Verfahren zum Betreiben eines Abhitzedampferzeugers sowie da¬ nach arbeitender Abhitzedampferzeuger

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Ab¬ hitzedämpferzeugers einer Gas- und Dampfturbinenanlage, bei dem die im entspannten Arbeitsmittel aus der Gasturbine ent¬ haltene Wärme zur Erzeugung von Dampf für die in einen Was- ser-Dampf-Kreislauf geschaltete Dampfturbine genutzt wird, wobei kondensierter Dampf aus der Dampfturbine dem Wasser- Dampf-Kreislauf als Kondensat zugeführt wird. Sie richtet sich weiter auf einen nach diesem Verfahren arbeitenden Ab¬ hitzedampferzeuger.

Ein derartiger Abhitzedampferzeuger ist üblicherweise Teil einer Gas- und Dampfturbinenanlage, bei der die im entspann¬ ten Arbeitsmittel aus der Gasturbine enthaltene Wärme zur Er¬ zeugung von Dampf für die Dampfturbine genutzt wird. Die Wär- meübertragung erfolgt mittels einer Anzahl von Heizflächen, die in Form von Rohren oder Rohrbündeln in Abhitzedampferzeu¬ gern angeordnet sind. Diese wiederum sind in den Wasser- Dampf-Kreislauf der Dampfturbine geschaltet. Der Wasser- Dampf-Kreislauf umfaßt mehrere, z.B. zwei oder drei, Druck- stufen, wobei jede Druckstufe eine Vorwärm-Heizfläche

(Economizer) , eine Verdampfer-Heizfläche und eine Überhitzer- Heizfläche aufweist. Mit einer derartigen, z.B. aus der EP 0 148 973 Bl bekannten, Gas- und Dampfturbinenanlage wird je nach den im Wasser-Dampf-Kreislauf der Dampfturbine herr- sehenden Druckverhältnissen ein thermodynamischer Wirkungs¬ grad von etwa 50 bis 55% erreicht.

Eine Gas- und Dampfturbinenanlage, bei der als Brennstoff für die Gasturbine Heizöl nur für eine kurze Betriebsdauer, z.B. für 100 bis 500 h/a als "Back-up" zu Erdgas, vorgesehen ist, wird die Anlage vordringlich für Erdgasbetrieb der Gasturbine ausgelegt und optimiert. Um bei Heizbetrieb die Speisewasser-

temperatur bei Eintritt in den Abhitzedampferzeuger ohne eine aufwendige Turbinenanzapfung zu erhöhen, kann die notwendige Wärme auf verschiedene Weise aus dem Abhitzedampferzeuger selbst entnommen werden. Eine Möglichkeit besteht darin, ei- nen üblicherweise vorgesehenen Kondensatvorwärmer ganz oder teilweise zu umführen und das Kondensat in einem in den Was¬ ser-Dampf-Kreislauf geschalteten Speisewasserbehälter durch Zuführung von Niederdruck-Dampf aufzuheizen. Eine solche Me¬ thode erfordert allerdings bei geringen Dampfdrücken ein großvolumiges und unter Umständen mehrstufiges HeißdampfSy¬ stem im Speisewasserbehälter, was bei großen Aufheizspannen eine üblicherweise im Speisewasserbehälter stattfindende Ent¬ gasungsfunktion gefährden kann.

Um eine wirkungsvolle Entgasung des Kondensats sicherzustel¬ len, ist die Kondensattemperatur im Speisewasserbehälter mög¬ lichst in einem Temperaturbereich zwischen 130 und 160° C zu halten, wobei die Aufheizspanne des Kondensats im Speisewass- serbehälter klein gehalten werden soll. Dies kann beispiels- weise durch eine Vorwärmung des Kondensats über einen mittels Dampf beheizten zusätzlichen Vorwärmer erfolgen. Um dazu ge¬ nügend Wärme zur Verfügung zu stellen, ist bei Zwei- oder Drei-Druck-Anlagen häufig die Entnahme von Heißwasser aus ei¬ nem Hochdruck-Economizer des Abhitzedampferzeugers notwendig. Dies hat allerdings, insbesondere bei Drei-Druck-Anlagen, den Nachteil, daß eine üblicherweise vorgesehene Hochdruck-Spei¬ sepumpe in ihrer Fördermenge beeinflußt werden kann, und daß der zusätzliche Kondensatvorwärmer in besonders unwirtschaft¬ licher Weise für den hohen Druck sowie große Temperaturdiffe- renzen ausgelegt werden muß. Weiter entstehen in nachteiliger Weise bei Heizölbetrieb Drosselverluεte der oder jeder Spei¬ sepumpe. Ferner führt die Entnahme von Heißwasser aus dem Hochdruck-Economizer zu einer Verminderung der Hochdruck- Dampfmenge durch eine Absenkung der sogenannten Hochdruck-Ap- proach-Temperatur, was wiederum zu einer Reduzierung des An¬ lagenwirkungsgrades führt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Abhitzedampferzeugers für eine Gas- und Dampfturbinenanlage anzugeben, mit dem unabhängig vom einge¬ setzten Brennstoff für die Gasturbine ein besonders hoher An- lagenwirkungsgrad erreicht wird. Dies soll bei einem zur

Durchführung des Verfahrens geeigneten Abhitzedampferzeuger mit geringem technischen Aufwand erreicht werden.

Bezüglich des Verfahrens wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei Verwendung von Öl als Brennstoff für die Gasturbine ein solcher Teilstrom aus dem Wasser-Dampf- Kreislauf zur Kondenstvorwärmung herangezogen wird, der bei Verwendung von Gas als Brennstoff für die Gasturbine zur Brennstoffvorwärmung verwendet wird.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, daß bei ei¬ ner Gas- und Dampfturbinenanlage mit hoher Wirkungsgradforde¬ rung bei Erdgasbetrieb üblicherweise eine Brennstoffvorwär- mung vorgesehen ist, wie sie prinzipiell aus der WO 95/00747 bekannt ist. Danach wird zur Brennstoffvorwärmung ein Teil¬ strom aufgeheizten Wassers aus dem Wasser-Dampf-Kreislauf der Dampfturbine entnommen und nach indirektem Wärmetausch mit dem Brennstoff dem Wasser-Dampf-Kreislauf wieder zugeführt.

In vorteilhafter Weiterbildung wird bei Verwendung von Gas als Brennstoff dieser jedoch nicht direkt aufgeheizt. Viel¬ mehr wird die Wärme an einen Zwischenkreislauf, z.B. über ei¬ nen Wasser/Wasser-Wärmetauscher, abgegeben, so daß erst das im Zwischenkreislauf strömende Medium zur Aufwärmung des Brennstoffs dient. Da bei Verwendung von Öl als Brennstoff dieses Vorwärmsystem nicht benötigt wird, wird es zweckmäßi¬ gerweise im Ölbetrieb zur Kondensatvorwärmung eingesetzt, wo¬ bei dann der Zwischenkreislauf abgeschaltet werden kann. Der bei der Kondensatvorwärmung abgekühlte Teilstrom wird vor- teilhaf erweise dem Kondensat wieder zugemischt.

Die im Abgas aus der Gasturbine enthaltene fühlbare Wärme nimmt bei einem aus drei Druckstufen, nämlich einer Nieder¬ druckstufe, einer Mitteldruckstufe und einer Hochdruckstufe, aufgebauten Wasser-Dampf-Kreislauf im Abhitzedampferzeuger in Strömungsrichtung des Abgases vom Hochdrucksystem über das Mitteldrucksystem zum Niederdrucksystem hin ab. Um für die Kondensatvorwärmung die erforderliche Wärme bereitzustellen, erfolgt zweckmäßigerweise sowohl die Teilstromentnahme als auch die Teilstromrückführung aus der bzw. in die Mittel- druckstufe. Dabei wird der Teilstrom der Mitteldruckstufe zweckmäßigerweise dann wieder zugeführt, wenn betriebsbedingt die Niederdruck-Dampfproduktion einen vorgegebenen Wert un¬ terschreitet. Dies geschieht zweckmäßigerweise dadurch, daß vorzugsweise von einem Mitteldruck-Economizer entnommenes und bei der Kondensatvorwärmung abgekühltes Wasser nicht zum Kon¬ densatsystem, sondern zu einer Mitteldruck-Dampftrommel ge¬ leitet und dort wieder aufgewärmt wird. Dadurch steht die für eine Speisewasservorwärmung eingesparte Wärme der Kondensat- aufwärmung zur Verfügung. Außerdem nimmt die DampfProduktion der Mitteldruckstufe entsprechend ab, so daß auch die Konden¬ satmenge für die Mitteldruckstufe reduziert wird.

Da mit diesem Verfahren Eintrittstemperaturen des Abhitze¬ dampferzeuger bis z.B. 135° C beherrscht werden können, kann praktisch das gesamte Heizölspektrum für diesen Zweck (Back Up Fuel) abgedeckt werden, so daß eine Standardisierung mög¬ lich ist.

Bezüglich des Abhitzedampferzeugers für eine Gas- und Dampf- turbinenanlage mit einem der Dampfturbine in einem Wasser- Dampf-Kreislauf nachgeschalteten Kondensator, wird die ge¬ nannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch einen Wärmetau¬ scher zur wahlweisen Vorwärmung entweder eines Gasturbinen¬ brennstoffs oder des Kondensats mittels eines Teilstroms aus dem Wasser-Dampf-Kreislauf.

In vorteilhafter Ausgestaltung ist der Wärmetauscher primär- seitig einer im Abhitzedampferzeuger angeordneten Vorwärm- Heizfläche, vorzugsweise einem Mitteldruck-Economizer, nach¬ geschaltet.

Um aus Sicherheitsgründen im Fall einer Leckage bei einem in¬ direkten Wärmetausch einen Kontakt zwischen dem Brennstoff und dem Teilstrom zu vermeiden, ist der Wärmetauscher zur Brennstoffvorwärmung vorteilhafterweise sekundärseitig in ei- nen Zwischenkreis geschaltet. Zur Kondensatvorwärmung erfolgt dann eine Umschaltung mit einer Abschaltung des Zwischenkrei¬ ses, wobei dann der Wärmetauscher sekundärseitig an die Kon¬ densatleitung angeschlossen ist. Zur Wahl der Vorwärmung ent¬ weder des Gasturbinenbrennstoffs oder des Kondensats ist zweckmäßigerweise mindestens ein Ventil, z.B. im Zwischen¬ kreis und/oder in der Verbindung vom Wärmeaustauscher zur Kondensatleitung, vorgesehen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeich- nung näher erläutert. Darin zeigt die Figur im Ausschnitt ei¬ nen Abhitzedampferzeuger, dessen Heizflächen in einen Wasser- Dampf-Kreislauf einer Gas- und Dampfturbinenanlage geschaltet sind.

Der in der Figur im Ausschnitt dargestellte Abhitzedampfer¬ zeuger 1 ist Teil einer Gas- und Dampfturbinenanlage zur Er¬ zeugung elektrischer Energie. Er wird vom heißen Abgas AG aus der Gasturbine 2a durchströmt und dient zur Dampferzeugung, wobei dessen Heizflächen in einen Wasser-Dampf-Kreislauf 3 einer Dampfturbine 2b geschaltet sind.

Dazu weist der Abhitzedampferzeuger 1 einen an eine Kondens¬ atleitung 4 angeschlossenen Kondensatvorwärmer 6 auf, der ausgangsseitig über eine Umwälzpumpe 8 mit seinem Eingang verbunden ist. Zur bedarfsweisen Umführung des Kondensatvor¬ wärmers 6 ist auf der Druckseite einer Kondensatpumpe 10 an die Kondensatleitung 4 eine Bypassleitung 12 mit einem Ventil

14 angeschlossen, die mit dem Ausgang des Kondensatvorwärmers 6 verbunden ist. Der Kondensatvorwärmer 6 ist ausgangsseitig über eine Rückschlagklappe 16 und eine Leitung 18 mit einem Ventil 20 mit einer Niederdruck-Trommel 22 verbunden. Der Kondensatvorwärmer 6 ist außerdem ausgangsseitig über eine Leitung 24 mit einem einen Entgaser 26 aufweisenden Entgaser¬ tank oder Speisewasserbehälter 28 verbunden. Der Speisewas¬ serbehälter 28 ist ausgangsseitig über eine Leitung 30 mit einer Umwälzpumpe 32 sowohl über die Rückschlagklappe 16 und die Leitung 24 mit seinem Eingang als auch mit der Leitung 18 verbunden. Der Speisewasserbehälter 28 ist ausgangsseitig au¬ ßerdem über eine Leitung 34 mit einer Speisewasserpumpe 36 - wie durch die Pfeile a und b dargestellt - mit einem Hoch¬ druck-Economizer 38 und mit einem Mitteldruck-Economizer 40 verbunden.

Zur Speisewasservorwärmung mündet in den Speisewasserbehälter 28 eine Dampfleitung 42, die an eine von der Niederdruck- Trommel 22 zu einer Niederdruck-Überhitzer-Heizfläche 44 füh- renden Dampfleitung 46 angeschlossen ist. Die Niederdruck- Überhitzer-Heizfläche 44 bildet zusammen mit der Niederdruck- Trommel 22 und einer an die Niederdruck-Trommel 22 ange¬ schlossenen Niederdruck-Verdampfer-Heizfläche 48 sowie mit einem Niederdruckteil der Dampfturbine 2b die Niederdruckstu- fe des Wasser-Dampf-Kreislaufs 3.

Der Mitteldruck-Economizer 40 ist ausgangsseitig über ein Ventil 50 mit einer Mitteldruck-Trommel 52 verbunden, an die eine Mitteldruck-Verdampfer-Heizfläche 54 angeschlossen ist. Der Mitteldruck-Economizer 40 bildet zusammen mit der Mittel¬ druck-Trommel 52 und der Mitteldruck-Verdampfer-Heizfläche 54 sowie einer nicht dargestellten Mitteldruck-Überhitzer-Heiz¬ fläche und einem Mitteldruckteil der Dampfturbine 2b die Mit¬ teldruckstufe des Wasser-Dampf-Kreislaufs 3.

Entsprechend ist der Hochdruck-Economizer 38 Teil einer nicht näher dargestellten Hochdruckstufe des Wasser-Dampf-Kreis¬ laufs 3.

Der Mitteldruck-Economizer 40 ist ausgangsseitig außerdem mit einem Wärmetauscher 56 verbunden, der primärseitig in eine mit der Kondensatleitung 4 verbundene Primärleitung 58 ge¬ schaltet ist, in der ein Reduzierventil 60 liegt. Der Wärme¬ tauscher 56 ist sekundärseitig in einen Zwischenkreis 62 mit einem weiteren Wärmetauscher 64 zur Brennstoffvorwärmung ge¬ schaltet. In den das Brennstoffvorwärmsystem bildenden Zwi¬ schenkreis 62 sind außerdem in Strömungsrichtung hinter dem zweiten Wärmetauscher 64 ein Ventil 66 und eine Pumpe 68 ge¬ schaltet. An den Zwischenkreis 62, d.h. an die Sekundärseite des Wärmetauscher 56, sind außerdem eine gestrichelt darge¬ stellte erste Leitung 70 und eine ebenfalls gestrichelt dar¬ gestellte zweite Leitung 72 angeschlossen. Die erste Leitung 70 mündet über ein Ventil 74 in die Kondensatleitung 4. Die zweite Leitung 72, in die ein Ventil 76 geschaltet ist, ver- bindet die Kondensatleitung 4 mit der Saugseite der in den Zwischenkreis 62 geschalteten Pumpe 68. An die Primärleitung 58 des Wärmetauschers 56 ist eine ebenfalls gestrichelt dar¬ gestellte Leitung 78 mit einem Ventil 80 angeschlossen, die in eine den Mitteldruck-Economizer 40 mit der Mitteldruck- Trommel 52 verbindende Leitung 82 mündet.

Beim Betrieb des Abhitzedampferzeugers 1 wird dem Kondensat- Vorwärmer 6 über die Pumpe 10 und die Kondensatleitung 4 Kon¬ densat K aus einem der Dampfturbine nachgeschalteten Konden- sator 84 zugeführt. Dabei kann der Kondensatvorwärmer 6 über die Leitung 12 ganz oder teilweise umführt werden. Die Tempe¬ ratur T _κ beträgt etwa 25 bis 40° C. Der Kondensatdruck p _κ be¬ trägt etwa 10 bis 20 bar. Das Kondensat K wird in dem Konden¬ satvorwärmer 6 aufgewärmt und dazu mindestens teilweise über die Umwälzpumpe 8 umgewälzt. Das aufgewärmte Kondensat K wird über die Leitung 24 teilweise oder vollständig in den Speise¬ wasserbehälter 28 oder in den Entgaser 26 geführt, wobei dort

eine Aufwärmung des Speisewassers mittels über die Leitung 42 geführtem Dampf und eine Entgasung des Kondensats K erfolgt. Das aufgewärmte Speisewasser wird einerseits der Niederdruck- Trommel 22 und andererseits über die Speisewasserpumpe 36 dem Mitteldruck-Economizer 40 sowie mit erhöhtem Druck dem Hoch¬ druck-Economizer 38 zugeführt. Das der Niederdruckstufe zuge¬ führte Speisewasser wird in der Niederdruck-Verdampfer-Heiz¬ fläche 48 bei niedrigem Druck verdampft, wobei der in der Niederdruck-Trommel 22 abgetrennte, unter niedrigem Druck stehende Dampf zum Teil dem Speisewasserbehälter 28 und zum Teil der Niederdruck-Überhitzer-Heizfläche 44 zugeführt wird. Der dort überhitzte Dampf wird dem Niederdruckteil der Dampf¬ turbine 2b zugeführt.

Ebenso wird das unter einem mittleren Druck p^ von etwa 40 bis 50 bar stehende Speisewasser mit einer Temperatur T^ von etwa 220 bis 240° C der Mitteldruck-Trommel 52 zugeführt und in der Mitteldruck-Verdampfer-Heizfläche 54 verdampft. Der in der Mitteldruck-Trommel 52 abgetrennte, unter mittlerem Druck stehende Dampf wird dem Mitteldruckteil der Dampfturbine 2b zugeführt. Analog wird das unter hohem Druck stehende und im Hochdruck-Economizer 38 aufgeheizte Speisewasser verdampft und in überhitztem Zustand dem Hochdruckteil der Dampfturbine 2b zugeführt.

Ein aus dem Wasser-Dampf-Kreislauf 3 entnommener Teilstrom t^ wird über den Wärmetauscher 56 geführt und dort abgekühlt. Der abgekühlte Teilstrom tι_ wird dem Wasser-Dampf-Kreislauf 3 wieder zugeführt. Dabei kann die Rückführung des abgekühlten Teilstroms t^ entweder über die Leitung 58 durch Zumischung zu dem Kondensat K oder über die Leitung 78 durch Einspeisung in die Mitteldruck-Trommel 52 erfolgen. Zur Umschaltung sind die Ventile 60 und 80 vorgesehen. Die Abkühlung des Teil¬ stroms t]_ erfolgt durch indirekten Wärmetausch im Wärmetau- scher 56.

Bei Verwendung von Gas als Gasturbinenbrennstoff B erfolgt der Wärmetausch des Teilstroms t^ im Wärmetauscher 56 mit ei¬ nem in dem Zwischenkreis 62 im Umlauf geführten Medium W, vorzugsweise Wasser, das diese Wärme wiederum über den zwei- ten Wärmetauscher 64 an den Gasturbinenbrennstoff B abgibt.

Bei Verwendung von Öl als Gasturbinenbrennstoff B' wird der Zwischenkreis 62 über das Ventil 66 abgeschaltet, und der Wärmetausch des Teilstroms t^ im Wärmetauscher 56 erfolgt mit über die Leitung 72 dem Wärmetauscher 56 zugeführtem Konden¬ sat K, das nach Abkühlung im Wärmetauscher 56 dem über die Kondensatleitung 4 strömenden Kondensat K über die Leitung 70 wieder zugemischt wird. Dabei wird der Teilstrom t^ auf eine Temperatur T _t von etwa 50° C abgekühlt, wobei das dem Wärme- tauscher 56 sekundärseitig über die Leitung 70 entströmende Kondensat K auf eine Temperatur Tχι von etwa 100 bis 180° C aufgewärmt wird. Somit wird der bei Einsatz von Gas als Brennstoff B für die Gasturbine 2a zur Brennstoffvorwärmung verwendete Teilstrom t]_ bei Einsatz von Öl als Brennstoff B" für die Gasturbine 2a zur Kondensatvorwärmung herangezogen.

Durch Einsatz des bei Ölbetrieb nicht benötigten, im wesent¬ lichen den Wärmetauscher 56 umfassenden Brennstoffvorwärmsy- stems 62, 68 zur Kondensatvorwärmung werden dazu bisher vor- genommene Entnahmen aus dem Wasser-Dampf-Kreislauf 3, insbe¬ sondere aus dem Hochdruck-Economizer 38, eingespart. Außerdem entfällt eine externe Kondensatvorwärmung inklusive dafür er¬ forderlicher Rohrleitungen und Armaturen sowie einer entspre¬ chenden Regelung. Somit ist sowohl bei Gasbetrieb als auch bei Ölbetrieb ein besonders hoher Anlagenwirkungsgrad er¬ reicht. Dabei ist eine Umschaltung von der Brennstoffvorwär- mung auf die Kondensatvorwärmung in einfacher Weise möglich.