DE3605466A1 - Geschlossener gasturbinen-prozess im zweistoffverfahren - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen geschlossenen Gasturbinen-Prozeß im Zweistoffverfahren, welcher mit festen, flüssigen bzw. gasförmigen Brennstoffen oder einer Wärmequelle indirekt beheizt wird.

Der Gasturbinen-Prozeß und vorzugsweise der geschlossene Prozeß braucht nicht näher beschrieben zu werden, denn er ist bekannt und somit Stand der Technik. Zur Steigerung des thermischen Wirkungsgrades sind verschiedene Sonderfor­ men des Prozesses entwickelt worden. So gibt es den soge­ nannten Teilgeschlossenen-Prozeß, zwei Beispiele sind unter DP 21 38 739 sowie DP 21 54 197 beschrieben in bei­ den wird mit der Einspritzung von Wasser versucht, den thermischen Wirkungsgrad zu erhöhen. Bei weiteren Versu­ chen wurde im Zweistoff-Verfahren Quecksilberdampf mit 600°C in einer Quecksilber-Turbine von 25 atü auf 0,5 atü und anschließend Wasserdampf mit 280°C von 60 auf 2 atü entspannt. Ein weiteres Verfahren ist auf der Basis Diphe­ nyloxid-Wasserdampf bekannt.

In einem weiteren Prozeß wird durch einen Drucktransfor­ mator von Koenemann Wasserdampf von niedrigem Druck durch bestimmte Stoffe absorbiert; durch die freiwerdende Kondensationswärme erhitzt sich die Lösung und kann in ei­ nem Wärmetauscher Dampf höherer Spannung erzeugen. Weiter sei noch auf den Kalina-Prozeß hingewiesen, bei welchem als Arbeitsmedium ein Gemisch von Ammoniak und Wasser ein­ gesetzt wird, wobei aber die Stabilität bei bestimmten Temperaturen angezweifelt werden darf.

Alle diese Prozeß-Vorschläge konnten sich wegen mehr oder weniger großer Mängel nicht durchsetzen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines geschlos­ senen Gasturbinen-Prozesses im Zweistoff-Verfahren, wel­ cher mit höherem thermischen Wirkungsgrad arbeitet, dies auch bei kleineren Anlagen.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß von einem Verdichter Inertgas wie z. B. N ₂ oder CO₂, vorzugsweise aber Edelgas wie z. B. Xenon in einem Kreisprozeß verdichtet und in ei­ nem Gaserhitzer indirekt erhitzt und anschließend in ei­ ner ersten Garturbinenstufe entspannt wird, die entspannten aber noch energiereichen Abgase einem Druckfusionator zuge­ führt werden, in dem sie mit einem Arbeitsmedium z. B. Was­ ser, einem Frigen oder einem anderen stabilen Medium, wel­ ches vorgewärmt sein kann oder mit dessen Dampf fusionieren, wobei das Arbeitsmedium verdampft und überhitzt oder dessen Dampf überhitzt wird und das Gemisch einer zweiten Gastur­ binenstufe zur Entspannung zugeführt wird, das Abgasgemisch der zweiten Gasturbinenstufe einem Kondensator zugeführt wird, wobei durch die Kondensation gleichzeitig wieder eine Stofftrennung herbeigeführt und das Gas dem Verdichter so­ wie Arbeitsmedium einem Flüssigkeitssammler und über eine Pumpe dem Vorwärmer oder Verdampfer zugeführt wird.

Der erfindungsgemäße Prozeß hat gegenüber anderen Prozes­ sen den Vorteil, daß er weitgehend ohne Wärmetauscher zwischen zwei Gasströmen auskommt und damit schon eine bes­ sere Wärmeausnutzung gegeben ist. Der besondere Vorteil be­ steht aber darin, daß bei der Fusionierung das Volumen des Arbeitsmittelgemischs bedeutend größer wird, so daß die Ar­ beitsleistung der zweiten Turbinenstufe, ohne eine Vergrö­ ßerung der Anlage, größer wird, die spezifische Leistung des erfindungsgemäßen Zweistoff-Prozesses also größer ist als bei bekannten geschlossenen Gasturbinen-Prozessen.

Auch der nachgeschaltete Rückkühler sowie der Kondensa­ tor können kleiner dimensioniert werden, so daß der Ein­ satz von Kühlmitteln erheblich reduziert werden kann und man in den meisten Fällen mit Luft als Kühlmittel auskommt, was auch den Einsatz in beweglichen Vorrichtungen z. B. Lo­ komotiven besser ermöglicht.

Der Einsatz von Edelgasen ist aus verschiedenen Gründen vorteilhaft, denn Edelgase gehen keine chemischen Verbin­ dungen ein, was für die Werkstoffwahl von Bedeutung sein kann. Es können Legierungen verwendet werden, die bei ho­ her Temperatur in Luft nicht in Betracht kommen; die spe­ zifische Wärmekapazität z. B. von Xenon ist ca. 20 mal grö­ ßer als bei Luft. Beim Beispiel Helium: Die Dichte ist 7 mal kleiner als bei Luft und trotzdem ergeben sich we­ gen des größeren Gefälles und der höheren zulässigen Strömungsgeschwindigkeit in der Beschaufelung kleinere Strömungsquerschnitte. Trotz allem ist Helium das schwie­ rigste Medium, da es die Eigenschaft hat, durch die klein­ sten Undichtheiten durchzudringen, also müssen unter ande­ rem besondere Konstruktionen für die Abdichtungen der Wel­ lenstoffbüchsen und für die Ausführung der Heißgasleitungen gefunden werden. Die Einsatzmöglichkeit ist für jedes der Edelgase von Fall zu Fall verschieden, es kommt auf die Größenordnung der Anlage an. Bei einem normalen, geschlos­ senen Prozeß ist der Anfangsdruck vor dem Verdichter meist höher als Atmosphärendruck gewählt. Dadurch lassen sich, infolge des kleineren spezifischen Volumens, wesentlich größere Massen an der Energieumsetzung beteiligen. Im dar­ gestellten Prozeß im Zweistoffverfahren ist dies aber nicht vorteilhaft, da im Vorkühler und Kondensator zuviel Rest­ wärme des Arbeitsmediums abgeführt werden muß, andererseits kann aber die durchzusetzende Masse durch schwerere Gase er­ höht werden, was auch höhere Energieumsetzung ergibt.

Die Aussage führt zu der These: Um so kleiner die Anlage um so schwerer sollte das Gas sein.

Zur Steuerung des Prozesses sind 2 Möglichkeiten gegeben: Einmal die langsam wirkende Reduzierung der Brennstoff­ menge, sowie die schnellwirkende Möglichkeit über ein Steuerventil und eine Steuerstichleitung, wobei sich schon die kleinste Temperaturveränderung zwischen Ver­ dichter und erster Turbinenstufe schnell reduzierend aus­ wirkt. Bei größeren Anlagen ist die Möglichkeit gegeben zur vollkommenen Ausnutzung des Wärmegefälles, auch der Kondensationswärme, im Vorkühler sowie dem Kondensator einen ORC-Prozeß mit dem für diese Verhältnisse erfor­ derlichen Arbeitsmedium nachzuschalten und somit eine drit­ te Turbinenstufe anzuordnen, hierbei müssen technische und wirtschaftliche Aspekte gegeneinander abgewogen werden. Auch ist bei größeren Anlagen eine Mehrstufigkeit des Ver­ dichters gegebenenfalls mit Zwischenkühlung möglich, wobei man sich aber auf die Apsekte des vorher Gesagten beziehen muß.

Geschlossener Zweistoff-Gasturbinen-Prozeß mit einer ersten, normalen Turbinenstufe, sowie getrennten Medien mit ver­ schiedenen Siedpunkten, wobei ein Medium Inertgas, vor­ zugsweise Edelgas mit noch hoher Temperatur in einem Fu­ sionator mit einem höher siedenden Medium oder dessen Dampf vereinigt und das Gemisch in einer zweiten Turbinenstufe entspannt wird, was zur zusätzlichen Energieabgabe führt.

Fig. 1 zeigt ein Fließschema des Prozesses, wobei alle in der Figurenbeschreibung enthaltenen Merkmale als erfindungs­ wesentlich angesehen werden. Es bedeuten im einzelnen:

• 31 Verdichter
  32 Druckleitung
  33 Steuerventil
  34 Gaserhitzer
  35 Heißgasdruckleitung
  36 erste Turbinenstufe
  37 entspanntes Gas(leitung)
  38 Fusionator
  39 Gasgemischdruckleitung
  40 zweite Turbinenstufe
  41 Generator
  42 Anwurfmotor
  43 Abgasleitung
  44 Vorkühler
  45 Kondensator
  46 Frischluftleitung
  47 Gastrenner
  48 Flüssigkeitssammler
  49 erwärmte Verbrennungsluft
  50 Pumpe
  51 Flüssigkeitsdruckleitung
  52 Vorwärmer oder Verdampfer
  53 Brennstoffzufuhr
  54 Abgas
  55 Steuerstichleitung
  56 Gasleitung zum Verdichter
  57 Entstauber
  58 Zuleitung zum Fusionator

Claims (9)

1. Geschlossener Gasturbinen-Prozeß im Zweistoffverfah­ ren, welcher mit festen, flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen oder einer anderen Wärmequelle indirekt beheizt wird, dadurch gekennzeich­ net, daß

• a) von einem Verdichter Inertgas wie N₂ oder CO₂, vorzugsweise aber Edelgas wie z. B. Xenon in ei­ nem Kreisprozeß verdichtet und in einem Gaser­ hitzer indirekt erhitzt und anschließend in ei­ ner ersten Gasturbinenstufe entspannt wird,
• b) die entspannten aber noch energiereichen Ab­ gase einem Druckfusionator zugeführt werden, in dem sie mit einem Arbeitsmedium z. B. Wasser, einem Frigen oder einem anderen, stabilen Medium, welches vorgewärmt sein kann oder mit dessen Dampf fusionieren, wobei das Arbeitsmedium ver­ dampft und überhitzt oder dessen Dampf über­ hitzt wird und das Gemisch einer zweiten Gas­ turbinenstufe zur Entspannung zugeführt wird,
• c) das Abgasgemisch der zweiten Gasturbinenstufe einem Kondensator zugeführt wird, wobei durch die Kondensation gleichzeitig wieder eine Stoff­ trennung herbeigeführt und das Gas dem Verdichter sowie das Arbeitsmedium einem Flüssigkeitssammler und über eine Pumpe dem Vorwärmer oder Verdampfer zugeführt wird.

2. Nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Kondensator mit Luft gekühlt und diese dem Brenner als Verbrennungsluft zugeführt wird.

3. Nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Kondensator ein luftgekühlter Zwischenkühler angeordnet ist und auch diese Luft dem Brenner zugeführt wird.

4. Nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß Kondensator und Zwi­ schenkühler mit Wasser gekühlt werden.

5. Nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorwärmer bzw. Ver­ dampfer dem Gaserhitzer nachgeschaltet ist, so daß die Abgase voll genutzt werden.

6. Nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer eine eigene Wärmequelle hat.

7. Nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle des Vorküh­ lers sowie als Kühlung für den Kondensator ein ORC-Pro­ zeß mit einem bekannten Frigen oder Ammoniak als Ar­ beitsmedium als dritte Turbinenstufe vorgesehen wird.

8. Nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß in die Druckgasleitung zwischen Verdichter und Gaserhitzer ein Steuerventil ein­ gebaut wird, durch welches Druck abgebaut und somit eine Feinsteuerung der Anlage ermöglicht wird.

9. Nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß ein mehrstufiger Ver­ dichter auch mit Zwischenkühlung eingesetzt werden kann.