromverbrauches, zur Verfügung stellen kann. Darüber hinaus spielt zur Beurteilung der Qualität von stromerzeugenden Anlagen ebenso die Frequenzstabilität des erzeugten elektrischen Stromes eine wichtige Rolle. Treten Frequenzschwankungen in dem von Kraftwerken erzeugten elektrischen Strom auf, die typischerweise von der gängigen Netzfrequenz von 50 bzw. 60 Hz abweichen, so sind dies Anzeichen dafür, daß das Kraftwerk regelungstechnisch bzw. leistungsmäßig an seinen Grenzen angelangt ist und der Energiebedarf im Netz einer größeren Änderung unterliegt.
Von besonderem Interesse ist dabei ein stark steigender Leistungsbedarf, welcher mit einem Absinken der Frequenz einhergeht. Die Ursachen können dabei sowohl steigender Verbrauch als auch Ausfall von Erzeugereinheiten sein.
Um derartigen Situationen entgegenzutreten, müssen kurzfristig Leistungsreserven mobilisiert werden, um die erhöhten Energiebedarfsspitzen zu decken.
Zur Vereinheitlichung der an die Kraftwerke zu stellenden Forderungen hinsichtlich der kurzfristigen Bereitstellung von zusätzlich aktivierbaren Leistungsreserven haben sich nach dem sogenannten "Grid-Code" folgende Kategoriebegriffe etabliert:
"Primary Response" bedeutet die Bereitstellung zusätzlicher Leistungsreserven innerhalb von 10 Sekunden für eine Zeitdauer von etwa 20 Sekunden.
"Secondary Response" bedeutet, daß Leistungsreserven innerhalb 30 Sekunden für eine Zeitdauer von weiteren 30 Minuten zur Verfügung gestellt werden müssen.
"Five Minute Reserve" bedeutet, daß Leistungsreserven innerhalb von 5 Minuten für wenigstens vier Stunden zur Verfügung stehen.
a) In herkömmlichen Dampfkraftwerken werden unter Normalbetriebsbedingungen im Falle der Bereitstellung einer derartigen vom Netz vorgeschriebenen Sofortreserve die Einlaßventile, durch die der Dampf zur Versorgung der Dampfturbine hindurchströmt, angedrosselt, d.h. in einer nicht vollständig geöffneten Position gefahren, um im Falle eines kurzfristigen Bedarfs an zusätzlicher Leistung die Möglichkeit zu haben, durch schnelles vollständiges Öffnen der Einlaßventile der Dampfturbine eine zeitlich begrenzten positiven Leistungsgradienten fahren zu können.
Die Androsselung der Dampfturbineneinlaßventile bewirkt neben dem Drosseleffekt am Expansionsbeginn eine Verkürzung der Expansion (Enthalpiegefälle) am Expansionsende und damit einen Leistungsverlust. Andererseits wird durch das vollständige Öffnen der Einlaßventile das Gefälle in der Dampfturbine verlängert und damit auch zusätzlich Leistung erzeugt.
Durch diesen Vorgang, d.h. durch kurzzeitiges, vollständiges Öffnen der Einlaßventile kann es zusätzlich zu einer Druckentlastung innerhalb des WasserDampfkreislaufes kommen. Die Auslegung des Dampferzeugers bzw. der Betriebspunkt der Anlage sollten dabei so gewählt werden, daß diese mögliche Druckentlastung nicht zu einer Abnahme des Dampfmassenstromes führt.
Durch das vollständige Öffnen und Offenhalten der Einlaßventile an der Dampfturbine wird zur Gleitdruckfahrweise übergegangen, d.h. der Ausgleich zwischen den dampferzeugerseitig bestimmten Parametern Dampfmassenstrom und Temperatur infolge Wärmeeintrag und dem dampfturbinenseitig bestimmten Druck wird vom System selbst übernommen.
b) Alternativ oder in Kombination zu der vorstehend genannten Maßnahme des vollständigen Öffnen vorhandener angedrosselter Einlaßventile, können jegliche Anzapfungen oder Entnahmen innerhalb des Wasser-Dampfkreislaufes geschlossen werden. Unter Anzapfungen oder Entnahmen werden hierbei all jene Orte an der Dampfturbine verstanden, an denen Dampf gezielt entnommen wird. Im Falle einer Anzapfung wird der Druck des entnommenen Dampfes nicht geregelt, sondern hängt vielmehr von der aktuellen Dampfturbinenbelastung ab. Im Gegensatz dazu spricht man von Entnahme, wenn der Dampf mit geregeltem der Druck entnommen wird, d.h. es ist ein spezielles Regelorgan vorgesehen.
c) Auch ist es zur kurzfristigen Leistungssteigerung bei industriellen Anlagen der Kraft-Wärme-Kopplung mit Gegendruck- oder Entnahme-Gegendruckturbinen bekannt, mittels Hilfskondensation bzw. Abblasen über Dach Leistungsreserven zu mobilisieren.
Diese und alle vorstehenden Maßnahmen weisen jedoch den Nachteil auf daß das konventionell betriebene Dampfkraftwerk zumindest während der erläuterten speziellen Fahrweise stark verlustbehaftet und daher mit geringerem Wirkungsgrad betrieben werden muß.
Die vorstehend angedeuteten Maßnahmen zur Leistungssteigerung werden bei reinen Dampfturbinenkraftwerken vorgenommen. Im Unterschied zum reinen Dampfturbinenkraftwerk werden kombinierte Gas- und Dampfkraftwerke dampfturbinenseitig in der Regel im sogenannten Festdruck-Gleitdruckbetrieb gefahren. Hierbei wird im untersten Lastbereich der Kombianlage im Wasser-Dampfkreislauf ein konstanter Dampfdruck eingestellt, indem die Einlaßventile an der Dampfturbine geregelt gefahren werden. Im oberen Lastbereich hingegen sind die Dampfturbinen-Einlaßventile voll geöffnet, so daß der Druck als Ergebnis des Dampfturbinen- und Dampferzeugerverhaltens entsprechend den gefahrenen Betriebsbedingungen gleiten kann.
Bei einer derartigen Betriebsweise einer Kombianlage können Leistungsreserven für die Kategorie "Primary Response" und "Secondary Response" nur mit der Gasturbine aufgebracht werden. Da zur Bildung der Leistungsreserven die Dampfproduktion im Abhitzedampferzeuger im Vergleich zur Gasturbinenleistung verzögert erfolgt, kann der Dampfturbinenteil der Kombianlage Leistungsreserven erst für die Kategorie "Five Minute Reserve" zur Verfügung stellen.
Im Vergleich zu einem konventionellem Dampferzeuger ist die in einem Abhitzedampferzeuger zur Verfügung stehende Abgaswärme auf die Abgastemperatur der Gasturbine beschränkt. Abhitzedampferzeuger besitzen daher insbesondere bei größeren Anlagen nicht nur eine Druckstufe. Zur optimalen Abwärmenutzung kommen Dampferzeuger mit ein, zwei oder drei Druckstufen zum Einsatz. Jede Druckstufe besteht aus dem Verdampfer und entsprechend der Schaltung bzw. Anwendung aus zugehörigen Economizer und Uberhitzer. Bis heute sind nahezu alle Abhitzedampferzeuger als Trommel-Umlaufverdampfer ausgeführt. In modernen Anlagen kommen auch vermehrt Zwangsdurchlauf-Dampferzeuger zum Einsatz, siehe auch DE 195 44 225 A1.
Ein weiterer Unterschied zum konventionellen Dampfkraftwerk besteht darin, daß die Leistung der Dampfturbine nur 30...35% der Gesamtleistung beträgt. Der größere Leistungsanteil kommt von der Gasturbine.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur schnellen Bereitstellung von Leistungsreserven für kombinierte Gas- und Dampfturbinenanlagen mit möglichst geringen Verlusten und weitgehend unverändert hohem Wirkungsgrad anzugeben. Insbesondere sollen die Leistungsreserven vom Dampfturbinenteil der Kombianlage innerhalb kürzester Zeit zur Verfügung gestellt werden können.
Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist in den Ansprüchen 1 und 3 angegeben, die eine erfindungsgemäße Vorrichtung beschreiben. Gegenstand des Anspruchs 9 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren. In den Unteransprüchen sind die Erfindung vorteilhaft weiterbildende Merkmale enthalten.
Erfindungsgemäß weist eine Gas- und Dampfturbinenanlage mit einem Wasser-Dampfkreislauf, der zum Antrieb der Dampfturbine über wenigstens ein Einlaßventil mit dieser verbunden ist, zusätzlich zum Abhitzedampferzeuger wenigstens einen Wärmespeicher auf der an den Abhitzedampferzeuger angekoppelt ist und aus dem bedarfsweise Sattwasser oder Dampf für den Abhitzedampferzeuger zur schnellen Bereitstellung von Leistungsreserven einspeisbar ist.
Typische Abhitzedampferzeuger und Wasser-Dampfkreisläufe von kombinierten Gas-Dampfturbinenanlagen gehen beispielsweise aus dem Buch von R. Kehlhofer, "Combined-Cycle Gas & Steam Turbine Power Plants", The Fairmont Press, Inc. hervor. Die Abhitzedampferzeuger weisen mindestens ein Verdampfersystem, in der Regel als Trommel-Umlaufverdampfer ausgeführt, mit zugehörigem Economizer und Überhitzer auf Im Falle von Mehrdrucksystemen sind zahlreiche Economizer-Schaltungen möglich. Das Vorhandensein von Überhitzern hängt vom Wasser-Dampf-Kreislauf und den Parametern ab.
Die Menge der Dampfproduktion innerhalb des Abhitzedampferzeugers hängt unter dynamischen Bedingungen nicht zuletzt auch von dem Fassungsvolumen der Trommel sowie der darin herrschende Druckverhältnisse ab. Zwar würde eine bloße Vergrößerung des Fassungsvermögens der Trommel bei speziellen Fahrweisen im Bedarfsfalle zu einer ungleich größeren Dampferzeugungsrate führen, doch würde das Anfahrverhalten der Dampfturbine durch allzu groß gestaltete Dampferzeuger-Trommeln insbesondere beim Kaltstart nachteilhaft beeinträchtigt werden.
Der Erfindung liegt vielmehr die Idee zugrunde, an einem optimal für die Leistungsdaten eines Kombikraftwerkes ausgelegten Abhitzedampferzeuger einen zusätzlichen Wärmespeicher anzukoppeln.
Der als "stille Reserve" dienende erfindungsgemäß zusätzliche Wärmespeicher ist vorteilhafterweise als Druckkessel ausgebildet, in dem Sattwasserbedingungen herrschen. Das Aufladen eines derartigen zusätzlichen Sattwasserreservoirs kann vorzugsweise während des Normalbetriebes einer Kombianlage durch gezielte Anspeisung von mit im Dampferzeuger vorhandenem, überschüssigem Sattwasser bzw. Dampf oder durch Entnahme- bzw. Anzapfdampf aus der Dampfturbine erfolgen. Durch das nachträgliche Aufladen des zusätzlichen Wärmespeichers nach der Anfahrphase der Kombianlage können all jene mit dem Erhitzen größerer Wassermengen verbundene Nachteile während eines Anfahrvorganges vermieden werden.
Zum einen ist es möglich ein erfindungsgemäß ausgestaltetes Kombikraftwerk in der sogenannten Festdruckfahrweise zu betreiben, indem wenigstens ein Einlaßventil der Dampfturbine zur Einstellung eines festen Arbeitsdruckes unabhängig von der Leistung der Dampfturbine geregelt wird. Der Wärmespeicher ist vorteilhafterweise an das Hochdrucksystem des Abhitzedampferzeugers angekoppelt. Im Falle von aufzubringenden Leistungsreserven wird Sattwasser aus dem Wärmespeicher in den Abhitzedampferzeuger vorzugsweise mittels einer Pumpe gefördert, wodurch die Speisung über den Economiser für diese Druckstufe vermindert werden kann. Den im Rauchgasweg nachgeschalteten Verdampfersystemen steht auf diese Weise zusätzliche Abwärme zur Verfügung, zumal durch Erhöhung der Speisung dieser nachgeschalteten Systeme die Gesamtdampferzeugung deutlich zunimmt.
Auch ist es möglich, ein erfindungsgemäß ausgestaltetes Kombikraftwerk in der Gleitdruckfahrweise zu betreiben, indem wenigstens ein Einlaßventil der Dampfturbine vollständig geöffnet oder ganz geschlossen ist.
Im Falle von möglichst kurzfristig aufzubringenden Leistungsreserven sind die für die Ankopplung des zusätzlichen Wärmespeichers vorgesehenen Regelventile zu öffnen, wodurch das unter Sattwasserbedingungen stehende Reservoirvolumen eine Druckentlastung erfährt und eine zusätzliche Dampfbildung einsetzt, die zur Leistungssteigerung der gesamten Dampfturbinenanlage beiträgt.
Gleichwohl ist es zum Aufrechterhalten einer ständigen Bereitschaft Leistungsreserven auch über den Wasser-Dampf-Kreislauf zu mobilisieren möglich, das Kombikraftwerk dampfturbinenseitig ständig angedrosselt zu betreiben. Hierzu sind die Einlaßventile an der Dampfturbine in einer angedrosselten Stellung zu halten, die jedoch bei auftretenden Lastspitzen in den elektrischen Netzen möglichst sprungartig geöffnet werden können, wobei zugleich auch die für das Zuschalten der zusätzlichen Wärmespeichereinheit vorgesehenen Regelventile geöffnet werden. Auf diese Weise können große Leistungsreserven, wie bereits vorstehend angedeutet, mobilisiert werden.
Für gewöhnlich sind die Zeiten, zu denen der Energiebedarf im elektrischen Netz ansteigt, bekannt und daher sehr genau vorhersehbar. In Kenntnis dieser zeitlich vorausbestimmbaren Lastspitzen können die Kombikraftwerke beispielsweise für einen begrenzten Zeitraum durch Zurückfahren der Dampfturbinenleistung, entsprechend des zu erwartenden nachfolgenden möglichen Leistungssprunges, durch verstärkte Androsselung der Dampfturbine sowie durch Einstellung eines Hochwasserstandes in den Dampferzeuger-Trommeln sowie den weiteren Wärmespeichereinheiten gezielt in einen Zustand für das Fahren größerer positiver Leistungsgradienten gehalten werden.
Insbesondere ist es von Vorteil, den Dampfturbinenteil eines Kombikraftwerkes im oberen Lastbereich im Rahmen eines durch die Einlaßventile geregelten Dampfdruckes (Festdruckbetrieb) zu betreiben, sofern sehr schnell aufzubringende Leistungsreserven für die Kategorie "Primary" oder "Secundary Response" zu erwarten sind. Im Normalbetrieb, also zu Zeiten, in denen keine sofort zu erbringende Leistungsreserve erwartet wird, ist dem Gleitdruckbetrieb Vorrang zu geben.
In der Festdruckbetriebsweise wird das mögliche Enthalpiegefälle der Dampfturbine nicht vollständig ausgenützt, so daß eine Leistungsreserve durch schnelles Öffnen der Einlaßventile verfügbar ist. Die Größe der aufzubringenden Leistungsreserve hängt von dem Abstand der momentan gefahrenen Leistung bei angedrosseltem Einlaßventil zum Leistungsniveau unter voll geöffnetem Einlaßventil ab. Wird ein Leistungsanstieg gemäß "Primary oder Secondary Response" gefordert, so wird die Anlage auf Gleitdruckfahrweise umgeschaltet, d.h. die Dampfturbinen-Einlaßventile werden voll geöffnet. Damit kann sofort das gesamte Enthaloiegefälle der Dampfturbine leitsungswirksam werden. Es kommt zu einer Leistungserhöhung der Dampfturbine. Die mit dem Öffnen der Einlaßventile einhergehende Druckabsenkung ermöglicht das in der Dampferzeugertrommel und zusätzlich in dem an diesem Druckniveau angekoppelten, zusätzlichen Wärmespeicher vorhandene Sattwasser auszudampfen. Dieser Dampf wird der Dampfturbine zugeführt und ermöglicht eine weitere kurzzeitige Leistungserhöhung.
Für den Festdruckbetrieb der Kombianlage eignet sich als Wärmespeicher ein sogenannter Gleichdruckspeicher, der vorzugsweise als Druckgefäß über Zu- und Ablaufleitungen mit der Dampferzeugertrommel verbunden ist. Eine Pumpe innerhalb der Ablaufleitung fördert bedarfsweise Sattwasser aus dem Gleichdruckspeicher z.B. in die Dampferzeugertrommel.
Im Falle des Gleitdruckbetriebes eignet sich als Wärmespeicher ein Gefällespeicher, der im Unterschied zum Gleichdruckspeicher in unterschiedlicher Weise mit den unterschiedlichen Druckstufen des Abhitzedampferzeugers bzw. auch der Dampfturbine verbunden sein kann.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand zweier Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1
schematisierte Darstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels mit Trommeldampferzeuger und Gleichdruckspeicher,
Fig. 2
zweites Ausführungsbeispiel mit Zwangsdurchlaufdampferzeuger und einem Gefällespeicher sowie
Fig. 3a, b
Kombinationen aus Gleichdruckspeicher und Gefällespeicher zum Wechselseitigen Betrieb zwischen Fest- und Gleitdruckbetrieb.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
In Fig. 1 ist schematisiert und auf das Wesentliche reduziert der Bereich Abhitzedampferzeuger 20 mit Trommel-Umlaufverdampfer und Dampfturbine 6 des Wasserdampfkreislaufes einer kombinierten Gas- und Dampfturbinenanlage dargestellt. Mittels einer Speisewasserpumpe 1 gelangt Speisewasser über einen Economizer 2 in die Dampferzeugertrommel 3 des Umlaufdampferzeugers, in der unter Sattwasserbedingungen Speisewasser bevorratet ist und die an einen Verdampfer 4 angekoppelt ist. Über einen Überhitzer 5 gelangt der aus der Trommel 3 austretende Dampf durch die Dampfleitung 11 und das Einlaßventil 12 in die Dampfturbine 6. Zusätzlich an der Trommel 3 ist erfindungsgemäß ein als Gleichdruckspeicher ausgebildeter Wärmespeicher 7 angekoppelt.
Über die Aufladeleitung 13 wird der Gleichdruckspeicher 7 bei Überschreiten eines bestimmten Wasserstandes innerhalb der Trommel 3 durch Wasserablauf aufgrund der geodätischen Höhendifferenz automatisch gefüllt bzw. mit Sattwasser aufgeladen.
Zum Entladen des Gleichdruckspeichers 7 fördert die Pumpe 8 Sattwasser vom Gleichdruckspeicher 7 vorzugsweise in die Dampferzeugertrommel 3. Durch das Entladen des Speichers 7 wird die Speisewasservorwärmung für diese Druckstufe entlastet, im Extremfall zwischenzeitlich abgestellt. Damit steht den im Rauchgasweg nachgeschalteten Heizflächen bzw. Dampferzeugersystemen (nicht dargestellt) zusätzliche Wärme zur Verfügung, was in diesen nachgeschalteten Systemen zur Erhöhung der Dampfproduktion führt. Im Ergebnis der Entladung des Speichers 7 kommt es damit zur Leistungssteigerung der Dampfturbine 6. Die Pumpe 8 dient gleichzeitig zum Entleeren des kalten Wasserinhaltes nach einem Start bzw. des Sattwassers zum Zwecke der Stillsetzung.
Das erfindungsgemäß ausgestaltete Kombikraftwerk kann auf diese Weise mittels eines Einlaßventiles 12 der Dampfturbine 6 in Festdruckfahrweise betrieben werden.
Im Falle von aufzubringenden Leistungsreserven wird Sattwasser aus dem Wärmespeicher 7 über die Trommel 3 in den Dampferzeuger 20 gefördert, wodurch die Speisung über den Economizer 2 vermindert werden kann.
Den im Rauchgasweg nachgeschalteten Verdampfersystemen steht somit zusätzliche Abwärme zur Verfügung. Durch Erhöhung der Speisung der nachgeschalteten Systeme steigt die Dampferzeugung dieser Systeme. Voraussetzung für diese Betriebsweise ist ein Abhitzedampferzeuger bestehend aus einem Zwei-Druck-System, d.h. zwei rauchgasseitig hintereinander geschaltetet Verdampfersysteme.
Alternativ zur Anschlußmöglichkeit des Wärmespeichers 7 gemäß der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform kann der Wärmespeicher 7' direkt zwischen die Economizerstufe 2 und dem Verdampfer 4 geschaltet werden. Diese alternative Koppelvariante ist in Fig. 1 gestrichelt dargestellt. Die Aufladeleitung 13' ist mit dem Austritt des Economizers 2 verbunden und über eine Ablaufleitung, in der die Pumpe 8' vorgesehen ist, mit dem Eintritt des Verdampfers 4 gekoppelt. Zum Aufladen bzw. Befüllen des Gleichdruckspeichers 7' wird ein in der Aufladeleitung 13' vorgesehenes Ventil 14 geöffnet.
Zum Entladen des Gleichdruckspeichers 7' fördert die Pumpe 8' Sattwasser vom Gleichdruckspeicher 7' zum Eintritt des Verdampfers 4, dessen Dampferzeugungsrate je nach Förderleistung der Pumpe 8' gesteigert werden kann.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel, das in Fig. 2 dargestellt ist und einen Zwangdurchlauf-Dampferzeuger zeigt, tritt anstelle der Dampferzeuger-Trommel 3 ein Separator 9. Um Wiederholungen zu vermeiden, wird hinsichtlich gleichnummerierter Baugruppen auf Fig. 1 verwiesen. Als zusätzlicher Wärmespeicher dient in dem zweiten Ausführungsbeispiel ein Gefällespeicher 10.
Der in Fig. 2 dargestellte Gefällespeicher 10 kann für den Lade- bzw. Befüllvorgang über alternative Zuleitungen mit Sattdampf (I) oder Heißdampf (II) sowie Sattwasser (III) von den verschiedensten Stellen des Systems befüllt werden. So ist zum Laden des Gefällespeichers 10 mit Dampf eine Zuleitung I mit einem entsprechenden Ventil vorgesehen, über die ein Teil des zum Überhitzer 5 zuführbaren Dampfes zum Einspeisen in den Gefällespeicher 10 abgezweigt wird. Ferner kann eine Leitung II vorgesehen werden, die die Dampfleitung 11, durch die Frischdampf der Dampfturbine 6 zugeführt wird, mit dem Gefällespeicher 10 über ein Ventil verbindet. Auf diese Weise gelangt überhitzter Dampf direkt in den Gefällespeicher 10. Schließlich sorgt eine Verbindungsleitung III, die den Ausgang des Economizers 2 mit dem Gefällespeicher 10 über ein entsprechendes Ventil verbindet, für ein Befüllen des Gefällespeichers 10 mit Sattwasser. Ebenso können in der Fig. 2 nicht dargestellte Verbindungsleitungen zwischen dem Separator 9 und dem Gefällespeicher 10 für eine Zuleitung von Dampf- bzw. Sattwasser dienen.
Der Beladevorgang des Gefällespeichers 10 ist vorzugsweise unter Voll-Lastbedingungen durchzuführen, d.h. das in den Gefällespeicher 10 eintretende Heißwasser oder der eintretende Dampf unterliegt einem möglichst hohen Druckniveau.
Zum Entladen des Gefällespeichers 10 kann der innerhalb des Gefällespeichers 10 erzeugte Sattdampf in unterschiedlicher Weise dem Abhitzedampferzeuger oder der Dampfturbine übergeben werden. Wie in Fig. 2 gezeigt, ist zum Entladen eine Verbindungsleitung zwischen dem Gefällespeicher 10 und dem Eintritt des Überhitzers 5 bzw. der Dampfturbine vorgesehen.
Ferner kann der Gefällespeicher 10 auch mit dem Dampfraum des Separators 9 verbunden werden, was jedoch nicht unmittelbar in Fig. 2 eingetragen ist.
Fig. 3a zeigt an Hand des ersten Ausführungsbeispieles eines Trommel-UmlaufDampferzeugers bestehend aus Gleichdruckspeicher 7 als auch Gefällespeicher 10. Der Gleichdruckspeicher 7 ist unverändert zum Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 mit der Trommel 3 verbunden. Zum Befüllen des zusätzlich vorgesehenen Gefällespeichers 10 sind folgende Zuleitungen vorgesehen:
Eine Zuleitung Z1 verbindet den Gefällespeicher 10 mit der Dampfleitung 11, über die Frischdampf in den Gefällespeicher 10 eingespeist werden kann. Eine weitere Zuleitung Z2 verbindet den Gefällespeicher 10 mit der Trommel 3 in der Weise, daß aus der Trommel 3 Sattdampf in den Gefällespeicher 10 eingebracht werden kann. Eine weitere Zuleitung Z3 verbindet den Gefällespeicher 10 mit dem Sattwasserbereich der Trommel 3, so daß Sattwasser in den Gefällespeicher eingeführt werden kann. Alle Zuleitungen enthalten Regelventile, durch die der Befüllvorgang geregelt ablaufen kann. Die in Fig. 1 und 3a dargestellten Ausführungsformen eines Abhitzedampferzeugers entsprechen dem sogenannten Trommel-Umlauf-Dampferzeugerprinzip.
Im Gegensatz hierzu ist in Fig. 3b eine sogenannte Zwangsdurchlauf-Dampferzeugeranordnung dargestellt, bei der, wie in Fig. 2, der Gefällespeicher 10 entsprechend angeordnet ist. Zusätzlich sieht die Anordnung gemäß Fig. 3b einen Gleichdruckspeicher 7 vor, der zum Beladen über eine Zuleitung mit Vetil zur Regelung des Beladevorganges verfügt. Das zum Beladen benötigte Sattwasser wird an geeigneter Stelle zwischen Economizer und Verdampfer entnommen.
Der Gleichdruckspeicher 7 ist zum Entladen über eine Entladeleitung mit dem Verdampfer 4 am Verdampfereintritt verbunden, wobei innerhalb der Entladeleitung eine Pumpe 8 vorgesehen ist.
Der Entladevorgang des Gefällespeichers erfolgt über den Druckabfall innerhalb des Wasser-Dampfkreislaufes durch Öffnen wenigstens eines Dampfturbinen-Einlaßventils 12, wodurch das unter Sattwasserbedingungen stehende Speisewasser innerhalb des Gefällespeichers sofort verdampft und der Dampfturbine zusätzlich zugeführt wird.
Die zur Leistungssteigerung gewünschten Kapazitätsreserven können selbstverständlich auch durch entsprechende Dimensionierung , beispielsweise der Dampferzeuger-Trommel erzielt werden. Selbstverständlich ist es möglich, die Leistungsreserven auch auf die verschiedenen Druckstufen des Abhitzedampferzeugers zu verteilen.
Bezugszeichenliste
1
Speisewasserpumpe
2
Economizer (Speisewasservorwärmer)
3
Dampferzeuger-Trommel
4
Verdampfer
5
Überhitzer
6
Dampfturbine
7
Wärmespeicher - Gleichdruckspeicher
7'
Wärmespeicher - Gleichdruckspeicher
8
Pumpe
8'
Pumpe
9
Separator
10
Wärmespeicher- Gefällespeicher
11
Dampfleitung
12
Einlaßventil
13
Auflade-/Druckausgleichsleitung
14
Ventil
15
Abhitzedampferzeuger
Z1
Zuleitung (Frischdampf- überhitzter Dampf)
Z2
Zuleitung (Sattdampf aus Trommel)
Z3
Zuleitung (Sattwasser aus Trommel)
Z4
Zuleitung (Sattwasser aus Economizer Austritt - leicht überhitzt)
I
Zuleitung (Dampf)
II
Zuleitung (Frischdampf- überhitzter Dampf)
III
Zuleitung (Sattwasser)

Claims (14)

  1. Vorrichtung zur schnellen Bereitstellung von Leistungsreserven bei kombinierten Gas- und Dampfturbinenanlagen mit einem Dampferzeuger (20), der zum Antrieb der Dampfturbine (6) über wenigstens ein Einlaßventil (12) mit dieser verbunden ist und an dem zusätzlich wenigstens ein Wärmespeicher (7, 10) angekoppelt ist, aus dem bedarfsweise über eine Pumpe Sattwasser in den Dampferzeuger (20) zusätzlich einspeisbar ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmespeicher (7) ein Gleichdruckspeicher ist.
  3. Vorrichtung zur schnellen Bereitstellung von Leistungsreserven bei kombinierten Gas- und Dampfturbinenanlagen mit einem Dampferzeuger (20), der zum Antrieb der Dampfturbine (6) über wenigstens ein Einlaßventil (12) mit dieser verbunden ist und an dem zusätzlich wenigstens ein Wärmespeicher (7, 10) angekoppelt ist, der beim Öffnen des Einlaßventils (12) eine Druckabnahme erfährt, wodurch Dampf gebildet wird, der in den Dampferzeuger (20) einspeisbar ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmespeicher ein Gefällespeicher (10) ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmespeicher (7) ein Gleichdruck- oder ein Gefällespeicher (10) ist.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmespeichereinheit (7) mit dem Dampferzeuger (3) verbunden ist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, daß daß die Wärmespeichereinheit (7) mit der Dampfturbine (6) verbunden ist.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Regelventil (12) das Einlaßventil für den zur Dampfturbine (6) im Zuleitungskanal geführten Dampf ist.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, daß in der Dampferzeuger-Trommel (3) Sattwasserbedingungen herrschen.
  10. Verfahren zum Betrieb einer kombinierten Gas- und Dampfturbinenanlage zur schnellen Bereitstellung von Leistungsreserven unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, daß durch gezielten Druckabfall innerhalb des WasserDampfkreislaufes zusätzlicher Dampf aus der Wärmespeichereinheit (7, 10) in den Wasser-Dampfkreislauf getrieben wird, der bei vollständig geöffneten Regelventilen (12) der Dampfturbine (6) zugeführt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet, daß die kombinierte Gas- und Dampfturbinenanlage zur Leistungserhöhung in Gleitdruckfahrweise betrieben wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmespeichereinheit (10) mit beim Normalbetrieb überschüssigem Dampf oder Sattwasser aufgeladen wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Druckabfall durch schnelles Öffnen des Einlaßventils (12) erfolgt.
  14. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Frequenzstabilisierung des von der kombinierten Gas- und Dampfturbinenanlage erzeugten elektrischen Stromes.
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