DE102004024294B4

DE102004024294B4 - Gasturbinenanlage

Info

Publication number: DE102004024294B4
Application number: DE200410024294
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Schwarzbözl Peter; Dr.-Ing. Dibowski Hans-Gerd
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2004-05-15
Filing date: 2004-05-15
Publication date: 2011-11-24
Anticipated expiration: 2024-05-16
Also published as: DE102004024294A1

Abstract

Gasturbinenanlage mit einem Verdichter (21), einer Brennkammer (12) und einer Gasturbine (10), wobei der Verdichter Luft über eine Kühlstrecke ansaugt, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlstrecke einen im Erdreich vergrabenen Erdwärmetauscher (24) aufweist, und dass der Erdwärmetauscher (24) durch eine Bypassstrecke (32) überbrückbar ist, welche in Abhängigkeit von den Temperaturen von Außenluft und Erdreich schaltbar und/oder steuerbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenanlage mit einem Verdichter, einer Brennkammer und einer Gasturbine, wobei der Verdichter Luft über eine Kühlstrecke ansaugt.
Es ist bekannt, in einer Gasturbinenanlage dem Verdichter, der die Brennkammer mit Luft versorgt, eine Kühlstrecke vorzuschalten. Dadurch wird der angesaugte Luftmassenstrom erhöht und der Wirkungsgrad des Verdichters verbessert. Die damit verbundene Leistungssteigerung der Gasturbinenanlage beträgt 10 bis 15%. Üblicherweise erfolgt die Kühlung der angesaugten Luft mit einer Kältemaschine, also unter Einsatz eines thermodynamischen Kreisprozesses, oder durch Einsatz der Verdunstung oder anderer physikalischer Effekte.
Eine Gasturbinenanlage nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist in DE 197 05 215 C1 beschrieben. Diese Gasturbinenanlage weist einen Luftverdichter auf, welcher angesaugte Luft in verdichteter Form einer Gasturbine als Verbrennungsluft zuführt. Die angesaugte Luft durchströmt einen Wärmetauscher, in welchem sie in Wärmeaustausch mit Erdgas tritt, welches eine erdbodennahe Temperatur hat.
In DE 1931 865 A1 ist eine Luftkühlung durch erdverlegte Rohrleitungen beschrieben. Die Luftkühlung dient der Klimatisierung bzw. Klimaverbesserung in Aufenthaltsräumen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbinenanlage mit verbesserter Eintrittsluftkühlung zu schaffen.
Die erfindungsgemäße Gasturbinenanlage weist die Merkmale des Patentanspruchs 1 auf. Hiernach ist als Kühlstrecke ein Erdwärmetauscher vorgesehen. Ein Erdwärmetauscher weist ein in den Erdboden eingebautes Rohrsystem auf, das in Wärmeaustausch mit dem umgebenden Erdreich steht. Im Unterschied zu den herkömmlichen Kühlstrecken besteht der Vorteil eines Erdwärmetauschers in der Ausnutzung des regenerativen Kältespeicherpotentials des Erdreichs. Die Eintrittsluft wird im Normalbetrieb der Gasturbinenanlage durch den Erdwärmetauscher geführt und dabei abgekühlt. Die Kühlung der Ansaugluft erfolgt durch die im Erdreich in der kalten Jahreszeit bzw. nachts gespeicherte Kälte. Während bei herkömmlichen Kühlstrecken ein beträchtlicher Energieaufwand zur Kälteerzeugung notwendig ist, benötigt die erfindungsgemäße Gasturbinenanlage hierzu keinen wesentlichen Aufwand. Energetisch gesehen liegt das Verhältnis von mechanischem Aufwand zu thermischem Nutzen (Kälte) bei einer Kompressionskältemaschine bei etwa 1:3. Bei einem Erdwärmetauscher liegt dieses Verhältnis bei ungefähr 1:50, da der einzige mechanische Aufwand das Durchströmen des Rohrregisters ist. Das Durchströmen des Rohrregisters führt zu einem geringfügig höheren Ansaug-Druckverlust und damit zu einem leicht erhöhten Eigenverbrauch der Gasturbinenanlage. Dieser Druckverlust ist allerdings gering. Auch bei herkömmlichen Methoden zur Eintrittsluftkühlung entstehen in der Kühlstrecke Strömungsverluste. Ein luftdurchströmter Erdwärmetauscher wird in einigen Metern Tiefe im Erdreich vergraben. Ein Betriebs- und Wartungsaufwand besteht nicht. Die Lebensdauer eines Erdwärmetauschers übersteigt die Lebensdauer von Gasturbinen und herkömmlichen Kältemaschinen bei weitem. Der Einsatz des Erdwärmetauschers ermöglicht also einen umweltschonenden kostensparenden Betrieb der Gasturbinenanlage.
Der Erdwärmetauscher ist durch eine Bypassstrecke überbrückbar. Diese ist in Abhängigkeit von den Temperaturen von außen Luft- und Erdreich schaltbar bzw. steuerbar. Dadurch besteht die Möglichkeit, dem Verdichter wahlweise Außenluft mit unveränderter Temperatur oder gekühlte Außenluft zuzuführen. Insbesondere wenn die Umgebungstemperatur unter der Erdreichtemperatur liegt, beispielsweise im Winter, wird die Umgebungsluft durch die Bypassstrecke geführt.
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die einzige Figur der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Das Ausführungsbeispiel ist nicht so zu verstehen, dass dadurch der Schutzbereich des Patents verringert würde. Dieser wird vielmehr durch die Patentansprüche bestimmt.
In der Zeichnung ist ein Betriebsschema einer Gasturbinenanlage nach der vorliegenden Erfindung dargestellt.
Die Gasturbinenanlage enthält eine Gasturbine 10, die einen Stromgenerator 11 oder einen anderen Energieverbraucher antreibt. Der Einlass der Gasturbine 10 ist mit einer Brennkammer 12 verbunden, der über eine Leitung 13 gasförmiger oder flüssiger Brennstoff und über eine Leitung 14 Luft zugeführt wird. Die in der Brennkammer 12 entstehenden Verbrennungsgase treiben die Gasturbine 10 und verlassen diese durch einen Schalldämpfer 15 zum Abgasaustritt 16.
Die Gasturbine 10 treibt mit ihrer Welle 20 einen Verdichter 21, der die Druckluft für die Brennkammer erzeugt. Die Außenluft wird durch einen Filter 22 und einen Schalldämpfer 23 vom Verdichter 21 angesaugt. Dem Verdichter 21 ist im Luftweg eine Kühlstrecke vorgeschaltet, die erfindungsgemäß aus einem Erdwärmetauscher 24 besteht. Der Erdwärmetauscher 24 weist ein Rohrregister 25 aus zahlreichen parallelen Rohren auf, die an den Enden durch Verteiler 26 und 27 verbunden sind. Der Erdwärmetauscher ist tief im Erdreich 28 vergraben. Das Rohrregister 25 besteht aus Rohren mit gut wärmeleitender Wand, so dass ein intensiver Wärmeaustausch zwischen dem Erdreich und der durch die Rohre strömenden Luft gewährleistet ist.
An den beiden Enden des Erdwärmetauschers 24 sind Wegeventile 30, 31 vorgesehen, zwischen denen sich eine Bypassstrecke 32 befindet. Durch Umschalten der Wegeventile kann der Luftweg wahlweise über den Erdwärmetauscher 24 oder über die Bypassstrecke 32 geführt werden.
Mit dem Erdwärmetauscher kann eine Abkühlung der Umgebungsluft auch bei extrem hohen Temperaturen von über 40°C um bis zu 20 Kelvin erfolgen. Ist eine weitere Abkühlung erwünscht, kann die anschließende konventionelle Nachkühlung deutlich kleiner dimensioniert werden. Durch die Abkühlung der Eintrittsluft wird die Leistung der Gasturbine um 10 bis 15% erhöht, da der angesaugte Luftmassenstrom und der Wirkungsgrad des Verdichters zunehmen. Dieser Leistungsgewinn fällt wegen der hohen Umgebungstemperatur mitunter in eine Zeitperiode hoher Strompreisvergütung. Dies erhöht den wirtschaftlichen Anreiz zur Eintrittsluftkühlung.

Claims

Gasturbinenanlage mit einem Verdichter (21), einer Brennkammer (12) und einer Gasturbine (10), wobei der Verdichter Luft über eine Kühlstrecke ansaugt, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlstrecke einen im Erdreich vergrabenen Erdwärmetauscher (24) aufweist, und dass der Erdwärmetauscher (24) durch eine Bypassstrecke (32) überbrückbar ist, welche in Abhängigkeit von den Temperaturen von Außenluft und Erdreich schaltbar und/oder steuerbar ist.
Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Erdwärmetauscher (24) aus einem Rohrregister (25) aus parallelen Rohren besteht.