DE2553700A1 - Verfahren zum betreiben eines geschlossenen gasturbinenkreislaufs - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines geschlossenen gasturbinenkreislaufs

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Description

  • Verfahren zum Betreiben eines geschlossenen
  • Gasturbinenkre is laufs Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines geschlossenen Gasturbinenkreislaufs, in dem ein aus Stickstoff und geringen Mengen Sauerstoff bestehendes Arbeitsmittel verdichtet, stark erhitzt arbe..tsleistend entspannt, im Wärmeaustausch mit sich selbst nach der Verdichtung und dann durch Zufuhr von Fremdkälte gekühlt und daraufhin erneut der Verdichtung zugeführt wird.
  • Es ist bekannt, geschlossene Gasturbinenkreisläufe mit reinem Stickstoff als Arbeitsmittel zu betreiben, da Stjokstoff einen relativ hohen Gesamtwirkungsgrad liefert. Der Nachteil der Verwendung von reinem Stickstoff als Arbeitsmittel liegt jedoch darin, daß im Bereich der in Teilen des Kreislaufs vorherrschenden hohen Temperaturen der Stickstoff in sehr starkem Maße zur Versprödung der metallischen Oberflächen der mit ihm in Berührung kommenden Anlagenteile beiträgt1 wodurch die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der Gasturbinenkreisläufe stark herabgesetzt werden.
  • Zur Vermeidung dieser Schwierigkeiten ist es bekannt geworden, den Stickstoff mit geringen Mengen Sauerstoff anzureichen. Durch die Gegenwart des Sauerstoffs bildet sich im Bereich der hohen Temperaturen eine schützende Oxidhaut auf den mit dem Arbeitsmittel in Berührung kommenden Oberflächen, so daß eine durch direkten Stickstoffkontakt verursachte Metallversprödung vermieden wird. Es erweist sich Jedoch, insbesondere bei größeren Gasturblnenanlagen. infolge der unvermeidlichen Leckverluste des Kreislaufs oft als schwierig, die Im Kreislauf umgewälzte Menge und die Zusammensetzung des Arbeitsmittels konstant zu halten.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln. das es auf einfache Weise ermöglicht, innerhalb eines Gasturbinenkreislaufs mit einem aus Stickstoff und geringen Mengen Sauerstoff bestehenden Arbeitsmittel die Arbeitsmittelmenge und Arbeitsmittelzusammensetzung konstant zu halten.
  • Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zumindest ein Teil des im Arbeltsmittel benötigten Stickstoffs unmittelbar in einer Zerlegungsanlage aus einer stickstorrreichen Gasfraktion erzeugt wird.
  • Durch die erfindungsgemäße Verknüpfung eines Gasturbinenkreislaufs mit einer Zerlegungsanlage, z.B. einem Einsäulenrektiflkatorq gelingt es ständig zumindest einen Teil des im Gasturbinenkrefslau: kontinuierllch benötigten Stickstoffs auf einfache Weise zur Verfügung zu stellen. Der zusätzlich noch benötigte Sauerstoff kann dann mit Vorteil unabhängig vom Stickstoff in Form von Luftsauerstoff dem Gasturbinenkrelslauf zugeführt werden. Hierdurch läßt such auf einfache Weise sowohl die Menge als auch die Zusammensetzung des im Gasturbinenkreislauf umgewälzten Arbeitsmittels konstant halten.
  • Der apparative Aufwand ist dann besonders gering, wenn nach einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens als stickstoffrelches Gasgemisch ein Teil des im Gasturbinenkreislauf bereits verdichteten Arbeitsmittels herangezogen und in der Zerlegungsanlage in eine reine Stickstoff-und eine unreine Sauerstoff-Fraktion zerlegt wlrd, wobei dann die reine Stickstofr-Fraktion direkt in den Gasturbinenkreislauf zurückgeführt wird und der zusätzlich noch benötigte Sauerstoff in Form von Luftsauerstoff zugeführt werden kann. Der Vorteil dieser Maßnahme liegt darin, daß für die Zerlegungsanlage keine zusätzlichen Kompressoren benötigt werden und darUberhinaus das Druckgefälle des zu zerlegenden Arbeitsmittels zur Kälteerzeugung ausgenützt werden kann.
  • Bei einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Zerlegungsanlage aber auch unmittelbar als Luftzerlegungsanlage ausgebildet werden, die so betrieben wird, daß eine Produktfrakt-on anfällt deren Zusammensetzung der Zusammensetzung des benötigten Arbeitsmittels entsprIcht. Auch bei dieser Variante des erflndungsgemäßen Verfahrens kann der Kältebedarf zumindest teilsweise durch Ausnützung des Druckgefälles des Im Gasturbgnenkre-slauf hochverdichteten Arbeitsmittels gedeckt werden, indem ein Teil des Arbeitsmittels gekühlt und daraufhin ebenfalls in die Luft zerlegungs anlage entspannt wird.
  • Als besonders vorteilhaft erweist sich das erfindungsgemäße Verfahren in Verbindung mit einer Anlage zum Verdampfen von flüssigem Erdgas: Zunächst kann in diesem Fall eine erhebliche Erniedrigung der Kompressionsarbeit des Kreislaufkompressors des Gasturbinenkreislaufs erzielt werden, wenn nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung das Arbeitsmittel im Gasturbinenkreislauf vor seiner erneuten Verdichtung im Wärmeaustausoh mit flüssigem Erdgas auf eine Temperatur weit unterhalb der Umgebungstemperatur abgekühlt wird. Außerdem kann nunmehr zumindest ein Teil des verdampften Erdgases als Brennstoff für die Aufheizung des Arbeitsmittels vor seiner arbeitsleistenden Entspannung verwendet werden. Darüberhinaus ergibt sich durch die Verwendung eines im wesentlichen aus Stickstoff bestehenden Arbeitsmittels für den Gasturbinenkreislauf gerade im Zusammenhang mit einer Anlage zum Verdampfen von Erdgas der weitere große Vorteil, daß die vom flüssigen Erdgas auf das Arbeitsmittel zu übertragende Kälte ohne zusätzliche Zwischenschaltung eines Hilfskältekreislaufs übertragen werden kann. Ein solcher Hilfskältekreislauf wäre aus Sicherheitsgründen bei der Verwendung von Luft als Arbeitsmittel erforderlich, um zu verhindern, daß sich bei einem Leck in dem entsprechenden Wärmeaustauscher ein hochexplosfbles Methan-Luft-Gemisch bildet.
  • Zum anderen kann aber auch zumindest ein Teil der im flüssigen Erdgas enthaltenen Kälte zur Deckung der Kälteverluste der Zerlegungsanlage der stickstoffreichen Gasfraktion bzw. der Luftzerlegunrnsanlage verwendet anlage verwendet we werden, wodurch sich der Energiebedarf dleser Anlage erheblich verringert.
  • Weitere Erläuterungen zu der Erfindung sind den in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen zu entnehmen. FUr gleiche Vorrichtungsteile sind jeweils die gleichen Bezugsziffern vorgesehen.
  • Es zeigen: Figur 1: Ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Sauerstoffanteil im Arbeitsmittel durch direkte Zufuhr von LuRtsauerstoff gedeckt wird.
  • Figur 2: Ein Ausführungsbeispiel, bei dem in einer Luftzerlegungssäule eine der Zusammensetzung des Arbeitsmittels entsprechende Fraktion erzeugt wird.
  • Figur 1 zeigt einen geschlossenen Gasturbinenkreislauf, in dem ein aus Stickstoff und geringen Mengen Sauerstoff (L 3 ) bestehendes Arbeitsmittel in einem Kompressor 1 auf etwa 40 bar verdichtet und dann in einem Rekuperator 2 im Wärmeaustausch mit entspanntem Arbeitsmittel erwärmt wird. Nach Durchgang durch den Rekuperator 2 wird das Arbeitsmittel in einer Brennkammer 3 im indirekten Wärmeaustausch auf etwa 7200 C erhitzt und in einer Turbine 4 auf einen Druck zwischen 3 und 6 bar arbeitsleistend entspannt. Die in der Turbine 4 freigesetzte Energie wird teilweise zum Antrieb des Kompressors 1 und restlioh zum Antrieb eines Generators 5 verwendet.
  • Durch den Zusatz des Sauerstoffs zum Stickstoff wird erreicht, daß sich auf den mit dem Arbeitsmittel in Bertihrung kommenden Oberflächen in den heißen Bereichen des Kreislaufs, also z.B. in der -Verbindungsleitung zwischen der Brennkammer 3 ; und der Turbine 4, und auch in der Turbine selbst eine sohUtzende Oxidhaut bildet, so daß keine Materialversprödung auftreten kann, was der Fall wäre, wenn als Arbeitsmittel reiner Stickstoff verwendet werden würde.
  • Nach seiner arbeitsielstenden Entspannung wird das Arbeitsmittel zunächst im Rekuperator 2 auf etwa die Ausgangstemperatur des Kompressors 1 abgekühlt und dann in einem Wärmeaustauscher 6 im indirekten Wärmeaustausch mit flüssigem Erdgas auf etwa -1400 C tiefgekühlt. Bei dieser Temperatur wird das Arbeitsmittel erneut der Saugseite des Kompressors 1 zugeführt.
  • Da der Leistungsbedarf eines Kompressors proportional der absoluten Eintrittstemperatur des Arbeitsmittels ist, wird durch die Tiefkühlung eine erhebliche Einsparung an Kompressionsarbeit erzielt, so daß ein größerer Teil der in der Turbine 4 gewonnenen Arbeit an den Generator 5 abgegeben werden kann.
  • Das flüssige Erdgas wird unter einer Temperatur von etwa 1610 C einem hier nicht dargestellten Speicherbehälter entnommen, der Teil eines sogenannten ENG (Liquefied Natural Gas) - Terminals sein kann, in dem flüssiges Erdgas angelandet, zwischengespeichert und verdampft wird. In einer Pumpe 7 wird das flüssige Erdgas auf hohen Druck, z.B. etwa 70 bar, gepumpt, über eine Leitung 8 dem Wärmeaustauscher 6 zugeführt, in diesem im Wärmeaustausch mit dem Arbeitsmittel angewärmt und dann Uber eine Leitung 9 in ein hier nicht dargestelltes Erdgasnetz eingespeist.
  • Die Aufrechterhaltung der geforderten Zusammensetzung des Arbeitsmittels und die Deckung der Leckverluste erfolgt, indem über eine Leitung 10 ein Teil des verdichteten Arbeitsmittels aus dem Gasturbinenkreislauf abgezogen, zunächst in einem Revex (Reverslng Heat Exchanger) 11 abgekühlt, dann in einem Wärmeaustauscher 12 gegen verdampfendes Erdgas tiefgekühlt und schließlich in eine unter einem Druck zwischen 3 und 6 bar stehende Rektifikatlonssäule 15 entspannt wird. In der Rektifikationssäule 15 wird das Arbeitsmittel in eine als Kopfprodukt anfallende reine Stickstoff-Fraktion und eine im Sumpf anfallende unreine Sauerstoff-Fraktion zerlegt. Das flüssige Sumpfprodukt der Säule 13 wird in einem Ventil 14 entspannt, zumindest teilweise im Kopfkondensator 15 der Säule 13 verdampft und dann im Revex 11 angewärmt. Dieser Gasstrom ist in der Lage, eventuelle Verlegungen im Wärmeaustauscher 11 zu beseitigen, die dadurch zustande kommen können, daß in der über Leitung 10 abgezogenen Gas frakt ion etwas Feuchtigkeit und C02 enthalten ist.
  • Die aus reinem Stickstoff bestehende Kopffraktion der Säule 13 wird ebenfalls im Wärmeaustauscher 11 angewärmt und dann über eine Leitung 16 direkt in den Gasturbinenkreislauf eingespeist.
  • Der im Arbeitsmittel des Gasturbinenkreislaufs benötigt Sauerstoff wird in Form von Luft, welche im getrockneten Zustand einem nicht dargestellten Preßluftnetz entnommen wird,-über eine Leitung 17 dem Kreislauf zugeführt. Das im W§rmeaustauscher 12 verdampfende Erdgas dient als Brennstoff zum Beheizen der Brennkammer 3.
  • Dadurch, daß die zu zerlegende Gas frakt ion im Kompressor 1 des Gasturbinenkreislaufs mitverdichtet und zur Deckung der Kälteverluste der Zerlegungsanlage flüssiges Erdgas verwendet wird, erniedrigt sich der apparative Aurwand zur Durchführung des Verfahrens auf ein Minimum. Es werden weder zusätzliche Kompressoren noch zusätzliche kälteerzeugende Maschinen benötigt.
  • Figur 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem unmittelbar in einer Luftzerlegung berelts eine der Zusammensetzung des Arbeitsmittels entsprechende Fraktion erzeugt wird.
  • Diese Ausführungsform ist unter anderem dann von Vorteil, wenn keine bereits getrocknete, sondern nur feuchte und C02-haltige Luft zur Verfügung steht.
  • Die Anordnung des Gasturbinenkreislaufs gleicht derjenigen der Ausführungsform nach Figur 1, so daß auf diese nicht noch einmal eingegangen zu werden braucht.
  • Gemäß Figur 2 wird feuchte und C02-haltige Luft unter einem Druck von etwa 3 bis 6 bar über eine Leitung 18 einem Preßluftnetz entnommen, im Revex 19 abgekühlt und dann in eine Rektifikationssäule 20 eingespeist. Die Rektlfikationssäule 20 wird so betrieben, daß im Kopf eine Fraktion anfällt, die genau der geforderten Zusammensetzung des Arbeitsmittels entspricht.
  • Sie wird über eine Leitung 21 abgezogen, im Wärmeaustauscher 19 angewärmt und dann direkt in den Gasturbinenkreislauf als Arbeitsmittel eingespeist. Zur Deckung des Kältebedarfs der Luftzerlegungsanlage 20 wird ständig ein Teil des im Gasturbinenkre islauf umgewälzten Arbeitsmittels nach seiner Verdichtung über eine Leitung 22 abGezogen, im Wärmeaustauscher 23 gegen verdampfendes Erdgas abgekühlt und dann in die Rektiflkationssäule 20 entspannt.
  • Das Verfahren gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Figur 2 ist insbesondere auch dann von Vorteil, wenn ein zusätzlicher Bedarf an größeren Mengen Stickstoff vorliegt. Die durchgesetzte Luft menge ist in diesem Falle größer und infolgedessen der Kältebedarf pro Nm³ Luftdurchsatz entsprechend geringer. In diesem Falle kann dann das zur Kälteerzeugung verwendete Arbeitsmittel bereits unter einem Zwischendruck aus dem Gasturbinenkreislauf abgezogen werden.
  • L e e r s e i t e

Claims (6)

  1. PatentansprUche Verfahren zum Betreiben eines geschlossenen Gasturbinenkreislaufs, in dem ein aus Stickstoff und geringen Mengen Sauerstoff bestehendes Arbeitsmittel verdichtet, stark erhitzt, arbeitsleistend entspannt, im Wärmeaustausch mit sich selbst nach der Verdichtung und dann durch Zufuhr von Fremdkälte gekühlt und daraufhin erneut der Verdichtung zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil des im Arbeitsmittel benötigten Stickstoffs unmittelbar in einer Zerlegungsanlage (13, 20) aus einer stickstoffrelchen Gasfraktion erzeugt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der im Arbeitsmittel benötigte Sauerstoff in Form von Luftsauerstoff zugeführt wird (17).
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Arbeitsmittels nach seiner Verdichtung aus dem Gasturbinenkreislauf abgezogen, im WSrmeåustausch (11) mit Zerlegungaprodukten gekühlt, entspannt, in einer Zerlegungsanlage (13) in eine reine Stickstoff- und eine unreine Sauerstoffraktion zerlegt und dle reine Stickstofffraktion zumindest teilweise ifl den Gasturbinenkreislauf eingespeist wird (Figur 1).
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerlegunsanlage eine Luftzerlegungsanlage (20) ist, in der das benötigte Arbettsmtttel erzeugt wird, wobei die Luftzerlegungsanlage (20) betrieben wird, daß eine Produktfraktlon anfällt. deren Zusammensetzung der Zusammensetzun des Arbeitsmittels entspricht (Figur 2).
  5. 5. Verfahren nach einem der Anspriiche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet. daß die Zufuhr von Fremdkälte zur Kühlung des Arbeitsmittels vor seiner Verdichtung durch Wärmeaustausch mit flüssigem Erdgas erfolgt.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Deckung des Kältebedarfs der Zerlegungsanlage (13, 20) mindestens ein Teil des verdichteten und aus dem Gasturbinenkreislauf abgezogenen Arbeitsmittels vor seiner Entspannung in die Zerlegungsanlage(13, 20) im Wärmeaustausch mit flüssigem Erdgas gekühlt wird (12, 23).
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6776005B2 (en) 1999-12-30 2004-08-17 L'air Liquide - Societe Anonyme A Directoire Et Conseil De Surveillance Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Air separation method and plant
WO2009027008A1 (de) * 2007-08-24 2009-03-05 Linde Aktiengesellschaft Verdichten eines sauerstoff-enthaltenden mediums
EP2050999A1 (de) * 2007-10-19 2009-04-22 Air Products and Chemicals, Inc. System zur Kaltkomprimierung eines Luftstroms mit Kühlung durch Erdgas

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EP2050999A1 (de) * 2007-10-19 2009-04-22 Air Products and Chemicals, Inc. System zur Kaltkomprimierung eines Luftstroms mit Kühlung durch Erdgas
US8601833B2 (en) 2007-10-19 2013-12-10 Air Products And Chemicals, Inc. System to cold compress an air stream using natural gas refrigeration

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