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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbessern der Energieeffizienz in bestehenden Gasturbinen-Kombikraftwerken.
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In den derzeitigen Gasturbinen-Kombiprozessen setzt ein Kompressor die Luft unter Druck,
die mit dem Brennstoff in der Brennkammer verbrannt wird, gefolgt von der Turbine und dem Abhitzekessel, in dem das Wasser aus dem sekundären Prozesszyklus verdampft wird. Der sekundäre Prozessumlauf umfasst einen normalen Dampfprozess, bei dem neueste Großkraftwerke eine Zwischenüberhitzung von Dampf verwenden. Dies liegt daran, dass die Höchsttemperatur der Gasturbine und damit die Temperatur der Verbrennungsgase so hoch geworden sind, dass sie einen höheren maximalen Druck in dem Gasturbinenprozess und in dem Rankine-Dampfprozess ermöglichen, der ohne Zwischenüberhitzung bewirken würde, dass der Wassergehalt des Dampfs zu hoch werden würde. In dem sekundären Prozess wird der Dampf nach der Niederdruckturbine in dem Kondensator zu Wasser kondensiert, wobei das Wasser dann von der Pumpe auf den maximalen unter Druck gesetzt und in einem Abhitzekessel vorgewärmt und verdampft wird. Im Anschluss an den Abhitzekessel tritt der Dampf in die Dampfturbinen des Prozessumlaufs ein. Großkraftwerke nutzen einen so genannten Zweidruckstufenprozess. Dies ist auf die überschüssige Wärme in dem Niedertemperaturbereich zurückzuführen. In einem erfindungsgemäßen Kraftwerk wird dieses „Problem“ auf andere Weise gelöst. Es gibt noch ein weiteres Problem in bestehenden Kombikraftwerken, und diese Patentanmeldung besteht aus einer gleichzeitigen Lösung für beide dieser Probleme. Ein weiteres, ebenso großes - und noch größeres - Problem ist die Nutzung der Kondensationswärme des bei der Verbrennung erzeugten Dampfes und bei bestehenden Kraftwerken seine Nichtnutzung.
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Gegenwärtig wird bei der Verwendung von Erdgas als Brennstoff die Elektrizität in der Regel in einem kombinierten Gasturbinen-Dampfkraftwerksprozess erzeugt. Künftig wird in dem so genannten Vorverbrennungsprozess der Brennstoff, wie Kohle, vergast und in Wasserstoff und Kohlendioxid umgewandelt, wovon der Wasserstoff in der Gasturbine verbrannt wird. Das Problem ist die hohe Austrittstemperatur der Verbrennungsgase in dem so genannten Basisprozess, da der so genannte Abflachungspunkt des Dampfes die Wärmeübertragung des Abhitzekessels begrenzt (der Abflachungspunkt ist der Punkt, an dem die Verdampfung des Wassers beginnt). Dieses Problem wurde teilweise durch die Verwendung des Zweidruckstufenprozesses gelöst, doch ist in dem Prozess die Teileffizienz der unteren Druckstufe relativ gering. Derzeit liegt die höchste Effizienz eines Kraft-Wärme-Kopplungskraftwerks in der Welt wahrscheinlich bei etwas über 64 %.
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Kombinierte Kraftwerke mit der höchsten Betriebseffizienz sind Zweidruckstufenprozesse, weil sie eine Erfindung, die nur in dieser Patentanmeldung offenbart wird, nicht nutzen. Der Nutzen der zusätzlichen Verbrennung des Restsauerstoffs, der in den Gasturbinenverbrennungsgasen (die Verbrennungsgase enthalten noch etwa die Hälfte des Sauerstoffs) zu Beginn des Abhitzekessels vorliegt, ist begrenzt, denn nachdem die Temperatur der Verbrennungsgase um ungefähr 150 Grad gestiegen ist, sind die hT-Linien der hT-Zeichnung für Verbrennungsgase und Wasservorwärmung ähnlich, d. h. sie haben ungefähr die gleiche Steigung. Derzeit erfolgt die Zwischenüberhitzung häufig in der Strömungsrichtung zwischen dem Überhitzer und dem Verdampfer, was die Temperatur der Verbrennungsgase absenkt und aufgrund des Abflachungspunkts zu einer noch höheren Austrittstemperatur der Verbrennungsgase führt, was bei bestehenden Kraftwerken durch die Verwendung eines Zweidruckstufenprozesses vermieden wird. Der Vorteil dieser Erfindung basiert auf der Tatsache, dass sie die überschüssige Energie nutzt, die nach dem „Abflachungspunkt“ bei der Zwischenüberhitzung von Dampf verbleibt, und gleichzeitig die Kondensationswärme des durch die Verbrennung erzeugten Dampfes nutzt, um den feuchten Dampf vor der Zwischenüberhitzung bis zu einem gesättigten Punkt zu verdampfen. In 1, wird der Sättigungspunkt nur in dem Wärmetauscher (15b) erreicht, da ein Teil der Abgase in einen zu dem Wärmetauscher (15a) parallelen Wärmetauscher (15b) passiert. Ungefähr 2/3 des Massenstroms reichen für die Vorwärmung des Wassers aus, und ungefähr 1/3 des Massenstroms bleibt dann für die Zwischenüberhitzung übrig. Dies ist fast genau die optimale Menge, die für die Zwischenüberhitzung benötigt wird.
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Die Neuheit in der erfinderischen Gesamtheit ist also ebenso die Erhöhung der Dampfenthalpie vor der Zwischenüberhitzung mit der Kondensationswärme des in den Verbrennungsgasen enthaltenen Dampfes - schließlich wird bei der Verbrennung des Brennstoffs natürlich Dampf ausgebildet. Da die Verbrennungsgase bei einem Druck von 1 atm aus dem Prozess entfernt werden, muss der Druck des mit den Verbrennungsgasen zu erhitzenden Dampfes natürlich niedriger sein als dieser. In der Praxis könnten bei einer kommerziellen Version 0,7 bar recht nahe sein. In einigen Konstruktionen ist die Energie, die durch die Kondensationswärme des in den Verbrennungsgasen enthaltenen Dampfes freigesetzt wird, höher als die von dem Dampf in dem Prozessumlauf absorbierte Energie, sodass es nützlich ist, dem Dampf in dem Prozessumlauf zusätzliches Wasser mit dem Zwischenüberhitzungsdruck zuzuführen. Die Erfindung unterscheidet sich von den derzeitigen zweistufigen (Druck-) Gasturbinen-Kombikraftwerken dadurch, dass in den bestehenden Kraftwerken überschüssige Niedertemperaturverbrennungsgase für die Verdampfung von Wasser verwendet werden, während in der Erfindung überschüssige Niedertemperaturverbrennungsgase für die Erhöhung der Dampfkonzentration und für die Zwischenüberhitzung des Dampfes verwendet werden. In dieser Patentanmeldung wird offenbart, dass es sehr viel vorteilhafter ist, die Zwischenüberhitzung auf v bei einem Druck von weniger als 1 atm anzuwenden als bei dem Zwischenüberhitzungsdruck, der in bestehenden Kombikraftwerken verwendet wird.
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Dieser Druckpegel in den bestehenden Kraftwerken ist darauf zurückzuführen, dass bei dem Dampfprozess das Zielt ist, eine Zwischenüberhitzung bei einer relativ hohen Temperatur anzuwenden, was zu einer hohen Durchschnittstemperatur der eingebrachten Wärme führt, was gemäß der theoretischen Camot-Gleichung zu einer hohen Effizienz führt, d. h. je höher der Zwischenüberhitzungsdruck, desto höher die Camot-Effizienz. Und je niedriger der Zwischenüberhitzungsdruck ist, desto geringer ist die Carnot-Effizienz Es widerspricht daher der Theorie und der Vernunft, eine Zwischenüberhitzung bei einem Druck von weniger als 1 bar auf Dampf anzuwenden, d. h. es ist für einen Fachmann keine offensichtliche Lösung. Dies führt aber letztlich zu einer höheren Effizienz, weil die Kondensationswärme des bei der Verbrennung ausgebildeten Dampfes genutzt werden kann.
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Es gibt noch viele andere Aspekte, die dafür sprechen, dass die Erfindung für den Fachmann nicht offensichtlich ist. So wurde die Kondensationswärme des bei der Verbrennung ausgebildeten Dampfes bisher nicht für die Zwischenüberhitzung verwendet, um den Enthalpie-/Dampfgehalt des Prozessdampfes zu erhöhen, was die Effizienz erheblich verbessert, da bei der Kondensation des Dampfes praktisch kein Energieverlust auftritt. Darüber hinaus ist das Verfahren in der Literatur/Forschung nicht offenbart worden, wobei das Verfahren die mit Abstand höchste thermische Effizienz der Welt erreicht, und natürlich gibt es diese Kraftwerken noch nicht, da die erfinderische Idee erst in dieser Patentanmeldung offenbart worden ist. Im gegenteiligen Fall würden der Wettbewerb und der Druck der Käufer sehr wahrscheinlich dazu führen, dass die Erfindung in den im Betrieb stehenden Kraftwerken umgesetzt würde. In der Literatur wurde es als unmöglich angesehen, eine thermische Effizienz von 70 % mit einem kombinierten Gasturbinenkreislauf zu erreichen, ohne eine Brennstoffzelle damit zu kombinieren, aber die fortschrittlichste Version der Erfindung, die mit 3D-Schaufeln versehen ist, kann einen Effizienz von 70 % auch ohne eine Brennstoffzelle erreichen (natürlich kann eine Brennstoffzelle ebenso mit der Erfindung kombiniert werden). In dem Patentrecht bedeutet „offensichtlich“ z. B. die Ersetzung von Erdgas durch vergaste Kohle oder dergleichen, nicht jedoch erhebliche neuartige, nicht offenbarte erfinderische Merkmale, durch die ein erheblicher zusätzlicher Vorteil erzielt wird.
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Ein weniger verbreiteter Gasturbinenprozess ist der so genannte STIG- (Gasturbine mit eingeblasenem Dampf) Prozess, bei dem der Gasturbine Dampf zugeführt wird. Er eignet sich ebenso für die Verwendung in einem erfindungsgemäßen Kraftwerk, und der Basisprozess oder die STIG-Gestaltung ermöglicht das Erreichen einer Elektrizitätsproduktionseffizienz von etwa 67 bis 68,5 %. Es sei darauf hingewiesen, dass bei allen bestehenden Gasturbinen mit Kühlung der ersten Schaufeln etwa 10 % des Luftmassenstroms nach der Ladung für die Kühlung des Brennkammerkanals und der Turbinenschaufeln abgezogen werden. Natürlich kann anstelle von Luft auch Dampf oder ein Luft-Dampf-Gemisch verwendet werden. Wenn das Kraftwerk ein so genanntes KWK-(Kraft-Wärme-Kopplung) Kraftwerk ist, kann beispielsweise überschüssige Niedertemperaturwärme genutzt werden, sodass es zu einer zusätzlichen Verbrennung in dem Abhitzekessel oder alternativ zu einer etwa 150 Grad Celsius höheren Temperaturdifferenz bei dem Eintritt der Verbrennungsgase in den Abhitzekessel kommt. Die Elektrizitätserzeugungseffizienz der vorstehend genannten zusätzlichen Verbrennung liegt bei etwa 57-58 % in einem CCGT-KWK-Kraftwerk! So kann beispielsweise bei der Holzverbrennung eine sehr hohe (zusätzliche) Effizienz erreicht werden, verglichen mit der von etwa 35 % in derzeitigen Rankine-KWK-Kraftwerken. Die Erfindung ist jedoch besonders bei kombinierten Kreislaufprozessen mit niedrigem Kondensatordruck nützlich. Dafür wird wiederum kaltes Kühlwasser benötigt. Es ist ebenso in tropischen Gebieten erhältlich, da das Wasser in einer Tiefe von etwa 40 m auch dort sehr kalt ist. Es sollte ebenso erwähnt werden, dass dem Abhitzekessel bei Bedarf zusätzliche Luft zugeführt werden kann. Die offensichtliche Lösung für einen Fachmann ist das Vorheizen der zusätzlichen Luft. Die Erfindung ist ebenso relativ gesehen wettbewerbsfähiger, wenn sie mit reinem Wasserstoff oder einem Gemisch aus Wasserstoff und Erdgas betrieben wird.
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Dies ist auf die Nutzung der Kondensationswärme des bei der Verbrennung ausgebildeten Dampfes zurückzuführen.
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Das U.S.-Patent
US2014/0250906 A1 offenbart einen kombinierten Gasturbinenkreislaufprozess. Es unterscheidet sich jedoch in wesentlichen Punkten von der vorliegenden Erfindung. Die erfinderische Idee des besagten U.S.-Patents besteht darin, zwei Brennkammern und eine Vakuumexpansion der Verbrennungsgase zu kombinieren. Die damit kombinierte Zwischenüberhitzung des Rankine-Dampfprozesses erfolgt mittels der Abhitze des Kompressors, genauer gesagt mit dem Kompressor, der die Verbrennungsgase auf atmosphärischen Druck unter Druck setzt. Die besagte Erfindung weist keine Vakuumexpansion in der Gasturbine auf, und indem man das besagte U.S.-Patent damit in Einklang bringt, wird ebenso das erfinderische Merkmal entfernt, d. h. die U.S.-Erfindung existiert nicht ohne Vakuumexpansion und die Expansion auf ein Vakuum von mindestens 0,5 bar ist genau aus diesem Grund in den Patentansprüchen enthalten. Ohne Vakuumexpansion entspricht das genannte U.S.-Patent dem Alstom-Gasturbinen-Kombikraftwerk mit zwei Brennkammern. In der Erfindung
US2014/0250906 A1 erfolgt die Zwischenüberhitzung auf die endgültige maximale Temperatur derart, dass der gesamte Dampfmassenstrom über einen Wärmetauscher in die Niederdruckdampfturbine eintritt, der die Abhitze des Vakuumkompressors nutzt. Die Hauptlösung des U.S.-Patents ist ein Zweidruckstufenprozess, der derzeit die gängigste Lösung für die Nutzung überschüssiger Wärme in dem Niedertemperaturbereich ist. Das wichtigste erfinderische Merkmal bezieht sich jedoch auf die Nutzung der Kondensationswärme des bei der Verbrennung ausgebildeten Dampfes. Vorstehend wurde die Zwischenüberhitzung als irrational beschrieben. Dies liegt zum Teil daran, dass bei einem „einfachen“ Rankine-Prozess das Ziel darin besteht, den Zwischenüberhitzungsdruck derart zu wählen, dass die durchschnittliche Temperatur der eingebrachten Wärme so hoch wie möglich ist und die Endtemperatur der Zwischenüberhitzung mit der Höchsttemperatur des Rankine-Prozesses übereinstimmt. Das bedeutet, dass der Zwischenüberhitzungsdruck relativ hoch sein muss. In dem beiliegenden U.S.-Patent wurden die Überhitzungszwischendrücke (Tabellen) von 2,4 bar und 4,42 bar gewählt, wobei letzterer eine höhere Effizienz bereitstellt. Dies ist auf den gleichen Grund zurückzuführen, d. h. dass die theoretische Carnot-Effizienz des Prozesses dann höher ist. Eine Absenkung des Überhitzungszwischendrucks von 2,4 bar auf 1 bar reduziert die Effizienz noch stärker als die Carnot-Effizienz, da die Exergieverluste in dem Bereich des feuchten Dampfes zunehmen (außer bei der vorliegenden neuartigen Erfindung). Aus diesem Grund wird in der Veröffentlichung „Structured Steam Turbines for the Combined-Cycle Market“ von General Electric, einem großen Hersteller, der optimale Zwischenüberhitzungsdruck in Gasturbinen-Kombikraftwerken in dem Rankine-Prozess unter „IP Admission and Reheat Pressure“ erörtert, ein optimaler Zwischenüberhitzungsdruck von 23 bar, 25,2 bar oder ein Druck in diesem Bereich angegeben. Daher ist ein Überhitzungszwischendruck von weniger als 1 atm für einen Fachmann keine offensichtliche Wahl. Wenn jedoch der Zwischenüberhitzungsdruck auf weniger als 1 bar verringert wird, ergibt sich als Endergebnis die vorliegende Erfindung, die die Energie- und Exergieverlustprobleme der derzeitigen Kombikraftwerke mit einer einzigen Lösung löst. Darüber hinaus wurde dokumentiert, dass das Unternehmen, das den Artikel verfasst hat, im Jahr 2015 über das Patent
US2014/0250906 A1 informiert worden ist.
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Mit anderen Worten: In dem genannten U.S.-Patent kann die Kondensationswärme des bei der Verbrennung ausgebildeten Dampfes nicht genutzt werden. Darin heißt es (Absatz 19): „In den bestehenden Kraftwerken wird der Dampf in dem besagten U.S.-Patent bei atmosphärischem Druck und im Vakuum kondensiert, was zu einem geringeren Energieverlust führt“. Dies ist also mit einer niedrigeren Kondensationstemperatur verknüpft. Wie aus der Figur in dem U.S.-Patent ersichtlich ist, kann der bei der Verbrennung ausgebildete Dampf nicht in dem Wärmetauscher (15) genutzt werden, da es in den Verbrennungsgasen zu diesem Zeitpunkt keinen Dampf gibt. Bei der vorliegenden Erfindung kann die Kondensationswärme des bei der Verbrennung ausgebildeten Dampfes für den Zwischenüberhitzungsdruck (Vakuum) und/oder für die Verdampfung von zusätzlichem Wasser genutzt werden. Dadurch wird die Effizienz erheblich verbessert, und die Effizienzerhöhung kann nicht als offensichtlich angesehen werden, da die Verwendung des Verfahrens in der Literatur/auf Wikipedia bisher nicht verwendet oder offenbart wurde. Die bekannteste der Erfindungen bezüglich des Drucks ist wahrscheinlich der Schnellkochtopf, der zum Kochen verwendet wird. Er verändert nur den Druckpegel, jedoch wird in der vorliegenden Erfindung ebenso die der Phasenausbildung zugeordnete Energie genutzt. Ihre Nutzung wird maximiert, da zusätzliches Wasser in flüssiger Form in das Vakuum eingebracht wird, wobei das Wasser durch die Kondensationswärme des bei der Verbrennung ausgebildeten Dampfes verdampft wird. Dadurch erhöht sich der Massenstrom der Niederdruckdampfturbine. In dem Patent
US2014/0250906 A1 erfolgt die Verdampfung von zusätzlichem Wasser (alles Wasser, das nicht in die Hochdruckdampfturbine eintritt) nicht mittels der Kondensationswärme des Dampfes aus den Verbrennungsgasen, weil nach dem Niedertemperaturwärmetauscher (Abhitzekessel) sein Druck durch ein Ventil vor dem Wärmetauscher (15) und der Niederdruckturbine reduziert wird. Somit verfügt der Abhitzekessel (12a) nicht über genügend Energie/Wärme für eine Zwischenüberhitzung, was zum Teil der Stand der Technik der vorliegenden Erfindung ist und für diese notwendig ist. Somit sind 2/3 für die Verdampfung und 1/3 für die Zwischenüberhitzung ausreichend. In der Literatur existieren einige Veröffentlichungen von vor ein paar Jahren: „Optimization of dual pressure combined cycle by the pinch method“ von 2016 wählt 10 bar als den maximalen Druck des zusätzlichen Wasserkreislaufs.
3 aus „Thermodynamic modelling and optimization of a dual pressure reheat combined power cycle“ (Seema S. Bilur, usw.) zeigt, dass die Kondensationswärme des bei der Verbrennung ausgebildeten Dampfes nicht in dem Zwischenüberhitzungsprozess und nicht in dem Zweidruckprozess (Verdampfung bei ungefähr 170 C) genutzt wird. Der Zwischenüberhitzungsdruck von etwas mehr als 20 bar in der vorstehend erwähnten Veröffentlichung eines der führenden Hersteller, GE, bedeutet eine Zwischenüberhitzung bei einer Temperatur von ungefähr 600 K 873 K (durchschnittliche Temperatur von 736,5 K), was eine Carnot-Effizienz der Zwischenüberhitzungseffizienz von 59,3 % bei einer Mindesttemperatur von 300 K (Kondensator) ergibt, der niedriger ist als die Gesamteffizienz. Die Gesamteffizienz steigt jedoch im Vergleich zu dem kombinierten Kreislaufprozess ohne Zwischenfeuerung. Dies ist auf eine gleichzeitige Erhöhung der Verdampfungstemperatur zurückzuführen. Die Möglichkeit einer höheren Effizienz dieser Patentanmeldung wird in keiner Veröffentlichung auch nur kurz erwähnt, und die für unmöglich gehaltene Effizienz von 70 % Elektrizität ist bald möglich. Auch James Watt nutzte die Druckänderung und verbesserte in seiner patentierten Erfindung die Dampfmaschine von Thomas Newcomen durch Vakuumexpansion. Da das besagte U.S.-Patent und die Erfindung von ein und derselben Person stammen, hätte der Erfinder, wenn die Erfindung für einen Fachmann offensichtlich wäre, die Erfindung natürlich bereits in der Anmeldung
US2014/0250906 A1 vorgestellt und nicht erst jetzt als Ergebnis jahrelanger Innovation.
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Das Patent
US2016/0201521 A1 stellt ebenso einen Rezirkulationsprozess vor. In Absatz 7 heißt es, dass sich die Erfindung auf Wärmepumpen bezieht und die 3- bis 5-fache thermische Energie erzeugt, d. h. sie stellt eine völlig andere Technik dar und ist daher keine relevante Technik. Kurz gesagt, das U.S.-Patent produziert thermische Hochtemperaturenergie mittels Elektrizität unter Verwendung einer Wärmepumpe, und die erfinderische Idee der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Kondensationswärme des bei der Verbrennung ausgebildeten Dampfes bei der Zwischenüberhitzung und Verdampfung von zusätzlichem Wasser zu verwenden und die überschüssige Wärme des Niedertemperaturbereichs bei der Zwischenüberhitzung zu verwenden. Das beiliegende U.S.-Patent löst diese Probleme nicht, da es sich nicht um ein Gasturbinen-Kombinationskraftwerk, sondern um eine Wärmepumpe handelt und somit keine Zwischenüberhitzung aufweist. Es handelt sich hauptsächlich um eine Wärmepumpe für die Gewinnung von Erdwärme, deren primäres Rezirkulationsmedium gasförmiges Kohlendioxid ist, wie in dem Titel der Erfindung angegeben.
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Die maximalen Rankine-Prozesswerte des in dem letzten Jahrzehnt fertig gestellten Gasturbinen-Kombikraftwerks Irsching liegen bei 170 bar/600 °C und somit entsprechen die in Tabelle 1 gezeigten Prozesswerte gut der Realität. Die normale gute Expansion einer Dampfturbine, die einer isentropen Effizienz von etwa 92 % entspricht, führt in Tabelle 1 bei 0,71 bar zu einer Enthalpie von 2438 kJ/kg. Dies entspricht einer Dampfkonzentration von etwa 90-91 %, die in bestehenden Kondensationsturbinen verwendet wird. In Computerprogrammen ist keine Dampfkonzentration verfügbar, und die Dampfkonzentration wird aus dem hs-Diagramm von Dampf abgeleitet. Aus diesem Grund und weil die Berechnung der Effizienz ebenso auf der Enthalpie basiert, erwähnt der Patentanspruch Enthalpiewerte. Unter www.steamtables.com findet man eine Enthalpie von 2660 kJ/kg für gesättigten Dampf bei einem Druck von 0,71 bar, d. h. in dem Beispielsfall erhöht sich die Enthalpie bei konstanter Temperatur um 222 kJ/kg. Da in dem Beispielsfall hier der Dampf bis unter die Konzentration von Sattdampf expandiert wird, ist die in dem Patentanspruch offenbarte minimale Enthalpieerhöhung bei konstanter Temperatur mit der Kondensationswärme des Dampfes von Verbrennungsgasen zu einer begründeten physikalischen Tatsache geworden, da die Verdampfung bei konstanter Temperatur erfolgt. Der kennzeichnende Teil des Patentanspruchs 1 offenbart somit die notwendigen Maßnahmen für die Reduzierung der Energieverluste, d. h. Erhöhung der Enthalpie des Umlaufmediums (Wasser) (Nutzung der Kondensationswärme des bei der Verbrennung ausgebildeten Dampfes) und Zwischenüberhitzung in einem Niedertemperaturwärmetauscher. In der Veröffentlichung „Maksimisation of combined cycle power plant efficiency“ (Janusz Kotowicz, Mateusz Brzeczek et al.) wurde für den so genannten „Abflachungspunkt“ eine Temperaturdifferenz von 5 C gewählt und damit ist der maximale Wert des Vakuumniveaus des Hauptanspruchs gerechtfertigt. Die Veröffentlichung offenbart zwei Zwischenüberhitzungen, von denen die Drücke 40 bar und 3 bar sind, was bedeutet, dass die Autoren im Hinblick auf die Maximierung der Effizienz keine erfindungsgemäße Lösung gefunden haben, auch wenn ein Druck von 3 bar auf demselben Niveau liegt wie in der U.S.-Veröffentlichung. Für eine Gasturbinen-Kombikraftwerk mit zwei Zwischenüberhitzungen wurde unter anderem ein U.S.-Patent erteilt, d. h., auch wenn ein reines Rankine-Kraftwerk ebenfalls zwei Zwischenüberhitzungen aufweist, ist ihre Verwendung in dem Gasturbinen-Kombikraftwerk nicht offensichtlich.
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Der Abschnitt „Reversed Carnot cycle“ des Wikipedia-Artikels „Heat pump and refrigeration cycle“ beschreibt eine Wärmepumpe mit Expansion in der Turbine. Es handelt sich jedoch nicht um einen Gasturbinenprozess, auch wenn die Teilkomponente eine Turbine ist. Das vorstehend erwähnte Patent
US2016/0201521 A1 von Karthauser für Wärmepumpen gehört zu diesem Gebiet der Technologie. Bei einem Rankine-Prozess wird in den Umlaufprozess bei maximaler Temperatur (vor der Turbine) Wärme eingebracht, während bei einem „umgekehrten Camot“-Prozess dem Umlaufprozess vor der Turbine Wärme entzogen wird. Der zugrunde liegende Grund dafür ist, dass Elektrizität für die Produktion von Hochtemperaturwärme verwendet wird und der Rankine-Prozess für die Produktion von Wärme mittels Elektrizität verwendet wird. Die Studie „A study on 65% potential efficiency of the gas turbine combined cycle“ (2019 H.M. Kwon et al.) zielt darauf ab, die Effizienz eines Gasturbinen-Kombikraftwerks zu erhöhen. Von einer Nutzung der Kondensationswärme des Dampfes gemäß der vorliegenden Erfindung ist nicht die Rede.
4 der Studie „Etude on gas turbine combined cycle power plant next 20 years (Gulen)“ zeigt die Entwicklung der Exergieeffizienz des Prozesses in Bezug auf das theoretische Maximum. Der Wärmeübergang eines Abhitzekessels beschreibt genau diese Größe.
7 zeigt die Auswirkungen der verschiedenen Verfahren auf die Effizienz. Sie nutzt den bei der Verbrennung ausgebildeten Dampf nicht (intermittierende Vakuumüberhitzung), obwohl in der Figur ein komplexerer kombinierter Kreislauf mit zwei intermittierenden Überhitzungen gezeigt ist. In der Studie wird ebenso auf futuristischere Technologien verwiesen, jedoch ist von einer einfach umzusetzenden Vakuumzwischenüberhitzung noch nicht die Rede. Es sollte ebenso beachtet werden, dass die in den zusätzlichen Patentansprüchen beschriebene Temperaturerhöhung von 0 bis 400 K nur für die aktuelle Situation und für Fälle ohne zusätzliche Verbrennung gilt, wie in dem Patentanspruch erwähnt. Alle anderen Fälle, in denen die überschüssige Wärme in einem Abhitzekessel einer zusätzlichen Verbrennung entspricht, gelten selbstverständlich als zusätzliche Verbrennung. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die Temperaturdifferenz in einem Abhitzekessel größer ist als nötig. Der erwähnte kombinierte Kreislauf mit zwei Zwischenüberhitzungen eignet sich ebenso für die Anwendung des erfinderischen Verfahrens, indem zusätzliches Wasser unter Vakuum in die Niederdruckturbine als eine Zwischenzufuhr eingebracht wird. Bei einem STIG-Prozess kann das gleiche Gasturbinendruckverhältnis wie bei einem Prozess ohne STIG verwendet werden, wenn eine zusätzliche Verbrennung in dem Abhitzekessel bereitgestellt wird. Auf diese Weise kann eine hohe Teileffizienz für feste Brennstoffe eingerichtet werden. Ohne STIG ist eine zusätzliche Verbrennung ebenso dann erforderlich (bei gleichem Gasturbinendruckverhältnis), wenn die Höchsttemperatur des Rankine-Prozesses auf 700 C erhöht wird, und diese zusätzliche Erfindung kann ebenso in bestehenden Kraftwerken verwendet werden. Wenn die in den Gasturbinenprozess einzubringende Gasmenge bei einer STIG-Anwendung etwa die Hälfte des Dampfmassenstroms beträgt, ist es nützlich, bei einer Fernwärmeanwendung eine zweistufige Wärmeübertragung zu verwenden. Dadurch kann sich der Dampf aus dem Rankine-Umlauf auf einen niedrigeren Druck (ca. 0,5 bis 0,7 bar) expandieren. Das als vielversprechend geltende Ammoniak-WasserGemisch eignet sich ebenso als ein Umlaufmedium, und die Abgase können rezirkuliert werden. Auf ähnliche Weise kann Erdgas ebenso vorgewärmt werden, indem Verbrennungsgase aus einem Wärmetauscher (15b) anstelle des in den Figuren gezeigten verwendet werden oder indem ein Teil der Verbrennungsgase aus diesem Wärmetauscher (15b) mit einem von dem Abhitzekessel abgetrennten Verbrennungsgasstrom für die Vorwärmung des Erdgases gemischt wird. Es ist ebenso möglich, eine alte Anlage mit verschiedenen Mitteln zu aktualisieren.
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- 1 veranschaulicht einen Basisprozess der Erfindung. Der Gasturbinenprozess wird im Folgenden als der Primärprozess bezeichnet und der Dampfturbinenprozess wird ebenso als der Sekundärprozess bezeichnet.
- 2 veranschaulicht den Prozess gemäß 1, wobei ein Teil des Dampfturbinenmassenstroms in die Brennkammer eingebracht wird. 2 veranschaulicht die Werte der Statuspunkte von 2.
- 3 veranschaulicht die Fernwärmeversion des Prozesses gemäß 2. Darüber hinaus weist er eine zusätzliche Verbrennung in dem Abhitzekessel auf und bilden die Wärmetauscher 15a und 15b einen einzigen integrierten Wärmetauscher aus.
- 4 veranschaulicht eine Variante von 2, bei der die Wärmetauscher 15a und 15b eine einzige integrierte Wärmetauscherbaugruppe ausbilden.
- 5 ist eine Gestaltungsfigur für einen Abhitzekessel gemäß 3.
- 6 veranschaulicht eine praktische Version des Prozesses von 3, d. h. sie beinhaltet ebenso die Dampfturbine II 16 für die Elektrizitätsproduktion im Sommer. Tabelle 1 zeigt die Werte der Statuspunkte von 6.
- 7 veranschaulicht einen Prozess mit demselben maximalen Druckpegel der Gasturbine wie in der Luftfahrt
- und zusätzlich die Zwischenkühlung des Kompressors mit vorgewärmtem (und teilweise verdampftem) Wasser. Der Prozess umfasst ebenso zwei Brennkammern und zwei Turbinen in dem Gasturbinenprozess.
- 8 veranschaulicht eine Konstruktion, bei der die Nutzung der Kondensationswärme des in den Verbrennungsgasen enthaltenen Dampfes und die Zwischenüberhitzung des Dampfes nicht miteinander verbunden sind, sondern in einer anderen Phase/in einem anderen Druckpegel als bei dem Rankine-Prozess stattfinden.
- 9 zeigt eine Version mit zwei Brennstoffen von 8. Der Unterschied zu 8 ist der Wärmetauscher 15a, b gemäß 1.
- 10 veranschaulicht eine innovative KWK-Anwendung.
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In den Tabellen werden die Statuspunkte mit einer Nummer plus dem Buchstaben c (z. B. 1c) und die Komponenten ohne den Buchstaben c gezeigt.
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1 veranschaulicht einen Gasturbinenprozess (kombinierter Kreislauf), bei dem ein Kompressor 1a, b die Luft unter Druck setzt, die in einer Brennkammer 2 mit Brennstoff (z. B. Erdgas) verbrannt wird, gefolgt von einer Turbine 3 und einem Hochtemperaturwärmetauscher 12. Es ist von Vorteil, das Erdgas vor der Verbrennung vorzuwärmen. Es ist beispielsweise vorteilhaft dies durch Abtrennung eines Teils der Verbrennungsgase nach dem Hochtemperaturwärmetauscher 12 vorzunehmen (alternativ eignen sich die aus dem Wärmetauscher 15b austretenden Verbrennungsgase entweder allein oder mit den vorstehend genannten gemischt). So erhitzen diese Verbrennungsgase das Erdgas in dem Wärmetauscher 42. Der Rest des Verbrennungsgasmassenstroms wird zu den Niedertemperaturwärmetauschern 15a, 15b geleitet. In der Praxis könnte es sich dabei oft um einen integrierten Wärmetauscher wie in 7 handeln, hier werden sie jedoch für die Verdeutlichung der erfinderischen Idee als separate Einheiten dargestellt. In dem Sekundärprozess wird setzt die Pumpe 11 das Wasser auf den maximalen Druck unter Druck und das Wasser wird in einem Niedertemperaturwärmetauscher 15a mittels Verbrennungsgasen vorgewärmt. Das Zufuhrwasser wird dann in einem Hochtemperaturwärmetauscher 12 verdampft und überhitzt und anschließend in einer Dampfturbine 14a, b auf unter atmosphärischen Druck (z. B. 0,7 bar) expandiert. Die Dampfkonzentration wird schließlich mittels der Kondensationswärme des durch die Verbrennung produzierten Dampfes spätestens an dem Niedertemperaturwärmetauscher 15b auf 100 % (X=1,0) erhöht. Da die überschüssige Energie aus dem bei der Verbrennung erzeugten Dampf zurückgewonnen werden kann, wird dem Dampf aus der Dampfturbine 14a, b zusätzliches Wasser beigemischt. Dieses wird in dem Niedertemperaturwärmetauscher 15a vorgewärmt und teilweise mit der Kondensationswärme des bei der Verbrennung ausgebildeten Dampfes verdampft. Es sei darauf hingewiesen, dass natürlich bei allen Figuren, bei denen zusätzliches Wasser in den Prozess eingebracht wird, Wasser entfernt werden muss, wenn es notwendig ist, eine konstante Wassermenge in dem Prozessumlauf aufrechtzuerhalten. In der Praxis könnte dies beispielsweise durch eine zweiteilige Pumpe 11 und durch das Entfernen von überschüssigem Wasser zwischen ihnen geschehen. Der Rest des Rankine-Dampfes wird also in dem Niedertemperaturwärmetauscher 15b verdampft, und die Zwischenüberhitzung des gesättigten Dampfes erfolgt dort ebenso mittels der Wärme der Verbrennungsgase. Anschließend wird der Dampf in der Dampfturbine II 16 expandiert und in dem Kondensationswärmetauscher 10 zu Flüssigkeit kondensiert.
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In 1 kann ein höheres Gasturbinendruckverhältnis verwendet werden, da eine niedrigere Austrittstemperatur ausreichend ist. Dies bedeutet einen geringeren Exergieverlust in dem Abhitzekessel und eine höhere Einzeleffizienz des Gasturbinenprozesses.
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2 veranschaulicht den Prozess gemäß 1, wobei ein Teil des Dampfturbinenmassenstroms in die Brennkammer 2 eingebracht wird. Natürlich kann ein Teil des Dampfmassenstroms zu Beginn der Turbinen-Schaufeln eingebracht werden, um die ersten Schaufeln der Turbine 3 zu kühlen. Da das in die Brennkammer eingebrachte Wasser aus dem Prozessumlauf entfernt wird, muss es durch zusätzliches Wasser ersetzt werden. Der Zwischenauslass von der Dampfturbine 14a, b wird in dem ersten Teil des Hochtemperaturwärmetauschers 12 auf 600 °C erhitzt, sodass die Temperatur der Verbrennungsgase nach der Turbine 3 etwas höher sein kann als in dem Fall von 1. Das zusätzliche Wasser wird mittels der Kondensationswärme des Dampfes der Verbrennungsgase des Wärmetauschers 15a verdampft und dem Massenstrom nach der Dampfturbine 14a, b beigemischt und in dem Wärmetauscher 15b verdampft/überhitzt.
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Es ist zu beachten, dass in 2 (ebenso in 6) der Statuspunkt 3c der Turbinenmischtemperatur entspricht und die Nachbrennkammertemperatur aufgrund der Kühlung der Schaufeln in der Regel etwa 100 °C höher ist.
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3 veranschaulicht die Fernwärmeversion des Prozesses gemäß 2. Er weist ebenso eine zusätzliche Verbrennung in dem Hochtemperaturwärmetauscher 12 (Abhitzekessel) auf, und die Niedertemperaturwärmetauscher 15a und 15b bilden einen einzigen integrierten Wärmetauscher aus. Auch der Hochtemperaturwärmetauscher 12 und der Niedertemperaturwärmetauscher 15a, b könnten integriert werden, um einen Abhitzekessel auszubilden, aber zum besseren Verständnis der Erfindung werden sie getrennt dargestellt. Die zusätzliche Verbrennung erfolgt bei dem in der Figur gezeigten Prozess mittels Erdgas, in der Praxis kann aber beispielsweise ebenso Holz verwendet werden. Auf ähnliche Weise könnte eine zusätzliche Verbrennung in dem Niedertemperaturwärmetauscher 15a, b stattfinden. Es ist vorteilhaft, das Wasser für das Fernwärmenetz in zwei Stufen zu erhitzen, da etwa die Hälfte des Massenstroms der Dampfturbine in die Brennkammer geleitet wird. Dabei kann die erste Stufe der Vorwärmung mit Dampf bei etwa 0,5 bar erfolgen, wodurch mehr Arbeit aus der Dampfturbine zurückgewonnen werden kann als bei der einphasigen Erwärmung. Wenn es keine Zwischenzufuhr von der Dampfturbine 14a, b in die Brennkammer gibt, kann die Vorwärmung des Fernwärmewassers in zwei Stufen unter Verwendung der sogenannten Abstichvorwärmung ausgeführt werden. Natürlich muss der Massenstrom des Dampfumlaufs durch Zuführung von zusätzlichem Wasser dazu konstant gehalten werden. Es ist zu betonen, dass ein KWK-Konstruktion in der Praxis normalerweise gemäß 6 wäre, sodass das Kraftwerk im Sommer bei geringer Fernwärmenachfrage ein normales CC-Kraftwerk ist, d. h. es würde ebenso eine Dampfturbine II 16 aufweisen und die Ströme würden durch Ventile entsprechend der aktuellen Situation gesteuert. 3 ist hauptsächlich für die Vereinfachung des Gegenstands beinhaltet.
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4 veranschaulicht eine Variante von 2, bei der die Wärmetauscher 15a und 15b eine einzige integrierte Wärmetauscherbaugruppe ausbilden. Das zusätzliche Wasser wird mit der Kondensationswärme des Wasserdampfes der Verbrennungsgase des Wärmetauschers 15a, b verdampft und mit der Überschusswärme des Wärmetauschers 15a, b bei einem Druck von beispielsweise etwa 0,7 bar überhitzt. Danach wird der Dampf in der Dampfturbine II 16 expandiert. Diese Lösung ist einfacher und die Anordnung des Massenstroms ist klarer als bei 2.
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5 zeigt ein Strukturdiagramm des Dampfumlaufs eines Abhitzekessels (Wärmetauscher 12 und 15a, b aus 3). Natürlich ist das nur eine mögliche strukturelle Lösung unter vielen anderen Optionen. Der in die Brennkammer 2 eintretende Dampf wird zunächst an dem Brenngaseinlass des Wärmetauschers 12 vorgewärmt. An dem Ende des Wärmetauschers 15a, b, in der Strömungsrichtung der Verbrennungsgase, wird zusätzliches Wasser verdampft und in dem anderen Teil des Wärmetauschers wird Zufuhrwasser vorgewärmt und parallel dazu eine Zwischenüberhitzung von Dampf ausgeführt.
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6 zeigt daher eine praktische KWK-Version von 3. Die Anpassung kann beispielsweise mittels Gleitdruck und zusätzlicher Verbrennung erfolgen. In der Figur erfolgt die zusätzliche Verbrennung mit Erdgas in dem Hochtemperaturwärmetauscher 12, sie kann jedoch ebenso in dem Wärmetauscher 15a, b auftreten. Die zusätzliche Verbrennung kann beispielsweise ebenso mit Kohle oder Holz erfolgen, wodurch eine sehr hohe Teileffizienz der zusätzlichen Verbrennung bei der Fernwärmeverwendung erreicht wird. Die Ventile 36, 37, 38, 39, 50 usw. in dem Muster steuern die Ströme, wenn die Fernwärme ein-/ausgeschaltet ist. Die Ventile sind nicht optimal positioniert und der Fachmann wird ohne besonderen Erfindungsreichtum eine bessere praktische Lösung finden. In den Berechnungen bezüglich der Figur ist der Abhitzekessel mit zusätzlicher Verbrennung nicht in Verwendung, d. h. seine Massendurchflussrate ist gleich Null.
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7 veranschaulicht einen Prozess unter Verwendung des maximalen Druckpegels von Gasturbinen in der Luftfahrt (ca. 50 bis 60 bar) und einer Zwischenkühlung des Kompressors mit vorgewärmtem (und teilweise verdampftem) Wasser. Der Prozess umfasst ebenso zwei Brennkammern und zwei Turbinen in dem Gasturbinenprozess. Der Kompressor 1a setzt die Luft unter Druck, beispielsweise auf einen Druck von 20 bis 30 bar. Der teilweise verdampfte Zweig des sekundären Zuführwassers wird dann mit dem Luftmassenstrom verbunden und der Kompressor 1b setzt die Luft auf den maximalen Druck unter Druck. In diesem Prozess folgt die Verbrennung in der Brennkammer 2 und die Expansion in der Turbine 3. Danach gibt es eine zweite Brennkammer 21. Gasturbinen mit zwei Brennkammern sind auf dem Markt erhältlich, wobei die erste in den 1990er Jahren von Alstom hergestellt wurde. Viele Hersteller stellen jedoch keine Gasturbinen mit zwei Brennkammern her. Dies kann darauf zurückzuführen sein, dass die Kühlung der Schaufeln der zweiten Turbine bei bestehenden Gasturbinen eine Herausforderung darstellt, da die Temperatur der Verbrennungsgase, die für die Kühlung der Schaufeln der zweiten Turbine verwendet werden, viel höher ist als bei der Gestaltung mit einer einzigen Brennkammer für die Kühlung der Turbine mit Druckluft. Bei dieser Gestaltung ist das Druckverhältnis der ersten Turbine jedoch viel höher als bei der vorstehend erwähnten Gasturbine von Alstom, und somit ist die Temperatur der Verbrennungsgase nach der ersten Turbine viel niedriger. Darüber hinaus kann sie, was die Konstruktion betrifft, noch weiter reduziert werden, beispielsweise durch Beimischung von zusätzlicher Luft oder Dampf in den Primärprozess, d. h. den Gasturbinenprozess.
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Somit strömen die Verbrennungsgase von der zweiten Brennkammer 21 zu der zweiten Turbine 22. Danach (verdampfen und) überhitzen die Verbrennungsgase das Zufuhrwasser in dem Hochtemperaturwärmetauscher 12. Der aus ihr austretende überhitzte Dampf expandiert in der Dampfturbine 14a, b auf einen Druck von weniger als 1 atm. Die vorstehend erwähnten Verbrennungsgase passieren von dem Hochtemperaturwärmetauscher 12 zu dem Niedertemperaturwärmetauscher 15a, b und in einen kleinen Zweig zu einem Wärmetauscher 42 für die Vorwärmung von Erdgas. Zufuhrwasser aus der Pumpe 11 des Nachkondensators 10 wird in dem Niedertemperaturwärmetauscher 15a, b erwärmt. Von der Pumpe 11, die in der schematischen Darstellung als eine zweistufige betrachtet wird, wird dem Dampf von der Dampfturbine 14a, b bei Bedarf zusätzliches Wasser zugeführt. Wenn es sich bei der Pumpe 11 um eine einphasige handelt, muss der Wasserdruck natürlich mittels eines Ventils reduziert werden. Der vorstehend erwähnte Dampfmassenstrom gelangt ebenso in den Niedertemperaturwärmetauscher 15a, b. Von dem zwischen dem Niedertemperaturwärmetauscher 15a, b und dem Hochtemperaturwärmetauscher 12 vorgewärmten Wasser wird ein Zweig zu dem Druckreduzierventil 57 genommen, in dem das Wasser teilweise verdampft und dann zwischen den vorstehend erwähnten Kompressor 1a und den Kompressor 1b eingebracht wird. Aus dem vorstehend genannten Grund kann die Zwischenüberhitzung in dem Niedertemperaturwärmetauscher 15a, b nach dem Erhitzen des Dampfes auf konstante Temperatur reduziert werden, und in einigen Versionen kann die Zwischenüberhitzung (fast) nicht vorhanden sein. Aus diesem Grund beinhalten die zusätzlichen Patentansprüche Grenzwerte für Enthalpie und Temperatur in Bezug auf die Wärmeübertragung in dem vorstehend erwähnten Wärmetauscher. Die Erhöhung der Enthalpie bei einer konstanten Temperatur vor der Zwischenüberhitzung wird natürlich mittels der Kondensationswärme des in dem Verbrennungsgas enthaltenen Dampfes durchgeführt. Von dem Niedertemperaturwärmetauscher 15a, b wird der Dampf mit einem Druck von weniger als 1 atm in die Dampfturbine II 16 und anschließend in den Kondensator 10 eingebracht. Bei Bedarf wird ebenso zusätzliches Wasser in den Prozessumlauf eingespeist.
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Es ist zu betonen, dass die Vorkühlung des Dampfes, der für die Zwischenkühlung des Verdichters des Gasturbinenprozesses verwendet wird, ebenso beispielsweise durch Anzapfen der Dampfturbine und bei Bedarf durch Beimischung von zusätzlichem Wasser und durch zahlreiche andere Maßnahmen erfolgen kann.
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Die Zwischenkühlung des in den Figuren gezeigten Verdichters 1a, b könnte natürlich ebenso in Kraftwerken ausgeführt werden, die die in dieser Patentanmeldung offenbarte erfinderische Idee nicht aufweisen, die sich von bestehenden Kraftwerken unterscheidet. In diesem Fall wird überschüssige Wärme, wie die Abwärme des Sauerstoffverdichters eines IGCC-Kraftwerks, für die Vorwärmung des in den Kompressor 1a, b eingespritzten Wassers verwendet. Es handelt sich also um eine zusätzliche Erfindung.
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In 7 können sich die Verbrennungsgase in dem Gasturbinenprozess sogar bis unter die maximale Temperatur des Rankine-Prozesses expandieren, wenn der Abhitzekessel mit einer zusätzlichen Verbrennung versehen wird.
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8 veranschaulicht einen Prozess mit einer Zwischenzufuhr von Dampf in die Dampfturbine II 16 bei einem Druck von weniger als 1 bar. Im Vergleich zu den vorherigen Figuren beträgt der minimale Druck der Dampfturbine 14a, b beispielsweise etwa 3 bis 8 bar, und dieser Dampfturbine folgt die Zwischenüberhitzung des Umlaufmediums, d. h. des Dampfes. Da die Rückgewinnung der Kondensationswärme aus dem bei der Verbrennung ausgebildeten Dampf ein separater Schritt ist, wird sie in einem anderen Wärmetauscher oder in dem letzten Teil desselben Abhitzekessels ausgeführt. In diesem Fall wird zusätzlich Wasser mit einem Druck von etwa 0,5 bis 0,8 bar in den Prozessumlauf eingebracht und verdampft, wenn der bei der Verbrennung an dem Niedertemperaturwärmetauscher 15a, b produzierte Dampf zu Flüssigkeit kondensiert. Das verdampfte zusätzliche Wasser wird dann als eine Abstichzufuhr in die Dampfturbine II 16 eingebracht.
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Zusätzliches Wasser kann zwischen der zweistufigen Pumpe oder auch aus dem Hauptdampfumlauf vor der Verdampfungsphase entnommen werden. In diesem Fall wird das Ventil verwendet, um den Druck auf einen geeigneten Pegel zu reduzieren (wie 0,7 bar). Wenn der Wärmetauscher 15b separat wäre, wäre es vorteilhaft, die Verbrennungsgase von ihm beispielsweise zu dem Wärmetauscher 15a zu leiten. Dieser Fall wird der Übersichtlichkeit halber in den Patentansprüchen des KWK-Kraftwerks angegeben, beinhaltet jedoch ebenso einen integrierten Wärmetauscher.
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9 veranschaulicht ein Kraftwerk, das Erdgas als Brennstoff verwendet und eine zusätzliche Verbrennung mit Erdgas in dem Wärmetauscher 15b aufweist. In einer praktischen Anwendung würde Holz oder Schwarzlauge eher als zusätzlicher Brennstoff verwendet werden als Erdgas, da die Erfindung eine sehr hohe Teillasteffizienz bei der Verbrennung von Holz ermöglicht. Da die Endtemperatur der Zwischenüberhitzung relativ niedrig ist (etwa 600 K in den Beispielrechnungen), kann die Endtemperatur der Zwischenüberhitzung von 200 bis 300 K auf einen Wert von 800 bis 900 K bei einem Zwischenüberhitzungsdruck von beispielsweise 4 bar erhöht werden. Das Kraftwerk gemäß der Figur ist ebenso für die Verbrennung von Schwarzlauge sehr gut geeignet. Bei Wiedergewinnungskesseln sind Sicherheitsanforderungen wichtig, daher ist ein niedriger Dampfdruckpegel von Vorteil. Eine KWK-Gestaltung ist ebenso möglich, und eine sehr wettbewerbsfähige Gestaltung wäre beispielsweise eine, bei der die Dampfturbine II keine Abstichzufuhr aufweist, wobei stattdessen die restliche Wärme des Wärmetauschers 15a als Heizenergie verwendet wird. Ein Teil dieser Wärmeenergie kann ebenso zum Heizen verwendet werden, beispielsweise für Erdgas oder eingespritztes Wasser. Die vorstehend genannte Temperatur von 800 bis 900 K ist natürlich ebenso erreichbar, wenn der Dampf aus der Zwischenüberhitzung vor der Dampfturbine II 12 in den Hochtemperaturwärmetauscher eintritt.
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Der Patentanspruch auf zusätzliche Verbrennung bezieht sich auf 9 und gilt ebenso für bestehende Kraftwerke. In den bestehenden Gasturbinen-Kombikraftwerken wird die zusätzliche Verbrennung nicht für die Erhöhung der Endtemperatur der Zwischenüberhitzung verwendet, sondern sie wirkt sich auf die Massenströme des Prozesses mit zweifachem Druckpegel aus. Die Verwendung der Energie der zusätzlichen Verbrennung in der Zwischenüberhitzung und für die Erhöhung der Endtemperatur der Zwischenüberhitzung erreicht eine sehr hohe Teileffizienz des festen Brennstoffs.
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10 unterscheidet sich von 1 darin, dass sie keine Niederdruckturbine 16 aufweist, d. h. es handelt sich um ein reines KWK-Kraftwerk. Die erfinderische Idee beruht darauf, dass ein Abschnitt des zuvor erwähnten 1/3 des Massenstroms für die Erwärmung eines Abschnitts des Fernwärmewassers (Druck ausreichend, um eine Verdampfung zu verhindern) in dem Wärmetauscher 15b verwendet wird und das restliche Wasser in dem Kondensationswärmetauscher 10 erwärmt wird. Der Wärmetauscher 15b stellt Wasser mit einer Temperatur von bis zu 200 bis 300 C bereit, sodass die gewünschten 100 C für Fernwärmewasser durch Expansion in einer Dampfturbine 14b auf unter 1 atm, möglicherweise von 0,4 bis 0,6 bar, erreicht werden können. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Wassermassenströme anschließend in einem Mischwärmetauscher 88 gemischt werden, von wo sie für die Übertragung der Fernwärme geleitet werden. Dadurch wird mehr Arbeit von der Dampfturbine produziert. Die Figur zeigt ebenso die Zwischenüberhitzung zwischen der Dampfturbine 14a und 14b. Dies ist nicht erforderlich, ist jedoch für die Installation geeignet. In dem Wärmetauscher 15b erfolgt also die Zwischenüberhitzung bei einer höheren Temperatur (z. B. Druck von 4 bis 15 bar) und das Wasser wird bei einer niedrigeren Temperatur erwärmt. Diese Erfindung kann ebenso in bestehenden Kraftwerken genutzt werden. Die Restwärme der Verbrennungsgase kann ebenso genutzt werden, beispielsweise mit einem Rauchgaswäscher. Natürlich kann die Zwischenüberhitzung ebenso anders als von dieser Offenbarung in dem Hochtemperaturwärmetauscher 12 erfolgen.
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Wenn reiner Sauerstoff in erfindungsgemäße Anwendungen eingebracht wird, ist der Leistungsbedarf für seine Druckbeaufschlagung natürlich geringer, wenn er in die zweite Brennkammer eingebracht wird. Es ist sinnvoll, zusätzliche Luft, die in diese Brennkammer eingebracht wird, durch Anzapfen aus dem Kompressor 1a, b zu entnehmen. Die für die Sauerstoffproduktion verwendete Luft kann ebenso aus dem Abstich des Kompressors 1a, b entnommen werden. Der Kompressor 1a, b bildet natürlich einen einzigen integrierten Kompressor aus oder wird aus zwei Kompressoren ausgebildet. Die zusätzliche Luft oder der Sauerstoff kann ebenso in einem Abhitzekessel vorgewärmt werden.
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In dem Niedertemperaturteil des Abhitzekessels (Wärmetauscher 15a, b) wird das Wasser vorgewärmt und in dem Hochtemperaturteil wird das Wasser verdampft und überhitzt. Auch in dem Niedertemperaturteil findet eine Zwischenüberhitzung des Dampfes statt. Die bereits erwähnte zusätzliche Verbrennung ermöglicht jedoch ebenso die Verwendung des Hochtemperaturteils für die Zwischenüberhitzung, mindestens teilweise.
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Die Erfindung hat viele Vorteile gegenüber bestehenden Kraftwerken. Natürlich ist die sehr hohe Effizienz der bedeutendste Vorteil. Ebenso wird eine geringere Menge an teuren Überhitzungsmaterialien benötigt, da die Zwischenüberhitzungstemperatur und der Druck niedriger sind. Der Anteil des Gasturbinenprozesses der Gesamtleistung ist bei KWK-Anwendungen verhältnismäßig höher, was für die Wettbewerbsfähigkeit wichtig ist. Die moderne Technologie kann ebenso beim Hoch- und Runterfahren sowie bei der Wellenanordnung von Kompressoren und Turbinen angewendet werden. Der Massenstrom des Wassers zu der Brennkammer kann natürlich ebenso 100 % des Massenstroms der Dampfturbine 14a, b betragen.
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Selbstverständlich kann die Expansionsenergie des Erdgases und/oder die durch Druckabfall erzeugte Kälteenergie beispielsweise für die Kaltreinigung/Trennung des Verbrennungsgases, für die Produktion von Sauerstoff oder für die Trennung des bei der Verbrennung ausgebildeten Kohlendioxids genutzt werden.
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Bei Bedarf kann ebenso eine Thermobatterie mit dem Prozess verbunden werden. Bei einigen Konstruktionen kann das zusätzliche Wasser ebenso direkt zu Punkt 35c eingebracht werden (die Stelle, die dem Punkt in 2 entspricht).
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Es sei darauf hingewiesen, dass der Druckbereich in dem Hauptpatentanspruch so breit wie möglich offenbart ist, in der Praxis liegt der Bereich jedoch bei etwa 0,5 bis 0,8 bar, sogar 0,3 bis 0,95 bar können möglich sein.
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Die Ausführungsformbeispiele der Erfindung wurden nur für Veranschaulichung der Erfindung beschrieben und schränken den Umfang der Erfindung nicht ein, da Details wie Wasseraufbereitung und Generator(en), die für das Verständnis der Erfindung nicht notwendig sind, der Klarheit halber weggelassen wurden. Die Erfindung ist also nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern beinhaltet alles, was durch den Umfang der beigefügten Ansprüche abgedeckt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2014/0250906 A1 [0010, 0011]
- US 2016/0201521 A1 [0012, 0014]
