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Kraftwerk in einem druckgasführenden Leitungs-
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system nach Patentanmeldung P 27 28 418.o Die Erfindung bezieht sich
auf ein Kraftwerk, bei dem eine Turbine an die Druckleitung eines druckgasführenden
Leitungssystems, insbesondere an eine Erdgasleitung, verbrennungsfrei angeschlossen
ist, wobei die Abgasleitung der Turbine über einen durch ein oder mehrere Gasleitungen
gebildeten Zwischenspeicher mit dem Verbraucher der Gase in Verbindung steht und
einen Gasnachkühler enthält, weil das der Turbine zugeführte Gas durch einen Gasvorwärmer
auf erhöhte Temperatur gebracht ist, nach Patentanmeldung P 27 28 418.o.
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Ein derartiges Kraftwerk nach der nicht vorveröffentlichten Hauptpatentanmeldung
zeigt den großen Vorteil, daß die Entspannungsenergie der Gasleitungssysteme zurückgewonnen
werden kann, wobei die unregelmäßig anfallenden Strolumengen durch den Zwischenspeicher
vergleichmäßigt werden. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, durch den Zwischenspeicher
zu ganz bestimmten Zeiten konstante Strommengen zu liefern, die höher liegen können
als dem augenblicklichen Gasdurchlauf ohne Zwischenspeicher entsprechen würde. Der
Fachmann kann nämlich nach der Hauptanmeldung bestimmen, wann und mit welchem Einlaß-Durchsatz
der Zwischenspeicher gefüllt wird.
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Da dieser durch eine oder mehrere Leitungen mit größerer Länge undfoder
mit einem größeren Durchmesser gebildet sein kann, genügt in vielen Fällen hierzu
das vorhandene Leitungssystem, so daß ein zusätzlicher Aufwand für den Zwischenspeicher
überhaupt nicht benötigt wird.
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Gemäß dem Stand der Technik ist üblich, das Gas vor der Entspannung
auch dann durch einen Gasvorwärmer auf erhöhte Temperaturen zu bringen, wenn die
Entspannung durch eine Druckmindereinrichtung erfolgt, wobei die Entspannungsenergie
verloren geht. Dadurch erreicht man, daß das Gas durch die Entspannung nicht unter
den Gefrierpunkt in Folge des Joule-Thomson-Effektes absinkt. Gemäß der vorangegangenen
nicht vorveröffentlichten Hauptpatentanmeldung wurde vorgeschlagen, das Gas wesentlich
stärker vorzuwärmen, so daß erforderlich ist, das Gas hinter der Turbine abzukühlen,
damit die hohen Temperaturen nicht längere Zeit aufrecht erhalten bleiben. Dies
ist erforderlich, damit das Erdgas sich nicht entmischt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Kraftwerk der eingangs
erwähnten Art so zu verbessern, daß bei die ser Vorwärmung wesentliche Wärmemengen
eingespart werden können.
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Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung besteht darin, daß der
Nachkühler als dem Gasvorwärmer vorgeschalteter zusätzlicher Gasvorwärmer ausgebildet
ist, so daß das dem Gasvorwärmer zugeführte Gas durch das Abgas vorgewärmt wird.
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Auf diese Weise läßt sich beim Erfindungsgegenstand das Abgas praktisch
beliebig stark abkühlen, weil das der Turbine zugeführte der Hauptleitung entnommene
Gas in der Regel nicht wärmer ist als etwa 4° C. Das liegt daran, daß die Erdgasleitungen
im Erdreich eingegraben sind und daher Sommer wie Winter immer diese Temperatur
in Folge des Wärmeausgleiches auf dem langen Transportweg aufrecht erhalten. Dadurch
tritt der bedeutende Vorteil ein, daß irgenawelche Kühlmedien nicht benötigt werden,
auch ist die erfindungsgemäe Anordnung von der Jahreszeit völlig unabhängig.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Nachkühler
mehrere hintereinander geschaltete Wärmetauscher aufweist.
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Hierbei ist nach einem weiteren besonders wichtigen Merkmal der Erfindung
vorgesehen, daß das Abgas zuerst durch den dem Gasvorwärmer am nächsten liegenden
Wärmetauscher des Nachkühlers und darauf durch den diesem benachbarten zugeführt
wird.
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Dadurch wird das noch stark angewärmte Gas zunächst dem bereits vorgewärmten
Erdgas zugeführt, darauf dem weniger stark vorgewärmten usw.. Hierbei verliert das
Abgas an Wärme, andererseits erfolgt aber auch ständig der Wärmetausch mit immer
kühlerem Frischgas.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der
nun folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Hinweis auf die einzige
Figur der Zeichnung, die eine schematische Darstellung zeigt.
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Oben sieht man die Hauptleitung 3, wobei es sich um eine Ferngas-Leitung
handeln kann. Es kann sich aber auch um eine Leitung handeln, die einen gegenüber
der Ferngas-Leitung reduzierten Druck führ;t. Von dieser Hauptleitung 3 zweigt die
Entnahmeleitung 2 ab, die somit den gleichen Druck führt wie die Haupt leitung 3.
Über das geöffnete Ventil 14 wird das Gas zunächst durch den Wärmetauscher 50 b,
dann über die Leitung 2 a durch den Wärmetauscher 50 a, Leitung 2 b durch den Gasvorwärmer
37 über die Leitung 2 c der Hochdruckturbine 1 zugeführt. Diese ist auf der Welle
7 gelagert, die mit dem Generator 8 gekuppelt ist, wobei es sich auch um einen Wärmepumpenkompressor
handeln kann, wenn die Erzeugung von Wärme gewünscht wird.
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Nach der Entspannung strömen die Abgase über das geöffnete Ventil
15 und die Abgas leitung 4 zunächst durch den Wärmetauscher 50 a, dann durch die
Leitung 4 a durch den Wärmetauscher 50 b und die Leitung 4 b.
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Diese Hochdruck-Reduzierstationen sind in der Regel etwa 3o km von
dem Verbraucher entfernt. Die Leitung 4 b ist in Folge ihrer Länge daher als Zwischenspeicher
gemäß der Hauptpatentanmeldung ausgebildet. In Verbrauchernähe befinden sich nun
weitere Reduzierstationen. Bei geöffnetem Ventil 14 a und geschlossenem Ventil 54
wird das Gas in die Niederdruckturbine 10 geleitet und nach der dortigen Entspannung
durch die Abgasleitung 4 c der Stadt-Ringleitung 5 zugeführt von der die Verbraucherleitungen
11 abzweigen, die zu den Verbrauchern 6 führen. In Wahrheit wird es sich um mehrere
derartige Stationen handeln, da von der Hochdruck-Ferngasleitung 3 bis zum Verbraucher
in der Regel mindestens vier verschiedene Druckreduzierstationen eingebaut sind.
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Wie gemäß der nicht vorveröffentlichten Hauptpatentanmeldung wird
in die Leitung 44 des Gasvorwärmers 37 ein entsprechend warmes Gas eingeführt, das
in der Leitung 44 a dem gegenüber abgekühlt, aber immer noch sehr warm, in eine
nicht dargestellte Verbrennungsanlage zurückgeführt wird, wo es erneut auf die Temperatur
gebracht wird, die es in der Leitung 44 hatte und dann wieder im Kreislauf eingeführt
wird. Derartige Gasvorwärmer oder Überhitzer sind dem Fachmann bekannt. Bei den
Reduzierstationen nach dem Stand der Technik werden in der Regel gasbeheizte Gasvorwärmer
verwendet, bei denen ein geringer Teil des in der Leitung 4 strömenden Gases weiter
entspannt und verbrannt wird. Derartige Gasvorwärmer müssen daher nicht näher erläutert
werden.
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Auf dem Gebiet der Dampfturbinen gibt es aber auch mit Kohle beheizte
Überhitzer, z.B. rauchgasbeheizte Zwischenüberhitzer, die für 5000 C und darüber
gebaut werden Diese Überhitzer eignen sich auch für die Zwecke der Erfindung, nämlich
zur Erwärmung von Gas, insbesondere Erdgas. Auch diese Überhitzer müssen daher nicht
im einzelnen erläutert werden0 Sie sind schon seit sehr langer Zeit bekannt. Wenn
nun das Gas durch einen derartigen Überhitzer 37 auf z.B.
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5ovo0 C gebracht werden soll, dann ist der Aufwand hierfür dadurch
wesentlich reduziert, daß das dem Uberhitzer 37 in der Leitung 2 b zugeführte Gas
bereits ganz erheblich vorgewärmt ist. Das liegt daran, daß gemäß der Erfindung
das durch die Leitung 2 zugeführte Gas während des Betriebes durch den Nachkühler
50 stark vorgewärmt wurde.
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Z.B. fällt dem Gasvorwärmer 37 dann nur noch die Aufgabe zu, das Gas
von z.B. 200 ° C auf 5ovo0 C zu bringen, weil durch den als Nachkühler ausgebildeten
Gasvorwärmer 50 das Gas bereits auf diese hohe Temperatur gebracht worden ist.
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Durch die Zahl oder die Länge der einzelnen Wärmetauscher 50 a, 50
b hat der Fachmann es in der Hand, die Temperatur des Abgases 4 soweit abzusenken,
wie das erforderlich oder zweckmäßig ist> also z.B. auf 250 C. Auf dem etwa 3o
km langen Weg in der Leitung 4 b nimmt dann die Temperatur des Gases noch weiter
ab, doch ist erwünscht, daß das Gas auf einer erhöhten Temperatur verbleibt, wenn
es in die Niederdruckturbine 1o gelangt, so daß eine erneute Gasvorwärmung für die
weitere Entspannung entfallen kann. Dies zeigt natürlich den Vorteil, daß weitere
Primär-Energie eingespart wird, die gemäß dem Stand der Technik zur Gasvorwärmung
benötigt wird. Außerdem entfällt natürlich auch bei Neubauten derartigerReduzierstationen
der entsprechende Gasvorwärmer, so daß diesbezüglich auch die Anlagekosten
verringert
sind. Der Fachmann rechnet, daß gemäß der Erfahrung das Erdgas um 0,40 C/bar durch
die Entspannung in der Temperatur absinkt. Dies bedeutet, daß eine Temperatur des
Erdgases beim Eingang in die Niederdruckturbine 10 von z.B. 150 C völlig ausreichend
sein würde, um die dann noch erforderliche Entspannungs-Abkühlung zu kompensieren.
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Die Erfindung zeigt auch den Vorteil, daß der Wirkungsgrad verbessert
ist, gegenüber herkömmlichen Methoden, die die Verwendung eines Zwischen-Wärmeträgers
wie Wasser vorsehen.
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Dabei muß nämlich zunächst das Wasser angewärmt werden» wodurch sich
ein zweifacher Wärmetausch ergibt, während durch die Erfindung nur ein einziger
Wärmetausch von dem Abgas der Leitung 4 zu dem in der Leitung 2 benötigt wird.
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Falls an Stelle des Generators 8 eine Wärmepumpe verwendet wird, um
z.B. ein Fernwärme-Heizkraftwerk zu erstellen, dann können auch die Abgase der Verbrennungsanlage
für den Gasvorwärmer 37 in die Wärmepumpe bevorzugt eingeführt werden.
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Dies kann man auch mit Kraft-Wärmekopplung bezeichnen, weil die Abfallwärme
bei der Erzeugung des Drehmomentes der Welle 7 in den Wärmepumpenkreislauf eingeführt
wird.
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Besonders bevorzugt ist hierbei ferner, als Wärmequelle für die Wärmepumpe
das Gas in der Leitung 4 b zu verwenden. Hierzu wird der Verdampfer der Wärmepumpe
in diese Leitung 4 b oder in einen Bypass hierzu eingebaut. Auf diese Weise wird
das Gas in der Leitung 4 b noch schneller als andernfalls abgekühlt, so daß dann
ein Wärmetauscher, z.B. 50 b, entfallen kann.
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Die große Entfernung der Hochdruckreduzierstation mit der Hochdruckturbine
1 von dem Verbraucher könnte der Verwendung
als Wärmepumpenkraftwerk
entgegenstehen. Das Gesagte gilt aber selbstverständlich auch bezüglich der Niederdruck-Reduzierstation
mit der Niederdruck-Turbine 10. In diesem Falle würde der Verdampfer der Wärmepumpe
z,B. in der Leitung 4 c eingebaut sein. Dies ist für den Fachmann auf dem Gebiet
der Wärmepumpen verständlich, ohne daß dies im einzelnen beschrieben wird, weil
die Wärmepumpe im übrigen zum Stand der Technik gehört. Da die Niederdruckturbine
10 innerhalb des Stadtbereiches liegt, ist die Ausbildung als Heizkraftwerk sinnvoll.
Wenn der Druck in der Leitung 4 b so stark abgefallen ist, daß der Betrieb der Turbine
10 nicht benötigt wird oder nicht mehr sinnvoll ist, wird durch eine automatische
Umschaltvorrichtung das Ventil 14 a geschlossen und das Ventil 54 in dem Bypass
53 geöffnet, so daß das Gas ohne Jede Reduzierung in die Leitung 4 c gelangen kann.
Durch diese Maßnahme läßt sich die zulässige Druckdifferenz in der Leitung 4 b erhöhen,
wodurch diese Leitung besser als Zwischenspeicher geeignet ist. Die Umschaltung
kann mittels eines Druckfühlers in der Leitung 4 b bevorzugt ausgelöst werden. In
der Regel wird dies dann der Fall sein, wenn die Hochdruckturbine 1, z.B. nachts,
stillgelegt ist, wie dies bereits in der Hauptpatentanmeldung beschrieben ist.
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Die Niederdruckturbine 10 muß nicht eine wesentlich geringere Leistung
aufweisen als die Hochdruckturbine 1. Bei der dargestellten Anordnung ist nämlich
klar, daß die Niederdruckturbine 10 von genau den gleichen Gasmengen durchströmt
wird wie die Hochdruckturbine 1. Wenn nun die Druckdifferenz die gleiche ist, z.B.
15 bar, so kann sich durchaus etwa die gleiche Leistung ergeben, wenn das Gas in
dem Vorwärmer 37 nicht stärker erwärmt würde als unbedingt erforderlich ist.
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Wenn nun aber, wie vorgeschlagen, das Gas auf etwa 5ovo0 C vorgewärmt
wird, dann ist die Leistung der Turbine 1 gegenüber
der der Turbine
10 um ein vielfaches erhöht, wie der Fachmann leicht einwandfrei berechnen kann.
Daher lohnt sich in diesem Falle die Einspeißung von Strom in das öffentliche Netz.
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Der Aufwand durch die Erfindung ist dem gegenüber verhältnismäßig
sehr gering, weil die Vergrößerung der bekannten Gasvorwärmer sowie der zusätzliche
Gasnachkühler im Vergleich zu der Leistungssteigerung um mehrere loo % relativ sehr
niedrig liegt. Natürlich müssen auch die Turbine und der Generator entsprechend
vergrößert werden, doch liegen die zusätzlichen Raumkosten außerordentlich niedrig,
weil nur die bereits vorhandene Reduzierstation ein wenig erweitert werden muß.