DE69931548T2

DE69931548T2 - Turbinenanlage

Info

Publication number: DE69931548T2
Application number: DE69931548T
Authority: DE
Inventors: c/o Takasago R & D Center Hideaki Arai-cho Takasago-shi Sugishita; c/o Takasago R & D Center Hidetaka Arai-cho Takasago-shi Mori; c/o Takasago Machinery Works Ichiro Arai-cho Takasago-shi Fukue; c/o Takasago Machinery Works Kazuo Arai-cho Takasago-shi Uematsu
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1998-04-07
Filing date: 1999-03-30
Publication date: 2007-05-10
Anticipated expiration: 2019-03-31
Also published as: DE69931548D1; US6430916B2; US20010023580A1; CA2267687A1; CA2267687C; EP0949405A2; EP0949405A3; EP0949405B1; US20020095931A1; US6260348B1; US6536205B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Turbinenkraftwerk, das fossilen Brennstoff, wie z.B. Methanol und dergleichen verwendet.
Beschreibung des Standes der Technik
9 ist eine diagrammartige Ansicht eines vorbekannten Kombikraftwerks, das reinen Sauerstoff als Oxidationsmittel undMethan als Brennstoff einsetzt, und das von dem technischen Institut Graz offenbart wurde. In der Figur bezeichnet die Bezugsziffer 1 einen Kompressor, der ein Gasgemisch aus Dampf und Kohlendioxid als Arbeitsfluid auf einen Druck komprimiert, der von einer Gesamtsystem-Optimierungsstudie festgelegt wird. Die Bezugsziffer 2 bezeichnet eine Brennkammer, die mit Sauerstoff versorgt wird, der für eine äquivalente Verbrennung des Methans als Brennstoff benötigt wird, um ein Hochtemperatur-Hochdruck-Verbrennungsgas zu erzeugen, wobei die Komponenten des Verbrennungsgases Kohlendioxid und Dampf sind. Die Bezugsziffer 3 bezeichnet eine Hochtemperaturturbine, die das Hochtemperatur-Hochdruck-Verbrennungsgas expandieren lässt, um Arbeitsleistung zu erhalten. Die Bezugsziffern 4, 5 bezeichnen jeweils Wärmetauscher, wobei Kondenswasser, das in einem Grundsystem (bottoming system) aus einem Abgas der Hochtemperaturturbine 3, das an einem Mittelpunkt zwischen den Wärmetauschern 4, 5 extrahiert wird, an den Wärmetauschern 4, 5 erhitzt wird, um einen Hochtemperatur-Hochdruck-Dampf zu erzeugen. Die Bezugsziffer 6 bezeichnet eine Hochdruckturbine, die den an den Wärmetauschern 4, 5 erzeugten Hochtemperatur-Hochdruck-Dampf annähernd auf einem Einlassdruck der Brennkammer 2 expandiert, um Arbeitsleistung zu erhalten, und auch den so expandierten Dampf zur Mischung in einen Einlass der Brennkammer 2 zu leiten.
Der verbleibende Abdampf der Hochtemperaturturbine 3, der die Wärmetauscher 4, 5 passiert hat, wobei seine Temperatur gesenkt wurde, kehrt zu einem Einlass des Kompressors 1 zurück.
Die Bezugsziffer 7 bezeichnet eine Niederdruckturbine, die das am Mittelpunkt zwischen den Wärmetauschern 4, 5 extrahierte Verbrennungsgas annähernd zu einem Vakuum expandiert, um Arbeitsleistung zu erhalten. Die Bezugsziffer 8 bezeichnet einen Kohlendioxidkompressor (Vakuumpumpe), der das die Gesamtmenge des an der Brennkammer 2 erzeugten Kohlendioxids enthaltenden Gasgemischs annähernd auf den atmosphärischen Druck komprimiert, um dadurch das Kohlendioxid als bei der Verbrennung erzeugtes Produkt aus dem System auszutragen. Die Bezugsziffer 9 bezeichnet einen Kondensator, in dem ein Auslassgas der Niederdruckturbine 7, das durch den Kohlendioxidkompressor (Vakuumpumpe) 8 im Druck reduziert wurde, durch Meerwasser oder dergleichen einem Wärmeaustausch unterzogen wird, um seine Temperatur zu senken, so dass der Dampf verflüssigt wird. Das verflüssigte Wasser wird durch eine Druckpumpe 10 beaufschlagt, um in die Wärmetauscher 4, 5 eingespeist zu werden und dadurch zu dem Hochtemperatur-Hochdruck-Dampf zu werden. Der Dampf als das durch die Verbrennung erzeugte Produkt, der an der Niederdruckturbine 7 expandiert ist, wird großteils zu Wasser am Kondensator 9 verflüssigt, und sein verbleibender Teil wird in dem Prozess der Komprimierung durch die Vakuumpumpe 8 annähernd auf den atmosphärischen Druck zu einem Drainageprodukt, das aus dem System ausgetragen wird.
In dem vorbekannten Kombikraftwerk nach obiger Beschreibung wird das Hochtemperatur-Verbrennungsgas mit den Komponenten von Kohlendioxid und Dampf mittels Methan als Brennstoff und mittels Sauerstoff erhalten, es ist aber auch möglich, Methanol (CH₃OH)-Brennstoff oder andere fossile Brennstoffe einzusetzen, wobei in diesem Fall aber ein Problem bestand, dass der Brutto-Wärmewirkungsgrad gering ist. Ein solches Kraftwerk ist im Dokument WO 97/44574 beschrieben.
JP 04191418A offenbart ein Turbinenkraftwerk mit einem Kompressor, einer Brennkammer und einer Gasturbine. Die Brennkammer wird mit reinem O₂ versorgt, das durch eine Sauerstoff erzeugende Vorrichtung hergestellt wird, und durch einen separaten Kompressor komprimiert wird, sowie durch CO₂ und einen Brennstoff. Abgas der Gasturbine wird thermisch zur Dampferzeugung in einem Wärmerückgewinnungskessel eingesetzt, durch einen Abgaskondensator gekühlt und zu dem Kompressor als Sauggas zirkuliert.
US-A-5175995 offenbart eine weitere Energieerzeugungsanlage, wobei der der Brennkammer zugeführte Brennstoff darin bei Anwesenheit von Sauerstoff statt Luft verbrannt wird. Ein Turbinenabgas wird einem Abwärmekessel zugeführt, um einen Wärmeaustauschvorgang darin auszuführen, und ein Abgas, das hauptsächlich Wasserkomponenten und Kohlendioxid aus dem Abwärmekessel umfasst, wird in einen Kondensator eingespeist. Die hauptsächlich das Kohlendioxid aufweisende Gaskomponente wird von dem Kondensat in dem Wasser-Gas-Separator getrennt und zurückgeführt, ohne es in die Atmosphäre abzuführen. Die losgetrennte Gaskomponente, die hauptsächlich das Kohlendioxid enthält, wird in einem komprimierten Zustand der Brennkammer zugeführt. Das separate Kondensat wird in den Abwärmekessel eingeleitet, um darin einem Wärmeaustauschvorgang unterzogen zu werden, um einen überhitzten Dampf zu erzeugen, der der Brennkammer zuzuführen ist.
Abriss der Erfindung
In Anbetracht des Problems beim Stand der Technik ist es daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das vorbekannte Kombikraftwerk mittels des Methanbrennstoffs so zu verbessern, dass ein Turbinenkraftwerk, das Methanolbrennstoff oder andere fossile Brennstoffe einsetzt, erhalten wird, wobei dessen thermischer Brutto-Wirkungsgrad gegenüber dem des vorbekannten Kombikraftwerks weiter verbessert wird, und auch die Zuverlässigkeit des Turbinenkraftwerks verbessert wird.
Um diese Aufgabe zu erfüllen, stellt die vorliegende Erfindung das Turbinenkraftwerk bereit, wie es in Anspruch 1, 2 oder 3 definiert ist. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Bei der Erfindung nach Anspruch 1 kann der Reformer das Gemisch von Methanol (CH₃OH) und Wasser (H₂O) zu Wasserstoff (H₂) und Kohlendioxid (CO₂) reformieren, wodurch der thermische Brutto-Wirkungsgrad verbessert wird. Ferner kann der Hochtemperaturabschnitt der Hochtemperaturturbine durch das Hochtemperaturturbinen-Kühlsystem gekühlt werden, wodurch die Zuverlässigkeit der Hochtemperaturturbine verbessert wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der regenerative Wärmetauscher bereitgestellt, wodurch die Brennkammer-Einlassgastemperatur erhöht wird, die Brennstoff-Strömungsrate verringert wird und der thermische Brutto-Wirkungsgrad verbessert wird.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die Niederdruckturbine und der CO₂-Kompressor des Grundsystems eliminiert, wodurch die Aufbaukosten noch mehr gesenkt werden können. Ferner wird die Kompressor-Einlasstemperatur gesenkt und der Energieverbrauch des Kompressors reduziert, wodurch der thermische Brutto-Wirkungsgrad verbessert wird.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Grundsystem ein Wasser-Kondensiersystem und einen CO₂-Kompressor ohne Niederdruckturbine darin, und ist so aufgebaut, dass das kondensierte Wasser aus dem Grundsystem teilweise als Arbeitsfluid in den Einlass des Kompressors geleitet wird, und das Abgas aus der Hochtemperaturturbine nach diesem Wärmeaustausch am Wärmetauscher in einen Kondensator des Grundsystems geleitet wird.
Dadurch wird der Hochtemperaturturbinen-Auslassdruck verringert und die Hochtemperaturturbinen-Auslasstemperatur verringert, wodurch die Kriechdehnungsfestigkeit bzw. die Laufzeit ((anti-creep life)) der Laufschaufel der Endstufe der Hochtemperaturturbine verbessert bzw. verlängert werden kann. Ferner wird die Niederdruckturbine eliminiert, wodurch die Konstruktionskosten verringert werden. Außerdem wird die Kompressor-Einlasstemperatur gesenkt und die Energie bzw. der Energieverbrauch verringert, wodurch der thermische Brutto-Wirkungsgrad verbessert wird.
Bei der Erfindung nach Anspruch 2 umfasst der Kompressor einen Niederdruckkompressor und einen Hochdruckkompressor, wobei das Niederdruckkompressor-Auslassgas eine reduzierte Temperatur und eine reduzierte Druckkraft aufweist, wodurch der thermische Brutto-Wirkungsgrad verbessert wird und die Zuverlässigkeit der Scheibenfestigkeit des Hochdruckkompressor-Auslassabschnitts verbessert wird. Ferner wird die Brennkammer-Einlassgastemperatur gesenkt, wodurch die Zuverlässigkeit des Hochtemperaturabschnitts der Brennkammer verbessert wird. Außerdem wird durch das Hochtemperaturturbinen-Kühlsystem auch die Zuverlässigkeit der Hochtemperaturturbine verbessert. Ferner kann nicht nur der Methanol-Brennstoff, sondern es können auch fossile Brennstoffe verwendet werden, und das überschüssige Gas, das in einem Eisenhüttenwerk etc. erzeugt wird, oder der aus Kohle gewonnene gasförmige Brennstoff ist wirksam. Bei der Erfindung nach Anspruch 3 wird die Brennkammer-Einlassgastemperatur durch den regenerativen Wärmetauscher erhöht und die Brennstoff-Strömungsrate verringert, wodurch der thermische Brutto-Wirkungsgrad verbessert wird. Ferner wird der Hochtemperaturabschnitt der Hochtemperaturturbine durch das Hochtemperaturturbinen-Kühlsystem gekühlt, wodurch die Zuverlässigkeit der Hochtemperaturturbine verbessert wird. Außerdem kann nicht nur der Methanol-Brennstoff verwendet werden, sondern auch andere fossile Brennstoffe, und das überschüssige Gas, das in einem Eisenhüttenwerk etc. erzeugt wird, oder der aus Kohle gewonnene, gasförmige Brennstoff werden wirksam genutzt.
Insgesamt gesehen können im Vergleich zu dem vorbekannten Turbinenkraftwerk die nachstehend aufgeführten, bemerkenswerten Wirkungen erzielt werden:
Verbesserung des thermischen Brutto-Wirkungsgrads,
Verbesserung der Zuverlässigkeit der Hochtemperaturturbine durch Kühlung der Hochtemperaturturbine,
Verbesserung der Zuverlässigkeit des Brennkammer-Hochtemperaturabschnitts durch Senken der Brennkammer-Einlassgastemperatur,
Verbesserung der Scheibenfestigkeit des Hochdruckkompressor-Auslassabschnitts,
Verringerung der Konstruktionskosten durch Eliminieren der Niederdruckturbine und/oder der Hochdruckturbine, etc..
Ferner ist die vorliegende Erfindung nicht nur bei Methanol-Brennstoff wirksam, sondern auch bei anderen fossilen Brennstoffen, wie z.B. dem in einem Eisenhüttenwerk erzeugten überschüssigen Gas und dem aus Kohle gewonnenen gasförmigen Brennstoff.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1 eine diagrammartige Ansicht eines Turbinenkraftwerks einer ersten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung,
2 eine diagrammartige Ansicht eines Turbinenkraftwerks einer zweiten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung,
3 eine diagrammartige Ansicht eines Turbinenkraftwerks einer dritten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung,
4 eine diagrammartige Ansicht eines Turbinenkraftwerks einer vierten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung,
5 eine diagrammartige Ansicht eines Turbinenkraftwerks einer fünften Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung,
6 eine diagrammartige Ansicht eines Turbinenkraftwerks einer sechsten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung,
7 eine diagrammartige Ansicht eines Turbinenkraftwerks einer siebten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung,
8 eine diagrammartige Ansicht eines Turbinenkraftwerks einer achten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung, und
9 eine diagrammartige Ansicht eines Turbinenkraftwerks nach dem Stand der Technik.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Nachstehend werden Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung konkret unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben.
1 ist eine diagrammartige Ansicht eines Turbinenkraftwerks einer ersten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei ein Turbinenkraftwerk, das einen Methanol-Brennstoff einsetzt, gezeigt ist. Das den Methanol-Brennstoff verwendende Turbinenkraftwerk gemäß der vorliegenden Ausführungsform umfasst einen Reformer 13 zusätzlich zu dem System nach dem Stand der Technik, das in 9 gezeigt ist, wobei der Methanol-Brennstoff über den Reformer 13 der Brennkammer 2 zugeführt wird.
In dem Reformer 13 kann ein Gemisch von Methanol (CH₃OH) als Brennstoff und Wasser (H₂O) zu Wasserstoff (H₂) und Kohlendioxid (CO₂) durch Absorptionshitze Q am Reformer 13 reformiert werden, wodurch die folgende Reaktionsformel im Reformer 13 abläuft: CH₃OH + H₂ + Q → H₂O + CO₂
Bei dieser Reaktionsformel ist die Absorptionswärme Q durch Wärmeaustausch am Reformer 13 gegeben. Dadurch wird die gleiche Wirkung erzielt wie bei einem Brennstoff-Heizsystem, bei dem Brennstoff so erhitzt wird, dass dessen Brennstoff-Strömungsrate reduziert wird, und der thermische Brutto- Wirkungsgrad bei einer Gasturbine, die gewöhnliches Erdgas als Brennstoff einsetzt, verbessert wird. Somit kann durch das Reformieren der thermische Brutto-Wirkungsgrad verbessert werden.
Ferner reagiert in der Brennkammer 2 ein Gasgemisch von Wasserstoff (H₂) und Kohlendioxid, das durch den Reformvorgang erzeugt wird, mit Sauerstoff, der für eine äquivalente Verbrennung des Wasserstoffs nötig ist, damit ein Hochtemperatur-Gasgemisch von Dampf (H₂O) und Kohlendioxid (CO₂) entsteht. Diese Reaktion ist wie folgt, wobei das Arbeitsfluid das gleiche ist wie beim Stand der Technik gemäß 9. H₂ + CO₂ + ½ O₂ → H₂O + CO₂
Ferner wird zur Kühlung eines Hochtemperaturabschnitts der Hochtemperaturturbine 3 das Kühlmedium 14 (ein Gasgemisch aus Dampf und Kohlendioxid) für die Hochtemperaturturbine 3 verwendet, das von einem Auslass der Hochdruckturbine 6 und von einem Auslass des Kompressors 1 extrahiert wird. Der Aufbau der anderen Abschnitte ist der gleiche wie bei dem in 9 gezeigten Stand der Technik.
Gemäß der vorliegenden ersten Ausführungsform kann der Reformer 13 das Gemisch aus Methanol (CH₃OH) als Brennstoff und Wasser (H₂O) durch die dort herrschende Absorptionswärme Q zu Wasserstoff (H₂) und Kohlendioxid (CO₂) reformieren. Die Absorptionswärme Q am Reformer 13 hat die gleiche Wirkung wie das Brennstoff-Heizsystem, bei dem der Brennstoff erwärmt wird, so dass dessen Brennstoff-Strömungsrate verringert wird und der thermische Brutto-Wirkungsgrad dadurch bei einer Gasturbine, die gewöhnliches Erdgas als Brennstoff verwendet, verbessert wird, womit die Wirkung der Verbesserung des thermischen Brutto-Wirkungsgrads erzielt werden kann.
Ferner wird das Kühlmedium 14 (ein Gasgemisch aus Dampf und Kohlendioxid) vom Auslass der Hochdruckturbine 6 und dem Auslass des Kompressors 1 extrahiert, wodurch die Kühlwirkung des Hochtemperaturabschnitts der Hochtemperaturturbine 3 und die Verbesserung der Zuverlässigkeit der Hochtemperaturturbine 3 erreicht werden kann.
2 ist eine diagrammartige Ansicht eines Turbinenkraftwerks einer zweiten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird im Vergleich zu der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform ein regenerativer Wärmetauscher 16 an einer stromabwärtigen Seite der Hochtemperaturturbine 3 vorgesehen, so dass ein Auslassgas des Kompressors 1 in Wärmeaustausch mit einem Abgas einer Hochtemperaturturbine 3 tritt, wodurch eine Einlassgastemperatur der Brennkammer 2 erhöht wird, die Brennstoff-Strömungsrate reduziert wird und der thermische Brutto-Wirkungsgrad verbessert wird. Der Aufbau der anderen Teile ist der gleiche wie der in 1 gezeigte, und eine Beschreibung hierzu entfällt.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird durch Bereitstellen des regenerativen Wärmetauschers 16 die Einlassgastemperatur der Brennkammer 2 noch stärker erhöht als bei der ersten Ausführungsform von 1, die Brennstoff-Strömungsrate wird noch mehr reduziert, und die Wirkung der Verbesserung des thermischen Brutto-Wirkungsgrads kann noch besser erreicht werden. Die anderen Wirkungen der zweiten Ausführungsform sind die gleichen wie bei der ersten Ausführungsform.
3 ist eine diagrammartige Ansicht eines Turbinenkraftwerks einer dritten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei der vorliegenden Ausführungsform werden im Vergleich zu der zweiten Ausführungsform gemäß 2 die Niederdruckturbine 7 und der CO2-Kompressor 8 mit dem Motor 11 des Grundsystems eliminiert, so dass dessen Konstruktionskosten verringert wird. Dadurch wird ein Zuführsystem zum Kondensator 9 so modifiziert, dass die Zufuhr zu ihm von einem Auslass des Wärmetauschers 5 erfolgt. Somit wird eine Zuführleitung zum Kompressor 1 so modifiziert, dass eine Zufuhr zu diesem von einem Auslass des Kondensators 9 erfolgt. Der Aufbau der anderen Abschnitte ist der gleiche wie bei der zweiten Ausführungsform gemäß 2. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird die Niederdruckturbine 7 und der CO₂-Kompressor 8 mit dem Motor 11 des Grundsystems der zweiten Ausführungsform eliminiert, wodurch die Wirkung erzielt werden kann, die Konstruktionskosten zu verringern. Ferner kann die Wirkung, die Einlassgastemperatur des Kompressors 1 zu verringern, die Energie bzw. den Energieverbrauch des Kompressors 1 zu verringern und den thermischen Brutto-Wirkungsgrad zu verbessern, erzielt werden. Die anderen Wirkungen der dritten Ausführungsform sind die gleichen wie bei der zweiten Ausführungsform gemäß 2.
4 ist eine diagrammartige Ansicht eines Turbinenkraftwerks einer vierten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird im Vergleich zu der in 2 gezeigten zweiten Ausführungsform der Auslassdruck der Hochtemperaturturbine 3 verringert, und die Auslasstemperatur des Hochtemperaturturbine 3 wird ebenfalls verringert, wodurch die Kriechbeständigkeit bzw. Standzeit einer Laufschaufel der Endstufe der Hochtemperaturturbine 3 verlängert wird. Ferner wird die Niederdruckturbine 7 eliminiert, wodurch die Aufbaukosten reduziert werden. Außerdem wird ein Zuführsystem zu dem Kondensator 9 so modifiziert, dass die Zufuhr zu diesem von einem Auslass des Wärmetauschers 5 erfolgt. Somit wird eine Zuführleitung zu dem Kompressor 1 so modifiziert, dass die Zufuhr zu diesem von einem Auslass des Kondensators 9 erfolgt. Der Aufbau der anderen Abschnitte ist der gleiche wie bei der in 2 gezeigten zweiten Ausführungsform.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform nach obiger Beschreibung kann die Wirkung, die Kriechbeständigkeit bzw. Standzeit der Laufschaufel der Endstufe der Hochtemperaturturbine 3 zu verlängern, erzielt werden. Ferner kann durch Eliminieren der Niederdruckturbine 7 die Wirkung erzielt werden, die Aufbaukosten zu reduzieren. Außerdem kann die Wirkung erzielt werden, die Einlassgastemperatur des Kompressors 1 zu verringern, den Energieverbrauch des Kompressors 1 zu verringern und den thermischen Brutto-Wirkungsgrad zu verbessern. Die weiteren Wirkungen der vierten Ausführungsform sind die gleichen wie bei der zweiten Ausführungsform.
5 ist eine diagrammartige Ansicht eines Turbinenkraftwerks einer fünften Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei der vorliegenden Ausführungsform, die Methanol als Brennstoff verwendet, wird ein Zwischenkühler 15 zu dem Beispiel aus dem Stand der Technik gemäß 9 hinzugefügt. Das heißt, der Kompressor 1 des in 9 gezeigten vorbekannten Beispiels wird in einen Niederdruckkompressor 1A und einen Hochdruckkompressor 1B unterteilt, und es wird ein Zwischenkühler 15 dazwischen vorgesehen. In diesem Zwischenkühler 15 wird ein Auslassgas des Niederdruckkompressors 1A (ein Einlassgas des Hochdruckkompressors 1B) mit dem druckbeaufschlagten Wasser gemischt, das durch die Druckpumpe 10 annähernd auf den Auslassdruck des Niederdruckkompressors 1A gebracht wurde, um in der Temperatur reduziert zu werden, so dass eine Kompressionskraft des Hochdruckkompressors 1B reduziert wird und ein thermischer Brutto-Wirkungsgrad verbessert wird. Ferner wird eine Auslasstemperatur des Hochdruckkompressors 1B reduziert, wodurch die Zuverlässigkeit einer Scheibenfestigkeit eines Auslassabschnitts des Hochdruckkompressors 1B verbessert wird und außerdem die Zuverlässigkeit des Hochdruckabschnitts der Brennkammer 2 verbessert werden kann, da eine Einlassgastemperatur der Brennkammer 2 gesenkt wird.
Ferner reagiert in der Brennkammer 2 Methanol (CH₃OH) mit dem Sauerstoff O₂, der für eine äquivalente Verbrennung benötigt wird, um ein Hochtemperatur-Gasgemisch von Dampf (H₂O) und Kohlendioxid (CO₂) anhand der folgenden Reaktionsformel zu erzeugen: CH₃OH + O₂ → CO₂ + 2 H₂O + Wärme
Demgemäß ist das Arbeitsfluid bei diesem Kraftwerk Kohlendioxid CO₂ und Dampf (H₂O) wie bei dem in 9 gezeigten vorbekannten Fall. Ferner wird zur Kühlung des Hochtemperaturabschnitts der Hochtemperaturturbine 3 das Kühlmedium 14 (ein Gasgemisch aus Dampf und Kohlendioxid) von einem Auslass der Hochdruckturbine 6 und einem Auslass des Kompressors 1 extrahiert.
Es ist anzumerken, dass hier zwar ein Fall mit der Verwendung von Methanol als Brennstoff beschrieben wurde, dass es aber auch möglich ist, andere fossile Brennstoffe einzusetzen. Ferner ist es auch wirksam, einen Brennstoff eines in einem Eisenhüttenwerk oder dergleichen erzeugten überschüssigen Gases, einen aus Kohle gewonnenen gasförmigen Brennstoff etc. zu verwenden.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform nach obiger Beschreibung kann die Wirkung der Reduzierung der Auslassgastemperatur des Niederdruckkompressors 1A, der Reduzierung der Druckkraft des Hochdruckkompressors 1B und der Verbesserung des thermischen Brutto-Wirkungsgrads erzielt werden. Ferner kann die Wirkung der Reduzierung der Auslasstemperatur des Hochdruckkompressors 1B und der Verbesserung der Zuverlässigkeit der Scheibenfestigkeit des Auslassabschnitts des Hochdruckkompressors 1B erzielt werden.
Außerdem kann dadurch, dass die Einlassgastemperatur der Brennkammer 2 gesenkt wird, die Wirkung der Verbesserung der Zuverlässigkeit des Hochtemperaturabschnitts der Brennkammer 2 erzielt werden. Ferner kann dadurch, dass das Kühlmedium 14 (ein Gasgemisch aus Dampf und Kohlendioxid) aus dem Auslass der Hochdruckturbine 6 und dem Auslass des Kompressors 1 extrahiert wird, die Kühlwirkung des Hochtemperaturabschnitts der Hochtemperaturturbine 3 und die Verbesserung der Zuverlässigkeit der Hochtemperaturturbine 3 erreicht werden.
6 ist eine diagrammartige Ansicht eines Turbinenkraftwerks einer sechsten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung. In der vorliegenden Ausführungsform ist ein regenerativer Wärmetauscher 16 an einer stromabwärtigen Seite der Hochtemperaturturbine 3 so vorgesehen, dass ein Auslassgas des Kompressors in Wärmeaustausch mit einem Abgas der Hochtemperaturturbine 3 tritt, wodurch eine Einlassgastemperatur der Brennkammer 2 erhöht wird, die Brennstoff-Strömungsrate verringert wird und der thermische Brutto-Wirkungsgrad verbessert wird.
Ferner wird zur Kühlung des Hochtemperaturabschnitts der Hochtemperaturturbine 3 wie bei der fünften Ausführungsform das Kühlmedium 14 (ein Gasgemisch aus Dampf und Kohlendioxid) von einem Auslass der Hochdruckturbine 6 und einem Auslass des Kompressors 1 extrahiert. Der Aufbau der anderen Abschnitte ist der gleiche wie bei dem in 9 gezeigten vorbekannten Beispiel.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann dadurch, dass die Einlassgastemperatur der Brennkammer 2 erhöht und die Brennstoff-Strömungsrate verringert ist, die Wirkung erzielt werden, den thermischen Brutto-Wirkungsgrads zu verbessern. Ferner kann dadurch, dass das Kühlmedium (das Gasgemisch aus Dampf und Kohlendioxid) aus der Hochdruckturbine 6 und dem Auslass des Kompressors 1 extrahiert wird, die Kühlwirkung des Hochtemperaturabschnitts der Hochtemperaturturbine 3 und die Verbesserung der Zuverlässigkeit der Hochtemperaturturbine 3 erzielt werden.
7 ist eine diagrammartige Ansicht eines Turbinenkraftwerks einer siebten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird im Vergleich zu der in 6 gezeigten sechsten Ausführungsform die Niederdruckturbine 7 und der CO₂-Kompressor 8 mit dem Motor 11 des Grundsystems eliminiert, so dass deren Aufbaukosten verringert werden.
Ferner wird ein Zuführsystem zu dem Kondensator 9 so modifiziert, dass die Zufuhr zu diesem von einem Auslass des Wärmetauschers 5 erfolgt. Damit wird eine Zufuhrleitung zu dem Kompressor 1 so modifiziert, dass die Zufuhr zu diesem von einem Auslass des Kondensators 9 erfolgt.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird das Grundsystem elimiert, wodurch die Wirkung der Verringerung der Konstruktionskosten erreicht werden kann. Ferner kann die Wirkung der Senkung der Einlasstemperatur des Kompressors 1, der Reduzieren des Energieverbrauchs des Kompressors 1 und der Verbesserung des thermischen Brutto-Wirkungsgrads erreicht werden. Weitere Wirkungen der siebten Ausführungsform sind die gleichen wie die der in 6 gezeigten sechsten Ausführungsform.
8 ist eine diagrammartige Ansicht eines Turbinenkraftwerks einer achten Ausführungsform der Erfindung. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird im Vergleich zu der in 6 gezeigten sechsten Ausführungsform der Auslassdruck der Hochtemperaturturbine 3 verringert und auch die Auslasstemperatur der Hochtemperaturturbine 3 verringert, wodurch die Kriechbeständigkeit bzw. die Standzeit einer Laufschaufel der Endstufe der Hochtemperaturturbine 3 verlängert wird. Ferner wird die Niederdruckturbine 7 eliminiert, wodurch die Aufbaukosten reduziert werden. Außerdem wird ein Zuführsystem zu dem Kondensator 9 so modifiziert, dass die Zufuhr zu diesem von einem Auslass des Wärmetauschers 5 erfolgt. Damit wird eine Zufuhrleitung zu dem Kompressor 1 so modifiziert, dass die Zufuhr zu diesem von einem Auslass des Kondensators 9 erfolgt. Der Aufbau der anderen Abschnitte ist der gleiche wie bei der in 6 gezeigten sechsten Ausführungsform.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform nach obiger Beschreibung kann die Wirkung der Verlängerung der Kriechbeständigkeit bzw. der Standzeit der Laufschaufel der Endstufe der Hochtemperaturturbine 3 erzielt werden. Ferner kann dadurch, dass die Niederdruckturbine 7 eliminiert wird, die Wirkung der Reduzierung der Herstellungskosten erzielt werden. Ferner kann die Wirkung der Senkung der Einlassgastemperatur des Kompressors 1, der Reduzierung des Energieverbrauchs des Kompressors 1 und der Verbesserung des thermischen Brutto-Wirkungsgrads erreicht werden.

Claims

Turbinenkraftwerk mit einem Kompressor (1) zum Komprimieren eines Gasgemischs aus Dampf und Kohlendioxid als Arbeitsfluid, einer Brennkammer (2) zum Verbrennen eines Brennstoffs zusammen mit dem mit Sauerstoff angereicherten Arbeitsfluid aus dem Kompressor (1), einer Hochtemperaturturbine (3) zum Expandieren eines Verbrennungsgases aus der Brennkammer (2), um Arbeit bzw. Leistung zu erhalten, einem Nachschaltsystem („bottoming System") mit einem Wasserkondensiersystem, einem Wärmetauscher (4, 5) zum Erwärmen eines Kondenswassers aus dem Nachschaltsystem auf einen Hochtemperaturdampf durch Wärmetausch mit dem Abgas aus der Hochtemperaturturbine (3) und zum Leiten des Abgases nach seiner Nutzung für den Wärmetausch in einen Einlaß des Kompressors (1) als Arbeitsfluid, und einer Hochdruckturbine (6) zum Expandieren des an dem Wärmetauscher (4, 5) erwärmten Hochdruckdampfs des Nachschaltsystems, um Arbeit bzw. Leistung zu erhalten, und zum Mischen des so expandierten Dampfs in die Brennkammer (2), dadurch gekennzeichnet, dass es ferner umfaßt einen Reformer (13) zum Aufnehmen eines Gemischs von Methanol und Wasser, das durch am Wärmetauscher (4) aufgenommene Wärme in Wasserstoff und Kohlendioxid zu reformieren ist, und zum Zuführen des Wasserstoffs und Kohlendioxids in die Brennkammer (2) als Brennstoff, und ein Hochtemperatur-Turbinenkühlsystem, welches das Arbeitsfluid aus einem Auslaß des Kompressors (1) und einem Auslaß der Hochdruckturbine (6) extrahiert, damit dieses als Kühlmedium in einen Hochtemperaturabschnitt der Hochtemperaturturbine (3) zu dessen Kühlung geleitet wird.
Turbinenkraftwerk mit einem Kompressor (1) zum Komprimieren eines Gasgemischs aus Dampf und Kohlendioxid als Arbeitsfluid, einer Brennkammer (2) zum Verbrennen eines fossilen Brennstoffs, der Methanol enthält, zusammen mit dem mit Sauerstoff angereicherten Arbeitsfluid von dem Kompressor (1), einer Hochtemperaturturbine (3) zum Expandieren eines Verbrennungsgases von der Brennkammer (2), um Arbeit bzw. Leistung zu erhalten, einem Nachschaltsystem („bottoming System") zum Antreiben einer Niederdruckturbine (7) durch ein Abgas aus der Hochtemperaturturbine (3), um Arbeit bzw. Leistung zu erhalten, einem Wärmetauscher (4, 5) zum Erwärmen eines Kondenswassers aus dem Nachschaltsystem auf einen Hochtemperaturdampf durch Wärmetausch mit dem Abgas aus der Hochtemperaturturbine (3) und zum Leiten des Abgases nach dessen Nutzung für den Wärmetausch in einen Einlaß des Kompressors (1) als Arbeitsfluid, und einer Hochdruckturbine (6) zum Expandieren des an dem Wärmetauscher (4, 5) erwärmten Hochtemperaturdampfs des Nachschaltsystems, um Arbeit bzw. Leistung zu erhalten, und zum Mischen des so expandierten Dampfs in die Brennkammer (2), dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressor (1) einen Niederdruckkompressor (1a) und einen Hochdruckkompressor (1b) umfasst und so aufgebaut ist, dass zwischen dem Niederdruckkompressor (1a) und dem Hochdruckkompressor (1b) ein Durchgang zum Strömen lassen des Arbeitsfluids über einen Zwischenkühler (15) vorgesehen ist, und ein Teil des Kondenswassers aus dem Nachschaltsystem unter Druck in den Zwischenkühler (15) gemischt wird, und ein Hochtemperatur-Turbinenkühlsystem vorgesehen ist, welches das Arbeitsfluid von einem Auslaß des Hochtemperaturkompressors (1b) und einem Auslaß der Hochdruckturbine (6) extrahiert, damit dieses als Kühlmedium in einen Hochtemperaturabschnitt der Hochtemperaturturbine (3) zu dessen Kühlung geleitet wird.
Turbinenkraftwerk mit einem Kompressor (1) zum Komprimieren eines Gasgemischs aus Dampf und Kohlendioxid als Arbeitsfluid, einer Brennkammer (2) zum Verbrennen eines fossilen Brennstoffs, der Methanol enthält, zusammen mit dem mit Sauerstoff angereicherten Arbeitsfluid von dem Kompressor (1), einer Hochtemperaturturbine (3) zum Expandieren eines Verbrennungsgases von der Brennkammer (2), um Arbeit bzw. Leistung zu erhalten, einem Nachschaltsystem („bottoming System"), das ein Wasserkondensiersystem umfasst, einem Wärmetauscher (4, 5) zum Erwärmen eines Kondenswassers aus dem Nachschaltsystem auf einen Hochtemperaturdampf durch Wärmetausch mit dem Abgas aus der Hochtemperaturturbine (3) und zum Leiten des Abgases nach dessen Nutzung für den Wärmetausch in einen Einlaß des Kompressors (1) als Arbeitsfluid, und einer Hochdruckturbine (6) zum Expandieren des an dem Wärmetauscher (4, 5) erwärmten Hochtemperaturdampfs des Nachschaltsystems, um Arbeit bzw. Leistung zu erhalten, und zum Mischen des so expandierten Dampfs in die Brennkammer (2), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Auslaß des Kompressors (1) und einem Einlaß der Brennkammer (2) ein regenerativer Wärmetauscher (16) zum Anheben einer Einlassgastemperatur der Brennkammer (2) durch einen Wärmetausch zwischen einem Auslassgas des Kompressors (1) und dem Abgas aus der Hochtemperaturturbine (3) vorgesehen ist, und ein Hochtemperatur-Turbinenkühlsystem vorgesehen ist, welches das Arbeitsfluid von einem Auslaß des Kompressors (1) und einem Auslaß der Hochdruckturbine (6) extrahiert, um es als Kühlmedium in einen Hochtemperaturabschnitt der Hochtemperaturturbine (3) zu deren Kühlung zu leiten.
Turbinenkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Auslaß des Kompressors (1) und einem Einlaß der Brennkammer (2) ein regenerativer Wärmetaucher (16) zum Anheben einer Einlassgastemperatur der Brennkammer (2) durch einen Wärmetausch zwischen einem Auslassgas des Kompressors (1) und dem Abgas aus der Hochtemperaturturbine (3) vorgesehen ist.
Turbinenkraftwerk nach Anspruch 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Nachschaltsystem nur das Wasserkondensiersystem umfasst und derart aufgebaut ist, dass das Kondenswasser aus dem Nachschaltsystem teilweise in den Einlaß des Kompressors (1) als Arbeitsfluid geleitet wird, und das Abgas aus der Hochtemperaturturbine (3), nachdem es so am Wärmetauscher (4, 5) einem Wärmetausch unterzogen wurde, in einen Kondensator (9) des Nachschaltsystems geleitet wird.
Turbinenkraftwerk nach Anspruch 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Nachschaltsystem das Wasserkondensiersystem und einen CO₂-Kompressor (8) umfasst und so aufgebaut ist, dass das Kondenswasser aus dem Nachschaltsystem teilweise als Arbeitsfluid in den Einlaß des Kompressors (1) geleitet wird, und das Abgas aus der Hochtemperaturturbine (3), nachdem es so einem Wärmetausch am Wärmetauscher (4, 5) unterzogen wurde, in einen Kondensator (9) des Nachschaltsystems geleitet wird.
Turbinenkraftwerk nach Anspruch 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Nachschaltsystem eine Niederdruckturbine (7) umfasst, die von einem Abgas aus der Hochtemperaturturbine (3) angetrieben wird, um Arbeit bzw. Leistung zu erhalten.