EP1991771A1 - Verfahren zum betreiben eines gekoppelten kraft-/wärmeprozesses sowie gasturbinen-gebäudeheizungsanlage - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines gekoppelten kraft-/wärmeprozesses sowie gasturbinen-gebäudeheizungsanlage

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Publication number
EP1991771A1
EP1991771A1 EP07726570A EP07726570A EP1991771A1 EP 1991771 A1 EP1991771 A1 EP 1991771A1 EP 07726570 A EP07726570 A EP 07726570A EP 07726570 A EP07726570 A EP 07726570A EP 1991771 A1 EP1991771 A1 EP 1991771A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
gas turbine
gas
heat
particular according
building heating
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP07726570A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Viktor Scherer
Heiner Pfost
Hans-Heinrich Henning
Markus Dabruck
Mark Schlieper
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Gebr Becker GmbH
Original Assignee
Gebr Becker GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Gebr Becker GmbH filed Critical Gebr Becker GmbH
Publication of EP1991771A1 publication Critical patent/EP1991771A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use
    • F02C6/18—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use using the waste heat of gas-turbine plants outside the plants themselves, e.g. gas-turbine power heat plants
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use
    • F02C6/04—Gas-turbine plants providing heated or pressurised working fluid for other apparatus, e.g. without mechanical power output
    • F02C6/10—Gas-turbine plants providing heated or pressurised working fluid for other apparatus, e.g. without mechanical power output supplying working fluid to a user, e.g. a chemical process, which returns working fluid to a turbine of the plant
    • F02C6/12—Turbochargers, i.e. plants for augmenting mechanical power output of internal-combustion piston engines by increase of charge pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/40—Application in turbochargers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/50—Building or constructing in particular ways
    • F05D2230/52—Building or constructing in particular ways using existing or "off the shelf" parts, e.g. using standardized turbocharger elements
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/14—Combined heat and power generation [CHP]

Definitions

  • the invention relates first to a method for operating a coupled power / heat process for supply, in terms of heat, a heating circuit having building heating, wherein the building heating has a maximum heat demand, further at the same time a part of the energy used is converted into electrical energy, the Process is carried out by means of a multi-stage gas turbine arrangement, and moreover by means of the exiting relaxed gas flow to the heating circuit with cooling of this gas stream heat is supplied.
  • the invention engulg the task of specifying a method and an apparatus for operating a coupled power / heat process of a heating circuit having a building heating, with the highest possible efficiency is given.
  • the method is preferably designed to fully cover the heat demand of the building heating and, where appropriate, to meet the heat demand for DHW heating.
  • Electricity generation is just a by-product that is used. Otherwise, however, an additional power supply is provided by the usually existing connection to the power grid of the locally or regionally responsible energy supply company.
  • a multi-stage Gasurbinenan- order is provided with a turbine and a compressor, in particular in times in which the heat demand of the house heating is greater than the amount of heat that can be made available by the first gas turbine stage, the fuel optimally used become.
  • the second gas turbine stage consists of only one turbine and one compressor, when it is switched on, it is comparatively simple in terms of the ac- current heat demand trackable and adjustable. With regard to the cycle, a higher temperature and pressure difference can be driven.
  • electrical energy can also be generated over a relatively large period of the heating period by means of the first gas turbine stage, which, moreover, can generally be produced at a more favorable cost than can be obtained via the usual supply network. It is also possible to feed excess electrical energy into the general electrical supply network.
  • the switchable second gas turbine stage is therefore designed only for the peak load. This makes it possible to design this second gas turbine stage, namely the turbine and the compressor, comparatively small. This also makes it possible, as explained in more detail below, to resort to standard components.
  • the gas turbine plant for the second stage particular preference is given to components which are available from motor vehicle technology, namely the known exhaust-gas turbochargers. It can be practically the entire compressor and turbine unit with wastegate or variable turbine geometry (VTG), the latter is also further explained below, are used.
  • such a system and such a method for buildings of small to medium size can be used. Namely for multi-family homes, up to about six to twenty residential units.
  • multi-family homes up to about six to twenty residential units.
  • the gas stream leaving the compressor of the first gas turbine stage be cooled beforehand, in any case, when further compression is achieved in the compressor of the second gas turbine stage.
  • This makes it possible to start the second compression at a relatively low temperature, resulting in a reduction of the specific compressor work to be performed in the second compression.
  • the relaxation of the gas flow in the turbine can thus be carried out starting from an optimally high pressure level. Accordingly, the cooling of the compressed gas stream exiting the compressor of the first gas turbine stage is performed before entering the compressor of the second gas turbine stage.
  • recuperator Before the gas flow enters the combustion chamber, preheating, by means of a recuperator, is preferably provided.
  • the recuperator is provided with the second gas turbine stage connected after further compression of the gas flow by the second compressor. It is a gas / gas heat exchanger, wherein the gas stream thus compressed in heat exchange is performed against the exiting from the turbine of the first gas turbine stage and correspondingly relaxed gas flow.
  • the air (gas) temperature of the gas stream emerging from the turbine of the first gas turbine stage is cooled in the desired manner, so that a temperature level results for the decoupling of heat from this expanded gas stream into the heating circuit, with comparatively less expensive heat exchangers copes.
  • the combustion chamber Before the turbine of the second or, if this is not activated, the first gas turbine stage, the combustion chamber is provided in the cycle of the process. Egg- On the other hand, it is penetrated by the compressed, exiting from the first and / or second compressor gas flow and on the other hand, fuel is added here accordingly and takes place the temperature-increasing combustion.
  • a gas compressor for the natural gas As a separate unit, is still provided. Liquid fuel must be injected under appropriate pressure into the combustion chamber.
  • the coupled power / heat process is generally conducted as an open process.
  • the emerging from the turbine of the first gas turbine stage gas stream is ultimately passed in the usual way via a fireplace in the atmosphere.
  • the gas flow in the course of the process several times via heat exchangers preferably heat to the heating circuit and optionally heat for drinking water heating, preferably via an intermediate separate internal, mainly the heat transfer and separation of gas turbine cycle and heating circuit serving transformer water circulation.
  • the gas / water heat exchanger which is provided after the first compressor.
  • a second gas / water heat exchanger which is penetrated by the emerging from the turbine of the first gas turbine relaxed gas flow, after enforcing the recuperator.
  • a condensing heat exchanger is preferably provided even further downstream, in which the gas flow is thus cooled below the condensation temperature.
  • the invention is also a gas turbine building heating system, with a gas flow and a transformer heating circuit, further with a multi-stage designed gas turbine arrangement, a generator and a decoupling of heat in the heating circuit and drinking water circuit serving water / water heat exchanger.
  • the plant also has the task of specifying a gas turbine building heating system, which allows the most economical utilization of the fuel used to completely cover the heat demand of the building heating system, with complementary conversion of the energy used in electrical energy.
  • the second gas turbine stage which consists of only one turbine and one compressor, can be activated in the cyclic process as a function of the heat requirement of the building heating in order to achieve a higher pressure level is, wherein the second gas turbine stage according to a bypass line (waste gate) is bypassed or at least can be deactivated.
  • the invention manifests itself in the concept of providing the second gas turbine stage switchable only to cover peak loads, but to be able to drive the base load regarding the heat demand of the building heating system with the first gas turbine stage, in which case also at the same time, and according to a related to the heating season of such a building relatively long period of time, in addition, a conversion into electrical energy is made.
  • This electrical energy is used the self-supply of the gas turbine building heating system itself and the supply of the need of the relevant building during the heating season, if necessary, also for feeding into the local supply network.
  • the system is designed to cover the heat demand of the building optimized, with the best possible use of the fuel used in each case. Due to the fact that the second gas turbine stage is designed to be significantly smaller than the first gas turbine stage and a certain margin in the design of the two gas turbine stages, at least with regard to the second gas turbine stage and on standard components, such as the motor vehicle turbocharger, preferably be resorted to.
  • a recuperator is provided with which, as a gas / gas heat exchanger, the expanded gas stream emerging from the turbine of the first gas turbine stage can be cooled in heat exchange for heating the compressed gas stream emerging from the second compressor.
  • the relaxed gas stream is brought before the first outcoupling of heat, possibly via a transformer water circulation, thus to a lower temperature level.
  • This latter heat exchange is carried out accordingly in a gas / water heat exchanger.
  • a heat exchanger can already be designed so that the dew point temperature of the gas stream is below, so that also the latent heat of the gas stream according to a Condensing heat exchanger is readily shared.
  • a further condensing heat exchanger is connected downstream.
  • the possibly double-compressed gas stream passes through the combustion chamber, which, with regard to the pressures which are relevant here (for example 4 to 5 bar), can be referred to as the medium-pressure combustion chamber.
  • the combustion chamber is further, if necessary, in the case of gas, in particular natural gas, introduced and burned by means of a gas compressor, fuel. This results in a correspondingly highly compressed and highly tempered gas flow which is then applied to the turbine of the second gas turbine stage, or, if this is bypassed, to the turbine of the first gas turbine unit, where it is correspondingly expanded.
  • a central controller is preferably provided which regulates both a frequency converter connected between the generator and the general power network and also the gas compressor (or, if appropriate, oil pump) and the heating circulation pump of the transformer water circuit.
  • the shaft of the first and / or the second gas turbine stage and / or the generator is mounted by means of plain bearings, which are further preferably supplied via a central oil supply by means of an oil pump.
  • plain bearings which are further preferably supplied via a central oil supply by means of an oil pump.
  • rolling bearings may also be provided for one or both of the named shafts or also for the generator.
  • Fig. 1 is a block diagram of a gas turbine building heating system
  • Fig. 2 shows an associated T / S diagram.
  • FIG. 1 Shown and described initially with reference to FIG. 1, is the basic block diagram of a gas turbine building heating system, wherein a multi-stage gas turbine assembly forms the core.
  • the gas turbine arrangement serves both to generate heat (in the end: heating heat and heat for DHW heating) as well as to generate power.
  • the latter primarily for driving the compressor, but also the generator. It is thus a coupled power / heat plant or the implementation of a coupled power / heat process.
  • This gas turbine building heating system is operated only during the heating season of a building. Outside the heating period of the building, the power supply via the usual mains supply, which is present in parallel. In addition, electricity not used for own use is usually fed into the grid during the heating season. Of course, electricity can also be purchased from the grid during this period if required.
  • first gas turbine stage 1 consists of a first compressor 3, a first turbine 4 and a generator 5 arranged on the same shaft 28,
  • second gas turbine stage 2 consists only of a second compressor 6 and a second turbine 7.
  • the first compressor 3 draws in outside air 9 via an air filter 8.
  • a first gas / water heat exchanger 10 is provided, in which the gas stream leaving the first compressor 3 and correspondingly heated is conducted in heat exchange with the transformer water circulation, which is provided with the reference numeral 11.
  • the recuperator 13 is a gas / gas heat exchanger in which the discharged from the first turbine 4 relaxed gas stream is cooled and in return, the compressed gas flow from the second compressor 6 is preheated accordingly. It can also be provided that, in the event that the second gas turbine stage 2 is not activated, the first gas / water heat exchanger 10 is bypassed with respect to the gas flow by means of a further, not shown in the exemplary embodiment bypass line to that from the first compressor 3 gas stream in this case not unnecessarily cool before entering the combustion chamber 14.
  • the circulation pump 32 is not activated or is set only to a low rotational speed. If, as preferred provided, even at a provided for controlling the second gas turbine stage and fully open Wastegate- valve 29, the gas flow is still on the compressor 6 (but without providing a significant compression) can be a cooling means of the heat exchanger 10 for temperature reasons desired or required.
  • the compressed gas stream is guided into the combustion chamber 14 after the recuperator 13.
  • fuel 15 which in the exemplary embodiment is assumed to be natural gas and has previously been compressed by means of a gas compressor 16 (gas compressor unit 36) correspondingly above the pressure level of the gas stream, Energy supplied.
  • a gas compressor 16 gas compressor unit 36
  • a temperature monitor is preferably provided in the combustion chamber 14 to avoid exceeding the maximum allowable turbine inlet temperature. The temperature monitor can also be used as a flame detector.
  • the gas flow is either guided to the second turbine 7 of the second gas turbine stage 2 or, by means of a bypass valve 29, practically only applied to the first turbine 4 of the first gas turbine stage 1.
  • a bypass valve 29 is preferably used here as the valve 29.
  • the circuit of the second gas turbine circuit preferably corresponds to that of an exhaust gas turbocharger the also shown wastegate valve 29 may be provided.
  • the waste gate valve 29 may be according to not only open or closed to control the second gas turbine stage 2, but also occupy intermediate positions. According to the degree of opening, only one partial air flow (partial gas flow) then flows through the second turbine 7. A certain flow through a small partial flow through the second turbine 7 can still be given even if the wastegate valve 29 is completely opened.
  • the second turbine 6 can also be provided that a so-called variable turbine geometry is realized (VTG).
  • VVTG variable turbine geometry
  • a vane ring is provided with adjustable angle. This makes it possible, even at lower than the maximum design gas volumes to achieve the highest possible performance of the turbine.
  • the first coupling of heat through the gas / water heat exchanger 10 has already been explained.
  • the heat is preferably transferred via the water / water heat exchanger 30 to the heating circuit 12 as shown in Figure 1.
  • the water / water heat exchanger 30 may also be integrated into a combination storage system. This is a system in which both heat is transferred to the heating circuit through the water / water heat exchanger 30 as well as a heat exchange with an integrated drinking water storage takes place.
  • the heat exchanger 30 then ultimately serves both for DHW heating and for heat exchange with the heating circuit 12 in which furthermore a heating circulation circulation pump 18 is provided.
  • the water of the transformer water cycle 11 passes through a second gas / water heat exchanger 19, in which it is conducted in heat exchange with the gas stream leaving the first turbine 4 and cooled to a certain extent after passing through the recuperator 13.
  • the expanded gas stream passes through a last, also the transmitter-water cycle 11 associated, gas / water heat exchanger, which is designed as a fuel heat exchanger 21, to thereafter, after flowing through a muffler 20, to be discharged as exhaust gas (exhaust air) 22 into the atmosphere.
  • the condensing heat exchanger 21 is arranged, downstream of the exchanger water circulation system 11, downstream of the heating circuit transfer heat exchanger, the water-water heat exchanger 30. Further, the condensing heat exchanger 21 is arranged in the aforementioned sense, preferably upstream of the circulation pump 32.
  • the consumers, so usually radiator, the heating circuit 12 are indicated by the reference numeral 23.
  • the heating circuit 12 preferably supplies a floor heating system or else a heating system in which a significant proportion of the heat is brought into the space to be heated via a floor heating system or, if appropriate, another surface heating system.
  • a floor heating system or else a heating system in which a significant proportion of the heat is brought into the space to be heated via a floor heating system or, if appropriate, another surface heating system.
  • the relatively low only required flow temperature level of such surface heating can be used here low.
  • a frequency converter 25 with integrated mains feedback is provided between the power network 24 and the generator 5.
  • the generator 5 can be used in a known manner as a motor for starting the first gas turbine unit 1.
  • an oil pump 26 is provided, which is connected together with an oil reservoir 27 accordingly.
  • this oil supply which is integrated into a corresponding oil circuit, and the oil pump 26, the possibly formed on the first gas turbine stage 1 and the second gas turbine stage 2 sliding or rolling bearings can be supplied.
  • the oil can be extracted by means of an oil / water heat exchanger 31, which is supplied by the transformer water circuit 11, heat.
  • a central regulator 36 in particular for acting on the circulating pump 32 and / or the heating circulating pump 18 and / or the frequency converter 25 and / or the gas compressor 16 and / or the oil pump 26 and / or the Wast- Gate valve 29 may be provided.
  • the maximum heat demand of the building heating system is the calculated heat demand calculated according to the relevant standard for the coldest day. If there is no maximum heat demand of the building heating, which will be the case regularly, a control over the speed at the second gas turbine is provided. level 2 made. Also for this purpose is provided after the combustion chamber 14 in the bypass to the compressor 7 so-called wastegate 29. Next is then made an adjustment to the current heat demand via a control of the speed of the first gas turbine unit 1.
  • the transformer water circuit 11 via branches 11 ', 11 ", 11'", 11 "", H '"" and the housing of the first gas turbine stage 1 and the second gas turbine stage 2, the generator 5, the Frequency converter 25 and also an oil / water heat exchanger 33rd
  • a pressure holder 37 may be provided in the line section between the second compressor 6 and the recuperator 13 in dashed lines in Fig. 1, still a pressure holder 37 may be provided. This can be used as supportive to a motor operation of the generator or alone for starting.
  • a pressure retaining valve 34 is provided, which opens or closes the line to a pressure accumulator 35.
  • the pressure accumulator 35 can then be connected via a separately operable, not shown in detail here in detail valve bypassing the recuperator 13 and the combustion chamber 14 directly to the second compressor 7.
  • the second gas turbine stage 2 may be operated at a shaft speed of 80,000 to 200,000 (RPM).
  • the first gas turbine stage 1 with switched on the second gas turbine stage 2, a shaft speed of about 70,000 to 90,000, preferably about 80,000.
  • this is also the maximum shaft speed of the first gas turbine stage 1.
  • it can still be regulated down to about 20,000 - 30,000 rpm.
  • the maximum (design) power of the system described here is preferably between 50 and 120 kW thermally, with approximately 20% of such system power can be controlled down.
  • the fuel is here too approx. 20 - 30% converted into electrical energy and correspondingly 70 - 60% thermal energy.
  • Typical air flows for the stated performance values are 0.15-0.4 kg / sec. (based on 50 to 120 kW thermal).
  • thermo-technical feature of this gas turbine building heating system can be seen in addition.
  • the sucked outside air 9 is sucked in accordance with an ambient temperature, here assumed to be.
  • the compressor 3 the compression to the pressure level Pi, corresponding to a temperature Ti. While maintaining the reached pressure level Pi (temperature Ti), the gas flow exiting the compressor 3 is cooled to a temperature T 2 , with delivery of a corresponding amount of heat by means of the heat exchanger 10 to the transmitter water cycle s 11.
  • the gas flow After exiting the combustion chamber, the gas flow passes through the second turbine 7, with a relaxation of P max to the pressure Pi * and a cooling to the temperature Ts. With the pressure Pi * and the temperature Ts, the gas flow enters the turbine 4.
  • the second gas turbine stage 2 is, by the Wastegate valve 29 connected in parallel to the second turbine, adjustable to the extent that pressures below Pmax (only) can be achieved.
  • the maximum heat requirement of such a building heating in a heating period is not given or only singular, usually a Kreispro- zess with a maximum pressure between P max and Pl set as long as the second gas turbine is switched on. If the second gas turbine is not switched on, the result is only a cycle between Po and Pi, where at the entrance to the turbine of the gas turbine stage 1 (only) the temperature T 1 O is reached. To a certain extent, however, the first gas turbine stage can still be regulated, so that an intermediate pressure level, smaller than Pi and greater than Po, can be reached (only) here. The regulation of the first gas turbine stage 1 can take place via the generator 5 and / or the frequency converter 25 as a brake.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines gekoppelten Kraft- /Wärmeprozesses einer einen Heizkreislauf aufweisenden Gebäudeheizung und eine Gasturbinen-Gebäudeheizungsanlage (1), mit der insbesondere das genannte Verfahren durchgeführt werden kann. Im Einzelnen ist von Bedeutung, dass die Gebäudeheizung einen maximalen Wärmebedarf aufweist, wobei die in den Kraf t-/Wärmeprozess eingesetzte Energie zu einem Teil in elektrische Energie umgewandelt wird und der Prozess mit einer mehrstufig ausgebildeten Anordnung durchgeführt wird. Mittels des austretenden entspannten Gasstroms wird dem Heizkreislauf unter Abkühlung dieses Gasstroms Wärme zugeführt. In Abhängigkeit des Wärmebedarfs der Gebäudeheizung wird eine Höherverdichtung des aus der ersten Gasturbinenstufe austretenden Gasstroms mittels des Verdichters der zweiten Gasturbinenstufe, die nur aus einer Turbine und einem Verdichter besteht, vorgenommen.

Description

VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINES GEKOPPELTEN KRAFT-/WÄRMEPROZESSES SOWIE GASTURBINEN-GEBÄUDEHEIZUNGSANLAGE
Die Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zum Betreiben eines gekoppelten Kraft- / Wärmeprozesses zur Versorgung, hinsichtlich der Wärme, einer einen Heizkreislauf aufweisenden Gebäudeheizung, wobei die Gebäudeheizung einen maximalen Wärmebedarf aufweist, wobei weiter zugleich ein Teil der eingesetzten Energie in elektrische Energie umgewandelt wird, der Prozess mit Hilfe einer mehrstufig ausgebildeten Gasturbinenanordnung durchgeführt wird, und darüber hinaus mittels des austretenden entspannten Gasstroms dem Heizkreislauf unter Abkühlung dieses Gasstroms Wärme zugeführt wird.
Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der DE 19613802 Al bekannt. Dieser bekannte Prozess, der ein Raumheizungssystem und eine Stromversorgung eines Gebäudes bedienen soll, ist auf eine Stromautarkie ausgelegt. Zumindest die zum Betrieb des Systems erforderliche elektrische Energie soll durch das Haus- oder Raumheizungssystem selbst zur Verfügung gestellt werden. Diese Auslegung des bekannten Kraft- / Wärmeprozesses, der auch mit mehreren, jeweils auch einen Generator aufweisenden Gasturbinenanlagen, ggf. unter mehrstufiger Schaltung, durchgeführt werden kann, ist allerdings unter Berücksichtigung der Wirtschaftlichkeit mit Nachteilen verbunden. Die Auslegung im Hinblick auf die Stromautarkie verlangt, aufwendige Speicher für elektrische Energie vorzusehen. Gleichwohl verbleiben gewisse Zeiten der Heizperiode, in denen das Verfahren nur hinsichtlich der Erzeugung der elektrischen Energie durchgeführt werden muss, die dann aber günstiger aus dem Netz bezogen werden kann. Dies jedenfalls unter Berücksichtigung üblicher für Wohnungszwecke dienender Gebäude, die in ein vorhandenes Stromversorgungsnetz eingebunden sind. Selbst wenn zwei Gasturbinenanlagen vorgese- hen sind, ist eine schlechte Regelbarkeit gegeben, da immer auch die Stromseite beeinflusst ist.
Ausgehend von dem vorbeschriebenen Stand der Technik stellt sich der Erfin- düng die Aufgabe, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines gekoppelten Kraft-/ Wärmeprozesses einer einen Heizkreislauf aufweisenden Gebäudeheizung anzugeben, wobei eine möglichst hohe Wirtschaftlichkeit gegeben ist.
Diese Aufgabe ist zunächst und im Wesentlichen hinsichtlich des Verfahrens beim Gegenstand des Anspruches 1 gelöst, wobei darauf abgestellt ist, dass in Abhängigkeit des Wärmebedarfs der Gebäudeheizung eine Höherverdichtung aus der ersten Stufe, welche erste Stufe nur auf einen Teil des maximalen Wärmebedarfs der Gebäudeheizung ausgelegt ist, austretenden Gasstroms mittels der zweiten Gasturbinenstufe, die nur aus einer Turbine und einem Verdichter besteht, vorgenommen wird.
Erfindungsgemäß ist das Verfahren vorzugsweise auf die vollständige Deckung des Wärmebedarfs der Gebäudeheizung und gegebenenfalls zur Deckung des Wärmebedarfs zur Trinkwassererwärmung ausgelegt. Die Stromerzeugung ist gleichsam nur ein Nebenprodukt, das mit genutzt wird. Im Übrigen erfolgt aber eine ergänzende Stromversorgung durch die üblicherweise vorhandene Anbindung an das Stromnetz des örtlich bzw. regional zuständigen Energieversorgungsunternehmens. Dadurch, dass eine mehrstufige Gasturbinenan- Ordnung mit jeweils einer Turbine und einem Verdichter vorgesehen ist, kann insbesondere in Zeiten, in welchen der Wärmebedarf der Hausheizung größer ist als die Wärmemenge, die durch die erste Gasturbinenstufe zur Verfügung gestellt werden kann, der Brennstoff optimal genutzt werden. Da zudem die zweite Gasturbinenstufe nur aus einer Turbine und einem Verdichter besteht, ist diese, wenn sie zugeschaltet ist, vergleichsweise einfach hinsichtlich des ak- tuellen Wärmebedarfs nachführbar und regelbar. Hinsichtlich des Kreisprozesses kann eine höhere Temperatur- und Druckdifferenz gefahren werden. Andererseits kann über einen relativ großen Zeitraum der Heizperiode mittels der ersten Gasturbinenstufe auch noch zusätzlich elektrische Energie erzeugt wer- den, die zudem in der Regel damit zu günstigeren Kosten erzeugt werden kann, als sie über das übliche Versorgungsnetz etwa zu beziehen ist. Es ist auch möglich, elektrische Überschussenergie in das allgemeine elektrische Versorgungsnetz einzuspeisen.
Die zuschaltbare zweite Gasturbinenstufe ist also nur auf die Spitzenlast hin ausgelegt. Dies ermöglicht es, diese zweite Gasturbinenstufe, nämlich die Turbine und den Verdichter, vergleichsweise klein auszulegen. Dies ermöglicht es weiterhin, wie nachstehend noch ergänzend erläutert, auf Standardbauteile zurückzugreifen. Besonders bevorzugt ist hinsichtlich der Gasturbinenanlage für die zweite Stufe auf aus der Kfz-Technik vorhandene Komponenten, nämlich die bekannten Abgasturbolader, zurückgegriffen. Es kann praktisch die komplette Verdichter- und Turbineneinheit mit Wastegate oder variabler Turbinengeometrie (VTG), letzteres ist nachstehend auch noch weiter erläutert, eingesetzt werden.
Hinsichtlich des Brennstoffes kann vorrangig auf die vorhandene Brennstoffversorgung von Gebäuden zurückgegriffen werden. Also insbesondere Erdgas und Heizöl.
Vorzugsweise ist eine derartige Anlage und ein derartiges Verfahren bei Gebäuden kleiner bis mittlerer Größe einsetzbar. Nämlich bei Mehrfamilienhäusern, bis hin zu etwa sechs- bis zwanzig Wohneinheiten. Die nachstehend erläuterten Merkmale der weiteren Ansprüche sind im Hinblick auf den Hauptgedanken erläutert, können aber ggf. auch in ihrer unabhängigen Formulierung von Bedeutung sein.
Bevorzugt ist, dass der aus dem Verdichter der ersten Gasturbinenstufe austretende Gasstrom jedenfalls dann, wenn in dem Verdichter der zweiten Gasturbinenstufe weiterverdichtet wird, zuvor gekühlt wird. Dies ermöglicht es, die zweite Verdichtung bei einer relativ niedrigen Temperatur zu beginnen woraus eine Reduzierung der zu leistenden spezifischen Verdichterarbeit bei der zwei- ten Verdichtung resultiert . Weiterhin kann so die Entspannung des Gasstroms in der Turbine von einem optimal hohen Druckniveau ausgehend durchgeführt werden. Entsprechend wird die Kühlung des verdichteten Gasstroms, der aus dem Verdichter der ersten Gasturbinenstufe austritt, vor Eintritt in den Verdichter der zweiten Gasturbinenstufe durchgeführt.
Vor Eintritt des Gasstromes in die Brennkammer ist bevorzugt eine Vorwärmung, mittels eines Rekuperators, vorgesehen. Der Rekuperator ist hierbei bei zugeschalteter zweiter Gasturbinenstufe nach weiterer Verdichtung des Gasstroms durch den zweiten Verdichter vorgesehen. Es handelt sich um einen Gas- / Gaswärmetauscher, wobei der so verdichtete Gasstrom gegen den aus der Turbine der ersten Gasturbinenstufe austretenden und entsprechend entspannten Gasstrom im Wärmetausch geführt wird. Hierdurch wird in gewünschter Weise die Luft-(Gas-) Temperatur des aus der Turbine der ersten Gasturbinenstufe austretenden Gasstroms gekühlt, so dass sich zur Auskopp- lung von Wärme aus diesem entspannten Gasstrom in den Heizkreislauf ein Temperaturniveau ergibt, das mit vergleichsweise wenig aufwendigen Wärmetauschern zurechtkommt.
Vor die Turbine der zweiten bzw., wenn diese nicht aktiviert ist, der ersten Gas- turbinenstufe ist im Kreislauf des Prozesses die Brennkammer vorgesehen. Ei- nerseits wird sie von dem verdichteten, aus dem ersten und/ oder zweiten Verdichter austretenden Gasstrom durchsetzt und andererseits wird hier entsprechend Brennstoff hinzugegeben und findet die temperaturerhöhende Verbrennung statt. In dem Fall, dass Erdgas als Brennstoff genutzt wird, ist noch ein Gasverdichter für das Erdgas, als gesondertes Aggregat, vorgesehen. Flüssiger Brennstoff muss unter entsprechendem Druck in die Brennkammer eingedüst werden.
Der gekoppelte Kraft- / Wärmeprozess wird insgesamt als offener Prozess ge- führt. Der aus der Turbine der ersten Gasturbinenstufe austretende Gasstrom wird letztlich in üblicher Weise über einen Kamin in die Atmosphäre geleitet. Insgesamt gibt der Gasstrom im Laufe des Prozesses mehrfach über Wärmetauscher vorzugsweise Wärme an den Heizkreislauf und gegebenenfalls Wärme zur Trinkwassererwärmung ab, bevorzugt über einen zwischengeschalteten gesonderten internen, hauptsächlich der Wärmeübertragung und Trennung von Gasturbinenkreislauf und Heizkreislauf dienenden, Übertrager- Wasserkreislauf. Zunächst, wie bereits beschrieben, über den Gas- / Wasserwärmetauscher, der nach dem ersten Verdichter vorgesehen ist. Sodann über einen zweiten Gas- / Wasserwärmetauscher, der von dem aus der Turbine der ersten Gasturbine austretenden entspannten Gasstrom, nach Durchsetzen des Rekuperators, durchsetzt wird. Darüber hinaus ist bevorzugt noch weiter nachgeschaltet ein Brennwert- Wärmetauscher vorgesehen, in dem der Gasstrom also unter die Kondensationstemperatur abgekühlt wird.
Grundsätzlich können der zweite Gas- / Wasserwärmetauscher und der
Brennwertwärmetauscher auch integriert ausgeführt sein. Bevorzugt ist es jedoch, sie als gesonderte Aggregate auszuführen, auch mit einem nachgeschalteten Schalldämpfer, um das Austrittsgeräusch des Gasstroms bei Austritt in die Atmosphäre zu reduzieren. Gegenstand der Erfindung ist auch eine Gasturbinen-Gebäudeheizungsanlage, mit einem Gasstrom und einem Übertrager-Heizkreislauf, weiter mit einer mehrstufig ausgelegten Gasturbinenanordnung, einem Generator und einem zur Entkopplung von Wärme in den Heizungskreislauf und Trinkwasserkreis- lauf dienenden Wasser- / Wasserwärmetauscher.
Eine derartige Gasturbinen-Gebäudeheizungsanlage ist entsprechend in gleicher Weise aus der bereits angeführten DE 19613802 Al bekannt.
Insofern stellt sich auch anlagentechnisch die Aufgabe, eine Gasturbinen- Gebäudeheizungsanlage anzugeben, die eine möglichst wirtschaftliche Ausnutzung des eingesetzten Brennstoffes zur vollständigen Deckung des Wärmebedarfs der Gebäudeheizungsanlage ermöglicht, unter ergänzender Wandlung der eingesetzten Energie in elektrische Energie.
Diese Aufgabe ist zunächst und im Wesentlichen beim Gegenstand des Anspruches 11 gelöst, wobei darauf abgestellt ist, dass die zweite Gasturbinenstufe, die nur aus einer Turbine und einem Verdichter besteht, in Abhängigkeit des Wärmebedarfs der Gebäudeheizung zur Erreichung eines höheren Druckni- veaus im Kreisprozess zuschaltbar ist, wobei die zweite Gasturbinenstufe entsprechend einer Bypassleitung (waste-gate) umgehbar ist bzw. jedenfalls deaktivierbar ist.
Auch anlagentechnisch manifestiert sich die Erfindung in dem Konzept, die zweite Gasturbinenstufe lediglich zur Abdeckung von Spitzenlasten zuschaltbar vorzusehen, die Grundlast betreffend den Wärmebedarf der Gebäudeheizungsanlage aber mit der ersten Gasturbinenstufe fahren zu können, wobei hierbei auch zugleich, und entsprechend über einen bezogen auf die Heizperiode eines solchen Gebäudes relativ langen Zeitraum, ergänzend eine Wandlung in elektrische Energie vorgenommen wird. Diese elektrische Energie dient ne- ben der Eigenversorgung der Gasturbinen-Gebäudeheizungsanlage selbst und der Versorgung des Bedarfs des diesbezüglichen Gebäudes während der Heizperiode ggf. auch zum Einspeisen in das örtliche Versorgungsnetz.
Insgesamt ist aber wesentlich, dass die Anlage auf die Deckung des Wärmebedarfs des Gebäudes hin optimiert ausgelegt ist, unter möglichst guter Ausnutzung des jeweils eingesetzten Brennstoffs. Dadurch, dass die zweite Gasturbinenstufe deutlich kleiner ausgelegt ist als die erste Gasturbinenstufe und ein gewisser Spielraum bei der Auslegung der beiden Gasturbinenstufen besteht, kann jedenfalls hinsichtlich der zweiten Gasturbinenstufe auch auf Standardbauteile, wie etwa den Kraftfahrzeug-Turbolader, bevorzugt zurückgegriffen sein.
Die Merkmale der weiteren Ansprüche sind nachstehend im Zusammenhang mit dem vorbeschriebenen generellen Konzept der Gasturbinen-Gebäudeheizungsanlage beschrieben, können ggf. aber auch in ihrer unabhängigen Formulierung von Bedeutung sein.
Weiterhin ist bevorzugt, dass ein Rekuperator vorgesehen ist, mit welchem, ausgeführt als Gas- / Gaswärmetauscher, der aus der Turbine der ersten Gasturbinenstufe austretende entspannte Gasstrom im Wärmetausch zur Aufwärmung des aus dem zweiten Verdichter austretenden verdichteten Gasstroms abkühlbar ist. Der entspannte Gasstrom wird vor erster Auskopplung von Wärme, gegebenenfalls über einen Übertrager- Wasserkreislauf, somit auf ein niedrigeres Temperaturniveau gebracht.
Dieser letztere Wärmetausch wird entsprechend in einem Gas- / Wasserwärmetauscher durchgeführt. Dabei kann ein solcher Wärmetauscher bereits so ausgelegt sein, dass die Taupunkttemperatur des Gasstroms unterschritten wird, dass also auch die latente Wärme des Gasstroms entsprechend einem Brennwert- Wärmetauscher sogleich mitgenutzt wird. Bevorzugt ist aber, dass ein weiterer Brennwertwärmetauscher nachgeschaltet ist.
Nach dem Rekuperator durchsetzt der - ggf. zweifach - verdichtete Gasstrom die Brennkammer, die im Hinblick auf die hier relevanten Drücke (bspw. 4 bis 5 bar) als Mitteldruckbrennkammer zu bezeichnen ist. In die Brennkammer wird weiter, ggf., im Fall von Gas, insbesondere Erdgas, mittels eines Gasverdichters, Brennstoff eingeleitet und verbrannt. Es ergibt sich ein entsprechend hoch verdichteter und hoch temperierter Gasstrom der dann auf die Turbine der zwei- ten Gasturbinenstufe, bzw., wenn diese umgangen ist, auf die Turbine der ersten Gasturbineneinheit gegeben wird und dort entsprechend entspannt.
Wie sich bereits aus Vorstehendem ergibt, ist auf der Welle der ersten Gasturbinenstufe nicht nur die erste Turbine und der erste Verdichter, sondern auch ein Generator zur Erzeugung elektrischen Stroms angeordnet, während auf der Welle der zweiten Gasturbineneinheit nur der zweite Verdichter und die zweite Turbine angeordnet ist. Es ist weiterhin bevorzugt ein zentraler Regler vorgesehen, der sowohl einen zwischen den Generator und das allgemeine Stromnetz geschalteten Frequenzumrichter als auch den Gasverdichter (oder ggf. Ölpum- pe) und die Heizungsumwälzpumpe des Übertrager- Wasserkreislaufs regelt.
Lagerungstechnisch ist es bevorzugt, dass die Welle der ersten und / oder der zweiten Gasturbinenstufe und / oder des Generators mittels Gleitlagern gelagert ist, die weiter bevorzugt über eine zentrale Ölversorgung mittels einer Öl- pumpe versorgt werden. Es können aber auch für eine oder beide der genannten Wellen bzw. auch den Generator jeweils Wälzlager vorgesehen sein.
Nachstehend ist die Erfindung des Weiteren anhand der beigefügten Zeichnung, die jedoch lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellt, erläutert. Hierbei zeigt: Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Gasturbinen-Gebäudeheizungsanlage; und
Fig. 2 ein zugehöriges T- / S-Diagramm.
Dargestellt und beschrieben ist, zunächst mit Bezug zu Fig. 1, das grundsätzliche Blockschaltbild einer Gasturbinen-Gebäudeheizungsanlage, wobei eine mehrstufige Gasturbinenanordnung den Kern bildet. Die Gasturbinenanord- nung dient sowohl zur Erzeugung von Wärme (letztlich: Heizungswärme und Wärme zur Trinkwassererwärmung) wie auch zur Erzeugung von Kraft. Letzteres vorrangig zum Antrieb der Verdichter, aber auch des Generators. Es handelt sich somit um eine gekoppelte Kraft/ Wärmeanlage bzw. die Durchführung eines gekoppelten Kraft-/ Wärmeprozesses.
Diese Gasturbinen-Gebäudeheizungsanlage wird nur während der Heizperiode eines Gebäudes betrieben. Außerhalb der Heizperiode des Gebäudes erfolgt die Stromversorgung über die übliche Netz Versorgung, die parallel vorhanden ist. Darüber hinaus wird in der Regel während der Heizperiode nicht zur Eigen- nutzung verwendeter Strom in das Netz eingespeist. Natürlich kann bei Bedarf auch in diesem Zeitraum (zusätzlich) Strom aus dem Netz bezogen werden.
Es ist eine erste Gasturbinenstufe 1 und eine zweite Gasturbinenstufe 2 zu erkennen.
Während die erste Gasturbinenstufe 1 aus einem ersten Verdichter 3, einer ersten Turbine 4 und einem auf derselben Welle 28 angeordneten Generator 5 besteht, besteht die zweite Gasturbinenstufe 2 nur aus einem zweiten Verdichter 6 und einer zweiten Turbine 7. Der erste Verdichter 3 saugt Außenluft 9 über ei- nen Luftfilter 8 an. Nachgeordnet zu dem ersten Verdichter 3 ist ein erster Gas- / Wasserwärmetauscher 10 vorgesehen, in welchem der aus dem ersten Verdichter 3 austretende und entsprechend erwärmte Gasstrom im Wärmetausch zu dem Übertrager- Wasserkreislauf, der insgesamt mit dem Bezugszeichen 11 versehen ist, geführt ist.
Danach wird der verdichtete aber gekühlte Gasstrom auf den Verdichter 6 der zweiten Gasturbinenstufe 2 gegeben und geht von dort in den Rekuperator 13. Der Rekuperator 13 ist ein Gas- / Gas Wärmetauscher, in welchem der aus der ersten Turbine 4 austretende entspannte Gasstrom abgekühlt wird und im Gegenzug der verdichtete Gasstrom aus dem zweiten Verdichter 6 entsprechend vorgewärmt wird. Es kann auch vorgesehen sein, dass im Falle, dass die zweite Gasturbinenstufe 2 nicht aktiviert ist, auch der erste Gas- / Wasserwärmetau- scher 10 hinsichtlich des Gasstroms mittels einer weiteren, beim Ausführungsbeispiel nicht dargestellten Bypassleitung umgangen wird, um den aus dem ersten Verdichter 3 austretenden Gasstrom in diesem Fall nicht unnötig vor Eintritt in die Brennkammer 14 abzukühlen. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass hinsichtlich des Übertrager- Wasserkreislauf es 11 die Umwälzpumpe 32 nicht aktiviert ist oder nur auf eine geringe Umlaufgeschwindigkeit eingestellt ist. Wenn, wie bevorzugt vorgesehen, auch bei einem zur Regelung der zweiten Gasturbinenstufe vorgesehenen und vollständig geöffnetem Wastegate- Ventil 29 der Gasstrom noch über dem Verdichter 6 läuft (ohne allerdings eine nennenswerte Verdichtung zu erbringen) kann eine Abkühlung mittels des Wär- metauschers 10 aus Temperaturgründen erwünscht oder erforderlich sein.
Der verdichtete Gasstrom ist nach dem Rekuperator 13 in die Brennkammer 14 geführt. Hier wird mittels Brennstoff 15, der beim Ausführungsbeispiel als Erdgas angenommen ist und zuvor mittels eines Gas Verdichters 16 (Gasverdichter- einheit 36) entsprechend über das Druckniveau des Gasstromes verdichtet ist, Energie zugeführt. In der Brennkammer 14 kann ein gestuftes Verbrennungssystem vorgesehen sein. Beispielsweise ein zwei- oder dreistufiges Verbrennungssystem. Es kann etwa ein Brenner und ein (zuschaltbarer) Pilotbrenner vorgesehen sein. Auch ist bevorzugt in der Brennkammer 14 ein Temperatur- Wächter vorgesehen zur Vermeidung eines Überschreitens der maximal zulässigen Turbineneintrittstemperatur. Der Temperaturwächter kann zugleich als Flammwächter genutzt werden.
Nach der Brennkammer 14 wird der Gasstrom entweder auf die zweite Turbine 7 der zweiten Gasturbinenstufe 2 geführt oder mittels eines als Bypass wirkenden Ventils 29 praktisch nur auf die erste Turbine 4 der ersten Gasturbinenstufe 1 gegeben. Wie bereits erwähnt, ist als Ventil 29 hier bevorzugt das als „Waste- gate" bezeichnete Umgehungsvertil eines KFZ-Turboladers genutzt. Insgesamt entspricht die Schaltung der zweiten Gasturbinenschaltung vorzugsweise der- jenigen eines Abgasturboladers. Es kann zur Aktivierung oder Regelung bis hin zur Deaktivierung nur das auch dargestellte Wastegate- Ventil 29 vorgesehen sein.
Das Waste-Gate Ventil 29 kann zur Regelung der zweiten Gasturbinenstufe 2 entsprechend nicht nur offen oder geschlossen sein, sondern auch Zwischenstellungen einnehmen. Entsprechend dem Öffnungsgrad durchströmt dann nur ein Luftteilstrom (Gasteilstrom) die zweite Turbine 7. Ein gewisses Durchströmen eines kleinen Teilstroms durch die zweite Turbine 7 kann selbst bei vollständiger Öffnung des Waste-Gate Ventils 29 noch gegeben sein.
Hinsichtlich der ersten aber bevorzugt auch oder allein der zweiten Turbine 6 kann auch vorgesehen sein, dass eine sogenannte variable Turbinengeometrie verwirklicht ist (VTG). Hierbei wird zumeist ein Leitschaufelkranz mit verstellbarem Anstellwinkel vorgesehen. Dies ermöglicht es, auch bei geringeren als den maximalen Auslegungs-Gasvolumina eine möglichst hohe Leistung der Turbine zu erzielen.
Hinsichtlich des Übertrager- Wasserkreislauf 11 ist bereits die erste Einkopp- lung von Wärme durch den Gas- / Wasserwärmetauscher 10 erläutert worden. Von dem Übertrager-Heizkreislauf 11 wird die Wärme über den Wasser- / Wasserwärmetauscher 30 vorzugsweise auf den Heizkreislauf 12 übertragen wie in Figur 1 dargestellt. Alternativ kann der Wasser- / Wasserwärmetauscher 30 auch in ein Kombinationsspeichersystem integriert sein. Hierbei handelt es sich um ein System, in dem durch den Wasser- / Wasserwärmetauscher 30 sowohl Wärme auf den Heizungskreislauf übertragen wird als auch ein Wärmetausch mit einem integrierten Trinkwasserspeicher erfolgt. Hierdurch dient der Wärmetauscher 30 dann letztlich sowohl zur Trinkwassererwärmung als auch zum Wärmetausch mit dem Heizungskreislauf 12 in dem weiterhin eine Heiz- kreislauf-Umwälzpumpe 18 vorgesehen ist. Nach dem Wärmetauscher 10 durchsetzt das Wasser des Übertrager- Wasserkreislauf es 11 einen zweiten Gas- / Wasserwärmetauscher 19, in welchem es im Wärmetausch zu dem aus der ersten Turbine 4 austretenden, nach Durchsetzen des Rekuperators 13 um ein gewisses Maß gekühlten, Gasstrom geführt wird.
Danach durchsetzt der entspannte Gasstrom einen letzten, auch dem Übertrager-Wasserkreislauf 11 zugeordneten, Gas-/ Wasserwärmetauscher, der als Brennwärmetauscher 21 ausgeführt ist, um danach, nach Durchströmen eines Schalldämpfers 20, als Abgas (Abluft) 22 in die Atmosphäre abgelassen zu werden. Der Brennwertwärmetauscher 21 ist hierfür, gesehen von dem Ü- bertrager- Wasserkreislauf 11, stromabwärts zu dem Heizkreislauf- Übertragungswärmetauscher, dem Wasser- Wasserwärmetauscher 30, angeordnet. Weiter ist der Brennwertwärmetauscher 21 in dem genannten Sinne bevorzugt stromaufwärts zu der Umwälzpumpe 32 angeordnet. Die Verbraucher, also in der Regel Heizkörper, des Heizkreislaufes 12 sind durch das Bezugszeichen 23 angedeutet. Vorzugsweise versorgt der Heizkreislauf 12 eine Fußbodenheizung oder doch eine Heizungs anläge, in der ein wesentlicher Anteil der Wärme über eine Fußbodenheizung, oder ggf. eine sonsti- ge Flächenheizung, in den zu heizenden Raum gebracht wird. Wie an sich bekannt, kann das relativ niedrige nur erforderliche Vorlauftemperaturniveau einer solchen Flächenheizung hier günstig genutzt werden.
Zur Wandlung der Stromfrequenz des Generators 5 ist zwischen dem Strom- netz 24 und dem Generator 5 ein Frequenzumrichter 25 mit integrierter Netzrückspeisung vorgesehen. Der Generator 5 kann in bekannter Weise auch als Motor zum Anfahren der ersten Gasturbineneinheit 1 genutzt werden.
Als Hilfsaggregat für die gesamte Anlage ist eine Ölpumpe 26 vorgesehen, die entsprechend mit einem Ölvorrat 27 zusammengeschaltet ist. Mittels dieses Öl- vorrates, der in einen entsprechenden Öl- Kreislauf eingebunden ist, und der Ölpumpe 26 können die ggf. an der ersten Gasturbinenstufe 1 und der zweiten Gasturbinenstufe 2 ausgebildeten Gleit- oder Wälzlager versorgt werden. Dem Öl kann mittels eines Öl / Wasserwärmetauschers 31, der von dem Übertrager- Wasserkreislauf 11 versorgt wird, Wärme entzogen werden.
Zudem kann noch ein zentraler Regler 36, insbesondere zur Einwirkung auf die Umwälzpumpe 32 und/ oder die Heizkreislauf-Umwälzpumpe 18 und/ oder den Frequenzumrichter 25 und /oder den Gas Verdichter 16 und/ oder die Öl- pumpe 26 und / oder das Wast-Gate Ventil 29 vorgesehen sein.
Der maximaler Wärmebedarf der Gebäudeheizung ist der rechnerisch nach der einschlägigen Norm für den kältesten Tag ermittelte Wärmebedarf. Wenn kein maximaler Wärmebedarf der Gebäudeheizung gegeben ist, was regelmäßig der Fall sein wird, wird eine Regelung über die Drehzahl an der zweiten Gasturbi- nenstufe 2 vorgenommen. Auch hierzu dient das nach der Brennkammer 14 im Bypass zu dem Verdichter 7 vorgesehene sogenannten Wastegate 29. Weiter wird dann eine Anpassung an den aktuellen Wärmebedarf über eine Regelung der Drehzahl der ersten Gasturbineneinheit 1 vorgenommen.
Wie ersichtlich versorgt (zu Kühlungszwecken) der Übertrager- Wasserkreislauf 11 über Abzweige 11', 11", 11'", 11"", H'"" auch das Gehäuse der ersten Gasturbinenstufe 1 und der zweiten Gasturbinenstufe 2, den Generator 5, den Frequenzumformer 25 und auch einen Öl / Wasserwärmetauscher 33.
In dem Leitungsabschnitt zwischen dem zweiten Verdichter 6 und dem Rekuperator 13 kann, was in Fig. 1 nur gestrichelt dargestellt ist, noch ein Druckhalter 37 vorgesehen sein. Dieser kann etwa unterstützend zu einem Motorbetrieb des Generators oder allein für das Anfahren genutzt werden. Hierzu ist ein Druckhalterventil 34 vorgesehen, das die Leitung zu einem Druckspeicher 35 öffnet oder schließt. Der Druckspeicher 35 kann dann weiter über ein gesondert betätigbares, hier im Einzelnen nicht dargestelltes Ventil unter Umgehung des Rekuperators 13 und der Brennkammer 14 unmittelbar auf den zweiten Verdichter 7 geschaltet sein.
Typischerweise kann die zweite Gasturbinenstufe 2 mit einer Wellen-Drehzahl von 80.000 bis 200.000 (U/ min) betrieben werden. Dagegen hat die erste Gasturbinenstufe 1, bei zugeschalteter zweiter Gasturbinenstufe 2, eine Wellen- Drehzahl von ca. 70.000 bis 90.000, bevorzugt etwa 80.000. Dies ist zugleich auch die maximale Wellendrehzahl der ersten Gasturbinenstufe 1. Sie kann a- ber noch hinuntergeregelt werden bis auf etwa 20.000 - 30.000 U/ min.
Die maximale (Auslegungs-) Leistung der hier beschriebenen Anlage liegt bevorzugt zwischen 50 und 120 kW thermisch, wobei auf ca. 20 % einer solchen Anlagenleistung hinuntergeregelt werden kann. Der Brennstoff wird hierbei zu ca. 20 - 30 % in elektrische Energie und entsprechend 70 - 60 % thermische E- nergie umgewandelt.
Typische Luftströme für die genannten Leistungswerte liegen bei 0,15 - 0,4 kg/sek. (bezogen auf 50 bis 120 kW thermisch).
Für die Heizungsanlage sind an sich typische Auslegungswerte mit bis zu 80 - 85°C Vorlauftemperatur und ca. 45 °C oder weniger Rücklauftemperatur vorgesehen.
Aus dem T-s-Diagramm (Temperatur-Entropie-Diagramm) gemäß Fig. 2 ist die wärmetechnische Besonderheit dieser Gasturbinen-Gebäudeheizungsanlage ergänzend erkennbar.
Zunächst sei der Kreisprozess mit zugeschalteter zweiter Gasturbinenstufe 2 beschrieben:
Ausgehend von der Außenluft 9 vor der ersten Gasturbinenstufe 1 läuft der Prozess wie folgt ab:
Die angesaugte Außenluft 9 wird entsprechend mit einer Umgebungstemperatur, hier als To angenommen, angesaugt. In dem Verdichter 3 erfolgt die Verdichtung auf das Druckniveau Pi, entsprechend einer Temperatur Ti. Unter Beibehaltung des erreichten Druckniveaus Pi (Temperatur Ti) wird der aus dem Verdichter 3 austretende Gasstrom auf eine Temperatur T2 gekühlt, unter Abgabe einer entsprechenden Wärmemenge mittels des Wärmetauscher 10 an den Übertrager- Wasserkreislauf s 11.
Bei zugeschalteter zweiter Gasturbinenstufe 2 wird dann die Verdichtung von dem Druckniveau Pi, dem die Temperatur T2 entspricht, auf den maximalen Druck Pmax, dem das Temperaturniveau T3 entspricht, im Verdichter 6 durchgeführt. Nach durchströmen des Rekuperators 13, erreicht der Gasstrom Temperatur T4, bevor er in die Brennkammer eintritt und dort durch die Verbrennung mit dem Brennstoff die maximale Temperatur Tmax erreicht.
Nach Austritt aus der Brennkammer durchsetzt der Gasstrom die zweite Turbine 7, wobei eine Entspannung von Pmax auf den Druck Pi* und eine Abkühlung auf die Temperatur Ts erfolgt. Mit dem Druck Pi* und der Temperatur Ts tritt der Gasstrom in die Turbine 4 ein.
Durch die Entspannung in der Turbine 4 von einem Druckniveau Pi* auf ein Druckniveau Po, entsprechend einer Abkühlung von Ts auf T6/ wobei das Druckniveau Po in der Regel dem Umgebungsdruck entspricht, wird mechanische Energie gewonnen. Diese mechanische Energie treibt den Verdichter 3 und den Generator 5. Der so entspannte Gasstrom durchsetzt sodann den Rekuperator 13, und wird darin weiter auf T7 abgekühlt. Die der Temperaturdifferenz von T6 zu T7 entsprechende Wärme wird an den verdichteten Gasstrom abgegeben. In dem dargestellten T-s-Diagramm drückt sich dies dadurch aus, dass der verdichtete Gasstrom auf dem Druckniveau Pmaχ von T3 auf T4 erwärmt wird.
Weiter folgend dem entspannten Gasstrom wird dieser im Wärmetauscher 19 von T7 auf Te und in dem in den Wärmetauscher 21 auf eine hier beispielhaft angenommene Temperatur T9 abgekühlt.
Es versteht sich, dass der Prozess etwas idealisiert dargestellt ist. Es sollen hiermit aber auch nur die grundsätzlichen Vorgänge verdeutlicht werden. Die zweite Gasturbinenstufe 2 ist, durch das zu der zweiten Turbine parallelgeschaltet Wastegate- Ventil 29, dahingehend regelbar, dass auch Drücke unterhalb von Pmax (nur) erreicht werden.
Da der maximale Wärmebedarf einer solchen Gebäudeheizung in einer Heizperiode nicht oder nur singulär gegeben ist, wird sich in der Regel ein Kreispro- zess mit einem maximalen Druck zwischen Pmax und Pl einstellen, solange die zweite Gasturbine zugeschaltet ist. Wenn die zweite Gasturbine nicht zugeschaltet ist, ergibt sich nur noch ein Kreisprozess zwischen Po und Pi wobei am Eintritt in die Turbine der Gasturbinenstufe 1 (nur noch) die Temperatur T1O erreicht wird. In einem gewissen Ausmaß kann aber auch die erste Gasturbinenstufe noch geregelt werden, so dass hier ein Zwischen-Druckniveau, kleiner als Pi und größer als Po, (nur) erreicht werden kann. Die Regelung der ersten Gasturbinenstufe 1 kann etwa über den Generator 5 und/ oder den Frequenz- umformer 25 als Bremse erfolgen.
Soweit vorstehend von einem Kreisprozess gesprochen ist, versteht sich, dass in diesem Sinne kein geschlossener Kreisprozess vorliegt. Es ist ein offener Pro- zess.
Alle offenbarten Merkmale sind (für sich) erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Prioritätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollinhaltlich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender Anmeldung mit aufzunehmen.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Betreiben eines gekoppelten Kraft-/ Wärmeprozesses ei- ner einen Heizkreislauf aufweisenden Gebäudeheizung, wobei die Gebäudeheizung einen maximalen Wärmebedarf aufweist, wobei weiter zugleich ein Teil der eingesetzten Energie in elektrische Energie umgewandelt wird und der Prozess mit einer mehrstufig ausgebildeten Anordnung durchgeführt wird und wobei darüber hinaus mittels des aus- tretenden entspannten Gasstroms dem Heizkreislauf unter Abkühlung dieses Gasstroms Wärme zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit des Wärmebedarfs der Gebäudeheizung eine Höherverdichtung des aus der ersten Gasturbinenstufe austretenden Gasstroms mittels des Verdichters der zweiten Gasturbinenstufe, die nur aus einer Turbine und einem Verdichter besteht, vorgenommen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der aus der ersten Gasturbinenstufe austretende verdichtete Gas ström gekühlt wird.
3. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung des verdichteten Gasstroms bei zugeschalteter zweiter Gasturbinenstufe vor Eintritt in die zweite Gasturbinenstufe durchgeführt wird.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlung des Gasstroms zwischen erster und zweiter Gasturbinenstufe durch eine (erste) Übertragung von Wärme auf den Heizungskreislauf vorge- nommen wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasturbi- nenprozess als offener Prozess geführt wird.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom, gegebenenfalls nach Durchsetzen der zweiten Gasturbinenstufe, durch einen Rekuperator vorgewärmt wird.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom in dem Rekuperator durch den die erste Gasturbinenstufe nach Entspannung verlassenden Gasstrom aufgewärmt wird.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der die erste Gasturbinenstufe nach Entspannung verlassende Gasstrom durch eine (zweite) Übertragung von Wärme auf den Heizungskreislauf gekühlt wird.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die (zweite) Übertragung von Wärme vom Gasstrom auf den Heizungskreislauf durch- geführt wird nachdem der Gas ström den Rekuperator durchsetzt hat.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwand- lung in elektrische Energie mittels eines durch die erste Gasturbinenstufe angetriebenen Generators vorgenommen wird.
11. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme auf den Heizungs-Kreislauf mittels eines Übertrager- Wasserkreislaufs übertragen wird.
12. Gasturbinen-Gebäudeheizungsanlage, mit einem Gasstrom und einem Heizungskreislauf (12), weiter mit einer mehrstufig ausgelegten Gasturbinenanordnung (1,2), einem Generator (5) und einem zur Entkopplung von Wärme in den Heizkreislauf (12) dienenden Gas/ Wasserwärmetauscher (10), dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Gasturbinenstufe (2) , die nur aus einer Turbine (6) und einem Verdichter (7) besteht, in Abhängigkeit des Wärmebedarfs der Gebäudeheizung (12) zur Erreichung eines höheren Druckniveaus zuschaltbar ist, wobei ein entsprechendes, die zweite Gasturbinestufe (2) deaktivierendes und/ oder regelndes Aggregat (29) vorgesehen ist.
13. Gasturbinen-Gebäudeheizungsanlage nach Anspruch 12 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass bezüglich der zweiten Gasturbinenstufe (2), hinsichtlich des Verdichters (6) und/ oder der Turbine (7), ein deaktivierendes und/ oder regelndes Aggregat (29) vorgesehen ist.
14. Gasturbinen-Gebäudeheizungsanlage nach einem der Ansprüche 12 bis 13 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Gasturbinenstufe (2) wahlweise zuschaltbar ist.
15. Gasturbinen-Gebäudeheizungsanlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 14 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rekuperator (13) vorgesehen ist, und das der Rekuberator (13) bei zugeschalteter zweiter Gasturbineneinheit (2) im Gasstrom nach dem zweiten Verdichter (6) vorgesehen ist.
16. Gasturbinen-Gebäudeheizungsanlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 15 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom nach dem Rekuperator (13) noch einen zweiten Gas- /Wasser— Wärmetauscher (19) und/ oder einem als Brennwert-
Wärmetauscher (21) ausgelegten Wärmetauscher durchsetzt.
17. Gasturbinen-Gebäudeheizungsanlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 16 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom nach dem Rekuperator (13) einen Schalldämpfer (20) durchsetzt.
18. Gasturbinen-Gebäudeheizungsanlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 17 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalldämpfer (20) nach dem zweiten Gas- Wasserwärmetauscher (21) angeordnet ist.
19. Gasturbinen-Gebäudeheizungsanlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 18 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass ein zentraler Regler (36)vorgesehen ist, der zu Regelungszwecken auf einen zwischen dem Generator (5) und dem allgemeinen Netz (24) geschalteten Frequenzumformer (25) und/ oder einen Gas Verdichter (Öl- pumpe (16) und/ oder eine Umwälzpumpe (32) und / oder das Aggregat 29 einwirken kann.
20. Gasturbinen-Gebäudeheizungsanlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 19 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/ oder zweite Gastrubinstufe (1,2) und/ oder der Generator (5) mittels eines Gleitlagers gelagert ist.
21. Gasturbinen-Gebäudeheizungsanlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 20 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass eine zentrale Ölversorgung für die Gleitlager vorgesehen ist.
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