[0001] Die Erfindung betrifft einen Abhitzedampferzeuger und bezieht sich auf eine Dampftemperaturregelung
mittels Dampfumleitung. Die Erfindung betrifft ferner eine Gas- und Dampfturbinenanlage.
[0002] Zum Schutz der thermisch hoch belasteten Bereiche des Abhitzedampferzeugers und der
Dampfturbine muss in den Gas-und Dampfturbinenanlage die Dampftemperatur sorgfältig
geregelt bzw. auf einen zulässigen Höchstwert begrenzt werden.
[0003] Als Standardlösung zur Dampftemperaturregelung werden üblicherweise Einspritzkühler
verwendet. Dabei wird das 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 eines Gas- und Dampfturbinenanlage.
[0006] Die Erfindung löst diese Aufgabe, indem sie vorsieht, dass bei einem derartigen Abhitzedampferzeuger,
umfassend eine Druckstufe mit mindestens zwei Überhitzern, von denen der eine in Dampfströmungsrichtung
der letzte Überhitzer der Druckstufe ist und der andere der vorletzte Überhitzer der
Druckstufe, wobei der vorletzte und der letzte Überhitzer über eine Dampfleitung miteinander
verbunden sind, ein Dampfbypass um den vorletzten Überhitzer in die Dampfleitung mündet.
Durch diese Maßnahme können die üblichen Zwischeneinspritzkühler durch Dampfbypässe
ersetzt werden. Die Bereitstellung von Dampf anstelle von Wasser beseitigt die Gefahr
eines Tröpfcheneintrags. Weiterhin wird durch die Einspeisung des kälteren Dampfes
vor dem letzten Überhitzer sichergestellt, dass dessen Material im Betrieb thermisch
nicht überbeansprucht wird.
[0007] In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Abhitzedampferzeuger als Mehrdruckkessel
ausgeführt. Hierbei werden mehrere (üblicherweise bis zu drei) Dampferzeuger, die
auf unterschiedlichem Druckniveau arbeiten und jeweils Überhitzer, Verdampfer und
Economizer umfassen, rauchgasseitig hintereinandergeschaltet. Die Dampftemperaturregelung
lässt sich dann entweder alternativ oder auch ergänzend sowohl in der Mitteldruckstufe
als auch in der Hochdruckstufe durchführen, wenn die Druckstufe mit dem Dampfbypass
entsprechend eine Mittel- oder Hochdruckstufe ist.
[0008] Die Erfindung ist dabei nicht auf einen bestimmten Kesseltyp beschränkt. In einer
vorteilhaften Ausführungsform ist der Abhitzedampferzeuger ein Trommelkessel (Zwangsumlaufkessel
oder Naturumlaufkessel) und in einer alternativen vorteilhaften Ausführungsform ist
der Abhitzedampferzeuger ein Zwangsdurchlaufkessel (z.B. Benson).
[0009] In der Mitteldruckstufe des Abhitzedampferzeugers zweigt der Dampfbypass, um die
Dampfleitung möglichst kurz ausführen zu können, vorzugsweise in Dampfströmungsrichtung
hinter einem Mischpunkt aus Mitteldruckdampf und kaltem Zwischenüberhitzerdampf von
einer zum vorletzten Überhitzer führenden Dampfleitung ab. Prinzipiell kann der Dampfbypass
aber auch bereits vor dem Mischpunkt aus der kalten Zwischenüberhitzerdampfleitung
erfolgen.
[0010] Der Dampfbypass ist nicht auf die Umführung eines einzelnen Überhitzers begrenzt.
Sind mehr als zwei Überhitzer in einer Druckstufe vorgesehen, kann es vorteilhaft
sein, wenn der Dampfbypass bereits von einer zu einem ersten Überhitzer der Druckstufe
führenden Dampfleitung abzweigt.
[0011] Schließlich ist es 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.
[0012] Einer der zahlreichen Vorteile der Erfindung ist der Wegfall der Zwischenabspritzungen.
Es wird nur die Endabspritzung zum Anfahren benötigt, d.h. die Einspritzkühler in
der Frischdampfleitung zum Hochdruckteil der Dampfturbine bzw. in der heißen Überhitzerleitung
zum Mitteldruckteil der Dampfturbine. Im normalen Lastbetrieb ist diese Abspritzung
inaktiv, d.h. es besteht dann keine Gefahr mehr durch Tröpfcheneintrag. Ebenso stellen
Thermospannungen durch große Temperaturunterschiede bei der Wassereindüsung im normalen
Lastbetrieb keine Gefahr mehr dar.
[0013] Weiterhin werden keine langen heißen Zwischenüberhitzer-Mischstrecken benötigt. Auch
ergibt sich eine höhere Flexibilität beim Abhitzedampferzeuger-Design. Der Wirkungsgrad-Nachteil
durch unabsichtlich überdimensionierte Überhitzer kann mit den Dampfbypässen ausgeglichen
werden.
[0014] Daneben ergibt sich auch eine Steigerung des GUD-Wirkungsgrades bei Volllast und
hohen Umgebungstemperaturen bzw. bei Teillasten und beim Anfahren.
[0015] Bei hohen Umgebungstemperaturen ergibt sich kein Performance-Unterschied zwischen
Zwangsdurchlaufkessel (z.B. Benson) und Trommelkessel (Zwangsumlauf oder Naturumlauf).
[0016] Infolge einer höheren Dampfproduktion ergibt sich eine höhere Benson-Verdampferstabilität
bei Teillasten.
[0017] Schließlich verringern sich die Bypassmengen am letzten Hochdruck-Economizer.
[0018] Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
schematisch und nicht maßstäblich:
Figur 1 eine Gas- und Dampfturbinenanlage nach dem Stand der Technik und
Figur 2 eine Gas- und Dampfturbinenanlage nach der Erfindung.
[0019] Die Figur 1 zeigt schematisch und beispielhaft eine Gas- und Dampfturbinenanlage
2 mit einer Gasturbine 17, einer Dampfturbine 18 und einem Abhitzedampferzeuger 1.
Über eine Welle 19 sind ein Läufer der Gasturbine 17, ein Läufer eines Generators
20 und ein Läufer der Dampfturbine 18 miteinander gekoppelt, wobei der Läufer der
Dampfturbine 18 und der Läufer des Generators 20 über eine Kupplung 21 rotatorisch
voneinander trennbar und koppelbar sind. Die Läufer des Generators 20 und der Gasturbine
17 sind über die Welle 19 starr miteinander verbunden. Ein Abgasauslass 22 der Gasturbine
17 ist über eine Abgasleitung 23 mit dem Abhitzedampferzeuger 1 verbunden, der zur
Erzeugung des Betriebsdampfs der Dampfturbine 18 aus Abwärme der Gasturbine 17 vorgesehen
ist.
[0020] Während eines Betriebs der Gas- und Dampfturbinenanlage 2 wird vom rotierenden Läufer
der Gasturbine 17 über die Welle 19 ein Verdichter 24 angetrieben, der Verbrennungsluft
aus der Umgebung ansaugt und einer Brennkammer 25 zuführt. Dort wird die Verbrennungsluft
mit von einer Brennstoffzuführung 26 herangeführtem Brennstoff vermischt und verbrannt
und die heißen, unter Druck stehenden Abgase werden dem Turbinenteil 27 der Gasturbine
17 zugeführt und dort unter Leistung von Arbeit entspannt. Die noch etwa 550 bis 650°C
heißen Abgase werden anschließend durch die Abgasleitung 23 dem Abhitzedampferzeuger
1 zugeführt und durchströmen diesen vom Abgaseingang 53 bis zum Abgasausgang 54, und
gelangen durch einen Kamin 28 in die Umgebung.
[0021] Der Abhitzedampferzeuger 1 im Beispiel der Figur 1 ist als Mehrdruckkessel mit Naturumlauf
ausgeführt und umfasst eine Niederdruckstufe 29, eine Mitteldruckstufe 3 und eine
Hochdruckstufe 4. Auf ihrem Weg durch den Abhitzedampferzeuger 1 führen die heißen
Abgase der Gasturbine 17 ihre Wärme einem dritten Hochdrucküberhitzer, d.h. dem letzten
Überhitzer 6 der Hochdruckstufe 4, zu, dann einem zweiten Zwischenüberhitzer, d.h.
dem letzten Überhitzer 5 der Mitteldruckstufe 3, einem zweiten Hochdrucküberhitzer,
d.h. dem vorletzten Überhitzer 8 der Hochdruckstufe 4, einem ersten Zwischenüberhitzer,
d.h. dem vorletzten Überhitzer 7 der Mitteldruckstufe 3, und einem ersten Hochdrucküberhitzer
15, des weiteren einem Hochdruckverdampfer 30, einem Hochdruckvorwärmer 31, dann einem
Mitteldrucküberhitzer 32, einem Mitteldruckverdampfer 33, einem Mitteldruckvorwärmer
34, dann einem Niederdrucküberhitzer 35, einem Niederdruckverdampfer 36 und schließlich
einem Kondensatvorwärmer 37.
[0022] Im dritten Hochdrucküberhitzer 6 überhitzter Dampf wird durch eine Dampfableitung
38 einer Hochdruckstufe 39 der Dampfturbine 18 zugeführt und dort unter Leistung von
Arbeit entspannt. Mit der Arbeit wird - analog zur in der Gasturbine 17 geleisteten
Arbeit - die Welle 19 und damit der Generator 20 zur Erzeugung elektrischer Energie
bewegt. Der in der Hochdruckstufe 39 teilweise entspannte heiße Dampf wird anschließend
gemeinsam mit Dampf aus dem Mitteldrucküberhitzer 32 den Zwischenüberhitzern 7, 5
zugeführt, dort erneut bzw. weiter überhitzt und über eine Ableitung 40 einer Mitteldruckstufe
41 der Dampfturbine 18 zugeführt und dort unter Leistung von mechanischer Arbeit entspannt.
Der dort teilweise entspannte Dampf wird über eine interne Zuleitung einer Niederdruckstufe
42 der Dampfturbine 18 zugeführt und dort unter Abgabe von mechanischer Energie weiter
entspannt.
[0023] Der entspannte Dampf wird im Kondensator 43 der Dampfturbine 18 kondensiert, und
das so entstehende Kondensat wird über eine Kondensatpumpe 44 nach Erwärmung im Kondensatvorwärmer
37 direkt der Niederdruckstufe 29 des Abhitzedampferzeugers 1 oder über eine Speisewasserpumpe
45 - und von dieser mit entsprechendem Druck versehen - der Mitteldruckstufe 3 oder
der Hochdruckstufe 4 des Abhitzedampferzeugers 1 zugeführt, wo das Kondensat verdampft
wird. Nach einer Dampferzeugung und Überhitzung wird der Dampf über die entsprechenden
Ableitungen 38, 40 des Abhitzedampferzeugers 1 wieder der Dampfturbine 18 zur Entspannung
und Verrichtung mechanischer Arbeit zugeführt.
[0024] Figur 1 zeigt ferner Einspritzkühler 46 - 49, die zur Regelung der Dampftemperatur
in der Dampfableitung 38 nach dem letzten Überhitzer 6 der Hochdruckstufe 4, in der
Ableitung 40 nach dem letzten Überhitzer 5 der Mitteldruckstufe 3, in der Dampfleitung
9 zwischen dem vorletzten Überhitzer 7 und dem letzten Überhitzer 5 der Mitteldruckstufe
3 sowie in der Dampfleitung 10 zwischen dem vorletzten 8 und letzten Überhitzer 6
der Hochdruckstufe 4 angeordnet sind und deren Einsatz vor allem einen Wirkungsgradverlust,
Thermospannungen und die Gefahr eines Tröpfcheneintrags mit sich bringt.
[0025] Um diese Nachteile zu vermeiden, werden im Beispiel der Figur 2 gemäß der Erfindung
die Einspritzkühler 48 und 49 ersetzt durch je einen Dampfbypass 11, 12.
[0026] Beim Dampfbypass 12 der Hochdruckstufe 4 wird ein Teil des Hochdruck-Sattdampfes
direkt hinter dem Hochdruckverdampfer 30 der Dampfleitung 16, die den Hochdruckverdampfer
30 bzw. die Hochdrucktrommel 50 mit dem ersten Überhitzer 15 der Hochdruckstufe 4
verbindet, entnommen und sowohl an den Heizflächen des ersten Überhitzers 15 als auch
an den Heizflächen des zweiten und somit vorletzten Überhitzers 8 der Hochdruckstufe
4 vorbeigeführt und vor der Heizfläche des dritten und somit letzten Überhitzers 6
der Hochdruckstufe 4 in die Dampfleitung 10, die den vorletzten Überhitzer 8 mit dem
letzten Überhitzer 6 der Hochdruckstufe 4 verbindet, eingespeist und somit dem Kreislauf
wieder zugeführt.
[0027] Beim Dampfbypass 11 der Mitteldruckstufe 3, er wird auch als HZÜ-Dampfbypass bezeichnet,
wird ein Teil des kalten Zwischenüberhitzungsdampfes direkt hinter dem Mischpunkt
13 des Mitteldruckdampfes mit dem kalten Zwischenüberhitzungsdampf der zum vorletzten
Überhitzer 7 führenden Dampfleitung 14 der Mitteldruckstufe 3 entnommen und am vorletzten
Überhitzer 7 der Mitteldruckstufe 3, also an der ersten heißen Zwischenüberhitzer-Heizfläche,
vorbeigeführt und vor der Heizfläche des letzten Überhitzers 5 der Mitteldruckstufe
3 in die Dampfleitung 9, die den vorletzten 7 mit dem letzten Überhitzer 5 der Mitteldruckstufe
3 verbindet, eingespeist und somit dem Kreislauf wieder zugeführt. Nimmt man eine
gegenüber der gezeigten Lösung verlängerte Dampfbypassleitung in Kauf, so kann der
Dampfbypass prinzipiell aber auch bereits vor dem Mischpunkt 13 beispielsweise aus
der kalten Zwischenüberhitzerdampfleitung 55 erfolgen.
[0028] Die gewünschte Dampftemperatur wird durch eine geregelte Mischung der Dampfmassenströme
mit unterschiedlichen Temperaturen erzielt. Zur Regelung sind entsprechende Ventile
51, 52 in den Dampfbypässen 11, 12 vorgesehen. Um eine ausreichende Dampfmenge umleiten
zu können, ist es auch möglich, Drosselventile bzw. Drosselklappen 56, 57 in den Dampfleitungen
14 und 16 in Dampfströmungsrichtung entweder vergleichsweise kurz nach dem Abzweig
der Dampfbypässe 11, 12 oder kurz vor der Einbindung der Dampfbypässe 11, 12 anzuordnen.
1. Ein Abhitzedampferzeuger (1) umfassend eine Druckstufe (3, 4) mit mindestens zwei
Überhitzern (5, 6, 7, 8), von denen der eine in Dampfströmungsrichtung der letzte
Überhitzer (5, 6) der Druckstufe (3, 4) ist und der andere der vorletzte Überhitzer
(7, 8) der Druckstufe (3, 4), wobei der vorletzte (7, 8) und der letzte Überhitzer
(5, 6) über eine Dampfleitung (9, 10) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein Dampfbypass (11, 12) um den vorletzten Überhitzer (7, 8) in die Dampfleitung
(9, 10) mündet.
2. Abhitzedampferzeuger (1) nach Anspruch 1, wobei der Abhitzedampferzeuger (1) als Mehrdruckkessel
ausgeführt ist.
3. Abhitzedampferzeuger (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Druckstufe
(3) eine Mitteldruckstufe (3) ist.
4. Abhitzedampferzeuger (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Druckstufe
(4) eine Hochdruckstufe (4) ist.
5. Abhitzedampferzeuger (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Abhitzedampferzeuger
(1) ein Trommelkessel ist.
6. Abhitzedampferzeuger (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Abhitzedampferzeuger
(1) ein Zwangsdurchlaufkessel ist.
7. Abhitzedampferzeuger (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 5 oder 6, wobei der Dampfbypass
(11) in Dampfströmungsrichtung hinter einem Mischpunkt (13) aus Mitteldruckdampf und
kaltem Zwischenüberhitzerdampf von einer zum vorletzten Überhitzer (7) führenden Dampfleitung
(14) abzweigt.
8. Abhitzedampferzeuger (1) nach einem der Ansprüche 1, 2 und 4 bis 6, wobei der Dampfbypass
(12) von einer zu einem ersten Überhitzer (15) der Druckstufe (4) führenden Dampfleitung
(16) abzweigt.
9. Gas- und Dampfturbinenanlage (2), umfassend eine Gasturbine (17), einen der Gasturbine
(17) abgasstromseitig nachgeschalteter Abhitzedampferzeuger (1) nach einem Ansprüche
1 bis 8 und eine dem Abhitzedampferzeuger (1) dampfseitig nachgeschaltete Dampfturbine
(18).