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Nutzenergie-Versorgungsanlage
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Die Erfindung betrifft eine Nutzenergie-Yersorgungsanlage mit mindestens
einer, einen Generator für elektrische Nutzenergie aufweisenden, einwelligen Gasturbinen-Gruppe
für offenen Prozeß.
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Der Bedarf an elektrischer und/oder thermischer Nutzenergie unterliegt
starken jahreszeitlich bedingten und zusätzlich erheblichen täglichen Schwankungen.
So besteht während der Sommermonate ein erhöhter Bedarf an Nutzkälte fUr den Betrieb
von Xlimaanlagen, während der Wintermonate dagegen ein hoher Bedarf an elektrischer
Energie für Heizzwecke sowie an unmittelbar einsetzbarer Nutzwärme. Die überlagerten
täglichen Schwankungen sind durch den Arbeits- und Lebensrhythmus der Nutzenergie-Yerbraucher
bestimmt. Zur Erzeugung der verschiedenen-'vorerwähnten Nutzenergie-Arten in zentralen
Anlagen sind diese mit Maschinen ausgerüstet, die meist Jeweils auf die spezielle
Erzeugung der einzelnen Nutzenergie-Arten abgestellt sind. Solche Anlagen sind daherAn
ihrer Anschaffung und ihrem Unterhalt sehr aufwendig und im Aufbau kompliziert.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Anlage der eingangs
genannten Art so weiterzubilden, daß sie ohne großen zusätzlichen Aufwand zur wahlweisen
Erzeugung von thermischer Nutzenergie, wie Nutzkälte oder Nutzwärme, und/oder elektrischer
Energie herangezogen werden kann. Weiter soll die Anlage auf einfache Weise auf
die jeweils gewünschte Betriebsart umzustellen und den betrieblichen Anforderungen
gewachsen sein.
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Darüber hinaus soll der Aufbau der Anlage übersichtlich sein und einen
wirtschaftlichen Betrieb ermöglichen.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht bei einer Anlage der eingangs erwähnten
Art erfindungsgemäß darin, daß der Generator der Gruppe wahlweise als Motor betreibbar
ist und die Gasturbine sowie eine zusätzlich vorgesehene Luftentspannungsturbine
an die Welle der Gruppe lösbar angekuppelt sind, und daß der Luftverdichter der
Gruppe druckseitig wahlweise an die Buftentspannungsturbine und/oder an die Brennkammer
anschließbar ist, während in der Abgasführung der Gasturbine mindestens ein erster
Wärmetauscher für die Abgabe von Nutzwärme an einen Wärmeträger sowie in der luftseitigen
Verbindung des Luftverdichters mit der Luftentspannungsturbine mindestens ein zweiter
Wärmetauscher für die Abgabe von Nutzwärme an den Wärmeträger oder wahlweise für
die Abfuhr von Verdiohtungswärme an ein Kühlmedium angeordnet ist, und daß in die
AIluftfffhrung der Luft ent spannungsturb ine mindestens ein dritter Wärmetauscher
für die Abkühlung eines Nutzkälteträgers eingeschaltet ist.
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Durch die Betriebsmöglichkeit des Generators als Motor und die Möglichkeit
der Ankupplung einer Luftentspannungsturbine an die Welle der Gruppe kann die Anlage
bei abgekuppelter Gasturbine wahlweise zur Nutzwärmeerzeugung oder zur Nutzkälteerzeugung
oder zur gleichzeitigen Nutswärme- und Nutzkälteerzeugung verwendet werden. Hierbei
wird der vom Motor angetriebene Luftverdichter der Gasturbinengruppe an die Luftentspannungsturbine
angeschlossen und die entspannte, abgekühlte Luft durch den ersten Värsetauscher
geleitet und die Nutzkälte ii
ersten Wärmetauscher mindestens teilweise
an einen strömenden Nutzkälteträger und die Kompressionswärme der verdichteten Luft
vor Eintritt in die Luftentspannungsturbine in einem zweiten Wärmetauscher mindestens
teilweise an einen strömenden Nutzwärmeträger übertragen Wird lediglich Nutzkalte
benötigt, so wird durch den zweiten Wärmetauscher - oder im Falle mehrerer Wärmetauscher
wenigstens durch einen - ein Kühlmedium, vorzugsweise Kühlwasser, geleitet &ur
Abfuhr der Verdichtungswärme.
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Die in der Luftentspannungsturblne gewonnene mechanische Arbeit wird
an die Welle der Gruppe abgegeben und somit dem Luftverdichter zugeführt, so daß
der Bedarf an elektrischer Betriebsenergie gering ist. Durch die Möglichkeit des
Abkuppelns der Luftentspannungsturbine und des Ankuppelns der Gasturbine an die
Welle der Gruppe ist der übliche Gasturbinenbetrieb i zur Erzeugung von elektrischer
Nutzenergie ermöglicht, wobei der in der Abgasführung der Gasturbine vorgesehene
erste Wärmetauscher zur Abgabe von Nutzwärme an einen strömenden Wärmeträger herangezogen
werden kann. Die Betriebsmöglichkeit der Anlage iur gleichzeitigen Erzeugung der
verschiedenen Nutzenergie- Arten rundet die Vielfalt der Einsatzmaglichkeiten der
erfindungsgemäß ausgebildeten Anlage ab.
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Ein weiterer wesentlicherVorteil der erfinduitgsgemäßen Anlage besteht
darin, daß sie bei ihrem Aufbau in der Nähe von Verbrauchsschwerpunkten eine wirksame
Entlastung von Grundlast-Kraftwerken in Zeiten erhöhten Strombedarfs durch zusätzliche
Stromerzeugung in Verbrauchernähe gestattet. Darüber hinaus ist es in Zeiten erhöhten
Bedarfs an thermischer und verringertem Bedarf an elektrischer Nutzenergie möglich,
durch
den Betrieb der Anlage als "Wärmepumpe" das Angebot z.B. an Wärmeenergie zu steigern
trotz ausgelasteter, von Fernheizwerken oder Kraftwerken zu den Verbrauchsschwerpunkten
führenden Fern-Leitungen für einen Wärmeträger.
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Ist die Anlage mit mehrstufigen Luftverdichtern ausgerüstet, so besteht
eine vorteilhafte, den Nutzwärmegerwinn steigernde Weiterbildung darin, daß in die
luftseitige Verbindung der einzelnen Luftverdichterstufen Jeweils wenigstens ein
die Verdichtungswärme an den Wärmeträger abführender Zwischenkühler eingeschaltet
ist.
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Um nun den Wärmetragerdurchfluß auf die Wärmeabgabe ab zu stimmen,
bewährte es sich, wenn die wärmeträgerführenden Seiten der Wärmetauscher und Zwischenkhler
parallel schaltbar und der Wärmeträgerdurchfluß einstellbar ist Zur Steigerung der
Anpaß- und Regelbarkeit der Anlage ist es empfehlenswert, die gasführenden Seiten
der Wärmetauscher undZoder Zwischenkühler jeweils absperrbar und mit einer ein Absperrorgan
aufweisenden Bypaßleitung überbrückbar zu machen.
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Um Belastungsschwankungen von der Anlage weitgehend fernzuhalten und
somit den Betrieb gleichmäßiger zu gestalten, besteht eine bevorzugte Weiterbildung
der Anlage darin, daß die wärmeträger-und/oder dar kälteträgerführenden Seiten der
Wärmetauscher bzw. Zwischenkühler mit Wärme- bzw. Kältespeichern verbindbar sinde
Weitere Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
einer Anlage gemäß der Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung hervor, welche
den Aufbau einer solchen Anlage schematisch zeigt.
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Die in der Zeichnung schematisch dargestellte Nutzenergie-Versorgungsanlage
weist eine Gasturbinen-Gruppe 30 auf. Diese setzt sich zusammen aus dem Luftverdichter
5, dem wahlweise als Elektromotor betreibbaren elektrischen Generator 2, der Gasturbine
21 und der mit ihr verbundenen Brennkammer 19. An die gemeinsame Welle 29 der Gasturbinengruppe
ist noch eine Luftentspannungsturbine 9 angeschlossen. Durch zwischengeschaltete,
lösbare Wellenkupplungen 1, 12 sind die Buftentspannungsturbine 9 und/oder die Gasturbine
21 von der Welle 29 der Gasturbinengruppe trennbar, so daß einmal der Generator
2, der Luftverdichter 5 und die Luftentspannungsturbine 9 bei gelöster Wellenkupplung
1 für sich betreibbar sind und bei gelöster Wellenkupplung 12 und eingertickter
Wellenkupplung 1 der Luftverdichter, der Generator 2 und die Gasturbine 21 zusammen
betreibbar sind. Selbstverständlich können auch beide Wellenkupplungen 1, 12 im
Eingriff sein, so daß sämtliche Maschinen gleichzeitig betrieben werden können.
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Vom Außenraum 3 führt eine Ansaugleitung 4 zum Ansaugstutzen des Luftverdichters
5, seine Druckseite ist über die Druckleitung 6 mit zwischengeschalteten Absperr-
und Regelorgan 7 über die Primärseite des zweiten Wärmetauschers 8 mit dem Lufteintritt
der Luftentspannungsturbine 9 verbunden. Die Abluftführung 10 der Entspannungsturbine,
die als Rohrleitung ausgebildet ist, führt über die Primärseite des dritten Wärmetauschers
11 in den Außenraum 3.
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Von der Druckleitung 6 führt noch eine Leitung 17 mit zwischengeschaltetem
Absperr- und Regelorgan 18 zur Brennkammer 19, die gleichzeitig über eine Leitung
31 mit Brennstoff versorgt wird.
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Der Ausgang der Brennkammer 19 ist über eine Leitung 20 mit dem Eintritt
der Gasturbine 21 verbunden. Die Abgasführung 22 der Gasturbine führt über die Primärseite
des zwischengeschalteten ersten Wärmetauschers 23 ebenfalls in den Außenraum 3 bzw.
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ins Freie.
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Die Sekundärseiten des zweiten Wärmetauschers 8 sowie des ersten Wärmetauschers
23 sind an die Vorlaufleitung 24 für den Wärmeträger angeschlossen. Diese Vorlaufleitung
führt zu den Wärmeverbrauchern, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Einfachheit
halber als einzelner Wärmeverbraucher 25 dargestellt sind. Die Rücklaufleitung 27
führt über eine zwischen geschaltete Umwälzpumpe 26 zu den Eingängen der Primärseiten
der Wärmetauscher zurück, die beiden Wärmetauscher 8, 23 sind wärmeträgerseitig
also parallel geschaltetu- In den zu den Wärmetaus chern für enden Rücklauf-Ans
chlußle itungen sind Jeweils Absperr- und Regelorgane 28 und 28a eingeschaltet.
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In der Vorlauf-Anschlußleitung des zweiten Wärmetauschers 8 ist noch
ein Absperrorgan 37 vorgesehen, so daß dieser Wärmetauscher 8 vom Wärmeträgerkreislauf
völlig abgesperrt und über die mit Absperrorganen 39, 40 versehenen Anschlußleitungen
41, 42 für den Fall der ausschließlichen Eälteerzeugung mit Kühlwasser zur Abfuhr
der Verdichtungswärme versorgt werden kann.
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Der Ausgang der Sekundarsefte des dritten Wermetauschers 11 ist über
eine Kälteträger-Vorlaufleitung 13 mit den Eälteverbrauchern verbunden. Diese Verbraucher
sind der Einfachheit halber wiederum als einzelner Verbraucher 14 dargestellt. Um
den Kälteträgerkreislauf zu schließen, sind die Eälteverbraucher über eine Umwälzpumpe
15 und eine Kälteträger-Rücklaufleitung 16 an den Eingang der Sekundärseite des
dritten Wärmetauschers 11 angeschlossen. Um die Wärmetauscher 11, 23 gasseitig umgehen
zu können, sind Jeweils Bypaßleitungen 32, 34 vorgesehen, die mit Absperrschiebern
36, 38 absperrbar sind.
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Ist der Luftverdichter 5 der Gasturbinengruppe mehrstufig mit maischen
den einzelnen Stufen primärseitig eingeschalteten Zwischenkühlern ausgeführt, so
sind die Sekundärseiten dieser Zwischenkühler ebenfalls an die Vorlaufleitung 24
und die Rücklaufleitung 27 unter Einschaltung von Absperr- und/oder Regelorganen
angeschlossen. Diese Ausführungsform ist in der Zeichnung nicht dargestellt.
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Soll die Anlage zur Versorgung mit elektrischer Nutzenergie eingesetzt
werden, so wird durch Lösen der Wellenkupplung 12 die Luftentspannungsturbine 9
von der gemeinsamen Welle 29 getrennt, Das Absperrorgan 7 ist zu schließen, die
Absperrorgane 18, 38 dagegen zu öffnen. Die Anlage wird jetzt als Gasturbinenanlage
betrieben, wobei der Luftverdichter 5 über die Ansaugleitung 4 Außenluft ansaugt,
sie verdichtet und sie der Brennkammer 19 zuflrt.
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In die Brennkammer wird außerdem über die Leitung 31 Brennstoff, z.B
Öl oder Gas, eingeleitet und die aus der Verbrennung entstehenden heißen Gase werden
über die Leitung 20 zur Gasturbine 21 geleitet. Hier entspannen sie sich und die
abgegebene mechanische Energie wird über die Welle 29 dem elektrischen Generator
zur Erzeugung von elektrischem Strom zugeführt. Die Abgase der Gasturbine 21 werden
über die Abgasführung 22, die Bypaßleftung 34, deren Absperrorgan 38 aa geöffnet
ist, ins Freie geleitet. Da die Abgase hierbei unmittelbar ins Freie ausgeblasen
werden, ist ein besonderes Absperren des Eingangs der Primärseite des ersten Wärmetauscher
23 zur Vermeidung von wesentlichem Gasdurchfluß nicht un- he bedingt erforderlich.
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Besteht zusätzlich ein Bedarf an Nutzwärme, so wird das Absperrorgan
38 geschlossen und die Abgase der Gasturbine zur weiteren Ausnutzung durch den ersten
Wärmetauscher 23 geleitet. Hier erwarten sie den über das Absperr- und Regelorgan
28a sekundärseitig zugeführten Wärmeträger, der zur Wärmeabgabe über die Wärmeverbraucher
25 im Kreislauf geführtist. Hierbei wird mit dem Absperr- und Regelorgan 28a der
Durchfluß des Wärmeträgers durch Wärmetauscher und somit seine Temperaturerhöhung
eingestellt. Bei diesem Betriebszustand ist das Absperr- und Regelorgan 28 geschlossen.
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Soll mit der Anlage nur Wärmeenergie erzeugt werden, so wird die Gasturbine
21 mit Hilfe der lösbaren Wellenkupplung 1 von der Gasturbinengruppe mechanisch
getrennt und statt dessen die Luftentspannungsturbine 9 mit der Wellenkupplung 12
an die Maschinengruppe angekuppelt. Die Absperr- bzw. Regelorgane 18, 28a sind zu
schließen, die Absperr- bzw. Regelorgane 7, 28, 36, 37 dagegen zu öffnen. Der elektrische
Generator 2 wird als Elektromotor für den Antrieb des Luftverdichters 5 benutzt.
Dieser saugt Luft aus dem Außenraum 3 an, verdichtet sie und gibt sie über den Wärmetauscher
8 an die Luftentspannungsturbine 9 ab. NACH Entspannung der Luft wird diese über
die Abluftführung 10, das geöffnete Absperrorgan 36 und die Bypaßleitung 32 ins
Freie abgeführt. Eine besondere primärseitige Absperrung des Eingangs des dritten
Wärmetauschers 11 ist zur Vermeidung von wesentlichen gasseitigen Beaufschlagungen
nicht unbedingt erforderlich, da die Abluft über den Bypaß 32 ins Freie abgeblasen
wird und somit kaum über den, einen höheren Widerstand aufweisenden dritten Wärmetauscher
strömt.
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Im zweiten Wärmetauscher 8 wird die Verdichtungswärme als Nutzwärme
an den sekundärseitig im Kreislauf 24, 25, 26, 27, 28, 37 strömenden Wärmeträger
abgegeben. Die in der Luftentspannungsturbine rückgewonnene mechanische Energie
wird über die Wellenkupplung 12 dem Verdichter wieder zugeführt, so daß sein Fremdenergiebedarf
gering ist. Die Betriebsweise der Anlage entspricht jetzt etwa derjenigen einer
Wärmepumpe.
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Besteht jetzt gleichzeitig ein Bedarf an Nutzkälte, so ist zusätzlich
das Absperrorgan 36 zu schließen, so daßdie in der Entspannungsturbine 9 entspannte
und dabei abgekehrte Luft den dritten Wärmetauscher 11 durchströmt. Hierbei kühlt
sie den die Sekundärseite des dritten Wärmetauschers 11 im Kreislauf 13, 14, 15,
16 durchströmenden Kälteträger ab, der Nutzkälte an die Verbraucher 14 abgibt. Besteht
lediglich ein Bedarf an Nutzkälte, so ist die Kompressionswärme der verdichteten
Luft an die Umgebung abzuführen. Hierzu wird bei geöffneten Absperrorganen 39, 40
EUhlwasser über die Anschlußleitungen 41, 42 dem zweiten Wärmetauscher 8 zugeführt.
Jedoch muß bei dieser Betriebsweise der Wärmeträger vom zweiten Wärmetauscher ferngehalten
werden durch Schließen der Regel- und/oder Absperrorgane 28 und 37. Anstelle den
zweiten Wärinetauscher für die Abfuhr der Kompressionswärme einzusetzen, ist es
ebenso möglich, einen besonderen, z.B.
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luftgekühlten Wärmetauscher vorzusehen.
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Selbstverständlich ist auch ein kombinierter Gasturtinen-Wärmepumpenbetrieb
bei entsprechendem Bedarf an Nutzenergie möglich. Hierzu sind die Luftentspannungsturbine
9 und die Gasturbine 21 an die gemeinsame Welle angekuppelt und die Brennkammer
19 ist in Betrieb. Die verdichtete Luft wird durch
entsprechendes
Einstellen der Absperr- und Regelorgane 7 und 18 aufgeteilt, so daß eine Teilmenge
der Brennkammer 19 und die andere Teilmenge der Luftentspannungsturbine S zugeführt
wird.
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Bei dieser Betriebsart wird in den Wärmetauschern 8 und 23 Nutzenergie
in Form von Wärme, im zweiten Wärmetauscher 11 Nutzenergie in Form von Nutskälte
und durch den Generator 2 Nutzenergie in Form von elektrischem Strom abgegeben.
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An die Sekundärseiten der wärmetauscher 8, 11, 23 sind in der Zeichnung
nicht dargestellte Kälte- bzw. Wärmespeicher anschließbar. Diese werden in Zeiten
geringen thermischen Nutzenergiebedarfs mit NutzZalte bzw. Nutzwärme aufgeladen
und geben diese in Zeiten erhöhten Bedarfs an den Wärme- bzw.
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Kälteträger ab. Hierdurch wird die Anlage gleichmäßiger belastet.
Zur Kälte- bzw. Wärmespeicherung wird vorzugsweise der Kälte- bzw. Wärmeträger selbst
benutzt und in großen Behältern gespeichert. Als Kälte- bzw. Wärmeträger wird insbesondere
Wasser eingesetzt, als Kälteträger bei tiefen Temperaturen wird insbesondere Sole
verwendet.
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Besteht überhaupt kein Bedarf Ftfl Nutzkälte, so können die entsprechenden
Apparate, wie z.B. der dritte Wärmetauscher, entfallen.