DE10055202A1 - Dampfkraft-/Arbeitsprozeß mit erhöhtem mechanischen Wirkungsgrad für die Elektroenergiegewinnung im Kreisprozeß sowie Anordnung zu seiner Durchführung - Google Patents

Dampfkraft-/Arbeitsprozeß mit erhöhtem mechanischen Wirkungsgrad für die Elektroenergiegewinnung im Kreisprozeß sowie Anordnung zu seiner Durchführung

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Dampfkraft-/Arbeitsprozeß, bei dem die Kreislaufnutzung von Wasser in flüssiger und dampfförmiger Form als Arbeitsfluid und Kühlmittel im mehrstufigen Entspannungsprozeß und sowie im damit verbundenen mehrstufigen Verdichtungsprozeß, erfolgt. Dazu sind Arbeitsprozeß und Kraftprozeß direkt kreislaufmäßig mit dem Kühlprozeß verbunden, der für die Kühlung benötigte Massestromanteil wird vom Gesamtmassestrom des Arbeitsfluids vor der ersten Verdichtungsstufe abgezweigt und kondensiert, der kondensierte Masseteilstrom des Arbeitsfluids wird vollständig für Kühlzwecke im Entspannungsprozeß und für Zwecke der Kühlung und der thermischen Verdichtung im Verdichtungsprozeß genutzt und der zu Zwecken der Kühlung eingesetzte Teilmassestrom des Arbeitsfluids wird unter Umgehung der jeweils vorgeschalteten Verdichtungsstufen dem Arbeitsfluid direkt zugeführt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Dampfkraft-/Arbeitsprozeß mit erhöhtem mechanischem Wirkungsgrad im Kreisprozeß durch Kreislaufnutzung von Wasser in flüssiger und dampfförmiger Form als Arbeitsfluid und Kühlmittel im mehrstufigen Entspannungsprozeß sowie im damit verbundenen mehrstufigen Verdichtungsprozeß. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Anordnung zur Durchführung des Dampfkraft-/Arbeits­ prozesses durch direkte Kopplung einer mehrstufigen Dampfturbine mit einem mehrstufigen Turboverdichter und im externen Leitungssystem für das Arbeitsfluid angeordneten Wärmetauscher­ einheiten.
Derartige Verfahren und Anordnungen werden in erster Linie für die Elektroenergie- und Gebrauchswärmegewinnung benötigt.
Bei der Umwandlung von thermischer in mechanische Energie ist der Wirkungsgrad auf Maximalwerte begrenzt, die durch die Temperaturen der Verbrennung, des bei der Verbrennung beigesetzten Abgases und der eingesetzten Kühlmittel bestimmt sind. Materialtechnische Grenzen in den angewendeten Energieumwandlungsprozessen beeinflussen die Differenz zwischen dem theoretisch erreichbaren und dem praktisch realisierten Wirkungsgrad nach dem jeweiligen Stand der Technik. Da die Turbomaschinenforschung bereits an einem sehr hohen Entwicklungsniveau angelangt ist, resultieren spürbare Verbesserungsmöglichkeiten im wesentlichen aus der Thermodynamik der Kreisprozesse.
Ausgehend von den maximalen Verbrennungstemperaturen müssen nach dem bisherigen Wissensstand die allgemeinen Temperaturen im Energieumwandlungsprozeß erhöht werden, um den Energieanteil zu erhöhen. Bei Einsatz fossiler Brennstoffe im Gasturbinenprozeß haben die hohen Verbrennungstemperaturen zudem Einfluß auf die Stickoxidemission.
Großtechnisch haben sich zur Gewinnung von elektrischer Energie der Dampfturbinen-Clausius-Rankine-Kreisprozeß, der Gasturbinenkreisprozeß und der Gas- und Dampf-Kombiprozeß (GuD-Prozeß) als die Kombination von beiden Grundprozessen durchgesetzt.
Mittels moderner Dampfkraftprozesse sollen durch Druck- und Temperaturerhöhungen des Arbeitsfluids auf über 300 bar und über 700°C die angestrebten Wirkungsgradverbesserungen erreicht werden. Dies setzt zugleich voraus, daß materialtechnische Lösungen für die Beherrschung dieser Prozeßparameter gefunden werden.
Mittels moderner Gasturbinenprozesse wird angestrebt, die Turbineneinsatztemperaturen auf über 1500°C anzuheben und die Standfestigkeit des eingesetzten Materials durch adäquate technische Lösungen zur Maschinenkühlung zu erreichen.
In bekannten Gas- und Dampf-Kombiprozessen (GuD) profitiert man von den technischen Entwicklungen auf den Gebieten beider Grundprozesse. Im Bestreben, die angezielten Wirkungsgradverbesserungen bei der Energieumwandlung zu erreichen, wurde versucht, Lösungen zur günstigeren Gestaltung der Energieumwandlungsprozesse durch Nutzung von Kreisprozessen zu finden.
So beschreibt die US 3 841 100 einen geschlossenen Gasturbinenprozeß, unter Einsatz von verschiedenen Gasen, wie Luft, Wasserstoff, Helium oder anderen Gasen, bei dem der Arbeitsprozeß in einem Turbokompressor und der Kraftprozeß in einer Gasturbine stattfindet. Die angestrebte Wirkungsgradverbesserung soll dabei durch den Einsatz eines außergewöhnlich großen Kühlmittelreservoirs erreicht werden, mit dessen Hilfe die verbesserte Kühlkapazität von Umgebungsluft während der Nachtzeit nutzbar gemacht wird. Gleichzeitig soll damit der durchgehende Betrieb der Anlage bei Nennlast sichergestellt werden. Dies verdeutlicht, mit welchen großen technischen Aufwendungen um die Gewinnung verhältnismäßig kleiner Wirkungsgradverbesserungen gerungen wird.
Eine weitere technische Lösung für einen mehrstufigen Dampfkraft-/Arbeits­ prozeß zur Elektroenergiegewinnung wird in der DE 198 56 448 A1 bekanntgemacht. Gemäß dieser Lösung wird ausschließlich Wasserdampf als Arbeitsfluid im Kreisprozeß eingesetzt.
Der mehrstufige Dampfkraft-/Arbeitsprozeß wird hierbei in an sich bekannter Weise durch direkte Kopplung eines mehrstufigen Turboverdichters mit einer mehrstufigen Gasturbine durchgeführt. Als Arbeitsfluid kommen im wesentlichen Wasserdampf und das dampfförmige Umsetzungsprodukt aus der Knallgasreaktion zum Einsatz. Die Energiezufuhr zum Prozeß erfolgt dabei durch die innere Verbrennung von Knallgas, wobei das aus der Knallgasreaktion resultierende zusätzliche wasserdampfförmige Arbeitsfluid direkt an der Beschaufelung der mehrstufigen Dampfturbine zum Einsatz gebracht wird.
Den bekannten technischen Lösungen haften entscheidende Mängel an. Entweder gelingt die angestrebte Wirkungsgradverbesserung durch Inkaufnahme von Prozeßdiskontinuitäten und aufwendige Überdimensionierung von Anlagenkomponenten, beispielsweise dem Kühlmittelspeicher, oder es müssen Energieträger zum Einsatz gebracht werden, die einen besonderen Herstellungsprozeß erfordern, um mit ihren Verbrennungsprodukten ohne Beeinträchtigung des Energieumwandlungsprozesses einen Teil des einheitlichen Arbeitsfluids bilden zu können. Zudem stellt die vorgesehene innere Verbrennung von Knallgas an der Turbinenbeschaufelung erhebliche materialtechnische Anforderungen wegen der dort auftretenden thermischen Spitzenbelastung. Für die angestrebte Gebrauchsenergiegewinnung im Kreisprozeß mit erhöhtem mechanischem Wirkungsgrad sind die bekannten technischen Lösungen nur eingeschränkt geeignet.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, die Mängel des bekannten Standes der Technik zu überwinden. Die zu entwickelnde Lösung für die Gestaltung eines Dampfkraft-/Arbeitsprozesses mit erhöhtem mechanischem Wirkungsgrad im Kreisprozeß soll einerseits beherrschbare thermische Materialbelastungen zulassen und andererseits durch die einfache Gestaltung der verfahrenstechnischen und apparatetechnischen Prozeßkomponenten den wirtschaftlichen Betrieb der Gebrauchsenergiegewinnung ermöglichen.
Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 und 19 gelöst, wobei die zweckmäßigen Ausführungsformen und Ausgestaltungen durch die jeweiligen Unteransprüche beschrieben sind. Die entwickelte technische Lösung nutzt die gewonnene Erkenntnis, daß durch die Nähe des im Kreisprozess eingesetzten Wasserdampfes zum Verflüssigungspunkt auch im Gasturbinenprozeß die Möglichkeit besteht, zwei Arbeitsfluidaggregatszustände zu nutzen. Es wurde erkannt, daß die direkte Kühlung durch Zuführen von Arbeitsfluid im flüssigen Zustand ein effizientes Mittel ist, um Irreversibilitäten zu reduzieren. Die intensive Beschaufelungskühlung durch Wasserverdampfung läßt eine höhere Prozeßgrenztemperatur zu, weswegen sich der zu überbrückende Temperaturbereich durch Regeneration vergrößert. Ein derartiges Mehrphasensystem verbessert die Beeinflussungsmöglichkeit des Arbeitsfluidmassestroms. Das Abwärmetemperaturniveau des auf diese Weise realisierbaren Joule-Brayten-Prozesses ist mit über 200°C noch ausreichend hoch. Ebenso liegt die untere Prozeßgrenztemperatur mit 100°C in einem noch nutzbaren Bereich. Da ein flüssiger Teilmassenstrom nach dem entwickelten technischen Konzept zur effektiven Prozeßkühlung benötigt wird, soll diese Funktion ein sogenannter Clausius-Rankine-Prozeß übernehmen. Damit ergibt sich ein geschlossener GuD-Prozeß mit einem gemeinsamen Arbeitsfluid im direkten Verbund. Die günstigen thermodynamischen Wärmeübertragungseigenschaften durch Verdampfung und Kondensation gemäß dem Clausius-Rankine-Prozeß sowie die hohen Prozeßtemperaturen bei niedrigem Druckniveau mit Wärmeregeneration gemäß dem Joule-Brayten-Prozeß ergeben in direkter Verbindung eine neuartige Verfahrenskombination.
Damit ergibt sich der neugestaltete Dampfkraft-/Arbeitsprozeß mit erhöhtem mechanischem Wirkungsgrad für die Elektroenergiegewinnung im Kreisprozeß durch Nutzung von Wasser in flüssiger und dampfförmiger Form als Arbeits- und Kühlmittel als ein mehrstufiger Entspannungsprozeß und einem damit verbundenen mehrstufigen Verdichtungsprozeß. Hierbei wird der Arbeitsprozeß direkt kreislaufmäßig mit dem Kraftprozeß verbunden.
Der für die Kühlung benötigte Massestromanteil wird vom Gesamtmassestrom des Arbeitsfluids vor der ersten Verdichtungsstufe abgezweigt und in Verbindung mit einer im Unterdruck betriebenen Entspannungsstufe kondensiert. Der kondensierte Masseteilstrom des Arbeitsfluids wird vollständig für Kühlzwecke im Entspannungsprozeß und für Zwecke der Kühlung und der thermischen Verdichtung im Verdichtungsprozeß genutzt. Der zu Zwecken der Kühlung eingesetzte Teilmassenstrom des Arbeitsfluids wird dem Arbeitsfluid unter Umgehung der jeweils vorgeschalteten Verdichtungsstufen direkt zugeführt.
Mit dieser neuartigen Prozeßgestaltung werden bereits beachtliche Effektivitätsverbesserungen sowohl hinsichtlich des zu realisierenden mechanischen Wirkungsgrades als auch hinsichtlich der Apparate­ anforderungen erreicht.
In einer Ausführungsform des Prozesses erfolgt der Einsatz des zu Zwecken der Kühlung genutzten Teilmassenstroms des Arbeitsfluids überwiegend durch Direkteinspritzung von vorgewärmtem Kondensat.
Weiterhin ist es möglich, die im nutzbaren Temperaturbereich liegende Abwärme aus dem Entspannungsprozeß zur Verdampfung eines Teils des kondensierten Teilmassenstroms zu nutzen und den dabei gewonnenen Wasserdampf an den entsprechenden Zwischendruckstufen des mehrstufigen Verdichtungsprozesses dem Arbeitsfluid zu injizieren.
In einer besonderen Ausführungsform des Verfahrens erfolgt die Zufuhr von thermischer Energie zum Kreisprozeß durch innere Verbrennung von Knallgas im Kraftprozeß.
Das benötigte Knallgas wird zum Zwecke der Leistungsregulierung in einem mit dem Dampfkraft-/Arbeitsprozeß gekoppelten Elektrolyseprozeß gewonnen.
Es ist auch möglich, die Zufuhr von thermischer Energie zum Kreisprozeß durch den indirekten Wärmeaustausch von chemischer Reaktionswärme bei der äußeren Verbrennung von fossilen Energieträgern vorzunehmen.
Der vorgeschlagene Kreisprozeß erlaubt es auch, die Zufuhr von thermischer Energie durch indirekten Wärmeaustausch von Solarenergie im Kraftprozeß zu realisieren.
In einer weiteren Ausführungsvariante wird durch die Unterdruckentspannung die untere Prozeßgrenztemperatur des zu Kühlzwecken einzusetzenden Teilmassenstrom des Arbeitsfluids auf eine wählbare Größe gesenkt.
Es ist vorgesehen, bedarfsweise die Kühlung der Turbinenbeschaufelung im Kraftprozeß durch Verdampfung des Kühlmittels mit anschließender Injektion vorzunehmen.
Es ist auch möglich, bei der Kühlmittelgewinnung in einer im Vakuumbereich zu betreibenden zusätzlichen Turbinenstufe zusätzlich mechanische Energie auszukoppeln. Die Kühlmittelgewinnung kann andererseits jedoch unter Verzicht auf eine im Unterdruckbereich zu betreibende Entspannungsstufe durch Auskopplung für externe Zwecke benötigter Gebrauchswärme erfolgen.
In einer Ausführungsvariante des vorgeschlagenen Kreisprozesses ist vorgesehen, das auf den Sättigungszustand abgekühlte und verdichtete Arbeitsfluid durch das den Kraftprozeß verlassende Arbeitsfluid vorzuwärmen.
Im Teillastbetrieb kann zur Vermeidung von An- und Abfahrprozessen die im Kraftprozeß gewonnene Elektroenergie wenigstens teilweise zur Aufheizung des verdichteten Arbeitsfluids vor dem Entspannungsprozeß genutzt werden.
Es ist möglich, den Arbeitsfluid-Massestrom im Kraftprozeß durch den Einsatz des Kühlmittels in den Entspannungsstufen zu erhöhen.
Die Verdichtung des Arbeitsfluids im Arbeitsprozeß erfolgt unter Anwendung von jeweiligen Zwischenkühlungen bevorzugt mehrstufig.
Das den Kraftprozeß verlassende entspannte Arbeitsfluid wird nach Nutzung eines Teils seiner Restwärme für die Voraufheizung des verdichteten Arbeitsfluids in einem Kaskadenverdampfer gekühlt.
Vorzugsweise wird der Einsatz des Kühlmittels sowohl im Kraftprozeß als auch im Arbeitsprozeß zur Steuerung des variablen Arbeitsfluid- Massestroms genutzt.
Schließlich ist auch vorgesehen, den zu Zwecken der thermischen Verdichtung eingesetzten Teilmassenstrom des Arbeitsfluids unter Umgehung der jeweils vorgeschalteten Verdichtungsstufen dem Arbeitsfluid direkt zuzuführen.
Die für die Durchführung des vorgeschlagenen Dampfkraft- Arbeitsprozesses vorgesehene Anordnung enthält Einrichtungen zur Kühlmittelzuführung, die direkt in das Gehäuse des Turboverdichters integriert sind. Weiterhin sind Einrichtungen zur Energiezuführung vorgesehen, die direkt in das Dampfturbinengehäuse integriert sind. Zur Vermeidung höherer Druckverluste sind die externen Wärmetauschereinheiten für die Kühlung und für die Erwärmung des Arbeitsfluids in einer gemeinsamen Baugruppe angeordnet. Die für die indirekte Wärmeübertragung benötigten Wärmetauscherflächen sind axial an den Wellen des Turboverdichters und der Dampfturbine angeordnet.
In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, vor der ersten Verdichtungsstufe - in Förderrichtung des Arbeitsfluids gesehen - eine Einrichtung zur Voraufheizung des Arbeitsfluids im Anfahrzustand anzuordnen.
Zwischen den Verdichtungsstufen sind bevorzugt Einrichtungen für die wahlweise Zuführung von dampfförmigen und flüssigen sowie massestromerhöhenden Kühlmittelteilströmen angeordnet.
Nach der letzten Verdichtungsstufe kann ein Direktkühler für den Zusatz von flüssigem Kühlmittel zum verdichteten Arbeitsfluid angeordnet werden.
Es ist auch möglich, nach dem Direktkühler für das verdichtete Arbeitsfluid einen Regenerator zur Voraufheizung des Arbeitsfluids unter Einsatz des die letzte Turbinenstufe verlassenden entspannten Arbeitsfluids anzuordnen.
Weiterhin kann vorgesehen werden, nach dem Regenerator - in Förderrichtung des entspannten Arbeitsfluids gesehen - ein das Verdampfen eines Kühlmittelteilstroms sichernden Kaskadenverdampfer für das Arbeitsfluid anzuordnen.
Nach dem Kaskadenverdampfer kann auch eine Einrichtung zum Auskoppeln eines für Kühlzwecke vorgesehenen Teilmassestroms des Arbeitsfluids angeordnet werden.
Es ist auch möglich, im Bereich der Dampfturbine eine der Kondensation des ausgekoppelten Teilmassestroms des Arbeitsfluids dienende Turbinenstufe anzuordnen.
Nach der der Entspannung des für Kühlzwecke vorgesehenen Teilmassestroms des Arbeitsfluids dienenden Turbinenstufe kann ein für die Verflüssigung des Kühlmittels vorgesehener Kondensator angeordnet werden.
Die Vorteile der Erfindung bestehen zusammengefaßt darin, daß der Kühlteilmassenstrom zusätzlich in einer Turbinenstufe im Vakuumbereich entspannt wird, wodurch sich die untere Prozeßtemperatur reduziert und die auskoppelbare Nutzenergie erhöht.
Weiterhin wird die Abwärme des Dampfturbinen-Prozesses zur thermischen Verdichtung genutzt, wodurch sich die erforderliche Turboverdichterantriebsleistung reduziert.
Das Zwischenkühlen im Arbeitsprozeß erfolgt durch Zumischen von Wasser zum Arbeitsfluid, wodurch entsprechende Wärmeüber­ tragerflächen entfallen können. Dies führt zur Reduzierung der zu überwindenden Druckverluste und der Anlagenkosten. Das vorschlagsgemäße Injizieren von verdampftem Kühlfluid zur Turbinen-Beschaufelungskühlung erhöht ohne Inanspruchnahme entsprechender Verdichterleistung den Massestrom des Arbeitsfluids in den nachfolgenden Entspannungsstufen. Das damit verfügbare Mehrphasensystem ermöglicht die vereinfachte Steuerung und Variationen des Arbeitsfluidmassestroms.
Die Erfindung soll anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In der beigefügten Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild über das Zusammenwirken der Einzelkomponenten des Dampfkraft-/Arbeitsprozesses;
Fig. 2 die schematische Schnittdarstellung eines mit einer mehrstufigen Dampfturbine gekoppelten mehrstufigen Turboverdichters mit Angabe ausgewählter Zustandspunkte Z1-Z12;
Fig. 3 die schematische Schnittdarstellung von achsparallel angeordneten Wärmetauschereinheiten zum Einsatz externer Energieträger;
Fig. 4 Tabelle mit Kennwerten für ausgewählte Zustandspunkte Z1-Z22;
Fig. 5 ein schematisches Blockschaltbild über das Zusammenwirken der Einzelkomponenten des Dampfkraft-/Arbeitsprozesses ohne Nutzung der im Unterdruck arbeitenden Turbinenstufe 20 zur Kondensation des für Kühlzwecke vorgesehenen ausgekoppelten Teilmassestroms 19.
Ausführungsbeispiele Ausführungsbeispiel 1
In einer Anordnung gemäß der Fig. 1, 2 und 4 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Dampfkraft-/Arbeitsprozesses mit erhöhtem mechanischem Wirkungsgrad ist ein dreistufiger Turboverdichter 2 mit einer dreistufigen Dampfturbine 1 direkt gekoppelt. Vor der ersten Verdichterstufe 11.1 ist eine Einrichtung 12 zur Voraufheizung des Arbeitsfluids in Form von Wasserdampf angeordnet. Diese Einrichtung 12 sorgt für den benötigten Aggregatszustand bei der In- bzw. Außerbetriebnahme der Energieumwandlungsanlage. Im Betriebszustand nimmt diese Prozeßnebenkomponente keinen Einfluß auf die Zustandsgrößen des Arbeitsfluids. Es folgt eine dreistufige Verdichtung durch die Verdichtungsstufen 11.1 bis 11.n. Zwischen den einzelnen Verdichtungsstufen sind Einrichtungen zur Kühlmittelzuführung 5 angeordnet.
Diese Einrichtungen 5 sind Direktkühler, mit deren Hilfe dem Arbeitsfluid Kühlmedium in Form von Kühlwasser und Wasserdampf zugeführt wird. Zur Erhöhung des regenerierenden Temperaturbereichs dient der Direktkühler 14, mit welchem das Arbeitsfluid von der Verdichtungsendtemperatur bis auf den Sättigungszustand abgekühlt wird. Der vom Abwärmestrom der Dampfturbine 1 im Regenerator 15 vorgewärmte verdichtete Wasserdampf wird zunächst in der vor der ersten Hochdruckturbinenstufe 16.1 angeordneten Wärmetauschereinheit 3 erhitzt und in der Turbinenstufe 16.1 teilentspannt.
Danach gelangt das Arbeitsfluid zum zwischen der ersten Hochdruckturbinenstufe 16.1 und der zweiten Turbinenstufe 16.2 angeordneten weiteren Wärmetauschereinheit 3, mit deren Hilfe dem Arbeitsfluid weitere Fremdenergie zugeführt wird. In der Turbinenstufe 16.2 wird das Arbeitsfluid sodann erneut entspannt. Es gelangt danach zum Regenerator 15 und dient dort zur Voraufheizung des endverdichteten Arbeitsfluids.
Das den Regenerator 15 verlassende teilabgekühlte Arbeitsfluid wird anschließend dem Kaskadenverdampfer 17 zugeführt, der mit einer Druckregelung ausgestattet ist. Mit Hilfe dieses Kaskadenverdampfers 17 wird das den Regenerator 15 verlassende Arbeitsfluid weiter abgekühlt. Der erforderliche Kühlmassenstrom wird nach dem Kaskadenverdampfer 17 vom Arbeitsfluid mit Hilfe der Einrichtung 18 zum Auskoppeln eines für Kühlzwecke vorgesehenen Teilmassestroms 19 abgezweigt und mit Hilfe einer dritten Turbinenstufe 20 zur Kondensation des ausgekoppelten Teilmassestroms 19 entspannt und im nachgeschalteten Kondensator 21 verflüssigt. Das verflüssigte Kühlmittel durchläuft anschließend die Kühlmittelaufbereitung und den Kondensataufheizer 13 und steht sodann als einheitliches flüssiges Kühlmittel für Kühlzwecke in den Komponenten erste Hochdruckturbinenstufe 16.1, zweite Hochdruckturbinenstufe 16.2, den Einrichtungen 5 zur Kühlmittelzuführung vor den Verdichtungsstufen 11.2 und 11.n, dem Direktkühler 14 sowie dem Kaskadenverdampfer 17 zur Verfügung. In den vorgenannten Einrichtungen wird das flüssige Kühlmittel jeweils dem Arbeitsfluid zugesetzt und dabei verdampft. Den vor den Verdichtungsstufen 11.2 und 11.n angeordneten Einrichtungen 5 zur Kühlmittelzuführung wird neben dem verflüssigten Kühlmittel aus dem Kondensataufheizer 13 auch jeweils ein weiterer Kühlmittelstrom zugeführt, der im Kaskadenverdampfer 17 verdampft und mit unterschiedlichen Zustandsparametern den Einrichtungen 5 zur Kühlmittelzuführung zugeführt wird.
Die gemeinsame Welle von Dampfturbine 1 und Turboverdichter 2 ist mit einem Generator zur Umwandlung der gewonnenen mechanischen Energie in Elektroenergie sowie mit einem Anwurfmotor zum Starten der Anordnung gekoppelt.
In der Fig. 4 sind für dieses Ausführungsbeispiel ausgewählte Zustandskenngrößen sowohl für das eingesetzte Arbeitsfluid als auch für das aus dem Arbeitsfluid gewonnene Kühlmittel angegeben. Z1 kennzeichnet den Zustand des Arbeitsfluids im Betriebszustand nach Verlassen des Kaskadenverdampfers 17. Das Arbeitsfluid erreicht den Zustand Z2 nach der ersten Verdichtungsstufe 11.1 des Turboverdichters 2. Durch die Wirkung der zwischen der ersten Verdichtungsstufe 11.1 und der zweiten Verdichtungsstufe 11.2 angeordneten Einrichtung 5 für die Kühlmittelzuführung zum teilverdichteten Arbeitsfluid erreicht dieses vor der zweiten Verdichtungsstufe 11.2 den Zustand 23. Nach der zweiten Verdichtungsstufe 11.2 besitzt das teilverdichtete Arbeitsfluid den Zustand 24. Durch die Wirkung der zwischen der zweiten 11.2 und der dritten Verdichtungsstufe 11.n angeordneten Einrichtung 5 zur Kühlmittelzuführung erreicht das Arbeitsfluid unmittelbar vor der dritten Verdichtungstufe 11.n den Zustand 26. Mit dem der dritten Verdichtungsstufe 11.n nachgeordneten Direktkühler 14 wird das Arbeitsfluid in den Zustand 27 überführt. Der Zustand 28 kennzeichnet den Zustand des Arbeitsfluids beim Eintritt in die Dampfturbine 1. Zuvor hat das Arbeitsfluid dabei den Regenerator 15 durchlaufen, mit dessen Hilfe ein Teil der fühlbaren Wärme des die Dampfturbine 1 verlassenden entspannten Arbeitsfluids auf das verdichtete Arbeitsfluid übertragen wurde. Unter der Wirkung der Energiezuführung über den vor der ersten Hochdruckturbinenstufe 16.1 angeordneten Wärmetauschereinheit erreicht das Arbeitsfluid den Zustand 29. Das in dieser Turbinenstufe 16.1 teilentspannte Arbeitsfluid erreicht damit den Zustand Z10. Unter der Wirkung der Energiezuführung über den vor der zweiten Hochdruckturbinenstufe 16.2 angeordneten Wärmetauschereinheit 3 erreicht das Arbeitsfluid unmittelbar vor der zweiten Hochdruck­ turbinenstufe 16.2 den Zustand Z11. Im Ergebnis der Entspannung des Arbeitsfluids und des damit verbundenden Energieentzugs erreicht das Arbeitsfluid nach der Turbinenstufe 16.2 den Zustand Z12.
Das die Turbinenstufe 16.2 verlassende Arbeitsfluid durchströmt danach den Regenerator 15, wobei es einen weiteren Teil seiner fühlbaren Wärme an das verdichtete Arbeitsfluid abgibt. Danach erreicht das entspannte Arbeitsfluid den Z13.
In diesem Zustand wird das Arbeitsfluid genutzt, um im Kaskadenverdampfer 17 den für Kühlzwecke ausgekoppelten und verflüssigten Teilmassestrom 19 des Arbeitsfluids im Kaskadenverdampfer 17 in unterschiedlicher Weise zu verdampfen. Nach der ersten Stufe des Kaskadenverdampfers 17 weist das entspannte Arbeitsfluid den Zustand Z14 und nach der zweiten Stufe des Kaskadenverdampfers 17 den Zustand Z15 auf.
Danach gelangt das entspannte Arbeitsfluid in den Kondensataufheizer 13, wodurch es weiter bis auf den Zustand Z1 abgekühlt wird. In diesem Zustand wird dem Arbeitsfluid der für Kühlzwecke ausgekoppelte Teilmassestrom 19 entnommen, der der Turbinenstufe 20 zur Kondensation des ausgekoppelten Teilmassestroms 19 zugeführt wird. Nach dieser Turbinenstufe 20 erreicht dieser ausgekoppelte Teilmassestrom 19 den Zustand Z16. Der Teilmassestrom 19 gelangt sodann in den Kondensator 21, dem Wärmeenergie vorzugsweise zur externen thermischen Energienutzung entzogen wird. Nach dem Kondensator 17 gelangt der Teilmassestrom 19 in den verflüssigten Zustand Z17. Der verflüssigte Teilmassestrom 19 wird anschließend im Kondensataufheizer 13 auf ein höheres Temperaturniveau gebracht und erreicht damit den Zustand Z18. In dieser Form steht der Teilmassestrom 19 für die unterschiedlichen Kühlaufgaben in den Anlagenkomponenten Einrichtungen zur Kühlmittelzuführung 5 zwischen den Stufen des Turboverdichters 2, nach der letzten Verdichtungsstufe 11.n angeordneten Direktkühler 14 sowie bedarfsweise für die Turbinenstufen 16.1 bis 16.n der Dampfturbine 1 zur Verfügung. Ein Teil des Teilmassestroms 19 wird auch in getrennten Leitungen dem Kaskadenverdampfer 17 zugeführt und durch Förderpumpen unterschiedlich starken Drücken ausgesetzt. Dadurch erreicht das Kühlmittel vor der ersten Stufe des Kaskadenverdampfers 17 den Zustand Z21.
Der die erste Stufe des Kaskadenverdampfers 17 verlassende Teilstrom des Kühlmittels besitzt den Zustand Z22 und gelangt in diesem Zustand zur zwischen der zweiten 11.2 und dritten Verdichtungsstufe 11.n angeordneten Einrichtung 5 für die Kühlmittelzuführung. Der andere Teil des Kühlmittels erreicht vor der zweiten Stufe des Kaskadenverdampfers 17 den Zustand Z19 und infolge der erreichten Energiezuführung danach den Zustand Z20.
In diesem Zustand gelangt dieser Teilstrom zur zwischen der ersten 11.1 und der zweiten Verdichtungsstufe 11.2 angeordneten Einrichtung 5 für die Kühlmittelzuführung. Der mechanische Wirkungsgrad der nach diesem Beispiel gestalteten Anordnung erreicht eine theoretische Größenordnung von 72%.
Ausführungsbeispiel 2
Gemäß der Fig. 2 und 3 ist die Anordnung zur Durchführung eines Dampfkraft-/Arbeitsprozesses mit erhöhtem mechanischem Wirkungsgrad so gestaltet, daß die Einrichtungen 5 zur Kühlmittelzuführung zwischen den Verdichtungsstufen 11.1 bis 11.n des mehrstufigen Turboverdichters 2 direkt im Gehäuse 7 des Turboverdichters 2 angeordnet sind. Weiterhin ist die Anordnung gemäß dieses Beispiels dadurch charakterisiert, daß die Einrichtungen 6 zur Energiezuführung vor und zwischen den einzelnen Turbinenstufen 16.1 bis 16.n nicht über externe Wärmetauschereinheiten 3, sondern direkt im Dampfturbinengehäuse 8 angeordnet sind. Die indirekte Energiezuführung erfolgt dabei über Wärmetauscherflächen 9, die axial an der Welle 10 der Turbomaschine 1 angeordnet sind.
Ausführungsbeispiel 3
Gemäß der Fig. 5 wird wie im Ausführungsbeispiel 1 der für Kühlzwecke vorgesehene Teilmassestrom 19 dem Arbeitsfluid nach dem Kondensataufheizer 13 entnommen und danach nicht einer im Vakuum arbeitenden Turbinenstufe 20 sondern direkt einem Kondensator 21 zugeführt, mit dessen Hilfe dem System unter Verzicht auf den Beitrag zur mechanischen Energiegewinnung mittels einer zusätzlichen Turbinenstufe gleichzeitig Gebrauchswärme entzogen wird.
Bezugszeichenliste
1
mehrstufige Dampfturbine
2
mehrstufiger Turboverdichter
3
Wärmetauschereinheit
4
externes Leitungssystem
5
Einrichtungen zur Kühlmittelzuführung
6
Einrichtungen zur Energiezuführung
7
Gehäuse des Turboverdichters
8
Dampfturbinengehäuse
9
Wärmetauscherflächen
10
Welle der Turbomaschine
11.1
erste Verdichtungsstufe
11.1
. . .
11
.n Verdichtungsstufen
12
Einrichtungen zur Voraufheizung des Arbeitsfluids
13
Kondensataufheizer
14
Direktkühler
15
Regenerator
16.1
. . .
16
.n Turbinenstufen
16
.n letzte Turbinenstufe
17
Kaskadenverdampfer
18
Einrichtungen zum Auskoppeln eines für Kühlzwecke vorgesehenen Teilmassestroms
19
für Kühlzwecke ausgekoppelter Teilmassestrom
20
Turbinenstufe zur Kondensation des ausgekoppelten Teilmassestroms
21
Kondensator
22
Pumpe
23
Wasseraufbereitung
24
Generator
25
Anlaßmotor
Z1 Zustand des Arbeitsfluids nach dem Kaskadenverdampfer
17
Z2 Zustand des Arbeitsfluids nach der ersten Verdichtungsstufe
Z3 Zustand des Arbeitsfluids vor der zweiten Verdichtungsstufe
Z4 Zustand des Arbeitsfluids nach der zweiten Verdichtungsstufe
Z5 Zustand des Arbeitsfluids vor der dritten Verdichtungsstufe
Z6 Zustand des Arbeitsfluids nach der dritten Verdichtungsstufe
Z7 Zustand des Arbeitsfluids nach dem Direktkühler
14
beim Verlassen des Turboverdichters
2
Z8 Zustand des Arbeitsfluids beim Eintritt in die Dampfturbine
1
Z9 Zustand des Arbeitsfluids vor der Turbinenstufe
16.1
Z10 Zustand des Arbeitsfluids nach der Turbinenstufe
16.1
Z11 Zustand des Arbeitsfluids vor der Turbinenstufe
16.2
Z12 Zustand des Arbeitsfluids nach der Turbinenstufe
16.2
Z13 Zustand des Arbeitsfluids nach dem Regenerator
15
Z14 Zustand des Arbeitsfluids nach der ersten Stufe des Kaskadenverdampfers
17
Z15 Zustand des Arbeitsfluids nach der zweiten Stufe des Kaskadenverdampfers
17
Z16 Zustand des ausgekoppelten Teils des Arbeitsfluids nach der Turbinenstufe
20
Z17 Zustand des zu Kühlzwecken ausgekoppelten Teils des Arbeitsfluids nach dem Kondensator
21
Z18 Zustand des zu Kühlzwecken ausgekoppelten Teils des Arbeitsfluids nach dem Kondensataufheizer
13
Z19 Zustand des zu Kühlzwecken ausgekoppelten Teils des Arbeitsfluids vor der zweiten Stufe des Kaskadenverdampfers
17
Z20 Zustand des zu Kühlzwecken ausgekoppelten Teils des Arbeitsfluids nach der zweiten Stufe des Kaskadenverdampfers
17
Z21 Zustand des zu Kühlzwecken ausgekoppelten Teils des Arbeitsfluids vor der ersten Stufe des Kaskadenverdampfers
17
Z22 Zustand des zu Kühlzwecken ausgekoppelten Teils des Arbeitsfluids nach der ersten Stufe des Kaskadenverdampfers
17
E Energiefluß
W Wasser
D Dampf
R Regenerator
G Gas
L Verbrennungsluft
H Heizwärme

Claims (28)

1. Dampfkraft-/Arbeitsprozeß mit erhöhtem mechanischem Wirkungsgrad für die Elektroenergiegewinnung im Kreisprozeß durch Kreislaufnutzung von Wasser in flüssiger und dampfförmiger Form als Arbeitsfluid und Kühlmittel im mehrstufigen Entspannungsprozeß sowie im damit verbundenen mehrstufigen Verdichtungsprozeß,
dadurch gekennzeichnet,
daß Arbeitsprozeß und Kraftprozeß direkt kreislaufmäßig mit dem Kühlprozeß verbunden wird,
daß der für die Kühlung benötigte Massestromanteil vom Gesamtmassestrom des Arbeitsfluids vor der ersten Verdichtungsstufe abgezweigt und kondensiert wird,
daß der kondensierte Masseteilstrom des Arbeitsfluids vollständig für Kühlzwecke im Entspannungsprozeß und für Zwecke der Kühlung und der thermischen Verdichtung im Verdichtungsprozeß genutzt wird und
daß der zu Zwecken der Kühlung eingesetzte Teilmassestrom des Arbeitsfluids unter Umgehung der jeweils vorgeschalteten Verdichtungsstufen dem Arbeitsfluid direkt zugeführt wird.
2. Dampfkraft-/Arbeitsprozeß mit erhöhtem mechanischem Wirkungsgrad nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz des zu Zwecken der Kühlung genutzten Teilmassestroms des Arbeitsfluids überwiegend durch Eindüsung von vorgewärmtem und druckangepaßtem Kondensat erfolgt.
3. Dampfkraft-/Arbeitsprozeß mit erhöhtem mechanischem Wirkungsgrad nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die im nutzbaren Temperaturbereich liegende Abwärme aus dem Entspannungsprozeß zur Verdampfung eines Teils des kondensierten Teilmassestroms des Arbeitsfluids genutzt und der dabei gewonnene Wasserdampf an den entsprechenden Zwischendruckstufen des mehrstufigen Verdichtungsprozesses injiziert wird.
4. Dampfkraft-/Arbeitsprozeß mit erhöhtem mechanischem Wirkungsgrad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr von thermischer Energie zum Kreisprozeß durch innere Verbrennung von Knallgas im Kraftprozeß erfolgt.
5. Dampfkraft-/Arbeitsprozeß mit erhöhtem mechanischem Wirkungsgrad nach dem Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das benötigte Knallgas in einem mit dem Dampfkraft-/Arbeitsprozeß gekoppelten Elektrolyseprozeß zur Leistungsregulierung gewonnen wird.
6. Dampfkraft-/Arbeitsprozeß mit erhöhtem mechanischem Wirkungsgrad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr von thermischer Energie zum Kreisprozeß durch indirekten Wärmeaustausch von chemischer Reaktionswärme bei der äußeren Verbrennung von fossilen Energieträgern im Kraftprozeß erfolgt.
7. Dampfkraft-/Arbeitsprozeß mit erhöhtem mechanischem Wirkungsgrad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr von thermischer Energie zum Kreisprozeß durch indirekten Wärmeaustausch von Solarenergie im Kraftprozeß erfolgt.
8. Dampfkraft-/Arbeitsprozeß mit erhöhtem mechanischem Wirkungsgrad nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Unterdruckentspannung die untere Prozeßgrenztemperatur gesenkt wird.
9. Dampfkraft-/Arbeitsprozeß mit erhöhtem mechanischem Wirkungsgrad nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung der Turbinenbeschaufelung durch gezielte Verdampfung des Kühlmittels vorgenommen wird.
10. Dampfkraft-/Arbeitsprozeß mit erhöhtem mechanischem Wirkungsgrad nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Kühlmittelgewinnung in einer zusätzlichen Turbinenstufe im Vakuumbereich zusätzlich mechanische Energie ausgekoppelt wird.
11. Dampfkraft-/Arbeitsprozeß mit erhöhtem mechanischem Wirkungsgrad nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kühlmittelgewinnung unter Verzicht auf eine im Unterdruckbereich betriebene Entspannungsstufe extern benötigte Gebrauchswärme ausgekoppelt wird.
12. Dampfkraft-/Arbeitsprozeß mit erhöhtem mechanischem Wirkungsgrad nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das auf den Sättigungszustand abgekühlte und verdichtete Arbeitsfluid von dem den Kraftprozeß verlassenden Arbeitsfluid vorgewärmt wird.
13. Dampfkraft-/Arbeitsprozeß mit erhöhtem mechanischem Wirkungsgrad nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß im Teillastbetrieb zur Vermeidung von An- und Abfahrverlusten die im Kraftprozeß gewonnene Elektroenergie wenigstens teilweise zur Aufheizung des verdichteten Arbeitsfluids vor dem Entspannungsprozeß genutzt wird.
14. Dampfkraft-/Arbeitsprozeß mit erhöhtem mechanischem Wirkungsgrad nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsfluid-Massestrom im Kraftprozeß durch die Injektion des Kühlmittels in den Entspannungsstufen erhöht wird.
15. Dampfkraft-/Arbeitsprozeß mit erhöhtem mechanischem Wirkungsgrad nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtung des Arbeitsfluids im Arbeitsprozeß unter Anwendung von jeweiligen Zwischenkühlungen mehrstufig erfolgt.
16. Dampfkraft-/Arbeitsprozeß mit erhöhtem mechanischem Wirkungsgrad nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das den Kraftprozeß verlassende entspannte Arbeitsfluid nach der Voraufheizung des verdichteten Arbeitsfluids in einen Kaskadenverdampfer gekühlt wird.
17. Dampfkraft-/Arbeitsprozeß mit erhöhtem mechanischem Wirkungsgrad nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz des Kühlmittels im Kraftprozeß und im Arbeitsprozeß zur Steuerung des variablen Arbeitsfluid- Massestroms genutzt wird.
18. Dampfkraft-/Arbeitsprozeß mit erhöhtem mechanischem Wirkungsgrad nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der zu Zwecken der thermischen Verdichtung eingesetzte Teilmassestrom des Arbeitsfluids unter Umgehung der jeweils vorgeschalteten Verdichtungsstufen dem Arbeitsfluid direkt zugeführt wird.
19. Anordnung zur Durchführung des Dampfkraft-/Arbeitsprozesses mit erhöhtem mechanischem Wirkungsgrad durch direkte Kopplung einer mehrstufigen Dampfturbine (1) mit einem mehrstufigen Turboverdichter (2) und Anordnung von Wärmetauschereinheiten (3) im externen Leitungssystem (4) für das Arbeitsfluid nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Einrichtungen (5) zur Direktkühlung des Arbeitsfluids im Gehäuse (7) des Turboverdichters (2) integriert sind,
daß die Einrichtungen (6) zur direkten Energiezuführung zum Arbeitsfluid in das Dampfturbinengehäuse (8) integriert sind,
daß die höhere Druckverluste vermeidenden zusätzlichen externen Wärmetauschereinheiten (3) für die Kühlung und Erwärmung des Arbeitsfluids in einem gemeinsamen Kaskadenverdampfer (17) zwischen der Dampfturbine (1) und dem Turboverdichter (2) angeordnet sind.
20. Anordnung zur Durchführung des Dampfkraft-/Arbeitsprozesses nach dem Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die für die indirekte Wärmeübertragung benötigten Wärmetauscherflächen (9) axial an den Wellen (10) des Turboverdichters (2) und der Dampfturbine (1) angeordnet sind.
21. Anordnung zur Durchführung des Dampfkraft-/Arbeitsprozesses nach einem der Ansprüche 19 und 20, dadurch gekennzeichnet, daß in Förderrichtung des Arbeitsfluids gesehen - vor der ersten Verdichtungsstufe (11.1) eine Einrichtung (12) zur Voraufheizung des Arbeitsfluids im Anfahrzustand angeordnet ist.
22. Anordnung zur Durchführung des Dampfkraft-/Arbeitsprozesses nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Verdichtungsstufen (11.1 . . . 11.n) Einrichtungen (13) für die Zuführung von dampfförmigen und flüssigen sowie massestromerhöhenden Kühlmittelteilströmen angeordnet sind.
23. Anordnung zur Durchführung des Dampfkraft-/Arbeitsprozesses nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß nach der letzten Verdichtungsstufe (11.n) ein Direktkühler (14) für den Zusatz von flüssigem Kühlmittel zum verdichteten Arbeitsfluid angeordnet ist.
24. Anordnung zur Durchführung des Dampfkraft-/Arbeitsprozesses nach einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Direktkühler (14) für das verdichtete Arbeitsfluid ein Regenerator (15) zur Voraufheizung des Arbeitsfluids unter Einsatz des die letzte Turbinenstufe (16.n) verlassenden entspannten Arbeitsfluids angeordnet ist.
25. Anordnung zur Durchführung des Dampfkraft-/Arbeitsprozesses nach einem der Ansprüche 19 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Regenerator (15) - in Förderrichtung des entspannten Arbeitsfluids gesehen - ein das Verdampfen eines Kühlmittelteilstroms sichernder Kaskadenverdampfer (17) für das Arbeitsfluid angeordnet ist.
26. Anordnung zur Durchführung des Dampfkraft-/Arbeitsprozesses nach einem der Ansprüche 19 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Kaskadenverdampfer (17) eine Einrichtung (18) zum Auskoppeln eines für Kühlzwecke vorgesehenen Teilmassenstroms (19) des Arbeitsfluids angeordnet ist.
27. Anordnung zur Durchführung des Dampfkraft-/Arbeitsprozesses nach einem der Ansprüche 19 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Dampfturbine (1) eine der Kondensation des ausgekoppelten Teilmassestroms (19) des Arbeitsfluids dienende Turbinenstufe (20) angeordnet ist.
28. Anordnung zur Durchführung des Dampfkraft-/Arbeitsprozesses nach einem der Ansprüche 19 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß nach der der Entspannung des für Kühlzwecke vorgesehenen Teilmassestroms (19) des Arbeitsfluids dienenden Turbinenstufe (20) ein für die Verflüssigung des Kühlmittels vorgesehener Kondensator (21) angeordnet ist.
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