Abgasrezirkulation in Gas- und Dampfturbinenanlagen

Die Erfindung betrifft eine Abgasrezirkulation zur Verringe rung des Lebensdauerverbrauches von Abhitzedampferzeugern und zur Verringerung von Emissionen sowie zur Erhöhung der Effi zienz moderner Gas- und Dampfturbinenanlagen bei instationä ren Vorgängen.

Für das emissionsarme und lebensdauerschonende Anfahren mo derner Gas- und Dampfturbinenanlagen sowie bei anderen insta tionären Vorgängen wird der Abhitzedampferzeuger (AHDE) mo mentan an bestimmten Teillastpunkten zum Anwärmen gehalten. Das verlängert zum einen die Anfahrtszeit der Kraftwerke und führt somit zu hohem Brennstoffverbrauch bei niedriger Effi zienz der Energieerzeugung und zum anderen wird die Gasturbi ne dadurch lange Zeit in einem hohen Emissionslevel (Kohlen monoxid) gefahren.

Der Abhitzedampferzeuger benötigt einfach eine gewisse Zeit (>15 Minuten) , um ausreichend hohe Temperaturen in den Druck stufen und vor einem evtl, in der Anlage angeordneten Kohlen monoxid-Katalysator zu erreichen.

EP 3011144 A2 offenbart eine Lösung für das genannte Problem, bei der in die Anströmhaube des Abhitzedampferzeugers Wasser /Deionat eingedüst wird, wobei eine Rauchgastemperatur durch die Verdampfung des eingedüsten Wassers/Deionats verringert wird. Ein Nachteil dieses Systems ist der zusätzliche Deio- nat-/Wasserverbrauch . Ein weiterer Nachteil ist die deutliche Absenkung der Effizienz der Kraftwerksanlage (massive Senkung der Rauchgasenthalpie bei moderater Erhöhung des Abgasmassen stroms) sowie die Erhöhung des abgasseitigen Druckverlustes.

Eine alternative Lösung hierzu ist die Eindüsung kalter Zu satzluft in die Anströmhaube des Abhitzedampferzeugers. Der Nachteil dieser Lösung ist, dass alle Druckstufen des Abhit- zedampferzeugers beeinflusst werden, was zu einer möglichen Überlastung des Mitteldruck- und des Niederdruckteils des Ab hitzedampferzeugers führen kann. Ein weiterer Nachteil ist, wie auch schon bei der ersten Lösung, der Effizienzverlust der Kraftwerksanlage. Außerdem wird der abgasseitige Druck verlust ansteigen und möglicherweise die Designwerte errei chen .

Verfahren, welche mit einer Absenkung der Gasturbinen-Abgas- temperatur (ATK) arbeiten, führen zu massiven Leistungs- und Effizienzeinbußen, sowie zu einer höheren CO-Fracht beim An fahren .

Neben der Regelung der Abgastemperatur ist auch die Dampftem peraturregelung im Abhitzedampferzeuger mittels Einspritzküh ler im Zusammenspiel mit der Abgastemperatur im Hinblick auf die Kraftwerksanlageneffizienz sowie die Kessellebensdauer problematisch .

Die US 2006/0162315 Al offenbart eine Kraftwerksanlage, bei der ein Teil des Abgases an einem Punkt des Abhitzedampfer zeugers entnommen und zu dessen Eingang rezirkuliert wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kraftwerksanlage bereitzu stellen, die ein möglichst emissionsarmes und lebensdauer schonendes Anfahren ermöglicht und bei der ein gegenüber den Anlagen aus dem Stand der Technik verbesserter Wärmeübergang zwischen Abgas und Heizflächen im Abhitzedampferzeuger mög lich ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein ent sprechendes Verfahren zum Betrieb einer solchen Kraftwerksan lage anzugeben.

Die Erfindung löst die auf eine Kraftwerksanlage gerichtete Aufgabe, indem sie vorsieht, dass bei einer derartigen Kraft werksanlage mit einer Gasturbine und mit einem der Gasturbine in Strömungsrichtung eines Abgases nachgeschalteten Abhitze dampferzeuger, wobei der Abhitzedampferzeuger Heizflächen ei nes Hochdruckteils, eines Mitteldruckteils und eines Nieder- druckteils umfasst, wobei eine Abgasrezirkulationsleitung in Strömungsrichtung eines Abgases stromab eines Verdampfers des Hochdruckteils vom Abhitzedampferzeuger abzweigt und vor den Heizflächen wieder in den Abhitzedampferzeuger mündet, wobei ein Gebläse in der Abgasrezirkulationsleitung angeordnet ist, in Strömungsrichtung eines rezirkulierten Abgases hinter dem Gebläse eine Dampf _Z uführung in die Abgasrezirkulationsleitung mündet .

Um die oben genannten negativen Auswirkungen (sowie den Exer- gieverlust durch Dampfeinspritzungen im Hochdruckteil und im Bereich der Zwischenüberhitzung) zu minimieren, wird eine Ab- gasrezirkulation im Abhitzedampferzeuger mit Dampfzumischung vorgeschlagen. Die Gasturbinenabgase werden bereits deutlich vor dem Abhitzedampferzeugeraustritt zumindest zum Teil zum Abhitzedampferzeugereintritt rückgeführt. Dabei findet eine Vermischung des rezirkulierenden Abgases (bis zu ca. 400°C) mit dem Abgas der Gasturbine statt. Ein in der Abgasrezirku lationsleitung angeordnetes Gebläse kompensiert (ggf. über kompensiert) den vergleichsweise geringen Druckunterschied zwischen Abgasentnahme und Abgaszugabe am Abhitzedampferzeu ger. Eine Dampf _Z uführung mündet in Strömungsrichtung eines rezirkulierten Abgases hinter dem Gebläse in die Abgasrezir kulationsleitung. Durch eine Zumischung von Dampf zum Abgas verbessert sich der Wärmeübergang des Abgases an den nachfol genden Heizflächen im Abhitzedampferzeuger.

Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Kraftwerksanlage eine An- strömhaube umfasst, über welche im Betrieb nachfolgenden Heizflächen Abgas zugeführt wird, wobei die Abgasrezirku lationsleitung in die Anströmhaube mündet.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn eine Regelklappe in der Re- zirkulationsleitung angeordnet ist. Mit der Regelklappe lässt sich ein definierter rezirkulierter Abgasmassenstrom einstel len, ferner kann die Regelklappe die Kompensation des Druck abfalls im Abhitzedampferzeuger gewährleisten. Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Dampf _Z uführung von einem Kesselwasserentspanner abzweigt, der bei der Abschlämmung (An- und Abfahrvorgange) und Entleerung von Dampferzeugern dazu verwendet wird, das abgeschlämmte Wasser durch Entspan nung teilweise zu verdampfen. Der dabei entstehende Dampf wird oft verworfen, kann aber auch energetisch nutzbringend den rezirkulierten Abgasen zugemischt werden.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Kraftwerksanlage mindes tens zwei Abgasrezirkulationsleitungen umfasst, die im We sentlichen symmetrisch angeordnet in die Anströmhaube münden. Eine solche Anordnung führt zu einer homogenen Durchmischung der rezirkulierten Abgase mit den direkt von der Gasturbine kommenden und in den Abhitzedampferzeuger geleiteten Abgase.

Die auf ein Verfahren gerichtete Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer Kraftwerksanlage mit einer Gasturbine und einem Abhitzedampferzeuger, wobei der Abhitze dampferzeuger Heizflächen eines Hochdruckteils, eines Mittel druckteils und eines Niederdruckteils umfasst, wobei Gastur binenabgase nach einem Verdampfer des Hochdruckteils abge zweigt und vor den Heizflächen wieder in den Abhitzedampfer zeuger eingeleitet werden, wobei Dampf in das rezirkulierte Abgas gemischt wird.

Dabei kann es zweckmäßig sein, wenn der zugemischte Dampf zu vor einem Kesselwasserentspanner entnommen wird.

Es ist vorteilhaft, wenn die Gasturbinenabgase nach einem Hochdruckvorwärmer im Abhitzedampferzeuger abgezweigt werden. Eine Abzweigung kann dabei unmittelbar nach einem Hochdruck vorwärmer, aber auch weiter stromab erfolgen, beispielsweise unmittelbar nach einem Mitteldruckverdampfer oder einem Mit teldruckvorwärmer . Weiter ist es vorteilhaft, wenn zu rezirkulierende Gasturbi nenabgase mittels eines Gebläses erfasst und wieder in den Abhitzedampferzeuger eingeleitet werden.

Ferner ist es zweckmäßig, wenn eine rezirkulierte Abgasmenge über eine Regelklappe eingestellt wird.

Um eine über den Umfang möglichst gleichmäßige Zugabe rezir- kulierten Abgases in den Abgasstrom der Gasturbine sicher zu stellen, ist es zweckmäßig, wenn rezirkuliertes Abgas an ge genüberliegenden Positionen eines Umfangs dem Abhitzedampfer zeuger zugeführt wird.

Schließlich ist es vorteilhaft, wenn zumindest ein Teil eines heißen Gasturbinenabgases mittels einer Abgasweiche vom

Hauptmassenstrom des Abgases abgetrennt und dem Abhitzedampf erzeuger zugeführt wird und dort mit rezirkuliertem Abgas ge mischt wird, so dass die Kraftwerksanlage leistungsgeführt angefahren werden kann und nicht wie vorher über ein tempera turgeführtes Verfahren. Die Gasturbine muss nicht in Ihrer Last reduziert werden, bzw. vom Netz, wodurch keine zweite Fahrkurve für die Gasturbine notwendig wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sind kesselspezifische Anforderungen an das Abgasprofil (Geschwindigkeit, Tempera tur, Temperaturverteilung) für den stabilen Betrieb des Ab hitzedampferzeugers einzuhalten. Durch eine Variation der Ab- gasrezirkulationsmenge und der Abgasfeuchte kann die für den Hochdruckteil benötigte absolute Abgasmischtemperatur, sowie der Temperaturtransient eingestellt werden, welche zum ge ringsten Lebensdauerverbrauch führen werden.

Außerdem wird durch die Erhöhung des Abgasmassenstroms durch den Hochdruckteil des Abhitzedampferzeugers und dessen Feuch te erreicht, dass der Abhitzedampferzeuger (vor allem der Hochdruckverdampfer) schneller angewärmt wird und schneller als heute mehr Dampf produziert wird. Die Beschleunigung des Anwärmens wird sich auch positiv auf die Absorption eines möglichen CO-Katalysators auswirken. Statt der heute üblichen 15 bis 25 Minuten für eine Durchwärmung des Hochdruckteils werden nun 5 bis 7 Minuten bei einem Kesselkaltstart erwar tet. Für Warm- und Heißstart werden sich die bisherigen Zei ten auch mehr als halbieren. Die schnellere Durchwärmung hat zeitliche Vorteile bei der CO-Frachtenregelung (Emissionen) beim Anfahren der Gasturbine bzw. des Abhitzedampferzeugers, vor allem in den USA.

Ein weiterer positiver Effekt ist die Unabhängigkeit von der Abgastemperatur der Gasturbine. Insbesondere bei der wegen der CO-Problematik mit der Teillast einhergehenden notwendi gen Erhöhung der Gasturbinenabgastemperatur mussten bisher die Hochdruck-/Zwischenüberhitzerzwischeneinspritzkühler die Temperatur des Dampfes reduzieren, damit Designvorgaben nicht gefährdet wurden. Der Wegfall dieser Maßnahme führt zur wei teren Erhöhung der Effizienz der Anlage in Teillast.

Weitere positive Effekte werden durch die wesentliche Erhö hung des Betriebsbereiches der Anlage, vor allem für Kraft werke mit großer Prozessdampfmengenauskopplung gesehen. Die Rezirkulation des Abgases hilft bei sinkender Leistung der Gasturbine die Dampfproduktion im Abhitzedampferzeuger auf rechtzuerhalten .

Falls bei zukünftiger Entwicklung der Gasturbine die Abgas temperatur stark ansteigen soll (z.B. > 700°C) könnte die Re zirkulation zum Einsatz kommen, um die Kesseleintrittstempe- ratur wieder zu senken. Somit kann vermieden werden, dass die bei sehr hohen Dampftemperaturen notwendigen Werkstoffe (Ni- Alloys) verwendet werden müssen, was zu einer massiven Koste neinsparung führt.

Die bisherige Temperaturgradientenregelung wird nun durch diese vorgeschlagene Abgasrezirkulation übernommen.

Die Erfindung bietet zahlreiche Vorteile. Die Effizienz der Anlage in Teillasten wird bis 0 , 55-0 , 60%-Punkte Nettogesamt- _W irkungsgrad (GUD) dadurch erhöht, dass während der dynami schen und statischen Vorgänge Hochdruck-/Zwischenüberhitzer- einspritzkühler nicht gebraucht werden. Die Einspritzkühler (vor allem Zwischeneinspritzkühler) sind dann nur noch als Noteinspritzer zu betrachten. Dabei können sie gegebenenfalls kleiner ausgelegt werden.

Die Erfindung bewirkt eine GuD-Gesamtwirkungsgraderhöhung bei Mindestlasten und beim Anfahren der GuD-Anlage sowie bessere Mindestlastemissionen, vor allem im Hinblick auf Kohlenmono xid. Bei Gasturbinen-Mindestlasten wird üblicherweise eine Teillastabgastemperaturüberhöhung zur CO-Reduzierung einge baut, um die Kohlenmonoxid-Emissionen besser zu reduzieren.

Der Betriebsbereich der Kraftwerksanlage vergrößert sich nicht nur bei reinem Kondensationsbetrieb aufgrund der nun verringerten CO-Problematik, sondern auch für Kraftwerke mit größeren Prozessdampfauskopplungsmengen . Prozessdampf wird üblicherweise im Bereich der kalten Zwischenüberhitzung ent nommen. Dieser Dampf „fehlt" dann aber bei entsprechender Be aufschlagung der Zwischenüberhitzerheizflächen mit dem heißen Gasturbinenabgas. Die Auskopplung von Prozessdampf ist im In dustriegeschäft üblich. Auch große GuD-Kraftwerke bedienen zum Teil große Dampfauskopplungsmengen .

Ein weiterer Vorteil ist es, dass die für den Hochdruckteil erforderliche Abgasmenge bei sehr niedrigen Leistungen der Gasturbine und hohen Abgastemperaturen, die eine stabile Ver dampfung sicherstellt, durch die Abgasrezirkulation positiv beeinflusst wird, da die Dampfproduktion im unteren Lastbe reich der Gasturbine nicht stark abnimmt, obwohl die Gastur binenabgasmenge sinkt (sogenannter „extended Turn Down"- Betrieb der Gasturbinen) .

Die Gasturbine kann mit der Erfindung ohne wesentliche Erhö hung des Lebensdauerverbrauches an den druckführenden Bautei len des Dampferzeugers beliebig schnell hochgefahren werden und muss keine Haltepunkte einhalten, da der Temperaturtran- sient für den Abhitzedampferzeuger über die Rezirkulation einstellbar ist.

Somit ergibt sich eine Änderung der Fahrweise der rotierenden Energiemaschinen (Dampf-/Gasturbinen) ohne wesentliche Erhö hung des Lebensdauerverbrauches an den druckführenden Bautei len des Dampferzeugers.

Durch die Erhöhung des Abgasmassenstroms und dessen Feuchte in bestimmten Bereichen des Abhitzedampferzeugers ergeben sich verringerte Kesseldurchwärmzeiten (vor allem bei Kalt start) . Daher wird eine erste Dampfproduktion schneller als üblich erzielt. Auch die notwendigen Betriebstemperaturen von CO- + SCR-Katalysatoren werden schneller erreicht. Ein Durch wärmen eines möglichen CO-Katalysators , für eine Reduzierung der CO-Emissionen bei Frachtenregelung ist schon während des Anfahrens möglich (CO-Katalysator platziert vor oder hinter Hochdruck-Verdampfer, je nach Temperaturfenster). Dies ist vor allem für US-Anlagen, bei denen die CO-Frachtenregelung schon eingeführt wurde, interessant.

Dadurch, dass die Materialerschöpfung verringert wird, kann ein Kesselaufbau (Hardware) kostengünstiger erfolgen.

Da der (erste) produzierte Dampf kälter als üblich ist, wird auch vor allem beim Kaltstart ein Dampfturbinenanwärmen un terstützt .

Unabhängig vom Gasturbinentyp ist aufgrund der Einsteilbar keit der Abgastemperatur im Bereich des Abhitzedampferzeugers ein „heißes Belüften" möglich, wenn eine Abgasweiche (Diver- ter Damper) vorhanden ist. Mit der Abgasweiche wird ein Teil des heißen Gasturbinenabgases abgezweigt und dem Abhitze dampferzeuger zugeführt und dort mit dem rezirkulierten Abgas gemischt, so dass sich Abgastemperatur und -menge einstellen lassen . Die vorgeschlagene Lösung ist für alte Abhitzedampferzeu ger/Kraftwerke nachrüstbar, die eine neue effizientere Gas turbine vorangestellt bekommen.

Ferner ist die Erfindung für alle Kesseltypen wie z.B. Ab scheider (Benson) , Trommeln, und diversen Verdampfertypen (stehend, liegend etc.) einsetzbar.

Die Erfindung wird beispielhaft anhand einer Zeichnung näher erläutert .

Die Figur zeigt schematisch und beispielhaft eine Kraftwerks anlage 1 mit einer Gasturbine 2 und mit einem der Gasturbine 2 in Strömungsrichtung eines Abgases nachgeschalteten Abhit zedampferzeuger 3, wobei der Abhitzedampferzeuger 3 eine An- strömhaube 10 umfasst, über welche im Betrieb nachfolgenden Heizflächen 4 Abgas der Gasturbine 2 zugeführt wird. Außerdem weist die Kraftwerksanlage 1 der Figur noch eine Abgasweiche 25 auf, mit der Gasturbinenabgase bei Bedarf auf den Abhitze dampferzeuger 3 oder von ihm weggelenkt werden können.

In Strömungsrichtung des Abgases zeigt die Figur im Abhitze dampferzeuger 3 einen zweiten Hochdrucküberhitzer 14, einen Zwischenüberhitzer 15, einen ersten Hochdrucküberhitzer 16, einen Hochdruckverdampfer 9, einen Hochdruckvorwärmer 13, ei nen Mitteldrucküberhitzer 17, einen Mitteldruckverdampfer 18, einen Mitteldruckvorwärmer 19, einen Niederdrucküberhitzer 20, einen Niederdruckverdampfer 21 und einen Kondensatvorwär mer 22.

Die Heizflächen 4 lassen sich also in drei Gruppen zusammen fasen, einen Hochdruckteil 5, einen Mitteldruckteil 6 und ei nen Niederdruckteil 7.

Im Ausführungsbeispiel der Figur zweigt in Strömungsrichtung eines Abgases eine Abgasrezirkulationsleitung 8 unmittelbar stromab des Verdampfers 9 des Hochdruckteils 5 vom Abhitze dampferzeuger 3 ab und mündet vor den Heizflächen 4 wieder in den Abhitzedampferzeuger 3. Bei Abhitzedampferzeugern mit Ab gasweiche 25 liegt die Mündung der Abgasrezirkulationsleitung 8 vor der Abgasweiche 25. Bei Anlagen ohne Abgasweiche 25 kann das rezirkulierte Abgas direkt in die Anströmhaube 10 münden (gestrichelte Linie) .

Alternativ zur mit der durchgezogenen Linie gezeigten Lösung zweigt die Abgasrezirkulationsleitung 8 weiter stromab entwe der unmittelbar hinter dem Hochdruckspeisewasservorwärmer 13 oder hinter dem Mitteldruckverdampfer 18 oder auch hinter dem Mitteldruckvorwärmer 19 vom Abhitzedampferzeuger 3 ab (ge strichelte Linien) .

In der Figur ist zwar nur eine einzige Abgasrezirku

lationsleitung 8 gezeigt. Eine bevorzugte Ausführungsform wird aus Gründen einer besseren Durchmischung von rezirku- liertem Abgas und dem Abgas aus der Gasturbine zumindest noch eine zweite Abgasrezirkulationsleitung 8 aufweisen.

In der Abgasrezirkulationsleitung 8 sind ein Gebläse 11 und eine Regelklappe 12 angeordnet.

Ferner ist im Ausführungsbeispiel der Figur eine Dampfzufüh rung 23 gezeigt, die in die Abgasrezirkulationsleitung 8 mün det und aus mindestens einem Kesselwasserentspanner 24 ge speist wird. Die Figur zeigt voneinander unabhängige Kessel wasserentspanner 24 aller Druckteile 5, 6 und 7. Alternativ kann natürlich auch Dampf aus einem sog. cascading blowdown entnommen werden, bei dem Kesselwasserentspanner einer höhe ren Druckstufe ihr Abwasser in die Trommel der darunterlie genden Druckstufe abgeben.