DE4329585A1 - Gas turbine heating/refrigerating unit-type power station - Google Patents

Gas turbine heating/refrigerating unit-type power station

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Abstract

The invention relates to a gas turbine heating/refrigerating unit-type power station for realising a total energy assembly. As a matter of priority, the cold is generated by a cold air refrigerating machine which is driven by the exhaust gas of an open gas turbine plant which is fitted with a thermal regenerator. By comparison with unit-type heating/refrigerating power stations having gas engines or diesel engines, in the gas turbine plant the entire exhaust gas mass flow is available for driving the cold air refrigerating machine. Consequently, with regard to the very low overall volume, the low overall mass and the environmentally friendliest coolant i.e. air, the machine has the advantage of being used to generate cold in a total energy assembly which is not connected to high-power heat engines. This means that it can also be very advantageously used in particular in mobile unit-type heating/refrigerating power stations such as, eg, on ships.

Description

Die Erfindung betrifft eine mit einer Kaltluft-Kälte­ maschine und Wärmeübertragern gekoppelte offene Gastur­ binenanlage, so daß gleichzeitig elektrische, Heiz- und Kälteenergie erzeugt werden können.The invention relates to one with cold air cooling machine and heat exchanger coupled open gas Binenanlage, so that electrical, heating and Cold energy can be generated.

Es ist bekannt, daß entsprechend dem Stand der Technik mit Wärmekraftmaschinen (Diesel- und Gasmotoren, Gasturbinen­ anlagen) neben mechanischer oder elektrischer Energie bei Nutzung der durch die Motorkühlung und/oder der mit dem Abgas anfallenden Energie auch noch gleichzeitig Heiz- und Kälteenergie erzeugt werden, womit ein sogenannter Total­ energieverbund realisiert wird.It is known that according to the prior art Heat engines (diesel and gas engines, gas turbines plants) in addition to mechanical or electrical energy Use of the through the engine cooling and / or with the Exhaust gas energy at the same time heating and Refrigeration energy is generated, making a so-called total energy network is realized.

Nach dem Vorschlag in P 41 06 046.6 wird mit überschüssi­ gem Abgas eines aufgeladenen Verbrennungsmotors eine Kaltluft-Kältemaschine angetrieben. Während der gesamte Abgasmassestrom zur Bereitstellung von Heizenergie genutzt werden kann, steht für die Kälteerzeugung nur der Teil des Abgasmassestromes zur Verfügung, der zum Aufladen des Motors nicht benötigt wird. Die Bereitstellung größerer Kälteleistungen ist somit an Motoren großer Leistungen gebunden.According to the proposal in P 41 06 046.6, surplus is used according to the exhaust gas of a supercharged internal combustion engine Cold air chiller driven. Throughout the whole Exhaust gas mass flow used to provide heating energy only part of the refrigeration system is available Exhaust gas mass flow available to charge the Motors is not needed. The provision of larger Cooling capacities are therefore great on motors bound.

Des weiteren ist der Stand der Technik beim Realisieren eines Totalenergieverbundes dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme des Kühlwassers und des Abgasmassestromes von Verbrennungsmotoren sowohl zur Heizenergiegewinnung als auch zum Erzeugen von Kälte mit Absorptionskältemaschinen genutzt wird, die jedoch zu den bekannten großen Bauvolu­ mina und -massen solcher Anlagen beiträgt. Furthermore, the state of the art in realizing of a total energy network, characterized in that the heat of the cooling water and the exhaust gas mass flow from Internal combustion engines both for heat energy generation and also for generating cold with absorption chillers is used, however, to the well-known large Bauvolu mina and masses of such systems contribute.  

Ziel der Erfindung ist es, ein Block-Heiz-Kälte-Kraftwerk kleinen Bauvolumens und geringer Baumasse zu entwickeln, mit dem der gesamte Abgasmassestrom der Wärmekraftmaschine zum Erzeugen von Kälte- und Heizenergie in hohem Maße energiesparend und ökologisch genutzt werden kann.The aim of the invention is a block-heating-cooling power plant to develop small building volumes and small building dimensions, with which the entire exhaust gas mass flow of the heat engine for the generation of cooling and heating energy to a high degree can be used in an energy-saving and ecological way.

Der Erfindung liegt dabei die Aufgabe zugrunde, eine leicht und klein bauende Wärmekraftmaschine mit einer ebenfalls leicht und klein bauenden Kältemaschine, die mit einem in hohem Maße umweltfreundlichen Kältemittel arbei­ tet, und alternativ auch mit einer Absorptionskälte­ maschine so zu koppeln, daß der gesamte oder auch nur ein Teil des Abgasmassestromes zur Erzeugung von Heiz- und Kälteenergie oder auch zur thermischen Regeneration der Wärmekraftmaschine so genutzt wird, daß problemlos auf unterschiedliche Anforderungen von seiten des Heiz- und Kältebedarfs eines Versorgungsgebietes reagiert werden kann.The invention is based on the object light and small heat engine with one also lightweight and small chiller that works with a highly environmentally friendly refrigerant tet, and alternatively also with absorption cooling to couple the machine so that all or just one Part of the exhaust gas mass flow for the generation of heating and Cold energy or also for thermal regeneration of the Heat engine is used so that easily different requirements on the part of heating and Cooling needs of a supply area are reacted to can.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß eine offene Gasturbinenanlage, die mit einem thermischen Generator ausgerüstet ist, mit einer mit dem Abgas der Gasturbine angetriebenen Kaltluft- und alternativ gleich­ zeitig auch mit einer Absorptionskältemaschine und mit Wärmeübertragern, in denen das Abgas und die in den Luft­ verdichtern der Kaltluftkältemaschine erwärmte Luft abge­ kühlt und zur Heizenergiebereitstellung genutzt wird, so gekoppelt ist, daß einerseits der gesamte Abgasmassestrom zum Erzeugen von Kälte- oder Heizenergie zur Verfügung steht, andererseits aber auch problemlos auf einen ständig wechselnden Bedarf dieser Energieformen reagiert werden kann, wenn die für diese Energieformen nicht benötigte Abgasenergie zur Gewährleistung hoher Wirkungsgrade auch im Teillastbereich des Gasturbinen-Heiz-Kälte-Blockkraft­ werkes im Regenerator der Gasturbinen-Anlage energiewirt­ schaftlich stets optimal ausgenutzt wird.According to the invention this object is achieved in that an open gas turbine plant with a thermal Is equipped with one with the exhaust gas Gas turbine driven cold air and alternatively the same in time with an absorption chiller and with Heat exchangers in which the exhaust gas and those in the air compress the warmed air from the cold air chiller cools and is used to provide heating energy, so is coupled that on the one hand the entire exhaust gas mass flow for generating cooling or heating energy stands, but on the other hand without problems at all times changing needs of these forms of energy can be reacted to can, if the one not needed for these forms of energy Exhaust gas energy to ensure high levels of efficiency too  in the partial load range of the gas turbine heating-cooling block force plants in the regenerator of the gas turbine plant is always optimally exploited.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungs­ beispieles entsprechend Fig. 1 und Fig. 2 näher erläutert werden.The invention will be explained below with reference to an embodiment example according to FIG. 1 and FIG. 2.

Die offene Gasturbinen-Anlage nach Fig. 1 - bestehend aus Luftverdichter 1, Regenerator 2, Brennkammer 3, Gasturbine 4, Generator 5 und Abgasreinigungssystem 6 - treibt mit dem über das Ventil 7 regelbaren Abgasmassestrom eine Kaltluft-Kältemaschine an. Diese besteht aus der Abgasent­ spannungsturbine 8, zwei Luftverdichtern 9 und 10, einem Luftkühler 11, einer Luftentspannungsturbine 12 sowie alternativ aus einem Wärmeübertrager 13, mit dem nach Erreichen eines stationären Betriebszustandes durch Abschalten der Außenluftzufuhr 14 mit dem Dreiwegeventil 15 ein geschlossener Kaltluft-Prozeß realisiert wird. Die Abgasentspannungsturbine 8 treibt den Luftverdichter 9 an, mit dem sie auf einer Welle angeordnet ist. Dieser saugt Außenluft 14 oder im geschlossenen Prozeß zirkulierende Luft 16 an und verdichtet sie auf den maximalen Prozeß­ druck der Kaltluft-Kältemaschine, wobei diese sich erwärmt. Im Luftkühler 11 wird sie zurückgekühlt und anschließend in der Luftentspannungsturbine 12 auf den minimalen Prozeßdruck entspannt, wobei die Luft abgekühlt und im Wärmeübertrager 13 alternativ zum Herunterkühlen einer Kühlsole 17 genutzt wird. Die Luftentspannungs­ turbine 12 treibt den Luftverdichter 10 an, mit dem sie auf einer Welle angeordnet ist. Dieser saugt wie der Luft­ verdichter 9 Außenluft 14 oder im geschlossenen Prozeß zirkulierende Luft 16 an, die gesteuert über das Druck­ ventil 18 auf den auch mit dem Druckventil 19 eingestell­ ten maximalen Prozeßdruck verdichtet wird und den vom Ver­ dichter 9 geförderten Luftmassestrom solange ergänzt, bis ein stationärer Betriebszustand erreicht ist. In diesem Zustand wird der Gesamtluftmassestrom 16 in dem Kühler 11 heruntergekühlt, in der Luftentspannungsturbine 12 ent­ spannt und weiter abgekühlt, so daß im Wärmeübertrager 13 durch Abkühlen der Kühlsole 17 eine gewünschte Kälteener­ gie bereitgestellt wird. Der in der Abgasturbine 8 ent­ spannte Abgasmassestrom wird im Abgaswärmeübertrager 20 durch Erwärmen eines Heizenergieträgers 21 abgekühlt, womit ein Teil der Heizenergie bereitgestellt wird. Weitere Heizenergie kann mit dem Luftkühler 11 durch Abkühlen der verdichteten Luft über einen Heizenergie­ träger 22 zur Verfügung gestellt werden. Wird keine Heiz­ energie benötigt, umgeht der aus der Abgasturbine 8 aus­ tretende Abgasmassestrom mit Hilfe des Vierwegeventils 23 den Abgaswärmeübertrager 20 und wird über den Regenerator 2, in dem die Vorwärmung der in Verdichter 1 verdichteten Luft erfolgt, und aber das Abgasreinigungssystem 6 ins Freie abgeblasen. Sobald keine Kälteenergie benötigt wird, kann bei geschlossenem Ventil 7 und in Richtung Abgas­ wärmeübertrager 20 geöffnetem Vierwegeventil 23 der Abgas­ massestrom der Gasturbine 4 vollständig zur Heizenergie­ erzeugung genutzt werden. Eine Herabsetzung der Heizener­ giebereitstellung ist gegeben, indem der Abgaswärmeüber­ trager 20 und somit auch der Regenerator 2 mit entsprech­ enden Anteilen des Abgases beaufschlagt werden.The open gas turbine plant according to Fig. 1 - consisting of air compressor 1, the regenerator 2, combustion chamber 3, the gas turbine 4, generator 5 and exhaust gas purification system 6 - drives the controllable via the valve 7 exhaust gas mass flow to a cold air cooling machine. This consists of the exhaust gas turbine 8 , two air compressors 9 and 10 , an air cooler 11 , an air turbine 12 and alternatively a heat exchanger 13 with which, after reaching a steady operating state by switching off the outside air supply 14 with the three-way valve 15, a closed cold air process is realized becomes. The exhaust gas relaxation turbine 8 drives the air compressor 9 , with which it is arranged on a shaft. This sucks in outside air 14 or circulating air 16 in the closed process and compresses it to the maximum process pressure of the cold air refrigerator, which heats up. It is cooled back in the air cooler 11 and then expanded to the minimum process pressure in the air expansion turbine 12 , the air being cooled and used in the heat exchanger 13 as an alternative for cooling a cooling brine 17 . The air expansion turbine 12 drives the air compressor 10 with which it is arranged on a shaft. This sucks like the air compressor 9 outside air 14 or in the closed process circulating air 16 , which is compressed by the pressure valve 18 compressed to the maximum process pressure set with the pressure valve 19 and the compressor 9 promoted by the air mass flow until added a steady operating state is reached. In this state, the total air mass flow 16 is cooled down in the cooler 11 , ent in the air expansion turbine 12 and further cooled, so that a desired cooling energy is provided in the heat exchanger 13 by cooling the cooling brine 17 . The exhaust gas mass flow ent tensioned in the exhaust gas turbine 8 is cooled in the exhaust gas heat exchanger 20 by heating a heating energy carrier 21 , whereby part of the heating energy is provided. Additional heating energy can be provided with the air cooler 11 by cooling the compressed air via a heating energy carrier 22 . If no heating energy is required, the exhaust gas mass flow escaping from the exhaust gas turbine 8 by means of the four-way valve 23 bypasses the exhaust gas heat exchanger 20 and is blown off into the open via the regenerator 2 , in which the air compressed in the compressor 1 is preheated, and the exhaust gas cleaning system 6 . As soon as no cooling energy is required, with the valve 7 closed and in the direction of the exhaust gas heat exchanger 20 , the four-way valve 23 opened, the exhaust gas mass flow of the gas turbine 4 can be used completely for heating energy generation. The heating supply is reduced by providing the exhaust gas heat exchanger 20 and thus the regenerator 2 with corresponding proportions of the exhaust gas.

Fig. 2 zeigt die Kopplung einer Kaltluft- mit einer Absorptionskältemaschine 26, die das Abgas der Gasturbine 4 ausschließlich zur Kälteerzeugung nutzen. Nachdem in der Abgasturbine 8 das Druckpotential des Abgasmassestromes zum Antrieb des Luftverdichters 9 und damit zum Antrieb der Kaltluft-Kältemaschine abgebaut worden ist, wird er mit nahezu Umgebungsdruck über ein Dreiwegeventil 25 der Absorptionskältemaschine 26 zur Bereitstellung von Kälteenergie zugeführt, indem alternativ eine weitere Kühlsole 27 herabgekühlt wird. Der somit energetisch maximal abgekühlte Abgasmassestrom der Gasturbine 4 wird über das Dreiwegeventil 24 und über das Abgasreinigungs­ system 6 an die Umgebung abgeführt. Fig. 2 shows the coupling of a cold air with an absorption refrigerator 26 , which use the exhaust gas of the gas turbine 4 exclusively for cooling. After the pressure potential of the exhaust gas mass flow for driving the air compressor 9 and thus for driving the cold air refrigeration machine has been reduced in the exhaust gas turbine 8 , it is supplied with almost ambient pressure via a three-way valve 25 to the absorption refrigeration machine 26 in order to provide cooling energy by alternatively using a further cooling brine 27 is cooled down. The exhaust gas mass flow of the gas turbine 4 , which is thus cooled in terms of energy, is discharged to the environment via the three-way valve 24 and the exhaust gas purification system 6 .

BezugszeichenlisteReference list

1 Luftverdichter der Gasturbinenanlage
2 Regenerator
3 Brennkammer
4 Gasturbine
5 Generator
6 Abgasreinigungssystem
7 Regelventil
8 Abgasturbine
9 Luftverdichter der Kaltluft-Kältemaschine
10 Luftverdichter der Kaltluft-Kältemaschine
11 Luftkühler
12 Luftentspannungsturbine
13 Wärmeübertrager
14 Außenluft
15 Dreiwegeventil
16 zirkulierende Luft
17 Kühlsole (Kaltluft-Kältemaschine)
18 Druckventil
19 Druckventil
20 Abgaswärmeübertrager
21 Heizenergieträger (Abgaswärmeübertrager)
22 Heizenergieträger (Luftkühler)
23 Vierwegeventil
24 Dreiwegeventil
25 Dreiwegeventil
26 Absorptionskältemaschine
27 Kühlsole (Absorptionskältemaschine) 1 air compressor of the gas turbine system
2 regenerator
3 combustion chamber
4 gas turbine
5 generator
6 Emission control system
7 control valve
8 exhaust gas turbine
9 air compressors of the cold air chiller
10 air compressors of the cold air chiller
11 air coolers
12 air relaxation turbine
13 heat exchangers
14 outside air
15 three-way valve
16 circulating air
17 cooling brine (cold air chiller)
18 pressure valve
19 pressure valve
20 exhaust gas heat exchangers
21 heating energy sources (exhaust gas heat exchangers)
22 heating energy sources (air coolers)
23 four-way valve
24 three-way valve
25 three-way valve
26 absorption chiller
27 cooling brine (absorption chiller)

Claims (4)

1. Gasturbinen-Heiz-Kälte-Blockkraftwerk, gekennzeichnet dadurch, daß eine offene Gasturbinen-Anlage - bestehend aus Luftverdichter (1), Regenerator (2), Brennkammer (3), Gasturbine (4) und Generator (5) - mit einer Kaltluft- Kältemaschine - bestehend aus einer Abgasturbine (8), zwei Luftverdichtern (9 und 10), einem Luftkühler (11), einer Luftentspannungsturbine (12), einem Wärmeübertrager (13) - und mit einem der Abgasturbine (8) nachgeschalteten Abgaswärmeübertrager (20) so gekoppelt ist, daß neben elektrischer Energie mit dem Generator (5) mit dem gesamten Abgasmassestrom der Gasturbine (4) in dem der Luftentspannungsturbine (12) nachgeschalteten Wärmeüber­ trager (13) Kälteenergie durch Herunterkühlen einer Kühlsole (17) und in dem Luftkühler (11) der Kaltluft- Kältemaschine sowie in dem der Abgasturbine (8) nach­ geschalteten Abgaswärmeübertrager (20) Heizenergie durch Erwärmen der Heizenergieträger (21 und 22) gleichzeitig erzeugt werden.1. Gas turbine heating-cooling unit, characterized in that an open gas turbine system - consisting of air compressor ( 1 ), regenerator ( 2 ), combustion chamber ( 3 ), gas turbine ( 4 ) and generator ( 5 ) - with a cold air - Chiller - consisting of an exhaust gas turbine ( 8 ), two air compressors ( 9 and 10 ), an air cooler ( 11 ), an air expansion turbine ( 12 ), a heat exchanger ( 13 ) - and an exhaust gas heat exchanger ( 20 ) connected downstream of the exhaust gas turbine ( 8 ) is coupled so that in addition to electrical energy with the generator ( 5 ) with the entire exhaust gas mass flow of the gas turbine ( 4 ) in the downstream of the air expansion turbine ( 12 ) heat exchanger ( 13 ) cooling energy by cooling down a cooling brine ( 17 ) and in the air cooler ( 11 ) the cold air cooling machine and in which the exhaust gas turbine ( 8 ) after connected exhaust gas heat exchanger ( 20 ) heating energy by heating the heating energy carriers ( 21 and 22 ) at the same time be generated. 2. Gasturbinen-Heiz-Kälte-Blockkraftwerk nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Abgasturbine (8) eine Absorptionskältemaschine (26) nachgeschaltet ist und so durch Abkühlen einer Kühlsole (27) bei Bedarf noch zusätzlich Kälteenergie erzeugt wird.2. Gas turbine heating-cooling unit according to claim 1, characterized in that the exhaust gas turbine ( 8 ) is followed by an absorption refrigerator ( 26 ) and so cooling energy is additionally generated by cooling a cooling brine ( 27 ) if required. 3. Gasturbinen-Heiz-Kälte-Blockkraftwerk nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die in der Luftent­ spannungsturbine (12) abgekühlte Luft direkt zum Kühlen oder Klimatisieren verwendet und mit der Absorptions­ kältemaschine (26) eine Kühlsole (27) abgekühlt wird. 3. Gas turbine heating-cooling unit according to claim 1 and 2, characterized in that the in the Luftent voltage turbine ( 12 ) cooled air is used directly for cooling or air conditioning and with the absorption chiller ( 26 ) a cooling brine ( 27 ) is cooled . 4. Gasturbinen-Heiz-Kälte-Blockkraftwerk nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß mit den Ventilen (7, 23, 24 und 25) der Abgasmassestrom der Gasturbine (4) auf die Abgasturbine (8), die Absorptionskältemaschine (26) sowie auf den Abgaswärmeübertrager (20) und Regenerator (2) aufgeteilt wird.4. Gas turbine heating-cooling unit according to claim 1 and 2, characterized in that with the valves ( 7 , 23 , 24 and 25 ) the exhaust gas mass flow of the gas turbine ( 4 ) on the exhaust gas turbine ( 8 ), the absorption refrigerator ( 26 ) and divided between the exhaust gas heat exchanger ( 20 ) and regenerator ( 2 ).
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE19613802B4 (en) * 1996-04-04 2005-10-27 Forschungszentrum Jülich GmbH House or room heating system
CN102398495A (en) * 2010-09-08 2012-04-04 北京航空航天大学 Vehicle-mounted air refrigeration cycle system and method suitable for large vehicles
DE102011087227A1 (en) * 2011-11-28 2013-05-29 Siemens Aktiengesellschaft Block type thermal power station used in industrial field, has heat exchanger that is provided to transfer primary heat flow from housing of gas turbine to building heating system by primary side of heat exchanger

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