Abhitzedampferzeuger mit teilweise abschaltbaren Heizflächen sowie Gas- und Dampfturbinenanlage mit einem solchen Abhitzedampferzeuger

Abstract

 Die Erfindung betrifft einen Abhitzedampferzeuger (1) für eine Gas- und Dampfturbinenanlage (2), der Abhitzedampferzeuger (1) umfassend mindestens eine erste Heizfläche (3, 7) zur Überhitzung von Dampf, wobei die mindestens eine erste Heizfläche (3, 7) in mindestens einen ersten (4, 8) und einen zweiten Teil (5, 9) geteilt ist und der zweite Teil (5, 9) durch eine Absperrarmatur (6) abschaltbar ist. Die Erfindung betrifft ferner eine Gas- und Dampfturbinenanlage (2).

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Abhitzedampferzeuger und bezieht sich auf die teilweise Abschaltbarkeit von Heizflächen in Abhängigkeit von Umgebungs- und Betriebsbedingungen. Die Erfindung betrifft ferner eine Gas- und Dampfturbinenanlage (GUD-Anlage).

[0002] Zum Schutz thermisch hoch belasteter Bereiche des Abhitzedampferzeugers und der Dampfturbine muss in Gas- und Dampfturbinenanlagen die Dampftemperatur sorgfältig geregelt bzw. auf einen zulässigen Höchstwert begrenzt werden.

[0003] Als Standardlösung zur Dampftemperaturregelung werden üblicherweise Einspritzkühler verwendet. Dabei wird Speisewasser in den überhitzen Dampf eingespritzt und dadurch eine Kühlwirkung erzielt.

[0004] Die größten Nachteile dieser Methode sind vor allem der Wirkungsgradverlust, Thermospannungen und die Gefahr eines Tröpfcheneintrags.

[0005] Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Abhitzedampferzeuger der eingangs genannten Art bereitzustellen, der einen hohen Wirkungsgrad sowie einen materialschonenden Betrieb ermöglicht. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Angabe einer Gas- und Dampfturbinenanlage.

[0006] Die Erfindung löst diese Aufgabe, indem sie vorsieht, dass bei einem derartigen Abhitzedampferzeuger für eine Gas- und Dampfturbinenanlage, der Abhitzedampferzeuger mindestens eine erste Heizfläche zur Überhitzung von Dampf umfasst, wobei die mindestens eine erste Heizfläche in mindestens einen ersten und einen zweiten Teil geteilt ist und der zweite Teil durch eine Absperrarmatur abschaltbar ist.

[0007] Durch den Einsatz teilweise abschaltbarer Überhitzerheizflächen lassen sich die Einspritzwassermengen reduzieren.

[0008] Vorteilhafter Weise sind der erste und der zweite Teil der mindestens einen Heizfläche in Strömungsrichtung eines den Abhitzedampferzeuger im Betrieb durchströmenden Abgases gesehen unmittelbar hintereinander angeordnet, so dass sie bei geöffneter Absperrarmatur wie eine Überhitzerheizfläche funktionieren.

[0009] Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn der zweite Teil in Strömungsrichtung eines den Abhitzedampferzeuger im Betrieb durchströmenden Abgases gesehen hinter dem ersten Teil angeordnet ist, da auf diese Weise die thermische Belastung des Rohrmaterials der Überhitzerheizflächen minimiert wird. Der erste Teil wird durch den ihn durchströmenden Dampf gekühlt und der zweite, nicht durchströmte Teil wird von einem durch den ersten Teil bereits abgekühlten Abgasstrom beaufschlagt.

[0010] Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn eine zweite Heizfläche derselben Druckstufe wie die erste Heizfläche ebenfalls in mindestens einen ersten und einen zweiten Teil geteilt ist und der zweite Teil abschaltbar ist. Auf diese Weise lässt sich der erzielte Effekt noch verstärken, d.h. eine Dampftemperaturregelung durch Einspritzkühler wird in immer geringerem Umfang erfolgen müssen und die Gefahr eines Tröpfcheneintrags wird sich weiter verringern.

[0011] In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die mindestens eine erste Heizfläche eine Zwischenüberhitzerheizfläche.

[0012] Auch wenn die teilweise abschaltbaren ZwischenüberhitzerHeizflächen einen größeren Einfluss auf den GUD-Wirkungsgrad als teilweise abschaltbare Hochdrucküberhitzer-Heizflächen haben, ist in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung die mindestens eine erste Heizfläche eine Hochdrucküberhitzerheizfläche, evtl. zusätzlich zu einer teilweise abschaltbaren Zwischenüberhitzerheizfläche.

[0013] Es ist vorteilhaft, wenn eine Gas- und Dampfturbinenanlage eine Gasturbine, einen der Gasturbine abgasstromseitig nachgeschalteten Abhitzedampferzeuger gemäß der Erfindung und eine dem Abhitzedampferzeuger dampfseitig nachgeschaltete Dampfturbine umfasst.

[0014] Als Vorteile der Erfindung ergeben sich deutlich reduzierte Einspritzwassermengen und in der Folge eine geringere Gefahr durch Tröpfcheneintrag. Der Wirkungsgrad der Gas- und Dampfturbinenanlage steigt sowohl bei Volllast und hohen Umgebungstemperaturen als auch bei Teillasten und beim Anfahren.

[0015] Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich:

Figur 1 eine Gas- und Dampfturbinenanlage mit Abhitzedampferzeuger nach der Erfindung und

Figur 2 eine teilweise abschaltbare Heizfläche.

[0016] Die Figur 1 zeigt schematisch und beispielhaft eine Gas- und Dampfturbinenanlage 2 mit einer Gasturbine 12, einer Dampfturbine 13 und einem erfindungsgemäßen Abhitzedampferzeuger 1. Über eine Welle 14 sind ein Läufer der Gasturbine 12, ein Läufer eines Generators 15 und ein Läufer der Dampfturbine 13 miteinander gekoppelt, wobei der Läufer der Dampfturbine 13 und der Läufer des Generators 15 über eine Kupplung 16 rotatorisch voneinander trennbar und koppelbar sind. Die Läufer des Generators 15 und der Gasturbine 12 sind über die Welle 14 starr miteinander verbunden. Ein Abgasauslass 17 der Gasturbine 12 ist über eine Abgasleitung 18 mit dem Abhitzedampferzeuger 1 verbunden, der zur Erzeugung des Betriebsdampfs der Dampfturbine 13 aus Abwärme der Gasturbine 12 vorgesehen ist.

[0017] Während eines Betriebs der Gas- und Dampfturbinenanlage 2 wird vom rotierenden Läufer der Gasturbine 12 über die Welle 14 ein Verdichter 19 angetrieben, der Verbrennungsluft aus der Umgebung ansaugt und einer Brennkammer 20 zuführt. Dort wird die Verbrennungsluft mit von einer Brennstoffzuführung 21 herangeführtem Brennstoff vermischt und verbrannt und die heißen, unter Druck stehenden Abgase werden dem Turbinenteil 22 der Gasturbine 12 zugeführt und dort unter Leistung von Arbeit entspannt. Die noch etwa 550 bis 650°C heißen Abgase werden anschließend durch die Abgasleitung 18 dem Abhitzedampferzeuger 1 zugeführt und durchströmen diesen vom Abgaseingang 23 bis zum Abgasausgang 24, und gelangen durch einen Kamin 25 in die Umgebung. Auf ihrem Weg durch den Abhitzedampferzeuger 1 führen sie im Beispiel der Figur 1 ihre Wärme einem dritten Hochdrucküberhitzer 26 zu, dann einem zweiten Zwischenüberhitzer 27, einem zweiten Hochdrucküberhitzer 28, einem ersten Zwischenüberhitzer 29, und einem ersten Hochdrucküberhitzer 30, des weiteren einem Hochdruckverdampfer 31, einem Hochdruckvorwärmer 32, dann einem Mitteldrucküberhitzer 33, einem Mitteldruckverdampfer 34, einem Mitteldruckvorwärmer 35, dann einem Niederdrucküberhitzer 36, einem Niederdruckverdampfer 37 und schließlich einem Kondensatvorwärmer 38. Dabei umfassen die ersten bis dritten Hochdrucküberhitzer 30, 28, 26 jeweils eine Hochdrucküberhitzerheizfläche 11 und die ersten und zweiten Zwischenüberhitzer 29, 27 jeweils eine Zwischenüberhitzerheizfläche 10.

[0018] Im dritten Hochdrucküberhitzer 26 überhitzter Dampf wird durch eine Dampfableitung 39 einer Hochdruckstufe 40 der Dampfturbine 13 zugeführt und dort unter Leistung von Arbeit entspannt. Mit der Arbeit wird - analog zur in der Gasturbine 12 geleisteten Arbeit - die Welle 14 und damit der Generator 15 zur Erzeugung elektrischer Energie bewegt. Der in der Hochdruckstufe 40 teilweise entspannte heiße Dampf wird anschließend gemeinsam mit Dampf aus dem Mitteldrucküberhitzer 33 den Zwischenüberhitzern 27, 29 zugeführt, dort erneut bzw. weiter überhitzt und über eine Ableitung 41 einer Mitteldruckstufe 42 der Dampfturbine 13 zugeführt und dort unter Leistung von mechanischer Arbeit entspannt. Der dort teilweise entspannte Dampf wird über eine interne Zuleitung einer Niederdruckstufe 43 der Dampfturbine 13 zugeführt und dort unter Abgabe von mechanischer Energie weiter entspannt.

[0019] Der entspannte Dampf wird im Kondensator 44 der Dampfturbine 13 kondensiert, und das so entstehende Kondensat wird über eine Kondensatpumpe 45 nach Erwärmung im Kondensatvorwärmer 38 direkt einer Niederdruckstufe 46 des Abhitzedampferzeugers 1 oder über eine Speisewasserpumpe 47 - und von dieser mit entsprechendem Druck versehen - einer Mitteldruckstufe 48 oder einer Hochdruckstufe 49 des Abhitzedampferzeugers 1 zugeführt, wo das Kondensat verdampft wird. Nach einer Dampferzeugung und Überhitzung wird der Dampf über die entsprechenden Ableitungen 39, 41 des Abhitzedampferzeugers 1 wieder der Dampfturbine 13 zur Entspannung und Verrichtung mechanischer Arbeit zugeführt.

[0020] Figur 1 zeigt ferner Einspritzkühler 50, die zur Regelung der Dampftemperatur zwischen und nach den Überhitzern 26 - 29 in den Dampfleitungen 39, 41, 51, 52 angeordnet sind.

[0021] Der Einsatz teilweise abschaltbarer Heizflächen nach der Erfindung wird in der Figur 1 am Beispiel der Zwischenüberhitzerheizflächen 10 der ersten und zweiten Zwischenüberhitzer 29, 27 gezeigt. Hierbei umfassen eine erste und eine zweite Heizfläche 3, 7, im Beispiel also die beiden Zwischenüberhitzerheizflächen 10, je einen ersten 4, 8 und einen zweiten Teil 5, 9. Zusätzliche Absperrarmaturen 6 im jeweiligen zweiten Teil 5, 9 sorgen dafür, dass diese in Abgasrichtung nachgeordneten Teile der Heizflächen 3, 7 bei Bedarf gemeinsam oder einzeln hinzu- oder abgeschaltet werden können. Im GUD-Volllastbetrieb bei moderaten Umgebungstemperaturen sind sowohl die ersten 4, 8 als auch die zweiten Teile 5, 9 der Heizflächen 3, 7 im Einsatz. Im Volllastbetrieb bei hohen Umgebungstemperaturen oder bei einer GUD-Teillast wird mindestens ein zweiter Teil 5, 9 der Heizflächen 3, 7 abgeschaltet. Die effektive Heizfläche und damit auch die Dampfaufwärmspanne werden verringert. Die zur Dampftemperaturregelung benötigte Einspritzwassermenge wird reduziert und der GUD-Wirkungsgrad steigt.

[0022] Figur 2 zeigt schematisch einen Abschnitt des erfinderischen Abhitzedampferzeugers 1 mit einer teilweise abschaltbaren ersten Heizfläche 3 nach der Erfindung. Die teilweise abschaltbare Heizfläche 3 besteht aus zwei Teilen, die im Abgasstrom 53 so hintereinander angeordnet sind, dass der erste Teil 4 zuerst und der zweite Teil 5 als zweites vom Abgasstrom 53 beaufschlagt wird. Die beiden Teile 4, 5 sind jeweils über Ein- und Austrittsammler 54, 55 in einen WasserDampf-Kreislauf geschaltet. Nach der Erfindung ist nun im Bereich der Zuleitung 56 zum Eintrittsammler 54 des zweiten Teils 5 der Heizfläche 3 eine Absperrarmatur 6 vorgesehen.

[0023] Die in der Figur 2 gezeigt Heizfläche 3 ist lediglich ein Beispiel für die Umsetzung einer teilweise abschaltbaren Heizfläche in einem Abhitzedampferzeuger 1 nach der Erfindung. Prinzipiell kann vorgesehen sein, dass nur eine der beiden Heizflächen 3 und 7 teilweise abschaltbar ist. Dabei wird der erzielbare Effekt bei Heizfläche 7 größer als bei Heizfläche 3 sein. Eine Kombination teilweise abschaltbarer Heizflächen 3 und 7 im Mitteldruckteil des Abhitzedampferzeugers 1 ist bereits in Figur 1 beschrieben. Darüber hinaus sollen von der Erfindung auch teilweise abschaltbare Hochdrucküberhitzerheizflächen 11 umfasst sein.

Ansprüche

1. Ein Abhitzedampferzeuger (1) für eine Gas- und Dampfturbinenanlage (2), der Abhitzedampferzeuger (1) umfassend mindestens eine erste Heizfläche (3, 7) zur Überhitzung von Dampf, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erste Heizfläche (3, 7) in mindestens einen ersten (4, 8) und einen zweiten Teil (5, 9) geteilt ist und der zweite Teil (5, 9) durch eine Absperrarmatur (6) abschaltbar ist.

2. Abhitzedampferzeuger (1) nach Anspruch 1, wobei der erste (4, 8) und der zweite Teil (5, 9) der mindestens einen ersten Heizfläche (3, 7) in Strömungsrichtung eines den Abhitzedampferzeuger (1) im Betrieb durchströmenden Abgases gesehen unmittelbar hintereinander angeordnet sind.

3. Abhitzedampferzeuger (1) nach Anspruch 2, wobei der zweite Teil (5, 9) in Strömungsrichtung eines den Abhitzedampferzeuger (1) im Betrieb durchströmenden Abgases gesehen hinter dem ersten Teil (4, 8) angeordnet ist.

4. Abhitzedampferzeuger (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine zweite Heizfläche (7, 3) derselben Druckstufe wie die erste Heizfläche (3, 7) ebenfalls in mindestens einen ersten (8, 4) und einen zweiten Teil (9, 5) geteilt ist und der zweite Teil (9, 5) abschaltbar ist.

5. Abhitzedampferzeuger (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine erste Heizfläche (3, 7) eine Zwischenüberhitzerheizfläche (10) ist.

6. Abhitzedampferzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die mindestens eine erste Heizfläche eine Hochdrucküberhitzerheizfläche (11) ist.

7. Gas- und Dampfturbinenanlage (2) umfassend eine Gasturbine (12), einen der Gasturbine (12) abgasstromseitig nachgeschalteter Abhitzedampferzeuger (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und eine dem Abhitzedampferzeuger (1) dampfseitig nachgeschaltete Dampfturbine (13).

Zeichnung