DE19705215C1 - Gasturbinenanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenanlage nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Für den speziellen Fall der Wiederverdampfung von Flüs­ sigerdgas ist es bekannt, die Verdampfungswärme des flüs­ sigen Erdgases dem Verbrennungsluftstrom eines parallel existierenden offenen Gasturbinenkreislaufs zu entnehmen (US 38 67 811, DE 24 02 043 A1).

Wegen der negativen Temperaturen des flüssigen Erdgases besteht an den Wärmeübertragungsflächen die Gefahr des Ausfrierens des in der Luft enthaltenen Wasserdampfs. Aus diesem Grund wird die Eindüsung eines den Gefrierpunkt des aus der Luft ausgeschiedenen Wassers herabsetzenden Frostschutzmittels, wie Methanol oder Ethanol, in den Luftstrom vorgeschlagen. Neben dem aus dem abgeschiedenen flüssigen Wasser-Frostschutzmittel-Gemisch wiedergewinn­ baren Anteil würde hierbei aber der in der Verbrennungs­ luft verbleibende dampfförmige Anteil des Frostschutzmit­ tels mit der Verbrennungsluft verlorengehen und müßte ständig ersetzt werden.

Gesättigte Methanol- oder Ethanol-Luft-Gemische sind zu­ dem brennbar bzw. explosiv. Auf dem Weg durch eine Gasturbine darf es aber nicht zur Bildung eines Funkens kommen. Dies würde zu einer Zerstörung der gesamten An­ lage führen. Da indessen die konstruktive Ausführung der Funkenfreiheit in einem Gasturbinentrakt praktisch nicht in jedem Betriebszustand realisierbar ist, kann aus die­ sem Grund eine Unterkühlung der Verbrennungsluft unter den Gefrierpunkt des mitgeführten Wasserdampfs mit den bekannten Gegenmaßnahmen nicht durchgeführt werden.

Im Falle der US 38 67 811 besteht zudem bei Undichtheiten in einem Wärmeübertrager Erdgas/Luft die Gefahr des Ein­ tretens von Erdgas in den Luftstrom. Eine unkontrollierte Entzündung des Gemisches im Gasturbinentrakt ist dann die Folge. Um eine derartige Betriebssituation zu vermeiden, wird im Rahmen der DE 24 02 043 A1 vorgeschlagen, Zwi­ schenträgermedien-Kreisläufe einzusetzen. Hiermit soll auch die Unterkühlung der Verbrennungsluft unter den Ge­ frierpunkt des mitgeführten Wasserdampfs verhindert wer­ den. Derartige Zwischenträgermedien-Kreisläufe erfordern jedoch einen hohen apparativen Aufwand. Dieser schlägt sich in Form der doppelten Anzahl von Wärmeübertragern, der Installation von Pumpen, Ausdehnungsgefäßen, zusätz­ lichen Rohrleitungen, Regelungen usw. nieder. Darüber­ hinaus ist ein entsprechend hoher Betriebsaufwand für die Befüllung der Kreisläufe mit den Zwischenträgermedien für den Antrieb der Pumpen und die Wartung der Kreisläufe er­ forderlich.

Ferner ist anzuführen, daß die Funktion einer Gasturbine in die Abhängigkeit von der Funktion der parallelen An­ lage zur Wiederverdampfung des Erdgases gelangt und umge­ kehrt. Ohne die gleichzeitige Errichtung von Ersatzanla­ gen wirken sich Betriebsveränderungen bis hin zum Still­ stand der einen Anlage auch jeweils entsprechend auf die andere Anlage aus.

Schließlich ist noch anzumerken, daß rein standorttech­ nisch nur für einen sehr geringen Teil der existierenden stationären Gasturbinen die Möglichkeit besteht, deren Verbrennungsluft mit flüssigem Erdgas zu kühlen. Eine we­ sentlich größere Anzahl von Gasturbinen dient hingegen z. B. dem Antrieb von Verdichtern oder Pumpen entlang von Rohrleitungen oder auch Speichern für den Transport oder die Lagerung der Produkte Erdgas (gasförmig) und Erdöl.

Da insbesondere bei hohen Außentemperaturen der Wirkungs­ grad von stationären Gasturbinen in einem relevanten Um­ fang von der Temperatur der angesaugten Verbrennungsluft abhängig ist, außerdem die Nominalleistung der Gasturbi­ nen in der Regel auf eine Außentemperatur von 15°C aus­ gelegt ist und darüberhinaus die Wellenleistungen wesent­ lich zurückgehen, ist es auch bekannt, die Verbrennungs­ luft der stationären Gasturbinen vor und/oder während der Verdichtung im Gasturbinen-Luftverdichter zu kühlen. Hierzu werden beispielsweise Verdunstungs- oder Absorp­ tionsverfahren eingesetzt.

Das bei der Verdunstungskühlung in die angesaugte Ver­ brennungsluft eingedüste Wasser wird jedoch in großem Um­ fang benötigt und steht nicht an jedem Standort einer Gasturbine in der erforderlichen Menge sowie in der benö­ tigten Qualität zur Verfügung. Zum Schutz des Gasturbi­ nen-Luftverdichters vor Ablagerungen, wie z. B. Kessel­ stein aus dem eingedüsten Wasser, muß dieses Wasser fer­ ner aufbereitet, das heißt voll entsalzt werden. Eine solche Aufbereitung ist aber mit einem erheblichen appa­ rativen und betrieblichen Aufwand unter anderem für die Entsalzungsreagenzien sowie mit einer Belastung der Um­ welt durch die konzentrierten Entsalzungsprodukte verbun­ den.

Kältemaschinen zur Kühlung der angesaugten Verbrennungs­ luft bei hohen Außentemperaturen sind besonders aufwendig in ihrer Anschaffung, in ihrem Betrieb und in ihrer War­ tung. Außerdem benötigen sie Antriebs- und Hilfsenergie. Derartige Kältemaschinen stellen darüberhinaus in der kalten Jahreszeit einen hydraulischen Widerstand im An­ saugtrakt der Verbrennungsluft dar.

Darüberhinaus kann es, insbesondere bei niedrigen Außen­ temperaturen zu Vereisungen an den Luftfiltern für die angesaugte Verbrennungsluft und am Eintritt der Verbren­ nungsluft in den Gasturbinenluftverdichter kommen, was in jedem Fall zur Verhütung von Maschinenschäden vermieden werden muß. Dazu ist es desweiteren bekannt, der ange­ saugten Verbrennungsluft einen Teil der Abgase in soge­ nannten Antiicingsystemen wieder zuzumischen, um die Tem­ peratur der angesaugten Verbrennungsluft über den kriti­ schen Wert hinaus anzuheben.

Hierfür werden in den Abgastrakt Umlenkklappen und in den Ansaugtrakt Verteilsysteme für das zuzumischende Abgas eingebaut. Damit sind aber ein erhöhter hydraulischer Wi­ derstand und folglich ein verringerter Wirkungsgrad der Gesamtanlage verbunden. Zusätzlich sinkt der Luftüber­ schuß in der angesaugten Verbrennungsluft.

Der Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, eine einfache und wirtschaftlich arbei­ tende Gasturbinenanlage zu schaffen, welche ohne aufwen­ dige Zusatzaggregate jahreszeitenunabhängig betrieben werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmalen.

Die Verbrennungsluft wird demgemäß mittels Doppelrohr- Sicherheitswärmeübertragern direkt ohne Zwischenkreislauf mit dem von der Gasturbine angetriebenen Maschine geför­ derten Produkt im Sommer gekühlt und im Winter vorge­ wärmt. Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile beste­ hen mithin insbesondere darin, die Temperatur der ange­ saugten Verbrennungsluft an Gasturbinen, die für den An­ trieb von Produktverdichtern oder -pumpen an Rohrleitun­ gen oder Speichern eingesetzt werden, über das Jahr hin­ weg zu vergleichmäßigen. Damit vergleichmäßigen sich auch der Wirkungsgrad und die Leistung der Gasturbinen. Der Brennstoffverbrauch sinkt. Die Auslegung der Gasturbinen muß nicht die bisher auftretende Minderleistung in der Periode mit hohen Außentemperaturen berücksichtigen. Da­ bei ist der apparative Aufwand gering. Zwischenkreisläufe kommen nicht zum Einsatz. Sie würden wegen der auftreten­ den zusätzlichen Temperaturdifferenz am zweiten Wärme­ übertrager auch nicht wirksam sein. Betriebs- oder Hilfs­ energie wird nicht benötigt. Wasser muß nicht zur Verfü­ gung gestellt und aufbereitet werden. Zusätzlicher hydraulischer Widerstand entsteht nur auf der Ansaugseite für die Verbrennungsluft und auf der Produktseite, nicht jedoch auf der Abgasseite.

Gemäß den Merkmalen des Anspruchs 2 kann der Wärmeüber­ gang auf der Ansaugseite der Verbrennungsluft wesentlich verbessert und damit der apparative Aufwand weiter ver­ ringert werden.

Die Merkmale des Anspruchs 3 erlauben es, das in einem Leckagefall in den Zwischenraum eines Doppelrohr-Sicher­ heitswärmeübertragers eindringende Leckmedium nachzuwei­ sen, es gegebenenfalls zu identifizieren und auf diese Weise Folgehandlungen automatisch oder manuell einzulei­ ten.

Letztlich ist es nach Anspruch 4 im Leckagefall denkbar, bei einem drucklosen Leckmedium, wie z. B. der angesaugten Verbrennungsluft, diese indirekt identifizieren zu kön­ nen.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

In einen schematisch veranschaulichten Ansaugtrakt 1 für die Verbrennungsluft einer nicht näher dargestellten Gasturbine zum Antrieb eines ebenfalls nicht näher darge­ stellten Produktverdichters an einer Rohrleitung ist ein Doppelrohr-Sicherheitswärmeübertrager DSWÜ 2 als Ansaug­ luftkühler bzw. -vorwärmer eingegliedert. Außerdem ist der DSWÜ 2 in das Erdgas führende Gasnetz 3 des Gasver­ dichters eingebunden.

Zur Verbesserung des Wärmeübergangs zur angesaugten Ver­ brennungsluft 4 für einen nicht näher dargestellten Gasturbinen-Luftverdichter GTLV ist die Außenseite der Doppelrohre 5 des DSWÜ 2 mit Rippen 6 ausgeführt. An einen Zwischenraum 7 des DSWÜ 2 ist eine Leckagewarnein­ richtung 8 in Form eines zweistufigen Leckageschalters angeschlossen.

Der DSWÜ 2 arbeitet wie folgt:

Bei hohen Außenlufttemperaturen von z. B. 40°C im Sommer strömt Erdgas mit einer erdbodennahen Temperatur von 15°C aus dem Gasnetz 3 durch den DSWÜ 2 und kühlt die Verbrennungsluft 4 auf eine Temperatur von 25°C ab. Da­ mit steigen der Wirkungsgrad und die Leistung der Gastur­ bine. Der Verbrauch an Erdgas sinkt.

Bei niedrigen Außenlufttemperaturen von z. B. -10°C im Winter strömt das Erdgas mit einer erdbodennahen Tempera­ tur von +10°C aus dem Gasnetz 3 durch den DSWÜ 2. Dieser nimmt jetzt die Funktion eines Luftvorwärmers wahr und erwärmt die angesaugte Verbrennungsluft 4 für den GTLV auf eine Temperatur von +2°C. Vereisungen an den Ansaug­ luftfiltern und am Eintritt in den GTLV werden so vermie­ den. Maschinenschäden sind nicht zu befürchten. Ein spe­ zielles Antiicingsystem kann entfallen.

Der Wirkungsgrad des Gasverdichters wird im Sommer durch eine erhöhte Temperatur der angesaugten Verbrennungsluft geringfügig verringert, im Winter jedoch durch eine nied­ rigere Temperatur erhöht. Der Ansaugluftfilter und der GTLV indessen können dank des DSWÜ 2 im Ansaugtrakt 1 über das ganze Jahr hinweg sicher und mit einem ver­ gleichmäßigten Wirkungsgrad betrieben werden.

Im Leckagefall tritt das Erdgas zunächst in den Zwischen­ raum 7 des DSWÜ 2 ein und löst die Überdruckstufe der Leckagewarneinrichtung 8 aus. Sollte die Leckage vom An­ saugtrakt 1 her erfolgen, so entspannt sich das im Zwi­ schenraum 7 unter Druck stehende neutrale Medium, z. B. gasförmiger Stickstoff, in den Ansaugtrakt 1 und löst die Unterdruckstufe der Leckagewarneinrichtung 8 aus. Eine Havarie der Gasturbine wird dadurch in beiden Fällen ver­ hindert.

Durch die Integration eines DSWÜ 2 in den Ansaugtrakt 1 für die Verbrennungsluft eines GTLV wird eine Erhöhung und Vergleichmäßigung der technischen Parameter der Gasturbine über das Jahr hinweg möglich, wobei der appa­ rative Aufwand gering ist und die Sicherheit der Anlage in keinem Betriebszustand, auch nicht im Leckagefall des DSWÜ 2 gefährdet wird.

Bezugszeichenliste

1

- Ansaugtrakt

2

- DSWÜ

3

- Gasnetz

4

- angesaugte Verbrennungsluft

5

- Doppelrohre v.

2

6

- Rippen an

5

7

- Zwischenraum v.

2

8

- zweistufige Leckagewarneinrichtung
DSWÜ - Doppelrohr-Sicherheitswärmeübertrager
GTLV - Gasturbinen-Luftverdichter

Claims (4)

1. Gasturbinenanlage, die einen Ansaugtrakt (1) für die Verbrennungsluft eines Gasturbinen-Luftverdichters und ein Produktrohrnetz (3) eines mit einer Gastur­ bine angetriebenen Produktverdichters oder Pro­ duktpumpe aufweist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Ansaugtrakt (1) ein Doppelrohr-Sicherheitswärmeübertrager (2) angeordnet ist, der produktseitig in das Produktrohrnetz (3) der Gasturbine eingebunden ist.

2. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenseite der Doppelrohre (5) des im Ansaugtrakt (1) angeordneten Doppelrohr-Sicherheitswärmeübertragers (2) auf der Luftseite mit Rippen (6) versehen ist.

3. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an einen Zwischenraum (7) des Doppelrohr-Sicherheitswär­ meübertragers (2) eine zweistufige Leckagewarnein­ richtung (8) angeschlossen ist.

4. Gasturbinenanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum (7) des Doppelrohr-Sicherheitswärmeübertragers (2) mit dem Überdruck eines neutralen Mediums, z. B. gasförmi­ gen Stickstoffs, beaufschlagbar oder unter Unterdruck haltbar ist und eine Stufe der Leckagewarneinrichtung (8) auf eine Änderung des Über- oder Unterdrucks im Zwischenraum (7) anspricht.