BE1009290A6 - Proces voor productie van mechanische energie op basis van een evaporatieve gas turbine cyclus. - Google Patents

Abstract

Er wordt een proces voorgesteld om via een verbrandingsturbine mechanische energie te produceren vanuit de chemische energie van een brandstof. De compressie gebeurt op twee niveau's, met tussenkoeling en nakoeling. De warmte van de tussenkoeling, de nakoeling en de turbineuitlaat wordt gebruikt om de verbrandingslucht te verwarmen en om het water dat aan deze verbrandingslucht toegevoegd wordt, te verdampen. Het vernieuwende element hierbij is een nieuw type van recuperatiesysteem, waarbij - tegerljkertijd - de tussenkoelingswarmte, de nakoelingswarmte en de turbine uitlaatwarmte gerecupereerd worden en gebruikt worden om de verbrandingslucht te verwarmen en het toegevoegde water te verdampen.

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.

Claims (5)

1. Conclusies : 1. Een productieproces voor mechanische kracht, gebruik makend van warmte vervat in een brandstof an warmte vervat in de fluida binnen het proces, om een gasturbine te laten werken, inhoudende een systeem voor de gelijktijdige recuperatie van warmte vanuit tussenkoeler (s), nakoeler en turbine uitlaat, en verdamping van water.
2. 2. Het recuperatiesysteem van conclusie 1, inhoudende : (a) evenwijdige recuperatieketels voor tussenkoeler, nakoeler en uitlaatstromen (b) tegenstroom leidingen in de ketels om de verbrandingslucht op te warmen, waarbij water wordt verdampt via een diskreet aantalwaterinjectoren onder druk, en waarbij de bekomen warmtecapaciteit geregeld wordt door de injectiegraad.

   (c) tegenstroom warmtewisselaar aan de turbinekant om de vochtige samengedrukte lucht verder te verwarmen met de turbine uitlaatgassen.
3. 3. Het toestel van conclusie 2 omvattend een tegenstroomleiding in de evenwijdige ketels om het voedingswater voor te verwarmen.
4. 4. Het toestel van conclusie 2 omvattend 1 of meer extra evenwijdige ketels voor 1 of meer tussenkoelers.
5. 5. Het toestel van conclusie 2 omvattend een tegenstroomleiding om de brandstof voor te verwarmen.