WO2000058608A1 - Verfahren zur erzeugung von elektrischer energie in einem gasturbinenprozess - Google Patents

Verfahren zur erzeugung von elektrischer energie in einem gasturbinenprozess Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for generating electrical energy in a gas turbine process, in which fresh air is compressed in an air compressor, heated in a combustion chamber and then relaxed in a gas turbine, whereby part of the energy obtained is used to drive the air compressor and the rest is electrical Useful energy is converted.
  • the usable electrical power of a gas turbine process and thus its efficiency is u. a. not insignificantly depending on the energy requirement for compressing the fresh air required as a reaction partner for the combustion reactions in the combustion chamber and as a working medium for the gas turbine from approximately atmospheric pressure to the inlet pressure of the gas turbine.
  • the compression work to be performed is greater the higher the inlet temperature of the fresh air to be compressed.
  • the invention is therefore based on the object of significantly reducing the energy consumption of an air compressor in a gas turbine process and thus significantly increasing the overall efficiency of the gas turbine system.
  • This object is achieved in a method of the type mentioned in that the fresh air before entering the air compressor in heat exchange with a coolant is cooled to a temperature of ⁇ 10 ° C, preferably about 5 ° C, and the condensing water before entry the fresh air is at least partially separated from the compressor.
  • the proposed treatment of the fresh air to be compressed in a gas turbine process namely first of all cooling the fresh air to a constant inlet temperature level of ⁇ 10 ° C., preferably to about 5 ° C., and at the same time separating the condensing water from the fresh air to be compressed, results in Possibility to operate the air compressor regardless of the weather conditions.
  • the compressor can be operated constantly in optimal "winter mode" regardless of the seasons with corresponding temperature and humidity fluctuations.
  • the cooling of the fresh air to be compressed takes place in the heat exchange with a coolant, which expediently has a temperature ⁇ 7 ° C., preferably about 2 ° C.
  • the separation according to the invention of the water condensing out in the course of cooling the fresh air can be carried out by means of a droplet separator which is customary on the market.
  • the heat exchange between fresh air and the coolant can be carried out both indirectly and directly.
  • a closed cooling circuit is expediently provided for transporting the required cold, in which the cold is transported from the place of generation to the place of consumption by means of the circulating coolant.
  • the direct heat exchange the advantages of particularly good heat transfer from the fresh air to the coolant water can be fully exploited.
  • the proposed method can also be used to perform the "cleaning of the compressor air” function. Existing air filters can thus be relieved or, if necessary, completely eliminated. It is also conceivable for the air cooler to function as a silencer for the gas turbine plant.
  • Such absorption chillers are characterized on the one hand by a relatively high heat requirement, but on the other hand also by a low power requirement, so that whenever heat, e.g. B. in the form of industrial waste heat, is available at a suitable temperature level, the use of such chillers proves to be economically very advantageous.
  • the heat requirement of the absorption refrigerator is covered by waste heat from the gas turbine process itself, by coupling at least part of the residual heat still contained in the hot gas turbine exhaust gas into the absorption refrigerator.
  • the decoupling and transmission of the gas turbine exhaust gas heat into the absorption refrigerator is advantageously carried out by means of a closed heat transfer circuit in which both gaseous and z. B. air, as well as liquid heat transfer media, such as. B. water, thermal oil, and heat transfer media, which are subjected to a periodic phase change, can be used.
  • the heat required for the operation of the absorption chiller can of course also be extracted from the water / steam cycle at a suitable point Steam turbine to be decoupled.
  • the required heat can be obtained from live steam, bleed steam and / or from hot condensate or feed water.
  • suitable infrastructures it can of course prove very expedient to extract the heat required for the absorption refrigerator from a district heating system. In this way, the discontinuous district heating demand - little demand in summer, high demand in winter - can be counteracted in a suitable way, because the cooling power required and thus the heat requirement for the absorption chiller is much greater in summer than in winter.
  • Another aspect of the method according to the invention which is of particular interest for use in warmer regions of the world, is to cover the heat requirement for the absorption refrigerator by means of thermally converted solar energy.
  • the focus of an appropriately designed mirror system bundles solar energy and heats up a suitable heat transfer medium.
  • the absorbed solar energy is then coupled into the absorption chiller via the heat transfer medium.
  • the required solar energy can also be achieved using conventional solar collectors, such as those used for. B. for the production of hot water in the living area can be used.

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie in einem Gasturbinenprozess, bei dem Frischluft in einem Luftverdichter verdichtet, in einer Brennkammer erhitzt und anschliessend in einer Gasturbine arbeitsleistend entspannt wird, wobei ein Teil der gewonnenen Energie zum Antrieb des Luftverdichters verbraucht und der Rest in elektrische Nutzenergie umgewandelt wird, wird vorgeschlagen, die Frischluft vor Eintritt in den Luftverdichter im Wärmetausch mit einem Kälteträger auf eine Temperatur ≤ 10 °C, vorzugsweise auf 5 °C abzukühlen und das dabei ggf. auskondensierende Wasser vor Eintritt der Frischluft in den Verdichter aus dieser zumindest teilweise abzutrennen.

Description

Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie in einem Gasturbinenprozeß
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie in einem Gasturbinenprozeß, bei dem Frischluft in einem Luftverdichter verdichtet, in einer Brennkammer erhitzt und anschließend in einer Gasturbine arbeitsleistend entspannt wird, wobei ein Teil der gewonnenen Energie zum Antrieb des Luftverdichters verbraucht und der Rest in elektrische Nutzenergie umgewandelt wird.
Die nutzbare elektrische Leistung eines Gasturbinenprozesses und damit auch dessen Wirkungsgrad ist u. a. nicht unwesentlich abhängig vom Energiebedarf zum Verdichten der als Reaktionspartner für die Verbrennungsreaktionen in der Brennkammer und als Arbeitsmittel für die Gasturbine benötigten Frischluft von etwa atmosphärischen Druck auf den Eingangsdruck der Gasturbine. Dabei ist aus thermodynamischen Gründen die aufzuwendende Verdichtungsarbeit um so größer je höher die Eingangstemperatur der zu verdichtenden Frischluft ist.
Aus diesem Grunde wurde auch bereits vorgeschlagen, in Gasturbinenkreisläufen die benötigte Frischluft vor der Verdichtung zu kühlen. Die Kühlung selbst erfolgt in sogenannten Verdunstungskühlern, wobei Wasser in die Frischluft eingespritzt und die für die Verdunstung des Wassers benötigte Verdampfungswärme der sich dabei abkühlenden Frischluft entzogen wird.
Bei diesen bekannten Systemen, die oberhalb des Taupunktes der befeuchteten Frischluft arbeiten, hängt die Menge des verdunsteten Wassers und damit auch die erreichbare Kühlleistung ab von der Eingangstemperatur der Frischluft und deren Eingangsfeuchte, d. h. also, von den jeweiligen Witterungsbedingungen. Damit ergibt sich aber auch zwangsläufig, daß eine klar definierte Kühlung der Frischluft unabhängig von Witterungsbedingung auf eine konkret vorgegebene Temperatur nach dem bekannt gewordenen Stand der Technik nicht möglich ist. Dies dürfte auch der Grund dafür sein, daß die beschriebene Art der Frischluftkühlung bisher keinen allgemeinen Eingang in die Technik der Stromerzeugung in
Gasturbinenanlagen gefunden hat.
Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, in einem Gasturbinenprozeß den Energieverbrauch eines Luftverdichters merklich zu reduzieren und somit den Gesamtwirkungsgrad der Gasturbinenanlage deutlich zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der Eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Frischluft vor Eintritt in den Luftverdichter im Wärmetausch mit einem Kälteträger auf eine Temperatur von <10 °C, vorzugsweise etwa 5 °C, abgekühlt und das dabei auskondensierende Wasser vor Eintritt der Frischluft in den Verdichter aus dieser zumindest teilweise abgetrennt wird.
Durch die vorgeschlagene Behandlung der zu verdichtenden Frischluft eines Gasturbinenprozesses, nämlich zunächst eine Kühlung der Frischluft auf ein konstantes Eingangstemperaturniveau von < 10 °C, vorzugsweise auf etwa 5 °C, vorzunehmen und gleichzeitig das auskondensierende Wasser aus der zu verdichtenden Frischluft abzuscheiden, ergibt sich die Möglichkeit, den Luftverdichter unabhängig von den jeweiligen Witterungsbedingungen zu betreiben. Im Grunde kann damit unabhängig von Jahreszeiten mit entsprechenden Temperatur- und Feuchteschwankungen der Verdichter konstant im optimalen"Winterbetrieb" gefahren werden. Die Kühlung der zu verdichtenden Frischluft erfolgt im Wärmetausch mit einem Kälteträger, der zweckmäßigerweise eine Temperatur ≤ 7 °C, vorzugsweise etwa 2 °C, aufweist.
Die erfindungsgemäß vorgesehe Abscheidung des im Zuge der Abkühlung der Frischluft auskondensierenden Wassers kann mittels marktüblicher Tropfenabscheider erfolgen.
Der Wärmetausch zwischen Frischluft und dem Kälteträger kann sowohl indirekt als auch direkt durchgeführt werden. Im Falle der indirekten Kühlung wird zum Transport der benötigten Kälte zweckmäßigerweise ein geschlossener Kältekreislauf vorgesehen, in dem die Kälte mittels des zirkulierenden Kälteträgers vom Ort der Erzeugung zum Ort des Verbrauchs transportiert wird.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung erweist es sich jedoch als besonders vorteilhaft, als Kälteträger gekühltes Wasser vorzusehen und die Kälte im direkten Wärmetausch auf die Frischluft zu übertragen. Zweckmäßigerweise erfolgt dabei die Übertragung der Kälte in einem Rieselkühler entweder im Gegenstrom oder auch im Querstrom zu der zu kühlenden Frischluft.
Aufgrund des erfindungsgemäß sowieso vorgesehenen Tropfenabscheiders ist der direkte Wärmetausch zwischen Frischluft und kaltem Wasser nicht mit zusätzlichen Nachteilen hinsichtlich mitgeführter Wassertröpfchen belastet, da diese ebenfalls im Tropfenabscheider aus der Frischluft abgeschieden werden.
Durch den direkten Wärmetausch können die Vorteile eines besonders guten Wärmeüberganges von der Frischluft auf den Kälteträger Wasser voll genutzt werden. Hinzu kommt, daß durch den innigen Kontakt zwischen Kühlwasser und Frischluft im Rieselkühler gleichzeitig mitgeführte Verunreinigungen, wie z. B. Staubpartikel, aus der Frischluft ausgewaschen werden, was zu weiteren Vorteilen im Hinblick auf den Betrieb der zur Verdichtung der Frischluft eingesetzten Hochleistungsverdichter führt. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren kann damit neben der Funktion "Kühlung der Verdichterluft" auch die Funktion "Reinigung der Verdichterluft' erfüllt werden. Vorhandene Luftfilter können damit entlastet werden bzw. ggfs. ganz entfallen. Es ist ebenfalls denkbar, daß der Luftkühler die Funktion eines Schalldämpfers für die Gasturbinenanlage übernimmt.
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren, bei dem ja auskondensierendes Wasser aus der zu verdichtenden Frischluft abgeschieden wird, besteht die vorteilhafte Möglichkeit, das hiermit gewonnene Wasser als Brauchwasser oder als Trinkwasser für anlageninterne oder anlagenexterne Anwendungen zu nutzen. Zur Abkühlung des Kälteträgers auf das genannte Temperaturniveau kann im Grunde jede geeignete Kältemaschine eingesetzt werden.
Besonders dann, wenn aus einer geeigneten Wärmequelle Wärme unter einem Temperaturniveau zwischen etwa 80 und 110 °C kostengünstig zur Verfügung steht, erweist es sich jedoch als besonders vorteilhaft, die Abkühlung des Kälteträgers in einer Hochleistungsabsorptionskältemaschine vorzunehmen. Derartige Absorptionskältemaschinen zeichnen sich einerseits zwar durch einen relativ hohen Wärmebedarf, andererseits aber auch durch einen niedrigen Strombedarf aus, so daß immer dann, wenn Wärme, z. B. in Form von industrieller Abwärme, auf geeignetem Temperaturniveau zur Verfügung steht, sich der Einsatz derartiger Kältemaschinen als wirtschaftlich sehr vorteilhaft erweist.
Nach einem weiteren besonders vorteilhaften Merkmal der Erfindung, wird der Wärmebedarf der Absorptionskältemaschine mittels Abwärme aus dem Gasturbinenprozeß selbst gedeckt, indem zumindest ein Teil der im heißen Gasturbinenabgas noch enthaltenen Restwärme in die Absorptionskältemaschine eingekoppelt wird.
Die Auskoppelung und Übertragung der Gasturbinenabgaswärme in die Absorptionskältemaschine erfolgt zweckmäßigerweise mittels eines geschlossenen Wärmeträgerkreislaufes, in dem sowohl gasförmige, wie z. B. Luft, als auch flüssige Wärmeträger, wie z. B. Wasser, Thermoöl, als auch Wärmeträger, die einem periodischen Phasenwechsel unterzogen werden, verwendet werden können.
Im Zusammenhang mit kombinierten Gas- und Dampfkraftwerken, bei denen die Restwärme der Gasturbine in einem Abhitzekessel zur Erzeugung von hochgespanntem Dampf in einem Dampfturbinenkreislauf genutzt wird, kann selbstverständlich die für den Betrieb der Absorptionskältemaschine benötigte Wärme auch an geeigneter Stelle aus dem Wasser-/Dampfkreislauf der Dampfturbine ausgekoppelt werden. Beispielsweise kann die benötigte Wärme aus Frischdampf, Anzapfdampf und/oder aus heißem Kondensat bzw. Speisewasser gewonnen werden. Bei Vorhandensein geeigneter Infrastrukturen kann es sich selbstverständlich sehr zweckmäßig erweisen, die benötigte Wärme für die Absorptionskältemaschine aus einem Fernwärmesystem auszukoppeln. Auf diese Weise kann dem diskontinuierlichen Fernwärmebedarf - wenig Bedarf im Sommer, großer Bedarf im Winter - in geeigneter Weise gegengesteuert werden, da gerade umgekehrt die benötigte Kühlleistung und damit der Wärmebedarf für die Absorptionskältemaschine im Sommer wesentlich größer ist als im Winter.
Ein weiterer, insbesonderer für die Nutzung in wärmeren Regionen der Erde interessanter Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, den Wärmebedarf für die Absorptionskältemaschine mittels thermisch umgesetzter Solarenergie zu decken. Beispielsweise wird hierbei im Focus eines entsprechend ausgelegten Spiegelsystems Sonnenenergie gebündelt und dabei ein geeigneter Wärmeträger aufgeheizt. Über den im Kreislauf geführten Wärmeträger wird die aufgenommene Solarenergie dann in die Absorptionskältemaschine eingekoppelt. Selbstverständlich kann die benötigte Solarenergie aber auch mittels herkömmlicher Sonnenkollektoren, wie sie z. B. zur Gewinnung von Warmwasser im Wohnbereich zum Einsatz kommen, gewonnen werden.
Durch diese Verfahrensvarianten gelingt es auf einfache Weise, günstig zur Verfügung stehende Solarenergie zur Erhöhung des Wirkungsgrades eines herkömmlichen Gasturbinenprozesses in vollem Umfang zu nutzen, also praktisch ein solarthermisches Kraftwerk darzustellen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie in einem Gasturbinenprozeß, bei dem Frischluft in einem Luftverdichter verdichtet, in einer Brennkammer erhitzt und anschließend in einer Gasturbine arbeitsleistend entspannt wird, wobei ein Teil der gewonnenen Energie zum Antrieb des Luftverdichters verbraucht und der Rest in elektrische Nutzenergie umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Frischluft vor Eintritt in den Luftverdichter im Wärmetausch mit einem Kälteträger auf eine Temperatur < 10° C, vorzugsweise etwa 5° C, abgekühlt und das dabei ggf. auskondensierende Wasser vor Eintritt der Frischluft in den Verdichter aus dieser zumindest teilweise abgetrennt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß als Kälteträger Wasser verwendet wird und die Abkühlung der Frischluft im direkten Wärmetausch erfolgt.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Kälteträgers bei ≤7 °C, vorzugsweise bei etwa 2°C liegt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der direkte Wärmetausch zwischen Frischluft und Wasser in einem Rieselkühler durchgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlung des Kälteträgers in einer Absorptionskältemaschine erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Betrieb der Absorptionskältemaschine benötigte Wärme zumindest teilweise aus industrieller Abwärme gewonnen wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Betrieb der Absorptionskältemaschine benötigte Wärme zumindest teilweise aus dem Abgas der Gasturbine ausgekoppelt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskoppelung und Übertragung der Gasturbinenabgaswärme in die Absorptionskältemaschine mittels eines geschlossenen Wärmeträgerkreislaufes erfolgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die im Abgas der Gasturbine enthaltene Restwärme in einem Abhitzekessel zur Erzeugung von hochgespanntem Dampf innerhalb eines Dampfturbinenkreislaufes genutzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Absorptionskältemaschine benötigte Wärme aus dem Wasser-/Dampfkreislauf der Dampfturbine ausgekoppelt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorptionskältemaschine mit Fernwärme aus einem Fernwärmeversorgungsnetz betrieben wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorptionskältemaschine durch Nutzung von thermisch umgesetzter Solarenergie betrieben wird.
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