DE19940575A1 - Gasturbinenanordnung zur Energiegewinnung sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen - Google Patents
Gasturbinenanordnung zur Energiegewinnung sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchenInfo
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Abstract
Beschrieben wird eine Gasturbinenanordnung zur Energiegewinnung sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen, mit einer Luftverdichtereinheit, die Luft isotherm komprimiert, wenigstens einer Brennkammer, in der die komprimierte Luft zusammen mit einem Brennstoff in Form eines Luft-Brennstoff-Gemisches zur Zündung gebracht wird und wenigstens einer Turbinenstufe, in die die bei der Verbrennung des Luft-Brennstoff-Gemisches entstehenden Heißgase eingeleitet werden, die die Turbinenstufe im Wege einer Expansion antreiben. DOLLAR A Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß wenigstens eine Wärmetauschereinheit vorgesehen ist, in die die nach Durchtritt durch die Turbinenstufe expandierten Heißgase eingeleitet werden, deren Abwärme wenigstens teilweise durch die Wärmetauschereinheit vor Eintritt in die Brennkammer an die isotherm komprimierte Luft übertragbar ist.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinenanordnung zur Energiegewinnung
sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen, mit einer Luftverdichtereinheit, die
Luft isotherm komprimiert, wenigstens einer Brennkammer, in der die komprimierte
Luft zusammen mit einem Brennstoff in Form eines Luft-Brennstoff-Gemisches zur
Zündung gebracht wird und wenigstens einer Turbinenstufe, in die, die bei der Ver
brennung des Luft-Brennstoff-Gemisches entstehenden Heißgase eingeleitet wer
den, die die Turbinenstufe im Wege einer Expansion antreiben.
Gasturbinen sind Kernkomponente für Wärmekraftprozesse mit hohem thermischem
Wirkungsgrad. Zur Steigerung des Wirkungsrades derartiger Anlagen sind Lösungen
bekannt, die die bei Gasturbinen anfallende Abwärme, die in Form heißer Verbren
nungsabgase meist ungenutzt durch einen Kamin in die Atmosphäre gelangen, in
technisch nutzbare Energie umzusetzen. Speziell im Kraftwerksbereich haben sich
Anlagen mit sogenannten Abhitzekessel zur Nutzung der von der Gasturbine stam
menden Abwärme durchgesetzt. So wird die Abwärme in einem, der Gasturbine
nachgeschalteten Wasser-Dampf Prozess, in dem eine Dampfturbine integriert ist
genutzt. Derartige Kraftwerke werden Kombikraftwerke oder auch GUD (Gas und
Dampf) genannt.
Typische Eintrittstemperaturen bei Gasturbine, d. h. die Temperatur mit der das ge
zündete Luft-Brennstoff-Gemisch als Heißgase in die Turbinenstufe der Gasturbine
eintreten, liegen in der Grössenordnung von 1300°C. Nach Durchtritt der Heißgase
durch die Turbinenstufe werden diese entspannt und kühlen auf Temperaturen von
ca. 600°C. Ebendiesen Wärmegehalt, den die aus der Turbinenstufe austretenden
Verbrennungsabgase besitzen vermögen Kombikraftwerke im Rahmen eines der
Gasturbinenstufe nachgeschalteten Dampfkreislauf noch zusätzlich zu nutzen.
Es sind darüber hinaus Gasturbinenanordnungen bekannt, die die vorstehend ge
nannten Eintrittstemperaturen von ca. 1300°C zwei mal erreichen. Hierbei sind eine
erste Brennkammer und eine erste Hochdruckturbine sowie eine zweite
Brennkammer und eine Niederdruckturbine hintereinander geschaltet, was im allge
meinen ein relativ hohes Verdichterdruckverhältnis erfordert. Entsprechend hoch ist
denn den Verbrennungsabgasen enthaltene Wärmegehalt, der höchst effektiv mit
einer nachgeschalteten Dampfturbine genutzt werden kann.
Eine weitere Möglichkeit den Wirkungsgrad von Gasturbinenanlagen zu verbessern
ist die Kühlung heißer Anlagenkomponenten der Gasturbine mit einem geschlosse
nen Dampfkühlsystem, welches die abgeführte Kühlwärme einem Dampfkreislauf
zuführt. Zum einen können durch eine wirkungsvolle Kühlung thermisch stark bela
steter Bauteile die Prozeßtemperaturen erhöht werden, was einen unmittelbaren po
sitiven Einfluß auf die Leistungsabgabe sowie auf den Wirkungsgrad der Gasturbi
nenanlage hat, zum anderen kann die abgeführte hohe Kühlwärme, wie bereits vor
stehend erwähnt genutzt werden.
Kombikraftwerke ohne die erwähnten Verbesserungsmaßnahme erreichen nach
heutiger Technologie einen thermischen Wirkungsgrad, der bei etwa 55% liegt. Mit
den erwähnten Verbesserungen sind 58% erreichbar und 60% denkbar.
Eine weitere Prozessverbesserung, die vor allem auf die Steigerung der Leistungs
dichte einer Gasturbinenanordnung abzielt, ist der Ersatz eines herkömmlichen und
vielerorts eingesetzten Adiabatkompressors durch einen Isothermkompressor.
So wird in der US-Druckschrift US 4 797 563 zur Energiegewinnung vorgeschlagen,
eine Gasturbine mit isotherm vorverdichteter Luft zu versorgen, die entlang einer
Gefällstrecke, die als horizontaler Fallschacht ausgebildet ist, als Flüssigkeit-Luft-
Gemisch mittels Erdanziehungskraft beschleunigt und in einer sich am unteren Ende
des Fallschachtes anschließenden Druckkammer komprimiert wird, wo sich die Luft
von der Flüssigkeit wieder separiert. Die auf diese Weise komprimierte Luft wird
nachfolgend der Brennkammer einer Gasturbine zugeführt, innerhalb der die auf
niedrigem Temperaturniveau befindliche hochverdichtete Luft mit Brennstoff ver
mengt und zur Zündung gebracht wird. Hauptvorteil der isothermen Kompression ist
zum einen der Wegfall konventioneller Verdichterstufen, die von der Gasturbine an
getrieben werden und auf diese Weise eine Wirkungsgradeinbuße der gesamten
Gasturbinenanlage bedeuten, zum anderen vermag die auf relativ niedrigem Tempe
raturniveau befindliche vorverdichtete Luft die mit dieser in thermischen Kontakt tre
tenden Anlagenkomponenten erheblich kleinere thermische Belastungen, wodurch
geringere Anforderungen an die einzelnen Anlagenkomponenten gestellt werden
müssen.
Zwar ist der Einsatz derartiger Isothermkompressoren theoretisch bekannt, aber
Isothermkompressören kommen grosstechnisch noch nicht zum Einsatz, da derartige
Kompressoren mit dem nötigen Wirkungsgrad und für die erforderlichen Luftmassen
durchsätze von über 800 kg/sec bislang nicht gebaut werden konnten.
Ungeachtet der konstruktiven Schwierigkeiten, die wie vorstehend besprochen einer
einfachen Optimierung von Gasturbinenanlagen entgegenstehen, sind in diesem Zu
sammenhang noch weitere Verlustmechanismen zu nennen, die bei der Aufgabe
einer optimierten Auslegung von Gasturbinenanlagen zu berücksichtigen und zu
überwinden sind.
So treten immanente Reibungsverluste in den Massen- bzw. Prozeßströmungen in
nerhalb der Gasturbinen auf, besonders in Bereichen der Beschaufelungen aber
auch durch Druckverluste in Leitungen, Brennkammern etc. (Dissipation). Diese
Verluste sind zum Teil zwar durch aerodynamische Formgebung beeinflußbar, aber
z. B. zum gleichmässigen Mischen von Brennstoff und Luft auch beabsichtigt.
Eine andere Kategorie von Verlustmechanismus sind Wärmeübertragungs- und
Mischverluste. Bei dieser Verlustart fließt Wärme (oder chemische Stoffe)
von einem hohen zu einem tiefen Temperaturniveau bzw. Konzentrationsniveau, oh
ne daß das Gefälle von Temperatur oder Konzentration für die Gewinnung nutzbarer
Energie ausgenutzt wird. Die dominierenden Verluste im Gasturbinen-Kombiprozess
entstehen bei der Wärmeaufnahme während des Verbrennungsprozesses sowie bei
der Übertragung der Abgaswärme an den nachgeschalteten Wasser-Dampf Prozess.
Im Verbrennungsprozess können zwar Temperaturen von über 2000°C erreicht wer
den, an den Gasturbinen-Prozess wird jedoch typischerweise nur eine thermodyna
misch wirksame Temperatur von maximal 1300°C übertragen. Die verhältnismäßig
nur geringe thermodynamisch wirksame Temperatur von maximal 1300°C ist durch
die Werkstoffe und die derzeit bekannte Kühlungstechnologie begrenzt.
Die Übertragung von Abgaswärme an den Wasser-Dampfprozess erzwingt inhärent
nicht nutzbare Temperaturdifferenzen weil das Wasser bei konstanter Temperatur
verdampft, während sich das Abgas bei gleitender Temperatur abkühlt. Mit Mehr
druck- und/oder Reheatsystemen wird dieser Nachteil jedoch nur teilweise kompen
siert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Gasturbinenanordnung unter Nutzung
der isothermen Kompression von Luft gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 un
ter Maßgabe der Steigerung der Leistungsdichte und des Systemwirkungsgrades zu
optimieren und weitgehen die zum Stand der Technik geschilderten Nachteile zu
vermeiden. Insbesondere soll es möglich sein, ohne den Einsatz eines der Gasturbi
nenanordnung nachgeschalteten Dampfkreislauf die von der Gasturbine abgegebene
Wärmemenge weitgehen in technisch nutzbare Energie umzuwandeln, mit einem
möglichst geringen konstruktiven und finanziellen Aufwand. Ferner soll ein Verfahren
zum Betrieb einer Gastrubinenanordnung unter Maßgabe der vorstehend angeführ
ten Aufgabenziele angegeben werden.
Die Lösung der Aufgabe ist Gegenstand des Anspruchs 1. Ein erfindungsgemäßes
Verfahren ist im Anspruch 14 beschrieben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft aus
bildende Merkmale sind den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und den Fi
guren zu entnehmen.
Erfindungsgemäß ist eine Gasturbinenanordnung zur Energiegewinnung mit einer
Luftverdichtereinheit, die Luft isotherm komprimiert, wenigstens einer Brennkammer,
in der die komprimierte Luft zusammen mit einem Brennstoff in Form eines Luft-
Brennstoff-Gemisches zur Zündung gebracht wird und wenigstens einer Turbinen
stufe, in die, die bei der Verbrennung des Luft-Brennstoff-Gemisches entstehenden
Heißgase eingeleitet werden, die die Turbinenstufe im Wege einer Expansion antrei
ben, dadurch ausgebildet, daß wenigstens eine Wärmetauschereinheit, ein soge
nannter Rekuperator vorgesehen ist, in die, die nach Durchtritt durch die Turbinen
stufe expandierten Heißgase eingeleitet werden, deren Abwärme wenigstens teilwei
se durch die Wärmetauschereinheit vor Eintritt in die Brennkammer an die isotherm
komprimierte Luft übertragbar ist.
Bei der erfindungsgemäßen Gasturbinenanlage weist die isotherm verdichtete Luft
ein Temperaturniveau auf, das nur knapp über der Umgebungstemperatur liegt,
bspw. im Bereich von 5°C und 100°C. Im Rekuperator tritt die isotherm kompri
mierte Luft im Gegenstromprinzip in thermischen Kontakt mit den aus der Turbinen
stufe austretenden Verbrennungsabgasen, so daß die komprimierte Luft auf einen
Wert knapp unter der Turbinenaustrittstemperatur von ca. 600°C erhitzt wird. Die
Verbrennungswärme innerhalb der Brennkammer muß diesem Stoffstrom erst ab
dieser Temperatur zugeführt werden, wodurch der Verlust beider Wärmeaufnahme
deutlich reduziert wird. Eine klassische Gasturbine mit Adiabatverdichter würde diese
Bedingung erst bei einem unüblich hohem Druckverhältnis von etwa 40 erfüllen.
Zudem passen die Wärmekapazitäten von Abgas und Rekuperationsluft inhärent gut
zusammen, was einem idealen Gegenstromwärmeaustauscher zugute kommt, zumal
der thermische Wärmeübergang zwischen zwei Stoffströmen stattfindet, die, abge
sehen von einem geringen Zusatz von Brennstoff von etwa 2-3% in den Verbren
nungsgasen, weitgehend gleich ausgebildet sind.
Ein besonders großer Vorteil bei der Verwendung von Isothermkompressoren ist ihr
unabhängiger Einsatz von der Gasturbine, wodurch hohe Druckverhältnisse erreicht
werden können. Auf diese Weise können mehr als eine Reheatstufe, d. h. mehrere
Rekuperatoren, betrieben werde und die Leistungsdichte erheblich gesteigert wer
den, bis zu 900 KJ/Kg.
Gasturbinenanordnungen der vorgeschlagenen Art sind weniger komplex als be
kannte Kombianlagen, da sie weder Dampfturbine noch Kondensator benötigen. Die
technisch nutzbare Leistung wird an einer einzigen Welle erzeugt und kann direkt auf
einen Generator übertragen werden.
Neben dem bekannten Prinzip des Fallschachtes (siehe US 4 797 563), durch den
ein Luft-Wasser-Gemisch, bedingt durch das Gravitationsfeld beschleunigt und durch
die düsenartig ausgebildete Kontur des Fallschachtes komprimiert wird, sind auch
alternative lsothermkompressoren denkbar.
So kann mit Hilfe einer Wasserpumpe, der eine Wasser-Zerstäubungseinrichtung im
Massenstrom nachgeschaltet ist, ein sich mit hoher Geschwindigkeit ausbreitendes
Luft-Wasser-Gemisch gebildet werden, das in einen Verdichtereinheit gezielt einge
speist wird.
Zum gleichen isothermen Kompressionsergebnis gelangt man durch Verwendung
eines Zentrifugalbeschleunigers, in dem axial Wasser oder Wasser-Luftgemische
zugeführt werden, das durch entsprechende Mitnehmer dem Zentrifugalfeld ausge
setzt wird, durch dessen beschleunigende Wirkung das Wasser zerstäubt bzw. die
Tropfen oder Blasengrösse beibehält und in einer Vorzugsrichtung den Beschleuni
ger verläßt, in der eine entsprechende Verdichtereinheit vorgesehen ist.
Schließlich ist es auch möglich Luft mit einer konventionellen Kompressorbeschau
felung zu verdichten, wodurch die Luft jedoch im Wege der Kompression einer übli
chen Erwärmung unterliegt. Um eine weitgehende Isothermie während der Kompres
sion zu gewährleisten, ist es erforderlich die Luft entsprechend abzukühlen, was mit
Zwischenkühlungen erreicht werden kann.
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsge
dankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung
exemplarisch. Es zeigen:
Fig. 1 Schematische Darstellung einer Gasturbinenanordnung mit isothermer
Kompression und nachgeschaltetem Rekuperator und
Fig. 2 Isothermkompressor nach dem Fliehkraftprinzip.
Eine kompakt ausgeführte Gasturbinenanlage mit isothermen Injektorverdichter mit
einer Brennkammer weist einen Luft- und einem Wasser-Kreislauf auf. (siehe Fig. 1).
Der Wasserkreislauf wird von einer Pumpe 1 betrieben, welche in Fig. 1 über ein
Verzweigungsgetriebe 12 direkt angetrieben ist, das ebenso mit dem Generator 11
gekoppelt ist. Das durch die Pumpe 1 mit hohem Druck, z. B. 80 bar, beaufschlagte
Wasser wird nachfolgend einem Injektor 2 zugeführt, der die Umgebungsluft regel
recht mitreißt und auf ca. 18 bar komprimiert. In einem dem Massenstrom folgend
und dem Injektor 2 nachgeordnet ist ein Luftabscheider 3 vorgesehen, in dem Luft
und Wasser voneinander getrennt werden. Das Wasser strömt über einen Kühler 4
zurück zur Pumpe 1, womit der Wasserkreis geschlossen ist. Da der Wasserkreis
normalerweise aus der Luft je nach deren relativen Feuchte zusätzliches auskonden
siertes Wasser und auch Schmutz aufnimmt, muß der Sumpf des Luftabscheiders
mit einer Niveauregelung und einer Aufbereitung (z. B. Filter in Haupt- oder Neben
strom) ausgestattet sein. Das kondensierte Wasser kann bspw. in ariden Gebieten
genutzt werden.
Der Luftkreis ist naturgemäß offen ausgebildet. Atmosphärische Luft wird vom Injek
tor 2 durch ein Filter angesaugt und auf 18 bar nahezu isotherm komprimiert. Wegen
der inhärenten Wärmeabgabe der Luft beim Kompressionsvorgang steigt deren
Temperatur zusammen mit derjenigen des Wassers leicht an - in der Regel etwas
mehr als 1°C, aber um so mehr, je weniger Umlaufwasser verwendet wird. Das
Umlaufwasser innerhalb des geschlossenen Wasserkreislaufs weist eine Temperatur
knapp über der Umgebungstemperatur auf, von beispielsweise 15°C, damit der
Wasserkühler effektiv betrieben werden kann.
Im Beispiel erfolgt die Isothermverdichtung vereinfacht bei 25°C. Im Massenfluß nach
dem Luftabscheider 3 wird die komprimierte Luft durch den Rekuperator 8 und an
schließend der Brennkammer 5 zugeführt, in der Luft der Brennstoff zugemischt wird
und nachfolgend das Luft-Brennstoff-Gemisch gezündet und verbrannt wird. Aus der
Brennkammer 5 strömen die Heißgase durch die Turbine 6 in den Diffuser 7 und
durch den Rekuperator 8 in den Kamin 9. Aus dem Rekuperator 8 wird an zusätzli
chen Anzapfstellen Luft geeigneter Temperatur entnommen und in Kühlkanälen 10
den zu kühlenden heißen Teilen der Brennkammer oder der Turbinenbaugruppe zu
geführt. Nach Erfüllung der Kühlfunktion wird sie stromab der gekühlten Komponente
dem Rauchgas zugemischt.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Gasturbinenanlage wird der Generator 11 über das
Verzweigungsgetriebe 12 direkt angetrieben. Bei größeren Anlagen (im 200 . . . 300
MW-Bereich) drehen die Turbinen mit einer Netzfrequenz von 60 oder 50 Hz. In die
sen Fällen würde der Generator direkt mit der Turbine gekoppelt und die Wasser
pumpe über ein Getriebe oder eine unabhängige Antriebsquelle angetrieben sein.
Gasturbinenanlagen der in Fig. 1 dargestellten Anordnung erreichen mit Kompo
nenten auf dem heutigen Stand der Technik einen Wirkungsgrad von 63% und eine
Leistungsdichte von 580 KJ/kg.
Der Pumpenantrieb kann auch bei kleinen Anlagen elektrisch oder mit einer anderen
Antriebsmaschine erfolgen. Es ist auch möglich, die Anlage im Verbund mit einem
Wasserkraftwerk zu betreiben, indem das Druckwasser aus einem höhergelegenen
Speicher kommt und nach dem Luftabscheider entweder durch eine Wasserturbine
entspannt wird oder in einen weniger hoch als der erstgenannte gelegenen Speicher
zurückfließt.
Auch ist es möglich erdgasgefeuerten Gasturbinenanlagen mehrstufig aufzubauen
bspw. mit drei Brennkammern. An diesem Beispiel einer dreistufigen Gasturbinen
anlage können folgende Überlegungen angestellt werden.
Das Druckverhältnis eines Isothermverdichters kann auf 80 erhöht werden, wobei die
beiden ersten Turbinenstufen jeweils einstufig mit einem Druckverhältnis von je 2
ausgelegt sind. Innerhalb des Rekuperators sowie der ersten Brennkammer treten
Druckabfälle auf, die bei ca. 8% liegen, für die beiden weiteren Brennkammern kann
mit einem Druckabfall mit je 4% gerechnet werden. Für die Turbinen sind polytrope
Wirkungsgrade von 75, 80 und 85% angenommen sowie ISO Misch-
Eintrittstemperaturen von 1100, 1200 und 1300°C.
Dieser Prozess erreicht einen Wirkungsgrad von 63.8% und eine Leistungsdichte
von bereits 850 KJ/kg. Würde man die Eintrittstemperaturen auf "High End Werte"
von 1200, 1275, 1350°C steigern, so würden 65% und über 900 KJ/kg erreicht.
Bei einer derart konzipierten Anlage können die Turbinen auf ein und derselben
Welle angeordnet sein. Es ist aber auch möglich, eine oder beide einstufigen Hoch
druckturbinen auf einer schneller drehenden Welle über ein Getriebe einzukoppeln,
da sie im Vergleich zur dritten Turbine einen kleinen Volumenstrom zu verarbeiten
haben. Im Bereich der oben genannten "High End Werte" nähert man sich der Gren
ze, bei der aller Luftsauerstoff in den Brennkammern verbraucht wird.
Mit der Anzahl der Brennkammern, bzw. Reheatstufen, erhöht man vor allem die Lei
stungsdichte, wobei aber der Verbrauch allen Luftsauerstoffs eine natürliche Grenze
darstellt. Die Kühlluftversorgung von Verbrauchern mit einem niedrigerem Druck als
dem Maximalen stellt ein weiteres Verbesserungspotential dar. Diese Kühlluft kann
mit dem Hauptluftstrom auf die Rekuperatorendtemperatur gebracht werden und
dann auf das erforderliche Druckniveau in einer Entspannungsturbine entspannt
werden. Man kann dadurch zusätzlich an Leistung und an Wirkungsgrad gewinnen.
Ferner kann die Kühlluft auf Zwischendruckwerte innerhalb einer Turbine entspannt
werden. Auch bietet sich an die Kühlluft vor der Entspannung noch höher zu erhit
zen.
Auch die Brennstoffvorwärmung ist ein Mittel, den Wirkungsgrad zu steigern. Optimal
wäre es, bis zur Rekuperatorendtemperatur vorzuwärmen. Man kann damit auch
noch die "Selbstgängigkeit" (Selbstzündfähigkeit) der Zwischenbrennkammern gün
stig beeinflussen, indem beispielsweise eine etwas tiefere Lufteintrittstemperatur ver
kraftbar wird.
Mit Wassereinspritzung in den Rekuperator, in die Überströmleitungen oder in die
Brennkammer(n) läßt sich vor allem die Leistungsdichte enorm steigern.
Derartige Konzepte sind vor allem für Spitzenlasterzeugung interessant. Mit einer
relativ kleinen Wassereinspritzung läßt sich auch die Kaminaustrittstemperatur noch
etwas reduzieren und so die Abgasenergie optimal nutzen.
In Fig. 2 ist ein derartiger Isothermkompressor dargestellt, dessen Druckerzeugung
im Gegensatz zu den Lösungen mit Fallschacht oder Injektor direkt vom Fliehkraft
feld herrührt. Hierzu weist der Kompressor ein Gehäuse 13 auf, an dessen Unter
seite ein Motorantrieb mit Motorantriebsrichtung 14 vorgesehen ist, der Kompressor
rotoren 15, von denen lediglich einer in der Fig. 2 dargestellt ist, antreibt. Die Kom
pressorrotoren 15 sind als radiale Schaufeln ausgebildet und rotieren im unteren Be
reich im Inneren des Gehäuses 13 um die Drehachse A des Motorenantriebes. Fer
ner ist im Inneren des Kompressorgehäuses 13 ein stationär oder mitrotierend ange
brachter Umlenkkörper vorgesehen, der zusammen mit dem Kompressorrotor 15
eine Druckluftleitung 17 einschliesst.
Koaxial zur Rotorachse A ist ein Luftansaugtrichter 18 angebracht, durch den Luft
während des Betriebes des Isothermkompressors angesaugt wird. Die in das Innere
des Gehäuses 13 eintretende Luft wird im Gemischbildungsbereich 24, in dem
leichter Unterdruck vorherrscht, mit Wasser aus der Wasserzuführung 23' vermischt,
so dass ein Luft-Wasser-Gemisch in Art eines Blasengemisches in das Innere des
Kompressors gelangt und von den Kompressorrotoren 15 mitgerissen und radial
nach Aussen in Richtung der Gehäusewand 13' beschleunigt wird. An der senk
rechten Gehäusewand 13' bildet sich ein Wasserfilm; von diesem scheidet sich
komprimierte Luft ab. Der Wasserfilm wandert entlang der Gehäusewand 13' durch
einen Dosierspalt 19 für den Rückfluss des ausgegasten Wasserfilmes, der zwischen
der Gehäusewand und dem Umlenkkörper 16 eingeschlossen ist, in den Wasser
rück- und -abführungskanal 23, in dem ein Teil des Wassers einem erneuten Misch
vorgang zur Verfügung steht. Kondensiertes Überschusswasser gelangt über einen
Kanal 21 und über einen Wasserrück- und -abführungskanal 23 über eine Wasser
aufbereitung 25 entweder in den Überschusswasserbehälter 20 von wo die benötigte
Wassermenge über eine Wasserzuführung 23' erneut in den Wasserkreislauf einge
bracht wird.
Die isotherm komprimierte Luft 22 strömt im Strömungskanal 21 zurück ins Zentrum
des Kompressors und gelangt über eine mitrotierende Druckluftleitung 17 gezielt in
einen nicht näher dargestellten Rekuperator und nachfolgend wird diese Luft in eine
Brepnkammer eingebracht. Die Druckluftleitung 17 ist über eine rotierende Dichtung
zum Luftansaugbereich des Kompressors abgegrenzt.
Der in Fig. 2 dargestellte Kompressortyp erfordert zudem keine hohen Strömungs
geschwindikeiten und keine besonders feine Zerstäubung des Wassers, da das Luft-
Wasser-Gemisch auf kleinem Radius oder mittig aufgenommen wird und durch radial
nach aussen geführte Strömung verdichtet, auf dem grössten Durchmesser die Luft
vom Wasser trennt und separat auf kleinere Radien zurückführt.
Weitere wichtige Merkmale der erfindungsgemässen Gasturbinenanlage sind:
- a) Der Austritt der komprimierten Luft im Zentrum der Luftverdichtungsanordnung mit einem Dichtungselement bekannter Konstruktion zwischen rotierendem und festem Teil,
- b) Der Austritt des separierten Wassers auf einen Radius der grösser ist als der größte Radius des Gemischeintrittes, unter einem relativ kleinen Überdruck, wel cher die Rückführung, eventuelle Reinigung und Wiederverwendung zur erneuten Gemischbildung mit Luft erlaubt.
1
Pumpe
2
Injektor, Luftverdichter
3
Luftabscheider
4
Kühler
5
Brennkammer
6
Turbine, Turbinenstufe
7
Diffuser
8
Rekuperator, Wärmetauschereinheit
9
Kamin
10
Kühlkanäle
11
Generator
12
Verzweigungsgetriebe
13
Gehäuse
14
Motorantriebsdrehrichtung
15
Kompressorrotor
16
Umlenkkörper
17
Druckluftleitung
18
Luftansaugtrichter
19
Dosierspalt
20
Überschusswasser
21
Kanal
22
Isotherm komprimierte Luft
23
Wasserrück- und -abführungskanal
23
' Wasserzuführungskanal
24
Gemischbildungsbereich
25
Wasseraufbereitung
A Rotorachse
A Rotorachse
Claims (15)
1. Gasturbinenanordnung zur Energiegewinnung mit einer Luftverdichtereinheit
(2), die Luft isotherm komprimiert, wenigstens einer Brennkammer (5), in der die
komprimierte Luft zusammen mit einem Brennstoff in Form eines Luft-Brennstoff-
Gemisches zur Zündung gebracht wird und wenigstens einer Turbinenstufe (6), in
die, die bei der Verbrennung des Luft-Brennstoff-Gemisches entstehenden Heißgase
eingeleitet werden, die die Turbinenstufe im Wege einer Expansion antreiben,
dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Wärmetauschereinheit (8) vorgese
hen ist, in die, die nach Durchtritt durch die Turbinenstufe (6) expandierten Heißgase
eingeleitet werden, deren Abwärme wenigstens teilweise durch die Wärmetau
schereinheit (8) vor Eintritt in die Brennkammer (5) an die isotherm komprimierte Luft
übertragbar ist.
2. Gasturbinenanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die isotherm komprimierte Luft innerhalb der Wär
metauschereinheit (8) auf Temperaturen knapp unterhalb der Turbinenaustrittstem
peratur von ca. 600°C erwärmbar wird.
3. Gasturbinenanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragung innerhalb der Wärmetau
schereinheit (8) im Gegenstromwärmeaustausch erfolgt.
4. Gasturbinenanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Luftverdichtereinheit (2) eine Diffusoranordnung
ist, in die das Luft-Wasser-Gemisch mit hoher Geschwindigkeit einleitbar ist.
5. Gasturbinenanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Luftverdichteranordnung (2) ein motorgetriebe
nes, rotierendes Gehäuse (13) mit strömungsführenden Einbauten aufweist,
dass die Luftverdichteranordnung (2) aus einem Luft-Wasser-Gemisch erzeugenden Teil besteht, und
dass die Luftverdichteranordnung (2) besteht aus einem durch die Turbinen oder ei nem Motor angetriebenen Gehäuse mit strömungsführenden Einbauten, welches das Luft-Wasser-Gemisch auf kleinem Radius oder mittig aufnimmt und durch radial nach aussen geführte Strömung verdichtet, auf dem grössten Durchmesser die Luft vom Wasser trennt und separat auf kleinere Radien zurückführt.
dass die Luftverdichteranordnung (2) aus einem Luft-Wasser-Gemisch erzeugenden Teil besteht, und
dass die Luftverdichteranordnung (2) besteht aus einem durch die Turbinen oder ei nem Motor angetriebenen Gehäuse mit strömungsführenden Einbauten, welches das Luft-Wasser-Gemisch auf kleinem Radius oder mittig aufnimmt und durch radial nach aussen geführte Strömung verdichtet, auf dem grössten Durchmesser die Luft vom Wasser trennt und separat auf kleinere Radien zurückführt.
6. Gasturbinenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß an der Luftverdichtungsanordnung (2) radiale oder
radial-tangentiale Strömungsleitorgane für die auswärts gerichtete Gemischströ
mung, die einwärtsgerichtete Luftströmung und die einwärtsgerichtete Wasserströ
mung angebracht sind.
7. Gasturbinenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß an der Wärmetauschereinheit (8) Luft-Anzapfstellen
vorgesehen sind, an denen Luft zu Kühlzwecken abgeführt und mittels Kühlkanäle
(10) an heiße Stellen der Gasturbinenanordnung zugeführt wird, vorzugsweise zum
Kühlen der Brennkammer (5) oder der Turbinenstufe (6).
8. Gasturbinenanordnung nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlluft zu Zwecken einer Druckanpassung durch
eine Kühlluftturbine läuft, um an der zu kühlenden heißen Stelle etwa dem vor Ort
herrschenden Druckniveau zu entsprechen.
9. Gasturbinenanordnung nach Anspruch 6 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlluft nach erfolgter Kühlung dem Prozeßgas
innerhalb der Gasturbinenanordnung beimischbar ist oder innerhalb eines geschlos
senen Kühlkanalsystems verbleibt.
10. Gasturbinenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß die Gasturbinenanordnung mehrstufig mit zwei oder
mehreren Brennkammer-Turbinenstufe ausgebildet ist, und daß die aus der ersten
Turbinenstufe austretenden expandierten Heißgase in die zweite Brennkammer ein
leitbar sind, die nach Austritt aus der zweiten Brennkammer in die zweite Turbinen
stufe zu deren Antrieb eingeleitet werden.
11. Gasturbinenanordnung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, daß sich nach der zweiten Turbinenstufe weitere Brenn
kammer-Turbinenstufen anschließen.
12. Gasturbinenanordnung nach Anspruch 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der aus einer Turbinenstufe (6) aus
tretenden expandierten Heißgase derart gewählt ist, daß nach Eintritt der expan
dierten Heißgase in eine nachfolgende Brennkammer eine Selbstzündung erfolgt.
13. Gasturbinenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß in die Wärmetauschereinheit (8) oder in die Brenn
kammer (5) Wasser einbringbar ist, vorzugsweise in Form eines fein zerstäubten
Wassersprühnebels.
14. Gasturbinenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, daß in das Kühlkanalsystem Wasser einbringbar ist, vor
zugsweise in Form eines fein zerstäubten Wassersprühnebels.
15. Verfahren zum Betrieb einer Gasturbinenanordnung nach Anspruch 1, wobei
zur Bereitstellung einer isothermen komprimierten Luftmenge folgende Verfahrens
schritte vorgenommen werden:
- a) dass die Luft mittels eines Luft-Wasser-Gemisches isotherm komprimiert wird,
- b) dass die Kompression des Luft-Wasser-Gemisches mittels Gravitations kraft, Impuls oder Fliehkraft vorgenommen wird,
- c) dass die komprimierte Luft vom Wasser ausgeschieden wird,
- d) und dass diese komprimierte Luft in eine Wärmeerzeugungseinheit einge leitet wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1999140575 DE19940575A1 (de) | 1999-08-26 | 1999-08-26 | Gasturbinenanordnung zur Energiegewinnung sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1999140575 DE19940575A1 (de) | 1999-08-26 | 1999-08-26 | Gasturbinenanordnung zur Energiegewinnung sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19940575A1 true DE19940575A1 (de) | 2001-03-01 |
Family
ID=7919733
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE1999140575 Withdrawn DE19940575A1 (de) | 1999-08-26 | 1999-08-26 | Gasturbinenanordnung zur Energiegewinnung sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19940575A1 (de) |
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1999
- 1999-08-26 DE DE1999140575 patent/DE19940575A1/de not_active Withdrawn
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