EP2655832A2 - Verfahren zum betrieb einer kleingasturbinenanordnung, sowie kleingasturbinenanordnung - Google Patents

Verfahren zum betrieb einer kleingasturbinenanordnung, sowie kleingasturbinenanordnung

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EP2655832A2
EP2655832A2 EP11801588.2A EP11801588A EP2655832A2 EP 2655832 A2 EP2655832 A2 EP 2655832A2 EP 11801588 A EP11801588 A EP 11801588A EP 2655832 A2 EP2655832 A2 EP 2655832A2
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EP
European Patent Office
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turbine
compressor
stage
stages
generator
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11801588.2A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Franz Wimmer
Friedrich Benra
Hans-Josef Dohmen
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Conpower Patente & Co KG GmbH
Original Assignee
Conpower Patente & Co KG GmbH
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Publication date
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Publication of EP2655832A2 publication Critical patent/EP2655832A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/03341—Sequential combustion chambers or burners

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a small-gas turbine arrangement, as well as a small-gas turbine arrangement itself
  • Micro or small gas turbines are becoming increasingly important in connection with the use of renewable energy sources or renewable raw materials. Meanwhile, techniques are known in which high process temperatures are achieved with the help of dust firing of dry biomass. With regard to the overall concept, small gas turbines are therefore important for the generation of electricity from renewable raw materials. It is also known that gas turbines currently achieve a maximum efficiency of less than 40% with the cycle processes carried out. The invention is therefore based on the object to further develop a method of the generic type to the effect that significantly higher efficiencies, and especially on the use of renewable raw materials especially
  • Core of the inventive method is that in a number of turbines, before each turbine or turbine stage a
  • Combustion chamber is arranged, and the gas outlet of each turbine or turbine stage is first introduced into the combustion chamber of the next turbine or turbine stage, and that the
  • a compressor arrangement with M stages in which the compressor stages (1 to M) (pressure medium-locking) are connected in series, and that between each two successive compressor stages, ie behind each compressor stage, a liquid evaporator medium is injected, such that also behind the last compressor is also a final injection.
  • the small gas turbine arrangement is configured with a plurality of compressor stages and a plurality of turbine stages, in the manner of a turbine circuit process.
  • desired mains frequency usually 50 or 60 Hz.
  • - Cooling by evaporation of evaporator medium for example water, but preferably not exclusively to the saturation point.
  • evaporator medium for example water
  • - Cooling energy is retained in or in the system, and represents also in this regard the cycle.
  • Evaporator media injection is the energy consumed by the cooling system (i.e., energy removal by reducing the cooling system
  • Air temperature is not discharged via the system boundary, but remains in the system (in the manner of a cycle).
  • the system is easy and effective to operate. Especially with the accruing
  • Evaporator medium and liquid fuel is used, and thus injected at those injection sites at which the evaporator medium is injected.
  • the liquid fuel initially serves as
  • Evaporating medium and fuel provide a number of advantages. Due to the multi-stage injection of the fuel, initially as the evaporator medium, there is a subsequent optimal air mixing of the fuel, and then ensures in the combustion chamber for optimal subsequent combustion. It is important in the case of the use of vaporizable liquid
  • ORC medium Organic Rankine Cycle
  • Anstellwinkels the vanes takes place in at least the first compressor stage.
  • the turbines and the compressors mechanically engage with a shaft coupled to a generator / motor arrangement, and that in a starting mode the generator is operated in the drive or motor mode and subsequently in the generator mode. So it requires only one relevant aggregate with the said
  • Short rotation crops A special exception here is the biomass IGNISCUM (CPVO 2007/0149). Although this is also a short rotation plant with at least one harvest per year, its lignin content is surprisingly high and above all, the ash melting point is well above 1,000 ° C.
  • the combustion is effective, without sooting etc, and protects the turbines by avoiding or significantly reducing deposits.
  • said biomass is so advantageous in connection with the method and the device according to the invention.
  • this biomass Igniscum has the advantage that it is both solid or dust-fine fuel, as biogas can be obtained.
  • the mixed fuel supply of simultaneously gas and dust from the same energy crop achieves extremely high levels
  • the gist of the invention is that with a number of N
  • Turbine stage is arranged a combustion chamber, and the
  • Gas output of each turbine or turbine stage is first introduced into the combustion chamber of the next turbine or turbine stage, and that the gas outlet of the last turbine or turbine stage in turn leads via a recuperation thermal energy back into the gas stream before entering the first combustion chamber of the first turbine stage.
  • the cooled outlet air from the last compressor stage ensures that recuperation becomes significantly more effective.
  • Multi-stage steam turbines with reheat are known, but small gas turbines with intermediate combustion are not common. Due to the combination of recooling and recuperation not yet used with small gas turbines and a multi-stage (at least
  • Cooling at the outlet behind each compressor stage A maximum of so much evaporator medium is introduced into the air stream that the saturation point of the air is in accordance with their
  • the evaporator medium for example water is finely injected so that it evaporates, in each case at a defined point in the process. This requires small droplets.
  • the small size of the droplets favors the ratio of drop surface to
  • Drop volume This means that the drop surface becomes large in relation to the drop volume.
  • Multi-stage compressors are known per se. With everyone
  • Compressor stage is fed to the air more energy, or the pressure of the compression process is increased.
  • the compression is kept almost isothermal and thus requires less compressor work.
  • multi-stage transmission compressors are generally known per se.
  • the invention provides an arrangement for small gas turbines in which the simultaneous
  • the injection of the evaporator medium is carried out by an injection opening arranged there, such that the evaporation already shortly before reaching the following
  • Compressor stage takes place, unless it is the injection port behind the last compressor stage, so that at the same time a drop erosion of the compressor is avoided.
  • the central shaft of the generator is provided or connected with a sun gear, and that the individual shafts of both the turbines, or
  • Turbine stages, as well as the compressor or compressor stages are provided with gear elements and the central
  • Generator assembly are arranged around, and so form a compact unit.
  • all transmission elements are arranged in an existing housing parts but ultimately in a contiguous in the assembled state housing.
  • the case may be jagged, but still connected. So also an effective heat management is possible. Mechanically, this one has
  • Figure 1 Schematic representation of the entire process.
  • Figure 2 embodiment of a compact arrangement
  • Compressor stage 1 outside air is sucked in, and before it goes into the second compressor stage 2, is between the first and second compressor stage, the first injection site 5, which may also be designed as a conduit extension, so one
  • Injection space forms. Between the compressor stage 2 and 3 is a further injection site 6, and between the third and the fourth compressor stage, the further injection site 7 is placed. Also at the output of the fourth and thus here last compressor stage 4, a further injection point 8 is placed. From there it goes then pressure-locked into the first combustion chamber 13, in which gaseous and / or liquid and / or
  • dusty solid fuel such as Igniscum powder is sprayed for combustion. From there it goes into the first turbine 10 and the first turbine stage 10. The output of the first turbine stage 10 then opens into the second combustion chamber
  • Solid fuel be sprayed.
  • a recuperator 12 is arranged between the output of the last compressor stage 4 after the cooling injection site 8, in which the at the second
  • the residual heat generated there is still remanufactured by a downstream ORC cycle.
  • this heat is passed through a heat exchanger 32, which transfers the residual heat of the primary process in a low-temperature working fluid. From there, it goes via a turbine 31 in the ORC process, which is coupled to a second generator.
  • the output of the turbine 31 is guided via a recuperation 33 in the ORC process and then fed to a capacitor 35, subsequently the ORC medium is guided in the ORC cycle process by means of pump 34.
  • All compressors and turbines arranged in the primary process are in mechanical operative engagement with each other. This can be realized by a common wave, or by a
  • Gear coupling An example of a transmission coupling is shown in FIG. Figure 2 shows a very significant
  • the compressors 1 to 4 are in this case arranged below, and the generator 20 is centrally placed around the axis (central shaft) not shown here centrally.
  • the compressor 1 has the adjusting means for the
  • the turbines 10 and 11 are placed above the generator 20, with the first turbine 10 in the front and the second turbine in the back. Between the individual compressor stages, the water or evaporator media injection sites are placed.
  • the invention thus described is a specific gas turbine cycle process that utilizes continuous water injection to recirculate the compression process, that uses the energy of the combustion gas to a very high degree in the context of recuperative heat transfer, and the multiple combustion to another

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Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Betrieb einer Kleingasturbinenanordnung, sowie Kleingasturbinenan Ordnung selbst, mit mindestens einem Verdichter/ -stufe und mindestens einer Turbine oder Turbinenstufe, bei welcher Verdichter und Turbinen/Turbinenstufen auf eine Generatorachse zur Stromerzeugung einwirken. Um hierbei eine deutliche Wirkungsgradsteigerung zu erzielen, ist erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass bei einer Anzahl N Turbinen oder Turbinenstufen, vor jeder Turbine bzw. Turbinenstufe eine Brennkammer angeordnet ist, und der Gasausgang jeder Turbine bzw Turbinenstufe zunächst in die Brennkammer der nächstfolgenden Turbine bzw Turbinenstufe eingeleitet wird, und dass der Gasauslass der letzten Turbine bzw. Turbinenstufe wiederum über eine Rekuperation thermische Energie wieder zurück in den Gasstrom vor Eintritt in die erste Brennkammer der ersten Turbinenstufe führt.

Description

Verfahren zum Betrieb einer Kleingasturbinenanordnung, sowie Kleingasturbinenanorndung selbst Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer
Kleingasturbinenanordung, sowie Kleingasturbine selbst, gemäß Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 11.
Mikro- oder Kleingasturbinen gewinnen im Zusammenhang mit dem Einsatz von erneuerbaren Energieträgern bzw nachwachsenden Rohstoffen zunehmend an Bedeutung. Mittlerweile sind auch Techniken bekannt, bei denen mit Hilfe von Staubfeuerungen von trockener Biomasse hohe Prozesstemperaturen erzielt werden. In Bezug auf das Gesamtkonzept sind somit Kleingasturbinen zur Stromerzeugung aus nachwachsenden Rohstoffen von Bedeutung. Es ist außerdem bekannt, dass Gasturbinen derzeit mit den durchgeführten Kreisprozessen einen maximalen Wirkungsgrad von weniger als 40% erreichen. Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art dahingehend weiter zu entwickeln, dass deutlich höhere Wirkungsgrade entstehen, und eine insbesondere auf die Verwendung nachwachsender Rohstoffe besonders
vorteilhaft applizierbare Technik entsteht. Die gestellte Aufgabe ist bei einem Verfahren der gattungsgemäßen Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 8 angegeben.
Im Hinblick auf eine Kleingasturbine selbst, ist die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 11 gelöst.
Weitere diesbezügliche Ausgestaltungen sind in den übrigen abhängigen Ansprüche angegeben. Dem schließt sich in den Ansprüchen 9 und 10 eine
erfindungsgemäße Verwendung an.
Kern der verfahrensgemäßen Erfindung ist, dass bei einer Anzahl von Turbinen, vor jeder Turbine bzw Turbinenstufe eine
Brennkammer angeordnet ist, und der Gasausgang jeder Turbine bzw Turbinenstufe zunächst in die Brennkammer der nächstfolgenden Turbine bzw Turbinenstufe eingeleitet wird, und dass der
Gasauslass der letzten Turbine bzw Turbinenstufe wiederum über eine Rekuperation thermische Energie wieder zurück in den
Gasstrom vor Eintritt in die erste Brennkammer der ersten Turbinenstufe führt .
Der sich ergebende Vorteile ist, dass dies zu einer erheblichen Steigerung des Wirkungsgrades führt. Außerdem lassen sich solche Kleingasturbinenanordnungen extrem kompakt bauen. Ferner wird eine hohe Drehzahlfreiheit
geschaffen, mit Mitteln, die noch nachfolgend näher beschrieben werden . In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass im mechanischen Dreheingriff der Turbinen bzw Turbinenstufen eine Verdichteranordnung mit M Stufen vorgesehen ist, bei welcher die Verdichterstufen (1 bis M) (druckmittelschlüssig) in Reihe geschaltet sind, und dass zwischen jeweils zwei aufeinander folgenden Verdichterstufen, d.h. hinter jeder Verdichterstufe ein flüssiges Verdampfermedium injiziert wird, derart, dass auch hinter dem letzten Verdichter ebenfalls eine letzte Injektion erfolgt. Aus diesem Konzept ergeben sich die bereits erwähnten Wirkungsgradsteigerungen im Prozess.
Einer der wesentlichen Aspekte der Erfindung ist, dass die Kleingasturbinenanordnung mit mehreren Verdichterstufen und mehreren Turbinenstufen, nach Art eines Turbinenkreisprozesses ausgestaltet ist.
Zusammengefasst ergeben sich bei diesem Konzept folgende Aspekte im Detail.
- Als Getriebeaufbau mit einem zentralen Sonnen- Zahnrad mit dem der Generator verbunden ist, und auf den Sternrädern angeordnete Verdichter- und Turbinen-Stufen mechanisch gekoppelt sind.
- Jeweils eine bzw. max. zwei Verdichter- oder Turbinen-Stufen auf den beiden Seiten einer Sternradwelle.
- Die Möglichkeit, dass unterschiedliche Geschwindigkeiten von Verdichter-Stufen und Turbinen-Stufen gegeben sind, ergibt sich aufgrund der Anordnung bzw Verwendung mehrerer Wellen.
Eine einwellige Anordnung ist aber dennoch nicht ausgeschlossen.
- Freie Auswahl als Axial- oder Radial -Ausführung der Verdichter oder der Turbinen-Stufen. - Eine fest wählbare Drehzahl für Generator (Sonnenzahnrad) ist möglich, vorgegeben durch die jeweilig vorhandene, oder
gewünschte Netzfrequenz (üblich 50 oder 60 Hz) .
- Leistungsregelung der Klein-Gasturbine bei konstanter Drehzahl mittels Verstellung der Leitschaufeln in der ersten
Verdichterstufe .
- Jeweils eine Kühlung nach jeder Verdichterstufe.
- Kühlung durch Verdampfung von Verdampfermedium, bspw Wasser, vorzugsweise aber nicht ausschließlich bis zum Sättigungspunkt. - Kühlungsenergie bleibt dem bzw im System erhalten, und stellt auch diesbezüglich den Kreisprozess dar.
- Nutzung der Abwärme als Wärmeauskoppelung: Heiz-Kraft- Gasturbine (HKGT) , oder weitere Nutzung der Abwärme mittels ORC Anlage . - Für Insel- oder Netzparalell-Betrieb geeignet.
- Mehrstufiger Verdichter.
- Mehrstufige Turbine mit Zwischenverbrennung.
- Verdichterkühlung nach der Verdichtung.
- Rekuperation und Verdichterkühlung zusammen eingesetzt.
Zwar ist die Rückkühlung bei Serienschaltungen von Verdichtern an sich Stand der Technik. Der erfindungsgemäße Unterschied besteht hierbei aber darin, dass
bei der erfindungsgemäßen bzw ausgestaltungsgemäßigen
Verdampfermedieneinspritzung die von dem Kühlsystem aufgenommene Energie ( d.h. Energieentzug durch Reduzierung der
Lufttemperatur) nicht über die Systemgrenze abgeführt wird, sondern im System (nach Art eines Kreisprozesses) verbleibt. Mit dem Verdampfermedium Wasser ist das System einfach und effektiv zu betreiben. Insbesondere bei den anfallenden
Prozesstemperaturen von mehreren hundert Grad Celsius.
Dennoch sind auch andere Verdampfermedien als Wasser möglich.
Dementsprechend ist weiterhin ausgestaltet, dass als
Verdampfermedium auch flüssiger Kraftstoff verwendet wird, und somit an denjenigen Injektionstellen injiziert wird, an denen das Verdampfermedium injiziert wird.
Der flüssige Brennstoff dient dabei zunächst als
Verdampfermedien .
Aus der Verwendung von flüssen Brennstoffen zugleich als
Verdampfermedium und Brennstoff ergeben sich eine Reihe von Vorteilen. Durch die mehrstufige Injektion des Brennstoffes, zunächst als Verdampfermedium, erfolgt eine spätere optimale Luftvermischung des Brennstoffes, und sorgt hernach in der Brennkammer für eine optimale spätere Verbrennung. Wichtig ist im Fall der Verwendung von verdampfungsfähigen flüssigen
Brennstoffen zunächst als Verdampfermedium, dass der Prozess so gesteuert wird, dass es außerhalb der Brennkammern nicht zu Zündungen des verdampften Brennstoffes kommt.
Da die oftmals sehr leicht flüchtigen flüssigen Brennstoffe eine hohe Verdampfungsenthalpie aufweisen, ist deren Verwendung auch als Verdampfermedium höchst geeignet.
Im Niedertemperaturbereich bspw im Bereich der Kühlung kann zusätzlich auch noch ORC-Medium (Organic-Rankine-Cycle)
eingesetzt werden, zur Nachverstromung auch dieser
niederkalorischen Abwärme. Dies erfolgt aber in einem vom oben genannten Kreisprozess getrennten, gesonderten Kreisprozess .
Weiterhin ist vorteilhaft ausgestaltet, dass auch vor Eintritt in die Turbinen bzw in die Turbinenstufen Verdampfermedium, vorzugsweise Wasser zum Zweck der Turbinenreinigung temporär injiziert wird. In Bezug auf den Brennstoff für eine solche Anordnung sind grundsätzlich für dieses Verfahren jedwede Energieträger in flüssiger und/oder gasförmiger und/oder staubförmiger Form in die Brennkammern injizierbar. Weiterhin ist vorteilhaft ausgestaltet, dass eine
Leistungsregelung der Kleingasturbine bzw der
Kleingasturbinenanordnung durch eine Verstellung des
Anstellwinkels der Leitschaufeln in mindestens der ersten Verdichterstufe erfolgt.
Weiterhin ist vorteilhaft ausgestaltet, dass die Turbinen und die Verdichter auf eine mit einer Generator/Motor-Anordnung gekoppelten Welle mechanisch eingreifen, und dass in einem Anfahrmodus der Generator im Antriebs- oder Motormodus und nachfolgend im Generatormodus betrieben wird. So bedarf es nur eines diesbezüglichen Aggregates mit der besagten
Doppelfunktion. Die Ausführung dieser Doppelfuktion liegt dabei in der aggregatexternen elektischen Umschaltung zwischen Motor- und Generatorbetrieb.
Weiterhin ist eine erhebliche vorteilhafte Verwendung von Biomasse staubfein gemahlen, mit Ascheschmelzpunkten oberhalb von 1.000 °C, zur Injizierung in die Brennkammern nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 gegeben.
Der Grund hierfür ist nicht trivial. Bei Temperaturen in diesem Bereich ergibt sich ein hoher Wirkungsgrad per se . Um diese Temperaturen aber zu erreichen, ist es notwendig, auch eine Biomasse zur Verfügung zu haben die bspw einen hohen
Ligningehalt aufweist. Dies wird bei Weitem nicht von jedem nachwachsenden Rohstoff erreicht. Langsam wachsende Hölzer wie Pappel und Weiden erzielen dies aber eher als
Kurzumtriebspflanzen. Eine besondere Ausnahme bildet hier die Biomasse IGNISCUM (CPVO 2007/0149) . Obwohl diese ebenfalls eine Kurzumtriebspflanze mit mindestens einer Ernte pro Jahr ist, ist deren Ligningehalt überraschend hoch und vor allem liegt der Ascheschmelzpunkt deutlich über 1.000 °C.
Dadurch ist die Verbrennung effektiv, ohne Versottung etc, und schont die Turbinen durch Vermeidung oder erhebliche Reduktion von Ablagerungen. Aus diesem Grund ist diese besagte Biomasse im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Einrichtung so vorteilhaft.
Ferner bietet diese Biomasse Igniscum den Vorteil, dass daraus sowohl fester bzw staubfeiner Brennstoff, als Biogass gewinnbar ist. Die gemischte Brennstoffzufuhr von gleichzeitig Gas und Staub aus derselben Energiepflanze erzielt extrem hohe
Verbrennungstemperaturen mit einer nahezu vollständig
rückstandslosen Verbrennung.
Im Hinblick auf eine Kleingasturbinenanordnung selbst besteht der Kern der Erfindung darin, dass bei einer Anzahl von N
Turbinen oder Turbinenstufen, vor jeder Turbine bzw
Turbinenstufe eine Brennkammer angeordnet ist, und der
Gasausgang jeder Turbine bzw Turbinenstufe zunächst in die Brennkammer der nächstfolgenden Turbine bzw Turbinenstufe eingeleitet wird, und dass der Gasauslass der letzten Turbine bzw Turbinenstufe wiederum über eine Rekuperation thermische Energie wieder zurück in den Gasstrom vor Eintritt in die erste Brennkammer der ersten Turbinenstufe führt .
Desweiteren liegt eine Kombination aus Rekuperation,
unkonventioneller Verdichterkühlung und mehrstufiger
Verbrennung, als Wesen der Erfindung vor. Dies bewirkt
folgendes :
Durch die Rekuperation wird erreicht, dass ein erheblich höherer Wirkungsgrad bei gleichzeitig niedrigerem
Verdichtungsverhältniss erreicht wird.
Durch die gekühlte Austrittsluft aus der letzten Verdichterstufe wird erreicht, dass eine Rekuperation deutlich effektiver wird.
Durch eine mehrstufige Verbrennung wird die mittlere
Arbeitstemperatur der Wärmezufuhr angehoben, damit wird der thermische Wirkungsgrad erhöht. Mehrstufige Dampfturbinen mit Zwischenüberhitzung sind bekannt, aber Kleingasturbinen mit Zwischenverbrennung sind nicht üblich. Durch die bisher bei Kleingasturbinen nicht eingesetzte Kombination von Rückkühlung und Rekuperation und einer mehrstufigen (mindestens
zweistufigen) Turbine mit Zwischenverbrennung kann ein
mechanischer Wirkungsgrad von gleich oder größer 50 % erreicht werden.
Ein weiteres Potential der Wirkungsgraderhöhung liegt in der noch möglichen Turbinen-Schaufelkühlung. Art der Kühlung:
Kühlung am Austritt hinter jeder Verdichterstufe: Es wird maximal soviel Verdampfermedium in den Luftstrom eingebracht, dass der Sättigungspunkt der Luft entsprechend ihrer
Zustandsgrößen hinter der Verdichterstufe erreicht wird.
Das Verdampfermedium, bspw Wasser wird so fein injiziert, dass es verdampft, und zwar jeweils an definierter Stelle im Prozess. Hierzu werden kleine Tröpfchen benötigt. Die Kleinheit der Tröpfchen begünstigt das Verhältnis von Tropfenoberfläche zu
Tropfenvolumen. Das heisst, dass die Tropfenoberfläche in Bezug zum Tropfenvolumen groß wird.
Mehrstufige Verdichter sind an sich bekannt. Mit jeder
Verdichterstufe wird der Luft weitere Energie zugeführt, bzw. der Druck des Verdichtungsprozesses wird erhöht. Bei der Kühlung von mehrstufigen Verdichtern wird die Verdichtung annähernd isotherm gehalten und benötigt so weniger Verdichterarbeit.
Die Besonderheit liegt aber darin, dass bei Kleingasturbinen die Kühlung zum einen hinter der Verdichterstufe und zum anderen so gezielt eingesetzt wird, dass nach der letzten Verdichterstufe eine Rekuperation äußerst effektiv ist und dabei noch die
Energie, die durch die Verdampfungskühlung aufgenommen wird, das System nicht verlässt.
Auch sind im Allgemeinen mehrstufige Getriebeverdichter an sich bekannt. Demgegenüber wird mit der Erfindung eine Anordnung für Kleingasturbinen geschaffen, bei welcher die gleichzeitige
Platzierung der Turbinenstufen auf einem gemeinsamen Getriebe mit der mehrstufigen Verdichtung zusammengeführt ist. Dies ergibt zum einen eine ganz erhebliche Kompaktierbarkeit der Anordnung, die andererseits aber auch dazu führt, dass der
Gesamtwärmehaushalt bzw die Gesamtwärmeführung des Prozesses ganz erheblich optimiert wird. In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist daher angegeben, dass in der Verbindungsleitung zwischen der (n-1) -ten und der n- ten Verdichterstufe, sowie auch direkt nach der n-ten
Verdichterstufe, die Injektion des Verdampfermediums durch eine dort angeordnete Injektionsöffnung erfolgt, derart, dass die Verdampfung bereits kurz vor Erreichen der nachfolgenden
Verdichterstufe erfolgt, sofern es nicht die Injektionsöffnung hinter der letzten Verdichterstufe ist, so dass zugleich eine Tropfen-Erosion des Verdichters vermieden wird.
Weiter ist vorteilhaft ausgestaltet, dass die zentrale Welle des Generators mit einem Sonnengetriebe versehen oder verbunden ist, und dass die einzelnen Wellen sowohl der Turbinen, bzw
Turbinenstufen, als auch der Verdichter bzw Verdichterstufen mit Getriebelementen versehen sind und auf das zentrale
Sonnengetriebeelement der Generatorwelle eingreifen. Dies bewirkt die ganz erhebliche, oben bereits beschriebene
Kompaktheit der Anordnung mit allen bereits genannten Vorteilen. Vorteilhaft ist hierbei, dass auf der zentralen Welle eine kombinierte Generator/Motor-Anordnung angeordnet ist. Durch entsprechende einfache elektrische Beschaltung von außen kann die Generatoranordnung auch temporär auf Motorfunktion
umgeschaltet werden, um die Turbinen- und Verdichteranordnung zunächst anzufahren. Später, d.h. nach dem Anfahren wird wieder auf Generatorbetrieb umgeschaltet .
Um dies entsprechend auszugestalten ist weiterhin vorgeschlagen, dass auch die Turbinen oder Turbinenstufen, sowie die Verdichter bzw Verdichterstufen selbst planetenartig um die zentrale
Generatoranordnung herum angeordnet sind, und so eine kompakte Baueinheit bilden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass sämtliche Getriebeelemente in einem aus Gehäuseteilen bestehenden aber letztendlich in einem im montierten Zustand zusammenhängenden Gehäuse angeordnet sind. Das Gehäuse kann zwar zerklüftet sein, aber dennoch zusammenhängend. So ist auch ein effektives Wärmemanagement möglich. Mechanisch hat diese
Kompaktheit aber auch den Vorteil, dass auch die
Getriebeelemente so kompakt sind, dass ein reibungsreduzierter Getriebeeingriff möglich ist. Als alternative Ausgestaltung ist die Realisierung des
erfindungsgemäßen Konzeptes aber auch bei einer seriellen
Verdichter- und Turbinenanordnung möglich. Diese Bauform betrifft eine einwellige Ausgestaltung der gesamten Anordnung. Ein Ausgestaltungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend näher erläutert .
Es zeigt:
Figur 1: Prinzipdarstellung des gesamten Prozesses.
Figur 2: Ausgestaltung einer kompakten Anordnung mit
Sonnenradgetriebe .
Figur 1 zeigt eine Prinzipdarstellung des Prozesses mit einer mehrstufigen Verdichtung (hier m=4) . In der ersten
Verdichterstufe 1 wird Außenluft angesaugt, und bevor es in die zweite Verdichterstufe 2 geht, ist zwischen erster und zweiter Verdichterstufe die erste Injektionsstelle 5, die auch als Leitungserweiterung ausgebildet sein kann, also einen
Injektionsraum bildet. Zwischen der Verdichterstufe 2 und 3 ist eine weitere Injektionsstelle 6, und zwischen der dritten und der vierten Verdichterstufe ist die weitere Injektionsstelle 7 platziert. Auch am Ausgang der vierten und damit hier letzten Verdichterstufe 4 ist eine weitere Injektionstelle 8 plaziert. Von dort geht es dann druckschlüssig in die erste Brennkammer 13, in welche gasförmiger und/oder flüssiger und/oder
staubförmiger Festbrennstoff, wie bspw Igniscum- Pulver zur Verbrennung eingesprüht wird. Von dort geht es in die erste Turbine 10 bzw die erste Turbinenstufe 10. Der Ausgang der ersten Turbinenstufe 10 mündet dann in die zweite Brennkammer
14, in welche ebenfalls Igniscum pulverfein gemahlen eingesprüht wird. In beide Brennkammern 13 und 14 kann auch jeder andere Brennstoff, gasförmig, flüssig, oder als pulverisierter
Festbrennstoff eingesprüht werden.
Wie oben schon ausgeführt, ist zwischen Ausgang der letzten Verdichterstufe 4 nach der kühlenden Injektionsstelle 8 ein Rekuperator 12 angeordnet, bei dem die an der zweiten
Turbinenstufe anfallende Wärme an den Punkt vor Eintritt in die erste Brennkammer 13, also in den Prozess rekuperiert wird.
Die dort anfallende Restwärme wird durch einen nachgeschalteten ORC-Kreisprozess noch nachverstromt . Hierzu wird diese Wärme über einen Wärmetauscher 32 geleitet, der die Restwärme des Primärprozesses in ein Niedertemperatur-Arbeitsmedium überträgt. Von dort geht es über eine Turbine 31 im ORC- Prozess, die mit einem zweiten Generator gekoppelt ist. Der Ausgang der Turbine 31 wird über eine Rekuperation 33 im ORC-Prozess geführt und dann einem Kondensator 35 zugeführt, nachfolgend wird das ORC- Medium im ORC-Kreisprozess mittels Pumpe 34 geführt. Es handelt sich hierbei also um eine Anordnung von N=2 Turbinen, und auch N=2 Brennkammern.
Alle im Primärprozess angeordneten Verdichter und Turbinen stehen im mechanischen Wirkeingriff zueinander. Dies kann durch eine gemeinsame Welle realisiert sein, oder durch eine
Getriebekopplung. Ein Beispiel für eine Getriebekopplung ist in Figur 2 ausgeführt. Figur 2 zeigt eine ganz erheblich
vorteilhafte Bauform, die durch die Verwendung eines um die zentrale Anordnung des Generators 20 und auf dessen Welle angeordneten Sonnenradgetriebes alle übrigen Komponenten wie Turbinen und Verdichter im mechanischen Eingriff hat.
Die Verdichter 1 bis 4 sind hierbei unten angeordnet, und der Generator 20 ist zentral um die hier nicht weiter dargestellte Achse (Zentralwelle) zentral platziert.
Der Verdichter 1 weist dabei die Einstellmittel für die
Verdichter-Leitschaufeln auf. Die Turbinen 10 und 11 sind oberhalb des Generators 20 platziert und dabei ist die erste Turbine 10 vorne und die zweite Turbine dahinter angeordnet. Zwischen den einzelnen Verdichterstufen sind die Wasser- bzw Verdampfermedien- Injektionsstellen platziert. Die
Positionsnummern 13 und 14 zeigen die ebenfalls bauliche
Integration der beiden Brennkammern.
Bei der beschriebenen Erfindung handelt es sich somit um einen spezifischen Gasturbinenkreisprozess , der zur Rückführung des Verdichtungsprozesses eine kontinuierliche Wassereinspritzung einsetzt, die Energie des Verbrennungsgases zu einem sehr hohen Anteil im Rahmen einer rekuperativen Wärmeübertragung nutzt und der die mehrfache Verbrennung zur weiteren
Wirkungsgradsteigerung einsetzt.
Bezugszeichen;
1,2,3,4 Verdichter
5,6,7,8 Injektionsstellen / Injektionsräume
10 erste Turbine
11 zweite Turbine
12 Rekuperator im Hauptprozess
13 erste Brennkammer
14 zweite Brennkammer
20 Generator/Motor im Hauptprozess
30 Generator im ORC-Prozess
31 Turbine im ORC-Prozess
32 Wärmetauscher
33 Rekuperator
34 Pumpe
35 Kondensator

Claims

Patentansprüche :
1. Verfahren zum Betrieb einer Kleingasturbinen-anordnung mit mindestens einem Verdichter/ -stufe und mindestens einer Turbine oder Turbinenstufe, bei welcher Verdichter und Turbinen/Turbinenstufen auf eine Generatorachse zur
Stromerzeugung einwirken, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Anzahl N Turbinen, vor jeder Turbine (10, 11) bzw Turbinenstufe eine Brennkammer (13,14) angeordnet ist, und der Gasausgang jeder Turbine bzw Turbinenstufe zunächst in die Brennkammer der nächstfolgenden Turbine bzw
Turbinenstufe eingeleitet wird, und dass der Gasauslass der letzten Turbine bzw Turbinenstufe wiederum über eine Rekuperation thermische Energie wieder zurück in den Gasstrom vor Eintritt in die erste Brennkammer der ersten Turbinenstufe führt .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im mechanischen Dreheingriff der Turbinen bzw Turbinenstufen eine Verdichteranordnung mit M Stufen vorgesehen ist, bei welcher die Verdichterstufen (1 bis M)
(druckmittelschlüssig) in Reihe geschaltet sind, und dass zwischen jeweils zwei aufeinander folgenden
Verdichterstufen, d.h. hinter jeder Verdichterstufe ein flüssiges Verdampfermedium injiziert wird, derart, dass auch hinter dem letzten Verdichter ebenfalls eine letzte Injektion erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdampfermedium Wasser ist.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdampfermedium flüssiger Kraftstoff ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass auch vor Eintritt in die Turbinen- bzw Turbinenstufen Verdampfermedium,
vorzugsweise Wasser zum Zweck der Turbinenreinigung temporär injiziert wird.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass als Energieträger flüssige und/oder gasförmige und/oder staubförmige Energieträger in die Brennkammern injiziert werden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Leistungsregelung der Kleingasturbine bzw der Kleingasturbinen-anordnung durch eine Verstellung des Anstellwinkels der Leitschaufeln in mindestens der ersten Verdichterstufe erfolgt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinen und die
Verdichter auf eine mit einer Generator/Motor-Anordnung gekoppelte Welle mechanisch eingreifen, und dass in einem Anfahrmodus der Generator im Antriebs- oder Motormodus und nachfolgend im Betriebsmodus der Generator im
Generatormodus betrieben wird.
9. Verwendung von Biomasse staubfein gemahlen, mit
Ascheschmelzpunkten oberhalb von 1.000 °C, zur Injizierung in die Brennkammern nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
10. Verwendung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Biomasse IGNISCUM (CPVO 2007/0149), oder Holz, inbesondere Pappel und/oder Weiden ist.
11. Kleingasturbinenanordnung mit mindestens einem Verdichter/ -stufe und mindestens einer Turbine oder Turbinenstufe, bei welcher Verdichter und Turbinen/Turbinenstufen auf eine gemeinsame Generatorachse/Generatorwelle zur
Stromerzeugung mechanisch einwirken, oder mit dieser getriebetechnisch gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Anzahl N Turbinen (10, 11) oder
Turbinenstufen, vor jeder Turbine bzw Turbinenstufe eine Brennkammer (13, 14) angeordnet ist, und der Gasausgang jeder Turbine bzw Turbinenstufe zunächst in die
Brennkammer der nächstfolgenden Turbine bzw Turbinenstufe eingeleitet wird, und dass der Gasauslass der letzten Turbine bzw Turbinenstufe wiederum über eine Rekuperation thermische Energie wieder zurück in den Gasstrom vor Eintritt in die erste Brennkammer der ersten Turbinenstufe führt .
12. Kleingasturbinenanordnung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, dass in der Verbindungsleitung zwischen der (n-1) -ten und der n-ten Verdichterstufe, sowie auch nach der n-ten Verdichterstufe die Injektion des Verdampfermediums durch jeweils eine dort angeordnete Injektionsöffnung (5, 6, 7, 8) erfolgt, derart, dass die Verdampfung bereits kurz vor Erreichen der Verdichterstufe erfolgt, so dass zugleich eine Tropfen-Erosion des
Verdichters vermieden wird.
Kleingasturbinenanordnung mit mindestens einem Verdichter -stufe und mindestens einer Turbine oder Turbinenstufe, bei welcher Verdichter und Turbinen/Turbinenstufen auf eine gemeinsame Generatorachse/Generatorwelle zur
Stromerzeugung mechanisch einwirken, oder mit dieser getriebetechnisch gekoppelt sind, nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Welle der Generators/Motors mit einem Sonnengetriebe versehen oder verbunden ist, und dass einzelnen Wellen sowohl der Turbinen, bzw Turbinenstufen, als auch der Verdichter bzw Verdichterstufen mit Getriebelementen versehen sind und auf das zentrale Sonnengetriebeelement der Generatorwelle eingreifen.
Kleingasturbinenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet,
dass auf der zentralen Welle eine kombinierte
Generator/Motoranordnung angeordnet ist.
Kleingasturbinenanordnung nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass auch die Turbinen oder Turbinenstufen, sowie die Verdichter bzw Verdichterstufen selbst planetenartig um die zentrale Generatoranordnung herum angeordnet sind, und so eine kompakte Baueinheit bilden.
Kleingasturbinenanordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche
Getriebeelemente in einem aus Gehäuseteilen bestehenden aber letztendlich in einem im montierten Zustand
zusammenhängenden Gehäuse angeordnet sind. Kleingasturbinenanordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Rekuperator (12) des Primärprozesses am Ausgang der Turbine (11) thermisch mit einem ORC (Organic-Rankine-Cycle) Kreisprozess zur
Nachverstromung der Niedertemperaturabwärme verbunden ist
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