WO1999004169A1 - Verfahren und vorrichtung zum verdichten eines arbeitsgases - Google Patents

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WO1999004169A1
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Hans-Jürgen CIESIELSKI
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Ge Energy Products Germany Gmbh
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    • F02C7/141—Cooling of plants of fluids in the plant, e.g. lubricant or fuel of working fluid
    • F02C7/143—Cooling of plants of fluids in the plant, e.g. lubricant or fuel of working fluid before or between the compressor stages
    • F02C7/1435—Cooling of plants of fluids in the plant, e.g. lubricant or fuel of working fluid before or between the compressor stages by water injection

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device with a compressor which can be driven by external energy for compressing a working gas, such as natural gas, from an inlet pressure to an increased outlet pressure.
  • a working gas such as natural gas
  • Such compression is required, for example, when piping gas through pipelines.
  • Gas turbines are often used to drive compressors, so that a part of the natural gas can be used directly as fuel for the gas turbines, particularly when producing natural gas.
  • This combination of a gas turbine with a compressor driven by it will also referred to as a compressor station.
  • Gas turbines are thermal fluid power machines in which the thermal energy is converted from heated gas into mechanical energy, so-called shaft power.
  • a compressor with possibly several compressor stages compresses atmospheric air and conveys it into one or more combustion chambers, where fuel, in particular natural gas, is supplied and burned.
  • the high-energy, outflowing gas is then expanded in a (utility) turbine at least to such an extent that the compressor power to be applied for the compression of the air is generated and the air compressor is thus driven.
  • the remaining energy of the combustion gases or the enthalpy difference can be converted into said shaft power by said turbine or, in the case of multi-shaft construction, by further turbines or turbine stages. Examples of such gas turbines are shown in the prospectus "With energy from gas turbines into the future", edition 03.97 D, and “Gas turbines for mechanical drives", edition 03.96 D.
  • the gas turbines work with an open cycle of the working gas. This is to be understood as a demarcation from a closed cycle in which the working gas is recirculated. Accordingly, an open circuit can be understood as any circuit that does not recirculate the working gas, that is to say also a supply and removal of the working gas in lines.
  • the thermodynamic working process of a conventional gas turbine consists of compression, heat supply and relaxation. This process is also referred to as the Joule process and is described in more detail, for example, in “Encyclopaedical Science and Technology", Verlag Moderne Industrie, 1981, under the keyword “Turbine (gas turbine)".
  • the efficiency is the better, the higher the temperature of the heated combustion gases entering the turbine and the lower the temperature of the relaxed combustion gases usually flowing out into the open. Furthermore, the efficiency of a gas turbine depends on the pressure ratio between the upstream and downstream sides of the turbine. A high pressure ratio generally enables high efficiency.
  • Gas turbine arrangements are known from DE-A-11 49 573 and US-A-4,414,805 in which a high pressure ratio between the upstream and downstream sides of the turbine is obtained by depressurizing the working gas on the downstream side of the turbine.
  • the turbine is followed by a compressor driven by another drive machine.
  • the relaxed exhaust gas emerging from the turbine at a temperature of, for example, 500 to 600 ° C. for preheating the air heated to 300 ° C. during compression.
  • a heat exchanger is connected between the compressor and a subsequent combustion system. Due to the relatively small temperature difference of only 200 to 300 ° C between the relaxed exhaust gas emerging from the turbine and the air which has been heated and still has to be heated by compression, the relaxed exhaust gas leaving the heat exchanger is still at a relatively high temperature and thus still has considerable thermal energy that is not used.
  • JP-A-59-120721 discloses a gas turbine plant in which the exhaust gases from an industrial furnace are fed to a turbine at approximately atmospheric pressure.
  • the exhaust gases are expanded to a negative pressure in the turbine and then through a heat exchanger and a downstream one Compressor directed, which compresses the exhaust gases back to atmospheric pressure and allows them to escape outdoors.
  • the turbine drives the compressor and a blower, which supplies ambient air to the industrial furnace, the ambient air in the heat exchanger being preheated by the exhaust gases which are expanded to negative pressure.
  • the present invention is based on the object of specifying a method and a device for compressing a working gas with the features mentioned at the outset, which enable the realization of a compared to the
  • the process according to the invention for compressing working gas is characterized in that the working gas is preheated and then heated by means of externally supplied thermal energy, the heated working gas drives a turbine and is thereby expanded to a pressure below the inlet pressure, and the working gas expanded in the turbine by heat exchange the working gas to be preheated is preheated and then compressed to the initial pressure by means of a compressor driven by the turbine and by external energy.
  • An essential aspect here is the use of externally supplied thermal energy together with the use of external mechanical energy to drive the compressor, so that the required external energy minus the thermal energy supplied is minimized in relation to the work performed by the compressor.
  • the efficiency can be optimized by using waste heat.
  • the thermal energy for heating the working gas and the mechanical external energy for driving the compressor are provided by a gas turbine. This combination is particularly useful for pipeline compressor stations, for example
  • Natural gas is compressed to a higher pressure for transmission.
  • the proposed combination of, for example, a conventional gas turbine, as described in the introduction, with the compressor method utilizing the thermal energy of the exhaust gas of the gas turbine, allows the power requirement to be reduced from, for example, 25 MW to approximately 15 to 18 MW with the same compressor output.
  • a device with a compressor that can be driven by external energy for compressing a working gas, such as natural gas, from an inlet pressure to an increased outlet pressure is characterized according to the invention in that the device has a heater for heating the working gas by means of externally supplied thermal energy, and a turbine that can be driven by the heated working gas for delivery of drive energy to the compressor and a heat exchanger for preheating working gas to be heated by heat exchange with working gas expanded in the turbine, the compressor being connected downstream of the turbine and the heat exchanger in such a way that a negative pressure below the inlet pressure for downstream of the turbine the working gas can be generated.
  • a working gas such as natural gas
  • a high degree of efficiency is beneficial if the heat exchanger is designed as a counterflow heat exchanger and if an intermediate cooler for cooling the working gas expanded to negative pressure is arranged between the heat exchanger and the compressor before compression.
  • the device 1 comprises a heater 3 for heating the working gas by means of heat energy supplied from the outside, as indicated by arrow P1, a (utility) turbine 4 which can be driven with the heated working gas, and a heat exchanger 5 which preheats of the working gas to be heated by the heater 3 with the aid of the still relatively hot working gas flowing out of the turbine 4.
  • a heater 3 for heating the working gas by means of heat energy supplied from the outside, as indicated by arrow P1
  • a (utility) turbine 4 which can be driven with the heated working gas
  • a heat exchanger 5 which preheats of the working gas to be heated by the heater 3 with the aid of the still relatively hot working gas flowing out of the turbine 4.
  • the compressor 2 is designed, for example, as a paddle wheel compressor and can be driven by the turbine 4 via a common shaft 6 or another mechanical coupling.
  • the working gas to be compressed for example natural gas
  • the working gas is preheated in the heat exchanger 5 and fed to the adjoining heater 3 via a line 8.
  • the heater 3 which is designed in particular as a heat exchanger, then heats the working gas to about 300 ° C., for example, by means of the externally supplied thermal energy.
  • the pressure of the working gas is essentially not increased. It therefore still corresponds approximately to the inlet pressure into the heat exchanger 5, that is to say the inlet pressure of the circuit for the working gas which is open with respect to the device 1.
  • the heated working gas is then fed to the turbine 4 via a line 9.
  • the thermal energy of the working gas is partially converted into mechanical energy, which is transmitted to the compressor 2 via the shaft 6.
  • the heated working gas is at a negative pressure present on the downstream side of the turbine 4 is lower than the mentioned inlet pressure of the working gas and is preferably less than three-quarters of the inlet pressure, for example about half or 2.5 MPa.
  • Underpressure in the sense of the present invention can generally also be a pressure above the ambient or atmospheric pressure, provided that it is below the inlet pressure.
  • the working gas emerging from the turbine 4 or flowing out via a line 10 to the heat exchanger 5 has cooled down in the turbine 4, for example, to about 100 to 200 ° C.
  • the working gas expanded to negative pressure releases 5 heat energy in the heat exchanger to the working gas still to be heated in the heater 3.
  • An effective heat exchange is preferably achieved in that the heat exchanger 5 is designed as a recuperator operating in countercurrent.
  • the working gas expanded to negative pressure is cooled, for example, to about 50 to 100 ° C. and then passed on via lines 11 and 12 to the compressor 2 driven by the turbine 4 and by additional external mechanical energy, the supply of which is indicated by arrow P2.
  • the compressor 2 then compresses the working gas released to negative pressure to the outlet pressure, for example to approximately 1.5 times the inlet pressure, that is to say, for example. B. to about 7 to 8 MPa, and then lets the compressed working gas escape through an outlet 13 from the device 1, for example into a connected pipeline (not shown) or the like.
  • the proposed device 1 thus has an open circuit for the working gas.
  • the compressor 2 not only serves to increase the pressure of the working gas beyond the inlet pressure, but also to maintain the negative pressure on the downstream side of the turbine 4.
  • the compressor 2 operates as a vacuum pump, so to speak, which acts at the end of the flow path of the working gas is arranged.
  • an intermediate cooler 14 can be arranged in the flow path of the working gas expanded to negative pressure between the heat exchanger 5 and the compressor 2, which serves to lower the temperature of the working gas pre-cooled by the heat exchanger 5 and expanded to negative pressure before compression.
  • the intercooler 14 and / or a downstream water separator can serve to separate water or other condensed liquids from the working gas.
  • This gas turbine 15 comprises, for example, an inlet 16 for ambient air, a compressor 17 for compressing ambient air drawn in, a downstream combustion chamber 18 for providing a hot gas, in particular by burning a fuel, such as natural gas, in the compressed ambient air, and a turbine downstream of the combustion chamber 18 19, in which the hot combustion air relaxes and is cooled, for example, to 500 to 600 ° C. and is discharged via an outlet 20.
  • the turbine 19 emits mechanical energy via a shaft 21 on the one hand to the compressor 17 for driving it and on the other hand as so-called shaft power to the compressor 2.
  • the gas turbine 15 thus provides external mechanical energy for driving the compressor 2 of the device 1.
  • the gas turbine 15 is preferably multi-shaft, i. H. the combustion air emitted by the combustion chamber 18 is fed in succession to a plurality of turbine stages or turbines arranged on different shafts, as a result of which better adaptation to the power and speed to be provided in each case is made possible.
  • the outlet 20 is preferably, as shown in dashed lines, to the then as
  • Heat exchanger trained heater 3 connected, so that always still relatively hot exhaust gas from the gas turbine 15 initially used to heat the preheated by the heat exchanger 5 to be conveyed working gas of the device 1 and only then is released to the environment via an outlet 21 adjoining the heater 3.
  • a device for heat generation such as a burner, for example for burning natural gas, in addition to the aforementioned heat exchange with the exhaust gas of the gas turbine 15 in the heater 3.
  • the device 1 described above can, depending on the power configuration, also be coupled accordingly to another internal combustion engine instead of the gas turbine 15.

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Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verdichten eines Arbeitsgases, wie Erdgas, von einem Eingangsdruck auf einen erhöhten Ausgangsdruck vorgeschlagen. Das Arbeitsgas wird zunächst vorgewärmt und anschließend mittels fremdzugeführter Wärmeenergie erhitzt, wobei das erhitzte Arbeitsgas eine Turbine (4) antreibt und hierbei auf einen unter dem Eingangsdruck liegenden Druck entspannt wird. Das in der Turbine (4) entspannte Arbeitsgas wärmt das vorzuwärmende Arbeitsgas vor und wird anschließend mittels eines von der Turbine (4) und durch Fremdenergie angetriebenen Verdichters (2) auf den Ausgangsdruck verdichtet. Insbesondere bei Kopplung mit einer herkömmlichen Gasturbine (15) läßt sich durch Nutzung von Abwärme der Gasturbine (15) ein ingesamt höherer Wirkungsgrad erreichen.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Verdichten eines Arbeitsgases
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung mit einem durch Fremdenergie antreibbaren Verdichter zum Verdichten eines Ar- beitsgases, wie Erdgas, von einem Eingangsdruck auf einen erhöhten Ausgangsdruck.
Ein derartiges Verdichten ist beispielsweise bei der Leitung von Gas durch Pipelines erforderlich. Oftmals werden zum Antrieb von Verdichtern Gastur- binen eingesetzt, so daß gerade bei der Förderung von Erdgas ein Teil des Erdgases unmittelbar als Brennstoff für die Gasturbinen verwendet werden kann. Diese Kombination einer Gasturbine mit einem davon angetriebenen Verdichter wird
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auch als Verdichterstation bezeichnet.
Gasturbinen stellen thermische Strömungs- Kraftmaschinen dar, bei denen die thermische Energie von erhitztem Gas in mechanische Energie, sogenannte Wellenleistung, umgewandelt wird. Im Normalfall komprimiert ein Verdichter mit ggf. mehreren Verdichterstufen atmosphärische Luft und fördert diese in eine oder mehrere Brennkammern, wo Brennstoff, insbesondere Erdgas, zu- geführt und verbrannt wird. Das energiereiche, abströmende Gas wird anschließend in einer (Nutz-)Turbine zumindest soweit entspannt, daß die für die Verdichtung der Luft aufzubringende Verdichterleistung erzeugt und so der Luftverdichter angetrieben wird. Die verbleibende Energie der Verbrennungsgase bzw. die Enthalpiedifferenz kann durch die genannte Turbine oder bei mehrwelliger Ausbildung durch weitere Turbinen bzw. Turbinenstufen in die genannte Wellenleistung umgewandelt werden. Beispiele derartiger Gasturbinen zeigen die Prospekte "Mit Energie aus Gasturbinen in die Zukunft", Auflage 03.97 D, und "Gasturbinen für mechanische Antriebe", Auflage 03.96 D, der Anmelderin.
Die Gasturbinen arbeiten mit einem offenen Kreislauf des Arbeitsgases. Dies ist als Abgrenzung gegenüber einem geschlossenen Kreislauf, bei dem das Arbeitsgas rezirkuliert wird, zu verstehen. Dementsprechend kann als offener Kreislauf jeder das Arbeitsgas nicht rezirkulierende Kreislauf, also auch eine Zu- und Abführung des Arbeitsgases in Leitungen, verstanden werden. Das thermodynamische Arbeitsverfahren einer herkömmlichen Gasturbine besteht aus Verdichtung, Wärmezufuhr und Entspannung. Dieser Ablauf wird auch als Joule-Prozeß bezeichnet und ist beispielsweise in "Enzyklopä- die Naturwissenschaft und Technik", Verlag Moderne Industrie, 1981, unter dem Stichwort "Turbine (Gasturbine)" näher erläutert. Der Wirkungsgrad ist dabei um so besser, je höher die Temperatur der in die Turbine eintretenden erhitzten Verbrennungsgase und je niedriger die Temperatur der üblicherweise ins Freie ausströmenden entspannten Verbrennungsgase ist. Des weite- ren hängt der Wirkungsgrad einer Gasturbine von dem Druckverhältnis zwischen Anströmseite und Abströmseite der Turbine ab. Ein hohes Druckverhältnis ermöglicht im allgemeinen einen hohen Wirkungsgrad.
Aus der DE - A - 11 49 573 und der US - A - 4,414,805 sind Gasturbinen- anordnungen bekannt, bei denen ein hohes Druckverhältnis zwischen Anströmseite und Abströmseite der Turbine dadurch erhalten wird, daß das Arbeitsgas auf der Abströmseite der Turbine auf Unterdrück entspannt wird. Hierzu ist der Turbine ein von einer weiteren Antriebsmaschine angetriebener Verdichter nachgeordnet.
Zur Erhöhung des Wirkungsgrades ist es weiter bekannt, das aus der Turbine austretende, entspannte Abgas mit einer Temperatur von beispielsweise 500 bis 600°C zur Vorwärmung der beim Verdichten auf beispielsweise 300°C erwärmten Luft zu verwenden. Hierzu wird ein Wärmetauscher zwischen den Verdichter und ein sich anschließendes Verbrennungssystem geschaltet. Aufgrund der verhältnismäßig geringen Temperaturdifferenz von nur 200 bis 300°C zwischen dem aus der Turbine austretenden, entspannten Abgas und der vom Verdichten erwärmten, noch zu erhitzenden Luft hat das den Wärmetauscher verlassende entspannte Abgas noch eine verhältnismäßig hohe Temperatur und damit noch eine beträchtliche thermische Energie, die nicht genutzt wird.
Die JP - A - 59-120721 offenbart eine Gasturbinenanlage, bei der die Abgase eines Industrieofens einer Turbine bei etwa Atmosphärendruck zugeführt werden. Die Abgase werden in der Turbine auf einen Unterdruck entspannt und anschließend durch einen Wärmetauscher sowie einen nachgeordneten Kompressor geleitet, der die Abgase wieder auf Atmosphärendruck komprimiert und ins Freie entweichen läßt. Die Turbine treibt den Kompressor sowie ein Gebläse an, das Umgebungsluft dem Industrieofen zuführt, wobei die Umgebungsluft in dem Wärmetauscher von den auf Unterdruck entspannten Abgasen vorgewärmt wird.
Die bei den Gasturbinen anfallende Wärmeenergie des aus der Turbine austretenden, entspannten Abgases wird bei den bisher üblichen Verdichterstationen nicht genutzt. Dementsprechend ist der Wirkungsgrad dieser Ver- dichterstationen, gemessen an der insgesamt eingesamt eingesetzten Energie, verhältnismäßig gering.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verdichten eines Arbeitsgases mit den eingangs ge- nannten Merkmalen anzugeben, die die Realisierung eines gegenüber dem
Stand der Technik erhöhten Wirkungsgrades ermöglichen.
Die obige Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 bzw. eine Vorrichtung gemäß Anspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Wei- terbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verdichten von Arbeitsgas zeichnet sich dadurch aus, daß das Arbeitsgas vorgewärmt und anschließend mittels fremdzugeführter Wärmeenergie erhitzt wird, das erhitzte Arbeitsgas eine Turbine antreibt und hierbei auf einen unter dem Eingangsdruck liegenden Druck entspannt wird, das in der Turbine entspannte Arbeitsgas durch Wärmeaustausch das vorzuwärmende Arbeitsgas vorwärmt und anschließend mittels eines von der Turbine und durch Fremdenergie angetriebenen Verdichters auf den Ausgangsdruck verdichtet wird.
Ein wesentlicher Aspekt ist hierbei die Nutzung fremdzugeführter Wärmeenergie zusammen mit der Nutzung von mechanischer Fremdenergie zum Antrieb des Verdichters, so daß die erforderliche Fremdenergie abzüglich der zugeführten Wärmeenergie im Verhältnis zur Arbeitsleistung des Verdichters minimiert wird. Folglich läßt sich der Wirkungsgrad durch Nutzung von Abwärme optimieren. In bevorzugter Weiterbildung werden dabei die Wärmeenergie zur Erhitzung des Arbeitsgases und die mechanische Fremdenergie zum Antrieb des Verdichters durch eine Gasturbine bereitgestellt. Diese Kombination bietet sich insbesondere für Pipeline- Verdichter-Stationen an, bei denen beispielsweise
Erdgas zur Weiterleitung auf einen höheren Druck verdichtet wird. Durch die vorschlagsgemäße Kombination einer beispielsweise herkömmlichen Gasturbine, wie eingangs beschrieben, mit dem die Wärmeenergie des Abgases der Gasturbine ausnutzenden Verdichterverfahren läßt sich der Leistungsbedarf bei gleicher Verdichterleistung von beispielsweise 25 MW auf etwa 15 bis 18 MW senken.
Eine Vorrichtung mit einem durch Fremdenergie antreibbaren Verdichter zur Verdichtung eines Arbeitsgases, wie Erdgas, von einem Eingangsdruck auf einen erhöhten Ausgangsdruck zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, daß die Vorrichtung einen Erhitzer zur Erhitzung des Arbeitsgases mittels fremdzugeführter Wärmeenergie, eine vom erhitzten Arbeitsgas antreibbare Turbine zur Abgabe von Antriebsenergie an den Verdichter und einen Wärmetauscher zur Vorwärmung von zu erhitzendem Arbeitsgas durch Wärme- austausch mit in der Turbine entspanntem Arbeitsgas umfaßt, wobei der Verdichter der Turbine und dem Wärmetauscher derart nachgeschaltet ist, daß an der Turbine abströmseitig ein unter dem Eingangsdruck liegender Unterdruck für das Arbeitsgas erzeugbar ist.
Wiederum läßt sich durch Kombination von zugeführter Wärmeenergie und zugeführter Fremdenergie zum Antrieb des Verdichters eine Minimierung des Anteils an benötigter Fremdenergie erreichen.
Es ist einem großen Wirkungsgrad zuträglich, wenn der Wärmetauscher als Gegenstromwärmetauscher ausgebildet ist und wenn zwischen dem Wärmetauscher und dem Verdichter ein Zwischenkühler zur Kühlung des auf Unterdruck entspannten Arbeitsgases vor dem Verdichten angeordnet ist.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand der Zeichnung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt einen schematischen Aufbau einer vorschlagsgemäßen Vorrichtung zum Verdichten eines Arbeitsgases.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die einzige Figur ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer vorschlagsgemäßen Vorrichtung 1 mit einem Verdichter 2 zum Verdichten eines Arbeitsgases, beispielsweise Erdgas in einer Pipeline o. dgl., erläutert. Die Vorrichtung 1 umfaßt über den Verdichter 2 hinaus einen Erhitzer 3 zur Erhitzung des Arbeitsgases mittels von außen zugeführter Wärmeenergie, wie durch Pfeil Pl angedeutet, eine mit dem erhitz- ten Arbeitsgas antreibbare (Nutz-)Turbine 4 sowie einen Wärmetauscher 5, der einer Vorwärmung des von dem Erhitzer 3 zu erhitzenden Arbeitsgases mit Hilfe des aus der Turbine 4 abströmenden, noch verhältnismäßig heißen Arbeitsgases dient.
Der Verdichter 2 ist beispielsweise als Schaufelradverdichter ausgebildet und ist von der Turbine 4 über eine gemeinsame Welle 6 oder eine sonstige mechanische Kopplung antreibbar.
Bei der vorschlagsgemäßen Vorrichtung 1 tritt das zu verdichtende Arbeits- gas, beispielsweise Erdgas, aus einer Pipeline mit einem Eingangsdruck von beispielsweise 5 MPa, über einen Einlaß 7 in den Wärmetauscher 5 ein. Im Wärmetauscher 5 wird das Arbeitsgas vorgewärmt und über eine Leitung 8 dem sich anschließenden Erhitzer 3 zugeführt.
Der insbesondere als Wärmetauscher ausgebildete Erhitzer 3 erhitzt dann das Arbeitsgas mittels der fremdzugeführten Wärmeenergie beispielsweise auf etwa 300°C. Hierbei wird der Druck des Arbeitsgases im wesentlichen nicht erhöht. Er entspricht also immer noch ungefähr dem Eingangsdruck in den Wärmetauscher 5, also dem Eingangsdruck des bezüglich der Vorrichtung 1 offenen Kreislaufs für das Arbeitsgas.
Anschließend wird das erhitzte Arbeitsgas über eine Leitung 9 der Turbine 4 zugeführt. In der Turbine 4 wird die thermische Energie des Arbeitsgases teilweise in mechanische Energie umgesetzt, die über die Welle 6 auf den Verdichter 2 übertragen wird. In der Turbine 4 wird das erhitzte Arbeitsgas auf einen an der Abströmseite der Turbine 4 anstehenden Unterdruck, der geringer als der genannte Eingangsdruck des Arbeitsgases ist und vorzugsweise weniger als dreiviertel des Eingangsdrucks, beispielsweise also etwa die Hälfte bzw. 2,5 MPa, beträgt, entspannt. Unterdruck im Sinne der vorliegenden Erfindung kann generell auch ein über dem Umgebungs- oder Atmo- spährendruck liegender Druck sein, sofern er unter dem Eingangsdruck liegt.
Das aus der Turbine 4 austretende bzw. über eine Leitung 10 zum Wärmetauscher 5 abströmende Arbeitsgas hat sich in der Turbine 4 beispielsweise auf etwa 100 bis 200°C abgekühlt.
Das auf Unterdruck entspannte Arbeitsgas gibt im Wärmetauscher 5 Wärmeenergie an das noch im Erhitzer 3 zu erhitzende Arbeitsgas ab. Ein effektiver Wärmeaustausch wird vorzugsweise dadurch erreicht, daß der Wärmetauscher 5 als ein im Gegenstrom arbeitender Rekuperator ausgebildet ist. Im Wärmetauscher 5 wird das auf Unterdruck entspannte Arbeitsgas beispielsweise auf etwa 50 bis 100°C abgekühlt und anschließend über Leitungen 11 und 12 an den von der Turbine 4 und durch zusätzliche mechanische Fremdenergie, deren Zuführung durch Pfeil P2 angedeutet ist, angetriebenen Verdichter 2 weitergeleitet. Der Verdichter 2 verdichtet das auf Unterdruck ent- spannte Arbeitsgas dann auf den Ausgangsdruck, beispielsweise auf etwa das 1,5-fache des Eingagsdruckes, also z. B. auf etwa 7 bis 8 MPa, und läßt das verdichtete Arbeitsgas dann über einen Auslaß 13 aus der Vorrichtung 1 , beispielsweise in eine angeschlossene (nicht dargestellte) Pipeline o. dgl., entweichen. Die vorschlagsgemäße Vorrichtung 1 weist also einen offenen Kreislauf für das Arbeitsgas auf.
Der Verdichter 2 dient hier nicht nur der üblichen Erhöhung des Druckes des Arbeitsgases über den Eingangsdruck hinaus, sondern auch einer Aufrechterhaltung des Unterdruckes auf der Abströmseite der Turbine 4. Inso- weit arbeitet der Verdichter 2 sozusagen als Unterdruckpumpe, die am Ende des Strömungsweges des Arbeitsgases angeordnet ist.
Berechnungen haben gezeigt, daß bei einer Kopplung der vorschlagsgemäßen Vorrichtung 1 mit einer herkömmlichen Gasturbine, wie der beispielhaft dargestellten Gasturbine 15, die sowohl die mechanische Fremdenergie zum Antreiben des Verdichters 2 als auch die erforderliche Wärmeenergie für den Erhitzer 3 bereitstellt, bei gleicher Verdichterleistung die erforderliche Leistungsauslegung der Gasturbine um ca. 20 bis 40 % reduziert werden kann. Dies ermöglicht erhebliche Kosteneinsparungen im Betrieb.
Zur Verminderung der erforderlichen Verdichterleistung kann in dem Strömungsweg des auf Unterdruck entspannten Arbeitsgases zwischen dem Wärmetauscher 5 und dem Verdichter 2 ein Zwischenkühler 14 angeordnet werden, der einer weiteren Absenkung der Temperatur des vom Wärmetauscher 5 vorgekühlten, auf Unterdruck entspannten Arbeitsgases vor dem Verdichten dient. Der Zwischenkühler 14 und/oder ein nachgeordneter, nicht dargestellter Wasserabscheider können dazu dienen, Wasser oder sonstige auskondensierte Flüssigkeiten aus dem Arbeitsgas abzuscheiden.
Es ist beispielhaft die Kopplung der vorschlagsgemäßen Vorrichtung 1 mit ei- ner herkömmlichen Gasturbine 15 angedeutet. Diese Gasturbine 15 umfaßt beispielsweise einen Einlaß 16 für Umgebungsluft, einen Verdichter 17 zur Verdichtung angesaugter Umgebungsluft, eine nachgeordnete Brennkammer 18 zur Bereitstellung eines heißen Gases, insbesondere durch Verbrennen eines Brennstoffs, wie Erdgas, in der komprimierten Umgebungsluft, und eine der Brennkammer 18 nachgeordnete Turbine 19, in der die heiße Verbrennungsluft entspannt und hierbei beispielsweise auf 500 bis 600°C abgekühlt und über einen Auslaß 20 abgegeben wird. Die Turbine 19 gibt mechanische Energie über eine Welle 21 einerseits an den Verdichter 17 zu dessen Antrieb und andererseits als sogenannte Wellenleistung an den Verdichter 2 ab. Die Gasturbine 15 stellt also mechanische Fremdenergie zum Antrieb des Verdichters 2 der Vorrichtung 1 zur Verfügung.
Die Gasturbine 15 ist vorzugsweise mehrwellig ausgebildet, d. h. die von der Brennkammer 18 abgegebene Verbrennungsluft wird mehreren Turbinenstu- fen bzw. auf verschiedenen Wellen angeordneten Turbinen nacheinander zugeführt, wodurch eine bessere Anpassung an die jeweils bereitzustellende Leistung und Drehzahl ermöglicht wird.
Zur Nutzung der Abwärme des aus der Turbine 19 austretenden Abgases ist der Auslaß 20 vorzugsweise, wie gestrichelt dargestellt, an den dann als
Wärmetauscher ausgebildeten Erhitzer 3 angeschlossen, so daß das immer noch verhältnismäßig heiße Abgas der Gasturbine 15 zunächst noch zur Erhitzung des vom Wärmetauscher 5 vorgewärmten, zu fördernden Arbeitsgases der Vorrichtung 1 verwendet und erst anschließend über einen sich an den Erhitzer 3 anschließenden Auslaß 21 an die Umgebung abgegeben wird.
Zur Erreichung eines optimalen Arbeitspunktes kann es sinnvoll sein, zusätzlich zu dem vorgenannten Wärmeaustausch mit dem Abgas der Gasturbine 15 im Erhitzer 3 eine Einrichtung zur Wärmeerzeugung, wie einen Brenner, beispielsweise zur Verbrennung von Erdgas, vorzusehen.
Selbstverständlich ist die voranstehend beschriebene Vorrichtung 1 je nach Leistungsauslegung auch mit einer sonstigen Brennkraftmaschine anstelle der Gasturbine 15 entsprechend koppelbar.

Claims

Patentansprüche :
1. Verfahren zum Verdichten eines Arbeitsgases, wie Erdgas, von einem Eingangsdruck auf einen erhöhten Ausgangsdruck, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsgas zunächst vorgewärmt und anschließend mittels fremdzugeführter Wärmeenergie erhitzt wird, das erhitzte Arbeitsgas eine Turbine antreibt und hierbei auf einen unter dem Eingangsdruck liegenden Druck entspannt wird, das in der Turbine entspannte Arbeitsgas durch Wärmeaustausch das vorzuwärmende Arbeitsgas vorwärmt und anschließend mittels eines von der Turbine und durch Fremdenergie angetriebenen Verdichters auf den Ausgangsdruck verdichtet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeenergie zur Erhitzung des Arbeitsgases und die Fremdenergie zum Antrieb des Verdichters durch eine Gasturbine bereitgestellt werden.
3. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsgas vor der Erhitzung ohne vorherige Verdichtung durch den Wärmeaustausch mit dem auf Unterdruck entspannten Arbeitsgas vorgewärmt wird.
4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das auf Unterdruck entspannte Arbeitsgas nach dem Wärmeaustausch und vor dem Verdichten gekühlt wird.
5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, daß Wasser aus dem auf Unterdruck entspannten Arbeitsgas nach dem Wärmeaustausch und vor dem Verdichten abgeschieden wird.
6. Vorrichtung (1) mit einem durch Fremdenergie antreibbaren Verdichter (2) zur Verdichtung eines Arbeitsgases, wie Erdgas, von einem Ein- gangsdruck auf einen erhöhten Ausgangsdruck, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (1) einen Erhitzer (3) zur Erhitzung des Arbeitsgases mittels fremdzugeführter Wärmeenergie, eine vom erhitzten Arbeitsgas antreibbare Turbine (4) zur Abgabe von Antriebsenergie an den Verdichter (2) und einen Wärmetauscher (5) zur Vorwärmung von zu erhitzendem Arbeitsgas durch Wärmeaustausch mit in der Turbine (4) entspanntem Arbeitsgas umfaßt, wobei der Verdichter (2) der Turbine (4) und dem Wärmetauscher (5) derart nachgeschaltet ist, daß an der Turbine (4) abströmseitig ein unter dem Eingangsdruck liegender Unterdruck für das Arbeitsgas erzeugbar ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (5) als Gegenstromwärmetauscher ausgebildet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Wärmetauscher (5) und dem Verdichter (2) ein Zwischenkühler (14) zur Kühlung des auf Unterdruck entspannten Arbeitsgases vor dem Verdichten angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeich- net, daß eine mit dem Verdichter (2) mechanisch gekoppelte Gasturbine
(15) vorgesehen ist, wobei der Erhitzer (3) als Wärmetauscher ausgebildet und mit der Gasturbine (15) oder einer Abgasleitung der Gasturbine ( 15) derart gekoppelt ist, daß vorgewärmtes, zu erhitzenden Arbeitsgas durch Wärmeaustausch mit Abgas der Gasturbine (15) erhitzbar ist.
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