DE102013005863A1

DE102013005863A1 - Dampf-/Arbeitsprozess mit Gas- und Dampfturbinen bei externer Verbrennung für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess

Info

Publication number: DE102013005863A1
Application number: DE102013005863.5A
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: 2013-04-08
Filing date: 2013-04-08
Publication date: 2014-10-09
Also published as: DE112014001867A5; WO2014166472A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein auf den Wasser-Dampf-Kombiprozess (WDK-Prozess) bezogenes thermisches Verfahren, welches bei ähnlicher Effizienz mit seriennahen Verdichtern und Turbinen auskommt, wobei begleitende Risiken durch Neukonstruktionen vermieden werden. 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. Die bisherigen WDK-Prozessvarianten erfordern entweder einen aufwendigen Regenerator, der den niederdruckseitigen Volumenstrom aus der Turbine kommend nutzt, um die Hochdruckseite vorzuwärmen, oder einen speziellen Verdichter bedarf, der ein großes Druckverhältnis bei innerer Kühlung liefern muss, was eine Neukonstruktion mit den damit verbundenen Risiken verlangt. Belässt man die bisherigen Druck- und Verdichtungsverhältnisse luftatmender Aggregate, so können seriennahe Konstruktionen nach entsprechender Arbeitsfluid-Anpassung zum Einsatz kommen. Nur der Kühlanteil, der als Bypassstrom zur Senkung der Verdichter-Antriebleistung dient und die Turbinen-Abwärme nutzt, wird mittels Kondensationsturbine bis ins Vakuum entspannt, wodurch eine effiziente praxisnahe WDK-Prozessvariante entsteht, die sich für jede Art externer Energiezufuhr eignet.

Description

Die Erfindung betrifft ein auf den Wasser-Dampf-Kombiprozess (WDK-Prozess) bezogenes thermisches Verfahren, welches bei ähnlicher Effizienz mit seriennahen Verdichtern und Turbinen auskommt, wobei begleitende Risiken durch Neukonstruktionen vermieden werden. 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, der die Vorzüge des Dampfkraftprozesses im Prozessverlauf mit integriert. Die derzeit nach dem Stand der Technik bekannten WDK-Prozess Varianten unterscheiden sich im Wesentlichen durch die Art der Energiezuführung, ob sie extern mittels Erhitzer oder intern in der Brennkammer erfolgt und durch die Art der Abwärmeregeneration. Auch der in DE 26 15 122 A1 beschriebene ”Thermostat gesteuerte Heißmantel-Turbinenmotor mit Kreislauf” basiert auf einem Gasturbinenprozess, in dem die Energiezufuhr über einen Heißmantel erfolgt und somit großflächig Material- und Temperaturgrenzen unterliegen, wobei Ausführungen zur Kühlung fehlen. Ein weiterer Vorschlag stammt aus US 5 537 823 A , der einen rechtsläufig geschlossenen Gasturbinenprozess (Arbeitsprozess) mit einem linksläufig geschlossenen Gasturbinenprozess (Kühlprozess) kombiniert. Da dieser zwar gut kühlen kann, aber hierfür Antriebsleistung benötigt, sinkt die Gesamteffizienz und erhöht den Bauaufwand.
Der in den Offenlegungsschriften DE 198 56 448 A1 , DE 100 55 202 A1 , DE 10 2004 025 846 A1 vorgeschlagene Wasser-Dampf-Kombi-Prozess verbindet den Arbeits- und Kühlprozess in einem geschlossenen Gasturbinenprozess durch die Nutzung des Arbeitsfluids Wasser bzw. Wasserdampf. Die bisherigen Prozessvarianten erfordern entweder einen Regenerator, der den niederdruckseitigen Volumenstrom aus der Turbine kommend nutzt, um den hochdruckseitigen Volumenstrom vorzuwärmen, hierfür einen sehr großen, kostenintensiven und druckverlustverursachenden Wärmeübertrager benötigt oder wie in AZ 10 2011 119 133.3 beschrieben einen speziellen Verdichter bedarf, der ein großes Druckverhältnis bei innerer Kühlung liefern muss. Derartige Verdichter sind noch nicht handelsüblich und verlangen konstruktive Maßnahmen, die sich in der Praxis erst bewähren müssen. Aus Sicht des Versagensrisikos und der Kosten wäre es besser, wenn Verdichter und Turbinen aus dem Herstellersortiment eingesetzt werden könnten.
Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, den WDK-Prozessverlauf so zu verändern, das handelsübliche Turbomaschinen eingesetzt werden können, wodurch die benannten Nachteile nicht mehr bestehen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß im Wesentlichen durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 bis 9 gelöst. Ausgehend von den Druckverhältnissen serienproduzierter Gasturbinen und den zu verdichtenden Volumenströmen, saugt der Verdichter nun nicht mehr das Arbeitsfluid Wasserdampf aus dem Vakuum an, sondern etwa bei Umgebungsdruck, analog eines luftatmenden Aggregats. Danach kühlt ein Mischwärmeübertrager durch Kondensateindüsung das Arbeitsfluid von der Verdichteraustritts- bis zur Kondensations-Temperatur ab. Die verdampfende Kondensatmenge muss nicht verdichtet werden, was Verdichter-Antriebsleistung spart. Im Erhitzer wird nachfolgend der Dampf von der Kondensations- bis zur Maximal-Temperatur über einen großen Temperaturbereich erwärmt, was die Abkühlung des Rauchgases und die Wärmeübertragungsverhältnisse begünstigt. In der Heißgasturbine folgt die Entspannung bis zum Verdichter-Eintrittsdruck. Für die Schaufelkühlung steht Sattdampf zur Verfügung, wodurch sich die Kühleffektivität verbessert. Außer der üblichen Stufenmodulanpassung und einer spezifischen Materialauswahl im Bezug auf Wasserdampf können so die bewährten Serienkonstruktionen verwendet werden. Nach der Heißgasturbine erfolgt die Auftrennung des Massenstroms in Richtung Verdichter und Kühlung. Die verbleibende Restwärme aus den Abgasstrom der Heißgasturbine im Verdichterpfad wird komplett zur Reduktion des Verdichter-Massendurchsatzes durch Sprüh-Kondensatvorwärmung und einem Bypass genutzt, der sich von den Temperaturen oberhalb der Kondensationstemperatur des Verdichter-Enddruckes generiert. Der so entstandene Kühlmassenstrom, bestehend aus Bypass und Sprühmenge, entspannt sich im Kühlungspfad in einer seriennahen Kondensationsturbine. Im Vergleich zum Gesamtmassenstrom wirkt sich die Teilmenge positiv auf das Entspannungsvolumen und somit auf die Turbinengröße aus. Optional kann bei Bedarf ein weiterer Mischwärmeübertrager durch Kondensateindüsung die Turbinen-Eintrittstemperatur für die Niederdruck-Entspannung anpassen. Nach der Verflüssigung im Kondensator sorgt eine Pumpe für den erforderlichen Bypassdruck. Im Erhitzer werden die Rauchgase nach der Dampferhitzung noch zur Vorwärmung des Bypass-Massenstroms und der Verbrennungsluft genutzt. Die arbeitsfluidbedingten Maßnahmen wie Füllen, Entlüften, Entwässern und chemische Aufbereitung entsprechen dem Stand der Technik des WDK-Prozess Prinzips.
Somit ist die Aufgabenstellung erfüllt, seriennahe Konstruktionen aus dem Turbomaschinenbau einsetzen zu können. Mit dem hohen Abkühlpotenzial des Rauchgases, der Senkung der Verdichter-Antriebsleistung durch Abwärme generierte Bypasströme, mittels gestufter Entspannung divergierender Massenströmen und der Nutzung von Wasser und Dampf als Arbeitsfluid, entsteht eine effiziente, praxisnahe WDK-Variante, die sich für jede Art externer Energiezufuhr eignet. Die 1 und 2 stellen Ausführungsbeispiele für diverse Nutzungen dar.
1 Schematisches Blockschaltbild des Dampf-/Arbeitsprozess mit Gas- und Dampfturbinen bei externer Verbrennung ohne Wärmeauskopplung
2 Schematisches Blockschaltbild des Dampf-/Arbeitsprozess mit Gas- und Dampfturbinen bei externer Verbrennung mit Wärmeauskopplung
Bezugszeichenliste

1: Verdichter
2: Erhitzer
3: Heißgasturbine
4: Kondensationsturbine
5: Kondensator
6: Kühlsystem
7: Pumpe
8: Generator
9: Welle
10: Mischwärmeübertrager-Verdichter
11: Kondensatvorwärmer
12: Bypassverdampfer
13: Mischwärmeübertrager-Turbine
14: Verbrennungsluftzufuhr
15: Brennstoffzufuhr
16: Dampfleitungen
17: Kondensatleitungen
18: Abzweig
19: Wärmeauskopplung
20: Zirkulationssystem
21: Wärmeverbraucher

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 2615122 A1 [0002]
US 5537823 A [0002]
DE 19856448 A1 [0003]
DE 10055202 A1 [0003]
DE 102004025846 A1 [0003]
AZ 102011119133 [0003]

Claims

Dampf-/Arbeitsprozess mit Gas- und Dampfturbinen bei externer Verbrennung für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess, bestehend aus den Grundkomponenten Verdichter (1), Erhitzer (2) mit Luft- und Kondensatvorwärmung, Heißgasturbine (3), Kondensationsturbine (4), Kondensator (5) mit anschließender Kondensataufbereitung, Kühlsystem (6), Pumpe (7), Generator (8), Welle (9), Mischwärmeübertrager-Verdichter (10), Kondensatvorwärmer (11), Bypassverdampfer (12), Mischwärmeübertrager-Turbine (13), die mittels Dampfleitungen (16) und Kondensatleitungen (17) verbunden sind, indem das Arbeitsfluid Wasser dampfförmig bzw. flüssig strömt, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (1) und die Heißgasturbine (3) im analogen Druck- und Volumenverhältnis arbeiten wie luftatmende Gasturbinensätze, um auch bei Wasserdampf seriennahe Konstruktionen nutzen zu können, dass sich der Abdampf aus der Heißgasturbine (3) im Abzweig (18) aufteilt in Verdichter- und Bypasspfad, welcher sich dann in der Kondensationsturbine (4) bis zum vom Kühlsystem (6) bestimmten Vakuumdruck entspannt und nach der Verflüssigung im Kondensator (5) und der Druckanpassung durch die Pumpe (7) vorgewärmt im Erhitzer (2) und im Kondensatvorwärmer (11) komplett zur Reduktion des Verdichter-Massenstroms und damit zur Senkung der Antriebsleistung genutzt wird.
Dampf-/Arbeitsprozess mit Gas- und Dampfturbinen bei externer Verbrennung für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess nach dem Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass optional der Mischwärmeübertrager-Turbine (13) die Eintritts-Temperatur der Kondensationsturbine (4) senkt, dabei den Massendurchsatz erhöht, um die Parameter an seriennahen Turbinen anzupassen.
Dampf-/Arbeitsprozess mit Gas- und Dampfturbinen bei externer Verbrennung für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess nach dem Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass das von der Verdichtungs-Endtemperatur bis zur Kondensationstemperatur des Austrittsdruckes benötigte vorgewärmte Sprühkondensat im Mischwärmeübertrager-Verdichter (10) eingedüst wird, dabei den Verdichter-Massenstrom um diesen Betrag reduziert und die Temperaturspreizung im Erhitzer (2) vergrößert, was sich positiv auf die Wärmeübertragung auswirkt.
Dampf-/Arbeitsprozess mit Gas- und Dampfturbinen bei externer Verbrennung für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess nach dem Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ohne (1) und mit (2) Wärmeauskopplung je nach Nutzungsart betrieben werden kann.
Dampf-/Arbeitsprozess mit Gas- und Dampfturbinen bei externer Verbrennung für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess nach dem Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass beim Verfahren ohne Wärmeauskopplung 1 die Turbinen-Abgastemperaturen oberhalb der Kondensationstemperatur des Verdichter-Enddruckes zur Verdampfung einer zusätzlichen Bypassmenge im Bypassverdampfer (12) genutzt wird, was die Verdichter (1)-Antriebsleistung senkt und die Abgabeleistung der Kondensationsturbine (4) durch die Vergrößerung des Massenstroms erhöht.
Dampf-/Arbeitsprozess mit Gas- und Dampfturbinen bei externer Verbrennung für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess nach dem Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass beim Verfahren nach 2 die Turbinen-Abgastemperaturen zur Wärmeauskopplung (19) genutzt werden, um über ein Zirkulationssystem (20) die Wärmeverbraucher (21) zu versorgen.
Dampf-/Arbeitsprozess mit Gas- und Dampfturbinen bei externer Verbrennung für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess nach dem Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass je nach erforderlicher Wärmeauskopplung und deren Parameter die Abwärmenutzung kombiniert werden kann, so dass anteilig eine Bypassverdampfung und eine Wärmeauskopplung möglich wird.
Dampf-/Arbeitsprozess mit Gas- und Dampfturbinen bei externer Verbrennung für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess nach dem Anspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass auch in diesen Varianten zukünftig intern gekühlte Verdichter (1) mit Leitschaufel-Oberflächenverdampfung eingesetzt werden können, wodurch sich die Prozesseffizienz weiter verbessert.
Dampf-/Arbeitsprozess mit Gas- und Dampfturbinen bei externer Verbrennung für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess nach dem Anspruch 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass zur Schaufelkühlung in der Heißgasturbine (3) weniger Dampf vom Verdichter abgezapft werden muss, da mittels Sprühkondensat bei abnehmender Kühldampftemperatur sich die Menge vergrößert. Eine niedrigere Dampftemperatur verbessert die Kühleffektivität.