Gas-und-Dampfturbinen-Kraftwerk und Verfahren zur Nachrüstung einer solchen

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gas-und-Dampfturbinen- Kraftwerk mit einer Gasturbine, die auslassseitig einen Ab gasdiffusor aufweist, und einem Abhitzedampferzeuger, welcher über eine Abströmhaube mit der Auslassseite des Abgasdif fusors der Gasturbine verbunden ist, um die in den entspann ten Rauchgasen der Gasturbine enthaltene Wärme für die Erzeu gung von Dampf in einem Dampfturbinenkreislauf zu nutzen.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Nach rüstung eines Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerks mit einer Gasturbine, die auslassseitig einen Abgasdiffusor aufweist, und einem Abhitzedampferzeuger, welcher über eine Abströmhau be mit der Auslassseite des Abgasdiffusors der Gasturbine verbunden ist, um die in den entspannten Rauchgasen der Gas turbine enthaltene Wärme für die Erzeugung von Dampf in einem Dampfturbinenkreislauf zu nutzen.

In der kommunalen Energieversorgung werden neben fossilen Kraftwerksanlagen, die mit Dampfturbinen betrieben werden, auch kombinierte Gas- und Dampfturbinenkraftwerke (GuD) ein gesetzt, welche die Abwärme eines Gasturbinenkraftwerks in einem Abhitzedampferzeuger, auch Abhitze-Dampfkessel oder Kessel genannt, zur Erzeugung von Wasserdampf nutzen, welcher anschließend über einen herkömmlichen Dampfturbinenprozess entspannt wird. Der Wirkungsgrad solcher Gas- und Dampfturbi- nen-Kraftwerke liegt bei ca. 60%.

In zunehmendem Maß erfolgt die Energieerzeugung mittels er neuerbarer Energien, wie z.B. der Windkraft. Dauerhaft soll über diese regenerativen Energien ein Großteil des gesamten Energiebedarfs abgedeckt werden. Allerdings stehen die rege- nerativen Energien nicht kontinuierlich zur Verfügung, so dass der Energiebedarf konventionell abgedeckt werden muss.

Dies führt dazu, dass der Strommarkt flexible Kraftwerke er fordert, die über einen großen Lastbereich mit einem ausrei chenden Lastgradienten betrieben werden können. Dabei gibt es eine generelle Forderung nach einer Erhöhung der Flexibilität von Gasturbinen- bzw. GuD-Kraftwerken als Stütze für erneuer bare Energieerzeuger.

Generell besteht die Problematik, dass kombinierte Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerke bedingt durch die trag reagierenden Abhitzedampferzeuger (AHDE) und Dampfturbinen lange Vorberei- tungs- und Anfahrtszeiten benötigen und somit nicht oder nur bedingt geeignet sind, kurzfristig Energiespitzen oder Min dereinspeisungen von regenerativen Energien zu decken. Viel mehr können die für einen gesicherten Netzbetrieb geforderten schnelleren Anfahrtszeiten nur im reinen Gasturbinenbetrieb sichergestellt werden. Um GuD-Kraftwerke im reinen Gasbetrieb fahren zu können, müssen die GuD-Kraftwerke entsprechend aus gerüstet sein. Im Einzelnen muss ein Bypass-Kamin vorgesehen sein, über welchen im reinen Gasturbinen-Betrieb die heißen Abgase der Gasturbine abgeführt werden können. Ferner müssen die Anlagen mit einer Abschottung des Abhitzedampferzeugers ausgerüstet sein, welche eine weitere Zufuhr der heißen Abga se zum Abhitzedampferzeuger verhindert. Wenn der notwendige Bypass-Kamin und die Abschottung des Abhitzedampferzeugers fehlen, bleibt im Fall eines reinen Gasturbinenbetriebs bei diesen Anlagen der Kessel ständig in Betrieb und wird der entstehende Dampf über den Kondensator der Dampfturbine abge führt. Diese Fahrweise reduziert nicht nur die Lebensdauer des Kessels, sondern wirkt sich auch negativ auf die Wirt schaftlichkeit des Kraftwerks aus.

Eine nachträgliche Implementierung eines Bypass-Kamins und eines Klappensystems zur Absperrung des Abhitzedampferzeugers erfordert derzeit die Verlängerung der gesamten Abgasstrecke verbunden mit einer Verschiebung des gesamten AHDE. Eine In- stallation des Bypass-Kamins in den vorhandenen Abgaskanal ist zwar möglich, jedoch mit einem sehr hohen Aufwand und technischen Risiken verbunden.

Eine Veränderung der Länge des Abgasdiffusors wirkt sich auf die Strömungsverhältnisse des Abgases aus und kann zu Inter ferenzen am Turbinenlagerstern führen, welche in Folge eine Minderleistung der Gasturbine und im schlimmsten Falle eine Schädigung bzw. Zerstörung des Turbinenlagersterns nach sich ziehen. Ebenso wirkt sich eine Veränderung der Länge des Ab gasdiffusors auf die Strömungsverhältnisse des Abgases in der Anströmhaube aus und kann zu Interferenzen an den Heizflächen führen, welche auch in Folge eine Schädigung bzw. Zerstörung der Heizflächen nach sich ziehen können.

Eine Erfassung des Temperaturkennfeldes im Abgasdiffusor be stimmt die Regelung der Gasturbine. Eine Verlegung der Senso rik, d.h. der Thermosensoren, am Abgasdiffusor aufgrund einer Verkürzung würde eine komplette Analyse des Temperaturkenn feldes und eine erneute Parametrierung der Gasturbinenein stellungen erfordern. Der Kosten- und Zeitaufwand hierfür sind erheblich und zeitlich nur schwer abschätzbar. Somit scheiterten in der Vergangenheit häufig die Bestrebungen nach einer nachträglichen Implementierung eines Bypass-Kamins am notwendigen hohen Platzbedarf für einen nachträglichen Umbau bzw. an der damit einhergehenden Komplexität eines Umbaus ge paart mit hohen finanziellen Aufwendungen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Gas- und Dampfturbi- nen-Kraftwerk der eingangs genannten Art anzugeben, das eine Umschaltung in einen reinen Gasturbinenbetrieb ohne die be schriebenen Nachteile ermöglicht. Ferner soll ein Verfahren angegeben werden, mit welchem bestehende Gas- und Dampfturbi nenkraftwerke in einfacher Weise nachgerüstet werden können, so dass sie auch in einem reinen Gasturbinenbetrieb gefahren werden können. Diese Aufgabe ist bei einem Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerk der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass an die An- strömhaube mehrere Abgasleitungen angeschlossen sind, die oberhalb der Anströmhaube in einen gemeinsamen Bypass-Kamin münden, und dass Absperrmittel in der Anströmhaube vorgesehen sind, um einen Rauchgasstrom von der Gasturbine zu dem Abhit zedampferzeuger in einem geschlossenen Zustand zu unterbre chen und in einem offenen Zustand zu erlauben.

Bei einem Verfahren zur Nachrüstung eines Gas- und Dampftur- binen-Kraftwerks der eingangs genannten Art ist die Aufgabe entsprechend dadurch gelöst, dass die Anströmhaube mit mehre ren Öffnungen versehen wird, dass an die Anströmhaube im Be reich der Öffnungen Abgasleitungen angeschlossen werden, so dass diese sich in einen Bereich oberhalb der Anströmhaube erstrecken, und dass in der Anströmhaube Absperrmittel vorge sehen werden, um einen Gasstrom von der Gasturbine zu dem Ab hitzedampferzeuger in einem geschlossenen Zustand zu unter brechen und in einem geöffneten Zustand zu erlauben.

Der vorliegenden Erfindung liegt damit die Überlegung zugrun de, die für einen reinen Gasturbinenbetrieb notwendige Ab schottung des Abhitzedampferzeugers im Bereich der Anström haube vorzusehen, indem entsprechende Absperrmittel in die Abströmhaube eingebaut werden. In gleicher Weise wird der für den reinen Gasturbinenbetrieb notwendige Bypass-Kamin an die Anströmhaube angebaut. Hierzu werden an die Anströmhaube meh rere Abgasleitungen angeschlossen, die oberhalb der Anström haube in den Bypass-Kamin münden. Hierzu werden entsprechende Öffnungen in die Anströmhaube eingebracht. Beispielsweise kann eine Abgasleitung an die Oberseite der Anströmhaube an geschlossen werden, wobei sie dann vorteilhafterweise in die Unterseite des Kamins mündet. Ferner kann wenigstens einen Abgasleitung seitlich an die Anströmhaube angeschlossen wer den, wobei insbesondere jeweils eine Abgasleitung an die ge genüberliegende Seite der Anströmhaube angeschlossen wird.

Die seitlich an die Anströmhaube angeschlossenen Abgasleitun gen münden dabei zweckmäßigerweise in den unteren Endbereich des Bypass-Kamins auf gegenüberliegenden Seiten von diesem, wobei der untere Endbereich bevorzugt sich nach unten hin verjüngend ausgebildet ist.

Das aerodynamische Gewicht in den Abgasleitungen wird durch die Auslegung des Durchmessers aller Abgasleitungen gewähr leistet. Die statische Stabilität wird durch eine Stützenkon struktion, welche den Bypass-Kamin trägt, bestimmt. Durch die Abgasführung über mehrere Abgasleitungen anstatt einer Abgas führung über einen großen Kanal kann der Platzbedarf für eine notwendige Abgasführung deutlich reduziert werden. Das aero dynamische Profil und die Auslegung der Abgasleitungen muss im Einzelfall mittels CFD-Studie bestimmt werden.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Absperrmittel eine Guillotine aufweisen, die in ver tikaler Richtung zwischen einer oberen Öffnungsstellung, in der sie den Gasstrom von der Gasturbine zu dem Abhitzedampf erzeuger freigibt, und einer unteren Schließstellung, in wel cher sie einen Gasstrom von der Gasturbine zu dem Abhitze dampferzeuger unterbricht, bewegbar geführt ist.

Hierzu wird aus der Anströmhaube ein Teil herausgetrennt, um einen Einbauraum zu schaffen, in welchem die Absperrmittel, beispielsweise die Guillotine, vorgesehen, bzw. montiert wer den. In bevorzugter Weise werden an den Schnittstellen zwi schen der Anströmhaube und der Guillotine Bleche, insbesonde re in Rinnenform, zur Halterung der Guillotine vorgesehen.

Um die Absperrmittel anströmseitig mit Sperrluft zu versorgen und so die Gasdichtheit der Absperrmittel im geschlossenen Zustand zu gewährleisten, ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung auf der Gasturbinenseite der Absperrmittel eine SperrluftZuführung an die Anströmhaube angeschlossen. Die Zu fuhr der Kühlluft erfolgt dabei bevorzugt von der Unterseite der Anströmhaube her. Weiterhin kann auf der zum Abhitzedampferzeuger weisenden Seite der Absperrmittel eine KühlluftZuführung an die An- strömhaube angeschlossen sein/werden, um die Absperrmittel abströmseitig über zugeführte Kühlluft im geschlossenen Zu stand zu kühlen.

In üblicher Weise kann der Bypass-Kamin einen Schalldämpfer aufweisen. Ebenso kann im Bypass-Kamin eine Abgasklappe vor gesehen sein, welche ausgebildet ist, einen Abgasstrom durch den Bypass-Kamin im geschlossenen Zustand zu unterbrechen und geöffneten Zustand zu erlauben.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Gas- und Dampfturbi- nen-Kraftwerks mit einem an die Anströmhaube über mehrere Ab gasleitungen angeschlossenen Bypass-Kamin und einer in die Abgashaube eingebauten Abschottung des AHDE, d.h. die in die Anströmhaube eingebauten Absperrmittel, ist eine Kostengüns tige Nachrüstung von bereits existierenden GuD-Kraftwerken möglich. Dabei können am Markt vorhandene Komponenten wie By pass-Kamin inklusive Schalldämpfer und Abgasklappe sowie die Guillotine verwendet werden. Durch die Nachrüstung ist es möglich, GuD-Kraftwerke im reinen Gasturbinenbetrieb zu fah ren, ohne dass die Lebensdauer der druckführenden Teile des AHDE und der Dampfturbine hierunter leiden. Durch den reinen Gasturbinenbetrieb wird die Bandbreite des Betriebsregimes eines GuD-Kraftwerks von 50 bis 100% auf 15 bis 100% Lastbe trieb erweitert, was den Einsatz als Spitzenlastkraftwerk, zur Frequenzstütze sowie zur Blindleistungskompensation er möglicht.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung liegt in der Entkopp lung des Gasturbinenbetriebs vom Betrieb des Heizdampfteils und der Dampfturbine sowie der Möglichkeit des separaten An fahrens und des Betriebs der Gasturbiene im offenen Betrieb (Solobetrieb). Dadurch wird ein hoher Flexibilisierungsgrad im Betrieb der Anlage erreicht. Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt

Figur 1 den Übergangsbereich zwischen einem Gasturbinenab schnitt und einem Abhitzedampferzeuger eines erfindungsgemä ßen Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerks und

Figur 2 einen an einer Anschlusshaube des Gas- und Dampf- turbinen-Kraftwerks angeschlossenen Bypass-Kamin gemäß der vorliegenden Erfindung.

Die Figur 1 zeigt schematisch den Übergangsbereich zwischen einem Gasturbinenabschnitt und einem Abhitzedampferzeuger ei nes erfindungsgemäßen Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerks. Kon kret dargestellt ist der Übergang zwischen einer Gasturbine, von welcher lediglich der an der Ausgangsseite der Gasturbine vorgesehene Abgasdiffusor 1 gezeigt ist, und einem Abhitze dampferzeuger (AHDE) 2, welcher über eine Anströmhaube 3 mit der Auslassseite des Abgasdiffusors 1 der Gasturbine verbun den ist, um die in den entspannten Rauchgasen/Abgasen der Gasturbine enthaltene Wärme für die Erzeugung von Dampf in einem nicht näher dargestellten Dampfturbinenkreislauf zu nutzen.

Erfindungsgemäß ist das GuD-Kraftwerk ausgestaltet, um auch in einem reinen Gasturbinenbetrieb optimal gefahren werden zu können. Hierzu ist ein Bypass-Kamin 4 vorgesehen, welcher oberhalb des Abgasdiffusors 1 und der Anströmhaube 3 positio niert ist und über eine Stützkonstruktion 5 abgestützt ist. Der Bypass-Kamin 4 ist in herkömmlicher Weise ausgebildet und umfasst einen eingebauten Schalldämpfer 4a, sowie eine Abgas klappe 4b, welche ausgebildet ist, einen Abgasstrom durch den Bypass-Kamin 4 im geschlossenen Zustand zu unterbrechen und im geöffneten Zustand zu erlauben.

Der Bypass-Kamin 4 ist an die Anströmhaube 3 angeschlossen und mit dieser über hier drei Abgasleitungen 6a, 6b, 6c ver- bunden. Wie insbesondere in der Figur 2 erkennbar ist, ist eine erste Abgasleitung 6a an die Oberseite der Anströmhaube 3 angeschlossen und mündet in die Unterseite des Bypass- Kamins 4. Weiterhin sind zwei Abgasleitungen 6b, 6c seitlich an die Anströmhaube 3 auf gegenüberliegenden Seiten von die ser angeschlossen und münden in den unteren Endbereich des Bypass-Kamins 4 auf gegenüberliegenden Seiten von diesem. Wie in der Figur 2 erkennbar ist, verjüngt sich der untere Endbe reich nach unten hin, so dass die seitlichen Abgasleitungen 6b, 6c schräg in den Bypass-Kamin 4 münden.

Bei dieser Konstruktion wird das aerodynamische Gewicht in den Abgasleitungen 6a, 6b, 6c durch entsprechende Auslegungen der Durchmesser aller Abgasleitungen 6a, 6b, 6c gewährleis tet, während die statische Stabilität durch die Stützkon struktion 5, welche den Bypass-Kamin 4 trägt, bestimmt wird.

Zur Abschottung des Abhitzedampferzeugers 2 in einem reinen Gasturbinenbetrieb ist in die Anströmhaube 3 ein Absperrmit tel in der Form einer Guillotine 7 eingebaut, die in vertika ler Richtung zwischen einer oberen Öffnungsstellung, in der sie einen Gasstrom von der Gasturbine/dem Abgasdiffusor 1 zu dem Abhitzedampferzeuger 2 freigibt, und einer unteren Schließstellung, in welcher sie den Strömungskanal der An strömhaube 3 vollständig verschließt und somit einen Gasstrom von der Gasturbine zu dem Abhitzedampferzeuger 2 unterbricht, bewegbar geführt. Hierzu ist ein Führungsgerüst 8 vorgesehen, welches die Guillotine 7 trägt. Ferner sind an den Rändern der Guillotine 7 und an der Innenseite der Anströmhaube 3 entsprechende Führungsmittel zur Halterung/Führung der Guil lotine 7 vorgesehen. Diese können als Bleche, insbesondere in Rinnenform, ausgebildet sein.

Um die Guillotine 7 anströmseitig mit Sperrluft zu versorgen und so die Gasdichtheit der Guillotine 7 im geschlossenen Zu stand zu gewährleisten, ist an die Anströmhaube 3 eine Sperr luftZuführung 9 angeschlossen, über welche die Guillotine 7 gasturbinenseitig von der Unterseite der Anströmhaube her mit Sperrluft überströmt werden kann.

Weiterhin ist auf der zum Abhitzedampferzeuger 2 weisenden Seite der Guillotine 7 eine KühlluftZuführung 10 an die An strömhaube 3 angeschlossen, um die Guillotine 7 auch abström- seitig, d.h. AHDE-seitig über zugeführte Kühlluft im ge schlossenen Zustand zu kühlen. Die Zufuhr der Kühlluft er folgt auch hier von der Unterseite der Anströmhaube 3 her.

Die Sperrluft/Kühlluft wird über eine gemeinsame Leitung 11 zugeführt und über einen angeschlossenen Ventilator 12 trans portiert.

Wenn das so ausgestattete GuD-Kraftwerk im kombinierten Gas turbinen- und Dampfturbinenbetrieb läuft, befindet sich die Guillotine 7 in ihrer oberen Öffnungsstellung und ist die Ab gasklappe 4b im Bypass-Kamin 4 geschlossen, so dass die hei ßen Rauchgase/Abgase der Gasturbine vom Abgasdiffusor 1 der Gasturbine zum Abhitzedampferzeuger 2 geleitet werden, wo sie in bekannter Weise genutzt werden, um Dampf für den Dampftur binenkreislauf des GuD-Kraftwerks zu erzeugen.

Wenn das GuD-Kraftwerk hingegen im reinen Gasturbinenbetrieb gefahren werden soll, wird die Guillotine 7 in ihre in Figur 1 dargestellte untere Schließstellung abgesenkt, in welcher sie den Strömungskanal der Anströmhaube 3 vollständig ver schließt, und wird die Abgasklappe 4b im Bypass-Kamin 4 ge öffnet. Des Weiteren wird die Guillotine 7 anströmseitig mit der Sperrluft überströmt, um die Abdichtwirkung der Guilloti ne 7 zu unterstützen. Gleichzeitig wird die Guillotine 7 ab- strömseitig mit Kühlluft überströmt. Die heißen Abgase der Gasturbine werden dann über die Abgasleitungen 6a, 6b, 6c in den Bypass-Kamin 4 und von dort aus an die Umgebung abgeführt oder anderweitig genutzt. Hierbei bleibt der Abhitzedampfer zeuger 2 passiv, hat also im reinen Gasturbinenbetrieb keine Funktion. Der vorgesehene Bypass-Kamin 4 sowie die Guillotine 7 können auch in bestehende GuD-Kraftwerke leicht nachgerüstet werden. Hierzu ist es lediglich erforderlich, die Anströmhaube 3 mit entsprechenden Öffnungen zum Anschluss der Abgasleitungen 6a, 6b, 6c zu versehen. Des Weiteren muss ein Teil der Anström haube 3 herausgeschnitten werden, um in die Anströmhaube 3 die Guillotine 7 einbauen zu können. Die Verbindungsstrecke zwischen dem Abgasdiffusor 1 und dem Abhitzedampferzeuger 2 wird hierdurch nicht verändert, so dass auf eine Analyse des Temperaturkennfeldes bzw. eine neue Parametrierung der Gas turbineneinstellung verzichtet werden kann. Durch den Aufbau des Bypass-Kamins 4 oberhalb des Abgasdiffusors 1 bzw. der Anströmhaube 3 ist der benötigte Platzbedarf gering. Ebenso erfordert die Verbindung zwischen dem Bypass-Kamin 4 und der Anströmhaube 3 wenig Platzbedarf, weil die Abgase nicht über eine zentrale Leitung, sondern über mehrere Abgasleitungen 6a, 6b, 6c entsprechend kleineren Durchmessers geführt wer den. Dabei stellt der Bypass-Kamin 4 mit eingebauter Abgas klappe 4b und dem Schalldämpfer 4a ein Standardbauteil dar, das ohne Probleme zugekauft werden kann.

Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausfüh rungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele einge schränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.