DE2512774A1

DE2512774A1 - Gasturbinen-heizkraftwerk

Info

Publication number: DE2512774A1
Application number: DE19752512774
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Schueller
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1975-03-22
Filing date: 1975-03-22
Publication date: 1976-09-30
Also published as: NO760980L; NL7602877A; FI58002C; FI760673A; DE2512774C2; ATA197476A; FI58002B; DK121876A; AT352350B

Description

Gasturbinen-Heizkraftwerk Die Erfindung betrifft ein Gasturbinen-Heizkraftwerk, bestehend aus einem Gasturbosatz mit nachgeschaltetem Abhitzekessel zur arrTärmung von Heinzwasser. Derartige Heizkraftwerke sind bekannt.
Dabei ist es auch bekannt, zur Temperaturregelung eine Bypaß-Leitung zwischen Heizwasser-Rücklauf und Heizwasser-Vorlauf vorzusehen. Weiter ist es bekamt, eine zusätzliche Hilfsbrennkammes vorzusehen5 um Spitzen-Wärmebedarf und Reserve abdecken zu können.
Bei der Versorgung mit Fernwärme, beispielsweise durch Anlagen der eingangs genannten Art, ist jedoch zu beachten, daß über Wärmeträger-Rohrleitungen sich nur Abnehmergruppen anschließen lassen, bei denen a) eine bestimmte Mindest-Wärmestromdichte vorliegt, da sonst der Wärme-Verteilungs-Aufwand unwirt schaftlich groß wäre; b) bei Raumheizung ein Heizwasserumlaufsystem bereits vorhanden ist, oder nachträglich installiert werden könnte.
In vielen Fällen liegen jedoch Verhältnisse vor bzw. sind solche Bedingungen gegeben, daß eine im Wärmebedarf beachtliche Abnehmergruppe nicht über Wärmeträger-Rohrleitungen erreicht werden kann, insbesondere wenn ITirtschaftlichkeits-Überlegungen als Entscheidungs-Kriterien gelten. Die Forderungen des Umweltschutzes und die Forderungen sparsamer Verwendung fossiler Brennstoffe ließen sich bei diesen über Rohrleitungen nicht erreichbaren Abnehmergruppen, z.B. durch elektrische Direktbeheizung, oder durch eine Kombination elektrischer Direkt-und Speicherheizung oder durch eine Kombination elektrischer Direktbeheizung und elektrisch angetriebener Wärmepumpen erreichen.
Deshalb wurde bereits ein Fernwärìnesystem vorgeschlagen (Bron Boveri Mitteilungen 6-73, Seite 253 bis 263), bei dem die Ab nehmergruppen mit ausreichender Wärmedichte mit Heizwasser (über Rohrleitungen) versorgt werden sollen und die über Rohrleitungen nicht erreichbaren Abnehmergruppen durch elektriscL Direktbeheizung fernversorgt werden. Die elektrische Energie zur Fernwärmeversorgung der nicht über Wärmeträger-Rohrleitungen erreichbaren abnehmer soll hierbei im Gegendruckbetrieb der Heizkraftwerke erzeugt werden. Für große Agglomerationen wird in der genannten Veröffentlichung die Errichtung von Hochdruckdampfkesseln mit Gegendruckturbogruppen oder Gasturbinenanlage mit Abwärmenutzung vorgeschlagen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Wärmeversorgungsanlage und zwar ein Gasturbinen-Heizkraftwerk zu schaffen, welches sich besonders gut für die Erreichung der vorstehend angedeuteten Ziele eignet. Insbesondere soll das Heiækraftwerk eine möglichst hohe Brennstoffausnutzung bei hoher Stromerzeugung im Gegendruckbetrieb ermöglichen.
Zur Lösung der vorgenannten Aufgabe ist ein Gasturbinen-Heizkraftwerk,bestehend aus einem Gasturbosatz mit nachgeschaltetem Abhitzekessel zur Erwärmung von Heizwasser gemäß der Erfindung so eingerichtet, daß die Heizwassererwärmung in zwei parallel geschalteten Strängen erfolgt, von denen der eine Teilstrang mit Gegendruckdampf aus einer, einen elektrischen Generator antreibenden Heizturbine erwärmt wird, und der Abhitzekessel zur Erzeugung des zum Betrieb der Heizturbine benötigten Dampfes eingerichtet ist, und daß der andere Teilstrang des Heizwassers zwecks Erwärmung mit Rauchgas durch den Niedertemperaturbereich des Abhitzekessels bzw. durch einen dort angeordneten Heizwasseren7ärmer geführt ist. Die vorstehend vorgeschlagene Aufteilung der Heizwassererwärmung in eine dampfbeheizte Erwärmungs strecke und eine rauchgasbeheizte Erwärmungsstrecke im Niedertemperaturbereich des Abhitzekessels erlaubt eine weitgehende Ausnutzung der Brennstoffwärme zur Strom- und Wärmeerzeugung. Hierbei ist die Stror-ennzif:8er sehr hoch, d.h.
es wird ein bemerkenswerter Anteil der Brennstoffwärme in elektrische Leistung umgesetzt. Damit kann ein entsprechend hoher Anteil der iiber Rohrleitungen nicht wirtschaftlich erreichbaren Wärmeabnelllrer aus derselben Anlage mit Heizstrom versorgt werden.
Nach einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung sind für den mit Gegendruckdampf zu erwärmenden Teilstrang des Heiswassers mindestens zwei wasserseitig hintereinander geschaltete HeizwassereflIärmor vorgesehen und es ist der Gegendruck an den Entnahme stellen der Heizturbine verschieden hoch und zwar entsprechend den unterschiedlichen Bedarfsdrücken des HeizdampSes für die einzelnen Heizwassererwärmer. Dabei kann die Heizturbine als zweiflutige Gegendruckturbine mit Mitteneinströmung ausgebildet sein. Bei dieser zweistufigen Erwärmung des Heizwassers wird eine besonders hohe Stromausbeute des Gegendruckdampfes erreicht.
Um bei Spitzenwärmebedarf Vorlauftemperaturen für das Heizwasser erreichen zu können, die höher sind, als die Auslegungsvorlauftemperatur, kann nach einer Weiterbildung der Erfindung den mit Gegendruckdampf beheizten Heizwassererwärmern wasserseitig mindestens ein weiterer Heizwassererwärmer nachgeschaltet sein, der bei Wärme-Spitzenbedarf vom Frischdampfnetz über eine Reduzierstation mit Heizdampf beaufschlagbar ist.
Eine andere Maßnahme zur Erhöhung der Vorlauftemperatur des Heizwassers - die zusätzlich oder anstelle der gerade genannten Maßnahme (aus dem Frischdampfnetz beaufschlagter Heizwasservortzärrner) vorgesehen werden kann - kaXm nach einer Weiterbildung der Erfindung darin bestehen daß im Teilstrang des mit Rauchgas erwärmten Heizwassers hinter dem rauchgasbeheizten Heizwassererwärmer eine Abzweigstelle vorgesehen ist, von welcher eine, ein Regelventil enthaltende Leitung abzweigt, die in den Teilstrang des kalten Rücklaufwassers, an einer vor dem erst dampfbeheizten Heizwassererwärmer liegenden Stelle mündet.
Die Erfindung sieht schließlich vor, daß der in dem von der Heizturbine angetriebenen elektrischen Generator und/oder der in dem Generator des Gasturbosatzes erzeugte Strom zur Versorgung von über Rohr'~itungen nicht wirtschaftlich erreichbaren Wärmeabnehillern mit Heizstrom dient.
Ein weiterer Vorschlag der Erfindung besteht darin, daß eine zusätzliche Rückkühlanlage vorgesehen ist, die sich während der Heizperiode, d.h. wenn die Anlage voll als Heizkraftwerk arbeitet, außer Betrieb befindet, und über welche - außerhalb der Heizperiode oder bei geringem Wärmebedarf, d.h. bei vollständigem oder teilweisen Fortfall der Heizwassererwärmung, und bei Betrieb der Anlage zur Spitzenstromerzeugung oder bei einem Einsatz als Reserveanlage - die Dampfturbinenabwärme ganz oder teilweise an die Umgebung abgegeben wird. Diese weitere Verwendungsmöglichkeit des Gasturbinen-Heizkraftwerkes läßt sich mit relativ geringem Zusatzaufwand bzw. mit einer verhältnismäßig kleinen Rückkthlanlage vorsehen. Es lassen sich dabei Spitzenleistungen mit noch gutem thermischen Wirkungsgrad erzeugen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausfbiirungsbeispiels näher erläutert.
In der Zeichnung bedeutet 1 in schematischer Darstellung einen Gasturbosatz. Mit 23 ist die Gasturbine bezeichnet, die den Verdichter 22 und den elektrischen Generator 24 antreibt. Außer der für den normalen Betrieb bestimmten Brennkammer 25 ist im Zuge des Abgasstromes der Gasturbine noch eine Hilfsbrennkammer 4 mit zugehörigem Hilfsgebläse 5 vorgesehen.
Mit 2 ist ein dem Gasturbosatz 1 nachgeschalteter Abhitzekessel bezeichnet. In diesem normalerweise unbefeuerten Abhitzekessel wird überhitzter Dampf erzeugt, der entweder ganz oder teilweise über eine Druck- und Temperaturregelstelle 12 direkt über Beitu-£lg 50 als Fabrikationsdampf abgegeben werden kann, oder ganz oder teilweise als Arbeitsdampf einer Heizturbine 3 dient.
In der Zeichnung sind mit 26 der Economiser, mit 27 der Verdampfer und mit 28 der Uberhitzer des von den Abgasen der Gasturbine 23 durchströmten Kessels 2 bezeichnet.
Als Heizturbine 3 ist bei dem gewählten Ausführungsbeispiel eine zweifllltige Turbine mit Mitteneinströmung vorgesehen, die einen elektrischen Generator 14 antreibt.
Mit 19 ist die zu den Verbrauchern führende Vorlaufleitung für das erwärmte Heizwasser und mit 20 die die Pumpe 49 enthaltende Leistung für das kalte Rücklaufwasser bezeichnet. Für den mit Qegendruckdampf zu erwärmenden Teilstrang 31 des Heizwassers sind bei dem gewählten Ausführungsbeispiel zwei wasserseitig hintereinander geschaltete Heizwassererwärmer 6a, 6b vorgesehen, denen Gegendruckdampf über die Leitungen 29 bzw. 30 zugeführt wird. Den beiden Heiza7assererwärmern 6a, 6b ist wasserseitig ein weiterer Heizwassererwärmer 6c nachgeschaltet, der bei Wärme-Spitzenbedarf vom Frischdampfnetz 32 über eine Reduzierstation 11 mit Heizdampf beaufschlagbar ist. Das Kondensat der Heizwassererwarmer 6a, 6b, 6c wird über entsprechende Leitungen 34, 33, 35 bzw. mit Hilfe der Kondensatpumpen 36, 37 einem Entgaser-Mischvorwärmer 7 zugeführt, dem andererseits Dampf, zwecks weiterer Aufwärmung und zwecks Entgasung des Speisewassers, von der-Heizturbine 3 über die Zeitung 38 zugeleitet wird. Dem Entgaser"Mischarorwärmer 7 kann über eine Leistung 39 bzw. mittels der Pumpe 40 Zusatzwasser zugeführt werden als Ersatz für Wasser, welches im Kreislauf verloren geht, bzw. als Ersatz bei der Abgabe von Fabrikationsdampf. Mit 51 ist schematisch eine Einrichtung zur chemischen Aufbereitung des Zusatzwassers be# zeichnet. Von dem Entgaser-MischvorwAJarmer 7 wird das Speisewasser dann über die Leitung 41 bzw. die Speisepumpe 42 dem Abhitzekessel 2 zugeleitet, wodurch der Kreislauf geschlossen ist.
Ein anderer Teilstrang des Heizwassers wird zwecks Erwärmung mit Rauchgas durch den Niedertemperaturbereich des Abhitzekessels 2 bzw. durch den dort angeordneten Heizwassererwärmer 21 geführt. Mit 43 ist die Abzweigstelle für die beiden Teilstränge bezeichnet und mit 44 die Stelle, an welcher die beiden Teilstränge nach erfolgter Erwärmung des Heizwassers wieder zusammen fließen. Hinter der Abzweigstelle 43 ist im Strang des kalten Rücklaufwassers eine Regelstelle bzw. ein Regelventil 10 vorgesehen, durch die der Anteil des den dampfbeheizten Heizwassererwärmern 6a, 6b zugeführten Rücklaufwassers einstellbar ist. Mit 45 ist eine hinter der Regelstelle 10 liegende Rückschlagklappe bezeichnet.
Der rauchgasbeheizte Heizwassererwärmer 21 ist durch eine ein Mischventil 8 enthaltende Leitung 15 ganz oder teilweise umgehbar. Weiter ist im Teilstrang des mit Rauchgas erwärmten Heizwassers hinter dem rauchgasbeheizten Heizwassererwärmer 21 eine Abzweigstelle 16 vorgesehen, von welcher eine ein Regelventil 9 und eine Pumpe 48 enthaltende Beizung 17 abzweigt, die in den Teilstrang des kalten Rücklaufwassers, an einer vor dem ersten dampfbeheizten Heizwassererwärmer 6a liegenden Stelle 18 mündet. Mit 47 ist eine in der Vorlaufleitung 19 liegende Meßstelle bezeichnet, an welcher der Istwert der Vorlauftemperatur lgv abgenommen und einem bei 46 angedeuteten Regler eingegeben wird, der durch nicht dargestellte Regelmittel das Regelventil 10 steuert.
Zur Betriebsweise des vorbeschriebenen Gasturbinen-Heizkraftwerkes ist noch folgendes zu sagen: Im Normalbetrieb wird ein Teil (der größere Teil) des kalten Rücklaufwassers über die Regelstelle 10 den beiden hintereinander geschalteten, dampfbeheizten Oberflächen-Heizwassererwärmern 6a, 6b zugeführt und hier auf die verlangte Vorlauftemperatur tv erwärmt, während der andere Teil des kalten Rücklaufwassers (der kleinere Teil) im Abgasstrom des Abhitzekessels 2 auf die verlangte Vorlauftemperatur erwärmt wird.
Im Auslegungsfall sind keine sonstigen Regeleingriffe notwendig.
Die Aufteilung der Heizwassererwärmung auf die zweistufige dampfbeheiste Erwärmung und die rauchgasbeheizte Heizwassererwärmung erfolgt so, daß einerseits der vom Abgas erzeugte Dampf (abzüglich des direkt abgegebenen Fabrikationsdampfes) nach Entspannung in der Heizturbine 3 vollständig zur Heizwassererwärmung genutzt wird, und andererseits die Rest-Abgaswärme, die im Abhitzekessel 2 nicht zur Dampferzeugung genutzt werden kann, bis zur zulässigen Kessel-Abgastemperatur zur Heizwassererwärmung herangezogen wird.
erden niedrigere Vorlauftemperaturer ge^~nscht als die Auslegungsvorlauftemperatur (d.h. bei geringerem Wärmebedarf der an das Heizwassernetz angeschlossenen Verbraucher), so wird das Mischventil 8 geöffnet. Bei voller Öffnung dieses Ventils wird der rauchgasbeheizte Heizwassererwärmer 21 ganz umgangen.
Sind dagegen höhere forlauftemperatu-ren erforderlich als der Auslegungsvorlauftemperatur entspricht (also wenn die Außentemperatur besonders tief absinkt), so kann ein Teil des bereits in dem rauchgasbeheizten Heizwassererwärmer 21 erwärmten Hei!.-wassers über das Ventil 9 vor den dampfbeheizten Heizwasser erwärmer 6a gebracht werden, wobei dann die Vorlauftemperatur ansteigt und die Leistungserzeugung im Darnpfturbosatz bzw. in der Heizturbine 3 entsprechend zurückgeht. Als weitere Maßnahme zur Erhöhung der Vorlauftemperatur dient das bereits erwähnte Reduzierventil 11. Bei Öffnung dieses Ventils wird ein Teil des Frischdampfes als tIeizdampf dem dritten Heizwassererwärmer 6c zugeführt, was mit einer Minderung der Stromerzeugung im Generator 14 des Dampfturbosatzes bzw. der Heizturbine 3 verbunden ist.
Bei extrem hohem Heizwärmebedarf wird die Hilfsbrennkammer 4 in Betrieb genommen. Durch diese zusätzliche Entbindung von Brennstoffwärme steigt die Abgastemperatur vor Eintritt in den Abhitzekessel 2 entsprechend an. Damit steigt auch die Dampfproduktion im Abhitzekessel und es steigt der Dampfdruck bei voll geöffnetem Dampfturbineneinlaßventil. Die Hilfsbrennkammer 4 dient zugleich als Reserve (bei Ausfall der Gasturbine 23).
Die vorerw-zännten zusatzlicheJl Einrichtungen zur Beeinflussung der Vorlauftemperatur tv können von Hand gesteuert werden. Es ist natürlich ebensogut möglich, auch vliese Einrichtungen einen Regler zu unterstellen, der so eingerichtet ist, daß der Sollwert dieses Reglers für die Vorlauftemperatur sich automatisch in Abhängigkeit von der Außentemperatur ändert.
Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene bzw. dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Es sind hiervon verschiedene Abweichungen baulicher und schaltungstechnischer Art denkbar.
So muß die Heizturbiile 3 nicht eine zweiflutige Turbine sein; sie könnte auch als einflutige Gegendruckturbine ausgebildet sein. Die Erwärmung des Heizwassers durch Gegendruckdampf könnte auch einstufig ausgeführt werden. Schließlich ist es auch denkbar, für den Gasturbosatz anstelle der gezeigten offenen Gasturbinenanlage eine geschlossene Gasturbinenanlage vorzu sehen.

Claims

Patentansprüche

1. Gasturbinen-Heizkraftwerk, bestehend aus einem Gasturbosatz mit nachgeschaltetem Abhitzekessel zur Erwärmung von Heizwasser, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizwassererwärmung in zwei parallel geschalteten Strängen erfolgt, von denen der eine Teilstrang mit Gegendruckdampf aus einer, einen elektrischen Generator (14) antreibenden Heizturbine (3) erwärmt wird und der Abhitzekessel (2) zur Erzeugung des zum Betrieb der Heizturbine (3) benötigten Dampfes eingerichtet ist, und daß der andere Teilstrang des Heizwassers zwecks Erwärmung mit Rauchgas durch den Niedertemperaturbereich des Abhitzekessels (2) bzw. durch einen dort angeordneten Heizwassererwärmer (21) geführt ist.

2. Gasturbinen-Heizkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den mit Gegendruckdampf zu erwärmenden Teilstrang des Heizwassers mindestens zwei wasserseitig hintereinander geschaltete Heizwassererwärmer (6a, 6b) vorgesehen sind, und der Gegendruck an den Entnahme stellen der Heizturbine (3) verschieden hoch ist und zwar entsprechend den unterschiedlichen Bedarfs drücken des Heizdampfes für die einzelnen Heizwassererwärmer.

3. Gasturbinen-HeizeraCtwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizturbine (3) als zweiflutige Gegendrucl;turbine mit Mitteneinströmung ausgebildet ist und die I Entnahmestellen fur die Versorgung der Heizwassererwärmer (6a, 6b) mit Heizdampf jeweils an den äußeren Enden der Turbinenfluten angeordnet sind.

4. Gasturbinen-Heizkraftwerk nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß den mit Gegendruckdampf beheizten Heizwassererwärmern (6a, 6b) wasserseitig mindestens ein weiterer Heizwasserenrmer (6c) nachgeschaltet ist, der bei Wärme-Spitzenbedarf vom Frischdampfnetz über eine Reduzierstation (11) mit Heizdampf beaufschlagbar ist.

5. Gasturbinen-Heizkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Strang des kalten Rücklaufwassers eine Regelstelle bzw. ein Regelventil (10) vorgesehen ist, durch die der Anteil des den dampfbeheizten Heizwassererwärmern (6a, 6b) zugeführten Rücklaufwassers einstellbar ist.

6. Gasturbinen-Heizkraftwerk nach einem der Anspruche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine ein Mischventil (8) enthaltende Leistung (15), durch die der rauchgasbeheizte Eeizwassereflrärmer (21) ganz oder teilweise umgehbar ist.

7. Gasturbinen-Heizkraftwerk nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Teilsting des mit Rauchgas erwärmten Heizwassers hinter dem rauchgasbeheizten Heizwassererwärmer (21) eine Abzweigstelle (16) vorgesehen ist, von welcher eine, ein Regelventil (9) enthaltende Bettung (17) abzweigt, die in den Teilstrang des kalten Rücklaufwassers, an einer vor dem ersten dampfbeheizten Heiswassererwärner (6a) liegenden Stelle (18) miindet.

8. Gasturbinen-Heiskraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine zwischen dem Gasturbosatz und dem Abhitzekessel (2) im Abgasstrom der Gasturbine angeordnete Hilfsbrennkammer (4).

9. Gasturbinen-Heizkraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine im Frischdampfnetz vorgesehene Druck- und Temperatur-Regelstelle (12), über welche eine einstellbare Menge des im Abhitzekessel (2) erzeugten Dampfes als Fabrikationsdampf abgegeben werden kann.

10. Gasturbinen-Heizkraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der in dem von der Heizturbine (3) angetriebenen elektrischen Generator (14) undXoder der in dem Generator (24) des Gasturbosatzes erzeugte Strom zur Versorgung von über Rohrleitungen nicht wirtschaftlich erreichbaren Wärmeabnehmern mit Heizstrom dient.

11. Gasturbinen-Heizkraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche Rückkühlanlage vorgesehen ist, die sich während der Heizperiode, d.h. wenn die Anlage voll als Heizkraftwerk arbeitet, außer Betrieb befindet und über welche - außerhalb der Heizperiode oder bei geringem Wärmebedarf, d.h.

bei vollständigem oder teilweisem Fortfall der Heizwassererwärmung, und bei Betrieb der Anlage zur Spitzenstromerzeugung oder bei einem Einsatz als Reserveanlage - die Dampfturbinenabwärme ganz oder teilweise an die Umgebung abgegeben wird.