DE102012014690A1

DE102012014690A1 - Dampf-/Arbeitsprozess mit Verdichter-Bypass für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess

Info

Publication number: DE102012014690A1
Application number: DE201210014690
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: RERUM COGNITIO GES fur MARKTINTEGRATION DEUTSCHER INNOVATIONEN und FORSCHUNGSPRODUKTE MBH; Rerum Cognitio Gesellschaft fur Marktintegration Deutscher Innovationen und Forschungsprodukte Mbh
Current assignee: RERUM COGNITIO GES fur MARKTINTEGRATION DEUTSCHER INNOVATIONEN und FORSCHUNGSPRODUKTE MBH; Rerum Cognitio Gesellschaft fur Marktintegration Deutscher Innovationen und Forschungsprodukte Mbh
Priority date: 2012-07-25
Filing date: 2012-07-25
Publication date: 2014-01-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein auf den Wasser-Dampf-Kombiprozess (WDK-Prozess) bezogenes thermisches Verfahren, welches durch eine spezielle Modifikation den Prozessdifferenzdruck senkt und dabei die Effizienz noch verbessert. Eine derartige Lösung wird in erster Linie im Bereich der Energiewirtschaft benötigt. Der weltweit steigende Energiebedarf erhöht die anthropogenen Belastungen für Klima und Umwelt. Sparsamer Umgang mit Energie und effiziente thermische Wandlerprozesse werden immer wichtiger, um dem Klimawandel entgegen zu wirken. Einen Beitrag hierzu leistet der WDK-Prozess, ein geschlossener mit Wasserdampf betriebener Gasturbinenprozess, indem durch Oberflächenverdampfung von ausgekoppeltem Kondensat Verdichter, Heißgasteile und Turbine effizient gekühlt werden. Bei den bekannten WDK-Prozess Varianten mit innerer, externer oder kombinierter Verbrennung und auch bei der solaren Erwärmung saugt der Verdichter den Abdampf aus der Turbine mit gleicher Temperatur an. Mit steigender Turbineneintritts-Temperatur vergrößert sich somit der Differenzdruck, wenn das gesamte Temperaturgefälle genutzt werden soll. Höhere Drücke vergrößern nicht problemlos die Volumendifferenz in den Turbomaschinen, sodass bei niedrigeren Drücken höhere Abdampf-Temperaturen entstehen, die abgezweigtes Kondensat zusätzlich in einem Wärmeübertrager verdampfen. Dieser Anteil passiert nicht den Verdichter und wird danach mittels Bypassleitung zum Hauptmassenstrom beigemischt. Somit erhöht sich bei konstanter Verdichterleistung der Turbinendurchsatz und damit die auskoppelbare Leistung.

Description

Die Erfindung betrifft ein auf den Wasser-Dampf-Kombiprozess (WDK-Prozess) bezogenes thermisches Verfahren, welches durch eine spezielle Modifikation den Prozessdifferenzdruck senkt und dabei die Effizienz noch verbessert. Eine derartige Lösung wird in erster Linie im Bereich der Energiewirtschaft benötigt.
Der weltweit steigende Energiebedarf erhöht die anthropogenen Belastungen für Klima und Umwelt. Sparsamer Umgang mit Energie und effiziente thermische Wandlerprozesse werden immer wichtiger, um dem Klimawandel entgegen zu wirken. Einen Beitrag hierzu leistet der WDK-Prozess, ein geschlossener mit Wasserdampf betriebener Gasturbinenprozess, indem durch Oberflächenverdampfung von ausgekoppeltem Kondensat Verdichter, Heißgasteile und Turbine effizient gekühlt werden. Bei den bekannten WDK-Prozess Varianten ohne Regeneration mit innerer, externer oder kombinierter Verbrennung und auch bei der solaren Erwärmung saugt der Verdichter den Abdampf aus der Turbine mit gleicher Temperatur an. Mit steigender Turbineneintritts-Temperatur vergrößert sich somit der Differenzdruck, wenn das gesamte Temperaturgefälle genutzt werden soll. Höhere Drücke vergrößern nicht problemlos die Volumendifferenz in den Turbomaschinen, da sich diese auf die Schaufellängen von zu lang bis zu kurz auswirken können.
Deshalb wäre es gut, wenn es eine spezielle Modifikation gäbe, die dieses Problem löst. Belässt man den Prozess-Differenzdruck trotz hoher Temperaturen auf handhabbare Proportionen der Schaufeln, so steigt die Turbinen-Austrittstemperatur, wodurch der Verdichtungsprozess zu sehr belastet wird.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, den Prozessverlauf so zu verändern, dass das Problem Schaufellänge und Differenzdruckverhältnis nicht mehr besteht.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß im Wesentlichen durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 bis 6 gelöst. Bisher saugt im WDK-Prozess ohne Regeneration der Verdichter das direkt aus der Turbine strömende Arbeitsfluid an, um es intern gekühlt zu komprimieren. Je höher die Turbinen-Eintrittstemperatur, umso höher das Turbinen-Druckgefälle, was zu den problematischen Schaufellängen führt. Ein zusätzlicher Wärmeübertrager kühlt den Turbinen-Abdampf bis zur effizienten Verdichter-Eintrittstemperatur ab, indem kaltes Kondensat als Kühlmittel vorgewärmt wird und oder je nach Temperatur Kondensat zusätzlich verdampft. Dieser Anteil strömt am Verdichter mittels Bypass vorbei und vermischt sich danach mit dem Hauptmassenstrom oder er wird zur Filmkühlung in der Heißdampfturbine genutzt. Damit regeneriert die durch die höhere Turbinen-Austrittstemperatur entstehende Abwärme komplett, was zwar den Bauaufwand erhöht, aber das Schaufellängenproblem bei guter Prozesseffizienz löst. Der zusätzliche Wärmeübertrager zur Erwärmung und teils Verdampfung des Kondensats verlangt, bedingt durch seine Baugröße, eine separate Ein- und Auskopplung zwischen Turbine und Verdichter, wobei dieser mit dem Kondensator zu einer Baugruppe zusammengefasst werden kann. Bei hohen Maschinenleistungen sind die Dampfvolumendurchsätze beim Verdichten und Entspannen in Fluten proportional aufzuteilen, sodass ein breites Leistungsspektrum entsteht.
Mit den speziellen Modifikationen lassen sich die Schaufellängen der Turbomaschinen in gängige Bereiche verschieben, was die Funktionalität und die Anwendungstiefe weiter verbessert.
1 ein schematisches Blockschaltbild des Dampf-/Arbeitsprozesses mit Verdichter-Bypass für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess
2 ein schematisches Blockschaltbild des Dampf-/Arbeitsprozesses mit Verdichter-Bypass und Flutenaufteilung des Dampfvolumenstroms beim Verdichten und Entspannen
3 prinzipieller Prozessverlauf im stilisierten Enthalpie Entropie-Diagramm (hs-Diagramm) des WDK-Prozesses ohne und mit Abwärme
Bezugszeichenliste

1: Axialverdichter
2: Erhitzer
3: Axialturbine
4: Wärmeübertrager
5: Kondensator
6: Kondensataufbereitung
7: Kondensatpumpe
8: Bypass
9: Generator
10: Arbeitsfluid Wasserdampf
11: Kühlfluid Wasser
12: Baugruppe
13: Verdichtung
14: Entspannung
15: Taulinie
16: Druck maximal
17: Druck reduziert
18: Bereich Abkühlung
19: Prozessverlauf ohne Abwärme
20: Prozessverlauf mit Abwärme

Claims

Dampf-/Arbeitsprozess mit Verdichter-Bypass für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess, bestehend aus den Komponenten Axialverdichter (1), Erhitzer (2) allgemein für externe und oder interne Energiezufuhr, Axialturbinen (3), Wärmeübertrager (4), Kondensator (5), Kondensataufbereitung (6), Kondensatpumpe (7), Generator (9) und betrieben mit dem Arbeitsfluid Wasserdampf (10) und Kühlfluid Wasser (11) dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessverlauf mit Abwärme (20), Druck reduziert (17), sich vom bisherigen Prozessverlauf ohne Abwärme (19), Druck maximal (16), im hs-Diagramm 3 durch den Bereich Abwärme (18) unterscheidet, wodurch Einflussnahme auf den Volumenstrom und somit auf die Schaufellängen der Turbomaschinen möglich wird.
Dampf-/Arbeitsprozess mit Verdichter-Bypass für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess nach dem Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Axialverdichter (1) und Axialturbine (3) ein Wärmeübertrager (4) die Turbinen-Austrittstemperatur bis zur effizienten Verdichter-Ansaugtemperatur absenkt.
Dampf-/Arbeitsprozess mit Verdichter-Bypass für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess nach dem Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (4) das Kühlfluid Wasser (11) für die Oberflächenverdampfung vorwärmt.
Dampf-/Arbeitsprozess mit Verdichter-Bypass für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess nach dem Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (4) Anteile des Kühlfluids Wasser (11) je nach Turbinen-Austrittstemperatur verdampft und diesen über den Bypass (8) optional nach dem Axialverdichter (1) mit dem Hauptstrom vermischt und oder Dampf für die Filmkühlung zur Verfügung stellt, wobei dieser Anteil keine Verdichterleistung erfordert.
Dampf-/Arbeitsprozess mit Verdichter-Bypass für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess nach dem Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (4) und der Kondensator (5) in einer Baugruppe (12) zusammengefasst sind.
Dampf-/Arbeitsprozess mit Verdichter-Bypass für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess nach dem Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtung (13) und Entspannung (14) bei größeren Leistungseinheiten in mehrere Fluten, wie z. B. in 2 dargestellt, aufgeteilt werden, um die Volumendifferenzen besser auszugleichen.