DE102012211862A1

DE102012211862A1 - Verfahren für die Erzeugung von Wasser aus dem Abgasstrom einer Gasturbinenanlage

Info

Publication number: DE102012211862A1
Application number: DE102012211862.4A
Authority: DE
Inventors: Detlef Haje
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-07-06
Filing date: 2012-07-06
Publication date: 2014-01-09
Also published as: WO2014005921A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren für die Erzeugung von Wasser aus dem Abgasstrom (22) einer Gasturbinenanlage (100), gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: – Zuführen zumindest eines Teils eines Abgasstroms (22) der Gasturbinenanlage (100) als Nebenabgasstrom (32) zu einer Kühlvorrichtung, – Abkühlen des Nebenabgasstroms (32) unter den Taupunkt von Wasser, um den im Nebenabgasstrom (32) enthaltenen Wasserdampf wenigstens teilweise zu kondensieren, – Auffangen des kondensierten Wassers.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für Erzeugung von Wasser aus dem Abgasstrom einer Gasturbinenanlage, eine Erzeugungsvorrichtung für die Erzeugung von Wasser aus dem Abgasstrom einer Gasturbinenanlage sowie eine Gasturbinenanlage.
Gasturbinenanlagen sind grundsätzlich bekannt und werden häufig mit zusätzlichen Wasserkühlungen betrieben. Dies beruht auf der Tatsache, dass insbesondere bei hohen Umgebungstemperaturen, vorzugsweise im Bereich zwischen 35°C und 40°C und darüber hinaus, die Leistung und der Wirkungsgrad der Gasturbinenanlage deutlich absinken. Um dieses Absinken der Leistung und des Wirkungsgrades zu verhindern, wird eine zusätzliche Wasserkühlung der Gasturbinenanlage durchgeführt. Dabei wird insbesondere eine Kühlung der Zuluft der Gasturbinenanlage durchgeführt. Die Wasserkühlung erfolgt bei bekannten Verfahren sowie bei bekannten Gasturbinenanlagen üblicherweise zum Beispiel durch eines der folgenden Verfahren.
So ist es möglich, dass eine Verdunstungskühlung durchgeführt wird, wobei durch Einführen von Wasser in den Ansaugkanal durch das Verdunsten ein kühlender Effekt auf die Zuluft bewirkt wird. Auch das so genannte „fogging“ ist bekannt, wobei feinverteiltes Wasser als Nebel in den Ansaugkanal der Gasturbinenanlage eingesprüht wird. Durch das Verdampfen der einzelnen Nebeltropfen entsteht ebenfalls ein Kühleffekt. Ein weiteres bekanntes Verfahren ist die so genannte „wet compression“. Dabei werden Wassertropfen vor dem Kompressoreingang der Gasturbinenanlage eingespritzt, so dass beim Verdampfen dieser Tropfen in der ersten Kompressorstufe der Gasturbinenanlage eine Kühlung erfolgt. Auch die direkte Injektion von Wasser oder Dampf als so genannte „power augmentation“ ist bekannt, um eine Leistungserhöhung der Gasturbinenanlage zu erreichen. Auch indirekte Wasserkühlung, zum Beispiel durch Kühltürme in Form eines „turbine inlet chilling“ ist bekannt. Insbesondere hinsichtlich der direkten Wasserkühlungen ist darauf hinzuweisen, dass eine hohe Anforderung hinsichtlich der Qualität des Kühlwassers besteht. So sind insbesondere Mineralstoffe im Wasser zu vermeiden, wie dies zum Beispiel der Salzanteil des Wassers ist. So ist salzhaltiges Wasser, insbesondere Meerwasser, hier nicht einsetzbar, da durch den korrosiven Effekt solcher Wassermischungen die Gasturbinenanlage eine deutlich verringerte Standzeit hätte. Mit anderen Worten ist eine Wasserqualität notwendig, die nahezu an Trinkwasser heranreicht.
Nachteilhaft bei bekannten Gasturbinenanlagen ist es, wenn diese in besonders trockenen geografischen Regionen eingesetzt werden. Dort herrscht oftmals Wassermangel, insbesondere mit Bezug auf die geforderte voranstehend beschriebene Qualität des Kühlwassers. So sind zwar in den trockenen geografischen Regionen häufig große Salzwasserreservoirs, zum Beispiel in Küstengebieten, vorhanden, welche jedoch direkt für diese Kühlung nicht verwendet werden können. Gleichzeitig ist Wasser hoher Güte (Trinkwasserqualität) sehr wertvoll, so dass solches nicht für die Kühlung der Gasturbinenanlage eingesetzt, sondern weiteren Nutzungen, wie zum Beispiel der Versorgung der Bevölkerung zugeführt wird. Dies führt dazu, dass in trockenen geografischen Regionen der Erde Gasturbinenanlagen üblicherweise auf eine Wasserkühlung verzichten müssen. So bleibt als einzige Kühlmöglichkeit die Verwendung aufwendiger und kostenintensiver indirekter Kühlverfahren. Da gerade in den heißen Mittagszeiten, also bei Temperaturbereichen zwischen 35°C und 40°C, die höchste Belastung der Gasturbinenanlage bezüglich des angeschlossenen Stromnetzwerkes besteht (sämtliche Klimaanlagen werden gleichzeitig eingeschaltet), werden gerade bei der höchsten Belastung durch die hohe Außentemperatur die Leistung und der Wirkungsgrad der Gasturbinenanlage reduziert werden, da die Wasserkühlung fehlt. Eine Wasserkühlung ist nur mit extremem Aufwand möglich, wobei gleichzeitig hochwertiges Wasser als Kühlwasser in Form von Trinkwasserqualität, verwendet werden müsste und für andere Verwendungen wie die Versorgung der Bevölkerung fehlen würde.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise durch ein erfindungsgemäßes Verfahren, eine erfindungsgemäße Erzeugungsvorrichtung und eine erfindungsgemäße Gasturbinenanlage zu beheben. Vorzugsweise ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren für die Erzeugung von Wasser aus dem Abgasstrom einer Gasturbinenanlage, eine Erzeugungsvorrichtung für die Erzeugung von Wasser aus dem Abgasstrom einer Gasturbinenanlage sowie eine Gasturbinenanlage zur Verfügung zu stellen, welche in kostengünstiger und einfacher Weise die Erzeugung von Wasser, insbesondere zur Versorgung einer Wasserkühlung der Gasturbinenanlage und/oder zur Verwendung als Trinkwasser, auch in trockenen geografischen Regionen der Erde zur Verfügung stellen können.
Voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Erzeugungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 sowie eine Gasturbinenanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 14. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Erzeugungsvorrichtung sowie der erfindungsgemäßen Gasturbinenanlage und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient der die Erzeugung von Wasser aus dem Abgasstrom einer Gasturbinenanlage. Wird das Wasser für die Versorgung einer Wasserkühlung der Gasturbinenanlage verwendet, so kann diese Wasserkühlung zum Beispiel nach einem der bekannten Verfahren betrieben werden, wie sie in der Einleitung zu dieser Anmeldung beschrieben worden sind. Ein erfindungsgemäßes Verfahren zeichnet sich durch die folgenden Schritte aus:

– Zuführen zumindest eines Teils eines Abgasstroms der Gasturbinenanlage als Nebenabgasstrom zu einer Kühlvorrichtung,
– Abkühlen des Nebenabgasstroms unter den Taupunkt von Wasser, um den im Nebenabgasstrom enthaltenen Wasserdampf wenigstens teilweise zu kondensieren,
– Auffangen des kondensierten Wassers.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird insbesondere eine Kondensation von Wasserdampf durchgeführt, welcher im Abgasstrom der Gasturbinenanlage vorliegt. Dieser Wasserdampf rührt aus zwei Wasserquellen. So wird zum einen das Kühlwasser, welches durch die Wasserkühlung in die Gasturbinenanlage injiziert wird, anschließend im Abgasstrom als Wasserdampf wiederzufinden sein. So wird auf diese Weise vorzugsweise ein Recyclingzyklus zur Verfügung gestellt, um das Kühlwasser auf diese Weise mehrfach oder für andere Einsatzzwecke zu verwenden. Darüber hinaus wird beim Betrieb der Gasturbinenanlage zusätzlich Wasser durch die Reaktion beziehungsweise die Verbrennung im Inneren der Gasturbinenanlage hergestellt. So wird beispielsweise bei der Verbrennung von Methan unter dem Vorhandensein von Sauerstoff in der Gasturbinenanlage CO₂ und Wasser erzeugt (Siehe nachfolgende Gleichung). CH₄ + 2O₂ -> CO₂ + 2H₂O
Dementsprechend wird in dem Abgasstrom ein deutlich höherer Wasserdampfanteil zu finden sein, als vorher Kühlwasser für die Wasserkühlung verwendet worden ist. Dementsprechend kann es für die Wasserkühlung oder eine weitere Verwendung des erzeugten Wassers ausreichend sein, wenn ausschließlich ein Teil des Abgasstroms der Gasturbinenanlage als Nebenabgasstrom abgetrennt wird. Jedoch ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch denkbar, dass der gesamte Abgasstrom als Nebenabgasstrom abgetrennt und dem erfindungsgemäßen Verfahren unterzogen wird.
Durch die erfindungsgemäße Erzeugung von Wasser, insbesondere für eine Rückführung beziehungsweise interne Versorgung der Wasserkühlung der Gasturbinenanlage mit Kühlwasser, kann auf eine externe Zufuhr von Kühlwasser verzichtet werden beziehungsweise zusätzlich Wasser in trinkbarer Qualität hergestellt werden. Auf diese Weise kann auch in trockenen Regionen, unabhängig von der Umgebung sowie unabhängig von der Umgebungstemperatur, eine Wasserkühlung der Gasturbinenanlage erfolgen. Auch in trockenen geografischen Regionen der Erde wird somit ohne Zugriff auf möglicherweise vorhandene Trinkwasserreserven eine Wasserkühlung der Gasturbinenanlage möglich, so dass auch bei hohen Außentemperaturen durch die Wasserkühlung eine hohe Leistung und ein hoher Wirkungsgrad der Gasturbinenanlage gewährleistet ist. Zusätzlich oder alternativ kann das erzeugte Wasser auch anderen Nutzungen, wie zum Beispiel der Trinkwasserversorgung zugeführt werden.
Für die Kondensation des Wassers im Nebenabgasstrom ist vorzugsweise als Kühlvorrichtung zumindest ein Wärmetauscher vorgesehen, welcher den Nebenabgasstrom abkühlt. Dieser Nebenabgasstrom wird unter den Taupunkt von Wasser abgekühlt, so dass sich an den Rohren des Wärmetauschers das kondensierte Wasser abscheidet. Vorzugsweise ist eine Auffangvorrichtung vorgesehen, welche aufgrund der Schwerkraft nach unten tropfendes kondensiertes Wasser auffängt und zur Versorgung der Wasserkühlung oder für die Weiterleitung an andere Nutzungsorte zur Verfügung stellt. Der Wärmetauscher kann mit beliebigen Kühlmedien betrieben werden. Aufgrund der Tatsache, dass der Wärmetauscher durch Wände (Rohrwände) von dem Nebenabgasstrom und insbesondere von der Gasturbinenanlage getrennt ist, können hier unterschiedlichste Kühlmedien zum Einsatz kommen. Insbesondere ist ein deutlich geringerer Qualitätsanspruch an ein solches Kühlmedium gegeben, als dies bei der Wasserkühlung der Gasturbinenanlage der Fall ist, welche in direktem Kontakt mit Bauteilen der Gasturbinenanlage tritt. Dies führt dazu, dass für das Abkühlen des Nebenabgasstroms zum Beispiel auch Meerwasser verwendet werden kann. Auch andere Kühlmethoden, zum Beispiel als Luftkühlung, sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung denkbar. Selbstverständlich kann bei der Abkühlung des Nebenabgasstroms die gewonnene Energie auch in sekundären Dampfzyklen zur weiteren Energiegewinnung verwendet werden. Zum Beispiel sind Niedertemperatur-Dampfturbinen beziehungsweise der so genannte „organic rankine cycle“ zu nennen.
Aufgrund der Tatsache, dass bei der Verbrennung von Methan in der Gasturbinenanlage Wasser entsteht (CH₄ +2O₂ -> CO₂ +2H₂O) wird im Abgasstrom ein deutlich höherer Anteil an Wasser enthalten sein, als grundsätzlich für die Wasserkühlung der Gasturbinenanlage benötigt wird. Vorzugsweise reicht es daher aus, wenn nur ein Teil des Abgasstroms als Nebenabgasstrom abgetrennt wird. Dieses Abteilen erfolgt vorzugsweise im Bereich zwischen 10% und 40% des gesamten Abgasstroms. Es kann von Vorteil sein, wenn eine Variation des Anteils mit Bezug auf das Abtrennen vom Abgasstrom erfolgen kann. So kann ein Anpassen an die aktuell notwendige Versorgungssituation der Wasserkühlung oder anderer Nutzungen, wie zum Beispiel der Trinkwasserversorgung, durchgeführt werden. Selbstverständlich ist es grundsätzlich im Rahmen der Erfindung auch möglich, dass im Wesentlichen der gesamte Abgasstrom als Nebenabgasstrom abgetrennt wird und dem erfindungsgemäßen Verfahren unterzogen wird.
Das durch ein erfindungsgemäßes Verfahren kondensierte Wasser kann selbstverständlich unterschiedlichsten Verwendungen zugeführt werden. Dadurch, dass das kondensierte Wasser bereits einen sehr hohen Qualitätsstandard erfüllt, ist hier auch Nutzung als Trinkwasser denkbar. So kann durch ein erfindungsgemäßes Verfahren als Nutzen auch eine Verbesserung der Lebensqualität in der Umgebung bei dem Einsatz einer Gasturbinenanlage erzielt werden. Dabei sind unterschiedlichste Nutzungen des erzeugten Wassers alternativ oder gemeinsam denkbar. So ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich, dass zum Beispiel die Nutzung als Trinkwasser mit der Nutzung für die Wasserkühlung der Gasturbinenanlage kombiniert wird.
Es ist von Vorteil, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren mit dem kondensierten Wasser eine Wasserkühlung der Gasturbinenanlage versorgt wird. Somit wird eine Wasserkühlung der Gasturbinenanlage unabhängig von den Umweltbedingungen des Aufstellortes der Gasturbinenanlage möglich.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren lässt sich dahingehend weiterbilden, dass vor der Versorgung der Wasserkühlung das kondensierte Wasser, insbesondere über eine weitere Kühlvorrichtung, noch weiter abgekühlt wird. Das weitere Abkühlen hat den Zweck, dass in der anschließenden Wasserkühlung ein besserer Kühleffekt erwirkt werden kann. So wird durch die Kondensation in einem erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise kondensiertes Wasser mit einer Temperatur im Bereich zwischen circa 50°C und circa 60°C erzielt. Eine weitere Abkühlung ermöglicht eine höhere Kühlleistung in der Wasserkühlung. Diese Kühlvorrichtung kann vorzugsweise ebenfalls ein Wärmetauscher sein, welcher diese zusätzliche Abkühlung durchführt.
Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren kondensiertes Wasser zumindest teilweise einer anderen Verwendung, insbesondere als Trinkwasser, zugeführt wird. Insbesondere in trockenen geografischen Regionen ist damit ein zusätzlicher, so zu sagen weiterer Vorteil durch ein erfindungsgemäßes Verfahren möglich. Dabei sind selbstverständlich Zwischenspeicher und/oder weitere Verarbeitungs- beziehungsweise Aufarbeitungsschritte denkbar, um das kondensierte Wasser für weitere Verwendungen anzupassen. Wird beispielsweise die Verwendung als Trinkwasser gewünscht, so kann das Hinzufügen von Mineralien, insbesondere von Salzen, von Vorteil sein, um das Trinkwasser in großen Mengen genießbar zu machen. Selbstverständlich sind auch Reinigungsschritte denkbar, um für die weitere Verwendung eine entsprechende Anpassung des kondensierten Wassers durchzuführen.
Vorteilhaft ist es ebenfalls, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren nach dem Auffangen des kondensierten Wassers dieses kondensierte Wasser wenigstens einem Nachbehandlungsschritt unterzogen wird, insbesondere zur Beseitigung von wenigstens einer Verunreinigung. Vorzugsweise sind solche Verunreinigungen gelöste Gase, die ebenfalls als Reaktionsprodukte oder Reaktionsnebenprodukte in der Gasturbinenanlage entstehen. Besonders hervorzuheben sind dabei solche Gase, welche Säuren bilden können und dementsprechend für metallische Bauteile der Gasturbinenanlage oder der Anlagen für weitere Nutzungen bei der Verwendung relevant sind. Um den Angriff durch entsprechende Säuren zu vermeiden, werden solche gelösten Gase vorzugsweise in einem Nachbehandlungsschritt ausgetrieben. Das Austreiben kann in unterschiedlichster Weise geschehen. Selbstverständlich sind auch andere Nachbehandlungsschritte im Rahmen der vorliegenden Erfindung denkbar. So ist es zum Beispiel möglich, dass eine Filtration durchgeführt wird, um Partikel abzuscheiden. Auch andere Nachbehandlungsschritte, wie zum Beispiel eine pH-Anpassung, ein Ionenaustausch, eine Elektrodenionisation, eine umgekehrte Osmose oder sogar eine Elektrodialyse sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Nachbehandlungsschritt grundsätzlich denkbar. Selbstverständlich können auch zwei oder mehr Nachbehandlungsschritte durchgeführt werden.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren kann dahingehend weitergebildet werden, dass als ein Nachbehandlungsschritt der Druck und/oder die Temperatur des kondensierten Wassers erhöht werden, um in dem kondensierten Wasser gelöste Gase, insbesondere SO₂ und/oder CO₂, zumindest teilweise durch Ausgasen zu beseitigen. Im Wasser gelöste Gase beinhalten die Gefahr, dass sie später Säuren bilden und demensprechend korrosiv angreifend auf mechanische Bauteile der Gasturbinenanlage oder anderer Nutzungen wirken. Durch das Erhöhen der Temperatur werden diese gelösten Gase aus dem kondensierten Wasser ausgetrieben beziehungsweise ausgegast. Wird gleichzeitig der Druck erhöht, so kann eine noch höhere Temperatur zur Verfügung gestellt werden, ohne dass das kondensierte Wasser wieder siedet. Beispielsweise ist ein höherer Druck bis zu circa 5bar möglich, und gleichzeitig eine Temperaturerhöhung auf einen Bereich zwischen 120°C und circa 150°C für das kondensierte Wasser durchzuführen. Dabei bleibt das kondensierte Wasser vorzugsweise flüssig während gleichzeitig die gelösten Gase ausgasen, so dass insbesondere SO₂ und/oder CO₂ teilweise oder im Wesentlichen vollständig durch Ausgasen aus dem kondensierten Wasser beseitigt werden. Anschließend wird der Druck reduziert und/oder gleichzeitig die Temperatur des kondensierten Wassers wieder normalisiert beziehungsweise auf die gewünschte Kühltemperatur für die anschließende Wasserkühlung reduziert. Die anschließende Kühlung kann zum Beispiel durch Gegenstromkühlung erfolgen. Das bedeutet, dass das gereinigte Wasser in heißem Stadium als Gegenstrom gegen das noch nicht nachbehandelte kondensierte Wasser geführt wird, so dass eine Übergabe der Energie erfolgt. Darüber hinaus ist es möglich, dass die Ersterwärmung des kondensierten Wassers für den Nachbehandlungsschritt durch Energie aus dem restlichen Abgas und/oder aus dem Nebenabgasstrom vollständig oder zur Unterstützung der Temperaturerhöhung erfolgt. Damit wird eine Übergabe von Energie möglich, so dass die Gesamtenergiebilanz eines erfindungsgemäßen Verfahrens optimiert wird. Ein weiterer Vorteil durch das Aufheizen des kondensierten Wassers ist es, dass möglicherweise im kondensierten Wasser enthaltende beziehungsweise hineingelangte Keime zerstört werden. Auf diese Weise erfolgt ein Entkeimen, so dass das Wasser anschließend Trinkwasserqualität oder im Wesentlichen Trinkwasserqualität aufweist.
Ebenfalls möglich ist es, dass bei einem erfindungsgemäßen Verfahren das kondensierte Wasser in wenigstens einem Auffangbehälter zwischengelagert wird, insbesondere um Spitzenzeiten der Belastung der Wasserkühlung oder einer anderen Verwendung abzupuffern. Solche Spitzenzeiten sind auch Spitzenzeiten der Gasturbinenanlage, also vorzugsweise in heißen und trockenen geografischen Regionen der Erde die Mittagszeit, in welcher eine Vielzahl von Klimaanlagen gleichzeitig eingeschaltet werden. Um möglicherweise nicht ausreichende Wasserversorgung durch ein erfindungsgemäßes Verfahren ausgleichen zu können, kann ein solcher Auffangbehälter verwendet werden, um als Puffer für die Versorgung des Wasserkühlers oder anderer Verwendungen zu dienen. Auch bei zusätzlichen oder alternativen weiteren Verwendungen, zum Beispiel in Form von Trinkwasser, ist ein solcher Auffangbehälter im Rahmen der vorliegenden Erfindung sinnvoll einsetzbar. Selbstverständlich können in sämtlichen Verrohrungen, insbesondere mit Bezug auf das kondensierte Wasser, Pumpen für das aktive Fördern des kondensierten Wassers vorgesehen sein.
Ein weiterer Vorteil wird dadurch erzielt, dass bei einem erfindungsgemäßen Verfahren für das Abkühlen des Nebenabgasstroms wenigstens eine der folgenden Kühlmethoden eingesetzt wird:

– Dampferzeuger (HRSG „heat recovery steam generator“)
– Wärmetauscher mit Luftkühlung
– Wärmetauscher mit Wasserkühlung
– Niedertemperatur-Dampfkreislauf (ORC: organic rankine cycle)

Grundsätzlich ist die Anforderung an das Kühlmedium für das Abkühlen des Nebenabgasstroms deutlich geringer als für das Kühlwasser des Wasserkühlers oder als Verwendung als Trinkwasser, da beim Abkühlen des Nebenabgasstroms kein direkter Kontakt zwischen dem Nebenabgasstrom und dem Kühlmedium erfolgt. So kann hier zum Beispiel Brauchwasser oder sogar Meerwasser als Kühlmedium verwendet werden. Insbesondere bei einer Kühlung mit Dampferzeugern oder Niedertemperatur-Dampfkreisläufen ist es möglich durch die Kühlung zusätzlich noch Energie zu gewinnen und damit die Gesamtenergiebilanz der Gasturbinenanlage noch weiter zu verbessern.
Ein weiterer Vorteil ist es, wenn im Rahmen der vorliegenden Erfindung bei dem Verfahren der Nebenabgasstrom nach der Kondensation zumindest eines Teils des Wasserdampfes wieder dem Abgasstrom zugeführt wird, insbesondere mittels eines unterstützenden Gebläses. Das führt dazu, dass nur ein einziger Kamin für die Gasturbinenanlage notwendig ist. Auf diese Weise kann ein erfindungsgemäßes Verfahren auch bei bestehenden Gasturbinenanlagen nachgerüstet werden, da die Hauptkomponenten, wie die einzelnen Stufen der Gasturbinenanlage die Zuführung beziehungsweise die Abgasbehandlung über einen Kamin grundsätzlich gleichbleiben. Für ein erfindungsgemäßes Verfahren muss nur eine entsprechende Erzeugungsvorrichtung zusätzlich hinzugefügt werden, um das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Beim Zurückführen in den Abgasstrom für den Nebenabgasstrom kann es vorteilhaft sein, wenn wenigstens ein Gebläse vorgesehen ist, welches trotz der reduzierten Temperatur des Nebenabgasstroms die Kaminwirkung aufrecht erhält. Gleichzeitig kann dieses Gebläse auch zur Regelung des Volumenstroms in der Zweigleitung verwendet werden. Selbstverständlich ist je nach Art der Rückführung und des Nebenabgasstroms in den Abgasstrom auch eine andere Art der unterstützenden Förderung denkbar, zum Beispiel durch einen Venturi-Düseneffekt.
Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Erzeugungsvorrichtung für die Erzeugung von Wasser aus dem Abgasstrom einer Gasturbinenanlage. Eine solche Erzeugungsvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest eine Zweigleitung für das Zuführen eines Nebenabgasstroms aus dem Abgasstrom der Gasturbinenanlage vorgesehen ist. Weiter ist in der Zweigleitung eine Kondensierkühlung für die Kühlung des Nebenabgasstroms unter den Taupunkt von Wasser angeordnet, welcher der Nebenabgasstrom zugeführt wird. Dabei ist eine Auffangvorrichtung für das Auffangen des kondensierten Wassers vorgesehen. Eine erfindungsgemäße Erzeugungsvorrichtung ist vorzugsweise ausgebildet für die Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Abtrennung des kondensierten Wassers erfolgt vorzugsweise durch Schwerkraft. Eine erfindungsgemäße Versorgungsvorrichtung bringt also die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Verfahren erläutert worden sind.
Eine erfindungsgemäße Erzeugungsvorrichtung kann dahingehend weitergebildet sein, dass eine Rückführvorrichtung für die Versorgung der Wasserkühlung einer Gasturbinenanlage mit dem kondensierten Wasser vorgesehen ist. Die Rückführvorrichtung ist insbesondere eine einfache Rückführleitung und kann vorzugsweise Pumpen zur aktiven Förderung aufweisen.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn bei einer erfindungsgemäßen Erzeugungsvorrichtung in der Zweigleitung zumindest ein Gebläse vorgesehen ist. Dieses Gebläse kann zur verbesserten Rückführung des Nebenabgasstroms in den Abgasstrom dienen. Gleichzeitig kann dieses Gebläse dazu dienen, die Kaminwirkung trotz der reduzierten Temperatur und des Nebenabgasstroms zu verbessern. Darüber hinaus kann durch die Regelung des Gebläses auch die Menge des Nebenabgasstroms geregelt werden. So kann vorzugsweise die Größe des Anteils des abgetrennten Nebenabgasstroms vom Abgasstrom geregelt werden.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Gasturbinenanlage mit einer Abgasleitung für den Abgasstrom der Gasturbinenanlage und vorzugsweise mit wenigstens einer Wasserkühlung. Die erfindungsgemäße Gasturbinenanlage zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens eine Erzeugungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, insbesondere für die Versorgung einer Wasserkühlung mit Kühlwasser vorgesehen ist. Dabei zweigt die Zweigleitung der Erzeugungsvorrichtung von der Abgasleitung ab. Dementsprechend bringt eine erfindungsgemäße Gasturbinenanlage die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Erzeugungsvorrichtung erläutert worden sind. Unter einer Abzweigung der Zweigleitung von der Abgasleitung ist eine geometrische Korrelation zu verstehen, welche eine fluidkommunizierende Verbindung von der Abgasleitung in die Zweigleitung hinein versteht.
Eine erfindungsgemäße Gasturbinenanlage kann dahingehend weitergebildet sein, dass in der Abgasleitung, insbesondere vor der Abzweigung der Zweigleitung, wenigstens ein Gebläse angeordnet ist. Auch dieses Gebläse dient vorzugsweise zur Verbesserung der Förderung durch den Kamin. Insbesondere handelt es sich hierbei um eine Zwangsförderung, die vorzugsweise die verschlechterte Kaminwirkung durch die Abkühlung des Nebenabgasstroms ausgleicht. Darüber hinaus wird der Druck erhöht, um den zu erwartenden Druckverlust in der Zweigleitung durch die Einbauten des Wärmetauschers zu vermeiden beziehungsweise auszugleichen.
Eine weitere Möglichkeit ist es, wenn bei einer erfindungsgemäßen Gasturbinenanlage in der Abgasleitung nach der Abzweigung der Zweigleitung wenigstens eine Drosselvorrichtung angeordnet ist, um den Volumenstrom in der Abgasleitung zu beeinflussen. Diese Drosselvorrichtung ist vorzugsweise eine Drosselklappe. Sie verändert den Druckverlust in der Abgasleitung, so dass ein Erzwingen eines Nebenabgasstroms unabhängig von einem Gebläse erfolgen kann. Damit kann eine Regelung durchgeführt werden, welche die Anteilsverteilung auf den Nebenabgasstrom regelt. Die Drosselvorrichtung ist vorzugsweise stromabwärts der Abzweigung der Abgasleitung angeordnet. Bei einer solchen Ausführungsform ist der durch die Drosselvorrichtung entstehende Druckverlust für die Turbinenleistung zu berücksichtigen.
Die vorliegende Erfindung wird näher erläutert anhand der beigefügten Zeichnungsfiguren. Es zeigen schematisch:
1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gasturbinenanlage und
2 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gasturbinenanlage.
In den 1 und 2 ist grundsätzlich eine Gasturbinenanlage 100 gemäß der vorliegenden Erfindung in unterschiedlichen Ausführungsformen dargestellt. Beiden Ausführungsformen der 1 und 2 ist es gemeinsam, dass die Gasturbinenanlage 100 eine Gasturbine 120 mit wenigstens einer Turbinenstufe aufweist, in welcher die Turbinenschaufeln vorliegen, wenigstens eine Verdichterstufe, in welcher die Verdichterschaufeln vorliegen und wenigstens einen Bereich, in dem die Verbrennung stattfindet. Ebenfalls gemeinsam ist die Wasserkühlung 110 vor der Luftzufuhr für die Turbinenstufen vorgesehen. Darüber hinaus weisen beide Ausführungsformen der Gasturbinenanlage 100 jeweils eine erfindungsgemäße Erzeugungsvorrichtung 10 auf. Die Erzeugungsvorrichtung 10 ist jedoch unterschiedlich ausgestaltet, wie dies nachfolgend näher erläutert wird.
Beiden Ausführungsformen der Gasturbinenanlage 100 ist es ebenfalls gemeinsam, dass sie eine Abgasleitung 20 aufweisen, die zur Förderung des Abgasstroms 22 (entlang der Pfeilrichtung) durch den Kamin beziehungsweise zu dem Kamin ausgebildet ist. Die beiden Erzeugungsvorrichtungen 10 weisen jeweils eine Zweigleitung 30 für die entsprechende Förderung eines Nebenabgasstroms 32 (entlang der entsprechenden Pfeile) auf.
Die Ausführungsform der Gasturbinenanlage 100, wie sie in 1 dargestellt ist, weist diverse Besonderheiten auf. So ist hier als eine Art Bypass eine Zweigleitung 30 vorgesehen, die für das Abtrennen eines Nebenabgasstroms 32 vom Abgasstrom 22, als Abzweigung der Abgasleitung 20 vorgesehen ist. In dieser Zweigleitung 30 ist eine Kondensierkühlung 80 in Form eines Wärmetauschers vorgesehen. Diese Kondensierkühlung 80 kühlt den Nebenabgasstrom 32 unter den Taupunkt von Wasser ab, so dass über eine Auffangvorrichtung 90 herabtropfendes Wasser von der Kondensierkühlung 80 aufgefangen werden kann. Über eine Rückführvorrichtung 96 wird das aufgefangene kondensierte Wasser dem Wasserkühler 110 zu dessen Versorgung zugeführt. Gleichzeitig ist innerhalb der Rückführvorrichtung 96 eine Nachbehandlungsvorrichtung 40 vorgesehen. Diese Nachbehandlungsvorrichtung 40 ist vorzugsweise für das Ausgasen von in dem kondensierten Wasser gelösten Gases ausgebildet. So wird durch ein Aufheizen und der gleichzeitigen Steigerung des Druckes auf zum Beispiel bis zu 5bar und bis zu 150°C ein Ausgasen von CO₂ und/oder SO₂ möglich, so dass anschließende Säurebildung bei der Verwendung des kondensierten Wassers für den Wasserkühler 110 in der Gasturbinenanlage 100 unterbleibt beziehungsweise minimiert ist.
Bei der Ausführungsform der 1 ist darüber hinaus ein Gebläse 60 in der Abgasleitung 20 noch vor der Abzweigung der Zweigleitung 30 vorgesehen. Dieses Gebläse 60 dient dazu, den Druck aufrecht zu erhalten, und damit die Zwangsförderung durch den Kamin für den Abgasstrom zu gewährleisten beziehungsweise den Effekt der Kühlung durch die Kondensierkühlung 80 für den Nebenabgasstrom 32 auszugleichen. Darüber hinaus ist bei dieser Ausführungsform eine Drosselvorrichtung 70 nach der Abzweigung der Zweigleitung 30 von der Abgasleitung 20 vorgesehen, welche die Druckverlustsituation in der Abgasleitung 20 ändern kann. Durch die Drosselvorrichtung 70 kann somit indirekt der Anteil des abgetrennten Nebenabgasstroms 32 mit Bezug auf den Abgasstrom 22 eingestellt und variiert werden.
In 2 sind verschiedene andere bauliche Varianten dargestellt, die bei einer erfindungsgemäßen Versorgungsvorrichtung 10 eingesetzt werden können. Zum einen ist die Kondensierkühlung 80 hier als eigene energieerzeugende Einheit ausgebildet. So ist ebenfalls eine Turbine mit einem eigenen Wärmetauscher vorgesehen, so dass insbesondere eine Niederdruck-Turbine (ORC-Turbine) verwendet werden kann, um zusätzlich Energie bei der Kühlung des Nebenabgasstroms 32 zu erhalten.
Bei dieser Ausführungsform ist darüber hinaus das Gebläse 60 in der Zweigleitung 30 vorgesehen. Damit kann das Gebläse 60 direkt zur Regelung der Quantität des Nebenabgasstroms 32 mit Bezug auf seinen Anteil vom Abgasstrom 22 durchgeführt werden. Darüber hinaus dient das Gebläse 60 dazu, die Förderung des Nebenabgasstroms 32 zurück in die Abgasleitung 20 und durch einen Kamin hinaus zu unterstützen. Damit kann der negative Effekt der Kühlung des Nebenabgasstroms 32 ausgeglichen werden.
Die Auffangvorrichtung 90 dieser Ausführungsform ist derart ausgebildet, dass herabtropfendes kondensiertes Wasser von der Kondensierkühlung 80 durch die Schwerkraft aufgefangen und der Rückführvorrichtung 96 zugeführt wird.
Bei der Ausführungsform gemäß 2 ist darüber hinaus ein Auffangbehälter 50 vorgesehen welcher als Puffer für verschiedene Spitzenzeiten für den Wasserkühler 110 ausgebildet sein kann. Selbstverständlich kann aus dem Auffangbehälter 50 auch eine Verwendung für weitere Verwendungsarten durchgeführt werden, zum Beispiel die Aufbereitung des kondensierten Wassers als Trinkwasser.
Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Claims

Verfahren für die Erzeugung von Wasser aus dem Abgasstrom (22) einer Gasturbinenanlage (100), gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: – Zuführen zumindest eines Teils eines Abgasstroms (22) der Gasturbinenanlage (100) als Nebenabgasstrom (32) zu einer Kühlvorrichtung, – Abkühlen des Nebenabgasstroms (32) unter den Taupunkt von Wasser, um den im Nebenabgasstrom (32) enthaltenen Wasserdampf wenigstens teilweise zu kondensieren, – Auffangen des kondensierten Wassers.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem kondensierten Wasser eine Wasserkühlung (110) der Gasturbinenanlage (100) versorgt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Versorgung der Wasserkühlung (110) das kondensierte Wasser, insbesondere über eine weitere Kühlvorrichtung, noch weiter abgekühlt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass kondensiertes Wasser zumindest teilweise einer anderen Verwendung, insbesondere als Trinkwasser, zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Auffangen des kondensierten Wassers dieses kondensierte Wasser wenigstens einem Nachbehandlungsschritt unterzogen wird, insbesondere zur Beseitigung von wenigstens einer Verunreinigung.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als ein Nachbehandlungsschritt der Druck und/oder die Temperatur des kondensierten Wassers erhöht werden, um in dem kondensierten Wasser gelöste Gase, insbesondere SO₂ und/oder CO₂, zumindest teilweise durch Ausgasen zu beseitigen.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das kondensierte Wasser in wenigstens einem Auffangbehälter (50) zwischengelagert wird, insbesondere um Spitzenzeiten der Belastung der Wasserkühlung (110) oder einer anderen Verwendung abzupuffern.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für das Abkühlen des Nebenabgasstroms (32) wenigstens eine der folgenden Kühlmethoden eingesetzt wird: – Dampferzeuger (HRSG) – Wärmetauscher mit Luftkühlung – Wärmetauscher mit Wasserkühlung – Niedertemperatur-Dampfkreislauf (ORC)
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenabgasstrom (32) nach der Kondensation zumindest eines Teils des Wasserdampfes wieder dem Abgasstrom (22) zugeführt wird, insbesondere mittels einem unterstützenden Gebläse (60).
Erzeugungsvorrichtung (10) für die Erzeugung von Wasser aus dem Abgasstrom (22) einer Gasturbinenanlage (100), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Zweigleitung (30) für das Zuführen eines Nebenabgasstroms (32) aus dem Abgasstrom (22) der Gasturbinenanlage (100) zu einer in der Zweigleitung (30) angeordneten Kondensierkühlung (80) für die Kühlung des Nebenabgasstroms (32) unter den Taupunkt für Wasser vorgesehen ist, wobei eine Auffangvorrichtung (90) für das Auffangen des kondensierten Wassers vorgesehen ist.
Erzeugungsvorrichtung (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückführvorrichtung (96) für die Versorgung der Wasserkühlung (110) der Gasturbinenanlage (100) mit kondensiertem Wasser vorgesehen ist
Erzeugungsvorrichtung (10) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass diese Erzeugungsvorrichtung (10) für die Ausführung eines Verfahrens mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet ist.
Erzeugungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zweigleitung (30) zumindest ein Gebläse (60) vorgesehen ist.
Gasturbinenanlage (100) mit einer Abgasleitung (20) für Abgasstrom (22) der Gasturbinenanlage (100), dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Erzeugungsvorrichtung (10) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 10 bis 13, insbesondere für die Versorgung einer Wasserkühlung (110) mit Kühlwasser, vorgesehen ist, wobei die Zweigleitung (30) der Versorgungsvorrichtung (10) von der Abgasleitung (20) abzweigt.
Gasturbinenanlage (100) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgasleitung (20), insbesondere vor der Abzweigung der Zweigleitung (30), wenigstens ein Gebläse (60) angeordnet ist.
Gasturbinenanlage (100) nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgasleitung (20) nach der Abzweigung der Zweigleitung (30) wenigstens eine Drosselvorrichtung (70) angeordnet ist, um den Volumenstrom in der Abgasleitung (20) zu beeinflussen.