DE2550450A1 - Kraftanlage mit gasturbine und einem im arbeitskreis der gasturbine liegenden waermetauscher zum kuehlen des arbeitsgases - Google Patents

Kraftanlage mit gasturbine und einem im arbeitskreis der gasturbine liegenden waermetauscher zum kuehlen des arbeitsgases

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DE2550450A1 DE19752550450 DE2550450A DE2550450A1 DE 2550450 A1 DE2550450 A1 DE 2550450A1 DE 19752550450 DE19752550450 DE 19752550450 DE 2550450 A DE2550450 A DE 2550450A DE 2550450 A1 DE2550450 A1 DE 2550450A1
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Description

ΡϊρΙ.-ing. Heinz Bardehte
PälentfcT.wait
I M8üCfi«n n, Herrastr. 15, Tel. 2P255S Postanschrift München 26, Postfach *
en; rL-^rt 33/34
KRAFTANLAGE MIT GASTURBINE UND EINEM IM ARBEITSKREIS DER GASTRUBINE LIEGENDEN WÄRMETAUSCHER ZUM KÜHLEN DES ARBEITSGASES
Die Erfindung bezieht sich auf eine Kraftanlage mit Gasturbine und einem im Arbeitskreis der Gastrubine liegenden Wärmetauscher zum Kühlen des Arbeitsgases.
•Wie bekannt, bestehen Gasturbinenkraftanlagen mit geschlosssenem Arbeitskreis aus einer Wärmequelle, aus einem Kompressor, einer Gasturbine, sowie aus einem Wärmetauscher zum Kühlen des Arbeitsgases. Das erhitzte Gas, das in der Gasturbine Arbeit verrichtet hat, wird durch den Wärmetauscher
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•I. .
abgekühlt und dadurch leichter komprimiert. Gasturbinen Kraftanlagen mit geschlossenem Arbeitskreis dieser Art können erforderlichenfalls mit weiteren Kühlern ergänzt werden, durch welche das Gas beim Komprimieren zwischen einzelnen Kompressor stuf en weitergeklih.lt wird- Es können auch Rekuperatoren vorgesehen sein, welche dazu dienen, einen Teil der Wärme des expandierten Gases dem komprimierten Arbeitsgas zuzuführen.
Kraftanlagen mit in geschlossenem Kreis arbeitenden Gasturbinen sind insbesondere dort von Bedeutung, wo die Wärme wegen der Natur der Wärmequelle nur über Wärmetauscherflächen dem Gas zugeführt werden kann. Als Beispiel kann auf die Verbrennung von festen Brennstoffen, auf Atomreaktoren usw. hingewiesen werden. Beim Bestimmen der Temperaturgrenzen von Kreisläufen, welche sich in Kraftanlagen mit in geschlossenem Kreis arbeitenden Gasturbinen abspielen, werden natürlich verschiedene technische und wirtschaftliche Bedingungen berücksichtigt. Sollen diese erfüllt werden, kann oft vorkommen, daß die Entnahme der Abwärme des Kreislaufes bei einer Temperatur vor sich geht, die wesentlich höher ist als die Umgebungstemperatur. Dies kann z.B. vorkommen, wenn die Kompression ohne Zwischenkühlung vor sich geht und/oder in einem Rekuperator, der einen Teil des Wärmeinhaltes des Arbeitsgases dem komprimierten Arbeitsgas zuführt, ein zu großer Temperaturunterschied herrscht, weil die eingebaute Rekuperatorfläche wegen Raummangel verhältnismäßig klein ist, wie dies z.B. in der Atomreaktortechnik vorkommt, wo die Atomreaktoren in einem vorgespannten Sicherheitsbehälter ("prestressed concrete reactor vessel") angebracht sind. Es kann aber auch die Verringerung der Stehungskosten, eine Vereinfachung der Instandhaltung und die Erhöhung der Zu- · verlässigkeit des Betriebes mitspielen.
Wird die Wärme des Arbeitsgases bei einer verhältnismäßig hohen Temperatur entführt, ist die Nutzbarmachung der im# Temperaturunterschied liegenden Energie begründet.
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Die Erfindung bezweckt die Nutzbarmachung dieser Energie.
Die Aufgabe der Erfindung dürfte in der Entnahme und Nutzbarmachung der Abwärme des Arbeitsgases bezeichnet werden, die keinen Eingriff in die Kraftanlage mit in geschlossenem Kreislauf arbeitender Gasturbine erfordert. Dies wird gemäß der Erfindung'dadurch erreicht, daß an die Wärmeentnahmeseite des Warmetauschers zum Kühlen des Arbeitsgases ein Zyklus mit einer Dampfturbine angeschlossen wird, dessen Dampfturbine durch aus dem Dampfraum eines Verdampfers mit Triebdampf gespeist wird. Demgemäß besteht die Erfindung darin, daß der Kühlkreis des Wärmetauschers zum Kühlen des Arbeitsgases sich an einen Verdampfer anschließt, dessen Flussigkeitsraum · über einen Luftkühler und dessen Dampfraum über eine Kondensationsdampfturbine an den Wärmetauscher zum Kühlen des Arbeltsgases rückgeschlossen'ist. Gemäß Berechnungen kann mit einer derartigen Kraftanlage eine Energiemenge geliefert werden, die um .7 bis 15 % höher ist als der Energieertrag der bisher bekannten Kraftanlagen mit in geschlossenem Kreis arbeitender Gasturbine.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung erläutert,, deren Fig. 1 bis 3 Schaltungen verschiedener Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Kraftanlage darstellen.
In der Zeichnung besteht eine" Kraftanlage mit in geschlossenem Kreis arbeitender Gasturbine aus einem Kompressor 1, einer Wärmequelle 2 und einer Gasturbine ;3. Der Austritt der Gasturbine 3 ist über einen Rekuperator 4 und über einen Wärmetauscher 5 zum Kühlen des Arbeitsgases mit dem Eintritt des Kompressors 1.verbunden. Die der Wärmeabgabe zugeordnete Seite des Rekuperators 4- ist über den Austritt des Kompressors 1, die Wärmequelle 2 und den Eintritt der Gasturbine 3 geschlossen.
Gemäß der Erfindung ist die der Wärmeentnahme zugeordnete Seite des Wärmetauschers 5 zum Kühlen des Arbeitsgases
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über eine Rohrleitung 6 an einen Verdampfer 7 angeschlossen. Der Flüssigkeitsraum des Verdampfers 7 schließt sich über eine .Pumpe 8 an einen Luftkühler 9 an, der über eine Rohrleitung 10 an den Wärmetauscher 5 zum Kühlen des Arbeitsgases angeschlossen ist. " % ■
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist zwischen dem Wärmetauscher 5 zum Kühlen des Arbeitsgases und dem Verdampfer 7 ein Ventil 6a vorgesehen, das in Abhängigkeit vom in der Rohrleitung 6 herrschenden Druck geregelt wird, wie dies durch gestrichelte Linien angedeutet ist.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß 5"ig. 1 ist der Dampfraum des Verdampfers 7 über eine Rohrleitung 11 mit dem Eintritt einer Dampfturbine 12 verbunden. Der Austritt der Dampfturbine 12 schließt sich über einen Oberflächenkondensator 13, eine Rohrleitung 14 und eine Pumpe 15 an einen Luftkühler 16 an, der ebenfalls in die Rohrleitung 10 ausmündet.
Aus der Rohrleitung 11, welche den Verdampfer 7 mit der Dampfturbine 12 verbindet, zweigt sich eine Rohrleitung 11a mit einem Verschlußventil 11b ab, die die Dampfturbine
12 umgeht.
Die Wärmeentnahmeseite des Oberflächenkondensators
13 ist über eine Rohrleitung 18 mit einer Pumpe 20 und über einen Luftkühler 21 geschlossen.
Die dargestellte beispielsweise Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kraftanlage mit Gasturbine gemäß Fig. 1 arbeitet wie .folgt:
Das im Kompressor 1 komprimierte Arbeitsgas strömt über den Rekuperator 4 und die Wärmequelle 2 in d*ie Gasturbine 3i aus welcher das Gas nach Verrichtung seiner Expansionsarbeit der 'wärmeabgebenden Seite des Rekuperators 4 zuströmt, von wo es in den Wärmetauscher 5 zum Kühlen des Ärbeitsgases gelangt. Aus diesem strömt das abgekühlte Arbeitsgas wieder dem Kompressor 1 zu.
Das an der Wärmeentnahme se it e des Wärmetauschers 5 zum Kühlen des Arbeitsgases strömende Wasser gelangt über die
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Rohrleitung "6 und das druckverringernde Ventil 6a in den Verdampfer 7, wo es ausdunstet. Ein dem Druck der Ausdunstung entsprechendes Wasseranteil wird durch die Pumpe 8 dem 1-uftkühler 9 zugeführt, wo die Temperatur des Wassers abnimmt und von wo das Wasser über die Rohrleitung 10 in abgekühltem Zustand wieder der Warme ent nähme se it ο ·.] .c Wärmetauschers 5 zum Kühlen des Arbeitsgases zuströmt, um dat; an; dem Rekuperator 4- ankommende Arbeitsgas weiter ab'-sukühlt-xu
Der im Verdampfer 7 entstandene Dampf strömt bei geschlossenem Verschlußventil 11b über die Rohrleitung 11 der Dampfturbine 12 zu, aus welcher der Dampf nach Verrichten seiner Arbeit in den Oberflächenkondensator 13 gelangt und dort niedergeschlagen wird. Das Kondensat wird durch die Pumpe 15 über die Rohrleitung 14 dem Luftkühler 16 zugeführt, aus welchem das Kondensat über die Rohrleitung 10 wieder dem Wärmetauscher 5 zum Kühlen des Arbeitsgases zustx'ömt..
Das Kühlmittel des Oberflächenköndensators 13 wird durch die Pumpe 20 zwecks Kühlung durch den l<uftkühLo.r 21 hindurch befördert.
Kann die Dampfturbine 12 in über die Rohrleitung 11 zuströmenden Dampf -nicht verbrauchen, oder soll die Dampfturbine 12 aus irgendeinem anderen Grund ausgeschaltet werden, so wird das Verschlußventil 11b geöffnet, durch das hindurch der im Verdampfer 7 entstandene Dampf unmittelbar den Oberflächenkondensator 13 erreicht.
Wird das Reduzierventil 6a in Abhängip-,keit vom in der Rohrleitung 6 herrschenden Druck geregelt, so kann der an der Wärmeentnahmeseite des Wärmetauschers 5 zum Kühlen des Arbeitsgases herrschende DrUck konstantgehalten werden.
Der Luftkühler 16 kann mit Rücksicht auf Stehungskosten entfallen. Dann wird das Kondensat aus dem Oberflächenkondensator 13 vor oder nach dem Luftkühler 9 dem durch die Pumpe 8 beförderten Flüssigkeitsstrom, zugemischt,
Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 unterscheidet sich vom vorherigen insofern, daß anstatt des Oberflachen-
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kondensators. ein Mischkondensator 22 verwendet wird, dessen Einspritzleitung mit - 23 bezeichnet ist. Der Austritt des Mischkondensators 22 ist über eine Rohrleitung 24-, eine in der Rohrleitung 24 angeordnete Pumpe 25 und einen Luftkühler 26 an die Einspritzleitung 23 angeschlossen. Die Einspritzleitung 23 hat Bine Abzweigung 27, die in die Rohrleitung 10 ausmündet, die ihrerseits mit dem Wärmetauscher 5 zum · Kühlen des Arbeitsgases verbunden ist. Die Abzweigung 27 enthält eine Pumpe 28.
Die Arbeitsweise dieser beispielsweisen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kraftanlage unterscheidet sich von der vorherigen insofern, daß die Mischung des durch die Einspritzleitung 23 hindurch eingespritzten Wassers und des aus der Dampfturbine 12 entweichenden niedergeschlagenen Dampfes durch die Pumpe 25 über den Luftkühler 26 umgewälzt wird. Ein Teil der ^strömungsmenge gelangt als eingespritztes Wasser in den Mischkondensator 22 zurück. Eine der niedergeschlagenen Dampfmenge entsprechende Wassermenge wird durch die Pumpe 28 über die Abzweigung 27 und die Rohrleitung 10 der Wärme entnahme se it e des Wärmetauschers 5'zum Kühlen des Arbeitsgases zurückbefördert.
Es kann auch derart verfahren werden, daß eine der in die Rohrleitung 11 eintretenden Dampfmenge entsprechende Flüssigkeitsmenge vom Flüssigkeitsstrom in der Einspritz_ leitung 23 getrennt und in einem besonderen Wärmetauscher rückgekiihlt wird. Es ist aber auch möglich, die durch die Pumpe 25 und die Pumpe 8 beförderten Flüssigkeitsströme zu vereinigen und den vereinigten Flüssigkeitsstrom im selben Luftkühler rückzukühlen.
In der Einspritzleitung 23 kann ein Regelventil vorgesehen sein, das in abhängigkeit vom nach dem Luftkühler 26 in der Rohrleitung 24 herrschenden Druck geregelt wird, wie dies in der Fig. 2 durch gestrichelte Linien angedeutet worden ist. Auf diese Weise besteht die Möglichkeit,,.'den im Luftkühler 26 herrschenden Druck bzw. die Mene-e.· aos über
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'die EinspritzLeitung 23 züge rührten Wassers einzustellen.
•In Fig. 3 ist ein Ausrührungsbeispiv;! dargestellt, bei welchem die Verdampfung in mehreren stufen erfolgt. Hier werden demnach anstatt des Verdampfers 7 der bereits behandelten Ausführungsbeipsiele z.B. zwei Verdampfer 29 und 32 verwendet. Der Flüssigkeitsraum des Vordampfers 29 ist über eine Leitung 31 und ein Kegelventil mit; dem Verdampfer 32 verbunden. Der Dampfraum des Verdampfers 29 ist über eine Rohrleitung 30 mit dem Eintritt der Dampfturbine 12 verbunden. Der Dampfraum des Verdampfers j>2 ist durch eine Rohrleitung 33 mit einer Zwischenstufe der Dampfturbine 12 verbunden. Öomit sind die Daxiipfräume der Verdampfer 29 und 32 an je eine andere ütufe der Dampfturbine 12 angeschlossen.
Der Austritt des Oberflächenkondensators 13 ist über die Rohrleitung 14 und die Pumpe 15 an eine Kohrleitung angeschlossen, welche den iflüssigkeitsraum des Vordampfers 32 mit dem Luftkühler 9 verbindet.
Ein weiterer Unterschied besteht darin, daß der stromabwärts von der Dampfturbine 12 vorgesehene Oberflächenkondensator 13 in einem an einen nassen Kühlturm 35 angeschlossenen Kreis 36 liegt, zu dem über Rohrleitungen 40 und 42 ein anderer Kreis parallelgeschaltet ist, der sich über die wärmeentnahmeseite eines Nachkühlers 41 schließt, wobei der Nachkühler 41 stromabwärts von dem Flüssigkeitsraum des Verdampfers 32 uachgeschaltetun Luftkühler 9 liegt. Ein Wassersainmelbecken 37 des nassen Kühlturmes 35 schließt sich über eine Rohrleitung 39 mit einer Pumpe 38 an die Wärmeentnahmeseite 17 des Überflächenkondensators 13.
Die Wirkungsweise dieser beispielsweisen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kraftanlage unterscheidet sich von der vorherigen in zwei Hinsichten.
Einerseits erfolgt die Verdampfung in zwei ütufen. Der in der ersten fcfufe im Verdampfer 29 entstandene Dampf gelangt über die Rohrleitung 30 in die Hochdruckstufe der
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Dampfturbine 12, wo er bis zu einem durch, das Regelventil in der Rohrleitung 31 bestimmten Druck entspannt wird (expandiert). Dann strömt über die an die Zwischenstufe der Dampfturbine 12 angeschlossene Rohrleitung 33 der im Verdampfer 32 entstandene Dampf zu, der zusammen mit dem vorher zum Teil entspannten Dampf bis zum durch den Oberflächenkondensator 13 bestimmten Druck expandiert. Auf diese Weise vergrößert sich die gelieferte Energie im Verhältnis zum Energie ertrag bei einstufiger Verdampfung.
Der andere Unterschied besteht darin, daß das Kühlwasser des Oberflächenkondensators 13 durch Berührung mit atmosphärischer Luft im nassen Kühlturm 35 abgekühlt wird. Das abgekühlte Wasser sammelt sich im Wassersammelbecken 37· Das angesammelte Wasser wird durch die Pumpe 38 zum Oberflächenkondensator 13 zuräckbefordert. Gleichzeitig strömt ein Teil des aus dem Wassersammelbecken 37 entweichenden Wassers über die Rohrleitung 40 und die Rohrleitung 4-2 an der Wä-rmeentnahmeseite des -^achkühlers 4-1 im Gegenstrom entlang, wodurch das aus dem Luftkühler 9 entweichende Wasser weiter abgekühlt wird. Auf diese Weise nimmt die Temperatur des aus dem Luftkühler 9 entweichenden Wassers zusätzlich ab, so daß auch die Temperatur des aus dem Wärmetauscher 5 entweichenden Arbeitsgases weiter verringert werden kann, wodurch der Wirkungsgrad der Kraftanlage mit in geschlossenem Kreis arbeitender Gasturbine zunimmt.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 wird somit die komplexe Aufgabe der Kühlung in einem System erfüllt, in ■■ welchem jede aer angewandten Einheiten unter 'Bedingungen arbeitet, die ihrer Eigenarten am günstigsten entsprechen. Auf diese Weise wird erreicht, daß im Verhältnis zu bekannten Systemen, bei welchen lediglich Verdampfurigskühltürme verwendet werden, der Wasserbedarf um 50 bis 75 % verringert werden kann. Dies bedeutet, daß die Anwendung der erfindungsgemäß en Kraftanlage bei Wassermangel und/oder bei Betrieben mit geschlossenem Betrieb besonders geboten
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sein Kann.
Der Wärmetauscher 5 zum Kühlen des Arbeitsgases kann übrigens in mehrere Stufen unterteilt werden, insbesondere in Fällen, wo die Kraftanlage mit Gasturbine ohne Rekuperator ausgebildet ist. Dann können z.B. verschiedene Kreise mit normaler bzw. mit Verdampfung arbeitender Dampfturbine vorteilhaft miteinander kombiniert werden.
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Claims (6)

PATENTANSPRÜCHE
1. Kraftanlage, in welcher eine Gasturbine mit einem geschlossenen Arbeitskreis und ein im Arbeitskreis der Gasturbine liegender Wärmetauscher zum Kühlen eines im Arbeitskreis strömenden Arbeitsgases vorgesehen sind, dadurch g ekennzeichnet, daß der Kühlkreis. (6) des Wärmetauschers (5) zum Kihlen des Arbeitsgases sich an einen Verdampfer'(7) anschließt, dessen Flüssigkeitsraum über einen Luftkühler (9) und dessen Dampfraum über eine Kondensationsdampfturbine (12) an.den Wärmetauscher (5) zum Kühlen' des Arbeitsgases rückgeschlossen isfc.
2. Kraftanlage nach Anspruch 1, dadurch ■ gekennzeichnet , daß eine Rohrleitung (i1a) zum Um-. gehen der Dampfturbine (12) vorgesehen ist (Fig. 1).
3. Kraftanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g ekennzeichnet , daß ein Verdampfer mit mehreren Stufen (29) 32) vorgesehen ist, wobei die Dampf räume der Stufen an je eine andere Stufe der Dampfturbine (12) angeschlossen sind (Pig. 3).
"" ■ 4-, Kraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis' 3, da- · durch gekennzeichnet , daß der Dampfturbine (12) ein Mischkondensator (22) nachgeschaltet ist, dessen Kühlkreis (24) über einen trockenen Luftkühler (26) geschlossen und mit einer Abzweigung (27) versehen ist, die sich an den Wärmetauscher ("5) zum Kühlen des Arbeitsgases · ' anschließt (Fig. 2).
5. Kraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ' dadurch ge kennzeichnet , daß zwischen dem Wärmetauscher (5) zum Kühlen des Arbeitsgases und dem Verdampfer (7) ein Ventil (6a) vorgesehen und in Abhängigkeit vom im Kühlkreis (6) des Wärmetauschers' (5) zum Kühlen des' Arbeitsgases herrschenden Druck geregelt ist (Fig. 1 bis 3).
6. Kraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da- · durch g. ekennzeichnejt , daß der der Dampfturbine (12) nachgeschaltete Kondensator (13) in einem an einen
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nassen Kühlturm (35) angeschlossenen Kreis (56) liegt, zu dem ein anderer Kreis (40, 41, 4-2) parallelgeschaltet ist, der sich über die Wärmeentnähmeseite eines Nachkühlers (41) schließt, wobei der Nachkühler (41) stromabwärts vom Luftkühler (9) angeordnet ist (Fig. 3).
Le e r s e i t e
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