DE2833136A1

DE2833136A1 - Kraftwerk mit einer turbine

Info

Publication number: DE2833136A1
Application number: DE19782833136
Authority: DE
Inventors: Nichtnennung Beantragt
Original assignee: WENZEL GEB DOLMANS YVONNE
Current assignee: WENZEL GEB DOLMANS YVONNE
Priority date: 1978-07-28
Filing date: 1978-07-28
Publication date: 1980-02-07

Description

PATENTANWALT DIPL-ING. J. WENZEL 7 STUTTGART HAUPTMANNSREUTE 46

Yvonne Wenzel, Stuttgart

Kraftwerk in einem druckführenden Leitungssystem, nach Patentanmeldung P 27 37 915.3

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kraftwerk mit einer Turbine oder Expansionsmaschine, die an die Druckleitung eines Druckgas führenden Leitungssystems, insbesondere an eine Erdgasleitung, angeschlossen ist, deren Ableitung mit dem Verbraucher des Druckmittels in Verbindung steht, wobei die Expansionsmaschine mit einem Generator zur Erzeugung elektrischen Stroms und/oder einem Verdichter gekuppelt ist, mit einem der Turbine nachgeschaltetem Zwischenspeicher nach Patentanmeldung P 27 37 915.3.

Ein solches Kraftwerk nach der vorangegangenen Hauptpatentanmeldung zeigt den großen Vorteil, daß infolge des Zwischenspeichers, der mit der Abgasleitung verbunden ist, die unregelmäßig anfallenden Strommengen vergleichmäßigt werden.

Hierbei wurde in der Regel als notwendig angesehen, das Gas vor der Turbine zumindest soweit zu erwärmen, daß das Gas infolge der starken Abkühlung durchidie arbeitsleistende Entspannung ·in der Turbine nicht auf Temperaturen unter 0 Grad C fällt. Es ist erwünscht, daß das Gas dem Verbraucher leicht angewärmt, z. B. mit 10 ⁰C zugeführt wird.

Hierzu war gemäß der vorangegangenen Hauptpatentanmeldung schon vorgesehen, daß mehrere Wärmepumpenkompressoren mit der Welle der Turbine lösbar gekuppelt sind, von denen einer mit dem Wärmetauscher für das Antriebsgas verbunden ist.

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Auf diese Weise ist vorteilhaft, daß die zur Vorwärmung des Gases benötigte Wärmemenge durch· das Kraftwerk selbst mittels der Wärmepumpe erzeugt werden kann. Dadurch ist zwar die Leistung des Kraftwerkes um den Leistungsbedarf des Wärmepumpenverdichters gemindert, doch ergibt sich der sehr große Vorteil, daß Primärenergie hierzu nicht benötigt wird. Es entfällt auch die durch solche Verbrennungsanlagen bedingte Umweltverschmutzung vollständig.

Nun zeigen die bekannten Wärmepumpenanlagen aber den schweren Nachteil, daß sie mit wirtschaftlichen Mitteln nur eine verhältnismäßig geringe Anhebung der Temperatur um etwa 50 ° gestatten. Eine solche Anhebung reicht aber nur bei verhältnismäßig sehr geringen Druckverhältnissen von etwa 2 aus, um das Gas soweit zu erwärmen, daß ee bei der arbeitsleistenden Entspannung nicht unter den Gefrierpunkt fällt. In der Regel liegt das Druckverhältnis aber wesentlich höher, so daß dann nicht mehr die Möglichkeit besteht, das Antriebsgas, ζ. Β. bei einem Druckverhältnis von 8, auf z.B. 150 ⁰C zu bringen. Allenfalls besteht die Möglichkeit, das Gas mittels der Wärmepumpe auf ζ. B. 60 ⁰C zu bringen und die übrige Erwärmung durch eine Verbrennungsaniage aufzubringen. Je höher die zu erreichende Temperatur ist, desto größer muß natürlich auch der Einsatz von Primärenergie sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen. Nachteil zu beheben und das Kraftwerk der eingangs erwähnten Art so zu verbessern, daß die aufzubringende Wärmemenge auch bei einem hohen Druckveiiältnis einem verhältnismäßig niedrigem Temperaturniveau entnommen werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung besteht darin, daß unmittelbar hinter der Turbine in der Abgasleitung eine Vorrichtung zur Erwärmung der Abgase angeordnet ist.

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Auf diese Weise wird in Kauf genommen, daß die Temperatur des Abgases stark unter den Gefrierpunkt fällt. Die Vorrichtung zur Erwärmung der Abgase benötigt durch die Erfindung ein verhältnismäßig geringes Temperaturniveau, das beispielsweise zu einem sehr großen Teil oder vollständig durch Außenluft gebildet sein kann.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Vorrichtung auch zur Beheizung der Düsen der Turbine vorgesehen ist.

Wenn ein hohes Druckverhältnis vorliegt, handelt es sich um eine "Kälteturbine", wobei erforderlich ist, die Düsen zu beheizen.

Weiter ist vorteilhaft, daß ein Wärmetauscher in der Abgasleitung angeordnet ist und mit einer Wärmepumpe in Verbindung steht, dessen Verdichter mit der Antriebswelle der Turbine gekuppelt ist.

Das niedrig liegende Temperaturniveau der Wärmepumpe ist in allen nur denkbaren Fällen ausreichend, um in diesem Falle die erforderliche Wärmemenge zuzuführen. Selbst für den Fall, daß das Gas unter minus 100 ⁰C abgekühlt sein sollte, ist das Warmwasser einer Wärmepumpe mit etwa + 50 ⁰C völlig ausreichend, um das Gas auf die erforderlichen + 10 ⁰C anzuwärmen. Auf diese Weise besteht die Möglichkeit, auf den Einsatz von Primärenergie zur Anwärmung des Gases völlig zu verzichten. Eine Wirtschaftlichkeitsrechnung hat ergeben, daß diese Maßnahme trotz der geringeren Lexstungsausbeute zur Kosteneinsparung außerordentlich beiträgt.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles unter Hinweis auf die einzige Figur der Zeichnung, die eine schematische Darstellung des Kraftwerkes zeigt.

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In der Ferngasleitung 3 strömt Erdgas in Richtung des Pfeiles mit einem Druck von z. B. 35 bar. Hiervon zweigt die Leitung in Richtung des Pfeiles 74 ab. In dieser Leitung 2 wird das Gas in nicht dargestellter Weise in der Regel auf z. B. 34 °C durch einen herkömmlichen Gasvorwärmer angewärmt. Dieses Gas wird nun der Turbine 1 zugeführt und dort auf z. B. 8 bar arbeitsleistend in einer Reduzierstation entspannt. Dadurch kühlt sich das Gas auf minus 25,2 ⁰C ab. Daher ist unmittelbar hinter der Turbine in der Abgasleitung 4 eine Vorrichtung zur Erwärmung der Abgase angeordnet, die in diesem Falle als Wärmetauscher-Kondensator einer Wärmepumpe ausgebildet ist. Durch die Wärme dieses Wärmetauschers wird aber nicht nur das Gas in der Abgasleitung 4 erwärmt, sondern auch die Düsen der Turbine 1 beheizt.

Der Verdichter 8 dieser Wärmepumpe ist mit der Welle 7 der Turbine 1 ebenso gekuppelt, wie der elektrischen StromWrzeugende Generator 8. Anstelle des Generators 8 kann auch eine Wärmepumpe für ein Heizkraftwerk vorgesehen sein, wie das früher schon vorgeschlagen worden ist.

Gemäß einem früheren Vorschlag ist der Verdampfer 66 in einem Bypass 67 der Ferngasleitung 3.angeordnet. Hierzu ist bevorzugt, daß ein Ventil-Schieber 68 zwischen den beiden Anschlußstellen des Bypasses 67 in der Ferngasleitung 3 vorgesehen ist. Wenn dieses Ventil 68 geschlossen ist, wird das gesamte Gas der Ferngasleitung 3 durch den Bypass 67 und somit durch den Verdampfer 66 geleitet. Auch im Winter hält das Ferngas immer eine Temperatur von mindestens + 4 ⁰C aufrecht, so daß es zur Wärmeabgabe an die Verdampfer-Schlange 58 der Wärmepumpe geeignet ist. Die Ferngasleitung 3 ist nämlich so tief im Boden verlegt, daß das Gas in Mitteleuropa auch im Winter nicht stärker abkühlt. Außerdem wird das Gas in den Fernlei-

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tungen in regelmäßigen Abständen durch die Zwischenverdichter so stark wieder angewärmt, daß die herkömmlichen Zwischenverdichter eine Kühlvorrichtung aufweisen. Deshalb ist bevorzugt, diese Reduzierstationen in möglichst großer Nähe hinter solchen Zwischenverdichtern anzuordnen und dann das Gas hinter dem Zwischenveredichter nicht so stark wie bisher abzukühlen. Es kann auch die Abwärme des Zwischenverdichters zur Beheizung des Gases insbesondere in der Zuleitung 2 besonders bevorzugt Verwendung finden.

Die Wärmepumpe kann im übrigen völlig herkömmlicher Bauart sein und auch mit einem herkömmlichen "Kältemittel" betrieben werden. Der Verdichter 8 saugt das Kältemittel durch die Leitung 51 in Richtung des Pfeiles 65 an. Das auf diese Weise starkjerwärmte Kältemittel wird durch die Leitung 44 in den Wärmetauscher^Kondensator 37 in Richtung des Pfeiles geleitet. Durch die Kondensation wird hier die Wärme an das Abgas in der Leitung 4 abgegeben, wodurch eine Wiederanwärmung des Gases auf ζ „ B. mindestens + 4 ⁰C erreicht..wird. Das flüssige Kältemittel wird nun durch die Leitung 55 dem Expansionsventil 54 zugeleitet, wonach das entspannte Kältemittel in der Verdampfer-Schlange 58 des Verdampfers 66 in der bekannten Weise Wärme aufnimmt, um durch die Leitung 51 wieder dem Verdichter 8 zugeführt zu werden.

Dem Fachmann ist klar, daß hier nur eine sehr geringe Vorlauf= temperatur ausreichend ist;

Mit den oben erwähnten Daten würde sogar die Möglichkeit bestehen, anstelle der Wärmepumpe besonders im Sommer mit leicht angewärmter Luft zu arbeiten. Eine Lufttemperatur von z. B. + 20 würde in diesem Falle ausreichend sein, um das Gas von minus 25,2 ° auf + 4 ° gemäß einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform zu bringen.

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Selbstverständlich kann hierzu auch ein herkömmlicher "Gasvorwärmer" Verwendung finden, der z. B.mit Erdgas beheizt wird. Hierdurch ergibt sich aber selbstverständlich der Nachteil, daß Primärenergie eingesetzt werden muß, während durch die Verwendung der Wärmepumpe der Einsatz von Primärenergie vollständig entfallen kann.

Gemäß einer Berechnung bei einem praktischen Ausführungsbeispiel ergibt sich mit den oben erwähnten Daten eine maximale Erdgasentnahmemenge durch die Leitung 2 von 24,8 t/h, wodurch eine elektrische KlemmenIeistung von 802 kW des Generators 8 erreicht wird, wenn die Wärmezufuhr aus dem Brennstoff in Höhe von 493 thermische kW vorgenommen wird. Gegenüber der Stromerzeugung mittels eines Großkraftwerkes mit einem Gesamt*irkungsgrad von 40 % ergibt sich in diesem Falle eine Ersparnis an Primärenergie von 75,4 %. Dennoch fallen die Gaskosten bei der Wirtschaftlichkeitsrechnung stark ins Gewicht.

Wenn nun gemäß der Erfindung die Wärmepumpe Verwendung findet, so würde diese im ungünstigsten Falle eine Klemmenleistung von 140 kW benötigen, wodurch eine Nutzleistung von 662 kW verbleibt.

Die Wirtschaftlichkeitsrechnung hat nun ergeben, daß in beiden Fällen eine Amortisation des Kleinkraftwerkes in 15 Jahren möglich ist. Die Verwendung der Wärmepumpe ist aber entschieden vorzuziehen, weil in den darauf folgenden Benutzungsjähren nach der Amortisationszeit die hohen Gaskosten, die in der Größenordnung der jährlichenKapital- raten liegen, ganz entfallen. Daher wird durch die Erfindung ein hoher Gewinn erzielt.

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Hierbei wurde berücksichtigt, daj3 die Benutzungsdauer des Kleinkraftwerkes z. B. nur 25 % beträgt. Das liegt daran, daß angenommen wurde, daß das Kleinkraftwerk in den 6 warmen Monaten infolge des dann sehr geringen Gasverbrauchs abgeschaltet wird. Die Sommer-WinterSchwankungen können z. B. im Verhältnis 1 : 10 liegen.

Ebenso groß oder noch größer sind die Schwankungen zwischen dem Verbrauch am Tage und in der Nacht. Derart starke Verbraucherschwankungen sind aber unerwünscht, weil die Ferngasleitung 3 bei zu starken Verbrauchsspitzen nicht ausreichend sein könnte, um den Bedarf bei dem Leitungsquerschnitt und den vorgesehenen Drücken zu decken. Deshalb ist allgemein üblich, Zwischengasspeicher 5 vorzusehen, die des nachts bei dem sehr geringen Bedarf gefüllt und am Tage geleert werden. Hierzu wird nachts das Einlaßventil 69 geöffnet und am Tage das Auslaßventil 70 bei geschlossenem Einlaßventil geöffnet, so daß der Zwischenbehälter 5 über den Strahlverdichter 71 in die Leitung 72 geleert wird. Dadurch ist der Druck in der Leitung 72 gegenüber der Abgasleitung 4 zwar ein wenig gemindert, doch kann dies in Kauf genommen werden, zumal am Ende der Leitung 72 meistens nicht nur eine, sondern hintereinander mehrere Druckmindereinrichtungen benötigt werden.

Durch eine Regelung besteht nun die Möglichkeit, die Menge des in der Abgasleitung 4 strömenden Gases in etwa konstant zu halten. Hierzu kann noch eine entsprechende Regelvorrichtung vorgesehen sein. Dabei ist allerdings erforderlich, daß der Fachmann im voraus den zu erwartenden Sollwert-Verbrauch ungefähr kennt. Um dies mit möglichst großer Genauigkeit zu er- ' mitteln, kann ein Computer dienlich sein, in den die Daten des zurückliegenden Tages ebenso eingespeist werden wie die Tendenzen der zurückliegenden Jahre über die Entwicklung des Gas-

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Verbrauchs.

Indessen besteht die Gefahr, daß die Fernleitung 3 überfordert wird, nur zu Spitzenverbrauchszeiten im Winter. Deshalb sollte die erwähnte Regelung mit einer Konstanthaltung des Gasdurchlaufes über den gesamten 24-Stunden-Tag nur im Winter Anwendung finden. In den Jahreszeiten mit geringerem Gasverbrauch besteht dagegen die Möglichkeit, den Zwischenspeicher 5 so zu verwenden, daß das Kleinkraftwerk nur zu Spitzenbedarfszeiten, mindestens jedoch ausschließlich am Tage in Betrieb genommen wird, wie dies früher schon vorgeschlagen'wurde.Hierzu wird der Zwischenspeicher 5 durch öffnen des Ventils 69 während des Tages zusätzlich zu dem Tagesverbrauch gefüllt. Des nachts wird das Kleinkraftwerk durch Schließung u. a. des Ventiles 15 stillgelegt, und der Verbraucher wird ausschließlich durch den Zwischenspeicher. 5 versorgt. Hierzu kann auch das Ventil 69 geöffnet werden, weil der Injektor 71 dann nicht benötigt wird. Der dadurch eintretende Druckabfall in der Leitung 72 kann ebenso in Kauf genommen werden, wie der bei Verwendung des Injektors 71. In der Regel ist im Sommer der Nachtverbrauch derart gering, daß die vorhandenen Zwischenspeicher ausreichend sind, im Bedarfsfall sogar ein mehrfaches des Nachtverbrauchs zu liefern.

Darüber hinaus besteht gemäß einem weiteren früheren Vorschlag auch die Möglichkeit, durch einen der Station und damit der Turbine 1 vorgeschalteten Hochdruckzwischenspeicher die erwähnte Betriebsweise durchzuführen, ohne daß die völlig gleichmäßige Entnahme aus der Fernleitung 3 geändett wird. Hierzu eignen sich besonders die bekannten großen Hochdruck-Tiefgasspeicher, durch die die Möglichkeit besteht, einen sehr großen Verbraucherkreis zu beliefern, also mehrere Städte gleichzeitig.

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Der Injektor 71 kann bevorzugt auch in einem Bypass angeordnet sein, damit er dann, wenn er nicht benötigt wird, keine Querschnitts verminderung des durch die Abgasleitung 4 strömenden Gases bewirkt. Dieser nicht dargestellte Bypass wird bei Nichtbedarf des Injektors 71 durch Ventile geschlossen, wie dem Fachmann ohne zeichnerische Darstellung verständlich ist.

Auf diese Weise besteht die Möglichkeit, das Kleinkraftwerk ganzjährig auch während der Sommerzeit zu betreiben, und zwar dann nur zu Spitzenlastzeiten während des Tages.

Es besteht durchaus die Möglichkeit, daß die Gaswirtschaft sich auf die vorgeschlagene Benutzungsweise einstellt. Die erwähnten Zwischenverdichter in den Fernleitungen 3 sind meistens ohnehin mit einer. Regelvorrichtung versehen, so daß sie bei dem erwähntenSpitz- enbedarf verstärkt in Betrieb genommen werden. Es besteht natürlich auch die Möglichkeit der Absprache, so daß die Zwischenverdichter vor dem Spitzenbedarf in Betrieb gesetzt werden. Die Fernleitung 3 selbst stellt nämlich einen beachtlichen Zwischenspeicher dar, so daß,auf die Länge der Leitung gesehen, ohnehin ein Druckausgleich im Zusammenwirken mit den Zwischenveredichtern möglich ist, wenn die Spitzenentnahme nicht überschritten ist.

Bei dem oben erwähnten hohen Druckverhältnis ist ferner sehr vorteilhaft,die Turbine mehrstufig auszubilden und hinter jeder Stufe eine Zwischen er_wärmung anzuordnen.Dadurcbjkann in den Fach= mann überraschender Weise erreicht werden, daß die Leistungsaus= beute und der Wirkungsgrad gleichzeitig erhöht werden, ohne daß Primärenergie eingesetztfcerden muß.Die Abstufung kann dabei so getroffen werden, daß Temperaturen unter dem Gefrierpunkt gar nicht auftreten.Auf diese Weise kann die Erwärmung hinter der letzten Turbinenstufe auch entfallen.

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Durch die Erfindung besteht somit die Möglichkeit, die Ko= struktion der Turbine den heutigen Erfordernissen der Wärme= pumpe anzupassen.Mehrstufige Turbinen sind nicht nur auf dem Gassektor bekannt, sondern es gibt auch mehrstufige Dampf= turbinen, die für die Zwecke der Erfindung geeignet sind. Wenn die Temperatur nach der Turbine z.B. 10 Grad über dem Gefrierpukt gewählt wird, dann kann die Wärmepumpe mit einem . einstufigen Verdichter herkömmlicher Bauart ausgerüstet sein, um die Temperatur des Gases hinter jeder Stufe nur so weit anzuheben, wie das wirtschaftlich leicht möglich ist.Danach ist dann die Zahl der Turbinenstufen zu berechnen,was dem Fachmann ohne weiteres möglich ist»

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Claims

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Patentansprüche

( 1./Kraftwerk mit einer Turbine oder Expansionsmaschine, die an die Druckleitung eines Druckgas führenden Leitungssystems, insbesondere an eine Erdgasleitung, angeschlossen ist, deren Ableitung mit dem Verbraucher des Druckmittels in Verbindung steht, wobei die Expansionsmaschine mit einem Generator zur Erzeugng elektrischen Stromes und/oder einem Verdichter gekuppelt ist, mit einem der Turbine nachgeschaltetem Zwischenspeicher, nach Patentanmeldung P 27 37 915.3, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar hinter der Turbine (1) in der Abgasleitung (4) eine Vorrichtung (3.7) zur Erwärmung der Abgase angeordnet ist.
2. Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung auch zur Beheizung-.der Düsen der Turbine (1) vorgesehen ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wärmetauscher (37) in der Abgasleitung (4) angeordnet ist und mit einer Wärmepumpe (8, 54, 66) in Verbindung steht, dessen Verdichter (8) mit der Antriebswelle (7) der Turbine (1) gekuppelt ist.
4. Kraftwffek nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die Turbine(l) mehrstufig ausgebildet ist und daß die Vor= richtung zur Erwärmung der Abgase hinter einer jeden Stufe

zur Zwischenerwärmung angeordnet ist. 5· Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenspeicher(5) über einen Injektor(71) geleert wird, der in einem Bypaß der Abgasleitung liegt und für den Nicht= bedarf sperrbar ist·

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