Kombinierte Gas-Dampf-Kraftwerksanlage mit Zwangdurchlaufdampferzeuger

Abstract

 Bei einer kombinierten Gas-Dampf-Kraftwerksanlage mit einem Gasturbinenkreislauf und einem Dampfturbinenkreislauf geben die Abgase einer Gasturbine (4) ihre Restwärme über das in einem Zwangdurchlaufdampferzeuger (7) strömende Arbeitsmittel an eine Dampfturbine (9, 10) ab. Im Zwangdurchlaufdampferzeuger ist zwischen dem Verdampfer (22) und dem Überhitzer (23) eine Abscheideflasche (25) zum zum Abscheiden von Wasser und zum Abschlämmen von Verunreinigungen angeordnet ist. Hierzu ist der Austrittssammler (22b) des Verdampfers (22) mit dem oberen Teil der Abscheideflasche (25) über eine Dampfleitung (31) verbunden. Der Austrittssammler (22b) des Verdampfers (22) ist mit dem unteren Teil der Abscheideflasche (25) ebenfalls über eine Wasserleitung (33) verbunden. In der Dampfleitung (31) vom Austrittssammler (22b) zur Abscheideflasche (25) kann ein Drosselelement (28) angeordnet sein.

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung betrifft eine kombinierte Gas-Dampf-Kraftwerksanlage mit einem Gasturbinenkreislauf und einem Dampfturbinenkreislauf, bei der die Abgase einer Gasturbine ihre Restwärme über das in einem Zwangdurchlaufdampferzeuger strömende Arbeitsmittel an eine Dampfturbine abgeben, wobei im Zwangdurchlaufdampferzeuger zwischen dem Verdampfer und dem Überhitzer eine Abscheideflasche zum Abscheiden von Wasser und zum Abschlämmen von Verunreinigungen angeordnet ist, wozu der Austrittssammler des Verdampfers mit dem oberen Teil der Abscheideflasche über eine Dampfleitung verbunden ist.

Stand der Technik

[0002] Der Wasserdampfkreislauf der derzeitigen Kombianlagen wird ausnahmslos mit unterkritischen Parametem gefahren. Der Abhitzekessel zur Nutzung der Abwärme der Gasturbinen wird in der Regel mit Trommelkessel, mit Zwangdurchlaufkessel oder mit Kombinationen davon ausgeführt. Bei grossen hocheffizienten Anlagen gelangen zum Teil Mehrdruckanlagen mit Zwischenüberhitzung zur Anwendung. Gegenüber konventionell gefeuerten Kesseln ist indes die Rauchgastemperatur bei Abhitzekesseln begrenzt. Insbesondere die Verdampfung, welche bei konstanter Temperatur vor sich geht, führt zu thermodynamischen und technischen Auslegungszwängen.

[0003] Sind solche Zwangdurchlaufkessel mit einer Abscheideflasche zwischen Verdampfer und Überhitzer versehen, kann diese Abscheideflasche zur Reinigung des Wasser-Dampfkreislaufes herangezogen werden, in dem die Verunreinigungen aus der Flasche wie bei einem Trommelkessel abgezogen werden können. Hierzu muss die Abscheideflasche unter bestimmtem Bedingungen betrieben werden. Neben dieser Funktion dienen die Abscheideflaschen insbesondere zum Entfernen der Feuchte bzw. des Wassers, welche vom Austritt des Verdampfers herrührt. Damit dienen sie dem Schutz der Turbine vor Feuchtedurchbrüchen, wie sie insbesondere beim Anfahren der Anlage, bei Schwachlast und bei transienten Betriebszuständen auftreten können.

[0004] Am Austritt des Verdampfers, d.h. in dessen Austrittssammler, kann sich in folgenden Fällen Wasser befinden bzw. ansammeln: Zum einen beim Anfahren der Anlage mit Rezirkulation des Wassers über die Abscheideflasche; zum andern beim Normalbetrieb, wenn unterkühlte Wassertropfen im leicht überhitzten Dampf mitgerissen werden; weiterhin bei tiefen Teillasten, bei denen am Verdampferaustritt ein Nassdampfzustand vorherrscht; schliesslich bei Transienten mit der Folge des Überspeisens des Verdampfersystemes. Diese Wasseransammlungen im Austrittssammler sind unerwünscht.

[0005] Bei horizontal ausgerichteten Austrittssammlern, wie sie bei stehenden Kesseln zur Anwendung gelangen, muss der Sammler hinsichtlich der Feuchtabscheidung kompliziert aufgebaut sein. Wasseransammlungen führen zu erhöhten Druckverlusten, sie beeinflussen das Betriebsverhalten und beinhalten die Gefahr des Wassermitrisses.

[0006] Bei vertikal ausgerichteten Austrittssammlern, wie sie bei liegenden Kesseln zur Anwendung gelangen, können sich die unteren Heizflächenbereiche, unterstützt durch die geodätische Höhendifferenz, mit Wasser füllen. Dies kann die Verdampferstabilität beeinflussen und zu einer Verringerung der Dampfproduktion führen. Zudem ist in den unteren Heizflächenbereichen mit Wasser/Dampf-Schlägen infolge rückströmenden Wassers zu rechnen.

Darstellung der Erfindung

[0007] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Abhitzedampferzeuger der eingangs genannten Art eine Massnahme zu schaffen, die die wasserseitige Entleerung des Verdampfer-Austrittssammlers sicherstellt.

[0008] Erfindungsgemäss wird dies mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 erreicht.

[0009] Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem in der systeminherenten Entleerung des Verdampfer-Austrittssammlers zu sehen. Auf den bisherigen apparativen, messtechnischen und regelungstechnischen Aufwand, der erforderlich war, um die Wasseransammlung zu verhindern bez. um das sich angesammelte Wasser abzuführen, kann nunmehr verzichtet werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

[0010] In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung vereinfacht dargestellt. Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmittel ist mit Pfeilen dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1

das Schema einer kombinierten Gas-Dampf-Kraftwerksanlage mit liegendem Dampferzeuger;

Fig. 2

das Schema einer kombinierten Gas-Dampf-Kraftwerksanlage mit vertikalem Dampferzeuger;

Fig.3

eine Anlage gemäss Fig. 2 mit einer Variante der Rauchgasführung.

Weg zur Ausführung der Erfindung

[0011] Gemäss Figur 1 wird im Gasturbinensystem über eine Leitung 1 angesaugte Frischluft in einem Verdichter 2 auf den Arbeitsdruck verdichtet. Die verdichtete Luft wird in einer beispielsweise mit Erdgas befeuerten Brennkammer 3 stark erhitzt und das so entstandene Brenngas wird in einer Gasturbine 4 arbeitsleistend entspannt. Die dabei gewonnene Energie wird an einen Generator 5 bzw. den Verdichter 2 abgegeben. Das noch heisse Abgas der Gasturbine wird über eine Leitung 6 vom Ausgang der Gasturbine einer Abhitzedampferzeugungsanlage 7 zugeführt und daraus nach Abgabe seiner Wärme über eine Leitung 8 und einen nicht dargestellten Kamin ins Freie geleitet.

[0012] Im Wasser-Dampfkreislauf ist eine mehrgehäusige Dampfturbine 9, 10 auf der gleichen Welle mit der Gasturbine angeordnet. Der in der Niederdruckturbine 10 entspannte Arbeitsdampf kondensiert in einem Kondensator 11. Das Kondensat wird aus dem Hotwell 12 mittels Pumpe 20 direkt in den Dampferzeuger 7 gefördert. Bemerkenswert ist, dass die Anlage weder mit einer Kondensatreinigungsanlage noch mit einem in der Regel dampfbeheizten Speisewasserbehälter/Entgaser ausgerüstet ist.

[0013] Die Abhitzedampferzeugungsanlage 7 ist als liegender Kessel ausgeführt und arbeitet im vorliegenden Fall nach einem Eindruck-Dampfprozess. Die Anzahl der Druckstufen ist im Beispielsfall ohne Belang.

[0014] Das Eindrucksystem ist als Zwangdurchlaufsystem ausgeführt und damit sowohl für unterkritische als auch für überkritische Parameter auslegbar. Es besteht im Rauchgasweg des Kessels im wesentlichen aus dem Economiser 21, dem Verdampfer 22 und dem Überhitzer 23. Der überhitzte Dampf wird über eine Frischdampfleitung 24 in den Hochdruckteil 9 der Dampfturbine überführt. Die drei Wärmeaustauschflächen 21, 22 und 23 sind jeweils mit einem Eintrittssammler 21a, 22a, 23a und einem Austrittssammler 21b, 22b und 23b ausgerüstet.

[0015] Zur Phasentrennung ist im System eine Abscheideflasche 25 vorgesehen, in deren oberen Teil der Austrittssammler 22b des Verdampfers 22 über eine Leitung 31 mündet. Die Abscheideflasche ist an ihrem obereren Ende über eine Leitung 32 mit dem Eintrittssammler 23a des Überhitzers 23 verbunden. An ihrem unteren Ende ist die Flasche mit einer Rückführleitung 29 versehen, welche in den Hotwell 12 mündet. An ihrem unteren Ende ist die Flasche zusätzlich mit einer Abschlämmleitung 30 versehen, über welche die Verunreinigungen abgezogen werden. Die dort abgezogene Menge wird durch Zusatzwasser ersetzt, welches bei 13 in den Kondensator eingegeben wird.

[0016] Die Abscheideflasche sorgt dafür, dass der Überhitzer jederzeit trocken bleibt und am Kesselaustritt frühzeitig überhitzter Dampf zur Verfügung steht. Sobald im Hochdruckverdampfer 22 der für einen stabilen Betrieb notwendige Druck erreicht ist, kann der Frischdampf zum Anfahren der Dampfturbine im Gleitdruckbetrieb verwendet werden.

[0017] Im Normalbetrieb wird die Abscheideflasche 25 trocken gefahren. Zur Reinigung des Dampf/Wasserkreislaufes wird über die Speisepumpe 20 eine grössere Menge Wasser als erforderlich durch den Zwangdurchlauf-Dampferzeuger gefördert. Die geförderte Wassermenge wird so eingestellt, dass aufjeden Fall Nassdampf in die Flasche 25 gelangt. In den Wassertröpfchen des Wasser-Dampf-Gemisches sind die Verunreinigungen gebunden. In der Flasche wird der Wasseranteil des Dampfes durch geeignete Mittel separiert und über die Abschlämmleitung 30 abgezogen. Zum Reinigen, was im Vollastbetrieb erfolgen kann, muss demnach Nassdampf in die Flasche gelangen. Nach dem oben beschriebenen Verfahren gelangt die notwendige Feuchte in die Flasche, in dem das System überspeist wird, was durch Erhöhen des Speisewassermassenstromes und/oder durch Zurückfahren der Gasturbine erreicht wird. Es versteht sich, dass sich in diesem Fall auch Wasseransammlungen im Austrittssammler 22b des Verdampfers befinden.

[0018] Gemäss der Erfindungsaufgabe soll nun eine Massnahme geschaffen werden, die die Entleerung des Verdampfer-Austrittssammlers 22b sicherstellt, und zwar bei allen möglichen Betriebszuständen. Hierzu wird neben der dampfseitigen Verbindung des Austrittssammlers 22b mit der Abscheideflasche 25 - wozu die in der Regel grosse Dampfleitung 31 in den oberen Dampfbereichen der beiden Apparate vorgesehen ist - zusätzlich eine wasserseitige Verbindung realisiert. Diese Verbindung kann eine Wasserleitung 33 mit geringem Durchmesser sein, welche die unteren Wasserbereiche der beiden Apparate 22b und 25 miteinander verbindet. In bestimmten Fällen kann diese Wasserleitung 33 auch in den Dampfraum des Apparates 25 geführt werden, wobei dies jedoch deutlich unterhalb der Dampfeinführung geschehen sollte. Über diese Wasserleitung erfolgt inherent die Entleerung des Austrittssammlers, ohne dass irgendwelche Regelungen und Pumpen erforderlich sind. Es ist lediglich darauf zu achten, dass die Druckdifferenz über die Wasserleitung 33 geringer ist als jene über die Dampfleitung 31. Um diese Druckverhältnisse sicherzustellen, kann in der Dampfleitung 31 ein entsprechendes Drosselelement, hier eine Blende 28, angeordnet sein. Selbstverständlich könnte auch eine Düse, eine Drossel oder ein geringer Rohrdurchmesser an dieser Stelle zur Anwendung gelangen Je nach Aufstellungshöhe der Abscheideflasche 25 kann auch die geodätische Höhendifferenz bei der Entleerung unterstützend wirken.

[0019] Solange Wasser im unteren Bereich des Austrittssammers 22b steht, strömt es über die Leitung 33 in den unteren Bereich der Abscheideflasche 25 ab. Ist der Austrittssammer 22b trocken, so wird eine geringe Dampfmenge über die Wasserleitung in die Abscheideflasche strömen, was deren Betrieb jedoch nicht beeinträchtigt.

[0020] In den Fig. 2 und 3 sind funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in Fig. 1. Bei den dort dargestellten Anlagen handelt es sich um Kombikraftwerke (der Dampfturbinenteil ist nicht gezeigt) mit vertikalem Dampferzeuger. Die Eintrittssammler (a) und Austrittssammler (b) des Economisers 21, des Verdampfers 22 und des Überhitzers 23 sind demnach waagerecht ausgerichtet. Bei der Anlage nach Fig. 2 erfolgt die Rauchgasströmung innerhalb des Zwangdurchlaufkessels senkrecht nach oben, bei jener nach Fig. 3 senkrecht nach unten. Es ist erkennbar, dass die neue Massnahme, d.h. das Anordnen einer Wasserleitung 33 und ggfs einer Blende 28 in der Dampfleitung 31 nur erforderlich ist, falls letztere einen aufsteigenden Abgang vom Austrittssammer 22b aufweist, d.h. wenn der Dampfbereich der Abscheideflasche 25 örtlich höher angeordnet ist als der Austrittssammer 22b.

Bezugszeichenliste

[0021] 

1

Leitung (angesaugte Frischluft)

2

Verdichter

3

Brennkammer

4

Gasturbine

5

Generator

6

Leitung (Abgas)

7

Abhitzedampferzeugungsanlage

8

Leitung (zum Kamin)

9

Hochdruckturbine

10

Niederdruckturbine

11

Kondensator

12

Hotwell

13

Zusatzwasser

20

Speisewasserpumpe

21

Economiser

21a,b

Header

22

Verdampfer

22a,b

Header

23

Überhitzer

23a,b

Header

24

Frischdampfleitung

25

Reinigungs-Abscheideflasche

28

Drosselelement, Blende

29

Rückführleitung

30

Abschlämmleitung

31

Dampfleitung zwischen 22b und 25

32

Dampfleitung zwischen 25 und 23a

33

Wasserleitung zwischen 22b und 25

Ansprüche

1. Kombinierte Gas-Dampf-Kraftwerksanlage mit einem Gasturbinenkreislauf und einem Dampfturbinenkreislauf, bei der die Abgase einer Gasturbine (4) ihre Restwärme über das in einem Zwangdurchlaufdampferzeuger (7) strömende Arbeitsmittel an eine Dampfturbine (9, 10) abgeben, wobei im Zwangdurchlaufdampferzeuger zwischen dem Verdampfer (22) und dem Überhitzer (23) eine Abscheideflasche (25) zum zum Abscheiden von Wasser und zum Abschlämmen von Verunreinigungen angeordnet ist, wozu der Austrittssammler (22b) des Verdampfers (22) mit dem oberen Teil der Abscheideflasche (25) über eine Dampfleitung (31) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Austrittssammler (22b) des Verdampfers (22) mit dem unteren Teil der Abscheideflasche (25) über eine Wasserleitung (33) verbunden ist.

2. Kraftwerksanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Dampfleitung (31) vom Austrittssammler (22b) zur Abscheideflasche (25) ein Drosselelement (28) angeordnet ist.

Zeichnung