DE2743918B2 - Offene Gasturbinenanlage, mit der ein Dampfkreislauf kombiniert ist - Google Patents

Offene Gasturbinenanlage, mit der ein Dampfkreislauf kombiniert ist

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Description

Die Erfindung betrifft eine offene Gasturbinenanlage, mit der ein Dampfkreislauf kombiniert ist, in welchem ein aus einem Kohlenwasserstoff, Kohlenwasserstoff-Gemisch oder Kohlenwasserstoff-Kohlendioxid bestehendes Medium zirkuliert, wobei der Dampfkreislauf eine Expansionsmaschine, einen Kondensator, eine Pumpe und ein Wärmeaustauschsystem aufweist, in welchem die Abwärme der Verbrennungsgase der Gasturbinenanlage rekuperiert wird.
Derartige Anlagen werden dann angewendet, wenn als Medium des Dampfkreisiaufes Wasserdampf nicht in Frage kommt Dieses ist z. B. dann der Fall, wenn eine solche Anlage in Kältegebieten eingesetzt wird, wo eine Einfriergefahr besteht oder wo eine entsprechende Betriebsüberwachung höchstens mit einem unwirtschaftlich hohen Aufwand gewährleistet ist oder in Gebieten, in welchen keine Wasserquelle zur Verfügung steht
In diesem Falle wendet man vorteilhaft dann Kreisläufe an mit einem Arbeitsmedium, das aus einem Kohlenwasserstoff, Kohlen-Wasserstoff-Gemisch oder Kohlenwasserstoff-Kohlendioxid besteht Derartige Medien sind auch bei höheren Temperaturen, z. B. im Bereich von 200—400°C thermisch stabil, d. h. es findet keine chemische Zersetzung statt. Sollten Spuren von Zersetzungsprodukten erzeugt werden, so handelt es sich stets um andere Kohlenwasserstoffe, die nicht korrosiv sind, d. h. diese Produkte stören den Betrieb der Anlage nicht.
Bei einer solchen Anlage, wie sie beispielsweise aus der FR-PS 13 49 744 bekannt ist, sind die Wärmeaustauschrohre des Dampfkreislaufes direkt im Abgaskanal der Gasturbinenanlage verlegt und werden vom Medium rles Dampfkreislaufes in einem Durchlauf durchströmt. Beim Auftreten einer undichten Stelle im Rohrsystem, beispielsweise infolge eines Materialfehlers oder bei Zerstörung einer Schweißnaht infolge Temperaturspannungen, kann sich der gesamte Durchsatz des Dampfkreislauf-Mediums, z. B. Aethan, in den Abgaskanal entleeren und dort mit den Verbrennungsgasen ein hochexplosives Gemisch bilden.
Auch bei Anordnung eines Zwanglauf-Zwischenkreislaufes mit einem einmaligen Rohrdurchlauf, bei einer mit einem Dampfkreislauf kombinierten Gasturbinenanlage würde der gleiche Fall wie bei der vorstehend genannten Anlage eintreten bei Verwendung eines brennbaren Mediums, z. B. einem Kohlenwasserstoff als Wärmeträger. Eine derartige Anlage ist aus der FR-PS 22 15 838 bekannt. Hierbei ist das Medium des Dampfkreislaufes Wasser bzw. Wasserdampf und die Abwärme der Verbrennungsgase der Gaspumpenanlage soll in einem Wärmeaustauscher üblicher Bauart auf den flüssigen Wärmeträger übertragen und das erwärmte Medium in einem Speicher gespeichert werden. Im Bedarfsfall wird aus diesem Speicher erwärmtes Medium in einem zweiten Zwischenkreislauf durch einen Wärmeaustauscher geleitet, in welchem das Wasser des Dampfkreislaufes verdampft wird.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Ausbildung eines Wärmeaustauschsystems für eine Anlage der eingangs beschriebenen Ausführung, welches es ermöglicht, die Abwärme der Verbrennungsgase auf das Medium das Dampfkreislaufes unter sicheren Bedingungen zu übertragen, d. h. die Entstehung eines hochexplosiven Gemisches bei Auftreten einer undichten Stelle in dem im Abgaskanal verlegten Teil des Wärmeaustauschsystems zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß das Wärmeaustauschsystem mit mindestens einem, von einem flüssigen Wärmeträger durchströmten Zwanglauf-Zwischenkreislauf kombiniert ist, der eine Mehrzahl von im Abgaskanal der Gasturbinenanlage angeordneten und von den Verbrennungsgasen angeströmten Rohren enthält, sowie mit einer Mehrzahl
von Rohren versehen ist, welche in einem Erhitzer vom Medium des Dampfkreislaufes angeströmt sind, wobei die einzelnen Rohre im Abgaskanal mit den einzelnen Rohren im Erhitzer in Art einer Serienschaltung miteinander verbunden sind.
Die mit der Erfindung angestrebte Betriebssicherheit wird dadurch gewährleistet, daß aufgrund der erfindungsgemäßen Serienschaltung von einer Mehrzahl von Rohrdurchläufen, im Falle in einem Rohrdurchlauf eine undichte Stelle entsteht, die gesamte Menge des Wärmeträgers durch diese Stelle in den Abgaskanal ausströmen muß. Somit erfolgt die Entleerung mit einem hohen Druckabfall, der den ausströmenden Durchsatz begrenzt Durch eine entsprechende Wahl an Rohrdurchläufen kann der ausströmende Durchsatz soweit reduziert werden, daß im Abgaskanal keine explosive Mischung entsteht und damit die Explosionsgefahr beseitigt ist
Vorteilhaft kann die Erfindung bei Anlagen verwendet werden, die zur Förderung und Kühlung von Erdgas in arktischen Gebieten dienen.
Bei Erdgasleistungen, die in arktischen Gebieten im gefrorenen Bereich des Erdreiches verlegt sind, ist es bekanntlich erforderlich, Kompressionswärme aus dem Erdgas abzuführen, um ein Schmelzen des Eises im Erdreich im Bereich der Leitungsverlegung zu verhindern.
Es kann sich um ein Erdgasleitungssysten mit in Abständen angeordneten, fernbedienten Stationen handeln mit Gasturbinen- und Kälteanlagen oder aber auch um eine Station, die direkt an der Erdgasquelle, d. h. in der Nähe der Bohrstelle angeordnet ist und dazu dient, das Erdgas in das Leitungssystem zu fördern und zu kühlen.
Das Medium des Dampfkreislaufcs muß im Bereich der im Dampfkreislauf auftretenden höchsten Temperaturen von beispielsweise ca. 400° C stabil sein.
Bei Zersetzung des Mediums dürfen die Zersetzungsprodukte nicht korrosiv sein, und schließlich ist man aus wirtschaftlichen Gründen bestrebt, ein möglichst billiges Medium zu verwenden.
Ein solches Medium ist beispielsweise Propan oder gegebenenfalls ein aus Butan und Aethan bestehendes Gemisch.
Es kommen jedoch auch andere unsubstituierte oder halogensubstituierte Kohlenwasserstoffe als Medium für den Dampfkreislauf in Betracht, sofern sie die vorstehend beschriebenen Eigenschaften aufweisen.
Die Wahl des Wärmeträgers des Zwanglauf-Zwischenkreislaufes richtet sich nach dem Temperaturbereich, in welchem die Wärmeübertragung erfolgt. Der Wärmetärger soll in diesem Temperaturbereich möglichst thermisch stabil sein, bzw. wenn Zersetzungsprodukte in geringerem Maße auftreten sollten, dürfen diese nicht korrosiv sein. Außerdem sollen als Wärmeträger Mittel verwendet werden, die billig und umweltfreundlich sind und einen tiefen Partialdruck (in der Größenordnung von nicht mehr als 50 bar bei 4000C) aufweisen, damit der Aufwand für die Rohre des Zwanglauf-Zwischenkreislaufes im wirtschaftlichen Rahmen bleibt. Außerdem soll beim Wärmeträger beim Einfrieren keine Volumenvergrößerung auftreten.
Im Anwendungsbereich der Erfindung kann als Wärmeträger beispielsweise ein Kohlenwasserstoff, z. B. Diphenyl (Ci2H,0) oder ein Kohlenwasserstoffoxid, z. B. Diphenyloxid (C12H10O) oder ein handelsübliches Gemisch von diesen beiden Mitteln, oder ein Siliconöl bzw. ein Gemisch aus Siliconolen benützt werden.
Die Durchsatzmenge ist durch die Wärmemenge, die von den Verbrennungsgasen auf den Wärmeträger übertragen werden .-nuß, bestimmt Diese Durchsatzmenge kann mit der Umgebungsluft explosive Mischungen bilden, oder sie kann auch nur teilweise verdampfen, so daß sich in der Gasturbine flüssiger Wärmeträger ansammeln könnte, der später vollständig verdampft und zu explosiven Mischungen führt
Bei der vorliegenden Erfindung ist der Durchsatz des Zwanglauf-Zwischenkreislaufes durch die Anzahl der Durchläufe dividiert d. h. man kann die Anzahl der Durchläufe sehr groß machen und hierdurch den aus einer undichten Stelle in einem Rohr austretenden Durchsatz pro Zeiteinheit entsprechend begrenzen.
Sollte nun eines der Rohre während des Betriebes undicht werden, so könnte deshalb bei einer erfindungsgemäß ausgeführten Anlage nur eine kleine Wärmeträgermenge pro Zeiteinheit in den Abgaskanal austreten, so daß die Gefahr für das Entstehen eines explosiven Gemisches im Abgaskanal oder in der Gasturbine oder in der Atmosphäre oberhalb des Abgaskamins ausgeschaltet ist. Der Durchsatz wird bekanntlich durch die Förderleistung der Pumpe im Zwanglauf-Zwischenkreislauf vorgegeben.
Außer der bereits erwähnten Anwendung der Erfindung für die Förderung und Kühlung von Erdgas in arktischen Gebieten, wobei der Verbraucher der Kompressor einer Kälteanlage ist, können die Verbraucher, weiche von der Expansionsmaschine, z. B. einer Expansionsturbine des Dampfkreislaufes bzw. der Gasturbine angetrieben werden, beispielsweise Generatoren zur Stromerzeugung, Kompressoren oder Pumpen für chemische Prozesse sein oder Kompressoren bzw. Pumpen, die zur Förderung von Gasen, z. B. Erdgas oder Flüssigkeiten, z. B. Erdöl dienen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung kann darin bestehen, daß vor dem Erhitzer im Dampfkreislauf in bezug auf die Strömungsrichtung des Mediums ein weiterer Wärmeaustauscher angeordnet ist, in welchem das Medium des Dampfkreislaufes mit dem in der Expansionsmaschine entspannten Medium im Wärmeaustausch steht.
Weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung ergeben sich anhand der Zeichnung.
Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellungsweise ein Fließschema für eine erfindungsgemäß ausgeführte Anlage, bei welcher die Verbraucher Kompressoren zur Förderung von Erdgas sind.
In F i g. 2 ist im Detail eine spezielle Ausführungsform eines Zwanglauf-Zwischenkreislaufes mit einem Erhitzer und im Abgaskanal verlegten Rohrdurchläufen dargestellt.
F i g. 3 zeigt ein Fließschema einer Anlage, welche mit einer Kälteanlage gekoppelt ist und zur Förderung und Kühlung von Erdgas in arktischen Gebieten dient.
In einer Anlage gemäß dem in Fig. 1 dargestellten Fließschema wird in einem Dampfkreislauf z. B. Propan in einer Expansionsturbine 1, die einen Kompressor 2 zur Förderung von Erdgas antreibt, arbeitsleistend entspannt. Anschließend wird das Medium in den Wärmeaustauschern 3 und 4 gekühlt und in einem Kondensator 5, in welchem dem Medium durch Wärmeaustausch mit einem Kühlmittel, z. B. Luft, Wasser oder zu verdampfende Flüssiggase, insbesondere Flüssig-Erdgas, Wärme entzogen wird, kondensiert. Die Ein- und Austrittsrichtung des Kühlmittels ist durch Pfeile verdeutlicht.
Im DamDfkreislauf sind außer der Expansionsturbine
1, dem Kondensator 5, einer Pumpe 6, den Wärmeaustauschern 3 und 4 Erhitzer 7 und 8 angeordnet, in welchen in je einem Zwanglauf-Zwischenkreislauf aufweisenden Wärmeaustauschsystemen 9 und 10 Wärme von den heißen Verbrennungsgasen auf das Medium der Zwischenkreisläufe übertragen wird.
Ein Fließschema einer Ausführungsform eines solchen Wärmeaustauschsystems ist in F i g. 2 dargestellt.
Durch den Zwanglauf-Zwischenkreislauf 9, der eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Durchläufen 9a, 9b -η 9x bzw. 9'a, 9'b -=- 9'x aufweist, die einerseits im Erhitzer 7 und andererseits im Abgaskanal ti der Gasturbinenanlage angeordnet sind, wird ein Wärmeträger mittels einer Pumpe 12 gefördert.
Der Durchsatz wird um so kleiner, je mehr Durchläufe angeordnet sind und damit die pro Zeiteinheit bei Auftreten einer undichten Stelle im Rohrsystem austretende Wärmeträgermenge ebenfalls entsprechend klein. Beispielsweise können 80 Rückläufe im Wärmeaustauschsystem angeordnet sein, wovon in der Zeichnung nur drei Durchläufe, und zwar die ersten beiden 9a und 9b und der letzte 9x bzw. 9'a, 9'b und 9'x dargestellt sind.
Während des Betriebes wird bei jedem Durchlauf von den heißen Verbrennungsgasen Wärme auf den Wärmeträger übertragen und nach jeder Erwärmung im Erhitzer 7 das Medium des Dampfkreislaufes, z. B. Propan, durch Wärmeaustausch mit dem erwärmten Wärmeträger erhitzt, wobei sich der Wärmeträger abkühlt.
An Stelle der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform des Erhitzers könnte dieser auch in eine Mehrzahl von parallel geschalteten Mantelrohraustauschelementen unterteilt sein. Außerdem könnte jedes im Erhitzer bzw. im Abgaskanal angeordnete Rohr aus einem Rohrbündel bestehen, wobei die einzelnen Rohre eines jeden Bündels an ihren gegenüberliegenden Enden durch Kollektoren miteinander verbunden sein können.
Das Wärmeaustauschsystem 10 in F i g. 11 ist analog zu F i g. 2 ausgebildet.
Ein Verbraucher, im Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 1 ein Erdgaskompressor 13 wird von einer Gasturbinenanlage angetrieben. Die Gasturbinenanlage ist in bekannter Weise ausgeführt und weist einen Kompressor 14, eine Brennkammer 15, eine Ladeturbine 16a und eine Nutzturbine 16b auf.
Bei Betrieb der Anlage wird das in der Expansionsturbine 1 entspannte Medium in den Wärmeaustauschern 4 und 3 gekühlt und in den Kondensator 5 verflüssigt.
In der Pumpe 6 wird das Medium des-Dampfkreislaufes auf Druck gebracht, der sowohl im unterkritischen als auch überkritischen Bereich liegen kann. Sodann wird das Medium im Wärmeaustauscher 4 durch Wärmeaustausch mit arbeitsleistend entspanntem Medium erwärmt und sodann im Erhitzer 7 durch Wärmeaustausch mit dem Wärmeträger, anschließend im Wärmeaustauscher 3 und im Erhitzer 8 weiter erwärmt, bevor das Medium arbeitsleistend entspannt wird.
In einer Anlage gemäß dem in F i g. 3 dargestellten Fließschema wird durch eine im gefrorenen Erdreich verlegte Leitung 20 Erdgas mittels eines Kompressors 21 durch eine ebenfalls im gefrorenen Erdreich verlegte Leitung 22 in eine nächste Station gefördert. In einem Wärmeaustauscher 23 wird durch Wärmeaustausch mit einem Kältemittel, z. B. Propan, die Kompressionswärme aus dem Erdgas weggeführt. Der Wärmeaustauscher bildet den Verdampfer eines Kältekreislaufes. Das verdampfte Kältemittel wird in einem Kompressor 24 verdichtet, anschließend in einem luftgekühlten Kondensator 25 verflüssigt, in einem Drosselventil 26 entspannt und in den Wärmeaustauscher 23 zurückgeleitet. Der Kompressor 24 wird von einer, in einem Dampfkreislauf angeordneten Expansionsturbine 1 angetrieben. Im Ausführungsbeispiel ist das Medium dieses Kreislaufes das gleiche wie das Kältemitttel, beispielsweise Propan. Alle Anlagenelemente, die in ihrer Bau- und Funktionsweise mit derjenigen der in F i g. 1 dargestellten Anlage übereinstimmen, sind mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet.
Die in einem Fließschema in Fig.2 dargestellte Ausführungsform eines Wärmeaustauschsystems für F i g. 1 trifft auch für eine Anlage gemäß F i g. 3 zu.
In der F i g. 3 ist in gestrichelter Darstellungsweise in der Erdgasleitung hinter dem Wärmeaustauscher 23 ein Tropfenabscheider 27 angegeben. Ein solcher Tropfenabscheider für die Abtrennung der schweren Kohlenwasserstoffe, wie z. B. CaHe, aus dem Erdgasstrom, wird dann angeordnet, wenn es sich bei der dargestellten Anlage um keine Zwischenstation im Erdgasnetz handelt, sondern wenn die Station direkt an der Erdgasquelle, d. h. in der Nähe der Bohrstelle angeordnet ist.
Es folgt ein Zahlenbeispiel mit wesentlicher Zustandsgrößen und Angaben über Durchsätze im Wärmeaustauschsystem für eine Anlage gemäß F i g. 2.
Zahlenbeispiel
Beispielsweise werden 104 kg/s Propan im Dampfkreislauf von 2300C auf 3090C mit Hilfe von 117,5 kg/s Verbrennungsgasen erwärmt, wobei sich letztere vor 461°C auf 277°C abkühlen. Als Wärmeträger im Zwanglauf-Zwischenkreislauf soll ein Gemisch vor Diphenyl und Diphenyloxid verwendet werden, wobei der Durchsatz 1,3 kg/s beträgt, welcher 80 in Serie geschaltete Rohrdurchläufe durchströmt. Sollte während des Betriebes im Rohrsystem des Zwanglauf-Zwischenkreislaufes eine undichte Stelle auftreten, danr könnte die Zirkulationspumpe in den Abgaskanal nui 1,3 kg/s Flüssigkeit einspritzen. Die untere Explosionsgrenze von Dowtherm A in Luft bei 4000C liegt be
so 3 Gewichtsprozent der Luft. Dieses würde 3,5 kg/s de: Wärmeträgers entsprechen.
Würde man an Stelle der erfindungsgemäßer Ausführung des Wärmeaustauschsystems mit 80 Rohr durchlaufen einen Zwanglauf-Zwischenkreislauf mit nui einem einmaligen Durchlauf durch den Abgaskanal unc den Erhitzer anwenden, dann betrüge der Flüssigkeits durchsetz bzw. die Fördermenge der Pumpe in diesen System 80 χ 13 kg/s oder 104 kg/s. Bei einem Rohr bruch im System könnte nur diese Flüssigkeitsmenge ir Höhe von 104 kg in einer Sekunde in den Abgaskana austreten und dort ein explosives Gemisch mit dei Verbrennungsgasen bilden.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen.

Claims (10)

Patentansprüche:
1. Offene Gasturbinenanlage, mit der ein Dampfkreislauf kombiniert ist in welchem ein aus einem Kohlenwasserstoff, Kohlenwasserstoff-Gemisch oder Kohlenwasserstoff-Kohlendioxid bestehendes Medium zirkuliert, wobei der Dampfkreislauf eine Expansionsmaschine, einen Kondensator, eine Pumpe und ein Wärmeaustauschsystem aufweist, in welchem die Abwärme der Verbrennungsgase der Gasturbinenanlage rekuperiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeaustauschsystem mit mindestens einem, von einem flüssigen Wärmeträger durchströmten Zwanglauf-Zwischenkreislauf (9; 10) kombiniert ist, der eine Mehrzahl von im Abgaskanal (11) der Gasturbinenanlage (14, 15, 16a, 16b) angeordneten und von den Verbrennungsgasen angeströmten Rohren (9'a h- 9'x) enthält, sowie mit einer Mehrzahl von Rohren (9a h- 9x) versehen ist, welche in einem Erhitzer (7; 8) vom Medium des Dampfkreislaufes angeströmt sind, wobei die einzelnen Rohre (9'a h- 9'x) im Abgaskanal (11) mit den einzelnen Rohren (9'a H- 9x) im Erhitzer (7; 8) in Art einer Serienschaltung miteinander verbunden sind.
2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Erhitzer (7; 8) in eine Mehrzahl von parallel geschalteten Mantelrohraustauschelementen unterteilt ist.
3. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem Medium des Zwanglauf-Zwischenkreislaufes (9; 10) durchströmten Rohre (9'a -=- 9'x, 9a η- 9x), die im Abgaskanal (11) und/oder Erhitzer (7; 8) angeordnet sind, jeweils aus einem Rohrbündel bestehen.
4. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vordem Erhitzer (7; 8) im Dampfkreislauf in bezug auf die Strömungsrichtung des Mediums ein weiterer Wärmeaustauscher (4; 3) angeordnet ist, in welchem das Medium des Dampfkreislaufes mit dem in der Expansionsmaschine (1) entspannten Medium in Wärmeaustausch steht.
5. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeträger aus einem Kohlenwasserstoff besteht.
6. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeträger Diphenyl ist.
7. Anlage nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeträger aus einem Kohlenwasserstoffoxid besteht.
8. Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeträger Diphenyloxid ist.
9. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeträger eine Mischung aus Diphenyl und Diphenyloxid ist.
10. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeträger ein Siliconöl oder ein Gemisch aus Siliconölen ist.
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