B E S C H R E I B U N G

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine, insbeson¬ dere nach den Oberbegriffen des Anspruchs 1 oder Anspruchs 11.

Dampfkraftwerke zeichnen sich durch eine tiefe untere Prozeßtemperatur aus, da üblicherweise der Dampf bis zu einem möglichst niedrigen Kondensatordruck und entsprechend niedriger Kondensatortemperatur (untere Prozeßtemperatur) in Dampfturbinen entspannt wird. Je höher die thermodynamische Mitteltemperatur bei der Wärmeübertragung des Prozesses und somit die obere Prozeßtemperatur ist, desto geringer ist der den Wirkungsgrad begrenzende Exergieverlust bei der Wärmeübertragung zwischen Dampf und Rauchgas. Übliche Maßnahmen zur Er¬ höhung der thermodynamischen Mitteltemperatur sind Zwischenüberhitzung und regenerative Speisewasservorwärmung.

Der Gasturbinenprozeß gestattet demgegenüber eine wesentlich höhere obere Prozeßtemperatur, die durch die zulässige Turbineneintrittstemperatur (heute et¬ wa 1000 bis 1200° C) begrenzt ist. Es ist deshalb erforderlich, den Luftüberschuß bei der Verbrennung so hoch zu wählen, daß die Brennkammeraustrittstempera¬ tur bis auf die zulässige Turbineneintrittstemperatur abgesenkt wird. Nachteilig beim Gasturbinenprozeß ist auch die relativ hohe Turbinenaustrittstemperatur, die die hohe untere Prozeßtemperatur des Gasturbinenprozesses bedingt.

Der Wirkungsgrad des reinen Gasturbinenprozesses kann durch regenerative Vorwärmung der Verbrennungsluft mittels Turbinenabgase und durch Zwischen-

erhitzung in Zwischenbrennkammern bei mehrstufiger Anordnung der Gasturbine erhöht werden.

Ein anderer Weg zur Wirkungsgradsteigerung wird durch die Kombination von Gas- und Dampfprozessen beschritten. So führt die Nutzung des heißen Gastur¬ binenabgases als Wärmequelle eines nachgeschalteten, externen Dampfpro¬ zesses im GuD (Gas- und Dampfprozeß) zu einer deutlichen Steigerung des Pro¬ zeßwirkungsgrades, verglichen mit den Einzelprozessen. Eine Wirkungsgradstei¬ gerung des Gasturbinenprozesses kann auch mit dem STIG-Verfahren (STeam injected Gasturbine) erreicht werden. Hierbei wird Dampf, der mit dem heißen Gasturbinenabgas erzeugt wurde, in die Brennkammer der Gasturbine eingebla¬ sen und mit dem Brennkammergas vermischt. Dadurch wird die Leistung der Turbine gesteigert und zugleich die NOx-Bildung vermindert.

Nachteil der hier beschriebenen Gasturbinenprozesse ist es, daß die zur Kühlung des Brennkammergases erforderliche Luftmenge immer noch wesentlich über der zur Verbrennung erforderlichen liegt. Dies hat zur Folge, daß die Verdichter¬ leistung deutlich über der zur Förderung des stöchiomethsch erforderlichen Luft¬ menge liegt.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, wodurch eine Gasturbine mit bis zu stöchiometrischem Kraftstoff/Luft-Gemisch betrieben wer¬ den kann.

Die Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Durch Verwenden einer externen Dampfquelle ist es möglich, die Größe der Gasturbine auf die verfügbare Menge des externen Dampfes abzustimmen, so daß im Grenzfall die gesamte Kühlluftmenge durch Wasserdampf ersetzt wird und der Luftverdichter lediglich die stöchiometrische Luftmenge zu fördern braucht. Das bedeutet eine erhebliche Einsparung an Verdichterleistung, die als zusätzli¬ che Nutzleistung an der Turbinenwelle zur Verfügung steht.

Außerdem wird durch die Zumischung großer Mengen inerten Wasserdampfes die Stickoxidbildung minimiert.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung, wobei der Wasserdampf in das Brennkammergas zwischen Luftverdichter und Turbine eingedüst wird, wird erreicht, daß der Wasserdampf aus einer externen Wasserdampfquelle in den Hochdruckteil der Gasturbine gelangt, wo er die erforderliche Abkühlung der Brennkammergase vor Eintritt in die Turbine bewirkt.

Die Eintrittsstelle des Wasserdampfes in den Hochdruckteil der Gasturbine kann im Bereich der Brennkammer oder in eine Verbindungsleitung zwischen Brenn¬ kammer und Turbine oder in beide erfolgen. Durch die Eintrittsstelle wird der Ab¬ iauf der Verbrennung und die Temperatur der Bauteile beeinflußt. Ein Einbringen des inerten Wasserdampfes vor oder in die Brennkammer bewirkt eine minimale Stickoxidbildung und relativ niedrige Brennkammertemperaturen, eine Ein¬ bringung nach der Brennkammer eine besonders stabile und vollständige Ver¬ brennung mit allerdings erhöhten Bauteiltemperaturen. Die Einbringung sowohl als auch ermöglicht eine beliebige Optimierung von NOx-Emissionen und voll¬ ständiger Verbrennung mit niedriger CO- und HC-Emissionen sowie mäßige Bauteiltemperaturen. In jedem Fall ist die erfindungsgemäße Einbringung des Wasserdampfes so gestaltet, daß spätestens bei Eintritt in die Turbine eine ho¬ mogene Brennkammergas-Wasserdampfmischung mit gleichmäßiger Turbinen¬ eintrittstemperatur vorliegt.

Durch eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung, wobei die Leitschaufeln zu¬ mindest der ersten Stufe der Turbine mit Wasserdampf beschickt werden, der nach dem Kühlen der Schaufeln in den Brennkammergasstrom gelangt, wird auch bei fehlendem Luftüberschuß und damit fehlender Kühlluft eine Schaufelkühlung und damit die höchstmögliche Turbineneintrittstemperatur verwirklicht, die einen hohen Gasturbinenwirkungsgrad gewährleistet.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung, wobei vorzugsweise die Gesamt¬ menge des Wasserdampfes eines Dampfprozesses diesem bei mindestens Brennkammerdruck entnommen und der Gasturbine zugeführt wird, ermöglicht eine optimale Ausnutzung des Wasserdampfes durch dessen Zwischenerhitzung am kalten Ende eines Dampfprozesses mit einer entsprechenden Leistungsstei¬ gerung der Gasturbine.

Handelt es sich bei dem Dampfprozeß vorzugsweise um eine Dampfkraftanlage, eine Dampfprozeßanlage oder eine Dampfheizanlage, wird die Gesamtanlage vereinfacht, da die Gasturbine einen Dampfüberhitzer und eine Niederdruckdampfturbine ersetzt.

Arbeitet die Gasturbine mit Zwischenerhitzung zwischen einer Hochdruckturbine und einer Niederdruckturbine, wobei das Abgas der Hochdruckturbine durch Wärmeübertragung vom Brennkammergas vor der Hochdruckturbine aufgeheizt wird, wird die mittlere Temperatur des Gasturbinenprozesses wirkungsgradstei¬ gernd angehoben und die erforderliche Abkühlung der Brennkammergase vor Eintritt in die Hochdruckturbine teilweise durch Wärmeübertragung von deren Ab¬ gas, teilweise durch Vermischen mit Fremddampf erreicht.

Bei einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung, bei der das Brennkammergas vor Eintritt in die Turbine durch Wärmeübertragung auf Wasser und Wasser¬ dampf gekühlt wird, wobei der Wasserdampf in einem getrennten Dampfprozeß verwendet wird, kann auch bei einer einstufigen Gasturbine eine teilweise Abküh¬ lung der Brennkammergase durch Wärmeübertragung bewirkt werden. Der dabei erzeugte Wasserdampf kann in einer getrennten Dampfkraftanlage oder als Pro¬ zeß- oder Heizdampf genutzt werden. Vorteilhaft ist dabei, daß sich ein getrennter Dampfkessel erübrigt.

Wird die Abgaswärme hinter der Turbine zur Erzeugung von Wasserdampf ge¬ nutzt, der entweder zum Kühlen der Brennkammergase durch Vermischen mit denselben oder in einem getrennten Dampfprozeß verwendet wird, kann die Ab¬ gaswärme der Gasturbine genutzt und die erforderliche Abkühlung der Brenn¬ kammergase durch Vermischen derselben mit intern und extern erzeugtem Wasserdampf bewerkstelligt werden. Von Vorteil ist auch, daß eine externe Nutzung des im Abhitzekessel erzeugten Wasserdampfes möglich ist und somit eine große Flexibilität bei der Belieferung von Dampfverbrauchern gegeben ist.

Der von der Abgaswärme hinter der Turbine erzeugte Wasserdampf kann auch zur Erzeugung von Wellenleistung in einer Dampfturbine genutzt werden, wobei der Abdampf der Dampfturbine ganz oder teilweise dem Brennkammergas zuge¬ führt wird.

Der die Dampfturbine verlassende Dampf kann, bevor er den Brennkammergasen zugemischt wird, vorher in einem Zwischenüberhitzer von der Abgaswärme aufgeheitzt werden.

Durch diese vorgeschlagenen Maßnahmen läßt sich das zuvor beschriebene Verfahren noch weiter verbessern, wenn die thermodynamische Mitteltemperatur der Dampfseite in Verbindung mit der Abgaswärme hinter der Gasturbine soweit wie möglich angehoben wird

Durch eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung, bei der der Abgasstrom bis un¬ ter den Taupunkt des Abgases abgekühlt wird gelingt es, die Kondensationswär¬ me zurückzugewinnen, die zu Heizzwecken eingesetzt werden kann. Dabei fällt auch ein erheblicher Teil des Speisewassers wieder an, das nach geeigneter Aufbereitung wieder verwendet wird. Die Aufbereitung ist insbesondere bei Ver¬ wendung von Erdgas als Kraftstoff für die Gasturbine problemlos. Wenn keine Heizwärme benötigt wird und dennoch das Speisewasser zurückgewonnen wer¬ den soll, so kann die Kondensationswärme über beliebige andere Wärmesenken, wie z.B. Kühltürme oder Flußwasser abgeführt werden.

Ist im Abgasstrom hinter der Turbine ein Abhitzekessel angeordnet, der in Strö¬ mungsverbindung mit der Leitung oder mit einem getrennten Dampfprozeß steht, wird die Abwärme der Gasturbine zur Erzeugung von Wasserdampf genutzt, der entweder dem externen Wasserdampf zur Brennkammergaskühlung beigemischt wird oder in einem getrennten Dampfprozeß Verwendung findet.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung, wobei im Brennkammergasstrom zwischen Brennkammer und Hochdruckturbine ein Gaswärmetauscher ange¬ ordnet ist, der in Strömungsverbindung mit dem Auslaß der Hochdruckturbine und dem Einlaß der Niederdruckturbine steht, ermöglicht, daß das teilexpandierte Ab¬ gas durch Wärmeübertragung zwischenerhitzt wird, ohne daß eine weitere Brennkammer und der zu deren Betrieb erforderliche Luftüberschuß erforderlich sind. Dadurch werden Verdichterleistung gespart und der Aufbau der Gasturbine einfach.

Durch eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung, wobei im Brennkammergas¬ strom zwischen Brennkammer und Turbine der Dampfwärmetauscher angeordnet ist, dessen Eintritt mit dem Abhitzekessel und dessen Austritt mit einem externen

Wasserdampfverbraucher in Strömungsverbindung steht, kann im Abhitzekessel Hochdruckdampf erzeugt werden, der anschließend im Dampfwärmetauscher überhitzt und einem Hochdruckdampfprozeß zugeführt wird, wobei zugleich das Brenngas vor der Turbine abgekühlt wird.

Wird im Abgasstrom hinter dem Abhitzekessel ein Kondensator angeordnet, des¬ sen Kühlsystem in Strömungsverbindung mit einem Wärmeverbraucher, insbe¬ sondere einem Heizsystem steht, wird Kühlwärme auf niedrigem Temperaturni¬ veau gewonnen, wie sie beispielsweise für Raumheizungen geeignet ist. Auch wird durch die erfindungsgemäße Anordnung der größte Teil des Speisewassers zurückgewonnen und nach Aufbereitung dem Dampfprozeß wieder zugeführt.

Es ist von Vorteil, daß der Gasturbinenprozeß im Sinne der Aufgabe alternativ auch ohne Dampfeinblasung betrieben werden kann, wobei die Gasturbine mit Zwischenüberhitzung zwischen einer Hochdruckturbine und einer Niederdruck¬ turbine arbeitet und wobei das Abgas der Hochdruckturbine durch Wärmeüber¬ tragung vom Brennkammergas vor der Hochdruckturbine aufgeheizt wird. Hier¬ durch wird das Brennkammergas abgekühlt und dadurch der erforderliche Luft¬ überschuß vermindert. Auf diese Weise wird der Wirkungsgrad der Gasturbine durch Zwischenerhitzung und durch Verminderung der Kompressorleistung ange¬ hoben.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen, in denen Beispiele der Erfindung schematisch dargestellt sind.

Es zeigen:

Fig. 1 Schema eines Gasturbinenprozesses mit Dampfeinblasung und einstufiger Turbine,

Fig. 2 Schema eines Gasturbinenprozesses mit Hochdruckturbine, Niederdruck¬ turbine und Zwischenerhitzung sowie Dampfeinblasung,

Fig. 3 Schema eines Gasturbinenprozesses mit Dampfeinblasung entsprechend Fig. 1 bei dem zusätzlich eine Dampfturbine integriert ist und

Fig. 4 Schema eines Gasturbinenprozesses mit Dampfeinblasung und integrierter Dampfturbine nach Fig. 3, bei dem der Dampf hinter der Dampfturbine einem Zwischenüberhitzer zugeführt wird.

Figur 1-4 zeigen, soweit im einzelnen dargestellt, eine Gasturbine mit einem Luft¬ verdichter 4 und einer Turbine 5, wobei die Turbine 5 über eine Brennkammer 3 in Strömungsverbindung mit dem Luftverdichter 4 steht, denselben antreibt und Wellenleistung abgibt. Der Luftverdichter 4 liefert nur die zur Verbrennung des in die Brennkammer 3 eingebrachten Kraftstoffes erforderliche Luftmenge. Die Ab¬ kühlung der Brennkammergase erfolgt durch Zugabe von Wasserdampf, der einer externen Dampfquelle 1 bei Brennkammerdruck entnommen und über eine Lei¬ tung 2 in die Brennkammer 3 geleitet wird. Dort wird ein homogenes Gemisch aus Brennkammergas und Wasserdampf gebildet, das die zulässige Turbinenein¬ trittstemperatur aufweist.

Nach Austritt aus der Turbine 5 wird das Abgas in einem Abhitzekessel 6 abge¬ kühlt. Im Abhitzekessel 6 wird Wasser verdampft, das als Wasserdampf über eine Abhitzedampfleitung 7 zur Leitung 2 gelangt und sich dort mit dem Wasserdampf aus der externen Dampfquelle 1 vermischt.

Nach Verlassen des Abhitzekessels 6 gelangt das Abgas in den Abgaskondensa¬ tor 8, wo es bis unterhalb der Taupunkttemperatur abgekühlt wird. Die Kühlwärme steht zu Heizzwecken zur Verfügung oder wird in einem Kühlturm an die Umge¬ bung abgeführt. Das anfallende Kondensat wird nach entsprechender Aufberei¬ tung als Speisewasser verwendet. Das Abgas gelangt nach Verlassen des Ab¬ gaskondensators in einen Schornstein.

Die Anordnung von Figur 2 unterscheidet sich von der der Figur 1 durch die Auf¬ teilung der Turbine 5 in eine Hochdruckturbine 9 und eine Niederdruckturbine 10. Nach der Teilentspannung des Abgases in der Hochdruckturbine 9 wird dieses in einem Wärmetauscher 11 zwischenerhitzt und anschließend in der Niederdruck¬ turbine 10 entspannt. Der Wärmetauscher 11, der im Brennkammergasstrom vor der Hochdruckturbine 9 angeordnet ist, dient gleichzeitig zum Abkühlen der Brennkammergase, so daß bei dieser Anordnung die Brennkammergase sowohl

durch Mischen mit Wasserdampf als auch durch Wärmeübertragung gekühlt werden.

Bei der Dampfquelle 1 kann es sich in beiden Anordnungen um ein beliebiges Dampfkraftwerk oder um eine Dampfprozeßanlage handeln, wobei die gesamte Niederdruckdampfmenge durch die entsprechend dimensionierte Gasturbine ge¬ leitet wird.

Im Gegensatz zu bisher verwendeten Formen der Dampfeinblasung in Gasturbi¬ nenbrennkammern, etwa zur NOx-Reduzierung, wird bei der Erfindung davon ausgegangen, daß die gesamte Dampfmenge eines Dampfkraftwerkes oder zu¬ mindest ein wesentlicher Anteil davon nicht mehr im Niederdruckteil der Dampf¬ turbine sondern in der nachgeschalteten Gasturbine entspannt wird. Der hier be¬ schriebene Prozeß kann also gleichzeitig zur Leistungserhöhung der Gasturbine und des Dampfprozesses verwendet werden. Die Erfindung ist daher auch zur Nachrüstung vorhandener Dampfkraftwerke geeignet.

Fig. 3 stellt eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung gemäß den Grundschal¬ tungen nach den Fig. 1 und 2 dar und kann bei beiden Grundschaltungen ver¬ wendet werden. Dazu wird der Abhitzekessel 6 in einen Zweidruckkessel 12 inte¬ griert. Der Hochdruckteil 13 des Zweidruckkessels 12 versorgt eine Gegendruck¬ turbine 14 mit Hochdruckdampf, der dort mit weiterer Leistungsabgabe auf den Brennkammerdruck der Brennkammer 3 entspannt wird. Die Heizflächen des Hochdruckteils 13 und des Niederdruckteils( Abhitzekessel 6 ) sind dabei so an¬ geordnet, daß die Temperaturdifferenzen zwischen Rauchgas- und Dampfseite möglichst gering sind. Die sich dann ergebende Verkämmung der Heizflächen von Hochdruck- 13 und Niederdruckteil( Abhitzekessel 6 ) im Zweidruckkessel 12 ist in Fig. 3 wegen der besseren Übersichtlichkeit weggelassen worden.

Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung, wieder für beide Grund¬ schaltungen nach den Fig. 1und 2 geeignet, zeigt Fig. 4. Der Grundgedanke hier¬ bei ist, daß der mit relativ niedriger Temperatur vorliegende Niederdruckdampf in den Abhitzekessel (Zweidruckkessel 12) zurückgeführt und dort in einem Zwi¬ schenüberhitzer 15 soweit wie möglich überhitzt wird, bevor er zu der Brennkam¬ mer geleitet wird. Die Zwischenüberhitzung reduziert bei gleichem Rauchgasab¬ wärmestrom die Dampferzeugung im Abhitzekessel und beeinflußt damit die

Leistung der Gasturbine. Deshalb kann es sinnvoll sein, nur einen oder zwei der drei verfügbaren Niederdruckdampf ströme ( von der externer Dampfquelle 1 , vom Niederdrückte ^' ^ Abhitzekessel 6 ) oder von der Gegndruckturbine 14) zum Zwischenüberhitzer 15 zu führen und den oder die verbleibenden Niederdruckdampfströme ohne Zwischenüberhitzung direkt in die Brennkammer 3 einzudüsen. Zur Vereinfachung ist dies in Fig. 4 durch ein Ventil 16 in der Leitung 2 angedeutet.

Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet, unter Verwendung gängiger Kompo¬ nenten eine Gasturbine als Teil eines Dampfprozesses zu betreiben, die sich durch hohen thermodynamische Wirkungsgrad, hohe Leistung und niedrige Schadstoffemission auszeichnet.

Die Zwischenüberhitzung nach der Gegendruckturbine ist auch unabhängig vom Vorhandensein einer externen Dampfquelle im sogenannten Cheng- oder STIG- Prozeß als Prozeßverbesserung einsetzbar.