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CH718340A2 - Steigerung der Leistung von Gas- und Dampfturbinenanlagen bei einer neuen Zusatzvorfeuerung. - Google Patents

Steigerung der Leistung von Gas- und Dampfturbinenanlagen bei einer neuen Zusatzvorfeuerung. Download PDF

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CH718340A2
CH718340A2 CH00142/21A CH1422021A CH718340A2 CH 718340 A2 CH718340 A2 CH 718340A2 CH 00142/21 A CH00142/21 A CH 00142/21A CH 1422021 A CH1422021 A CH 1422021A CH 718340 A2 CH718340 A2 CH 718340A2
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cooler
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air
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Mustafa Youssef Dr
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Thermal Powertec Gmbh
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gas- und Dampfturbinenanlage oder Kombi-Cogeneration-Anlage bestehend im Wesentlichen aus mindestens einer Gasturbinengruppe (50) mit mindestens einem Kompressor (1), mindestens einer GT-Brennkammer (3) und mindestens einer Gasturbine (2) mit einer einfachen oder einer sequentiellen Verbrennung, einer Dampfturbinengruppe (51) einer Wasserdampf-Schaltung (52), mit einem nach der Gasturbine geschaltetem Dampferzeuger (5), einem Kondensator (9) und einem Speisewasserbehälter-Entgaser (11). Die Anlage ist derart ausgebildet, dass ein Luftstrom (35) am Ende des Kompressors (1) angezapft und durch mindestens einen Luftkühler (34) gekühlt, ein gekühlter Luftstrom (35b) durch eine Vorbrennkammer (41) geheizt, durch einen Gaskühler (42) gekühlt werden kann, bevor der gekühlte Gasstrom (36) in die GT-Brennkammer (3) zugeführt wird. Im Fall einer Gasturbine (2) mit sequentieller Verbrennung wird ein zweiter Luftstrom (40) bei einer MD-Stufe des Kompressors angezapft und durch mindestens einen Luftkühler gekühlt, ein gekühlter Teilluftstrom zur Kühlung von GT-Teilen der MD-Stufe in die Gasturbine geführt und vorzugsweise ein gekühlter Teilluftstrom durch eine MD-Vorbrennkammer geheizt und durch einen MD-Gaskühler gekühlt, bevor der gekühlte Gasstrom in die MD-Brennkammer der Gasturbine (2) geführt wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET
[0001] Thermische Kraftwerkanlagen dienen zur Stromerzeugung. Darunter zählen Dampfturbinenanlagen (DTA), Gas- und Dampfturbinenanlagen (GDTA) d.h. Kombi-Anlagen und Kombi-Cogeneration-Anlagen.
[0002] Eine Gas- und Dampfturbinenanlage bzw. Kombi-Anlage besteht aus mindestens einer Gasturbine (GT), mindestens einer Dampfturbine (DT) und einem Abhitze- oder Wärmerückgewinnungs-Dampferzeuger (HRSG), wobei der Dampferzeuger zur Gasturbine nachgeschaltet ist. In einem solchen Abhitzedampferzeuger erfolgt die Verdampfung, Dampfüberhitzung und Zwischenüberhitzung des sekundärseitigen Speisewassers durch die Abkühlung des primärseitigen Heissgases aus der Gasturbine. Der Dampfprozess nutzt die Rauchgaswärme und führt die Abwärme des Prozesses in die Nähe der Umgebungstemperatur ab. Die Erfindung bezieht sich auf Gasturbinen und Wärmerückgewinnungs-Dampferzeuger HRSG in Gas- und Dampfturbinen-Anlagen bzw. Kombi-Anlagen und Kombi-Cogeneration-Anlagen.
STAND DER TECHNIK
[0003] Die Gasturbine ist für eine bestimmte Leistung ausgelegt. Die Leistung wird vom Luftstrom, vom Kompressionsdruck durch den Kompressor und von der Brennkammer-Temperatur bestimmt. Der Luftstrom ist von der Lufttemperatur am Kompressoreintritt abhängig. An heissen Sommertagen werden der Luftstrom am Kompressoreintritt und die Leistung der Gasturbine erheblich nachlassen und insbesondere bei stark nachgefragter Kraftwerkleistung ist es das Ziel, die verlorenen Megawatt zurückzugewinnen.
[0004] Bei Gasturbinen erfolgt die Verbrennung innerhalb der Brennkammer unter einem hohen Luftüberschuss. Die Luftüberschusszahl ist deshalb so hoch, weil die Höchsttemperatur in der Brennkammer und die Temperatur am Eintritt der Turbine 1400 °C (oder bis 1500 °C) nicht überschritten werden darf.
[0005] Aufgrund des hohen Luftüberschusses in der Brennkammer befindet sich im Abgas der Gasturbine hoher Sauerstoffgehalt. Bei einer Gasturbine mit einem Erdgas-Brennstoff ist der Sauerstoffgehalt im Gasturbinenabgas 12 bis 15 Vol.-%. Der Grund für den verbleibenden Sauerstoff im GT-Abgas ist zum einen die begrenzte Heizung in der Brennkammer von ca. 500 °C bis ca. 1400 °C und zum anderen der Kühlluftstrom, der durch die Turbinenschaufel strömt und somit die Brennkammer umgeht. Der verbleibende Sauerstoffgehalt am Gasturbinenaustritt ist ausreichend, um einen Zusatzbrennstoff im Abgaskanal zu verbrennen und die Temperatur der Gasturbinenabgase zu erhöhen.
[0006] Die Zusatzfeuerung (ZsF) wird durch den Einbau von Brenner im Abgaskanal der Gasturbine oder im Eintrittskanal des HRSGs realisiert. Diese Zusatzfeuerung ist daher eine Zusatznachfeuerung (ZNF) und ist eine wirkungsvolle Massnahme zur Ausnutzung des Restsauerstoffgehalts der Gasturbinenabgase. Die Nachfeuerung ist eine häufig verwendete Methode zur Leistungssteigerung in Kombi-Anlagen an heissen Sommertagen, an denen die Leistung der Gasturbine erheblich nachlässt. Die Verwendung einer Nachfeuerung erhöht jedoch nicht den Wirkungsgrad der Kombianlage. Die Zusatzfeuerung wird am häufigsten in Kombi-Cogeneration-Anlagen angewendet, bei denen der Prozessdampfstrom unabhängig von der erzeugten elektrischen Leistung variiert werden muss. In diesem Fall steuert das zusätzliche Brennen die Menge des erzeugten Prozessdampfes.
[0007] Durch Nachbrennen im Einlasskanal des HRSG kann die GT-Abgastemperatur bis auf 780 °C erhöht werden. Dies erfordert spezielle Legierungen in den Heizflächen des Zwischenüberhitzers und Überhitzers, um den erhöhten Temperaturen standzuhalten.
[0008] Die Brenner im Abgaskanal der Gasturbine können in zwei Fällen in Betrieb gesetzt und die Abgase auf eine maximale Temperatur von ca. 780 °C erhöht werden: Bei einer Zusatznachfeuerung (ZNF), um die Dampferzeugung zu erhöhen Bei einem Ausfall der Gasturbine oder Ausfall einer zweiten Einheit durch die Frischluftfeuerung (FLF), um einen Dampfstrom zu erzeugen.
[0009] Zwecks höheren Luftmassenstroms und GT-Produktion in Regionen mit warmem Klima sind Luftkühlungen am Kompressoreintritt eine nützliche Methode. Das kostengünstigere System dieser Luftkühlungen ist die Wassereinspritzung am Kompressoreintritt und die Nutzung der Wasserverdampfung.
PROBLEMSTELLUNG
[0010] Nachfeuerungsprobleme der bekannten Zusatznachfeuerung ZNF durch Kanalbrenner: Gestellte Anforderungen müssen durch den Kanalbrenner erfüllt werden Die Nachfeuerung erfolgt bei einem tiefen Abgasdruck und somit kann das Verbrennungsverhalten des Kanalbrenners unvollständig sein, so dass Russbildung stattfinden kann Die Einhaltung der CO-Grenzwerte ist das Hauptproblem Der Kanalbrenner erhöht den NOx-Spiegel und führt zu einer negativen Auswirkung auf die Umwelt Im Überhitzer und Zwischenüberhitzer sind spezielle Legierungen erforderlich, damit die Heizflächen den erhöhten Abgastemperaturen (von ca. 600 °C auf ca. 780 °C) standhalten Der grosse Einlasskanal muss ausreichend lang sein, um eine vollständige Verbrennung zu gewährleisten und einen direkten Flammenkontakt auf den Wärmeübertragungsflächen zu vermeiden Es ist nicht möglich oder keine einfache Lösung eine Nachfeuerung ZNF für bestehende Anlagen zu bauen, die nicht für die Kanalfeuerung ausgelegt sind.
[0011] Aus dem Stand der Technik für Kombi-Kraftwerkanlagen sind folgende Druckschriften bekannt: „Combined-Cycle Gas & Steam Turbine Power Plants“ Chapter 6 & 10 by R. Kehlhofer, R. Bachmann, PennWell, Tusla, Oklahoma 1999 „Supplementary Duct Firing for Combined Cycle Power Plants“ by Stellar Energy Masch 28, 2016 http://stellarenergy.rfgdemo.com/blog/2016/03/28/supplementary-duct-firing-for-combined-cyclepower-plants-how-it-compares-to-tiac/ Kanalbrenner als Zusatzfeuerung für den Gas- und Dampfturbinenprozess, 13. November 2007 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Klaus Görner Korreferent: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Viktor Scherer https://duepublico2.unidue.de/servlets/MCRFileNodeServlet/duepublico_derivate_00018881/Koesters_Dissertation.pdf Sequential supplementary firing in combined cycle power plant 13<th>International Conference on Greenhouse Gas ControlTechnologies, GHGT-13, 14-18 Nov 2016, Lausane, Switzerland
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
[0012] Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, um die Anlageleistung zu erhöhen und Betriebsprobleme zu vermeiden. In der vorliegenden Erfindung wird der Luftüberschuss im Gasturbinenstrom genutzt, um die Brennleistung nach dem Kompressor bei gleicher Brennkammertemperatur von ca. 1400 °C zu erhöhen. Dies ist möglich, wenn ein Luftstrom am Kompressoraustritt angezapft und ausserhalb der Gasturbine durch eine Vorbrennkammer geheitzt, durch einen Gaskuhler (Rauchgaskühler) gekühlt und vor der Brennkammer für die weitere Feuerung in die Gasturbine geführt wird. Zur Erhöhung der Zusatzfeuerung können die Luftheizung durch die Vorbrennkammer und die Gaskühlung durch den Gaskühler wiederholt werden.
[0013] Diese neue Zusatzfeuerung wird als Zusatzvorfeuerung (ZVF) bezeichnet. Somit kann die Zusatzfeuerung (ZsF) wie folgt unterteilt werden: Bekannte Zusatznachfeuerung (ZNF) (stand der Technik) Neue Zusatzvorfeuerung (ZVF) (gemäss der Erfindung)
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
[0014] Die Erfindung soll nachfolgend anhand von zwei Ausführungsbeispielen in vereinfachter Darstellung durch Zeichnungen näher erläutert werden. Die neue Luft/Gas- und Wasser/Dampf-Schaltung und die entsprechenden Diagramme zeigen in den Figuren erfindungsgemäss die Anzapfung eines Luftstroms zur Kühlung und Heizung ausserhalb der Gasturbine und die Rückführung in die GT-Brennkammer. Bl. 1: Fig. 1 Schaltung des neuen Gas/Dampf-Kreislaufs einer Kombi-Anlage mit einer einfachen oder einer sequentiellen Verbrennung der Gasturbine gemäss der vorliegenden Erfindung Fig.2: Einfache Schaltung des neuen Kreislaufs einer Kombi-Anlage mit einer einfachen oder einer sequentiellen Verbrennung der Gasturbine Bl. 2: Fig.3a Diagramm für die Luft/Gas-Temperatur als Funktion der Entropie T(s) Fig.3b Diagramm für die Luft/Gas-Temperatur und Wasser/Dampf-Temperatur als Funktion von Wärmestrom-Verhältnis vQ (vQ = QK/Qzu0) QK = Kühlwärmestrom in den Luft- und Gaskühlern Bl.3: Fig.1w und Fig. 2w für neue ZVF mit Wiederholung der Vorfeuerung Fig.1s und Fig. 2s für neue ZVF bei GT mit sequentieller Verbrennung Fig.4 Schaltung einer Gas- und Dampfturbinenanlage mit ND- und HD-Dampfdruck-Kreislauf, einfacher GT-Brenner und Zusatznachfeuerung ZNF (Stand der Technik).
[0015] Die Figuren sind nur als Beispiele zur Ausführung der Erfindung dargestellt.
AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
[0016] Je nach gas- oder ölförmigem Brennstoff, d.h. mit niedrigem oder hohem Schwefelgehalt, wird ein entsprechender W/D-Kreislauf (Einzel-Dampfdruck-, Zwei-Dampfdruck- oder Drei-Dampfdruck-Kreisläufe HD, MD, ND) geschaltet. In Fig. 4 (Bl. 3) ist eine einfache Gas- und Wasserdampfschaltung einer Kombianlage mit zwei Dampfdruck-Kreisläufen dargestellt (Stand der Technik). Zur Gasturbinengruppe (50) wird ein Dampferzeuger (HRSG) (5) nachgeschaltet. Der Dampferzeuger besteht aus ND- und HD-Speisewasservorwärmer, ND- und HD-Verdampfer, einem HD-Überhitzer (21) und einem Zwischenüberhitzer. Die Luft wird durch den Kompressor komprimiert und ein GT-Kühlluftstrom wird aus dem Kompressor angezapft und durch einen Kühlluftkühler (30) (oder zwei Kühler bei sequentieller Verbrennung) gekühlt. Der gekühlte Kühlluftstrom (31) wird zur Kühlung der GT-Teile in die Gasturbine geführt. Ein Teil des Kühlluftstroms strömt durch die GT-Schaufel, umgeht den Brenner und behält einen Sauerstoffgehalt zurück. Zur Kühlung der GT-Kühlluft (30) wird ein Wasserstrom (32) aus dem vorgewärmten HD-Speisewasser angezapft und durch den Kühlluftkühler (30) verdampft und überhitzt. Der erzeugte Heissdampfstrom (33) wird an der entsprechenden Stelle in der Überhitzer-Heizfläche (21) dem HD-Dampfstrom beigefügt. Bei einer Gasturbine mit sequentieller Verbrennung (d. h. mit HD-Brennkammer, HD-Turbine, MD-Brennkammer und MD-Turbine) werden HD- und MD-Kühlluftkühler (30) geschaltet. Fig. 4 in Bl. 3 zeigt den Nachbrenner (45) und den Nachbrennerkanal (44) zwischen der Gasturbine und dem Dampferzeuger (5) (Stand der Technik).
[0017] Fig. 1 stellt ein Beispiel zur Ausführung der Erfindung in Gas- und Dampfturbinen-Anlagen mit einfacher Verbrennung in der Gasturbine und einer neuen Zusatzvorfeuerung ZVF dar. Ein Luftstrom (35) wird am Kompressoraustritt angezapft und in zwei Strömen geteilt. Der Kühlluftstrom (35a) wird durch einen Kühlluftkühler KLK (30) auf eine Temperatur von ca. 330 °C gekühlt und in die Gasturbine zur Kühlung der Gasturbinenteile geführt. Der Luftstrom (35b) wird durch einen Luftkühler LK (34) auf eine Temperatur von z.B. 300 °C oder niedriger gekühlt. Der gekühlte Luftstrom wird durch einen oder mehrere Brenner in einer Vorbrennkammer (41) auf einer Temperatur zw. 500° und 600 °C geheizt. Die Brennkammer ist relativ klein muss jedoch ausreichend lang sein, um eine ideale Feuerung zu gewährleisten.
[0018] Der geheizte Gasstrom wird durch den Rauchgas- oder Gaskühler (42) auf eine Temperatur von ca. 300 °C gekühlt und der gekühlte Gasstrom (36) wird zur Kühlung der GT-Brennkammer (3) und Feuerung in die Gasturbine eingeführt. Wegen des auf ca. 300 °C gekühlten Gasstroms am Austritt des Gaskühlers (42) wird das Gas durch die Brennkammer (3) von ca. 300 °C anstatt von ca. 500 °C (Kompressoraustritts-Temperatur) auf die Brennkammer-Temperatur geheizt d.h. ein Teil der Zusatzverbrennung wird durch die GT-Brennkammer (3) erfolgen (siehe auch im Ts-Diagramm Fig. 3a und TQ-Diagramm Fig. 3b). Die Zusatzheizung durch den GT-Brenner (3) ist durch die Linie 4-1 als Teil der Linie 4-5 dargestellt).
[0019] Die Kühlung des Luftstroms (35b) durch den Luftkühler (34) und den Gaskühler (42) kann durch mindestens eine Anzapfung vom Speisewasser- oder Dampfstrom aus dem HRSG erfolgen. Je nach Kühlungstemperatur am Austritt der einzelnen Kühler wird die Anzapfstelle bestimmt. Das Speisewasser kann aus dem Speisewasservorwärmer (17) und durch das Ventil (32v) oder aus dem HD-Wasserdampfbehälter (19) und durch das Ventil (37v) entnommen und in die Kühlflächen der Luft- und Gaskühler (34 und 42) geführt, verdampft und überhitzt und zum Hauptdampfstrom im HD-Überhitzer (21) beigefügt werden. Die Einführungsstelle des Dampfes in den Überhitzer (21) ist von der Dampftemperatur am Austritt der beiden Gaskühler abhängig.
[0020] Die Steigerung der Anlageleistung ergibt sich durch die Dampfturbine infolge der Steigerung der Dampferzeugung in den Luft- und Gaskühler.
[0021] Fig. 2 stellt eine Variante zur Ausführung der Erfindung mit der neuen Zusatzvorfeuerung (ZVF) und einer mit einfacher Verbrennung in der Gasturbine dar. Ein Luftstrom (35) wird am Kompressoraustritt angezapft und durch den Kühlluftkühler (30) gekühlt. Ein gekühlter Teilluftstrom (31) wird zur Kühlung der GT-Schaufel in die Gasturbine geführt. Der Restluftstrom (35b) wird durch den Schieber (43) geführt und durch die Vorbrennkammer (41) auf eine Temperatur zwischen 500 °C und 600 °C geheizt und durch einen Gaskühler (34) gekühlt. Der gekühlte Gasstrom (36) wird in die Gasturbine zur Kühlung der Brennkammerwand und Verbrennung eingeführt. Die Kühlung des Luft- und den Gasstroms in den Kühlluftkühler (30) und der Gaskühler (34) kann durch mindestens eine Anzapfung vom Speisewasser- oder Dampfstrom aus dem HRSG erfolgen. Die Kühlung kann durch den Kühlwasserstrom (32) aus dem Speisewasservorwärmer (17) angezapft und durch das Ventil (32v) in die Kühlflächen eingeführt. Die Kühlung kann auch durch einen Wasserstrom aus dem Speisewasservorwärmer (17) oder aus dem HD-Wasserdampfbehälter (19) entnommen und in die Kühlflächen der Luft- und Gaskühler (34 und 42) geführt werden. Der erzeugte Heissdampfstrom wird in den Überhitzer (21) eingeführt.
[0022] Fig. 3a zeigt das Temperatur-Entropie-Diagramm T(s) für Luft und Gas durch eine Gasturbine der neuen Kombi-Anlage nach Fig. 1 oder Fig. 2. Die Luft wird durch den Kompressor von der Umgebungstemperatur (0) auf eine Temperatur von ca. 500 °C komprimiert (0-1). Der angezapfte Luftstrom (35) wird im Luftkühler (34) bzw. (30) gekühlt (Linie 1-2), durch die Vorbrennkammer (41) geheizt (2-3), durch den Gaskühler (42) gekühlt (3-4) und mit dem Restluftstrom nach dem Kompressor beigemischt und durch die GT-Brennkammer (3) geheizt (4-5).
[0023] Fig. 3b zeigt die Temperatur über das Wärmestromverhältnis T(vQ) für den Gas- und Wasser/Dampfstrom durch den Luftkühler KLK (30), LK (34) und den Gaskühler GK (42) der neuen Kombi-Anlage nach Fig. 1 oder Fig. 2. vQ = Wärmestromverhältnis vQ = QK/Qzu0 QK = Kühlwärmeleistung, Qzu0 = Zugeführte GT-Wärmeleistung
[0024] Zwecks grösserer Dampferzeugung und/oder Reduktion des Anzapfluftstroms können die Vorbrennkammer und Gaskühler nach dem ersten Gaskühler (34) wiederholt werden (Fig. 1w & 2w) in Bl. 3.
[0025] Zur Kühlung der Gasturbinenteile bei einer Gasturbine mit sequentieller Verbrennung (Fig. 1s) werden zwei Kühlluftströme (MD- und HD-Kühlluftstrom) aus dem Kompressor angezapft und durch zwei Kühlluftkühler (30) gekühlt. Zur Anwendung der neuen Zusatzvorfeuerung ZVF bei solcher Gasturbine können zusätzlich eine oder zwei MD- und HD-Luftströme aus dem Kompressor entnommen und jeweils durch die Vorbrennkammer geheizt, durch den Gaskühler gekühlt und in die entsprechenden MD- bzw. HD-Brennkammer der Gasturbine eingeführt werden. In Fig. 1s wird bei einer Gasturbine mit sequentieller Verbrennung ein MD-Anzapfluftstrom durch einen MD-Luftkühler (34) gekühlt, durch eine Vorbrennkammer (41) geheizt, durch den MD-Gaskühler (42) gekühlt und in die MD-Brennkammer Gasturbine rückgeführt.
[0026] In Fig. 2s werden bei einer Gasturbine mit sequentieller Verbrennung zwei MD- und HD-Kühlluftströme aus dem Kompressor angezapft und jeweils durch zwei Luftkühler (30) gekühlt, durch zwei Vorbrennkammern (41) geheizt, durch zwei Gaskühler (42) gekühlt und in die entsprechenden MD- bzw. HD-Brennkammer der Gasturbine eingeführt.
[0027] Wegen der Reihenschaltung von zwei oder mehreren Luft- und Gaskühlern werden Massnahmen zur Überwindung des Strömungswiderstandes bzw. Druckverlustes benötigt. Je nach geschalteter Anzahl von Kühlern wird ein Druckverlust zwischen 250 und 500 mbar geschätzt. Für diese Aufgabe sind folgende Methoden möglich: 1- Die Stellung der beiden Anschlüsse der Luftanzapfung und der Gaseinführung können in der Gasturbine so ausgeführt werden, dass der Strömungsdruckverlust durch die Nutzung des dynamischen Drucks überwindet und ein Anzapfluftstrom erreicht wird. 2- Ausgleich der Druckdifferenz durch eine Verengung bzw. durch eine Druckverlustwirkung in der Gasturbine. 3- Einschaltung eines Ventilators (46) vor der Vorbrennkammer (41 in Fig. 1) oder nach dem Gaskühler (42 in Fig. 2). In diesem Fall wird die Luft oder der Gas vor dem Ventilator auf eine Temperatur von 250 - 300 °C gekühlt. Das Ventilator-Gehäuse wird durch den HP-Luftdruck des Kompressors belastet. Der Ventilator kann durch einen elektrischen Motor oder durch eine Dampfturbine betrieben werden.
[0028] Infolge einer Zusatzfeuerung bzw. Zusatzwärmeleistung steigt die Dampfturbinenleistung bei unveränderter GT-Leistung, was zu einer Reduktion des Anlagewirkungsgrads führen würde. Wegen des steigenden HD-Speisewasserstroms wird der ND-Wasserstrom je nach der Zusatzleistung reduziert oder ausfallen. Das führt zu einer Kompensation der Wirkungsgradverluste und somit bleibt der Wirkungsgrad sowohl bei der Zusatznachfeuerung (ZNF) als auch bei der Zusatzvorfeuerung (ZVF) praktisch unverändert.
[0029] Eine neue Anzapfung von Luftstrom aus einer Gasturbine und Rückführung brauchen eine Änderung für weitere Öffnungen an der Gasturbine. Solche Änderung können während der Konstruktion und Fabrikation der Gasturbine ausgeführt werden. Bei existierender Gasturbine sind Anzapf-Öffnungen für den GT-Kühlluftstrom schon vorhanden und es braucht daher keine Änderung in der Gasturbine.
[0030] Gemäss Fig 2 wird die Änderung nur ausserhalb der Gasturbine durchgeführt und kann während einer Revision und Stillstand der Anlage durchgeführt werden. Die Variante nach Fig. 2 ist besser für existierende Gasturbinen geeignet.
[0031] Bei einem GT-Betrieb mit einer Zusatzvorfeuerung ZVF wird die GT-Abgastemperatur nicht über 650 °C steigen. Deswegen ist keine spezielle Legierung in den Heizflächen des Zwischenüberhitzers und Überhitzers notwendig. Da ein Sauerstoffgehalt im GT-Abgas trotz einer Zusatzvorfeuerung noch vorhanden ist, kann eine weitere Zusatznachfeuerung ZNF im GT-Abgaskanal durchgeführt werden. In diesem Fall wird die GT-Abgastemperatur über 650 °C steigen. Die GT-Abgastemperatur kann durch die Zusatznachfeuerung ZNF im GT-Abgaskanal auf einen maximalen Wert von 780 °C erhöht werden. Dazu ist eine spezielle Legierung für die Überhitzer-Heizflächen notwendig. Der Nachfeuerungsbrenner kann auch für eine FL-Feuerung eingesetzt werden, wenn die Gasturbine ausfällt.
[0032] Eine gleichzeitige Zuführung von Zusatz-Wärmeleistung durch eine Vorfeuerung ZVF und eine herkömmliche Nachfeuerung FNF kann zu einer doppelten zusätzlichen Dampferzeugung führen. Eine Gasturbine mit einer Vorfeuerung ZVF und einer Nachfeuerung FNF ist besonders für Kombi-Cogeneration-Anlagen geeignet.
VORTEILE DER ERFINDUNG
[0033] Der Vergleich zwischen Kombi-Anlagen mit neuer Zusatzvorfeuerung (ZVF) gemäss der Erfindung und Kombi-Anlagen mit herkömmlicher Zusatznachfeuerung (ZNF) zeichnet sich durch folgende Vorteile aus: Die neue Zusatzvorfeuerung ZVF erfolgt durch die Vorbrennkammer (41) bei hohem Kompressionsdruck und Sauerstoffgehalt und somit wird das Verbrennungsverhalten der Vorbrennkammer vollständig und ohne Russbildung erfolgen Infolge der besseren Verbrennung durch die Vorbrennkammer ist im Vergleich zur Nachfeuerung ZNF eine Erhöhung des CO-Gehalts und des NOx-Spiegels im Abgas weniger zu erwarten und somit eine positivere Auswirkung auf die Umwelt Für den Überhitzer und Zwischenüberhitzer sind aufgrund der Vorfeuerung ZVF keine speziellen Legierungen erforderlich, da die Gastemperatur am Eintritt des HRSG die Temperatur von 650 °C nicht übersteigt Die Vorbrennkammer (41) ist klein, hat eine Lufttemperatur bis ca. 600 °C und wird durch die gekühlte Luft am Eintritt von ca. 300 °C gekühlt Beim gleichzeitigen Einschalten von neuer Vorfeuerung ZVF und herkömmlicher Nachfeuerung ZNF im GT-Betrieb kann die Zusatzwärmeleistung mehr als bei üblicher Nachfeuerung (um ca. zwei Mal) erhöht werden, was zu einer doppelten zusätzlichen Dampferzeugung führt. Spezielle Legierungen im Überhitzer und Zue sind wegen ZNF nötig Für eine bestehende Anlage mit oder ohne eine Zusatznachfeuerung ZNF kann eine Zusatzvorfeuerung ZVF nachgebaut werden.
BEZUGSZEICHENLISTE
[0034] 1 GT-Luftkompressor 2 Gasturbine GT 3 GT-Brennkammer 4 GT-Generator 5 Dampferzeuger (DE), (HRSG) 6 HD-Dampfturbine 7 MD/ND-Dampfturbine 8 DT-Generator 9 Kondensator 10 Kondensatpumpe 11 Speisewasserbehälter-Entgaser SWB 12 ND-Speisewasserpumpe 13 HD-Speisewasserpumpe 14 GT-Abgasstrom 15 Abgasstrom aus dem HRSG 16 ND-Heizfläche 17 HD-Speisewasservorwärmer, HD-Heizfläche 18 HD- Verdampferheizflache 19 HD-Wasserdampfbehälter, HD-W/D-Behälter 20 Wasserumlaufpumpe 21 HD-Überhitzerheizflache 22 Zwischenüberhitzer (Zue) 23 Kondensatstrom aus dem Kondensator 24 Anzapfdampf-Strom zum Entgaser 25 ND-Dampfstrom zur ND-Turbine 26 Frischdampfstrom 27 Dampfstrom aus der HD-DT zum Zue 28 Dampfstrom zur MD/ND-Dampfturbine 29 Luftstrom am Kompressoraustritt (HP-Stufe) 30 GT-Kühlluftkühler KLK 31 Gekühlte GT-Kühlluftstrom aus Kühlluftkühler 32 Kühlwasser aus dem HD-Vorwärmer (17) 32v Ventil, Schieber 33 Dampf aus dem GT-Kühlluftkuhler 34 Luftkühler LK vor der Vorbrennkammer 35 Anzapfluftstrom aus dem Kompressor (35a+35b) 35a Luftstrom durch den Luftkühler (30) 35b Luftstrom durch den Luftkühler (34) 36 Gekühlte (Rauchgas-) Gasstrom aus Gaskühler (42) 37 Kühlwasser vom HD-Wasserdampfbehälter (19) 37v Ventil, Schieber 39 Dampf aus dem Luft- oder Gaskühler 40 MD-Anzapfluftstrom bei GT mit sequ. Verbrennung 41 Vorbrennkammer, Vorbrennerraum 42 Gaskühler GK nach der Vorbrennkammer (41) 43 Schieber 44 Nachbrennerkanal 45 Nachbrenner 46 Ventilator 50 Gasturbinengruppe: Kompressor, BK, GT und G 51 Dampfturbinengruppe: HD-DT, MD/ND-DT und G 52 DE, Kondensator und SWB-Entgaser GT Gasturbine mit einfacher oder sequ. Verbrennung GDTA Gas- und DT-Anlage bzw. Kombi-Anlage MD,HD Mitteldruck, Hochdruck für Gas oder Dampf QK Kühlwärmestrom in den Luft- und Gaskühler Qzu0 Zugeführte Warmestrom durch den GT-Brenner (3) TBK Rauchgastemperatur am Brennkammeraustritt vQ vQ = QK/QzuO W/D Wasser und Dampf G/D Gas und Dampf L/G Luft und Gas ZsF Zusatzfeuerung ZVF Zusatzvorfeuerung in der Vorbrennkammer ZNF Zusatznachfeuerung im Eintrittskanal von HRSG FLF Frischluftfeuerung im Eintrittskanal vor dem HRSG HRSG „Heat Recovery Steam Generator“, Dampferzeuger

Claims (8)

1. Eine Gas- und Dampfturbinenanlage oder Kombi-Cogeneration-Anlage bestehend im Wesentlichen aus mindestens einer Gasturbinengruppe (50) mit mindestens einem Kompressor (1), mindestens einer GT-Brennkammer (3) und mindestens einer Gasturbine (2) mit einer einfachen oder einer sequentiellen Verbrennung, einer Dampfturbinengruppe (51) einer Wasserdampf-Schaltung (52), mit einem nach der Gasturbine geschaltetem Dampferzeuger (5), einem Kondensator (9), einem Speisewasserbehälter-Entgaser (11) ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Luftstrom (35) am Ende des Kompressors (1) angezapft und durch mindestens einen Luftkühler gekühlt, ein gekühlter Luftstrom (35b) durch eine Vorbrennkammer (41) geheizt, durch einen Gaskühler (42) gekühlt wird, bevor der gekühlte Gasstrom (36) in die GT-Brennkammer (3) geführt wird und im Fall einer Gasturbine mit sequentieller Verbrennung ein zweiter Luftstrom (40) bei einer MD-Stufe des Kompressors angezapft und durch mindestens einen Luftkühler gekühlt, ein gekühlter Teilluftstrom zur Kühlung von GT-Teilen der MD-Stufe in die Gasturbine geführt und vorzugsweise ein gekühlter Teilluftstrom durch eine MD-Vorbrennkammer geheizt und durch einen MD-Gaskühler gekühlt wird, bevor der gekühlte Gasstrom in die MD-Brennkammer der Gasturbine geführt wird (Fig. 1, Fig. 2 oder Fig. 2s).
2. Eine Gas- und Dampfturbinenanlage mit einfacher Verbrennung in der Gasturbine nach Anspruch 1 ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Luftstrom (35) am Ende des Kompressors angezapft wird, ein Teilluftstrom (35a) durch einen Kühlluftkühler (30) gekühlt und zur Kühlung von Gasturbinenteile in die Gasturbine geführt und ein Teilluftstrom (35b) durch einen Luftkühler (34) gekühlt, durch die Vorbrennkammer (41) geheizt, durch den Gaskühler (42) gekühlt und die Heizung und Kühlung vorzugsweise durch mindestens eine weitere Vorbrennkammer und einen weiteren Gaskühler wiederholt werden, bevor der gekühlte Gasstrom (36) in die GT-Brennkammer (3) geführt wird, wobei die Luft- und Gaskühlung in den Luft- und Gaskühler je nach Kühlungstemperatur durch Speisewasser oder Dampf aus dem Dampferzeuger entnommen und als überhitzter Dampf in den Dampferzeuger geführt wird (Fig. 1, Fig. 1w).
3. Eine Gas- und Dampfturbinenanlage mit einfacher Verbrennung in der Gasturbine nach Anspruch 1 ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Luftstrom (35) am Ende des Kompressors angezapft und durch einen Luftkühler (30) gekühlt wird, ein gekühlter Teilluftstrom (31) zur Kühlung von Gasturbinenteilen in die Gasturbine geführt und ein gekühlter Teilsluftstrom (35b) durch eine Vorbrennkammer (41) geheizt, durch einen Gaskühler (42) gekühlt und die Heizung und Gaskühlung vorzugsweise durch mindestens eine weitere Vorbrennkammer und einen weiteren Gaskühler wiederholt werden und der gekühlte Gasstrom (36) in die GT-Brennkammer (3) geführt wird, wobei die Luft- und Gaskühlung in den Luft- und Gaskühler je nach Kühlungstemperatur durch Speisewasser oder Dampf aus dem Dampferzeuger entnommen und als überhitzter Dampf in den Dampferzeuger geführt wird (Fig. 2, Fig. 2w).
4. Eine Gas- und Dampfturbinenanlage nach Anspruch 1, 2 oder 3 ist dadurch gekennzeichnet, dass ein HD-Luftstrom (35) am Kompressoraustritt und ein MD-Luftstrom (40) aus einer Mitteldruckstufe des Kompressors (1) einer Gasturbine mit sequentieller Verbrennung angezapft werden, ein HD-Luftstrom (35) oder MD-Luftstrom (40) durch mindestens einen Luftkühler gekühlt, ein gekühlter Teilluftstrom zur Kühlung von Gasturbinenteile der betroffenen Druckstufe in die Gasturbine geführt und ein gekühlter Teilluftstrom der Druckstufe durch eine Vorbrennkammer geheizt, durch einen Gaskühler gekühlt und der gekühlte Gasstrom in die GT-Brennkammer der betroffenen Druckstufe geführt wird (Fig. 1s).
5. Eine Gas- und Dampfturbinenanlage nach Anspruch 4 ist dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der HD-Luftstrom (35) als auch der MD-Luftstrom (40) jeweils durch mindestens einen Luftkühler gekühlt, ein gekühlter Teilluftstrom zur Kühlung von Gasturbinenteile der betroffenen Druckstufe in die Gasturbine geführt und ein gekühlter Teilluftstrom durch eine Vorbrennkammer geheizt, durch einen Gaskühler gekühlt und der gekühlte Gasstrom in die GT-Brennkammer der betroffenen Druckstufe geführt wird (Fig. 2s).
6. Eine Gas- und Dampfturbinenanlage nach Anspruch 1 bis 5 ist dadurch gekennzeichnet, dass bei Gasturbinen mit geschlossener Dampfkühlung der Gasturbinenschaufel der Luftstrom (31) in (Fig. 2) ausfällt und der Luftkühler (30) und der Luftstrom (31) in (Fig. 1) ausfallen.
7. Eine Gas- und Dampfturbinenanlage nach Anspruch 1 bis 6 ist dadurch gekennzeichnet, dass für jeden zur Vorfeuerung durch die Vorbrennkammer (41) geführten Teilluftstrom (35b) ein Ventilator eingeschaltet werden kann, wobei der Ventilator vorzugsweise vor der Vorbrennkammer (41) oder nach dem Gaskühler (42) angeordnet wird.
8. Eine Gas- und Dampfturbinenanlage nach Anspruch 1 bis 7 ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlfläche eines Luftkühlers (34) und / oder eines Gaskühlers (42) jeweils in mindestens zwei Kühlern unterteilt und diese in Reihe oder parallel geschaltet werden.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2025026499A1 (de) * 2023-08-02 2025-02-06 Dürr Systems Ag, Stuttgart Verfahren und system zur umwandlung von energie aus einem industrieprozess

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