DE102013223661B4

DE102013223661B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Energieumwandlung

Info

Publication number: DE102013223661B4
Application number: DE102013223661.1A
Authority: DE
Inventors: Detlef Haje
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-11-20
Filing date: 2013-11-20
Publication date: 2015-05-28
Anticipated expiration: 2033-11-21
Also published as: DE102013223661A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Energieumwandlung. Erfindungsgemäß ist zur Erzielung einer hohen Umwandlungseffizienz vorgesehen, dass einer Brennkammer (12) Brennstoff und Sauerstoff zugeführt und resultierende Verbrennungsprodukte mit erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur aus der Brennkammer (12) abgeführt und in einem ersten Turbinenkreislauf (14) einer ersten Expansionsturbine (16) zur Erzeugung einer ersten mechanischen Drehenergie zugeführt werden und die expandierten Verbrennungsprodukte von der ersten Expansionsturbine (16) abgeführt und wenigstens teilweise über den ersten Turbinenkreislauf (14) wieder der Brennkammer (12) zugeführt werden, und wobei ein zweiter Turbinenkreislauf (30) enthaltend eine zweite Expansionsturbine (32) zur Erzeugung einer zweiten mechanischen Drehenergie mittels eines im zweiten Turbinenkreislauf (30) zirkulierenden Arbeitsmediums betrieben wird und das Arbeitsmedium unter Einsatz wenigstens eines Wärmetauschers (18, 34) durch Übertragung von Wärme aus dem ersten Turbinenkreislauf (14) erwärmt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Energieumwandlung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 7.
Als ein Verfahren zur Energieumwandlung ist aus dem Stand der Technik beispielsweise der so genannte Oxifuel-Prozess bekannt, bei welchem ein Brennstoff wie z. B. Methan mit Sauerstoff (anstelle von Luft) verbrannt wird.
Ein Vorteil des Oxifuel-Prozesses, bei welchem chemische Energie in Wärmeenergie umgewandelt wird, besteht darin, dass das bei der Verbrennung entstehendes Rauchgas bei entsprechender Prozessführung neben den eigentlichen Verbrennungsprodukten keine weiteren, ”unerwünschten” Bestandteile besitzt. Im Falle von Methan als Brennstoff entsteht z. B. idealerweise nur CO₂ und H₂O. Anders als bei einer herkömmlichen Verbrennung mit Luft gibt es insbesondere keinen wesentlichen Anteil von N₂. Der Prozess vereinfacht somit außerdem eine oftmals gewünschte Trennung und jeweilige individuelle weitere Nutzung der Verbrennungsprodukte. So kann das CO₂ beispielsweise durch Kondensation des Wassers abgetrennt und separat genutzt werden (z. B. zur Verpressung in einer Erdöllagerstätte zwecks Fließverbesserung in der Lagerstätte).
Es sind auch Weiterbildungen des Oxifuel-Prozesses realisierbar, bei denen die Verbrennung bei einem erhöhten Druck (z. B. über 100 bar) stattfindet und das Rauchgas (Mischung aus CO₂ und H₂O) zur Erzeugung mechanischer Drehenergie einer Expansionsturbine (z. B. Dampfturbine) zugeführt wird. Die von der Turbine erzeugte Drehenergie kann wiederum zum Antrieb von Arbeitsmaschinen (z. B. Kompressor) oder zum Antrieb eines elektrischen Generators genutzt werden. Nach dem Durchströmen der Expansionsturbine kann der Wasseranteil der Verbrennungsprodukte in einem Kondensator eines Turbinenkreislaufes niedergeschlagen werden, wohingegen aus den Verbrennungsprodukten abgetrenntes CO₂ weiteren Prozessschritten oder Verwendungen zugeleitet werden kann.
Nachteilig ist hierbei, dass der Kondensatordruck durch nennenswerte Gasanteile in dem Verbrennungsproduktgemisch erheblich ansteigt und somit der Wirkungsgrad der Turbinenanlage sinkt. Der erhöhte Kondensatordruck bewirkt, dass das Kondensat und das CO₂ bei einer erhöhten Temperatur anfallen. Die damit verbundene Wärmemenge des CO₂-Anteils geht verloren.
Außerdem ist die in der Turbine erfolgende Expansion des CO₂-Anteils auf den Kondensatordruck insofern nachteilig, als das CO₂ für weitere Prozessschritte bzw. weitere Verwendungen oftmals wieder auf einen höheren Druck gebracht (komprimiert) werden muss. Eine entsprechende Kompression ist jedoch ebenso wie die vorherige Expansion verlustbehaftet, so dass die Trennung von H₂O und CO₂ eigentlich besser auf einem erhöhten Druckniveau stattfinden sollte. Eine technische Lösung dieser Effizienzproblematik ist im Stand der Technik unbekannt.
Ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7 sind aus der DE 11 2008 001 788 T5 bekannt. Dieser Stand der Technik bezieht sich auf ein Verfahren zur kombinierten Erzeugung von elektrischer Energie und Wasser. Hierbei wird Brennstoff und Sauerstoff einem Verbrenner zugeführt und das entstehende Abgas bei hohem Druck und hoher Temperatur zu einem Expander geleitet, welcher einen elektrischen Generator und einen Abgasverdichter antreibt. Das aus dem Expander austretende Abgas wird zu einem Abgaskühler geleitet, welcher das Gas auf eine Temperatur oberhalb der Dampfkondensationstemperatur abkühlt. Dieses somit nicht-kondensierte Abgas wird sodann abgezweigt und teilweise zu einem Abgaskondensierer geleitet, der außerhalb des ersten Turbinenkreislaufes angeordnet ist.
Aus der DE 10 2009 013 570 A1 ist eine Kraftwerksanlage umfassend zwei Turbinenkreisläufe bekannt. Zur Wärmeversorgung des ersten Kreislaufes dient ein über einen Dampferzeuger geführtes Abgas einer Gasturbinenanlage mit einer Gasturbine und vorgeschalteter Brennkammer.
Aus der US 6 571 548 B1 ist ein Wärmewiedergewinnungsverfahren bekannt, bei dem Wärme aus dem Abgas einer Gasturbineneinheit in einem Abwärmewärmetauscher extrahiert und zunächst auf eine Zwischenflüssigkeit übertragen wird. Die Zwischenflüssigkeit überträgt Wärme auf ein organisches Arbeitsfluid, das in Folge dessen verdampft und eine Reihe von Turbinen antreibt, die wiederum einen Generator antreiben.
Aus der DE 10 2011 102 721 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb eines Gas- und Dampf-Kombikraftwerkes (CCPP) mit Rauchgasrezirkulation bekannt.
Aus der EP 2 290 202 A1 ist eine Kraftwerksanlage umfassend einen Gasturbinenkreislauf und einen Dampfkreislauf bekannt, in welcher ein stromabwärts einer Gasturbine angeordneter Dampfgenerator durch Abgas der Gasturbine beheizt wird.
Aus der EP 1 432 889 B1 ist ein Kraftwerk mit einem Gasturbinenkreislauf und einem über einen Abhitzekessel betriebenen Dampfturbinenkreislauf bekannt, wobei im Verlauf des Gasturbinenkreislaufes ein Kondensator angeordnet ist.
Aus der US 2011/0113786 A1 ist ein Kombinationskraftwerk mit einer Gasturbomaschine bekannt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein alternatives gattungsgemäßes Verfahren bzw. eine gattungsgemäße Vorrichtung mit hoher Energieumwandlungseffizienz zur Verfügung zu stellen.
Gemäß eines ersten Aspekts der Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.
Eine als solche bekannte Grundidee der Erfindung besteht somit darin, für eine Energieumwandlung unter Einsatz eines Oxifuel-Turbinenkreislaufes einen weiteren Turbinenkreislauf bzw. entsprechenden Kreisprozess einzuführen, der vom Temperaturniveau her bevorzugt nennenswert unter dem Oxifuel-Kreislauf angeordnet ist, so dass beim Oxifuel-Prozess ansonsten ungenutzte Abwärme einer den Wirkungsgrad des Gesamtprozesses steigernden Nutzung (im weiteren, zweiten Kreisprozess) zugeführt wird.
Um bei dem einleitenden Beispiel eines Oxifuel-Prozesses mit Einsatz von Methan als Brennstoff zu bleiben, so wird bei der erfindungsgemäßen Lösung in diesem Fall also ein Gemisch aus Wasserdampf und CO₂ mit erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur dem Kondensator zugeführt. Dem Begriff ”erhöht” kann hier allgemein auf den atmosphärischen Druck bzw. die atmosphärische Temperatur bezogen werden. Im Besonderen können diese Parameter jedoch auch als ”erhöht” gegenüber einem vergleichbaren, jedoch mit Luft anstelle von Sauerstoff durchgeführten Verbrennungsprozess angesehen werden.
Der höhere Kondensatordruck stellt im Rahmen der Erfindung insofern auch einen Vorteil dar, als der Kondensator somit kleiner ausgeführt werden kann. Der mit einem Gasanteil einhergehende Temperaturanstieg kann vorteilhaft für den erfindungsgemäß hinzugefügten weiteren Turbinenkreislauf (”Bottoming Cycle”) genutzt werden. Weiterhin wird das CO₂ bei einem erhöhten Druckniveau bereitgestellt und kann daher leichter weiteren Prozessschritten bzw. weiteren Verwendungen zugeführt werden, die ansonsten eine vorherige Kompression des CO₂ erfordern würden.
Wenngleich vorstehend und auch bei der weiteren Erläuterung der Erfindung vorwiegend auf das Beispiel der Verbrennung von Methan mit ”reinem” Sauerstoff (Oxifuel-Prozess im engeren Sinne) eingegangen wird, so erlaubt die vorliegende Erfindung in dieser Hinsicht durchaus vielfältige Modifikationen.
Was die Zufuhr von ”Sauerstoff” anbelangt, so ist ganz allgemein bevorzugt, diesen mit einem Reinheitsgrad von mehr als 80%, insbesondere mehr als 90% zuzuführen. In einer spezielleren Ausführungsform wird der Sauerstoff mit einem Reinheitsgrad von mehr als 99% zugeführt.
Was den Brennstoff anbelangt, so wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform Methan (Reinheit bevorzugt größer 90%) verwendet, wobei der betreffenden Brennkammer alternativ oder zusätzlich insbesondere z. B. auch andere Kohlenwasserstoffe oder Kohlenwasserstoffgemische zugeführt werden können (bevorzugt in stöchiometrisch angepasstem Verhältnis zum zugeführten Sauerstoff).
Der Druck, mit welchem die resultierenden Verbrennungsprodukte aus der Brennkammer abgeführt und im ersten Turbinenkreislauf der ersten Expansionsturbine zugeführt werden, kann z. B. in einem Bereich von 80 bis 300 bar, insbesondere in einem Bereich von 120 bis 260 bar liegen.
Die Temperatur der abgeführten Verbrennungsprodukte kann hierbei z. B. in einem Bereich von 500 bis 2.000°C, insbesondere 600 bis 1.000°C liegen.
Die im ersten Turbinenkreislauf angeordnete erste Expansionsturbine kann z. B. von der Bauart einer herkömmlichen Dampfturbine sein, also umfassend ein Turbinengehäuse mit einem drehbar gelagerten und mit einer Beschaufelung versehenen Turbinenläufer, welcher durch das darin strömende und hierbei expandierende Arbeitsmedium (hier: Verbrennungsprodukte) drehangetrieben wird. Insbesondere können hierbei an sich bekannte Maßnahmen zur Effizienzsteigerung, wie etwa die Aufteilung des Expansionspfades der Turbine in mehrere Stufen, eine so genannte Zwischenüberhitzung etc. vorgesehen sein.
Wenn bei der Erfindung die in der ersten Expansionsturbine expandierten Verbrennungsprodukte nur teilweise über den ersten Turbinenkreislauf wieder der Brennkammer zugeführt werden, so ermöglicht dies vorteilhaft einen insofern stationären Betrieb des ersten Turbinenkreislaufes, als durch die teilweise Rückführung und dementsprechend teilweise Abführung aus dem Turbinenkreislauf, die im Turbinenkreislauf enthaltene ”Menge an Arbeitsmedium” konstant gehalten werden kann. Die abgeführte Menge an Verbrennungsprodukten entspricht in diesem Fall der Menge an zugeführtem Brennstoff und Sauerstoff.
Die von der ersten Expansionsturbine erzeugte erste mechanische Drehenergie kann in an sich bekannter Weise zum Antrieb einer Arbeitsmaschine oder eines elektrischen Generators genutzt werden. In letzterem Falle erfolgt somit eine Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie.
Die vorstehenden Erläuterungen betreffend die Bauart und Funktionsweise der ersten Expansionsturbine können auch für die im zweiten Turbinenkreislauf enthaltene zweite Expansionsturbine gelten. Die zweite Expansionsturbine kann somit insbesondere ebenfalls nach Art einer herkömmlichen Dampfturbine aufgebaut sein. Bevorzugt liegt jedoch ein ”Temperaturniveau” des zweiten Turbinenkreislaufes bzw. des darin zirkulierenden Arbeitsmediums nennenswert unter dem entsprechenden Temperaturniveau des ersten Turbinenkreislaufes.
Zur Definition eines ”Temperaturniveaus” kann hierbei z. B. die Temperatur des betreffenden Arbeitsmediums am Eingang der betreffenden Expansionsturbine angesehen werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung enthalten die Verbrennungsprodukte Wasser (H₂O) und/oder Kohlendioxid (CO₂).
Was den zweiten Turbinenkreislauf anbelangt, so kann für diesen als Arbeitsmedium insbesondere Wasser/Wasserdampf (H₂O) oder Kohlendioxid (CO₂) oder ein organisches Arbeitsmedium vorgesehen sein. Auf jeweils bevorzugte Weiterbildungen dieser drei beispielhaft genannten Ausgestaltungen des zweiten Turbinenkreislaufes bzw. Kreisprozesses wird weiter unten nochmals näher eingegangen.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass für die Übertragung von Wärme aus dem ersten Turbinenkreislauf auf das Arbeitsmedium des zweiten Turbinenkreislaufes wenigstens ein Wärmetauscher vorgesehen ist, mittels welchem Wärme von einem im ersten Turbinenkreislauf zwischen der Brennkammer und der ersten Expansionsturbine liegenden Kreislaufabschnitt extrahiert wird. Da die Verbrennungsprodukte in diesem Kreislaufabschnitt eine vergleichsweise hohe Temperatur besitzen, kann ein in diesem Abschnitt angeordneter Wärmetauscher vorteilhaft insbesondere als ”Überhitzer” bzw. ”Dampferzeuger” des zweiten Turbinenkreislaufes fungieren.
Gemäß der Erfindung ist ferner vorgesehen, dass für die Übertragung von Wärme aus dem ersten Turbinenkreislauf auf das Arbeitsmedium des zweiten Turbinenkreislaufes wenigstens ein Wärmetauscher vorgesehen ist, der baulich mit einem Kondensator des ersten Turbinenkreislaufes zusammengefasst ist, um wärme von dem Kondensator zu extrahieren. Da die Verbrennungsprodukte im Kondensator eine vergleichsweise niedrige Temperatur besitzen, kann dieser Wärmetauscher vorteilhaft insbesondere für eine ”Vorerwärmung” des Arbeitsmedium im zweiten Turbinenkreislauf genutzt werden (wobei im weiteren Verlauf also noch ein Überhitzer oder Dampferzeuger zur Aufbereitung des Arbeitsmediums unmittelbar vor dem Eingang der zweiten Expansionsturbine angeordnet ist). Alternativ kann dieser Wärmetauscher auch zur Verdampfung und/oder Überhitzung des Arbeitsmediums im zweiten Kreislauf genutzt werden.
Schließlich ist gemäß der Erfindung vorgesehen, dass im Verlauf des ersten Turbinenkreislaufes, insbesondere in einem Kondensator des ersten Turbinenkreislaufes, ein Gas aus den Verbrennungsprodukten abgetrennt und über einen Gaskühler abgeführt wird, wobei aufgrund einer Ausbildung des Gaskühlers als ein Wärmetauscher Wärme aus dem abgetrennten Gas auf das Arbeitsmedium des zweiten Turbinenkreislaufes übertragen wird. Bei dem abgetrennten Gas kann es sich insbesondere um CO₂ handeln, welches insbesondere bei der Verbrennung eines Kohlenwasserstoffes wie z. B. Methan anfällt. Bei einer Abtrennung des Gases in einen Kondensator (bzw. baulich zusammengefasst mit einem Kondensator) des ersten Turbinenkreislaufes kann der zur Übertragung von Wärme aus dem abgetrennten Gas vorgesehene Wärmetauscher vorteilhaft insbesondere wieder zur Vorerwärmung des Arbeitsmediums des zweiten Turbinenkreislaufes genutzt werden (d. h. im Verlauf des zweiten Turbinenkreislaufes noch vor einem Überhitzer bzw. Verdampfer).
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass für die Übertragung von Wärme auf das Arbeitsmedium des zweiten Turbinenkreislaufes wenigstens ein Wärmetauscher vorgesehen ist, mittels welchem Wärme in einen im zweiten Turbinenkreislauf unmittelbar vor der zweiten Expansionsturbine liegenden Kreislaufabschnitt übertragen wird. Ein derartiger Wärmetauscher kann vorteilhaft insbesondere einen Überhitzer bzw. Verdampfer für das Arbeitsmedium dienen und ist bevorzugt ein Wärmetauscher, der (wie weiter oben bereits erwähnt) Wärme von einem Kreislaufabschnitt des ersten Turbinenkreislaufes bezieht, der zwischen der Brennkammer und der ersten Expansionsturbine liegt.
Nochmals zurückkommend auf die oben bereits beispielhaft erwähnten drei Gestaltungsmöglichkeiten für den zweiten Turbinenkreislauf (Wasser/Wasserdampf, CO₂ oder organisches Arbeitsmedium) sei folgendes angemerkt:
Für einen Wasser/Wasserdampf (H₂O)-Kreislauf ist es bei einem Wärmetauscher von Vorteil, wenn die Druckniveaus der beiden Wärmetauscherseiten wenigstens annähernd gleich groß sind (z. B. um weniger als einen Faktor 1,5 voneinander verschieden). Hierdurch können zur Erzielung einer relativ geringen Baugröße des Wärmetauschers vorteilhaft Wärmeübergänge beiderseits der Wärmetauscher-Wärmeübertragungsflächen angeglichen werden.
Außerdem wird für den Wasser/Wasserdampf-Kreislauf eine regenerative Speisewasservorwärmung vorgeschlagen, bei welcher Wärme aus dem oben genannten Gaskühler dieser Speiserwasservorwärmung nachgeschaltet oder in sie integriert ist. Weiterhin kann die Wärme aus dem Gaskühler auch zu Verdampfungs-, Überhitzungs- oder Zwischenüberhitzungszwecken im zweiten Turbinenkreislauf genutzt werden.
Für den Fall von CO₂ als Arbeitsmedium des zweiten Turbinenkreislaufes ergibt sich z. B. der Vorteil, dass bei der Expansion von CO₂ in niedrige Druckbereiche im Allgemeinen kleinere Anlagengrößen benötigt werden, als bei einem Wasser/Wasserdampf-Kreislauf. Im Rahmen der Erfindung kann das Arbeitsmedium des zweiten Turbinenkreislaufes (z. B. CO₂) z. B. in einem überkritischen Zustand verwendet werden. Alternativ kann das Arbeitsmedium z. B. zumindest in Teilen des Kreislaufes in einem unterkritischen Zustand verwendet werden.
Ähnlich wie für einen Wasser/Wasserdampf-Kreislauf als zweiten Turbinenkreislauf ist auch für einen CO₂-Kreislauf eine Speisemedium-Vorerwärmung vorteilhaft, um hohe Wirkungsgrade des Kreislaufes zu erreichen. Die Vorerwärmung kann z. B. durch eine Übertragung von Wärme von dem Medium im Expansionsverlauf (erste Expansionsturbine) als auch z. B. durch Medium nach der Expansion erfolgen (Je nach Kreisprozess ist das CO₂ am Expansionsendpunkt noch überhitzt). Wieder kann Wärme z. B. aus einem Prozessgaskühler für Verdampfungs-, Überhitzungs- oder Zwischenüberhitzungszwecke im ersten Turbinenkreislauf genutzt werden.
Im Falle der Verwendung eines organischen Arbeitsmediums für den zweiten Turbinenkreislauf ist insbesondere an Arbeitsmedien zu denken, die aus dem Stand der Technik zu so genannten ORC (”organic rankine cycle”)-Prozessen bekannt sind. Hierzu zählen beispielsweise Alkane, Zycloalkane, oder fluorierte Kohlenwasserstoffe wie z. B. Kältemittel (z. B. R1234yf, R1234ze, R245fa, R134a oder andere).
Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung wird die eingangs gestellte Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung nach Anspruch 7.
Die oben bereits für das erfindungsgemäße Verfahren beschriebenen besonderen Ausgestaltungen und Weiterbildungen können in analoger Weise auch, einzeln oder in beliebiger Kombination, zur Schaffung entsprechender Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung weiter beschrieben. Es stellt dar:
1 eine Vorrichtung zur Energieumwandlung gemäß eines Ausführungsbeispiels.
1 zeigt eine Vorrichtung 10 zur Energieumwandlung, mit einer Brennkammer 12, welcher im dargestellten Beispiel Methan (CH₄) und Sauerstoff (O₂) zugeführt und aus welcher resultierende Verbrennungsprodukte, hier also Wasser (H₂O) und Kohlendioxid (CO₂) mit einem Druck von z. B. etwa 260 bar und einer Temperatur von z. B. etwa 600°C abgeführt werden. Unter diesen Bedingungen liegt das Gemisch der Verbrennungsprodukte in gasförmiger Form als Wasserdampf/Kohlendioxid-Gemisch vor.
Die Brennkammer 12 ist eine Komponente eines ersten Turbinenkreislaufes 14, in welchem der Brennkammer 12 nachfolgend eine erste Expansionsturbine 16 angeordnet ist.
Die aus der Verbrennung resultierenden Verbrennungsprodukte H₂O und CO₂ werden der ersten Expansionsturbine 16 an einem Einlass zugeführt und über zwei Turbinenstufen, eine Hochdruckstufe 16-1 und eine Niederdruckstufe 16-2, in an sich bekannter Weise expandiert, um eine erste mechanische Drehenergie zu erzeugen, die im dargestellten Beispiel wiederum mittels eines ersten elektrischen Generators G1 in elektrische Energie weitergewandelt wird.
Wie aus 1 ersichtlich, ist bei der Turbine 16 in an sich bekannter Weise ein so genannter Zwischenüberhitzungskreis 16-3 zur Effizienzsteigerung vorgesehen.
Die mittels der Turbine 16 expandierten und somit in Druck und Temperatur verringerten Verbrennungsprodukte werden an einem Auslass der Turbine 16 abgeführt und einer im ersten Turbinenkreislauf 14 nachgeordneten Abscheide/Kondensationseinrichtung 18 zugeführt.
Die Abscheide/Kondensationseinrichtung 18 ist eine Kombination eines Kondensators zum Kondensieren des Wasseranteils im Gemisch der Verbrennungsprodukte, eines Abscheiders zum Abtrennen eines bevorzugt großen Anteils von CO₂ und zum Abtrennen eines Teils des H₂O aus den Verbrennungsprodukten, und eines Wärmetauschers zur Extraktion von Wärme aus diesen Verbrennungsprodukten. Hinsichtlich der Funktionalität der Einrichtung 18 als Wärmetauscher könnte man auch sagen, dass der mit der Einrichtung 18 ausgebildete Kondensator mit einer ”aktiven Wärmeabfuhr” versehen ist.
Das abgetrennte CO₂ wird im dargestellten Beispiel über einen Prozessgaskühler 20 geführt, um bei 22 in die Atmosphäre entlassen oder wie beim dargestellten Beispiel zuvor mittels eines Kompressors 23 komprimiert und einer anderweitigen Nutzung zugeführt zu werden.
Der Gaskühler 20 ist ebenso wie die Abscheide/Kondensationseinrichtung 18, nachfolgend auch kurz als ”Kondensator 18” bezeichnet, als Wärmetauscher ausgebildet.
Der erste Turbinenkreislauf 14 umfasst des Weiteren noch eine dem Kondensator 18 nachgeordnete erste Aufbereitungseinrichtung 24, die wie dargestellt aus einem ersten Vorwärmer, einer Pumpe und einem zweiten Vorwärmer gebildet ist und ausgangsseitig mit einem Einlass der Brennkammer 12 verbunden ist, um den ersten Turbinenkreislauf 14 zu schließen und somit die im Kreislauf expandierten und von CO₂ und teilweise H₂O befreiten Verbrennungsprodukte (hier also eine verbleibende Menge an H₂O) wieder der Brennkammer 12 zuzuführen.
Durch die am Kondensator 18 vorgenommene Abscheidung von H₂O wird in einem stationären Betrieb des ersten Turbinenkreislaufes 14 die Entstehungsrate an H₂O durch den Verbrennungsprozess kompensiert, d. h. H₂O im zeitlichen Mittel mit gleicher Rate dem Kreislauf wieder entnommen. Analoges gilt für den CO₂-Anteil, d. h. die Abtrennung von CO₂ mittels des Kondensators 18 kompensiert mengenmäßig die Entstehung von CO₂ beim Verbrennungsprozess.
Eine Besonderheit der dargestellten Vorrichtung 10 besteht darin, dass ein dem ersten Turbinenkreislauf 14 gewissermaßen ”(thermisch) unterlagerter” zweiter Turbinenkreislauf 30 angegliedert ist, welcher eine zweite Expansionsturbine 32 zur Erzeugung einer zweiten mechanischen Drehenergie aufweist.
Im dargestellten Beispiel ist die zweite Turbine 32 wieder zweistufig aus einer ersten Turbinenstufe (Hochdruckstufe) 32-1 und einer zweiten Turbinenstufe (Niederdruckstufe) 32-2 gebildet und wie bei der ersten Turbine 16 wird auch bei der zweiten Turbine 32 die mechanische Drehenergie mittels eines elektrischen Generators G2 in elektrische Energie weitergewandelt.
Der zweite Turbinenkreislauf 30 wird mittels eines eigenen Arbeitsmediums betrieben, welches unabhängig vom Arbeitsmedium des ersten Turbinenkreislaufes 14 gewählt werden kann und im dargestellten Beispiel z. B. ein organisches Arbeitsmedium mit vergleichsweise (im Vergleich zu Wasser) niedrigem Siedepunkt ist, welches im zweiten Turbinenkreislauf zirkuliert. Der zweite Turbinenkreislauf 30 ist wie der erste Turbinenkreislauf 14 als ein Kondensationsturbinenkreislauf ausgebildet.
Wesentlich ist hierbei, dass wenigstens ein, bevorzugt jedoch mehrere Wärmetauscher vorgesehen sind, mit denen das Arbeitsmedium des zweiten Turbinenkreislaufes 30 durch Übertragung von Wärme aus dem ersten Turbinenkreislauf 14 erwärmt wird. Mit anderen Worten wird der zweite Turbinenkreislauf 30 energetisch wenigstens teilweise aus dem ersten Turbinenkreislauf 14 gespeist.
Einer dieser Wärmetauscher wurde oben bereits erwähnt, nämlich der von der Abscheide/Kondensationseinrichtung bzw. dem Kondensator 18 des ersten Turbinenkreislaufes 14 gebildete Kondensator 18, welcher wie bereits erwähnt Wärme aus dem ersten Turbinenkreislauf 14 extrahiert. Diese übertragene Wärme bzw. der Kondensator 18 ist dementsprechend sekundärseitig in den zweiten Turbinenkreislauf 30 integriert und bildet dort wie aus 1 ersichtlich z. B. eine Vorerwärmungseinrichtung für das kondensierte Arbeitsmedium.
Eine weitere im zweiten Turbinenkreislauf 30 angeordnete Vorwärmeinrichtung für das kondensierte Arbeitsmedium wird im dargestellten Beispiel von dem bereits beschriebenen Gaskühler 20 des ersten Turbinenkreislaufes 14 gebildet, d. h. auch dieser Gaskühler 20 ist sekundärseitig in den zweiten Turbinenkreislauf 30 eingebunden.
Im zweiten Turbinenkreislauf 30 dem Wärmetauscher bzw. Kondensator 18 nachgeordnet ist ein weiterer Wärmetauscher 34 zum Übertragen von Wärme aus einem zwischen der Brennkammer 12 und der ersten Turbine 16 liegenden Abschnitt des ersten Turbinenkreislaufes 14 auf einen zwischen dem Kondensator 18 und der zweiten Turbine 32 liegenden Abschnitt des zweiten Turbinenkreislaufes 30. Der Wärmetauscher 34 wird mithin vorteilhaft als Verdampfer oder Überhitzer für das im zweiten Turbinenkreislauf 30 zirkulierende Arbeitsmedium genutzt.
Ein Auslass der zweiten Turbine 32 ist wie dargestellt über einen zweiten Kondensator 36 und eine zweite Kondensataufbereitungseinrichtung 38 mit einem Einlass des Gaskühlers 20 (dessen thermischer Sekundärseite) verbunden, um den zweiten Turbinenkreislauf 30 zu schließen. Die Aufbereitungseinrichtung 38 ist im dargestellten Beispiel ähnlich wie diejenige des ersten Turbinenkreislaufes aus einer Hintereinanderanordnung eines ersten Vorwärmers, einer Arbeitsmediumpumpe und eines zweiten Vorwärmers gebildet.
Die zum Betrieb des Kompressors 23 und der Pumpen in den beiden Aufbereitungseinrichtungen 24, 38 eingesetzten Antriebsmotoren sind jeweils mit M bezeichnet.

Claims

Verfahren zur Energieumwandlung, bei welchem einer Brennkammer (12) Brennstoff und Sauerstoff zugeführt und resultierende Verbrennungsprodukte mit erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur aus der Brennkammer (12) abgeführt und in einem ersten Turbinenkreislauf (14) einer ersten Expansionsturbine (16) zur Erzeugung einer ersten mechanischen Drehenergie zugeführt werden und die expandierten Verbrennungsprodukte von der ersten Expansionsturbine (16) abgeführt und wenigstens teilweise über den ersten Turbinenkreislauf (14) wieder der Brennkammer (12) zugeführt werden, und wobei ein zweiter Turbinenkreislauf (30) enthaltend eine zweite Expansionsturbine (32) zur Erzeugung einer zweiten mechanischen Drehenergie mittels eines im zweiten Turbinenkreislauf (30) zirkulierenden Arbeitsmediums betrieben wird und das Arbeitsmedium unter Einsatz wenigstens eines Wärmetauschers (18, 34) durch Übertragung von Wärme aus dem ersten Turbinenkreislauf (14) erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund einer baulichen Zusammenfassung des Wärmetauschers (18) mit einem Kondensator (18) des ersten Turbinenkreislaufes (14) Wärme von dem Kondensator (18) extrahiert wird und ein Gas aus den Verbrennungsprodukten abgetrennt und über einen Gaskühler (20) abgeführt wird, wobei aufgrund einer Ausbildung des Gaskühlers (20) als ein Wärmetauscher (20) wärme aus dem abgetrennten Gas auf das Arbeitsmedium des zweiten Turbinenkreislaufes (30) übertragen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Verbrennungsprodukte Wasser und/oder Kohlendioxid enthalten.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der zweite Turbinenkreislauf (30) auf einem niedrigerem Temperaturniveau als der erste Turbinenkreislauf (14) betrieben wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei für den zweiten Turbinenkreislauf (30) als Arbeitsmedium Wasser/Wasserdampf oder Kohlendioxid oder ein organisches Arbeitsmedium vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei für die Übertragung von Wärme aus dem ersten Turbinenkreislauf (14) auf das Arbeitsmedium des zweiten Turbinenkreislaufes (30) wenigstens ein Wärmetauscher (34) vorgesehen ist, mittels welchem Wärme von einem im ersten Turbinenkreislauf (14) zwischen der Brennkammer (12) und der ersten Expansionsturbine (16) liegenden Kreislaufabschnitt extrahiert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei für die Übertragung von Wärme auf das Arbeitsmedium des zweiten Turbinenkreislaufes (30) wenigstens ein Wärmetauscher (34) vorgesehen ist, mittels welchem Wärme in einen im zweiten Turbinenkreislauf (30) unmittelbar vor der zweiten Expansionsturbine (32) liegenden Kreislaufabschnitt übertragen wird.
Vorrichtung zur Energieumwandlung, mit einer Brennkammer (12), welcher Brennstoff und Sauerstoff zugeführt und aus welcher resultierende Verbrennungsprodukte mit erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur abgeführt und in einem ersten Turbinenkreislauf (14) einer ersten Expansionsturbine (16) zur Erzeugung einer ersten mechanischen Drehenergie zugeführt werden können, wobei die expandierten Verbrennungsprodukte von der ersten Expansionsturbine (16) abgeführt und wenigstens teilweise über den ersten Turbinenkreislauf (14) wieder der Brennkammer (12) zugeführt werden, und mit einem zweiten Turbinenkreislauf (30) enthaltend eine zweite Expansionsturbine (32) zur Erzeugung einer zweiten mechanischen Drehenergie mittels eines im zweiten Turbinenkreislauf (30) zirkulierenden Arbeitsmediums, und mit wenigstens einem Wärmetauscher (18, 34) zur Erwärmung des Arbeitsmediums durch Übertragung von Wärme aus dem ersten Turbinenkreislauf (14), dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (18) baulich mit einem Kondensator (18) des ersten Turbinenkreislaufes (14) zusammengefasst ist, um Wärme von dem Kondensator (18) zu extrahieren und auf das Arbeitsmedium zu übertragen und um ein Gas aus den Verbrennungsprodukten abzutrennen und über einen Gaskühler (20) abzuführen, wobei der Gaskühler (20) als ein weiterer Wärmetauscher (20) zur Übertragung von Wärme aus dem abgetrennten Gas auf das Arbeitsmedium des zweiten Turbinenkreislaufes (30) ausgebildet ist.
Vorrichtung zur Energieumwandlung nach Anspruch 7, wobei der Druck, mit welchem die resultierenden Verbrennungsprodukte aus der Brennkammer abgeführt und im ersten Turbinenkreislauf der ersten Expansionsturbine zugeführt werden, in einem Bereich von 80 bis 300 bar, insbesondere in einem Bereich von 120 bis 260 bar liegt.