DE102005060831B4

DE102005060831B4 - Closed gas turbine process

Info

Publication number: DE102005060831B4
Application number: DE200510060831
Authority: DE
Inventors: Bruno Herrmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-12-20
Filing date: 2005-12-20
Publication date: 2008-12-04
Anticipated expiration: 2025-12-21
Also published as: DE102005060831A1

Abstract

Geschlossener Gasturbinenprozess mit mehrstufiger Kompression, wobei der Niederdruck-Kompressor isentrop arbeitet, der Hochdruck-Kompressor isotherm arbeitet und das Arbeitsmedium, welches den Hochdruck-Kompressor verlässt, das Arbeitsmedium, welches dem Hochdruck-Kompressor zuströmt, in einem Wärmetauscher abkühlt, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckverhältnis und Temperaturverhältnis in der Turbine so gewählt wird, dass die Austrittstemperatur des Arbeitsmediums hinter der Turbine der Eintrittstemperatur des Niederdruck-Kompressors entspricht und dass das Arbeitsmedium von dem Austritt aus der Turbine direkt zum Eintritt in den Niederdruckkompressor fließt.closed Gas turbine process with multi-stage compression, the low-pressure compressor isentropic works, the high-pressure compressor works isothermally and the working fluid, which leaves the high pressure compressor, the working medium which the high-pressure compressor flows in, in a heat exchanger cools, characterized in that the pressure ratio and temperature ratio in the turbine so chosen is that the outlet temperature of the working medium behind the Turbine the inlet temperature of the low-pressure compressor corresponds and that the working fluid from the outlet from the turbine directly to enter the low pressure compressor flows.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gasturbinenprozess nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.The The invention relates to a gas turbine process according to the preamble of claim 1.

Ein derartiger Gasturbinenprozess ist in der DE 10 2005 060 628 A1 beschrieben.Such a gas turbine process is in the DE 10 2005 060 628 A1 described.

Aus der CH-PS 549 155 ist es bekannt, von einem Niederdruckkompressor zu einem Hochdruckkompressor fließendes Gas in einem Zwischenkühler zu kühlen, das Gas vom Hochdruckkompressor einer Turbine zuzuführen und aus der Turbine zum Niederdruckkompressor zurückzuführen.From the CH-PS 549 155 It is known to cool gas flowing from a low pressure compressor to a high pressure compressor in an intercooler, feed the gas from the high pressure compressor to a turbine, and return it from the turbine to the low pressure compressor.

Es wird hier ein Prozess vorgestellt, der Unterschiede gegenüber dem bekannten Prozess der geschlossenen Gasturne aufweist. Der Vorkühler, der in Strömungsrichtung des Arbeitsmittels vor dem Eintritt in den Niederdruckkompressor (C1), siehe Bild 1, üblicherweise angeordnet ist, wird hier weggelassen. Damit befindet sich an dieser Stelle keine Verbindung zur Umgebungsluft als Wärmesenke. Die hier herrschenden Drücke und Temperaturen sind also frei wählbar. Mit sinkender Temperatur lässt sich der thermische Wirkungsgrad verbessern und mit dem Druck auch den Eintrittsdruck in die Turbine (T1) beeinflussen.It Here a process is presented, the differences compared to the has known process of closed Gasturne. The precooler, the in the flow direction of the working fluid before entering the low-pressure compressor (C1), see Figure 1, usually is arranged is omitted here. This is at this Do not connect to the ambient air as a heat sink. The ruling here pressures and temperatures are freely selectable. With falling temperature can the improve thermal efficiency and with the pressure also the inlet pressure into the turbine (T1).

Damit entsteht die Aufgabe, das Gesamtdruck-Verhältnis des Prozesses und die Turbineneintrittstemperatur so zu wählen, dass die Entspannungstemperatur hinter der letzten Turbinenstufe, der Eintrittstemperatur in den Niederdruck-Kompressor entspricht. Da damit ein sehr hohes Druckverhältnis, etwa 200 bis 900, gewählt ist, ergibt sich eine sehr hohe Kompressions-Austrittstemperatur bei üblicher isentroper Verdichtung. Um dies zu vermeiden, wird eine zweistufige Kompression vorgesehen. Der Niederdruck-Kompressor wird als ungekühlter, isentrop arbeitender Kompressor ausgeführt, der Hochdruck-Kompressor aber als isotherm oder annähernd isotherm arbeitender Kompressor.In order to arises the task, the total pressure ratio of the process and the Turbine inlet temperature to be chosen so that the relaxation temperature behind the last turbine stage, the inlet temperature in the Low pressure compressor corresponds. Because so a very high pressure ratio, about 200 to 900, chosen is, results in a very high compression outlet temperature at usual isentropic compaction. To avoid this, a two-step Compression provided. The low pressure compressor is called uncooled, isentropic running compressor running, however, the high pressure compressor is isothermal or isothermal working compressor.

Mit Senkung der Temperatur des Arbeitsmediums vor dem Eintritt in den Niederdruckkompressor (C1) reduziert sich die Leistung des Niederdruck-Kompressors (C1), wodurch der thermische Wirkungsgrad des geschlossenen Prozesses verbessert wird. Bei dem Druck ergibt sich auch ein wie folgt erläuterter Vorteil. Wesentlich ist das Druckverhältnis der Turbine. Senkt man den Austrittsdruck der Turbine (T3), dann kann man den Eintrittsdruck (vor T1) auch entsprechend senken. Damit reduziert sich die mechanische Beanspruchung erheblich. Die gleichzeitige Temperatursenkung bewirkt ein höheres spezifisches Gewicht des in den Niederdruck-Kompressor (C1) eintretenden Massenstromes, sie kompensiert also den Effekt des niedrigen Druckes.With Lowering the temperature of the working fluid before entering the Low pressure compressor (C1) reduces the performance of the low pressure compressor (C1), reducing the thermal efficiency of the closed process is improved. The pressure also gives an explanation as follows Advantage. Essential is the pressure ratio of the turbine. You lower the outlet pressure of the turbine (T3), then you can see the inlet pressure lower (before T1) accordingly. This reduces the mechanical Stress significantly. The simultaneous lowering of temperature causes a higher one specific gravity of entering the low pressure compressor (C1) Mass flow, so it compensates for the effect of low pressure.

Der Hochdruckkompressor (C2) arbeitet annähernd isotherm dadurch, dass das Arbeitsmedium stufenweise komprimiert und nach jeder Stufe gekühlt wird.Of the High-pressure compressor (C2) operates approximately isothermally in that the working medium is gradually compressed and cooled after each stage.

Um eine niedrige Eintrittstemperatur in der Hochdruck-Kompressor (C2) zu erreichen, wird das Arbeitsmedium von dem kalten Arbeitsmedium, welches aus dem Hochdruck-Kompressor (C2) kommt, in dem Wärmetauscher (WT1) gekühlt. Dabei erwärmt sich das kalte Arbeitsmedium und nimmt die Wärme, die durch die Kompression in dem Niederdruck- Kompressor (C1) entstanden ist, auf. Da auf beiden Seiten des Wärmetauschers (WT1) hohe Drücke herrschen, sind die Wärmeübergänge entsprechend begünstigt, was zu kleinen Übertragungsflächen führt.Around a low inlet temperature in the high pressure compressor (C2) to reach the working medium of the cold working medium, which comes from the high pressure compressor (C2), in the heat exchanger (WT1) cooled. It warms up get the cold working fluid and absorb the heat from the compression in the low pressure compressor (C1) has arisen on. As on both sides of the heat exchanger (WT1) high pressures prevail, the heat transfer are accordingly favors, which leads to small transfer surfaces.

Mit diesem Verfahren wird die Kompressionsarbeit des Niederdruck-Kompressors (C1) nicht aus dem geschlossenem Prozess entnommen. Weiterhin ist durch das Kühlen des Hochdruckkompressors (C2) die Kompressionsarbeit dieses Kompressors (C2) erheblich reduziert. Verluste des Prozesses entstehen im wesentlichen durch das Kühlen des Hochdruck-Kompressors (C2). Die Kompressionsarbeit des Hochdruck-Kompressors (C2) wird dem Prozess entnommen.With This method is the compression work of the low-pressure compressor (C1) not taken from the closed process. Furthermore is by cooling of the high pressure compressor (C2) the compression work of this compressor (C2) significantly reduced. Losses of the process arise essentially by cooling of the high pressure compressor (C2). The compression work of the high pressure compressor (C2) is taken from the process.

Dem aus dem Wärmetauscher (WT1) austretenden Arbeitsmittel wird nun weitere Wärme zugefügt durch direkten Durchfluss von einer oder mehreren Wärmequellen (Q), siehe Bild 1, oder in einem oder mehreren Wärmetauschern (WT2), siehe Bild 2, bis die gewünschte Turbineneintrittstemperatur erreicht ist. Es wird dann der Turbine (T1) zugeführt. Die Turbinen (T1 und T2) treiben die Kompressoren (C1 und C2) an. Mit dem Restgefälle wird die nutzbare Leistung in der Turbine (T3) erzeugt.the from the heat exchanger (WT1) escaping work equipment is now added by additional heat Direct flow from one or more heat sources (Q), see picture 1, or in one or more heat exchangers (WT2), see picture 2, until the desired Turbine inlet temperature is reached. It will then be the turbine (T1) supplied. The Turbines (T1 and T2) drive the compressors (C1 and C2). With the residual gradient the usable power is generated in the turbine (T3).

Das Regelverhalten des Prozesses wird bei Antrieb eines elektrischen Generators dadurch vereinfacht, dass der maximale oder optimale Betriebswert immer beibehalten wird und dass ein nicht benötigter Nutzleistungsanteil dem Prozess wieder zugeführt wird. Das kann beispielsweise dadurch geschehen, dass ein Teil der erzeugten elektrischen Energie zur Aufheizung des Arbeitsmittels vor Eintritt in die Turbine (T1) dient, wie es in Bild 2 gestrichelt als Beispiel dargestellt ist. Die Zuführung von Wärme von außen wird dabei reduziert. Der Prozess wird damit immer bei gleichen Betriebsbedingungen und ohne wesentliche Schwankungen der thermischen Belastung betrieben. Diese elektrische Energie kann aber auch zum Antrieb von Motoren dienen, welche die Kompressoren (C1 und C2) zusätzlich antreiben.The Control behavior of the process is when driving an electric Generator by simplifying that the maximum or optimal Operating value is always maintained and that an unnecessary power component returned to the process becomes. This can be done, for example, by having a part of the generated electrical energy to heat the working fluid before entering the turbine (T1) serves as dashed in Figure 2 is shown as an example. The supply of heat from the outside is thereby reduced. Of the Process is thus always at the same operating conditions and without significant Fluctuations of the thermal load operated. This electrical Energy can also be used to drive motors, which are the compressors (C1 and C2) in addition drive.

Bild Nr. 1 zeigt die Schaltung und eine Anordnung der Komponenten eines direkten geschlossenen Gasturbinenprozesses. Die Wellen sind hier konzentrisch angeordnet. Die Kompressoren C1 und C2 können auch auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sein und die Turbinen T1 und T2 bilden dann eine Turbine. Auch die Turbine T3 kann mit dieser gemeinsamen Turbine (T1 und T2) vereinigt sein. Die Anordnung der Turbinen erlaubt einen kurzen Fluss des heißen Arbeitsmediums. Die Wärmequelle Q wird hier direkt von dem Arbeitsmedium durchflossen, wobei sich die Temperatur desselben erhöht: Direktkreislauf.Figure 1 shows the circuit and arrangement of the components of a direct closed gas turbine process. The waves are here kon arranged centrally. The compressors C1 and C2 can also be arranged on a common shaft and the turbines T1 and T2 then form a turbine. The turbine T3 can also be combined with this common turbine (T1 and T2). The arrangement of the turbines allows a short flow of the hot working medium. The heat source Q is flowed through here directly from the working fluid, wherein the temperature of the same increases: direct circuit.

Bild Nr. 2 zeigt die Schaltung eines indirekten geschlossenen Gasturbinenprozesses. Um beim indirektem Kreislauf den Wärmeübergang in dem Wärmetauscher (WT2) zu erhöhen, wird der die Wärme transportierende Gas-Strom auf einen höheren Druck gebracht. Nach Abgabe der Wärme an den geschlossenen Kreislauf wird ein Teil der Restwärme bei der Entspannung in einer Turbine (T4) genutzt, um den Auflade-Kompressor (C3) anzutreiben. Damit wird eine bessere Nutzung der zugeführten Wärme bewirkt; denn durch die Erwärmung des Arbeitsmittels im Wärmetauscher WT1 ist der Temperaturbereich zur Übertragung der Wärme im Wärmetauscher WT2 klein. Die Wärme im Wärme transportierenden Gas-Stromes mit einer Temperatur unterhalb der, die das Arbeitsmedium beim Austritt aus dem Wärmetauscher WT1 hat, kann nicht für den geschlossenen Gasturbinenprozess genutzt werden, es sei denn durch die hier angewandte Turbogruppe, bestehend aus dem Kompressor C3 und der Turbine T4.image No. 2 shows the circuit of an indirect closed gas turbine process. To the indirect cycle, the heat transfer in the heat exchanger To increase (WT2), becomes the heat transporting Gas flow to a higher pressure brought. After giving off the heat Part of the residual heat is added to the closed circuit the relaxation in a turbine (T4) used to charge the supercharger (C3) to drive. This causes a better use of the heat supplied; because of the warming of the working fluid in the heat exchanger WT1 is the temperature range for transferring heat in the heat exchanger WT2 small. The heat in the heat transporting gas stream at a temperature below that, which has the working fluid at the exit from the heat exchanger WT1, can not for the closed gas turbine process can be used unless by the turbo group used here, consisting of the compressor C3 and the turbine T4.

Bild Nr. 3 zeigt eine Anordnung mit mehreren Wellen, die getrennt angeordnet sind. Der Niederdruck-Kompressor C1 und die Niederdruck-Turbinen T2 und T3 sind auf einer separaten Welle angeordnet, so dass für das Arbeitsmedium, welches hier das größte spezifische Volumen im Prozess hat, ein kurzer Weg bleibt. Die einzelnen Wellen können einfach zusätzlich von Motoren angetrieben werden, so wie die Reglung auf optimale Betriebsbedingungen es verlangt. Die Einspeisung von dem geschlossenen Gasturbinenprozess erzeugter Energie kann über diese Motore erfolgen, aber auch direkt in die Wärmequelle Q oder in den Fluss des Arbeitsmediums vor Eintritt in die Turbinen T3 und T4 erfolgen.image No. 3 shows an arrangement with several shafts arranged separately are. The low pressure compressor C1 and the low pressure turbines T2 and T3 are arranged on a separate shaft, so that for the working medium, which is the biggest one here Has volume in the process, a short way remains. The individual waves can simply in addition be driven by motors, as well as the regulation on optimal Operating conditions required. The feed from the closed gas turbine process generated energy can over this Motors are made, but also directly into the heat source Q or into the river the working medium before entering the turbines T3 and T4 done.

Die hier beschriebene geschlossene Gasturbinenanlagen haben höhere thermische Wirkungsgrade als bisher bekannte Prozesse dieser Art. Möglichkeiten einer Reduzierung der thermischen Beanspruchung bei Schwankungen der abgegebenen Leistung werden aufgezeigt. Ebenso wird aufgezeigt, dass bei Teillastbetrieb der höchstmögliche Wirkungsgrad des Prozesses beibehalten werden kann.The closed gas turbine plants described here have higher thermal Efficiencies as previously known processes of this kind. Possibilities a reduction in thermal stress in the event of fluctuations the power delivered will be shown. It is also shown that at partial load the highest possible efficiency of the process can be maintained.

Claims

Closed gas turbine process with multi-stage compression, wherein the low-pressure compressor operates isentropically, the high-pressure compressor operates isothermally and the working fluid leaving the high-pressure compressor, the working medium, which flows to the high pressure compressor cools in a heat exchanger, characterized in that the pressure ratio and temperature ratio in the turbine is selected so that the outlet temperature of the working fluid behind the turbine is equal to the inlet temperature of the low pressure compressor and that the working fluid from the outlet of the turbine flows directly to the inlet of the low pressure compressor.

Closed gas turbine process with multi-stage Compression according to claim 1, characterized in that a part the useful power withdrawn from the process is returned to this process, so that the gas turbine plant at all load levels always in one Operating point is operated.

Closed gas turbine process with multi-stage Compression according to claim 1 and 2, characterized in that Heat over a process heat exchangers supplied and that is the heat transporting gas at a pressure higher than the ambient pressure is in the heat exchanger entry.

Closed gas turbine process with multi-stage Compression, according to claims 1, 2 and 3, characterized that the low-pressure compressor and the low-pressure turbine up a separate shaft are arranged so that a short way the Working medium from outlet of the turbine to entry into the low-pressure compressor arises.

Closed gas turbine process with multi-stage Compression according to claim 1, 2, 3 and 4, characterized that one or more charging groups, consisting of a compressor and a turbine, to bring air to an elevated pressure, to do so serves, a gas heat flow to generate, which flows through one or more heat exchangers and thereby Heat on delivers the closed gas turbine process.