DE4118062A1

DE4118062A1 - Kombinierte gas/dampf-kraftwerksanlage

Info

Publication number: DE4118062A1
Application number: DE4118062A
Authority: DE
Inventors: Hans Ulrich Frutschi; Fredy Haeusermann; Hans Dr Wettstein
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB Schweiz Holding AG; ABB AB
Priority date: 1991-06-01
Filing date: 1991-06-01
Publication date: 1992-12-03
Also published as: CA2069593A1; DE59208086D1; JP3162479B2; US5313782A; EP0516995B1; JPH05179904A; CZ163492A3; EP0516995A1; ATE149633T1

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine kombinierte Gas/Dampf- Kraftwerksanlage gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Unter dem Begriff "kombinierte Gas/Dampf-Kraftwerksanlage" - im folgenden kurz Kombikraftwerk genannt - ist immer das Zusammen wirken mindestens einer Gasturbogruppe mit mindestens einem Dampfturbinenkreislauf zu verstehen, wobei die Abgase aus dem Betrieb der Gasturbogruppe durch einen Abhitzedampferzeuger (=Abhitzekessel) geleitet werden, in welchem das Restwärmepoten tial dieser Abgase zur Erzeugung des für die Beaufschlagung der Dampfturbine benötigten Dampfes herangezogen wird. Diese zusätzliche Dampfleistung führt zu einem höheren thermischen Wirkungsgrad der Anlage. Diese Kombikraftwerke weisen sich da her durch sehr gute Konversionswirkungsgrade aus, die sich in der Größenordnung von ca. 50-55% bewegen. Eine Möglichkeit, den Wirkungsgrad dieser Anlage signifikant zu erhöhen, kann über eine Erhöhung der Heißgastemperatur erfolgen. Indessen, damit handelt man sich andere Nachteile ein, die sich auf den Wirkungsgrad der Anlage und auf die Wirtschaftlichkeit des produzierten Stromes, d. h. auf die spezifischen Kosten der An lage, kontraproduktiv auswirken. So ist darauf hinzuweisen, daß mit der Bereitstellung eines Heißgases mit einer Tempe ratur von über 1400°C unweigerlich in einen Bereich vorgestoßen wird, in welchem die NOx-Emissionen aus dieser Verbrennung sprunghaft ansteigen, was wiederum Maßnahmen, beispielsweise Wasser- oder Dampfeinspritzung, notwendig macht, welche die aus der Temperaturerhöhung theoretisch zu erwartende Wirkungsgradverbesserung wieder weitgehend vernich ten, so daß der diesbezügliche Wirkungsgradgewinn in keiner Relation zum hierfür betriebenen Aufwand steht, abgesehen da von, daß mit jeder Temperaturerhöhung teuere Anpassungen be züglich hochwertiger Materialien und teuere Vorkehrungen für die Kühlung, insbesondere betreffend die Schaufeln, notwendig sind.

Darstellung der Erfindung

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer kombinierten Gas/Dampf-Kraftwerksanlage der eingangs genannten Art den Wirkungsgrad der Anlage zu steigern, ohne die Temperatur der Heißgase zu erhöhen.

Der wesentlichen Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß bei reduzierten spezifischen Kosten der Anlage der Wir kungsgrad des erfindungsgemäßen Kombikraftwerkes bei einer Mischtemperatur von 1200°C vor der Gasturbine auf ca. 60% er höht werden kann. Dies wird erreicht, indem der Verdichter zum einen mit einem Zwischenkühler ergänzt wird, der eine Erhöhung der spezifischen Leistung mit sich bringt. Dies hätte eine signifikante Abnahme des Wirkungsgrades des Kombikraftwerkes zur Folge. Diese negative Auswirkung wird aber durch die er finderische Schaltung aufgehoben, indem die Wärme aus dem Zwi schenkühler nutzbar gemacht wird, dergestalt, daß Druckwasser erzeugt wird, welches im Verdampfer zum Teil in Dampf umgewan delt wird, dieser dann an passender Stelle in die Dampfturbine eingeleitet wird, wobei dieser Dampf am Kombiwirkungsgrad, je nach Druckverhältnis, mit 2-4 Punkten partizipiert. Zum ande ren wird eine zusätzliche Maßnahme vorgekehrt, welche für eine zusätzliche Wirkungsgraderhöhung sorgt, indem die verdichtete Luft zunächst, wie üblich, in einer Brennkammer von etwa 300°C auf ca. 1350°C aufgeheizt wird, bevor sie in einer Hochdruckturbine entspannt wird. Bei diesem Vorgang wird die Temperatur von einem Mischwert von 1200°C auf etwa 1000°C abgebaut. Anschließend wird sie dann nochmals auf ca. 1400°C zwischenüberhitzt, dergestalt, daß sich in der nachfolgenden Niederdruckturbine auch eine mittlere Turbineneintrittstempe ratur von 1200°C einstellen wird. Dies führt dazu, daß die dem Abhitzekessel zuströmenden Rauchgase ca. 600°C aufweisen werden. Durch die Interdependenz dieser beiden Maßnahmen kann der Wirkungsgrad der Kombianlage in umschriebenem Maße maxi miert werden.

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungs gemäßen Aufgabenlösung sind in den abhängigen Ansprüchen ge kennzeichnet.

Im folgenden werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbei spiele der Erfindung näher erläutert. Alle für das unmittel bare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben. In den verschiedenen Figuren sind gleiche Elemente jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen:

Fig. 1 ein Kreislaufschema einer Kombikraftwerkes mit Zwi schenüberhitzung und Zwischenkühlung und

Fig. 2 eine zweiwellige koaxiale Anordnung einer Gasturbine mit Zwischenüberhitzung und Zwischenkühlung.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Anwendbarkeit

Fig. 1 zeigt ein Kreislaufschema eines Kombikraftwerkes mit einer Zwischenkühlung und Zwischenüberhitzung. Die Verdichter stufe bei diesem Kombikraftwerk ist in zwei Teilverdichter 1 und 2 unterteilt. Zwischen diesen beiden Verdichtern 1, 2, also stromab des ersten Verdichters 1 und stromauf des zweiten Verdichters 2, ist ein Zwischenkühler 3 geschaltet, in welchem die teilverdichtete Luft zwischengekühlt wird. Die in diesem Zwischenkühler 3 aus dem genannten Zwischenkühlungsprozeß er zeugte Heißwasser wird einem nachgeschalteten Verdampfer 4 zugeführt, der ein- oder mehrstufig sein kann. Hier geschieht eine Ausdampfung, und der so gewonnene Dampf 20 wird der Dampf turbine 6, stromab der Gasturbogruppe, an geeigneter Stelle zugeführt. Dieser Dampf partizipiert zunächst am Kombiwir kungsgrad mit 2 bis 4 Punkten, je nach Druckverhältnis. Die verdichtete Luft aus dem Verdichter 2 gelangt mit beispiels weise 45 bar in eine erste Heißgaserzeugungsanlage 7, die vorzugsweise eine Brennkammer ist, in welcher die Luft von etwa 350°C auf ca. 1350°C Heißgastemperatur aufgeheizt wird. Dieses Heißgas beaufschlagt anschließend eine Hochdrucktur bine 8, in welcher eine Entspannung des Gases von 45 bar auf ca. 14 bar stattfindet. Die Temperatur des Heißgases erfährt in dieser Hochdruckturbine 8 einen Abbau von einem Mischwert von 1200°C auf etwa 850°C. Die Abgase aus dieser Hochdrucktur bine 8 werden dann in einer zweiten Heißgaserzeugungsanlage 9, die vorzugsweise eine Brennkammer ist, auf ca. 1400°C aufge heizt, um so eine gewogene mittlere Turbineneintrittstempera tur von 1200°C auch für eine dieser zweiten Brennkammer 9 nachgeschalteten Niederdruckturbine 10 zu erreichen. Sowohl die erste Brennkammer 7 als auch die zweite Brennkammer 9 sind mit einem flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoff betreib bar. Die Kühlluftströme für die beiden Turbinen 8 und 10 be tragen je etwa 10-15% und werden, in der Fig. 1 nicht ersicht lich, den Verdichtern 1, 2 an passenden Stellen entnommen. In der Niederdruckturbine 10 wird mit einem Druckverhältnis von ca. 14 entspannt, wobei die einem stromab der letztgenannten Turbine nachgeschalteten Abhitzekessel 11 zuströmenden Abgase ca. 600°C aufweisen. Dort wird Dampf in zwei Druckstufen er zeugt und anschließend der nachgeschalteten Dampfturbine 6 zugeführt. Möglich ist auch der Einsatz eines Dreidruck-Ab hitzekessels. Dieser Dampfturbine 6 ist ein Kondensator 12 nachgeschaltet, wobei hier als Kühlmedium 13 Wasser oder Luft zum Einsatz gelangen kann. Das Kondensat des Abdampfes aus der Dampfturbine 6 teilt sich sodann in zwei Teilströme auf. Der eine Teilstrom 14 wird über eine Förderpumpe 15 in den Abhit zekessel 11 geleitet; der andere Teilstrom 16 strömt über eine weitere Förderpumpe 17 durch den Zwischenkühler 3 und den Ver dampfer 4. Im Zwischenkühler 3 wird die vom Verdichter 1 kom mende Luft auf 70°C rückgekühlt, wobei sich das Wasser auf etwa 180-200°C erwärmt. Die Rückkühlung des Wassers seiner seits erfolgt im Verdampfer 4 durch den Entzug der Verdamp fungswärme. Der Verdampfer 4 kann auch als Entgaser verwendet werden. Sowohl die Gasturbogruppe als auch die Dampfturbine treiben je einen Generator 18, 19. Die zuletzt beschriebene Schaltung mit der zweiten Brennkammer 9, stromab der Hoch druckturbine 8 und stromauf der Niederdruckturbine 10, parti zipiert ihrerseits am Kombiwirkungsgrad mit mindestens 5 Punk ten, so daß ausgehend von einer Wirkungsgradausbeute eines zum Stand der Technik gehörenden Kombikraftwerkes von ca. 55%, unter Berücksichtigung der Wirkungsgradverbesserung aus der Einleitung des im Verdampfer 4 gewonnenen Dampfes 20 in der Dampfturbine 6, ein Wirkungsgrad bei der hier erläuterten Schaltung von mindestens 60% erzielt wird.

Was die Anordnung einer solchen Schaltung gemäß Fig. 1 anbe langt, so wird postuliert, daß wegen des großen Druckver hältnisses von etwa 45 oder mehr eine Zweiwellengasturbine einzusetzen ist, weil die Volumenstromvariation während des Prozeßablaufes sehr groß ist. Um ferner die Verdichteraus trittstemperatur im Rahmen zu halten, wird die bereits unter Fig. 1 beschriebene Zwischenkühlung der Verdichtung vorgese hen. Die ideale Anordnung bezüglich Fluidlogistik ist natür lich diejenige mit einer sogenannten "Core Engin", wie dies in Fig. 2 vorgeschlagen wird. Es handelt sich dabei um die zen trale Einfügung einer leistungsmäßig ausgewogenen Gasturbo gruppe mit Verdichter, Brennkammer 7 und Turbine 8.

Fig. 2 zeigt für die Gasturbogruppe grundsätzlich die gleiche Schaltung wie Fig. 1 in gleicher idealer Anordnung bezüglich Fluidlogistik. Dabei geht es bei dieser zweiwelligen koaxialen Anordnung in erster Linie darum, Heißgasleitungen stromab der ersten Brennkammer 7 und stromab der zweiten Brennkammer 9 zu eliminieren. Eine Lösung könnte darin bestehen, die Brennkam mer als Ringbrennkammern auszubilden. Selbstverständlich gilt das Gesagte für beide Brennkammern, welche statt isobare auch isocore Brennkammern sein können, wobei bei den letztgenannten als Brennraum die einzelnen Zellen eines Zellenrad eingesetzt werden können.

Die erwähnte Einfügung einer leistungsmäßig in sich ausgewo genen Gasturbogruppe mit Verdichter 2, Brennkammer 7 und Tur bine 8 bildet eine Einheit, deren Drehzahl von der Drehzahl der Niederdruckgruppe, mit Verdichter 1, Brennkammer 9 und Turbine 10, unabhängig ist, und in der Regel höher liegt, wo mit bei der ersten ohne weiteres von einer Druckerhöhungsein heit gesprochen werden kann. Die Niederdruckeinheit bildet demnach die Grundeinheit. Eine solche Konfiguration ist ideal für ein Baukastensystem. Die Grundeinheit kann auch für 50 Hz oder 60 Hz mit annähernd gleichem Massenstrom ausgelegt wer den, wodurch das Baukastensystem maximal ausgedehnt werden kann.

Selbstverständlich ist technisch nicht ausgeschlossen, eine einwellige Anordnung vorzusehen. Indessen ist darauf hinzuwei sen, daß mit einer solchen Anordnung 2-3 Wirkungsgradpunkte gegenüber einer im Druckverhältnis optimalen Anordnung geopfert werden. Hinsichtlich der spezifischen Leistung ist ein Rückgang von etwa 15% hinzunehmen. Dafür ergeben sich be triebliche Vorteile, wie ein einfaches Regel- und Sicherheits system. Das Teillastverhalten hinsichtlich Wirkungsgrad wird durch die Einwellenbauart nicht ernsthaft pönalisiert, denn durch Ansaugluftvorwärmung, eventuell verbunden mit einer Ver dichter-Vorleitreihenverstellung, ergibt sich ein sehr gutes Teillast-Wirkungsgradverhalten. Des weiteren ist festzuhalten, daß als reine Gasturbine, also ohne nachgeschaltete Dampftur bine, eine Zwischenerhitzung punkto Wirkungsgrad nichts bringt. Im Gegenteil, ein Abfall ist hinzunehmen. Zwischenküh lung mit oder ohne Zwischenerhitzung verbessert jedoch bei großen Druckverhältnissen den Wirkungsgrad im obengenannten Ausmaß. Die spezifische Leistung steigt aber auch schon al lein mit Zwischenüberhitzung um ca. 20%, mit Zwischenerhitzung und Zwischenkühlung sogar um ca. zwei Drittel.

Claims

1. Kombinierte Gas/Dampf-Kraftwerksanlage, im wesentlichen beste hend aus mindestens einer fossil befeuerten Gasturbogruppe, mindestens einem Dampfkreislauf und mindestens einem der Gasturbogruppe nachgeschalteten Abhitzekessel, der von den Ab gasen der Gasturbogruppe beaufschlagbar ist, dadurch gekenn zeichnet, daß die Gasturbogruppe aus mindestens zwei Verdich tern (1, 2) und aus mindestens zwei Gasturbinen (8, 10) be steht, daß stromab des ersten Verdichters (1) ein Zwischen kühler (3) und kühlseitig dieses Zwischenkühlers (3) ein mit diesem in Wirkverbindung stehender Verdampfer (4) plaziert sind, daß eine Dampfmenge (20) aus dem Verdampfer (4) in eine Dampfturbine (6) der Dampfkreislaufes einleitbar ist, daß stromab der ersten Gasturbine (8) Mittel (9) zur Heißgaser zeugung vorhanden sind.

2. Kombinierte Gas/Dampf-Kraftwerksanlage nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß das Mittel zur Heißgaserzeugung eine Brennkammer (9) ist.

3. Kombinierte Gas/Dampf-Kraftwerksanlage nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasturbogruppe aus ei ner Grundeinheit mit erstem Verdichter (1), Brennkammer (9) und Gasturbine (10) und aus einer Druckserhöhungseinheit mit Verdichter (2), Brennkammer (7) und erster Gasturbine (8) be steht.

4. Kombinierte Gas/Dampf-Kraftwerksanlage nach Anspruch 3, da durch gekennzeichnet, daß die Grundeinheit (1, 9, 10) gegenüber der Druckerhöhungseinheit (2, 7, 8) zweiwellig aus gebildet sind.

5. Kombinierte Gas/Dampf-Kraftwerksanlage nach Anspruch 3, da durch gekennzeichnet, daß die Brennkammern (7, 9) isobare oder isocore Anlagen sind.

6. Kombinierte Gas/Dampf-Kraftwerksanlage nach Anspruch 3, da durch gekennzeichnet, daß die Grundeinheit (1, 9, 10) bei an nähernd gleichem Massenstrom mit 50 Hz oder 60 Hz betreibbar ist.