DE4480944C2

DE4480944C2 - Knallgas-Verbrennungsturbinenanlage

Info

Publication number: DE4480944C2
Application number: DE4480944A
Authority: DE
Inventors: Pyong Sik Pak; Toru Takigawa; Hidetaka Mori; Kiichiro Ogawa
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1994-05-31
Filing date: 1994-05-31
Publication date: 1998-07-23
Anticipated expiration: 2014-06-01
Also published as: DE4480944T1; WO1995033128A1

Description

Diese Erfindung betrifft eine Wasserstoff als Treibstoff und reinen Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendende Turbinenanlage

Fig. 2 zeigt eine herkömmliche Turbinenanlage mit offenem Kreislauf, in der der Vorschaltturbinenkreislauf einen fossilen Brennstoff als Treibstoff und Luft als Oxidationsmittel verwendet.

Insbesondere in Fig. 2 bezeichnet Bezugsziffer 1 einen Verbrennungsraum, wo ein fossiler Brennstoff und Luft aus einem Kompressor 2 zugeführt und verbrannt werden. Das resultierende Verbrennungsgas wird in eine Turbine 3 eingeleitet, wo es einen Generator 4 antreibt. Das Abgas aus der Turbine wird durch einen Wärmetauscher (in diesem Fall ein Abgaskessel 5) geführt und dann in die Atmosphäre abgegeben.

Andererseits wird im Grundkreislauf, in den das Abgas aus dem Gasturbinenkreislauf durch das Medium des Abgaskessels 5 überführt wird, ein extrem heißer Dampf im Abgaskessel 5 erzeugt und dann in einer Expansionsturbine 6 expandiert, um einen Generator 7 anzutreiben. Der expandierte Dampf wird von einem Knallgas-Verbrennungsraum 8 auf Hochtemperatur wiedererhitzt und nochmals in einer Kondensationsturbine 9 expandiert, um einen Generator 10 anzutreiben. Der expandierte Dampf wird in einem Dampfkondensator 11 kondensiert und das daraus resultierende Konzentrat wird mit einer Speisewasserpumpe 12 unter Druck gesetzt und als Speisewasser zum Abgaskessel 5 gefördert.

Da der Gasturbinen-Vorschaltkreislauf der oben beschriebenen herkömmlichen Turbinenanlage ein offener Kreislauf ist, der der Atmosphäre Luft entnimmt und das Abgas in die Atmosphäre abgibt, kann dennoch nicht die gesamte Abgaswärme aus dem Gasturbinenkreislauf zum Grundkreislauf übertragen werden. Daher wird, aufgrund der Ausbildung als offener Kreislauf, die Energie (sensible Wärme), die vom Ausgangsabgas aus dem Abgaskessel aufgenommen wird, nicht effektiv genutzt, so daß aus der Sicht des thermischen Wirkungsgrades ein großer Verlust erzeugt worden ist.

Die Offenlegungsschriften US 4 148 185, JP 48-36533 und JP 56-50104 offenbaren Turbinenanfagen, die ausschließlich Wasserstoff und Sauerstoff zur Energiegewinnung nutzen. Es handelt sich bei diesen Anlagen um offene Systeme, so daß auch diese Anlagen keinen optimalen Wirkungsgrad aufweisen. Das Patent-Abstract of Japan M-1560 February 15, 1994 Vol. 18/No. 90 beschreibt ein Verfahren zur Rückgewinnung des nicht verbrannten Wasserstoffgases, um die Energieausbeute zu erhöhen.

Die vorliegende Erfindung ist gemacht worden, um dieses Problem des Standes der Technik zu lösen und es ist deren Aufgabe, eine Turbinenanlage zu schaffen, in der das gesamte Abgas vom Gasturbinen-Vorschaltkreislauf zum Grundkreislauf übertragen werden kann, um den gesamten Wirkungsgrad (beispielsweise den Wirkungsgrad des Vorschaltkreislaufes und des Grundkreislaufes) zu verbessern.

Um das oben beschriebene Problem zu lösen, betrifft die vorliegende Erfindung eine Turbinenanlage, die Wasserstoff als Treibstoff und reinen Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet, welche einen einen Vorschaltkreis bildenden geschlossenen Gasturbinenkreislauf aufweist, der einen Kompressor, einen Knallgas-Verbrennungsraum und eine Turbine umfaßt, und welche einen Wärmetauscher, der zwischen dem Turbinenauslaß und dem Kompressoreinlaß des Gasturbinenkreislaufes angeordnet ist, sowie einen eine Expansionsturbine enthaltenden Grundkreislauf, einen Knallgas-Verbrennungsraum, eine Kondensationsturbine und einen Dampfkondensator aufweist, wobei die gesamte Abgaswärme vom Gasturbinenkreislauf durch den Wärmetauscher zum Grundkreislauf übertragen wird und der Dampf, der das Verbrennungsprodukt des Gasturbinenkreislaufes ist, dem System am Einlaß oder Auslaß des Wärmetauschers entzogen und zu einer Kondensationsturbine geleitet wird. Da die oben beschriebenen Mittel der vorliegenden Erfindung gestatten, die Einlaßtemperatur des Kompressors infolge der geschlossenen Kreislaufausbildung des Vorschaltkreislaufes nach Belieben zu wählen, kann die Auslaßgastemperatur des Wärmetauschers an die Einlaßgastemperatur des Kompressors angeglichen werden, d. h. die gesamte Abgaswärme des Gasturbinenkreislaufes kann an den Grundkreislauf abgegeben werden.

Darüber hinaus kann zusätzliche Leistung dadurch erzielt werden, daß dem Dampf, der das Verbrennungsprodukt des Vorschaltkreislaufes ist, erlaubt wird, in einer Kondensationsturbine zu expandieren. Dies bringt rundherum eine Verbesserung in Ausgangsleistung und thermischen Wirkungsgrad. Da der Gasturbinenkreislauf einen geschlossenen Kreislauf bildet, kann zusätzlich der Eingangsdruckpegel dieser Kondensationsturbine grundsätzlich nach Belieben gewählt werden, um dadurch den Freiheitsgrad der Auswahl der Kondensationsturbinen-Ausgangsleistung zu erhöhen.

Wie oben beschrieben, kann in der erfindungsgemäßen, Wasserstoff als Treibstoff und reinen Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendenden Turbinenanlage die gesamte Abgaswärme vom Vorschaltkreislauf durch Überführen des Vorschaltkreislaufes in einen geschlossenen Kreislauf zum Grundkreislauf übertragen werden. Dadurch wird der gesamte Wirkungsgrad (beispielsweise der Wirkungsgrad des Vorschaltkreislaufes und des Grundkreislaufes) verbessert. Darüber hinaus kann zusätzliche Leistung dadurch erzielt werden, daß Dampf aus dem geschlossenen Kreislauf, der ein Verbrennungsprodukt des Vorschaltkreislaufes ist, entzogen wird, und ihm ermöglicht wird, in einer Kondensationsturbine zu expandieren. Dadurch wird der gesamte Wirkungsgrad weiter verbessert.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung, die eine Knallgas-Ver brennungsturbinenanlage gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt; und

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung, die eine herkömmliche Turbinenanlage zeigt.

Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend speziell unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben. Fig. 1 ist eine schematische Darstellung, die eine Knallgas-Verbrennungsturbinenanlage gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. In dieser Figur werden die gleichen Teile, die in Fig. 2 gezeigt sind, durch die gleichen Bezugsziffern bezeichnet und keine sich wiederholenden Erklärungen davon werden darin gegeben.

Wie in Fig. 1 gezeigt, ist die Turbinenanlage der vorliegenden Erfindung derart ausgebildet, daß der Verbrennungsraum im Vorschaltturbinenkreislauf einen Knallgas-Verbrennungsraum 21 aufweist und dieser Gasturbinenkreislauf bildet einen geschlossenen Kreislauf. Als Treibstoff verwendeter Wasserstoff und als Oxidationsmittel verwendeter Sauerstoff treten in das System am Knallgas-Ver brennungsraum 21 des Gasturbinenkreislaufes ein und reagieren, um Dampf zu erzeugen. Dieser Dampf wird aus dem System am Einlaß oder Auslaß (in dieser Ausführungsform der Einlaß) des Abgaskessels 5 entzogen und zu einer Kondensationsturbine 22 geleitet, wo er expandiert wird, um einen Generator 23 anzutreiben. Der Abgasdampf aus der Kondensationsturbine 22 wird in einen Dampfkondensator 24 eingeleitet, wo er zu Wasser kondensiert.

Da die oben beschriebene Anordnung erlaubt, die Eingangstemperatur des Kompressors 2 infolge der geschlossenen Kreislaufausbildung des Vorschaltkreislaufes nach Belieben zu wählen, kann die Auslaßgastemperatur des Abgaskessels 5 an die Einlaßgastemperatur des Kompressors 2 angeglichen werden. Dadurch kann die gesamte Abgaswärme aus dem Gasturbinenkreislauf zum Grundkreislauf übertragen werden. Dadurch wird der gesamte Wirkungsgrad (beispielsweise der Wirkungsgrad des Vorschaltkreislaufes und des Grundkreislaufes) verbessert. Allgemein wird der Wirkungsgrad eines so kombinierten Kreislaufes durch die folgende Gleichung ausgedrückt.

η_C/C = η_G/T + η_BOT × η_BOILER × (1 - η_G/T)

wobei η_C/C der Wirkungsgrad des kombinierten Kreislaufes ist, η_G/T der Wirkungsgrad des Gasturbinenkreislaufes ist, η_BOT der Wirkungsgrad des Grundkreislaufes ist, und η_BOILER der Wirkungsgrad des Kessels ist.

Dann ergibt ein offener Kreislauf einen üblichen η_BOILER-Wert von etwa 0,8, während ein geschlossener Kreislauf einen η_BOILER-Wert von 1,0 ergibt. Demzufolge wird der Gesamtwirkungsgrad (d. h. der Wirkungsgrad des kombinierten Kreislaufes) verbessert.

Darüber hinaus kann durch Ermöglichen das Dampfes, der ein Verbrennungsprodukt des Vorschaltkreislaufes ist, in der Kondensationsturbine 22 zu expandieren, zusätzliche Leistung erzielt werden. Dies bringt rundherum eine Verbesserung in der Ausgangsleistung und im thermischen Wirkungsgrad. Da der Gasturbinenkreislauf einen geschlossenen Kreislauf bildet, kann zusätzlich der Eingangsdruckpegel dieser Kondensationsturbine 22 grundsätzlich nach Belieben gewählt werden, um den Freiheitsgrad der Auswahl der Kondensationsturbinen-Ausgangsleistung zu erhöhen.

Darüber hinaus sind im allgemeinen in einer Knallgas-Ver brennungsturbinenanlage der Vorschalt- und Grundkreislauf als Einheit miteinander verbunden und ein hoher Genauigkeitsgrad in der Verbrennungssteuerung ist erforderlich, da ein hoher Wirkungsgrad von besonderer Bedeutung ist. Daher wird erwartet, daß Schwierigkeiten im Betrieb (einschließlich des Anlassens) und der Steuerung der Turbinenanlage begegnet werden kann. In der vorliegenden Erfindung kann dennoch der Vorschalt- und Grundkreislauf in einer mehr oder weniger getrennten Weise betrieben werden, die aus dieser Sicht zu einer einfachen Betriebsweise führt.

Es ist zu erklären, daß die in Fig. 1 gezeigte Kondensationsturbine 22 nicht notwendigerweise eine unabhängige Kondensationsturbine sein muß. Wenn die Voraussetzungen geschaffen werden, ist es auch möglich, die Kondensationsturbine 9 des Grundkreislaufes gleichzeitig für diesen Zweck zu benutzen.

In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform wird der Dampf, der ein Verbrennungsprodukt des Gasturbinenkreislaufes ist, aus dem System am Einlaß (oder stromaufwärts) des Abgaskessels 5 (dieser Fall wird danach als Beispiel 1 und repräsentiert durch A erläutert) entzogen. Wie durch eine Strich-Punkt-Strich linie dargestellt, kann dennoch der Dampf auch aus dem System am Auslaß (oder stromabwärts) des Abgaskessels 5 entzogen und zu einer Kondensationsturbine geleitet werden (dieser Fall wird danach als Beispiel 2 und repräsentiert durch B erläutert).

Wenn der Systemwirkungsgrad berücksichtigt wird, ist trotzdem die Feuchtigkeit des Auslaßdampfes aus der Kondensationsturbine und dergleichen von Beispiel 1 besser als von Beispiel 2. Die Ergebnisse einiger Versuchsberechnungen von deren Wirkungsgraden η sind in der Tabelle 1 unten zusammen mit dem Vergleichsbeispiel dargestellt (z. B. der Fall, in dem der Abgasdampf aus dem Vorschaltkreislauf nicht genutzt wird, wie durch eine Strich-Punktlinie gezeigt und repräsentiert durch C).

In Tabelle 1 ist L₁ die Ausgangsleistung der Gasturbine 3, L₂ ist die Ausgangsleistung der Expansionsturbine 6, L₃ ist die Ausgangsleistung der Kondensationsturbine 9, L₄ ist die Ausgangsleistung der Kondensationsturbine 22, G_f1 ist die Menge von H₂O aus dem Treibstoff des Knallgas-Ver brennungsraumes 21 und G_f2 ist die Menge von H₂O aus dem Treibstoff des Knallgas-Verbrennungsraumes 8.

VERGLEICH

Aus der Tabelle 1 kann ersehen werden, daß, in den Beispielen 1 und 2 der vorliegenden Erfindung, der Anlagenwirkungsgrad η_HHV (basierend auf der Generatorausgangsleistung) um etwa 4% im Vergleich mit dem Vergleichsbeispiel gesteigert wird. Darüber hinaus wird Beispiel 1 gegenüber Beispiel 2 verbessert, weil letzteres den Nachteil hat, daß hoher Naßdampf erhalten wird, weil gesättigter Dampf in der Abgasdampf verwendenden Turbine expandiert wird.

Wie oben beschrieben, ist die erfindungsgemäße Knallgas-Ver brennungsturbinenanlage für industrielle Zwecke nützlich, da die gesamte Abgaswärme aus dem Vorschaltkreislauf durch Überführen des Vorschaltkreislaufes in einen geschlossenen Kreislauf zum Grundkreislauf übertragen werden kann, was rundherum eine Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades mit sich bringt. Darüber hinaus ist die Knallgas-Ver brennungsturbinenanlage der vorliegenden Erfindung insofern für industrielle Zwecke sehr nützlich, als daß zusätzliche Leistung dadurch erzielt werden kann, daß der Dampf, der das Verbrennungsprodukt des Vorschaltkreislaufes ist, aus dem geschlossenen Kreislauf entzogen wird und ihm ermöglicht wird, in einer Kondensationsturbine zu expandieren, was rundherum eine weitere Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades mit sich bringt.

Claims

Knallgas-Verbrennungsturbinenanlage, die Wasserstoff als Treibstoff und reinen Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet, mit einem einen Vorschaltkreislauf bildenden geschlossenen Gasturbinenkreislauf, der einen Kompressor (2), einen Knallgas-Verbrennungsraum (21) und eine Turbine (3) aufweist, einem Wärmetauscher (5), der zwischen dem Turbinenauslaß und dem Kompressoreinlaß des Gasturbinenkreislaufes angeordnet ist und einem eine Expansionsturbine (6) enthaltenden Grundkreislauf, einem Knallgas-Verbrennungsraum (8), einer Kondensationsturbine (9) und einem Dampfkondensator (11), wobei die gesamte Abgaswärme vom Gasturbinenkreislauf durch den Wärmetauscher (5) zum Grundkreislauf übertragen wird und der Dampf, der das Verbrennungsprodukt des Gasturbinenkreislaufs ist, dem System am Einlaß oder Auslaß des Wärmetauschers entzogen und zu einer Kondensationsturbine (22) geleitet wird.