DE19732268A1 - Gasturbine und Verfahren zum Betreiben derselben sowie Verfahren und Vorrichtung zum Verdichten eines Arbeitsgases - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine mit einer von erhitztem Arbeitsgas in einem offenen Kreislauf antreibbaren Turbine, bei dem das Arbeitsgas vor der Erhitzung durch Fremdenergie durch Wärmeaustausch mit in der Turbine entspanntem Arbeitsgas vorgewärmt wird.

Weiter betrifft die vorliegende Erfindung eine Gasturbine mit einem Verdichter, mit einem Verbrennungssystem zur Erhitzung eines Arbeitsgases, mit einer vom erhitzten Arbeitsgas in einem offenen Kreislauf antreibbaren Turbine zur Erzeugung mechani­ scher Energie und zum Antrieb des Verdichters und mit einem Wärmetauscher zur Vorwärmung von zu erhitzendem Arbeitsgas durch Wärmeaustausch mit in der Turbi­ ne entspanntem Arbeitsgas.

Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung mit einem durch Fremdenergie antreibbaren Verdichter zum Verdichten eines Antriebsga­ ses, wie Erdgas, von einem Eingangsdruck auf einen erhöhten Ausgangsdruck.

Gasturbinen der oben genannten Art stellen thermische Strömungs-Kraftmaschinen dar, bei denen die thermische Energie von erhitztem Arbeitsgas in mechanische En­ ergie, sogenannte Wellenleistung, umgewandelt wird. Im Normalfall komprimiert ein Verdichter mit ggf. mehreren Verdichterstufen atmosphärische Luft als Arbeitsgas und fördert dieses in eine oder mehrere Brennkammern, wo Brennstoff eingesprüht und entzündet wird. Das energiereiche, abströmende Arbeitsgas wird anschließend in ei­ ner (Nutz-)Turbine zumindest soweit entspannt, daß die aufzubringende Verdichter­ leistung erzeugt und so der Verdichter angetrieben wird. Die verbleibende Energie des Arbeitsgases bzw. die Enthalpiedifferenz kann durch die genannte Turbine oder bei mehrwelliger Ausbildung durch weitere Turbinen bzw. Turbinenstufen in die ge­ nannte Wellenleistung umgewandelt werden. Beispiele derartiger Gasturbinen zeigen die Prospekte "Mit Energie aus Gasturbinen in die Zukunft", Auflage 03.97 D, und "Gasturbinen für mechanische Antriebe", Auflage 03.96 D, der Anmelderin.

Die Gasturbinen arbeiten mit einem offenen Kreislauf des Arbeitsgases. Dies ist als Abgrenzung gegenüber einem geschlossenen Kreislauf, bei dem das Arbeitsgas rezir­ kuliert wird, zu verstehen. Dementsprechend kann als offener Kreislauf jeder das Ar­ beitsgas nicht rezirkulierende Kreislauf, also auch eine Zu- und Abführung des Ar­ beitsgases in Leitungen, verstanden werden.

Das thermodynamische Arbeitsverfahren einer herkömmlichen Gasturbine besteht aus Verdichtung, Wärmezufuhr und Entspannung. Dieser Ablauf wird auch als Joule-Pro­ zeß bezeichnet und ist beispielsweise in "Enzyklopädie Naturwissenschaft und Technik", Verlag Moderne Industrie, 1981, unter dem Stichwort "Turbine (Gasturbi­ ne)" näher erläutert. Der Wirkungsgrad ist dabei um so besser, je höher die Tempera­ tur des in die Turbine eintretenden erhitzten Arbeitsgases und je niedriger die Tempe­ ratur des üblicherweise ins Freie ausströmenden entspannten Arbeitsgases ist. Des weiteren hängt der Wirkungsgrad einer Gasturbine von dem Druckverhältnis zwi­ schen Anströmseite und Abströmseite der Turbine ab. Ein hohes Druckverhältnis er­ möglicht im allgemeinen einen hohen Wirkungsgrad.

Die Fremdenergie zur Erhitzung des Arbeitsgases wird häufig durch Verbrennen von gasförmigen oder flüssigen Brennstoffen bereitgestellt. Höhere Verbrennungstempe­ raturen, also höhere Erhitzungstemperaturen des Arbeitsgases - üblicherweise die Verbrennungsluft -, sind zwar einem hohen Wirkungsgrad zuträglich, jedoch ist die Arbeitsgastemperatur durch die Eigenschaften der verwendeten Materialien be­ grenzt, normalerweise auf ungefähr 1100°C.

Zur Erhöhung des Wirkungsgrades ist es weiter bekannt, das aus der Turbine austre­ tende, entspannte Arbeitsgas mit einer Temperatur von beispielsweise 500 bis 600°C zur Vorwärmung des beim Verdichten auf beispielsweise 300°C erwärmten Arbeits­ gases zu verwenden. Hierzu wird ein Wärmetauscher zwischen den Verdichter und ein sich anschließendes Verbrennungssystem zur Erhitzung des Arbeitsgases geschal­ tet. Aufgrund der verhältnismäßig geringen Temperaturdifferenz von nur 200 bis 300°C zwischen dem aus der Turbine austretenden, entspannten Arbeitsgas und dem vom Verdichten erwärmten, noch zu erhitzenden Arbeitsgas hat das den Wärmetau­ scher verlassende entspannte Arbeitsgas noch eine verhältnismäßig hohe Temperatur und damit noch eine beträchtliche thermische Energie, die nicht genutzt wird.

Mit Gasturbinen der vorgenannten Art sind bisher Wirkungsgrade von höchstens 40% (Wellenleistung zu eingesetzter Brennstoffenergie pro Zeiteinheit) erreichbar.

Gasturbinen können auch zum Antrieb von Verdichtern eingesetzt werden, um bei­ spielsweise einen ausreichenden Druck in langen Gaspipelines aufrechtzuerhalten. Die bei den Gasturbinen anfallende Wärmeenergie des aus der Turbine austretenden, entspannten Arbeitsgases wird bei diesen Verdichtungsprozessen nicht genutzt. Dementsprechend ist der Wirkungsgrad dieser Verdichter, gemessen an der insgesamt eingesamt eingesetzten Energie, verhältnismäßig gering.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrei­ ben einer Gasturbine und eine Gasturbine sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verdichten eines Arbeitsgases mit den eingangs genannten Merkmalen anzuge­ ben, die die Realisierung eines gegenüber dem Stand der Technik erhöhten Wir­ kungsgrades ermöglichen.

Die verfahrensmäßige Lösung zum Betreiben einer Gasturbine sieht erfindungsgemäß vor, daß das Arbeitsgas in der Turbine auf einen unter dem Eingangsdruck des Ar­ beitsgases in den offenen Kreislauf liegenden Unterdruck entspannt und erst nach dem Wärmeaustausch wieder verdichtet wird.

Eine grundlegende Idee der vorliegenden Erfindung liegt darin, anstelle den Ein­ gangsdruck des Arbeitsgases zu erhöhen, eine Druckabsenkung auf der Abströmseite der Turbine zu erzeugen. Dies ermöglicht es, die Verdichtung und die damit einherge­ hende Temperaturerhöhung des Arbeitsgases vor dem Erhitzen und der sich anschlie­ ßenden Einleitung in die Turbine zumindest zu reduzieren oder ganz entfallen zu las­ sen. Hierdurch wird die Temperaturdifferenz zwischen dem aus der Turbine austreten­ den, auf Unterdruck entspannten Arbeitsgas und dem vor der Erhitzung vorzuwär­ menden Arbeitsgas vergrößert. Die erhöhte Temperaturdifferenz ermöglicht eine bes­ sere Rückkopplung von thermischer Energie beim Wärmeaustausch und damit einen wesentlich höheren Wirkungsgrad der Gasturbine.

Berechnungen haben gezeigt, daß bei einer Entspannung des Arbeitsgases in der Turbine auf weniger als 50 kPa, vorzugsweise auf im wesentlichen 30 kPa, bei ver­ hältnismäßig geringem apparativen Aufwand und bei Verwendung von Umgebungs­ luft als Arbeitsgas, das im wesentlichen bei Umgebungsdruck ausgehend von der Umgebungstemperatur vorgewärmt und anschließend erhitzt wird, ein Wirkungsgrad von 50% und mehr erreichbar ist.

Wenn die Gasturbine mit Umgebungsluft als Arbeitsgas betrieben wird, genügt es, daß das auf Unterdruck entspannte Arbeitsgas nach dem Wärmeaustausch wieder auf Umgebungsdruck oder den Eingangsdruck verdichtet wird. In diesem Fall arbeitet der Verdichter als Saugpumpe auf der Ausströmseite, um den Unterdruck auf der Ab­ strömseite der Turbine aufrechtzuerhalten. Eine Verdichtung des vorzuwärmenden Arbeitsgases bzw. der angesaugten Umgebungsluft kann vollständig entfallen oder zumindest reduziert werden.

Gemäß einer bevorzugten Verfahrensvariante wird Umgebungsluft als Arbeitsgas verwendet und zum Erhitzen ein Brennstoff im Arbeitsgas verbrannt. So kann bei mi­ nimalem konstruktivem Aufwand eine effiziente Erhitzung des Arbeitsgases erreicht werden.

Das Erreichen eines hohen Wirkungsgrades wird weiter dadurch unterstützt, daß das auf Unterdruck entspannte Arbeitsgas nach dem Wärmeaustausch, bei dem es bei­ spielsweise von 700°C auf 75°C rückgekühlt wird, noch vor dem Verdichten weiter abgekühlt wird, um die erforderliche Verdichterleistung und so die von der Turbine aufzubringende Leistung unter Berücksichtigung der für die weitere Abkühlung er­ forderlichen Leistung zu minimieren.

Des weiteren läßt sich die erforderliche Verdichterleistung verringern und damit der Wirkungsgrad erhöhen, wenn eventuell vorhandenes Wasser aus dem auf Unter­ druck entspannten Arbeitsgas vor dem Verdichten abgeschieden wird.

Eine vorschlagsgemäße Gasturbine mit den eingangs genannten Merkmalen zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, daß der Verdichter der Turbine und dem Wärme­ tauscher derart nachgeschaltet ist, daß an der Turbine abströmseitig ein unter dem Eingangsdruck des Arbeitsgases in den offenen Kreislauf liegender Unterdruck für das Arbeitsgas erzeugbar ist.

Eine wesentliche Idee der vorliegenden Erfindung liegt also darin, den üblicherweise vor den Wärmetauscher geschalteten Verdichter zur Erhöhung des Arbeitsgasdrucks auf der Anströmseite der Turbine nunmehr quasi als Unterdruckpumpe auf der Ab­ strömseite der Turbine zur Erzeugung des Unterdrucks bzw. einer Druckabsenkung anzuordnen. Dadurch entfällt die mit dem Verdichten einhergehende Temperaturer­ höhung der angesaugten Umgebungsluft bzw. des Arbeitsgases vor Durchlaufen des Wärmetauschers und der anschließenden Erhitzung im Verbrennungssystem. Folglich weist das aus der Turbine abströmende, auf Unterdruck entspannte Arbeitsgas zu dem vorzuwärmenden Arbeitsgas eine gegenüber dem Stand der Technik höhere Temperaturdifferenz auf, so daß eine verbesserte Wärmerückkopplung und damit ein erhöhter Wirkungsgrad realisierbar sind.

Unterdruck im Sinne der vorliegenden Erfindung kann generell auch ein über dem Umgebungs- oder Atmosphärendruck liegender Druck sein, sofern er unter dem Ein­ gangsdruck des Arbeitsgases in den offenen Kreislauf bzw. in die Gasturbine liegt.

Ein sehr guter Wirkungsgrad läßt sich dadurch erreichen, daß ein Unterdruck von weniger als 50 kPa, vorzugsweise von im wesentlichen 30 kPa, erzeugbar ist und daß dem Wärmetauscher das vorzuwärmende Arbeitsgas, vorzugsweise Umgebungsluft, im wesentlichen bei Umgebungstemperatur, insbesondere ohne vorherige Verdich­ tung, zuführbar ist.

Eine sehr wirksame Wärmerückkopplung wird vorzugsweise dadurch erreicht, daß der Wärmetauscher als Gegenstromwärmetauscher, insbesondere in Form eines Re­ kuperators, ausgebildet ist.

Zur Verringerung der insgesamt erforderlichen Leistung zum Verdichten des auf Un­ terdruck entspannten Arbeitsgases auf Atmosphärendruck, also beim Aufrechterhal­ ten des Unterdrucks auf der Abströmseite der Turbine, sind vorzugsweise ein Zwi­ schenkühler und/oder ein Wasserabscheider zwischen den Wärmetauscher und den Verdichter zur Kühlung bzw. Wasserabscheidung vor dem Verdichten des unter Un­ terdruck stehenden Arbeitsgases angeordnet.

Das vorschlagsgemäß, wie voranstehend beschrieben, geänderte thermodynamische Arbeitsverfahren bzw. die genannte grundlegende Idee läßt sich auch auf ein Verfah­ ren und eine Vorrichtung mit einem durch Fremdenergie antreibbaren Verdichter zur Verdichtung eines Arbeitsgases, wie Erdgas, von einem Eingangsdruck auf einen er­ höhten Ausgangsdruck übertragen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verdichten von Arbeitsgas zeichnet sich da­ durch aus, daß das Arbeitsgas vorgewärmt und anschließend mittels fremdzugeführter Wärmeenergie erhitzt wird, das erhitzte Arbeitsgas eine Turbine antreibt und hierbei auf einen unter dem Eingangsdruck liegenden Druck entspannt wird, das in der Tur­ bine entspannte Arbeitsgas durch Wärmeaustausch das vorzuwärmende Arbeitsgas vorwärmt und anschließend mittels eines von der Turbine und durch Fremdenergie angetriebenen Verdichters auf den Ausgangsdruck verdichtet wird.

Ein wesentlicher Aspekt ist hierbei die Nutzung fremdzugeführter Wärmeenergie zu­ sammen mit der Nutzung von Fremdenergie zum Antrieb des Verdichters, so daß die erforderliche Fremdenergie abzüglich der zugeführten Wärmeenergie im Verhältnis zur Arbeitsleistung des Verdichters minimiert wird. Folglich läßt sich der Wirkungs­ grad durch Nutzung von Abwärme optimieren.

In bevorzugter Weiterbildung werden dabei die Wärmeenergie zur Erhitzung des Ar­ beitsgases und die Fremdenergie zum Antrieb des Verdichters durch eine Gasturbine bereitgestellt. Diese Kombination bietet sich insbesondere für Pipeline-Verdichter- Stationen an, bei denen beispielsweise Erdgas zur Weiterleitung auf einen höheren Druck verdichtet wird. Durch die vorschlagsgemäße Kombination einer beispielswei­ se herkömmlichen Gasturbine, wie eingangs beschrieben, mit dem die Wärmeenergie des Abgases der Gasturbine ausnutzenden Verdichterverfahren läßt sich der Lei­ stungsbedarf bei gleicher Verdichterleistung von beispielsweise 25 MW auf etwa 15 bis 18 MW senken.

Eine Vorrichtung mit einem durch Fremdenergie antreibbaren Verdichter zur Verdich­ tung eines Arbeitsgases, wie Erdgas, von einem Eingangsdruck auf einen erhöhten Ausgangsdruck zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, daß die Vorrichtung einen Erhitzer zur Erhitzung des Arbeitsgases mittels fremdzugeführter Wärmeener­ gie, eine vom erhitzten Arbeitsgas antreibbare Turbine zur Abgabe von Antriebsener­ gie an den Verdichter und einen Wärmetauscher zur Vorwärmung von zu erhitzen­ dem Arbeitsgas durch Wärmeaustausch mit in der Turbine entspanntem Arbeitsgas umfaßt, wobei der Verdichter der Turbine und dem Wärmetauscher derart nachge­ schaltet ist, daß an der Turbine abströmseitig ein unter dem Eingangsdruck liegender Unterdruck für das Arbeitsgas erzeugbar ist.

Wiederum läßt sich durch Kombination von zugeführter Wärmeenergie und zuge­ führter Fremdenergie zum Antrieb des Verdichters eine Minimierung des Anteils an benötigter Fremdenergie erreichen.

Entsprechend der vorschlagsgemäßen Gasturbine ist es einem großen Wirkungsgrad zuträglich, wenn der Wärmetauscher als Gegenstromwärmetauscher ausgebildet ist und wenn zwischen dem Wärmetauscher und dem Verdichter ein Zwischenkühler zur Kühlung des auf Unterdruck entspannten Arbeitsgases vor dem Verdichten angeord­ net ist.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand der Zeichnung zweier bevor­ zugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 einen schematischen Aufbau einer vorschlagsgemäßen Gasturbine und

Fig. 2 einen schematischen Aufbau einer vorschlagsgemäßen Vorrichtung zum Verdichten von Arbeitsgas.

Die in Fig. 1 dargestellte, vorschlagsgemäße Gasturbine 1 umfaßt korrespondierend zu bekannten Gasturbinen einen Verdichter 2, ein Verbrennungssystem 3 zur Erhitzung eines Arbeitsgases, eine mit dem erhitzten Arbeitsgas antreibbare (Nutz-)Turbine 4 sowie einen Wärmetauscher 5, der einer Vorwärmung des von dem Verbrennungssy­ stem 3 zu erhitzenden Arbeitsgases mit Hilfe des aus der Turbine 4 abströmenden, noch verhältnismäßig heißen Arbeitsgases dient. Der Verdichter 2 ist beispielsweise als Schaufelradverdichter ausgebildet und von der Turbine 4 über eine gemeinsame Welle 6 antreibbar.

Bei der vorschlagsgemäßen Gasturbine 1 wird das durch angesaugte Umgebungsluft gebildete Arbeitsgas vor der Vorwärmung im Wärmetauscher 5 im Gegensatz zum Stand der Technik nicht verdichtet. Dementsprechend kann das Arbeitsgas mit einer zumindest im wesentlichen der Umgebungstemperatur entsprechenden Temperatur und vorzugsweise bei etwa Umgebungsdruck über einen Einlaß 7 in den Wärmetau­ scher 5 eintreten. Im Wärmetauscher 5 wird das Arbeitsgas vorgewärmt und über eine Leitung 8 dem sich anschließenden Verbrennungssystem 3 zugeführt.

Das beispielsweise gasförmige oder flüssige Brennstoffe verfeuernde Verbrennungs­ system 3 erhitzt dann das Arbeitsgas auf beispielsweise etwa 1100°C. Hierbei wird der Druck des Arbeitsgases im wesentlichen nicht erhöht. Er entspricht also immer noch ungefähr dem Umgebungsdruck bzw. dem Eingangsdruck des Arbeitsgases in den offenen Kreislauf am Einlaß 7.

Anschließend wird das erhitzte Arbeitsgas über eine Leitung 9 der Turbine 4 zuge­ führt. In der Turbine 4 wird die thermische Energie des Arbeitsgases teilweise in me­ chanische Energie umgesetzt, die über die Welle 6 einerseits auf den Verdichter 2 übertragen und andererseits als sogenannte Wellenleistung zur Verfügung gestellt wird. In der Turbine 4 wird das erhitzte Arbeitsgas auf einen an der Abströmseite der Turbine 4 anstehenden Unterdruck von vorzugsweise weniger als 50 kPa und insbe­ sondere von 30 kPa oder weniger entspannt, wobei sich das aus der Turbine 4 austre­ tende bzw. über eine Leitung 10 zum Wärmetauscher 5 abströmende Arbeitsgas in der Turbine 4 beispielsweise auf etwa 700°C abgekühlt hat. Der für einen maximalen Wirkungsgrad optimale Unterdruck ist von der technologisch erreichbaren bzw. verwirklichten Turbineneintrittstemperatur abhängig.

Das auf Unterdruck entspannte Arbeitsgas gibt im Wärmetauscher 5 Wärmeenergie an das noch im Verbrennungssystem 3 zu erhitzende Arbeitsgas ab. Ein effektiver Wärmeaustausch wird vorzugsweise dadurch erreicht, daß der Wärmetauscher 5 als ein im Gegenstrom arbeitender Rekuperator ausgebildet ist. Aufgrund der hohen Temperaturdifferenz von ungefähr 700°C zwischen dem auf Unterdruck entspann­ ten Arbeitsgas und dem vorzuwärmenden, noch zu erhitzenden Arbeitsgas ist ver­ hältnismäßig viel Wärmeenergie übertragbar. So wird das auf Unterdruck entspannte Arbeitsgas vom Wärmetauscher 5 beispielsweise bis auf ca. 75°C abgekühlt und an­ schließend über Leitungen 11 und 12 an den von der Turbine 4 angetriebenen Ver­ dichter 2 weitergeleitet.

Der Verdichter 2 verdichtet das auf Unterdruck entspannte Arbeitsgas dann wieder auf Umgebungsdruck und läßt es über einen Auslaß 13 ins Freie entweichen. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Gasturbine 1 also einen offenen Kreislauf für das Arbeitsgas auf.

Der Verdichter 2 dient hier nicht einer Erhöhung des Druckes des Arbeitsgases über den Umgebungsdruck hinaus, sondern einer Aufrechterhaltung des Unterdrucks auf der Abströmseite der Turbine 4. Der Verdichter 2 arbeitet sozusagen als Unterdruck­ pumpe, die am Ende des Strömungsweges des Arbeitsgases angeordnet ist.

Berechnungen haben gezeigt, daß mit der Gasturbine 1 gemäß dem dargestellten Aus­ führungsbeispiel ein Wirkungsgrad von 50% oder mehr (abgegebene mechanische Energie bzw. Wellenleistung zu eingesetzter Brennstoffenergie) erreichbar ist.

Zur Verminderung der erforderlichen Verdichterleistung ist vorzugsweise in dem Strömungsweg des auf Unterdruck entspannten Arbeitsgases zwischen dem Wärme­ tauscher 5 und dem Verdichter 2 ein Zwischenkühler 14 angeordnet, der einer weite­ ren Absenkung der Temperatur des vom Wärmetauscher 5 vorgekühlten, auf Unter­ druck entspannten Arbeitsgases vor dem Verdichten dient.

Außerdem kann zusätzlich oder alternativ auch ein Wasserabscheider 15 zwischen die Leitungen 11 und 12, also vor den Verdichter 2, geschaltet sein, um in dem auf Un­ terdruck entspannten Arbeitsgas eventuell vorhandenes Wasser vor dem Verdichten des Arbeitsgases abscheiden zu können. Dies ist ebenfalls einer Verringerung der er­ forderlichen Verdichtedeistung zuträglich.

Das ggf. in beträchtlicher Menge abgeschiedene Wasser wird gemäß einer Ausfüh­ rungsvariante wieder in das Arbeitsgas, beispielsweise im Verbrennungssystem 3 bzw. in eine Brennkammer desselben, eingedüst. So kann der NO_x-Anteil der Ver­ brennungsluft reduziert werden.

Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist dem Einlaß 7 des Wärmetauschers 5 für das vorzuwärmende Arbeitsgas kein Verdichter für das Arbeitsgas vorgeschaltet. In alternativer Ausführung ist es jedoch auch möglich, eine Einrichtung zur Zuführung von Arbeitsgas dem Einlaß 7 vorzuschalten, die beispielsweise von der Turbine 4 an­ getrieben wird und bei allenfalls verhältnismäßig geringer Erhöhung der Temperatur des Arbeitsgases dessen Einlaßdruck erhöht.

Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Gasturbine 1 einwellig ausgebildet. Je nach Bedarf kann die Gasturbine 1 selbstverständlich auch mehrwellig, insbesondere zweiwellig, ausgebildet sein.

Die mehrwellige Ausbildung des Gasturbine 1 ist besonders für die Verwendung der Gasturbine 1 als mechanischer Antrieb, beispielsweise zum Antrieb eines Verdichters für Pipeline-Verdichter-Stationen, geeignet.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Fig. 2 ein bevorzugtes Ausführungsbei­ spiel einer vorschlagsgemäßen Vorrichtung 20 mit einem Verdichter 21 zum Verdich­ ten eines Arbeitsgases, beispielsweise Erdgas in einer Pipeline o. dgl., erläutert. Die Vorrichtung 20 umfaßt über den Verdichter 21 hinaus in Analogie zu der voranste­ hend beschriebenen Gasturbine 1 einen Erhitzer 22 zur Erhitzung von Arbeitsgas mittels von außen zugeführter Wärmeenergie, wie durch Pfeil 23 angedeutet, eine mit dem erhitzten Arbeitsgas antreibbare (Nutz-)Turbine 24 sowie einen Wärmetauscher 25, der einer Vorwärmung des von dem Erhitzer 22 zu erhitzenden Arbeitsgases mit Hilfe des aus der Turbine 25 abströmenden, noch verhältnismäßig heißen Arbeitsgases dient.

Der Verdichter 21 ist beispielsweise als Schaufelradverdichter ausgebildet und ist von der Turbine 24 über eine gemeinsame Welle 26 oder eine sonstige mechanische Kopplung antreibbar.

Bei der vorschlagsgemäßen Vorrichtung 20 tritt das zu verdichtende Arbeitsgas, bei­ spielsweise Erdgas, aus einer Pipeline mit einem Eingangsdruck von beispielsweise 5 MPa, über einen Einlaß 27 in den Wärmetauscher 25 ein. Im Wärmetauscher 25 wird das Arbeitsgas vorgewärmt und über eine Leitung 28 dem sich anschließenden Erhit­ zer 22 zugeführt.

Der insbesondere als Wärmetauscher ausgebildete Erhitzer 22 erhitzt dann das Ar­ beitsgas mittels der fremdzugeführten Wärmeenergie beispielsweise auf etwa 300°C. Hierbei wird der Druck des Arbeitsgases im wesentlichen nicht erhöht. Er entspricht also immer noch ungefähr dem Eingangsdruck in den Wärmetauscher 25, also dem Eingangsdruck des bezüglich der Vorrichtung 20 offenen Kreislaufs für das Arbeits­ gas.

Anschließend wird das erhitzte Arbeitsgas über eine Leitung 29 der Turbine 24 zuge­ führt. In der Turbine 24 wird die thermische Energie des Arbeitsgases teilweise in me­ chanische Energie umgesetzt, die über die Welle 26 auf den Verdichter 21 übertragen wird. In der Turbine 24 wird das erhitzte Arbeitsgas auf einen an der Abströmseite der Turbine 24 anstehenden Unterdruck, der geringer als der genannte Eingangsdruck des Arbeitsgases ist und vorzugsweise weniger als dreiviertel des Eingangsdrucks, beispielsweise also etwa die Hälfte bzw. 2,5 MPa, beträgt, entspannt. Das aus der Turbine 24 austretende bzw. über eine Leitung 30 zum Wärmetauscher 25 abströ­ mende Arbeitsgas hat sich in der Turbine 24 beispielsweise auf etwa 100 bis 200°C abgekühlt.

Das auf Unterdruck entspannte Arbeitsgas gibt im Wärmetauscher 25 Wärmeenergie an das noch im Erhitzer 22 zu erhitzende Arbeitsgas ab. Ein effektiver Wärmeaus­ tausch wird vorzugsweise dadurch erreicht, daß der Wärmetauscher 22 als ein im Ge­ genstrom arbeitender Rekuperator ausgebildet ist. Im Wärmetauscher 25 wird das auf Unterdruck entspannte Arbeitsgas beispielsweise auf etwa 50 bis 100°C abgekühlt und anschließend über Leitungen 31 und 32 an den von der Turbine 24 und durch zusätzliche mechanische Fremdenergie, deren Zuführung durch Pfeil 33 angedeutet ist, angetriebenen Verdichter 21 weitergeleitet. Der Verdichter 21 verdichtet das auf Unterdruck entspannte Arbeitsgas dann über den Eingangsdruck, beispielsweise auf etwa das 1,5fache, also z. B. auf etwa 7 bis 8 MPa, und läßt das verdichtete Arbeits­ gas dann über einen Auslaß 34 aus der Vorrichtung 20, beispielsweise in eine ange­ schlossene (nicht dargestellte) Pipeline o. dgl., entweichen. Die vorschlagsgemäße Vorrichtung 20 weist also einen offenen Kreislauf für das Arbeitsgas auf.

Der Verdichter 21 dient hier nicht nur der üblichen Erhöhung des Druckes des Ar­ beitsgases über den Eingangsdruck hinaus, sondern auch einer Aufrechterhaltung des Unterdruckes auf der Abströmseite der Turbine 24. Insoweit arbeitet der Verdich­ ter 21 sozusagen als Unterdruckpumpe, die am Ende des Strömungsweges des Ar­ beitsgases angeordnet ist.

Berechnungen haben gezeigt, daß bei einer Kopplung der vorschlagsgemäßen Vor­ richtung 20 mit einer herkömmlichen Gasturbine, die sowohl die mechanische Fremd­ energie zum Antreiben des Verdichters 21 als auch die erforderliche Wärmeenergie für den Erhitzer 22 bereitstellt, bei gleicher Verdichterleistung die erforderliche Lei­ stungsauslegung der Gasturbine um ca. 20 bis 40% reduziert werden kann. Dies er­ möglicht erhebliche Kosteneinsparungen im Betrieb.

Zur Verminderung der erforderlichen Verdichterleistung kann in Analogie zu der vor­ schlagsgemäßen Gasturbine 1 in dem Strömungsweg des auf Unterdruck entspannten Arbeitsgases zwischen dem Wärmetauscher 25 und dem Verdichter 21 ein Zwischen­ kühler 35 angeordnet werden, der einer weiteren Absenkung der Temperatur des vom Wärmetauscher 25 vorgekühlten, auf Unterdruck entspannten Arbeitsgases vor dem Verdichten dient.

Claims (18)

1. Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine mit einer von erhitztem Arbeitsgas in ei­ nem offenen Kreislauf antreibbaren Turbine, bei dem das Arbeitsgas vor der Erhit­ zung durch Fremdenergie durch Wärmeaustausch mit in der Turbine entspanntem Arbeitsgas vorgewärmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsgas in der Turbine auf einen unter dem Eingangsdruck des Arbeitsga­ ses in den offenen Kreislauf liegenden Unterdruck entspannt und erst nach dem Wärmeaustausch wieder verdichtet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsgas in der Turbine auf weniger als 50 kPa, vorzugsweise auf im wesentlichen 30 kPa, entspannt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das auf Unter­ druck entspannte Arbeitsgas nach dem Wärmeaustausch wieder auf den Eingangs­ druck oder einen Umgebungsdruck verdichtet wird.

4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Umgebungsluft als Arbeitsgas verwendet und zum Erhitzen ein Brennstoff im Arbeitsgas verbrannt wird.

5. Verfahren zum Verdichten eines Arbeitsgases, wie Erdgas, von einem Eingangs­ druck auf einen erhöhten Ausgangsdruck, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsgas zunächst vorgewärmt und anschließend mittels fremdzugeführter Wärmeenergie erhitzt wird, das erhitzte Arbeitsgas eine Turbine antreibt und hierbei auf einen unter dem Eingangsdruck liegenden Druck entspannt wird, das in der Tur­ bine entspannte Arbeitsgas durch Wärmeaustausch das vorzuwärmende Arbeitsgas vorwärmt und anschließend mittels eines von der Turbine und durch Fremdenergie angetriebenen Verdichters auf den Ausgangsdruck verdichtet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeenergie zur Erhitzung des Arbeitsgases und die Fremdenergie zum Antrieb des Verdichters durch eine Gasturbine bereitgestellt werden.

7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsgas vor der Erhitzung ohne vorherige Verdichtung durch den Wärme­ austausch mit dem auf Unterdruck entspannten Arbeitsgas vorgewärmt wird.

8. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das auf Unterdruck entspannte Arbeitsgas nach dem Wärmeaustausch und vor dem Verdichten gekühlt wird.

9. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Wasser aus dem auf Unterdruck entspannten Arbeitsgas nach dem Wärmeaus­ tausch und vor dem Verdichten abgeschieden wird.

10. Gasturbine (1) mit einem Verdichter (2), mit einem Verbrennungssystem (3) zur Er­ hitzung eines Arbeitsgases, mit einer vom erhitzten Arbeitsgas in einem offenen Kreislauf antreibbaren Turbine (4) zur Erzeugung mechanischer Energie und zum An­ trieb des Verdichters (2) und mit einem Wärmetauscher (5) zur Vorwärmung von zu erhitzendem Arbeitsgas durch Wärmeaustausch mit in der Turbine (4) entspanntem Arbeitsgas, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter (2) der Turbine (4) und dem Wärmetauscher (5) derart nachge­ schaltet ist, daß an der Turbine (4) abströmseitig ein unter dem Eingangsdruck des Arbeitsgases in den offenen Kreislauf liegender Unterdruck für das Arbeitsgas er­ zeugbar ist.

11. Gasturbine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Unterdruck von weniger als 50 kPa, vorzugsweise von im wesentlichen 30 kPa, erzeugbar ist.

12. Gasturbine nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Gastur­ bine (1) so ausgebildet ist, daß dem Wärmetauscher (5) das vorzuwärmende Arbeits­ gas, insbesondere Umgebungsluft, im wesentlichen bei Umgebungstemperatur und/oder im wesentlichen bei Umgebungsdruck zuführbar ist.

13. Gasturbine nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (5) als Gegenstromwärmetauscher ausgebildet ist.

14. Gasturbine nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Wärmetauscher (5) und dem Verdichter (2) ein Zwischenkühler (14) zur Kühlung des unter Unterdruck stehenden Arbeitsgases vor dem Verdichten an­ geordnet ist.

15. Gasturbine nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Wärmetauscher (5) und dem Verdichter (2) ein Wasserabscheider (15) zur Abscheidung von Wasser aus dem unter Unterdruck stehenden Arbeitsgas vor dem Verdichten angeordnet ist.

16. Vorrichtung (20) mit einem durch Fremdenergie antreibbaren Verdichter (21) zur Verdichtung eines Arbeitsgases, wie Erdgas, von einem Eingangsdruck auf einen er­ höhten Ausgangsdruck, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (20) einen Erhitzer (22) zur Erhitzung des Arbeitsgases mittels fremdzugeführter Wärmeenergie, eine vom erhitzten Arbeitsgas antreibbare Turbine (24) zur Abgabe von Antriebsenergie an den Verdichter (21) und einen Wärmetau­ scher (25) zur Vorwärmung von zu erhitzendem Arbeitsgas durch Wärmeaustausch mit in der Turbine (24) entspanntem Arbeitsgas umfaßt, wobei der Verdichter (21) der Turbine (24) und dem Wärmetauscher (25) derart nachgeschaltet ist, daß an der Tur­ bine (24) abströmseitig ein unter dem Eingangsdruck liegender Unterdruck für das Arbeitsgas erzeugbar ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (25) als Gegenstromwärmetauscher ausgebildet ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Wärmetauscher (25) und dem Verdichter (21) ein Zwischenkühler (35) zur Küh­ lung des auf Unterdruck entspannten Arbeitsgases vor dem Verdichten angeordnet ist.