BE1009290A6

BE1009290A6 - Process for the production of mechanical energy based upon an evaporative turbine cycle

Info

Publication number: BE1009290A6
Application number: BE9500348A
Authority: BE
Original assignee: Ruyck Jacques De; Allard Georges; Bram Svend
Priority date: 1995-04-14
Filing date: 1995-04-14
Publication date: 1997-01-07

Abstract

A process is proposed for producing mechanical energy from the chemical energy in a fuel by means of a combustion turbine. The compression occurs on two levels, with intermediate cooling and after-cooling. The heat from the intermediate cooling, the after-cooling and the turbine exhaust is used to heat the combustion air supply and to evaporate the water that has been added to this combustion air. The new feature of this is the new sort of recovery system used, in which the heat from the intermediate cooling, the heat from the after-cooling and the heat from the turbine exhaust are simultaneously recovered and utilized for heating the combustion air and to evaporate the water added to it.<IMAGE>

Description

       

   <Desc/Clms Page number 1> 
 



  Proces voor productie van mechanische energie op basis van een   evaporatiove   gas turbine cyclus Domein van de uitvinding, stand van de techniek : Efficiente productie van energie vanuit gas en olie met gasturbines gebeurt door de uitlaatwarmte van de turbine te recupereren. Dit gebeurt op drie manieren : men maakt stoom voor een stoomcyclus (STEG, figuur 1 a), men maakt stoom die in de gasturbine wordt ontspannen (Gasturbine met stoominjectie,   STIG,   figuur 1 b), ofwel warmt men water op, welke verdampt wordt in de compressor lucht en verder wordt opgewarmd in de recuperatieketel (Verdampingscyclus, figuur 1c). 



  De STEG cyclus (a) bestaat uit twee afzonderlijke cycli : een gasturbinecyclus (lucht) en een klassieke stoomcyclus, met ertussen een recuperatieketel. In de   STIG   verdwijnt de stoomcyclus : de stoom wordt gemengd met de samengedrukte lucht, oververhit in de brander en ontspannen in de gasturbine. Er is geen stoomturbine meer, geen condensor en geen koeltoren want de stoom condenseert in de atmosfeer. Het grootste deel van de afvalwarmte wordt   afgegeven   op lage temperatuur als latente warmte in de   uitlaatgassen.   Recenter is het gebruik van de 
 EMI1.1 
 verdampingscyclus (c). De STIG en de verdampingscyclus onderscheiden zieh door de manier waarop het water wordt verdampt : in STEG en STIG kookt het water bij een constante temperatuur, bij de verdampingscyclus verdampt het water bij variabele temperatuur.

   Het rendement van de cyclus verbetert met verschillende punten door de verdamping bij variabele temperatuur. STEG en   STIG   zijn commercieel beschikbaar. De best ontwikkelde verdampingscyclus ia gekend onder de naam Vochtige Lucht Turbine (Humid Air Turbine of HAT, Europees Patent 0 540 787   Al)   en is nog niet gerealiseerd. Andere patenten in dit domein zijn EP 0 150 990 A2,0 081 995 A2,0 546 501 A2 2n 0 444 913 A1. Het gebruik van vochtige lucht in een turbine behoort tot het publiek domein. 



  Doel en samenvatting van de uitvinding : De uitvinding is weergegeven in figuur 2. Het patenteerbaar deel van de uitvinding is het warmterecuperatiesysteem zoals aangeduid op de figuur. In dit systeem wordt de warmte op drie plaatsen gelijktijdig gerecupereerd : uit de tussenkoeler (1), de nakoeler (2) en de turbineuitlaat (3). De gerecupereerde warmte wordt aan de lucht toegevoegd achter de nakoeler (4). De warmtecapaciteit. van deze lucht is onvoldoende om de gerecupereerde warmte op te vangen omdat het debiet slechts 

 <Desc/Clms Page number 2> 

 een derde is van het debiet in tussenkoeler, nakoeler en turbineuitiaat. Dit tekort aan warmtecapaciteit wordt gecompenseerd door water in te spuiten (5), op zodanige wijze dat het temperatuursverschil tussen warme en koude stromen ongeveer constant wordt gehouden, wat tot een minimale entropieproductie leidt (figuur 3).

   De uitlaatgassen worden verder gebruikt om de vochtige samengedrukte   lucht   te verwarmen   v6ór   de brander (6). Het voedingswater kan voorverwarmd worden bovenaan het recuperatiesysteem, in het bijzonder aan uitlaat van de tussenkoeler (7). Ter hoogte van deze uitlaat zijn zeer lage temperaturen wenselijk en bereikbaar omdat het fluidum droge lucht is. Een extra koudebron verbetert het rendement nog meer (8). Het specifieke aan deze warmterecuperatie is, dat er geen circulatie van vloeibaar water is, en dat de verdamping van het water enkel gebeurt bij toenemende temperatuur (wat niet gebeurt bij de andere patenten).

   De hoeveelheid water te verdampen water wordt geregeld door de pseudo warmtecapaciteit van de stroom, die gelijk is aan : pseudo capaciteit = capaciteit van de lucht + verdampingswarmte X verdampte waterfractie 
De laagste temperatuur die kan. verkregen worden bovenaan het warmterecuperatiesysteem wordt gecontroleerd door de maximale pseudo warmtecapaciteit van de   lucht,   die gegeven wordt in figuur 4. Volgens deze figuur wordt deze warmtecapaciteit rond 1000   C   verdrievoudigd, wat noodzakelijk is om alle gerecupereerde warmte te kunnen absorberen. Lagere temperaturen kunnen verkregen worden omdat de lucht aan de uitlaat van de nakoeler droog is. Een extra temperatuursdaling van ongeveer   30 OC   is mogelijk.

   Hierbij kan men opmerken dat de kombinatie nakoeler + verdamper fungeert als een generator van lage temperaturen. 



    Voorbeeld:   De energiebalans van de cyclus in figuur 2 wordt gebruikt als voorbeeld. Voor een gegeven turbine inlaat temperatuur van   1200 OC,   een temperatuursverschil van 50"C in de wisselaars, een   polytropisch   rendement van 90 %, en ladingsverliezen van 3 % in de wisselaars en van 5 % in de brander wordt een optimale drukverhouding van 25 bekomen met een waterinjectie van 15 % (ten opzichte van het   compressormassadebiet).   Het specifiek vermogen van de cyclus overschrijdt 500 KJ/kg lucht, hetgeen typisch is voor vergelijkbare vochtige 

 <Desc/Clms Page number 3> 

 lucht gas turbines. Het thermisch rendement ligt rond 54 %.

   Dit resultaat is gelijkaardig aan dat van de   HAT-cyclus,   maar het wordt op een andere manier verkregen en bevat een warmterecuperatiesysteem dat eenvoudiger is. Een gedetailleerd overzicht vindt men in figuur 5. De overeenkomstige samengestelde warmterecuperatiecurves vindt zijn weergegeven in figuur 6. Er wordt een minimaal temperatuursverschil van 100C aangehouden tussen de koude en de warme curve. Het voorbeeld dient enkel als toelichting en is niet beperkend. 



  Samenvatting : De uitvinding bestaat uit een warmterecuperatiesysteem voor een gemengde luchtstoom gasturbinecyclus waarbij de warmte van de tussenkoeler, de nakoeler en de turbine uitlaat gelijktijdig gerecupereerd wordt door gelijktijdige opwarming van verbrandingslucht en gelijktijdige verdamping van het toegevoegde water. Het voedingswater wordt voorverwarmd aan uitlaat van de tussenkoeler, waar nog een kleine extra koudebron wordt toegevoegd. De resulterende vochtige samengedrukte lucht wordt verder opgewarmd door de turbine uitlaat vooraleer ze de brander binnengaat. 
 EMI3.1 
 



  J Varianten : Het huidig recuperatiesysteem kan gebruikt worden met meer dan   één   tussenkoeler, waarbij het aantal warme stromen zal toenemen. Men kan stellen dat het aantal evenwijdige stromen in het warmterecuperatiesysteem gelijk is aan 2 + het aantal tussenkoelers. Het kan eveneens toegepast worden met heropwarming in de gasturbine. Toevoeging van een brander in de gasturbine uitlaat voor koolverbranding kan beschouwd worden in het geval van onrechtstreekse verbranding van de gasturbine (figuur 2 (8)). Voorverwarming van de brandstof met het warmterecuperatiesysteem kan voorzien worden, zonder afbreuk to doen aan de uitvinding. De koudebron (figuur 2 (8)) kan weggelaten worden.



   <Desc / Clms Page number 1>
 



  Field of the invention, prior art: Efficient production of energy from gas and oil with gas turbines is done by recovering the exhaust heat from the turbine. This is done in three ways: one makes steam for a steam cycle (STEG, figure 1 a), one makes steam that is relaxed in the gas turbine (Gas turbine with steam injection, STIG, figure 1 b), or one heats water, which is evaporated in the compressor air and further is heated in the recovery boiler (Evaporation cycle, figure 1c).



  The STEG cycle (a) consists of two separate cycles: a gas turbine cycle (air) and a classic steam cycle, with a recovery boiler in between. In the STIG, the steam cycle disappears: the steam is mixed with the compressed air, overheated in the burner and relaxed in the gas turbine. There is no more steam turbine, no condenser and no cooling tower because the steam condenses in the atmosphere. Most of the waste heat is released at a low temperature as latent heat in the exhaust gases. More recent is the use of the
 EMI1.1
 evaporation cycle (c). The STIG and the evaporation cycle are distinguished by the way in which the water is evaporated: in STEG and STIG the water boils at a constant temperature, in the evaporation cycle the water evaporates at a variable temperature.

   The efficiency of the cycle improves by several points due to the evaporation at variable temperature. STEG and STIG are commercially available. The best developed evaporation cycle is known under the name Humid Air Turbine (Humid Air Turbine or HAT, European Patent 0 540 787 Al) and has not yet been realized. Other patents in this domain are EP 0 150 990 A2.0 081 995 A2.0 546 501 A2 2n 0 444 913 A1. The use of moist air in a turbine belongs to the public domain.



  Object and summary of the invention: The invention is shown in figure 2. The patentable part of the invention is the heat recovery system as indicated on the figure. In this system, heat is recovered simultaneously in three places: from the intercooler (1), the aftercooler (2) and the turbine outlet (3). The recovered heat is added to the air behind the aftercooler (4). The heat capacity. of this air is insufficient to capture the recovered heat because the flow rate is only

 <Desc / Clms Page number 2>

 one third is the flow rate in intercooler, aftercooler and turbine exhaust. This shortage of heat capacity is compensated by injecting water (5) in such a way that the temperature difference between hot and cold flows is kept approximately constant, leading to minimal entropy production (Figure 3).

   The exhaust gases are further used to heat the humid compressed air before the burner (6). The feed water can be preheated at the top of the recovery system, in particular at the outlet of the intercooler (7). At this outlet, very low temperatures are desirable and achievable because the fluid is dry air. An additional cold source improves efficiency even more (8). The specific thing about this heat recovery is that there is no circulation of liquid water, and that the evaporation of the water only happens with increasing temperature (which is not the case with the other patents).

   The amount of water to evaporate water is controlled by the pseudo heat capacity of the stream, which is equal to: pseudo capacity = capacity of the air + evaporative heat X evaporated water fraction
The lowest temperature possible. obtained at the top of the heat recovery system is controlled by the maximum pseudo heat capacity of the air, which is given in figure 4. According to this figure, this heat capacity is tripled around 1000 C, which is necessary to absorb all recovered heat. Lower temperatures can be obtained because the air at the outlet of the aftercooler is dry. An additional temperature drop of about 30 OC is possible.

   It should be noted that the aftercooler + evaporator combination acts as a generator of low temperatures.



    Example: The energy balance of the cycle in Figure 2 is used as an example. For a given turbine inlet temperature of 1200 OC, a temperature difference of 50 "C in the exchangers, a polytropic efficiency of 90%, and load losses of 3% in the exchangers and of 5% in the burner, an optimum pressure ratio of 25 is obtained with a water injection of 15% (relative to the compressor mass flow rate). The specific power of the cycle exceeds 500 KJ / kg air, which is typical for comparable humid

 <Desc / Clms Page number 3>

 air gas turbines. The thermal efficiency is around 54%.

   This result is similar to that of the HAT cycle, but it is obtained differently and includes a heat recovery system that is simpler. A detailed overview can be found in figure 5. The corresponding composite heat recovery curves are shown in figure 6. A minimum temperature difference of 100C is maintained between the cold and the warm curve. The example is illustrative only and is not limiting.



  Summary: The invention consists of a heat recovery system for a mixed air steam gas turbine cycle in which the heat from the intercooler, aftercooler and turbine exhaust is simultaneously recovered by simultaneous heating of combustion air and simultaneous evaporation of the added water. The feed water is preheated at the outlet of the intercooler, where a small additional cold source is added. The resulting moist compressed air is further heated by the turbine exhaust before entering the burner.
 EMI3.1
 



  J Variants: The current recovery system can be used with more than one intercooler, increasing the number of hot flows. It can be said that the number of parallel flows in the heat recovery system is equal to 2 + the number of intercoolers. It can also be used with reheating in the gas turbine. Addition of a burner in the gas turbine exhaust for carbon combustion can be considered in the case of indirect combustion of the gas turbine (Figure 2 (8)). Fuel preheating with the heat recovery system can be provided without compromising the invention. The cold source (figure 2 (8)) can be omitted.

Claims

Conclusions: A production process for mechanical power, using heat contained in a fuel and heat contained in the fluids within the process, to operate a gas turbine, comprising a system for the simultaneous recovery of heat from intercooler (s), aftercooler and turbine outlet, and evaporation of water.

The recovery system of claim 1, comprising: (a) parallel recovery boilers for intercooler, aftercooler and exhaust flows (b) counterflow pipes in the boilers to heat the combustion air, evaporating water via a discrete number of water injectors under pressure, and wherein the heat capacity obtained is controlled by the injection rate.

(c) turbine side counterflow heat exchanger to further heat the moist compressed air with the turbine exhaust gases.

The appliance of claim 2 comprising a counterflow pipe in the parallel boilers to preheat the feed water.

The appliance of claim 2 comprising 1 or more additional parallel boilers for 1 or more intercoolers.

The appliance of claim 2 comprising a counter-flow line to preheat the fuel.