DE3619661A1

DE3619661A1 - Offener gasturbinen-prozess im zweistoffverfahren

Info

Publication number: DE3619661A1
Application number: DE19863619661
Authority: DE
Inventors: Artur Richard Greul
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-02-20
Filing date: 1986-06-11
Publication date: 1987-12-17

Description

Die Erfindung betrifft einen offenen Gasturbinen-Prozeß, bestehend aus einem Kreislaufverdichter, einer Brennkammer, einer Kreislaufturbine und einer Arbeitsmaschine, z. B. einem elektrischen Generator.

Bekanntlich unterscheidet man den offenen, den geschlosse nen und den teilgeschlossenen Gasturbinen-Prozeß. Bei einem offenen Gasturbinen-Prozeß wird die Luft aus dem Freien an gesaugt, mit Hilfe eines Verdichters (theoretisch adiabat) verdichtet, anschließend in einer Brennkammer (theoretisch isobar) erhitzt, danach unter Arbeitsleistung in einer Tur bine (theoretisch adiabat) entspannt und nach der Arbeits leistung als Abgas ins Freie abgeblasen.

Die Vorteile eines offenen Gasturbinen-Prozesses sind in der einfachen Schaltung, der direkten Übertragung der Wärme an das Arbeitsmittel, der relativ einfachen Bauweise und der einfachen Regelung durch Änderung der Brennstoffzufuhr zu sehen, während als Nachteil das relativ große Volumen des Arbeitsmittels, die Tatsache, daß praktisch nur flüs sige oder gasförmige Brennstoffe verwendet werden können sowie der beträchtliche Wärmeinhalt der Abgase, der durch seine Ableitung in die Umgebung zu einer unnötigen Ver schlechterung des Wirkungsgrades führt. Aus diesem Grunde wird bei Gasturbinenanlagen der Hauptturbine vorzugsweise ein Arbeitskreisprozeß nachgeschaltet, der seine Energie durch einen als Wärmetauscher ausgebildeten Erhitzer aus den Abgasen der Hauptturbine bezieht.

Dieser Arbeitskreisprozeß ist im allgemeinen als geschlos sener Kreislauf mit einer Arbeitsturbine ausgebildet, die unabhängig von der Hauptturbine oder mit deren Welle ge kuppelt laufen kann. Hierbei stellt sich allgemein das Pro blem, mit geringem Aufwand und möglichst kleinen Aggre gaten eine wirkungsvolle Übertragung von Energie an den Arbeitskreisprozeß zu erreichen.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, Gasturbinenanlagen der eingangs genannten Art so auszugestalten und weiterzubilden, daß bei möglichst ge ringem konstruktiven Aufwand ein besserer Wirkungsgrad er reicht wird.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß als Brennstoff vorzugsweise Alkohole wie Methanol oder Äthanol, Gase wie Methan oder Äthan oder Erdölkondensate, deren physika lische Eigenschaften denen des Alkohols weitgehend ähneln, eingesetzt werden und die entspannten, aber noch energie reichen Abgase der ersten Turbinenstufe einem Druckfusio nator zugeführt werden, in welchem sie mit einem Arbeits medium z. B. Wasser, welches vorgewärmt oder verdampft sein kann, fusionieren, wobei das Arbeitsmedium verdampft und überhitzt oder dessen Dampf überhitzt wird und das Gemisch einer zweiten Gasturbinenstufe zur Entspannung zugeführt wird. Das Abgasgemisch der zweiten Turbinen stufe wird einem Vorkühler und anschließend einem Kon densator zugeführt und durch die Kondensation eine Pha sentrennung herbeigeführt und das Verbrennungsgas an die Atmosphäre abgegeben und das kondensierte Arbeitsmedium Wasser einem Flüssigkeitssammler zugeführt, wobei überflüssiges, bei der Verbrennung entstehendes Wasser, abgeführt werden muß. Das Arbeitsmedium wird von einer Pumpe in den Vorkühler sowie den Kondensator als Kühl mittel geleitet, übernimmt Wärme und wird dann dem Fusionator zugeführt.

Der erfindungsgemäße Prozeß hat gegenüber dem normalen, offenen Prozeß den Vorteil, daß er durch die Fusion weit gehend ohne Wärmetauscher zwischen den Gasströmen aus kommt und damit ein besserer Wirkungsgrad erzielt werden kann. Eine Vergrößerung des spezifischen Arbeitsvermö gens mit den bisher besprochenen Prozeßabläufen ist dann möglich, wenn man die Temperatur und gleichzeitig das Druckverhältnis weiter erhöht. Um bei Industrie-Gastur binenanlagen größere Leistungen auch bei Prozeßtempera turen von 950°C zu erreichen, wird eine wärmetechnisch günstige Schaltung mit Zwischenkühlung und Zusatzerhit zung des Arbeitsmittels ausgeführt.

Das Gesamtdruckverhältnis wird erhöht und auf zwei mehr stufige Verdichter verteilt. Zwischen beiden Verdichtern wird die Luft möglichst weit zurückgekühlt. Nach der Brennkammer kommt die Luft auf die zulässige Prozeß temperatur. Es folgt die Entspannung des Gesamtdruck verhältnisses in der ersten Turbinenstufe. Das Abgas wird im Fusionator mit dem Arbeitsmedium fusioniert und mit erhöhtem Gesamtdruck in der zweiten Turbine verar beitet. In diesem Fall ist der Fusionator anstelle einer zweiten Brennkammer angeordnet.

Sehr vorteilhaft wirkt es sich auf den Gesamtwirkungsgrad aus, wenn die Verdampfung des Arbeitsmediums durch eine externe Wärmequelle vorgenommen werden kann. Dies wird aber auch durch die zusätzliche Aufheizung der Abgase hin ter der ersten Turbine durch zusätzliche Zugabe von Brenn stoff erreicht, wodurch eine extreme Leistungssteigerung möglich ist.

Ein Problem ist die Verschmutzung des Arbeitsmediums durch Stickoxide, aber auch Kohlenwasserstoffe, Ruß, Asche etc., wenn andere Treibstoffe verwandt werden z. B. Kerosin, Roh öl etc., was natürlich auch möglich ist. Zur vorbeugenden Sicherung ist der Einbau eines Katalysators hinter der er sten Turbinenstufe, aber nach der Einspritzstelle für den Zusatzbrennstoff, möglich. Die wirkungsvollste Lösung ist die Anordnung einer Aufbereitungsvorrichtung für das Kon densat, in welcher durch Filtration oder Neutralisation das Arbeitsmedium aufbereitet wird.

Die Zeichnung zeigt ein Fließschema des Prozesses, wobei alle in der Figurenbeschreibung enthaltenen Merkmale als erfin dungswesentlich angesehen werden. Es bedeuten im einzelnen:

31 Verdichter, 32 Druckleitung, 33 Katalysator, 34 Brenn kammer, 35 Heißgas-Druckleitung, 36 erste Turbinenstufe, 37 entspannte Gase, 38 Fusionator, 39 Gasgemisch-Drucklei tung, 40 zweite Turbinenstufe, 41 Generator, 42 Anwurf motor, 43 Abgasleitung, 44 Vorkühler, 45 Kondensator, 46 Aufbereitungsvorrichtung, 47 Phasentrennung, 48 Flüs sigkeitssammler, 49 Ansaugluft, 50 Pumpe, 51 Flüssigkeits- Druckleitung, 52 Zusatzbrennstoff, 53 Brennstoffzuführung, 54 Abgase, 55 Kondensatleitung, 58 Zuleitung zum Konden sator.

Claims

1. Offener Gasturbinen-Prozeß, welcher mit flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen direkt beheizt wird, in dem Luft von einem Verdichter angesaugt, ver dichtet und in einer Brennkammer durch Zugabe eines der oben genannten Brennstoffe erhitzt und in einer ersten Turbinenstufe entspannt wird, dadurch gekennzeichnet, daß

- als Brennstoff vorzugsweise Alkohole wie Metha nol oder Äthanol, Gase wie Methan oder Äthan oder Erdölkondensate, deren physikalische Eigenschaf ten denen des Alkohols weitgehend ähneln, einge setzt werden,
- die entspannten, aber noch energiereichen Abgase der ersten Turbinenstufe einem Druckfusionator zugeführt werden, in welchem sie mit einem Arbeits medium z. B. Wasser, welches vorgewärmt oer ver dampft sein kann, fusionieren, wobei das Arbeits medium verdampft und überhitzt oder dessen Dampf überhitzt wird und das Gemisch einer zweiten Gasturbinenstufe zur Entspannung zugeführt wird,
- das Abgasgemisch der zweiten Turbinenstufe einem Vorkühler und anschließend einem Kondensator zu geführt und durch die Kondensation eine Phasen trennung herbeigeführt wird,
- das Verbrennungsgas an die Atmosphäre abgegeben und das kondensierte Arbeitsmedium Wasser einem Flüssigkeitsammler zu geführt wird, wobei überflüssiges, bei der Ver brennung entstehendes Wasser, abgeführt werden muß,
- das Arbeitsmedium von einer Pumpe in den Vorkühler sowie Kondensator als Kühlmittel geleitet, Wärme übernimmt und dann dem Fusionator zugeführt wird.

2. Nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß ein mehrstufiger Verdichter, mit Zwi schenkühlung durch Wasser oder Luft, eingesetzt wird.

3. Nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Verdampfung des Arbeitsmediums durch eine getrennte Wärmequelle vorgenommen werden kann.

4. Nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß kontinuierlich, diskontinuierlich oder sporadisch bei Bedarf den Abgasen Brennstoff zuge führt wird, um die Temperatur derselben zu erhöhen.

5. Nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Abgase hinter der ersten Gasturbinen stufe durch einen Katalysator geführt werden, um ge bildete Stickoxide etc. zu reduzieren.

6. Nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß das Kondensat einer Aufbereitung (Fil tration, Neutralisation etc.) unterworfen wird, was hauptsächlich dann von Wichtigkeit ist, wenn andere flüssige oder gasförmige Brennstoffe, als vorher be nannt, Verwendung finden.