DE2443055B2 - Kombinierte gas- und dampfkraftanlage - Google Patents

Description

turbine (38) beheizte Speiseflüssigkeit-Vorwärmer 25 Kraftanlage ist ein Dieselmotor besonders geeignet

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispie! der erfindungsgemäßen Gas- und Dampfkraftanlage anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Gesamtansicht der kombi-

3. Kraftanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch 30 nierten Gas· und Dampfkraftanlage;
gekennzeichnet, daß die Hochdruckstufe (60) der Fig.2 ein Diagram des Wärmeüberganges zwischen Dampfturbine (38) mit Arbeitsfluid aus dem

Hochdruck-Verdampfer (34) beaufschlagt ist.

4. Kraftanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kondensator (40) ein Kondensat-Verteiler (96, 98) zum Aufteilen des verflüssigten Arbeitsfluides aus einem Hochdruck-Kreis (46, 54) und einem parallelen Niederdruck-Kreis (48, 52)

(44) der Naehschalt-Dampfkrafianlage (32) zwischen der Hochdruckstufe (60) und dem Kondensator (40) eingeschaltet ist und vom gesamten Kondensat durchströmt wird.

zwei Fluiden in einem Gegenstrom-Wärmetauscher;
Fig. 3 ein Entropie-Diagramm der Anlage nach

Fig Die Wärmekraftanlage nach F i g. 1 enthält eine Gaskraftarlage 10 mit einer Brennkraftmaschine 12, einem Auspuffsystem 14 zum Abführen der heißen Abgase und einem geschlossenen Kühlmittelkreis 16, die eine Arbeitsmaschine 24. z. B. einen Generator,

Vorwärmer (44) getrennte Strömungskanäle für das 40 antreibt. Der Kühlmittelkreis 16 umfaßt ein Kühlsystem Arbeitsfluid des Hochdruck-Kreises (46,54) und des 18 in der Brennkraftmaschine, eine Leitung 19 zum

Abfördern von erwärmtem Kühlmittel aus der Maschine und eine Leitung 21 zum Einleiten von kaltem Kühlmittel. Das Kühlmittel kann Wasser oder ein anderes Fluid sein.

Die mit der Gaskraftanlage 10 kombinierte Nachschalt-Dampfkraftanlage 32 arbeitet nach dem Rankine-Kreisprozeß und enthält einen Hochdruck-Verdampfer 34, einen Niederdruck-Verdampfer 36. eine zweistufige

nachgeschaltet ist und daß im Speiseflüssigkeits-

Niederdruck-Kreises(48,52) angeordnet sind.

Die Erfindung bezieht sich auf eine kombinierte Gas- und Dampfkraftanlage mit den Gattungsmerkmalen des Hauptanspruches.

Zur weitestgehenden Ausnutzung der bei einem
Verbrennungsprozeß freiwerdenden Wärmeenergie 50 Dampfturbine 38. einen Kondensator 40, ein Pumpsysind sogenannte kombinierte Wärmekraftanlagen ent- stem 42 sowie einen Speiseflüssigkeits-Vorwärmer 44. wickelt worden, bei denen die heißen Abgase einer z. B. Der Hochdruck-Verdampfer 34 ist mit der Dampfturbieinen Generator antreibenden Gasanlage in einer ne 38 durch eine Leitung 46, der Miederdruck-Verdamp-Nachschalt-Dampfkraftanlage als Heizmedium einge- fer 36 mit der Dampfturbine 38 durch eine Niederdrucksetzt werden. Eine in »Archiv für Energiewirtschaft«, 55 leitung 48. die Dampfturbine mit dem Kondensator Heft 18, vom 25. September 1965. Seite 725 beschriebe- durch eine Abdampfleitung 50 und der Kondensator mit ne Anlage dieser Art enthält eine aus einem dem Hochdruck-Verdampfer 34 durch eine Speiseflüs-Kompressor, einer Brennkammer und einer Gasturbine sigkeitsleitung 54 sowie mit dem Niederdruck-Verbestehende Gasanlage, aus der die heißen Verbren- dämpfer 36 durch eine weitere Speiseflüssigkeitsleitung nungsabgase nacheinander durch einen Überhitzer, 60 52 verbunden.

einen Hochdruck-Verdampfer, einen Speisewasservorwärmer für den Hochdruckkreis, einen Niederdruck-Verdampfer, einen gesonderten Vorwärmer für den Niederdruckkreis durchströmen. Der Wärmeinhalt in Im Hochdruck-Verdampfer 34 wird ein Arbeitsfluid unter relativ hohem Druck durch die heißen Abgase der Brennkraftmaschine verdampft, die durch einen Stutzen 15 abgeführt werden. Im Niederdruck-Verdampfer 36

den Abgasen wird dabei zum überwiegenden Teil an das 65 wird das Arbeitsfluid bei relativ niedrigem Druck durch

Arbeitsfluid des Hochdruck- bzw. Niederdruckkreises abgegeben, die eine zweistufige Dampfturbine antreiben. Das in der Dampfturbine entspannte Arbeitsfluid das erwärmte Kühlmittel des Kühlmittelkreises 16 verdampft. Der hochgespannte Dampf aus dem Hogjidruck,-Verdampfer wjrd in der Hochdruckstufe 60

³ 4

_Wd der Dampf aus dem Niederdruck-Verdampfer in auch die Abgastemperatur sinkt geradlinig. Kurz vor

der N.ederdnickstufe62der zweistufigen Dampfturbine Erreichen der Verdampfungstemperatur verringert sich

J8 entspannt. Die beiden Laufer 64 bzw. 66 beider der Wert drauf ein Minimum, das bei Regenerativ-Vor-

Turbinenstufen 60 bzw. 62 sitzen auf einer gemeinsamen _wärmung _schneN erreicht wird, weil zu Beginn des

WeUe 68, die entweder eine gesonderte Arbeitsmaschi- s Wärmeaustauschvorganges die Temperatur des Ar-

pe 90 oder den Generator 24 antreiben kann. In beitsfluides ansteigt. Nach erreichen des sogenannten

regenerativen Speiseflussig^eits-Vorwärmer 44 wird Engpunktes 104, an dem die Verdampfung des

das durch die Leitungen 52 und 5* zugeführte Arbeitsfluides beginnt, wird die Neigung der unteren

Arbeitsfluid durch entspanntes Arbeitsfluid der Hoch- Linie plötzlich Null, weil sich der Aggregatzustand des

druckstufe 60 vorgewärmt. Der Vorwärmer 44 kann io Arbeitsfluides ändert und bei gleichbleibender Tempe-

innerhalb der Dampfturbine 38 neben der Hochdruck- ratur weiter Wärme aufgenommen wird. Nach abge-

Itufe 60 angeordnet sein. schlossener Verdampfung nimmt die Temperatur des

Das in dem Flussigkeitskreis zwischen dem Konden- verdampften Arbeitsfluides wieder zu, d. h. untere Linie

lator 40 und dem Vorwärmer 44 eingeschaltete 102 steigt wieder linear steil an und nähert sich der

Pumpsystem 42 enthalt eine Niederdruckpumpe 92 und i₅ oberen Linie 100 der Abgastemperatur. Je größer die

eine Hochdruckpumpe 94 sowie eine Einrichtung 98 zur latente Verdampfungswärme des Arbeitsfluides ist, um

Mengenregelung des flüssigen Arbeitsfluides. Die so größer wird dT vor dem Wiederanstieg der

Niederdruckpumpe 92 fördert das Arbeitsfluid aus dem Temperatur des verdampften Arbeitsfluides. Da die

• Kondensator 40 zu einem Verteiler 96, aus dem die latente Verdampfungswärme der meisten organischen

Hochdruckpumpe 94 eine Teilmenge an Arbeitsfluid 20 Fluide relativ gering ist, sind sie für eine nach dem

ibsaugt und zum Hochdruck-Verdampfer 34 fördert. Rankine-Kreisprozeß arbeitende Dampfkraftanlage zur

Die Restmenge an Arbeitsfluid wird durch die Pumpe 92 Erzielung eines hohen Wirkungsgrades besonders gut

jum Niederdruck-Verdampfer 36 gefördert. Die Regel geeignet.

einrichtung 98 enthält je ein Ventil 80 bzw. 82 in den F i g. 3 ist ein Temperatur-Entropie-Diagramm für ein

Flüssigkeitsleitungen 52 b/w. 54 zur Dosierung des den 15 Gemisch aus 85 Mol-% Trifluoräthanol und 15 Mol-%

Verdampfern 34 bzw. 36 zufließenden Arbeitsfluides. Wasser und /eigt den hohen inneren Wirkungsgrad

Neben der Niederdruckpumpe 92 kann auch die einer Dampfkraftanlage bei Verwendung eines solchen

Hochdruckpumpe 94 unmittelbar aus dem Kondensator Gemisches. Die Kurve 70 ist die Grenzkurve dieses

laugen, wodurch sich ein Verteiler 96 erübrigt. Gemisches, während die Kurve 74 die Arbeitsweise des

Als Arbeitsfluid für die Dampfkraftanlage eignet sich 30 Rankine-Kreisprozesses mit diesem Gemisch als Ar-

jedes organische Fluid, dessen Verdampfungstempera- beitsfluid kennzeichnet. Die Entspannung des Dampfes

tür bei Außendruckluft zwischen 38° C und 149° C liegt. ist durch die Verbindung der Punkte Dund ^angegeben

Besonders geeignet ist eine Mischung aus 85 Mol-% und erfolgt somit außerhalb der Grenzkurve. In der

Trifluoräihanol und 15 Mol-% Wasser. Dieses l'luid Nachschalt-Dampfturbine tritt daher keine Kondensa-

empfiehlt sich vorzugsweise aus drei Gründen: Je 35 tion des Arbeitsfluides und kein Energieverlust auf.

niedriger die Verdampfungswärme eines Arbeitsfluides Kondensattropfen würden durch ihre gegenüber dem

ist, umso höher liegt der äußere Wirkungsgrad der Dampf geringere Geschwindigkeit den Turbinenwir-

Kraftmaschine; durch annähernd isentropes Verhalten kungsgrad herabsetzen.

in dem zwischen der unteren und der oberen Wasser als typisches anorganisches Fluid hat in einer Grenzkurve gelegenen Sattdampfgebiet erhöht sich der ₄₀ nach dem Rankine-Kreisprozeß arbeitenden Dampfinnere Wirkungsgrad der Kraftmaschine; und da ein kraftanlage nach Fig. 1 eine nachteilige Wirkung, weil derartiges Fluid nicht korrodierend wirkt, vergrößert bei seiner Entspannung sich riüssigkeitströpfchen lieh die Lebensdauer der Anlagenteile. Andere mögli- bilden können, die zu Erosionen der Turbinenschaufeln ehe Arbeitsfluide sind Pyridin-Wasser-Mischungen, und zu einem vorzeitigen Ausfall der Dampfturbine Chlorbenzol und Hexafluorbenzol. ₄₅ führen würden. Ferner reagiert Wasser mit einer

Die den Verlauf des Wärmeüberganges in einem Vielzahl von Metallen und verkürzt durch Korrosion die

Gegenstrom-Verdampfer zeigende Fig.2 gibt an, Lebensdauer metallischer Bauteile. Demgegenüber

warum sich der äußere Wirkungsgrad einer Dampf- greifen die meisten organischen Fluide Metalle nicht an

kraftanlage bei Einsatz eines Arbeitsfluides mit und tragen auch an den Turbinenschaufeln kein Material

niedriger Verdampfungswärme erhöht. Die obere Linie 50 ab, weil bei der Expansion keine Flüssigkeit enisteht.

100 stellt die Abgastemperatur und die untere Linie 102 Die Arbeitsweise der Nachschalt-Dampfkraflanlage

die Temperatur des Arbeitsfluides jeweils über den 32 ist in Fig. 1 schematisch und in Fig.3 als Funktion

entsprechenden Teil des zur Verfügung stehenden der veränderlichen thermodynamischen Größentempe-

Wärmeinhaltes beider Fluide dar. Die Differenz ratur und Entropie bei Verwendung eines Gemisches

Ewischen der Abgastemperatur 100 und der Arbeits- 55 aus Trifluoräthanol und Wasser gezeigt. Die obere

fluidtemperatur 102 ist durch den Wert c/rgekennzeich- Kurve 74 in F i g. 3 kennzeichnet den Teil des

net. Kreisprozesses, an dem der Hochdruck-Verdampfer 34

Bei einem vollständig umkehrbaren Wärmeaus- mitwirkt und die untere Kurve 72 denjenigen, an dem

tausch-Prozeß ohne Verlustwärme ist dT Null und der der Niederdruck-Verdampfer 36 beteiligt ist. Im

äußere Wirkungsgrad optimal. Praktisch kann der Wert 60 Hochdruck-Verdampfer 34 strömt heißes Abgas aus der dT jedoch nicht Null werden, weil dann die Verdampfer Brennkraftmaschine 12 durch das Auspuffsystem 14 und

ins Unendliche vergrößert werden müßten. Der Wert im Gegenstrom kaltes flüssiges Arbeitsfluid durch die

dT sollte jedoch unter Berücksichtigung der Abmessun- Leitung 54 (Punkt A in F i g. 3). Das Abgas gibt Wärme

gen der Verdampfer möglichst klein gehalten werden an das Arbeitsfluid ab und strömt dann durch den

und zum Erhalt eines optimalen Wirkungsgrades für den 65 Abgasstutzen 15 aus. Das flüssige Arbeitsfluid wird

gesamten Wärmeaustauschprozeß möglichst gleich dabei auf seine Verdampfungstemperalur erwärmt (-4 bleiben. In der Praxis nimmt die Temperatur des bis B in Fig.3), bei gleichbleibender Temperatur Arbeitsfluides bis zur Verdampfung geradlinig zu UQd verdampft (ß bis C in Fig.3) und durch weitere

Wärmezufuhr aus dem Abgas überhitzt (C bis D in von 315° C und einem Druck von 50 ata ein und mit Fig 3) Der überhitzte Dampf wird in der Hochdruck- einer Temperatur von 150° C und einem Druck von Turbinenestufe 60 entspannt (D bis E) und durchströmt 0,2 ata aus. Aus der Hochdruckstufe 60 strömt der anschließend den Speiseflüssigkeits-Vorwärmer 44 (E Dampf im Gegenstrom zu dem vom Kondensator 40 bis F) Die Kondensation des Arbeitsfluides ist durch die 5 kommenden flüssigen Arbeitsfluid durch den Speiseflus-Strecken Fbis H, das Pumpen des Kondensators durch sigkeits-Vorwärmer 44 und gibt in diesem den größten die Strecken H bis / und die Erwärmung im Teil seines Wärmeinhaltes ab. Dieses Arbeitsfluid tritt in Speiseflüssigkeits-Vorwärmer 44 durch die Strecke / bis den Speiseflüssigkeits-Vorwärmer 44 mit einer Tempe-A dargestellt. ^{ratur von 150}° ^{c und einem Druck von} °·^{2 ata ein und}

In der Praxis tritt das Abgas aus einem Dieselmotor in io mit einer Temperatur von 63° C und einem Druck von den Hochdruck-Verdampfer 34 mit einer Temperatur 0,2 ata aus.

von etwa 370° C ein und mit einer Temperatur von etwa Gleichzeitig strömt verdampftes Arbeitsfluid vom

120" C aus (bei tieferer Temperatur wurden Teile des Niederdruck-Verdampf er 36 zur Niederdruckstufe 62 Abgases kondensieren). Das aus einem Gemisch aus der Dampfturbine 38, in der es sich schnell entspannt Trifluoräthanol und Wasser bestehende flüssige Ar- 15 und dabei den zweiten TurbinenUufer 66 treibt. Auch beitsfluid gelangt in den Hochdruck-Verdampfer 34 mit dieser Dampf erfährt durch die Entspannung eine einer Temperatur von etwa 100° C und strömt als Volumenzunahme und Temperaturabnahme. Er tritt in Dampf mit einer Temperatur von 315° C und einem die Niederdruckstufe 62 mit einer Temperatur von Druck von etwa 50 ata ab. Die Austrittstemperaturen 113° C und einem Druck von etwa 2,5 ata ein und mit des Abgases können je nach dem Betriebsablauf durch 20 einer Temperatur von 38° C und einem Druck von etwa Mengenregelung geändert werden. Selbstverständlich 0,2 ata aus.

kann die Austrittstemperatur des Arbeitsfluides jedoch Der aus dem Speiseflüssigkeits-Vorwärmer 44 abströ-

nicht höher als die Eingangstemperatur des Abgases mende Dampf vereinigt sich mit dem aus der sein, das nicht unter 120° C abgekühlt werden darf, um Niederdruckstufe 62 und die gesamte Dampf menge Kondensation und damit Korrosion des Hochdruck- 25 strömt in den Kondensator 40. Ein den Kondensator Verdampfers 34 zu vermeiden. durchfließendes Kühlmittel nimmt Wärme aus dem

Gleichzeitig mit diesem Vorgang strömt verdampftes noch verhältnismäßig warmen Arbeitsfluid auf und Kühlmittel aus dem Kühlmittelkreis 16 durch die verflüssigt dabei das Arbeitsfluid. Der Kondensator Leitung 19 in den Niederdruck-Verdampfer 36 ein und wird auf einen Druck von 0,2 ata gehalten, bei dem die in diesen im Gegenstrom zum Arbeitsfluid. Das 30 Verdampfungstemperatur der Mischung aus Trifluorverdampfte Kühlmittel kondensiert und wird durch die äthanol und Wasser bei etwa 38°C liegt. Leitung 21 in die Kühleinrichtung 18 zurückgeführt. Das Das Pumpsystem 42 fördert das verflüssigte Arbeits-

Arbeisfluid im Niederdruck-Verdampfer 36 wird auf fluid aus dem Kondensator 40 zu den Verdampfern 34 seine Verdampfungstemperatur (Punkt X in Fig. 3) bzw. 36, wobei das gesamte Fluid eine Niederdruckpumerwärmt, verdampft (Strecke X bis Y), danach in der 35 pe 92 und danach den Verteiler % durchströmt, in dem Niederdruckstufe 62 der Dampfturbine 38 entspannt eine Teilmenge zum Niederdruck-Dampferzeuger 36 (Strecke Y bis Z) und schließlich mit dem aus der abgezweigt und die verbleibende Restmenge zur Hochdruckstufe 60 der Dampfturbine 38 kommenden Hochdruckpumpe 94 geleitet wird. Das Ventil 80 regelt entspannten Arbeitsfluid gemischt. Das Arbeitsfluid die Fluidmenge für den Hochdruck-Verdampfer und das wird kondensiert (Strecke Z bis H) zum Vorwärmer 44 40 Ventil 82 die für den Niederdruck-Verdampf er. gepumpt (Strecke Hbis V). in diesem erwärmt (Strecke Das Arbeitsfluid gelangt in den Kondensatleitungen

V bis HO und dann im Niederdruck-Verdampf er 36 auf 52 bzw. 54 durch den Speiseflüssigkeits-Vorwärmer 44, seine Verdampfungstemperatur erwärmt (Strecke Wbis wobei seine Eintrittstemperatur bei etwa 38° C und die χ) Austrittstemperatur bei etwa 100° C liegen. Diese

Bei Verwendung eines Dieselmotors 12 und Wasser ₄₅ Vorwärmung des Arbeitsfluides vor dem Einlauf in die als Kühlmittel tritt Wasserdampf aus dem Kühlmittel- Verdampfer 34 bzw. 36 erhöht den Wirkungsgrad des kreis 16 mit 120° C in den Niederdruck-Verdampf er 36 Kreisprozesses, ist jedoch zum Betrieb nicht unbedingt ein und aus diesem mit 104° C aus. Flüssiges Arbeitsfluid erforderlich. Der Wirkungsgrad des Prozesses würde tritt in den Niederdruck-Verdampfer 36 mit etwa 100° C auch erhöht, wenn nur eine der Leitungen 52 oder 54 ein und strömt dampfförmig mit einer Temperatur von 50 durch den Vorwärmer ginge.

113° C und einem Druck von etwa 3,5 ata ab. Bei Einsatz des genannten Gemisches aus Trifluor-

Im folgenden wird die Arbeitsweise der Dampfturbi- äthanol und Wasser als Arbeitsfluid ergibt sich der ηε 38, des Kondensators 40, des Pumpsystems 42 und höchste Gesamtwirkungsgrad der Anlage bei einer des Speiseflüssigkeits-Vorwärmers 44 anhand der Vorwärmung des Fluides auf etwa 100° C. Dabei stellt F i g. 1 und 3 im einzelnen beschrieben: Der vom 55 sich am Einlauf des Hochdruck-Verdampfers 34 ein Hochdruck-Verdampfer 34 kommende Dampf strömt Wert dT von etwa 22° C und am Einlauf des zur Hochdruckstufe 60 der Dampfturbine 38, wird darin Niederdruck-Verdampfers 36 ein cfT-Wert von etwa schnell entspannt und treibt den ersten Turbinenläufer 6° C ein. Diese Temperaturunterschiede sind ver- 64 an. Diese schnelle Enspannung und die entsprechen- gleichsweise gering und ergeben einen annähernd de Volumenzunahme des Dampfes ist von einer 60 parallelen Verlauf der beiden Linien 100 und 102 in Temperaturabnahme begleitet Der Dampf tritt in den F i g. 2. Hochdruckteil der Turbine z. B. mit einer Temperatur

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Kombinierte Gas- und Dampfkraftanlage, deren Gaskraftanlage eine Brennkraftmaschine, ein Auspuffsystem zum Abführen der heißen Abgase und einen geschlossenen Kühlmittelkreis aufweist und deren nach dem Rankine-Kreisprozeß arbeitende Nachschalt-Dampfkraftanlage einen von den heißen Verbrennungsabgasen beaufschlagten Hochdruck-Verdampfer, einen Niederdruck-Verdampfer, eine zweistufige Dampfturbine, einen Kondensator und einen Speiseflüssigkeitsvorwärmer enthält, wobei der im Niederdruck-Verdampfer erzeugte Dampf der Niederdruckstufe der Dampfturbine zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Niederdruck-Verdampfer (36) ausschließlich von dem in der Brennkraftmaschine (12) erhitzten Kühlmittel beaufschlagt ist und daß das Arbeitsfluid der Dampfkraftanlage ein niedrigsiedendes organisches Fluid ist.

2. Kraftanlage nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der lediglich von dem entspannten Abdampf aus der Hochdruckstufe (60) der Dampf bi () bhi

wird in einem einzigen Kondensator verflüssigt und den Speisewasservorwärmern zugeführt Die bei dieser Anlage angestrebte Leistungssteigerung ist jedoch nur unvollkommen, weil große Wärmemengen mit dem Kühlmittel der Brennkraftmaschine ungenutzt als Vorlustwärme abgeführt werden.

Aufgabe der Erfindung ist die Optimierung einer derartigen Wärmekraftanlage durch zusätzliche Verwertung der im Kühlmittel für die Brennkraftmaschine ίο enthaltenen Wärmeenergie.

Diese Aufgabe wird bei einer kombinierten Gas- und Dampfkraftanlage der eingangs angegebenen Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs

gelöst Aufgrund der hohen Temperaturunterschiede zwischen den heißen Abgasen und dem erwärmten Kühlmittel der Brennkraftmaschine wird der Niederdruck-Verdampfer ausschließlich vom Kühlmittel beaufschlagt und der von dem gesamten Kondensat

jo durchströmte Speiseflüssigkeits-Vorwärmer wird gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung allein von dem entspannten Abdampf aus der Hochdruckstufe der Nachschalt-Dampfturbine beheizt. Als Brennkraftmaschine für die erfinduiigsgemäße