WO2022090990A1 - Turbinenanordnung - Google Patents

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WO2022090990A1
WO2022090990A1 PCT/IB2021/059975 IB2021059975W WO2022090990A1 WO 2022090990 A1 WO2022090990 A1 WO 2022090990A1 IB 2021059975 W IB2021059975 W IB 2021059975W WO 2022090990 A1 WO2022090990 A1 WO 2022090990A1
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turbine
working medium
exhaust gas
heat exchanger
combustion air
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PCT/IB2021/059975
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Inventor
Michael Cremer
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Michael Cremer
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D15/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of engines with devices driven thereby
    • F01D15/10—Adaptations for driving, or combinations with, electric generators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
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    • F01K23/06—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle
    • F01K23/10—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle with exhaust fluid of one cycle heating the fluid in another cycle
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    • 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
    • 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
    • F05D2220/70—Application in combination with
    • F05D2220/76—Application in combination with an electrical generator

Definitions

  • the present invention relates to a turbine assembly, a method of generating electrical power, and uses of the turbine assembly.
  • the variant first described works under large-scale technical conditions because the exhaust gas heat from the gas turbine is fed directly to the steam process of the downstream steam turbine.
  • the steam turbine process works with reheating, with high, medium and low pressure turbine stages expanding the steam down to the condensation limit.
  • the circuits combined in this way achieve high overall efficiencies in power generation of more than 60%.
  • Processes of this type cannot be reduced arbitrarily, since the diameters of the turbine wheels have to be smaller for lower outputs, which leads to higher gap and pressure losses. The possibilities for cooling the turbine blades and the associated limit temperatures for the materials are also reduced.
  • the object of the present invention is to provide a turbine arrangement and to specify a method for generating electrical energy with which the disadvantages can be overcome.
  • a turbine arrangement is to be provided that is geometrically compact and highly integrated and can therefore be used flexibly, while at the same time achieving high efficiency with significantly reduced emissions, so that the turbine arrangement has a high power density.
  • recuperator (2) arranged in the combustion air supply (31) for applying thermal energy to the combustion air
  • combustion chamber (3) with the combustion air supply (31) arranged on the inlet side and a combustion gas discharge (33) arranged on the outlet side,
  • a gas turbine (4) which is connected to the fuel gas outlet (33) of the combustion chamber (3) on the inlet side and has an exhaust gas outlet (43) on the outlet side, the exhaust gas outlet (43) being routed through the recuperator (2),
  • the compressor used according to the invention is preferably a single-stage centrifugal compressor (in particular with a compression ratio of approximately 3 to 8).
  • “Combustion air” basically refers to the air from the surroundings of the turbine arrangement according to the invention.
  • recuperator is used in the present invention for (that heat exchanger that heats the compressed fresh air using exhaust gas energy.
  • combustion chamber is understood to mean the reaction space in which the compressed, heated combustion air is mixed with a fuel that reacts with the oxygen in the air and (as far as technically possible) is completely burned.
  • the gas turbine used according to the invention is preferably a combination of a turbine, which is usually radially compressed and radially expanded in a single stage, with a combustion chamber (similar to the systems that are available and implemented on the market).
  • the main difference to these well-known turbines is the complete integration of the Rankine cycle, known as the "bottoming cycle”.
  • the entire system can also be referred to as a "micro hybrid turbine” to show the independence of the concept.
  • heat exchanger is used in the present invention for the exhaust gas heat exchanger, which transfers the residual energy of the exhaust gas that cannot be used or is not used in the process to a working medium and evaporates it. Additional heat sources can be coupled into this process.
  • “Expansion turbine” refers to a single-stage radial turbine or a single-stage axial turbine or a combination of both types. Multi-stage versions are conceivable for higher outputs.
  • the "evaporable working medium” is basically a low-boiling medium that is easier to evaporate than water due to its properties.
  • a medium is usually a short chain hydrocarbon (alkanols) or a fluorocarbon.
  • Other media such as ammonia are also suitable, the important factors here are the vaporization temperature and the vaporization enthalpy.
  • the generator used according to the invention is preferably a high-speed generator that uses air bearings and/or Magnetic bearings is stored.
  • the generator shaft is coupled directly to the turbine set / the ORC turbine.
  • the generator shaft is usually designed in such a way that magnets are shrunk onto the shaft or embedded in it and reinforced by means of a casing made of steel or a high-strength fiber material.
  • the turbine arrangement according to the invention is technically in contrast to the above-mentioned publication by Lee et al., where a mechanical combination of an ORC turbine with a gas turbine is ruled out, since the systems mostly run at part load during their service life.
  • the turbine assembly of the present invention circumvents the Lee et al. described dilemma, however, in that, contrary to this teaching, a micro gas turbine, according to the invention the gas turbine (4), is mechanically coupled directly to an ORC turbine, according to the invention referred to as an expansion turbine (6).
  • the turbine arrangement according to the invention thus makes it possible to transfer the waste heat from the gas turbine (4) to a low-boiling medium, in the present invention the vaporizable working medium, which in turn drives the expansion turbine (6).
  • the mechanical coupling of the expansion turbine (6) and the gas turbine (4) enables a mutually complementary process and is used to generate electricity.
  • This process differs from large gas and steam power plants (capacity greater than 5 MW) in that the components are interconnected in such a way that first the recuperator (2) transfers combustion energy to the compressed fresh air and the remaining exhaust gas energy (usually more than 50% of the total fuel energy). ) via an integrated additional heat exchanger (5, 21) to another process medium, namely the vaporizable working medium.
  • This combination in a turbine arrangement or in a process enables efficiencies significantly above existing micro gas turbine systems.
  • the turbine arrangement according to the invention should in principle run at full load under nominal conditions for as long as possible. For this reason, the turbine arrangement can therefore also function as a combination of both systems. Further advantages arise here, eg the reduction of losses due to bearing friction and the functional combination of both systems in such a way that the negative pressure of the compressor can support the media supply (actually the necessary condensation) of the ORC system (medium) and the storage.
  • CHP combined heat and power
  • electricity is a more valuable form of energy in relation to heat because it can be used in many different ways.
  • the combustion energy is converted into electricity as much as possible.
  • the electricity production costs are decisive for the profitability and thus extend the range of use of a system according to the invention to many lean gas sources and low-calorific energy sources that cannot currently be developed economically.
  • the plant will thus make a significant contribution to reducing climate-damaging gases (including methane and ammonia) from natural decomposition processes.
  • the present invention is the integration of an ORC process in a gas turbine operating according to the Joule process or the combination of the two named processes in one system.
  • the turbine arrangement according to the invention can be scaled in a power range between 20 kW and 400 kW.
  • the common shaft (11) can in particular be a hollow shaft, which enables the transport of a cooling medium. Furthermore, the expansion turbine (6) can be air-cooled.
  • the turbine arrangement system according to the invention can be used in many ways.
  • the common shaft (11) of the compressor (1), gas turbine (4) and expansion turbine (6) is coupled to the generator (12) without a gear or mechanically decoupled.
  • one can Magnetic coupling (13) are used. This special arrangement enables, on the one hand, vibration-mechanical decoupling of the generator (12), gas turbine (4) and expansion turbine (6) and, on the other hand, better redundancy in an emergency.
  • a first embodiment of the present invention provides that the heat exchanger (5, 21) is arranged as a residual exhaust gas heat exchanger (5) downstream of the recuperator (2) in the exhaust gas outlet (43). Due to its modules, this structure enables simple coupling and adaptation to corresponding power requirements or other boundary conditions.
  • a second embodiment alternative to the first embodiment provides that the heat exchanger (5, 21) is arranged as an exhaust gas heat exchanger (21) in combination with the recuperator (2) in the exhaust gas outlet (43).
  • the compact design is decisive, here the design changes from a counterflow to a crossflow heat exchanger]
  • the compressor (1) is designed to generate a negative pressure, for which purpose the compressor (1) is arranged downstream of the combustion chamber (3) and the gas turbine (4).
  • the turbine arrangement according to the invention is thus operated according to the so-called "inverted Brayton cycle", the compressor (1) the combustion gases via the recuperator (2) / ORC heat exchanger (21) and the expansion turbine (6) creates a negative pressure in the combustion chamber (3) and thus generates the combustion gases, which in turn are expanded in the expansion turbine (6).
  • the combustion gases are then cooled down in the recuperator (2) / ORC heat exchanger (21) until they enter the compressor (1) on the suction side.
  • the combustion heat emitted in the heat exchanger (21) can then be fed back to an ORC process via a heating register for combustion and/or via an evaporator.
  • the exhaust steam side of the expansion turbine (6) can be evacuated to increase efficiency and process security. Substances escaping from the process (e.g. condensate, air and aerosols contained therein, vaporizable working medium) can be discharged via the combustion process.
  • external heat sources can be thermally coupled in addition to the heat exchanger (5, 21).
  • These external heat sources can be industrial waste heat processes, solar heat sources or geological heat sources.
  • the main advantage is the increase in performance and the degree of efficiency through the use of exergy. Significant COs savings can be achieved with this.
  • the working medium starting from the heat exchanger (5, 21) via the expansion turbine (6), a working medium condenser (7), a condensate feed pump (8), a working medium -Storage tank (9) and a working media feed pump (10) back into the heat exchanger (5, 21) is circulated.
  • the working medium should be used for a long time in operation with the least possible effort to maintain its condition (prevention of contamination or decay) and consumed in minimal quantities in order to keep the maintenance effort of the system as low as possible.
  • a low-boiling alcohol, a low-boiling hydrocarbon or a halogenated hydrocarbon can preferably be used as the working medium.
  • Acetone, methanol, ethanol or so-called refrigerants such as pentafluoropropane are particularly preferably used, and mixtures of ethanol with water or ammonia and water are also conceivable. Due to the low boiling point and the nevertheless high evaporation (condensation) enthalpy, these substances enable a higher energy yield compared to the classic gas and steam process.
  • an arrangement for generating electrical energy using a turbine arrangement as described above, which comprises the steps: a) intake of combustion air and compression thereof by means of a compressor (1) into a combustion air supply (31), b) applying thermal energy to the combustion air by means of a recuperator (2) arranged in the combustion air supply (31), c) introducing the heated combustion air via the combustion air supply (31) into a combustion chamber (3), d) Discharging fuel gas from the combustion chamber (3) via a fuel gas outlet (33), e) introducing the fuel gas into a gas turbine (4) and discharging the exhaust gas via an exhaust gas outlet (43), the exhaust gas outlet (43) passing through the recuperator (2) is performed, f) giving up exhaust gas heat of the exhaust gas in a heat exchanger (5, 21), on an evaporable working medium, wherein the heat exchanger ( 5, 21 ) is thermally connected to the exhaust gas outlet (43), and introducing the vaporizable working medium into an expansion turbine
  • the method basically has the advantages already mentioned above in connection with the turbine arrangement.
  • Many different substances can be used as fuels for the method according to the invention and the turbine arrangement according to the invention, for example natural gas, biogas, organic fuels or synthetic fuels.
  • the method according to the invention also has the advantage that the waste heat from the gas turbine (4) is transferred to the vaporizable working medium, which in turn drives the expansion turbine (6).
  • the mechanical coupling of the expansion turbine (6) and the gas turbine (4) enables a mutually complementary process and is used to generate electricity.
  • the turbine arrangement according to the invention can initially be used as a stationary system for generating electricity and using residual heat from regenerative and/or industrial and/or synthetic and/or conventional energy sources.
  • the preferred renewable energy sources include biogas, weak gases and landfill gases.
  • a further use is in the interconnection of several turbine arrangements described above to form stationary clusters or virtual power plants.
  • the turbine arrangement according to the invention can also be used as a mobile system for at least temporarily driving vehicles.
  • the turbine arrangement according to the invention covers at least the average energy requirement of the respective vehicle, while the load peaks of the energy requirement are covered together with and/or by means of an electricity storage device.
  • the turbine arrangement according to the invention can be used as a mobile system for generating electricity.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the turbine arrangement according to the invention according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the turbine arrangement according to the invention according to a second embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows a compressor 1 (compressor) that draws in and compresses ambient air.
  • the air treated in this way is routed via a line 31 (combustion air supply) to a heat exchanger designed as a recuperator 2 .
  • a heat exchanger designed as a recuperator 2 .
  • the compressed air is heated, the thermal energy comes from the exhaust gas from the combustion.
  • the air is fed to a combustion chamber 3, where it is mixed with fuel and burned.
  • the resulting hot exhaust gas is supplied to the expansion turbine 4 (gas turbine) via a line 33 (combustion gas discharge, at the same time combustion gas supply to the turbine).
  • the exhaust gas is expanded in the expansion turbine 4, releasing part of its energy.
  • the exhaust gas is then conducted into the recuperator 2 via the exhaust manifold 43 (exhaust gas discharge). There, the exhaust gas transfers thermal energy to the compressed fresh air and then flows into the heat exchanger 5, which is designed as a superheater or ORC evaporator.
  • FIG. 2 shows a variation of the structure shown in FIG. 1 such that compressor 1 , expansion turbine 6 and gas turbine 4 are coupled on a shaft 11 and are connected to a generator 12 by means of a vibration-isolating device 13 .
  • the vibration decoupling 13 can be a separate module (eg a magnetic coupling) or alternatively/eg a flexible part of the overall shaft (vibration damper). This dampens critical bending vibrations of the shaft.
  • heat exchanger 21 combined heat exchanger - exhaust gas / fresh air - ORC evaporator
  • the fresh air from the compressor 1 is first heated via the line (31) and then enters the combustion chamber 3 again.
  • the ORC medium is overheated in the same heat exchanger 21 in a downstream process, so that it flows into the expansion turbine 6 via the pipeline 61 .
  • the turbine arrangement according to the invention can cover a wide range of application areas.
  • the turbine arrangement according to the invention can supply smaller settlements completely or additionally with electricity.
  • a virtual power plant can be set up with output that is very precisely tailored to the energy requirement.
  • a network of any number of turbine arrangements according to the invention can be interconnected and thus efficiently replace larger power plants.
  • the turbine arrangement combines the electricity production of a gas turbine 4 with a steam turbine on a shaft 11 in such a way that the thermal energy present in the exhaust gas after the exhaust gases have passed through the gas turbine 4 is fed to a recuperator 2 for preheating the combustion air and a heat exchanger 5, 21 for evaporating a vaporizable working medium is made available.
  • the thermal energy is divided between the two process media in such a way that optimum efficiency is achieved for the entire system.
  • Energy from combustion is returned to the gas turbine process in order to increase the efficiency of this sub-process.
  • the working medium to be evaporated should be with the Remaining energy are heated to the extent that it is expanded in an expansion turbine 6 (also impulse turbine or reaction turbine) with a high pressure ratio.
  • the process medium is a so-called ORC (Organic Rankine Cycle) medium, i.e. an alkanol such as ethanol or methanol, also acetone, various refrigerants (R134a etc.) are conceivable.
  • ORC Organic Rankine Cycle
  • alkanol such as ethanol or methanol
  • acetone various refrigerants
  • water as an evaporable working medium is also conceivable.
  • the Organic Rankine Process describes the classic steam turbine process using a (mostly) organic medium that usually evaporates at lower temperatures than water. In this way, energy from low-caloric sources can still be used with the appropriate degree of efficiency.
  • system components of an embodiment according to the invention are coupled to one another in a modular manner and can be adapted at any time or exchanged for maintenance work or adaptations to changed environmental conditions.
  • the modular structure of the system is specific and therefore part of the invention.
  • the combustion air is already so highly compressed that recuperation is not necessary or only necessary to a small extent, so that the combustion energy can largely be made available to the downstream steam process in order to further increase the overall efficiency of the system. It is relevant here that a high compression can be achieved by multiple compression or by a high-compression radial stage, but then massive overlaps with conventional gas turbines are to be feared.
  • the compressor 1 and the gas turbine 4 are designed as radial rotors and are single-stage. A multi-stage arrangement of these components is conceivable for higher outputs.
  • the also single-stage expansion turbine 6 for the steam or ORC process is installed in the middle between the two systems or alternatively between the generator 12 and the gas turbine 4.
  • the storage of a system according to the invention should preferably be designed using air bearings, other storage options are magnetic bearings or plain bearings.
  • Various systems can be used as combustion chambers 3 in order to burn the fuels with low emissions according to their quality and composition.
  • the relevant technologies include the so-called FLOX burners (“FLameless OXidation”) and porous burners, which are mostly made of metal-oxide-ceramic materials.
  • the gas turbine 4 and generator 12 are to be cooled by means of water; cooling using ethanol or a water-ethanol mixture is desirable.
  • the amount of air escaping from the air bearings in the direction of the shaft 11 and the gas turbine 4 takes over part of the cooling capacity.
  • the turbine shaft 11 should be hollow in order to achieve high torsional rigidity of the gas turbine 4, and the hollow shaft can also transport cooling media.
  • the ORC turbine requires very tight tolerances so that there is no leakage of the working medium and thus loss of performance. Leaks at the expansion turbine 6 lead to significant malfunctions and failure of the turbine arrangement according to the invention is likely.
  • the compressor 1 is designed to generate a negative pressure. Combustion and residual heat utilization are made possible according to the principle of the inverted Brayton cycle.
  • This inverted Brayton cycle is a modification of the Joule cycle in that the compressor 1 sucks the combustion air “backwards” through the gas turbine 4 and an interposed heat exchanger 5, 21.
  • the turbine is mounted in front of the heat exchanger 5, 21 and the compressor 1 in the direction of flow of the working medium.
  • This arrangement can be represented by a simple modification of the turbine arrangement described according to the invention.
  • the efficiency in this process modification can be increased by an ORC process that is mechanically directly coupled according to the invention.
  • the turbine arrangement according to the invention has a system of bearings and media ducts that is sophisticated in detail and achieves efficient thermal decoupling of the gas turbine 4 and the expansion turbine 6 from one another.
  • Suitable cooling media and cooling media routing in combination with a choice of materials that meet the thermal and mechanical requirements of the system ensure that the individual components largely support each other during operation and both overheating of one process and inefficient cooling of the other process are ruled out.
  • the subsystems are mutually designed in such a way that they run in their optimum efficiency range or that they interact to produce the optimum efficiency of the system.
  • the gas turbine 4 and the expansion turbine 6 are synchronized.
  • the gas turbine 4 and the expansion turbine 6 complement each other in terms of their performance, which essentially takes place via the design at the full load point in such a way that the energy released in the ORC heat exchanger 21 and the resulting mass flow, pressure and temperature of the Working medium remove just as much energy from the exhaust gas of the gas turbine process that this leads to the same speeds in both turbines 4, 6.
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbinenanordnung umfassend : - einen Verdichter (1) zum Ansaugen von Verbrennungsluft und Verdichten derselben in eine Verbrennungsluftzufuhr (31), - einen in der Verbrennungsluftzufuhr (31) angeordneten Rekuperator (2) zum Aufgeben von Wärmeenergie auf die Verbrennungsluft, - eine Brennkammer (3) mit der einlassseitig angeordneten Verbrennungsluftzufuhr (31) und einer auslassseitig angeordneten Brenngasabfuhr (33), - eine Gasturbine (4), die einlassseitig mit der Brenngasabfuhr (33) der Brennkammer (3) verbunden ist und auslassseitig eine Abgasabfuhr (43) aufweist, wobei die Abgasabfuhr (43) durch den Rekuperator (2) geführt ist, - einen Wärmetauscher (5, 21), der thermisch mit der Abgasabfuhr (43) in Verbindung steht, zum Aufgeben von Abgaswärme auf ein verdampfbares Arbeitsmedium, - eine Expansionsturbine (6), die einlassseitig eine Arbeitsmedienzufuhr (61) aufweist, zum Expandieren des verdampften Arbeitsmediums, wobei das expandierte Arbeitsmedium auslassseitig über eine Arbeitsmedienabfuhr (63) abgeleitet wird, wobei der Verdichter (1), die Gasturbine (4) und die Expansionsturbine (6) auf einer gemeinsamen Welle (11) angeordnet sind, die mit einem Generator (12) zur Erzeugung elektrischer Energie verbunden ist.

Description

Turbinenanordnung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Turbinenanordnung, ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie und Verwendungen der Turbinenanordnung.
Die Energieversorgung der Zukunft soll effizient, emissionsarm und dezentral gestaltet werden. Große Kraftwerke, die nukleare oder fossile Brennstoffe einsetzen, werden durch viele kleine und mittlere Anlagen (Windenergie, Photovoltaik, Biogas etc.) mit günstiger COs-Bilanz ergänzt und ersetzt. In den Stromnetzen entsteht dadurch eine hohe Volatilität und somit ein großer Bedarf, die Netzstabilität mittels flexibler Kraftwerks- Systeme und auch Energiespeicher zu gewährleisten. Gleichzeitig steigt der Bedarf an Strom durch die wachsende Elektromobilität, die ebenfalls zu Schwankungen und Verbrauchssteigerungen im Stromnetz führen wird.
Die höchste Energieeffizienz erreichen große Gas- und Dampfkraftkraftwerke, die aus der Kombination einer Gasturbine und einer Dampfturbine bestehen. Gasturbinen erreichen hier einen Wirkungsgrad von ca. 40 %. Die Stromgestehungskosten werden wesentlich über die Brennstoffkosten definiert.
Prinzipbedingt besitzen kleine Gasturbinen einen geringen elektrischen Wirkungsgrad von ca. 30 %, daher sind diese häufig nur in einer Koppelung mit Wärmeprozessen sinnvoll einsetzbar. Ihr Vorteil liegt aber in der Vielstofffähigkeit und hohen Robustheit. Wartungsintervalle werden damit sehr groß. Erst durch die Kopplung einer oder mehrerer Kleingasturbinen mit nachgeschalteten Prozessen zur Stromerzeugung erreichen diese wirtschaftlich nennenswerte Stromgestehungskosten, soweit die Kraftstoffkosten vernachlässigt werden können. Eine Stromproduktion mittels Erdgas ist erst ab einem Wirkungsgrad von ca. 40 % wirtschaftlich sinnvoll.
Andere Systeme (Gasmotoren) sind für eine dauerhafte Energieversorgung nicht geeignet, da sie sehr schwer und zudem wartungsintensiv sind. Im Verhältnis zu Ihrer Größe liefern diese Systeme nur wenig Leistung, weisen also eine ungünstige Leistungsdichte auf.
Gattungsgemäße Turbinenanordnungen sind aus dem Stand der Technik daher an sich bekannt, bei denen entweder getrennte Anlagen oder großtechnische Anlagen vorliegen, diese mit großen Abständen und rein stationärem Betrieb. In großen Kraftwerkssystemen werden dabei Kombikraftwerke derart betrieben, dass entweder: eine (meist Erdgasbetriebene) Gasturbine direkt mit einer Dampfturbine gekoppelt ist, oder eine Gasturbine mit einem Generator und eine Dampfturbine mit einem zweiten Generator gekoppelt ist.
Die erstbeschriebene Variante funktioniert unter großtechnischen Bedingungen deshalb, weil die Abgaswärme der Gasturbine direkt dem Dampfprozess der nachgeschalteten Dampfturbine zugeführt wird. Der Dampfturbinenprozess arbeitet dabei mit Zwischenüberhitzung, wobei Hoch-, Mittel- und Niederdruckturbinenstufen den Dampf bis an die Kondensationsgrenze entspannen. Die derart kombinierten Kreisläufe erreichen hohe Gesamtwirkungsgrade in der Stromerzeugung von mehr als 60 %.
Derartige Prozesse lassen sich nicht beliebig verkleinern, da bei geringeren Leistungen die Durchmesser der Turbinenräder kleiner werden müssen, was zu höheren Spalt- und Druckverlusten führt. Ebenso sinken die Möglichkeiten, die Turbinenschaufeln zu kühlen und die damit verbundenen Grenztemperaturen für die Materialien.
Kleine Gasturbinen kompensieren diesen Nachteil, indem sie Abgaswärme an die verdichtete Verbrennungsluft weitergeben, was die mögliche Wirkungsgradsteigerung durch einen nachgeschalteten Dampfprozess verhindert, da für einen effizienten Betrieb dieses Prozesses eine entsprechen hohe Überhitzung des Wasserdampfs benötigt wird.
Kombinierte Anlagen aus einem sog. „Organic-Rankine-Cycle“ (ORC) und einer Mikro- Gas-Turbine MGT (bevorzugt im Leistungsbereich von ca. 20 kW bis 400 kW, die üblicherweise über einen einstufigen Radialverdichter und eine einstufige Radialturbine verfügen) werden u.a. beschrieben in US 6,962,056 B2 und in der wissenschaftlichen Untersuchung: „Analysis of Design and Part Load Performance of Micro Gas Turbine/Organic Rankine Cycle Combined Systems“ von Joon Hee Lee und Tong Seop Kim, Journal of Mechanical Science and Technology, 2006.
In der letztgenannten Veröffentlichung kommen die Autoren zu dem Schluss, eine gekoppelte Anlage aus den beiden Prozessen führe zu einem Wirkungsgrad von 39 %. Dabei gehen die Autoren immer von zwei mechanisch entkoppelten Prozessen aus. Konkret wird eine mechanische Kombination von ORC-Turbine und Gasturbine ausgeschlossen, da die Systeme während der Lebensdauer meist in Teillast laufen würden.
Ausgehend von den vorstehend genannten Nachteilen des Standes der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Turbinenanordnung bereitzustellen und ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie anzugeben, mit welchen die Nachteile überwunden werden. Insbesondere soll eine Turbinenanordnung bereitgestellt werden, die geometrisch kompakt aufgebaut sowie hochintegriert ausgelegt und damit flexibel einsetzbar ist, während gleichzeitig ein hoher Wirkungsgrad mit deutlich reduzierten Emissionen erreicht wird, so dass die Turbinenanordnung eine hohe Leistungsdichte aufweist.
Diese Aufgabe wird in einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung durch eine Turbinenanordnung gelöst, umfassend
- einen Verdichter (1 ) zum Ansaugen von Verbrennungsluft und Verdichten derselben in eine Verbrennungsluftzufuhr (31 ),
- einen in der Verbrennungsluftzufuhr (31 ) angeordneten Rekuperator (2) zum Aufgeben von Wärmeenergie auf die Verbrennungsluft,
- eine Brennkammer (3) mit der einlassseitig angeordneten Verbrennungsluftzufuhr (31 ) und einer auslassseitig angeordneten Brenngasabfuhr (33),
- eine Gasturbine (4), die einlassseitig mit der Brenngasabfuhr (33) der Brennkammer (3) verbunden ist und auslassseitig eine Abgasabfuhr (43) aufweist, wobei die Abgasabfuhr (43) durch den Rekuperator (2) geführt ist,
- einen Wärmetauscher (5, 21 ), der thermisch mit der Abgasabfuhr (43) in Verbindung steht, zum Aufgeben von Abgaswärme auf ein verdampfbares Arbeitsmedium, eine Expansionsturbine (6), die einlassseitig eine Arbeitsmedienzufuhr (61) aufweist, zum Expandieren des verdampften Arbeitsmediums, wobei das expandierte Arbeitsmedium auslassseitig über eine Arbeitsmedienabfuhr (63) abgeleitet wird, wobei der Verdichter (1 ), die Gasturbine (4) und die Expansionsturbine (6) auf einer gemeinsamen Welle (1 1 ) angeordnet sind, die mit einem Generator (12) zur Erzeugung elektrischer Energie verbunden ist.
Bei dem erfindungsgemäß eingesetzten Verdichter handelt es sich vorzugsweise um einen einstufigen Radialverdichter (insbesondere mit einem Verdichtungsverhältnis von ca. 3 bis 8). Mit „Verbrennungsluft“ wird grundsätzlich die Luft aus der Umgebung der erfindungsgemäßen Turbinenanordnung bezeichnet.
Der Begriff „Rekuperator“ wird in der vorliegenden Erfindung für (denjenigen Wärmetauscher verwendet, der mittels Abgasenergie die verdichtete Frischluft aufheizt.
Unter der „Brennkammer“ wird im Sinne der vorliegenden Erfindung der Reaktionsraum verstanden, in dem die verdichtete, erhitzte Verbrennungsluft mit einem mit dem Luftsauerstoff reagierenden Brennstoff vermischt und (soweit technisch möglich) vollständig verbrannt wird.
Bei der erfindungsgemäß eingesetzten Gasturbine handelt es sich vorzugsweise um die Kombination einer üblicherweise einstufig radial verdichteten und radial entspannten Turbine mit einer Brennkammer (analog den auf dem Markt befindlichen und realisierten Systemen). Der wesentliche Unterschied zu diesen bekannten Turbinen ist die komplette Integration des als „bottoming cycle“ bezeichneten Rankine-Kreislaufs. Das gesamte System kann auch als „Mikrohybridturbine“ bezeichnet werden, um die Eigenständigkeit des Konzepts darzustellen.
Der Begriff „Wärmetauscher“ wird in der vorliegenden Erfindung für den Abgaswärmetauscher verwendet, der die im Prozess nicht nutzbare bzw. nicht genutzte Restenergie des Abgases an ein Arbeitsmedium abgibt und dieses verdampft. In diesen Prozess können zusätzliche Wärmequellen eingekoppelt werden.
Mit „Expansionsturbine“ wird eine einstufige Radialturbine oder einstufige Axialturbine oder auch eine Mischform aus beiden Typen bezeichnet. Mehrstufige Ausführungen sind denkbar für höhere Leistungen.
Das „verdampfbare Arbeitsmedium“ ist ein grundsätzlich niedrigsiedendes Medium, das aufgrund seiner Eigenschaft leichter zu verdampfen ist als Wasser. Ein solches Medium ist üblicherweise ein kurzkettiger Kohlenwasserstoff (Alkanole) oder eine Fluor- Kohlenwasserstoff. Andere Medien wie Ammoniak eignen sich ebenfalls, wesentlich ist hier die Verdampfungstemperatur und die Verdampfungsenthalpie.
Schließlich handelt es sich bei dem erfindungsgemäß eingesetzten Generator vorzugsweise um einen Hochdrehzahlgenerator, der mittels Luftlagern und / oder Magnetlagern gelagert ist. Dabei ist die Generatorwelle direkt mit dem Turbinensatz / der ORC-Turbine gekoppelt. Die Generatorwelle ist dabei üblicherweise so ausgestaltet, dass Magneten auf die Welle aufgeschrumpft oder in ihr eingelassen und mittels einer Ummantelung aus Stahl oder eines hochfesten Faserwerkstoffs armiert sind.
Die erfindungsgemäße Turbinenanordnung steht technisch im Gegensatz zu der vorstehend genannten Veröffentlichung von Lee et al., wo eine mechanische Kombination einer ORC-Turbine mit einer Gasturbine ausgeschlossen wird, da die Systeme während der Lebensdauer meist in Teillast laufen.
Die erfindungsgemäße Turbinenanordnung umgeht das vorstehend von Lee et al. geschilderte Dilemma aber, indem entgegen dieser Lehre eine Mikrogasturbine, erfindungsgemäß die Gasturbine (4), mechanisch direkt mit einer ORC-Turbine, erfindungsgemäß als Expansionsturbine (6) bezeichnet, gekoppelt wird. Durch die erfindungsgemäße Turbinenanordnung ist es somit möglich, die Abwärme aus der Gasturbine (4) an ein niedrigsiedendes Medium, in der vorliegenden Erfindung das verdampfbare Arbeitsmedium, zu übertragen, welches wiederum die Expansionsturbine (6) antreibt.
Konkret wird durch die mechanische Kopplung der Expansionsturbine (6) und der Gasturbine (4) ein sich gegenseitig ergänzender Prozess ermöglicht und zur Stromerzeugung genutzt. Dieser Prozess unterscheidet sich von großen Gas- und Dampfkraftwerken (Leistungen größer 5 MW) maßgeblich durch die Verschaltung der Komponenten untereinander derart, dass zunächst der Rekuperator (2) Verbrennungsenergie an die verdichtete Frischluft abgibt und die verbleibende Abgasenergie (üblicherweise über 50 % der gesamten Brennstoffenergie) über einen integrierten zusätzlichen Wärmetauscher (5, 21 ) an ein weiteres Prozessmedium, nämlich das verdampfbare Arbeitsmedium, abgibt. Diese Kombination in einer Turbinenanordnung bzw. in einem Prozess ermöglicht Wirkungsgrade deutlich oberhalb bestehender Mikrogasturbinensysteme.
Entgegen der Lehre von Lee et al., wie vorstehend ausgeführt, soll die erfindungsgemäße Turbinenanordnung grundsätzlich möglichst lange in Volllast unter Nennbedingungen laufen. Aus diesem Grund kann die Turbinenanordnung daher auch als Kombination beider Systeme funktionieren. Hier entstehen weitere Vorteile, z.B. die Verringerung von Verlusten durch Lagerreibung und die funktionale Kombination von beiden Systemen derart, dass der Unterdrück des Verdichters die Medienversorgung (eigentlich die notwendige Kondensation) des ORC-Systems (Mediums) und die Lagerung unterstützen kann.
Die sogenannte Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) spielt zwar in der Betrachtung häufig eine wichtige Rolle, Strom ist aber im Verhältnis zu Wärme eine wertvollere Energieform, da sie vielseitig einsetzbar ist. Bei der vorliegenden Erfindung wird daher die Verbrennungsenergie so weit wie möglich in Strom umgewandelt. Dies ist im Rahmen einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung ausgesprochen sinnvoll, da sich damit die Stromgestehungskosten drastisch reduzieren lassen. Die Stromgestehungskosten sind maßgeblich für die Wirtschaftlichkeit und erweitern somit den Einsatzbereich einer erfindungsgemäßen Anlage auf viele Schwachgasquellen und niederkalorische Energiequellen, die zurzeit nicht wirtschaftlich zu erschließen sind. Damit wird die Anlage signifikant zur Reduktion klimaschädlicher Gase (u.a. Methan und Ammoniak) aus natürlichen Zersetzungsprozessen beitragen.
Mit anderen Worten technisch ausgedrückt ist die vorliegende Erfindung die Integration eines ORC-Prozesses in einen nach dem Joule-Prozess arbeitenden Gasturbine bzw. die Kombination der beiden genannten Prozesse in einem System.
Die erfindungsgemäße Turbinenanordnung kann in einem Leistungsbereich zwischen 20 kW und 400 kW skaliert werden.
Die gemeinsame Welle (11 ) kann insbesondere eine Hohlwelle sein, die den Transport eines Kühlmediums ermöglicht. Ferner kann die Expansionsturbine (6) luftgekühlt ausgeführt sein.
Aufgrund der hohen Leistungsdichte und des modularen Aufbaus kann die erfindungsgemäße Turbinenanordnung System vielseitig eingesetzt werden.
Die Integration externer Wärmequellen ermöglicht eine Nutzung von Restwärme aus Industrieprozessen und damit eine Reduktion von COs-Emissionen.
In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Turbinenanordnung ist die gemeinsame Welle (11 ) von Verdichter (1 ), Gasturbine (4) und Expansionsturbine (6) getriebefrei oder mechanisch entkoppelt mit dem Generator (12) gekoppelt. Insbesondere kann hier eine Magnetkupplung (13) verwendet werden. Diese besondere Anordnung ermöglicht einerseits eine schwingungsmechanische Entkopplung von Generator (12) sowie Gasturbine (4) und Expansionsturbine (6) und andererseits eine im Notfall bessere Redundanz.
Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass der Wärmetauscher (5, 21 ) als Restabgas-Wärmetauscher (5) stromabwärts des Rekuperators (2) in der Abgasabfuhr (43) angeordnet ist. Dieser Aufbau ermöglicht aufgrund seiner Module eine einfache Kopplung und Adaption auf entsprechende Leistungsbedarfe oder sonstige Randbedingungen.
Eine zu der ersten Ausführungsform alternative zweite Ausführungsform sieht vor, dass der Wärmetauscher (5, 21 ) als Abgaswärmetauscher (21 ) in Kombination mit dem Rekuperator (2) in der Abgasabfuhr (43) angeordnet ist. Bei dieser Anordnungsform ist die kompakte Bauweise maßgeblich, hier ändert sich die Bauform von einem Gegenstrom zu einem Kreuzstromwärmetauscher]
In der zweiten Ausführungsform kann es vorteilhaft sein, wenn der Verdichter (1 ) dazu ausgelegt ist, einen Unterdrück zu erzeugen, wozu der Verdichter (1 ) stromabwärts der Brennkammer (3) und der Gasturbine (4) angeordnet ist. Mit dieser Ausführungsform wird die erfindungsgemäße Turbinenanordnung Somit wird das System nach dem sog. „inverted Brayton-Cycle“ betrieben, wobei der Verdichter (1 ) die Verbrennungsgase über den Rekuperator (2) / ORC-Wärmetauscher (21) und die Expansionsturbine (6) hinweg einen Unterdrück in der Brennkammer (3) erzeugt und somit die Verbrennungsgase erzeugt, die wiederum in der Expansionsturbine (6) entspannt werden. Anschließend werden die Verbrennungsgase im Rekuperator (2) / ORC-Wärmetauscher (21 ) heruntergekühlt, bis sie auf der Saugseite in den Verdichter (1 ) eintreten. Die im Wärmetauscher (21 ) abgegebene Verbrennungswärme kann dann wieder über ein Heizregister der Verbrennung und / oder über einen Verdampfer einem ORC-Prozess zugeführt werden.
Die Abdampfseite der Expansionsturbine (6) kann aus Gründen der Wirkungsgradsteigerung und Prozessabsicherung evakuiert werden, aus dem Prozess entweichende Stoffe (z.B.: Kondensat, Luft und darin enthaltene Aerosole, verdampfbare Arbeitsmedium) können so über den Verbrennungsprozess abgeführt werden. Zusätzlich oder alternativ zu dieser Weiterbildung, kann der Generator (12) und ein die gemeinsame Welle (11 ) umgebendes Gehäuse evakuierbar auslegt sein. Somit wird die Luftreibung der Welle (11 ) reduziert, zudem wird ein Kühleffekt für den Generator (12) erzeugt, da nach der allgemeinen Gasgleichung (p=p*R*T] die Temperatur druckabhängig ist.
Um die Variabilität der erfindungsgemäßen Turbinenanordnung zu erhöhen, können neben dem Wärmetauscher (5, 21 ) externe Wärmequellen thermisch eingekoppelt sein. Diese externen Wärmequellen können industrielle Abwärmeprozesse, solare Wärmequellen oder geologische Wärmequellen sein. Wesentlicher Vorteil ist die Steigerung von Leistung und bedingt Wirkungsgrad durch die Nutzung von Exergie. Damit können signifikante COs-Einsparungen erzielt werden.]
Für die Effizienz der vorliegenden Erfindung hat es sich als wichtig herausgestellt, wenn das Arbeitsmedium ausgehend von dem Wärmetauscher (5, 21 ) über die Expansionsturbine (6), einen Arbeitsmedien-Kondensator (7), eine Kondensat- Förderpumpe (8), einen Arbeitsmedien-Vorratsbehälter (9) und eine Arbeitsmedien- Speisepumpe (10) zurück in den Wärmetauscher (5, 21 ) im Kreis geführt wird. Das Arbeitsmedium soll mit möglichst geringem Aufwand für dessen Zustandspflege (Verhinderung von Kontamination oder Zerfall) lange im Betrieb genutzt werden und in minimalen Mengen verbraucht werden, um den Wartungsaufwand des Systems so gering wie möglich zu halten.
Als Arbeitsmedium sind bevorzugt ein niedrigsiedender Alkohol, ein niedrigsiedender Kohlenwasserstoff oder ein halogenierter Kohlenwasserstoff einsetzbar. Besonders bevorzugt werden Azeton, Methanol, Ethanol oder sogenannte Kältemittel wie z.B. Pentafluorpropan verwendet, auch Mischungen aus Ethanol mit Wasser oder Ammoniak und Wasser sind denkbar. Durch den niedrigen Siedepunkt und die dennoch hohe Verdampfungs-(Kondensations)-Enthalpie ermöglichen diese Stoffe gegenüber dem klassischen Gas-und Dampfprozess eine höhere Energieausbeute.
Wenn in der Beschreibung der erfindungsgemäßen Turbinenanordnung Verfahrensmerkmale genannt werden, so beziehen sich diese insbesondere auf das erfindungsgemäße Verfahren. Ebenso beziehen sich gegenständliche Merkmale, die in der Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens angeführt werden, auf die erfindungsgemäße T urbinenanordnung.
Die vorstehenden Ausführungen und Bevorzugungen im Hinblick auf die erfindungsgemäße Turbinenanordnung gelten für das nachstehend beschriebene erfindungsgemäße Verfahren entsprechend. Ebenso gelten die nachstehenden Ausführungen und Bevorzugungen im Hinblick auf das erfindungsgemäße Verfahren für die erfindungsgemäße Turbinenanordnung entsprechend.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird in einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung durch ein zur Erzeugung elektrischer Energie unter Verwendung einer Turbinenanordnung, wie sie vorstehend beschrieben wurde, gelöst, das die Schritte umfasst: a) Ansaugen von Verbrennungsluft und Verdichten derselben mittels eines Verdichters (1 ) in eine Verbrennungsluftzufuhr (31 ), b) Aufgeben von Wärmeenergie auf die Verbrennungsluft mittels eines in der Verbrennungsluftzufuhr (31 ) angeordneten Rekuperators (2), c) Einführen der erhitzten Verbrennungsluft über die Verbrennungsluftzufuhr (31 ) in eine Brennkammer (3), d) Abführen von Brenngas aus der Brennkammer (3) über eine Brenngasabfuhr (33), e) Einführen des Brenngases in eine Gasturbine (4) und Abführen des Abgases über eine Abgasabfuhr (43), wobei die Abgasabfuhr (43) durch den Rekuperator (2) geführt ist, f) Aufgeben von Abgaswärme des Abgases in einem Wärmetauscher (5, 21 ), auf ein verdampfbares Arbeitsmedium, wobei der Wärmetauscher (5, 21 ) thermisch mit der Abgasabfuhr (43) in Verbindung steht, und Einführen des verdampfbaren Arbeitsmediums in eine Expansionsturbine (6), g) Expandieren des verdampfbaren Arbeitsmediums in einer Expansionsturbine (6), wobei das expandierte Arbeitsmedium auslassseitig über eine Arbeitsmedienabfuhr (63) abgeleitet wird, h) Antreiben eines Generators (12) zur Erzeugung elektrischer Energie mit der mechanischen Energie zumindest der Expansionsturbine (6).
Das Verfahren weist grundsätzlich die vorstehend in Verbindung mit der Turbinenanordnung bereits angegebenen Vorteile auf. Als Brennstoffe für das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Turbinenanordnung können viele unterschiedliche Stoffe verwendet werden, beispielsweise Erdgas, Biogase, organische Kraftstoffe oder synthetische Kraftstoffe.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist auch den Vorteil auf, dass die Abwärme aus der Gasturbine (4) an das das verdampfbare Arbeitsmedium übertragen wird, welches wiederum die Expansionsturbine (6) antreibt. Konkret wird also durch die mechanische Kopplung der Expansionsturbine (6) und der Gasturbine (4) ein sich gegenseitig ergänzender Prozess ermöglicht und zur Stromerzeugung genutzt.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird in einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung durch die Verwendung der Turbinenanordnung, wie sie vorstehend beschrieben wurde, gelöst.
Die erfindungsgemäße Turbinenanordnung kann zunächst als stationäres System zur Stromerzeugung und Restwärmenutzung aus regenerativen und/oder industriellen und/oder synthetischen und/oder konventionellen Energiequellen eingesetzt werden. Zu den regenerativen Energiequellen zählen bevorzugt Biogas, Schwachgase und Deponiegase.
Eine weitere Verwendung lieht in der Zusammenschaltung mehrerer vor vorstehend beschriebener Turbinenanordnungen zu stationären Clustern oder virtuellen Kraftwerken.
Die erfindungsgemäße Turbinenanordnung kann darüber hinaus als mobiles System zum zumindest zeitweisen Antrieb von Fahrzeugen dienen. Die erfindungsgemäße Turbinenanordnung deckt dabei mindestens den durchschnittlichen Energiebedarf des jeweiligen Fahrzeugs, während die Lastspitzen des Energiebedarfs gemeinsam mit und/oder mittels eines Stromspeichers abgedeckt werden.
Schließlich kann die erfindungsgemäße Turbinenanordnung als mobiles System zur Stromerzeugung verwendet werden.
Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von die Erfindung nicht einschränkenden Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Turbinenanordnung nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung und
Fig. 2 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Turbinenanordnung nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Figur 1 zeigt einen Verdichter 1 (Kompressor), der Umgebungsluft ansaugt und verdichtet. Die so aufbereitete Luft wird über eine Leitung 31 (Verbrennungsluftzufuhr) an einen als Rekuperator 2 ausgeführten Wärmetauscher geleitet. In diesem Rekuperator 2 wird die verdichtete Luft erwärmt, die Wärmeenergie entstammt dabei dem Abgas aus der Verbrennung. Die Luft wird nach dem Austritt aus dem Rekuperator 2 einer Brennkammer 3 zugeführt und dort mit Kraftstoff vermischt und verbrannt. Das entstehende heiße Abgas wird von dort über eine Leitung 33 (Brenngasabfuhr, gleichzeitig Brenngaszufuhr Turbine) der Expansionsturbine 4 (Gasturbine) zugeführt. In der Expansionsturbine 4 wird das Abgas expandiert, wobei es einen Teil seiner Energie abgibt. Das Abgas wird dann über den Abgaskrümmer 43 (Abgasabfuhr) in den Rekuperator 2 geleitet. Dort gibt das Abgas Wärmeenergie an die verdichtete Frischluft ab und strömt dann in den Wärmetauscher 5, der als Überhitzer bzw. ORC-Verdampfer ausgebildet ist.
Im Wärmetauscher 5 wird ein großer Teil der verbleibenden Abgasenergie an ein Arbeitsmedium (sog. ORC-Medium) abgegeben. Anschließend expandiert das Abgas in die Umgebung 53.
Das ORC-Medium wird aus dem Vorratsbehälter 9 mittels einer Arbeitsmedien- Speisepumpe 10 an den Wärmetauscher 5 (Überhitzer) gefördert, wobei es erhitzt wird und schließlich verdampft und dann über die Rohrleitung 61 (Arbeitsmedienzufuhr) in die Expansionsturbine 6 eintritt. Nach Durchströmen der Expansionsturbine 6 wird das ORC-Medium über eine weitere Rohrleitung 63 (Arbeitsmedienabfuhr) in den Kondensator 7 geführt, wo es kondensiert und dann flüssig über die Kondensat- Förderpumpe 8 und die Rückleitung 91 in den Vorratsbehälter 9 zurückgeführt wird. Figur 2 zeigt eine Variation des in Figur 1 dargestellten Aufbaus derart, dass Verdichter 1 , Expansionsturbine 6 und Gasturbine 4 gekoppelt auf einer Welle 1 1 angeordnet sind und diese mittels einer schwingungsentkoppelnden Vorrichtung 13 an einen Generator 12 angebunden sind. Die Schwingungsentkopplung 13 kann dabei ein eigenes Modul (z.B. eine Magnetkupplung) oder wahlweise / z.B. ein biegeweicher Teil der Gesamtwelle sein (Schwingungsdämpfer). Damit werden kritische Biegeschwingungen der Welle gedämpft.
Die Funktion der in Figur 2 gezeigten Variation ist identisch mit der in Figur 1 gezeigten Konfiguration. Besonderes Unterscheidungsmerkmal neben der Anordnung von Expansionsturbine 6 und Generator 12 auf der Welle 1 1 ist der als Hybridwärmetauscher ausgeführte Wärmetauscher 21 (kombinierter Wärmetauscher - Abgas / Frischluft - ORC-Verdampfer), der vom Abgas nach Austritt aus der Gasturbine 4 durch die Leitung 43 durchströmt wird in Richtung des Abgasaustritts 53. In diesem Wärmetauscher 21 wird zunächst die Frischluft aus dem Verdichter 1 über die Leitung (31 ) erwärmt und tritt dann wieder in die Brennkammer 3 ein. In einem dazu parallelen Schritt wird im gleichen Wärmetauscher 21 in einem nachgeschalteten Prozess das ORC-Medium überhitzt, sodass es über die Rohrleitung 61 in die Expansionsturbine 6 strömt.
Alle Stoffströme sollen unter normalen Betriebsbedingungen kontinuierlich und mit konstanten Mengen im Auslegungspunkt durch die Systeme gefördert werden, um einen hohen elektrischen Wirkungsgrad zu erzielen.
Die Anwendungsbereiche der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der guten Skalierbarkeit und der Option, verschiedenste Brennstoffe effizient zu nutzen. Als dezentrale Anlage oder in Form von Verbundanlagen (Koppelung mehrerer Anlagen) kann die erfindungsgemäße Turbinenanordnung vielfältige Einsatzgebiete abdecken. Als sogenannte Insellösung kann die erfindungsgemäße Turbinenanordnung kleinere Siedlungen komplett oder ergänzend mit Strom versorgen, als Zusammenschluss mehrerer erfindungsgemäßer Turbinenanordnungen kann ein virtuelles Kraftwerk mit sehr genau auf den Energiebedarf abgestimmter Leistung aufgebaut werden. Dazu kann ein Netzwerk aus beliebig vielen erfindungsgemäßen Turbinenanordnungen zusammengeschaltet werden und somit größere Kraftwerke effizient ersetzen. Der Einsatz von Biogas aus Landwirtschaft, Siedlungswasserwirtschaft, natürlichen oder industriellen Prozessen oder Grubengasen, auch die Nutzung von sogenannten Schwachgasen, Ammoniak, Alkanolen oder Synthesekraftstoffen ermöglicht eine nachhaltige Energiegewinnung.
Weitere Vorteile ergeben sich hier mittelbar durch die Senkung der Stickstoffkonzentration in landwirtschaftlichen Abfällen und die damit einhergehende Senkung des Nitratgehalts in Böden und Grundwasser durch die Verwertung von Ammoniak aus landwirtschaftlichen Abfallprodukten. Wasserstoff, Synthesegase oder Erdgas aus fossilen Quellen können mit der erfindungsgemäßen Turbinenanordnung verstromt werden und somit die Schwankungen in der Energieversorgung durch regenerative Quellen effizient und dezentral ausgleichen. Somit reduzieren sich Investitionskosten in überregionale Stromnetze.
Ein Einsatz der erfindungsgemäßen Turbinenanordnung in mobilen Anwendungen ist denkbar und wünschenswert, insbesondere bei Fahrzeugen mit hoher Spitzenlastanforderung und geringer Gesamtlast (Entsorgungsfahrzeuge), aber auch in landwirtschaftlichen Systemen oder im öffentlichen Nahverkehr erscheint ein Einsatz sinnvoll. Fahrzeuge, die für Langstreckenbetrieb ausgelegt sind, sind eine mögliche Anwendung.
Funktionsbedingt ist die Nutzung einer subatmosphärisch arbeitenden Turbine nach dem Brayton-Zyklus eine mögliche Variation. Dabei wird die Anlage nach dem in Figur 2 gezeigten Funktionsprinzip derart modifiziert, dass der Verdichter 1 einen Unterdrück erzeugt, der Frischgas durch die Brennkammer 3 ansaugt. Das Frischgas wird dabei „rückwärts“ durch die Brennkammer 3 und Gasturbine 4 gesaugt und tritt erst danach durch den Wärmetauscher 5, 21 in den Einlass des Verdichters 1 ein.
Erfindungsgemäß verbindet die Turbinenanordnung die Stromproduktion einer Gasturbine 4 mit einer Dampfturbine auf einer Welle 1 1 in der Art, dass die nach dem Durchtritt der Abgase aus der Gasturbine 4 vorhandene Wärmeenergie im Abgas einem Rekuperator 2 zur Verbrennungsluftvorwärmung und einem Wärmetauscher 5, 21 zur Verdampfung eines verdampfbaren Arbeitsmediums zur Verfügung gestellt wird. Die Wärmeenergie wird dabei so auf beide Prozessmedien aufgeteilt, dass sich für das Gesamtsystem ein optimaler Wirkungsgrad ergibt. Dem Gasturbinenprozess wird dabei Energie aus der Verbrennung wieder zugeführt, um den Wirkungsgrad dieses Teilprozesses zu steigern. Das zu verdampfende Arbeitsmedium soll mit der verbleibenden Energie soweit aufgeheizt werden, dass es in einer Expansionsturbine 6 (auch Impulsturbine oder Reaktionsturbine) mit hohem Druckverhältnis expandiert wird.
Idealerweise handelt es sich bei dem Prozessmedium um ein sogenanntes ORC (Organic Rankine Cycle)-Medium, also ein Alkanol wie etwa Ethanol oder Methanol, auch Azeton, verschiedene Kältemittel (R134a etc.) sind denkbar. Der Einsatz von Wasser als verdampfbares Arbeitsmedium ist ebenfalls denkbar. Der Organic Rankine Prozess beschreibt den klassischen Dampfturbinenprozess unter Nutzung eines (meist) organischen Mediums, dass üblicherweise bereits unter geringeren Temperaturen als Wasser verdampft. So lässt sich Energie aus niederkalorischen Quellen noch mit entsprechendem Wirkungsgrad nutzen.
Die Systemkomponenten einer erfindungsgemäßen Ausführung sind modular miteinander gekoppelt und können jederzeit angepasst oder für Wartungsarbeiten oder Adaptionen an veränderte Umgebungsbedingungen ausgetauscht werden. Der modulare Aufbau des Systems ist spezifisch und somit Teil der Erfindung.
In einer vorteilhaften Ausführung dieser Anordnung ist die Verbrennungsluft bereits so hoch verdichtet, dass eine Rekuperation nicht notwendig oder nur in geringem Maße notwendig wird, sodass die Verbrennungsenergie weitgehend dem nachgeschalteten Dampfprozess zur Verfügung gestellt werden kann um den Gesamtwirkungsgrad der Anlage weiter zu erhöhen. Hier ist relevant, dass eine hohe Verdichtung durch Mehrfachverdichtung oder durch eine hochverdichtende Radialstufe erreicht werden kann, dann sind aber massive Überschneidungen mit herkömmlichen Gasturbinen zu befürchten.
Idealerweise sind Verdichter 1 und Gasturbine 4 als Radialläufer ausgestaltet und einstufig. Eine mehrstufige Anordnung dieser Komponenten ist für höhere Leistungen denkbar. Die ebenfalls einstufige Expansionsturbine 6 für den Dampf- oder ORC- Prozess ist dabei mittig zwischen beiden Systemen angebracht oder wahlweise zwischen Generator 12 und Gasturbine 4.
Die Lagerung eines erfindungsgemäßen Systems soll vorzugsweise über Luftlager gestaltet werden, weitere Lagerungsmöglichkeiten sind magnetische Lager oder Gleitlager. Als Brennkammern 3 können verschiedene Systeme zu Einsatz gelangen, um die Brennstoffe entsprechend Ihrer Qualität und Zusammensetzung emissionsarm zu verbrennen. Zu den relevanten Technologien gehören die sogenannten FLOX-Brenner („FLameless OXidation“) und Porenbrenner, die meist aus MetallOxid-keramischen Werkstoffen aufgebaut sind.
Die Kühlung von Gasturbine 4 und Generator 12 soll erfindungsgemäß mittels Wasser erfolgen, eine Kühlung über Ethanol oder ein Wasser-Ethanol-Gemisch ist anzustreben. Einen Teil der Kühlleistung übernimmt die aus den Luftlagern in Richtung Welle 11 und Gasturbine 4 austretende Luftmenge. Die Turbinenwelle 11 soll nach Möglichkeit hohl ausgestaltet sein, um eine hohe Drehsteifigkeit der Gasturbine 4 zu erzielen, zudem kann die hohle Welle Kühlmedien transportieren.
Weiterhin ist die Entnahme von Zapfluft nach dem Verdichter 1 oder aus einem zusätzlichen Kompressor zur Prozesssteuerung möglich. Dieser zusätzliche Kompressor kann auf der Turbinenwelle angeordnet sein.
Durch die Kombination von zwei Kreisläufen müssen die Energieflüsse, Massenströme und die Störgrößen so geregelt werden, dass die zwei Kreisläufe synchron arbeiten und Ihre Leistungen sich addieren. Hierfür ist der technische Anspruch auf Materialien, Steuerung, Regelung und betriebssicheres Auslegen der Komponenten unter allen Bedingungen enorm.
Die ORC Turbine erfordert sehr enge Toleranzen damit es nicht zur Arbeitsmediumleckage und somit zur Leistungsverlusten kommt. Leckagen an der Expansionsturbine 6 führen zu signifikanten Störungen und Ausfall der erfindungsgemäßen Turbinenanordnung ist wahrscheinlich.
Diese Problematik wird massiv erschwert durch die kompakte Anordnung des Systems (eine Welle), durch thermische Wechselwirkungen zwischen benachbarten heißen (Gasturbine 4) und kalten (Expansionsturbine 6) Baugruppen kommt es zur Ausdehnung der eingesetzten unterschiedlichen Materialien und zu Veränderungen der Spalte an der Expansionsturbine 6und der Luftlager. Der Anspruch auf die Materialien ist ein weiteres Kriterium, welche die Systemrealisierung ermöglicht. In einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, wie vorstehend beschrieben, der Verdichter 1 dazu ausgelegt, einen Unterdrück zu erzeugen. Hierbei werden eine Verbrennung und eine Restwärmenutzung nach dem Prinzip des invertierten Brayton-Kreisprozesses ermöglicht.
Dieser invertierte Brayton-Kreisprozess ist insofern eine Abwandlung des Joule- Prozesses, als hier der Verdichter 1 „rückwärts“ die Verbrennungsluft durch die Gasturbine 4 und einen zwischengeschalteten Wärmetauscher 5, 21 saugt. Somit ist in Flussrichtung des Arbeitsmediums die Turbine vor dem Wärmetauscher 5, 21 und dem Verdichter 1 angebracht. Diese Anordnung lässt sich aus der erfindungsgemäß beschriebenen Turbinenanordnung durch einfache Modifikation darstellen. Ebenso lässt sich der Wirkungsgrad in dieser Prozessabwandlung durch einen erfindungsgemäß mechanisch direkt gekoppelten ORC-Prozess steigern.
Die erfindungsgemäße Turbinenanordnung verfügt über ein im Detail ausgeklügeltes System von Lagerungen und Medienführungen, die eine effiziente thermische Entkopplung der Gasturbine 4 und der Expansionsturbine 6 untereinander erzielt.
Durch geeignete Kühlmedien und Kühlmedienführung in Kombination mit einer Werkstoffauswahl, die thermische und mechanische Anforderungen an das System erfüllt, wird gewährleistet, dass die einzelnen Komponenten sich weitgehend im Betrieb unterstützen und sowohl die Überhitzung des einen als auch die ineffiziente Abkühlung des anderen Prozesses ausgeschlossen sind.
Die Teilsysteme sind untereinander so ausgelegt, dass sie in ihrem optimalen Wirkungsgradbereich laufen bzw. im Zusammenspiel den optimalen Wirkungsgrad des Systems erzeugen.
Erfindungsgemäß werden die Gasturbine 4 und die Expansionsturbine 6 synchronisiert. Mit anderen Worten ist es wesentlich, dass sich Gasturbine 4 und die Expansionsturbine 6 in Ihren Leistungen ergänzen, was im Wesentlichen über die Auslegung im Volllastpunkt derart erfolgt, dass die im ORC-Wärmetauscher 21 abgegebene Energie und der daraus resultierende Massenstrom, Druck und Temperatur des Arbeitsmediums genau so viel Energie aus dem Abgas des Gasturbinenprozesses entnehmen, dass dies in beiden Turbinen 4, 6 zu gleichen Drehzahlen führt. Bezugszeichen
1 Verdichter
2 Rekuperator
21 Wärmetauscher
3 Brennkammer
31 Verbrennungsluftzufuhr
33 Brenngasabfuhr
4 Gasturbine
43 Abgasabfuhr
5 Wärmetauscher (ORC-Verdampfer - Überhitzer)
6 Expansionsturbine (Impulsturbine)
61 Arbeitsmedienzufuhr (Dampfzuführung)
63 Arbeitsmedienabfuhr (Dampfrückführung)
7 Arbeitsmedien-Kondensator (Kondensator)
8 Kondensat-Förderpumpe
9 Arbeitsmedien-Vorratsbehälter
10 Arbeitsmedien-Speisepumpe
11 gemeinsame Welle
12 Generator
13 Kopplungselement

Claims

Patentansprüche
1. Turbinenanordnung umfassend
- einen Verdichter (1 ) zum Ansaugen von Verbrennungsluft und Verdichten derselben in eine Verbrennungsluftzufuhr (31),
- einen in der Verbrennungsluftzufuhr (31) angeordneten Rekuperator (2) zum Aufgeben von Wärmeenergie auf die Verbrennungsluft,
- eine Brennkammer (3) mit der einlassseitig angeordneten
Verbrennungsluftzufuhr (31) und einer auslassseitig angeordneten
Brenngasabfuhr (33),
- eine Gasturbine (4), die einlassseitig mit der Brenngasabfuhr (33) der Brennkammer (3) verbunden ist und auslassseitig eine Abgasabfuhr (43) aufweist, wobei die Abgasabfuhr (43) durch den Rekuperator (2) geführt ist,
- einen Wärmetauscher (5, 21), der thermisch mit der Abgasabfuhr (43) in Verbindung steht, zum Aufgeben von Abgaswärme auf ein verdampfbares Arbeitsmedium, eine Expansionsturbine (6), die einlassseitig eine Arbeitsmedienzufuhr (61 ) aufweist, zum Expandieren des verdampften Arbeitsmediums, wobei das expandierte Arbeitsmedium auslassseitig über eine Arbeitsmedienabfuhr (63) abgeleitet wird, wobei der Verdichter (1), die Gasturbine (4) und die Expansionsturbine (6) auf einer gemeinsamen Welle (11) angeordnet sind, die mit einem Generator (12) zur Erzeugung elektrischer Energie verbunden ist.
2. Turbinenanordnung nach Anspruch 1 , wobei die gemeinsame Welle (11) von Verdichter (1), Gasturbine (4) und Expansionsturbine (6) getriebefrei oder mechanisch entkoppelt mit dem Generator (12) gekoppelt ist.
3. T urbinenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Wärmetauscher (5, 21) als Restabgas-Wärmetauscher (5) stromabwärts des Rekuperators (2) in der Abgasabfuhr (43) angeordnet ist.
4. T urbinenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Wärmetauscher (5, 21 ) als Abgaswärmetauscher (21 ) in Kombination mit dem Rekuperator (2) in der Abgasabfuhr (43) angeordnet ist.
5. Turbinenanordnung nach Anspruch 1 , 2 oder 4, wobei der Verdichter (1 ) dazu ausgelegt ist, einen Unterdrück zu erzeugen, wozu der Verdichter (1 ) stromabwärts der Brennkammer (3) und der Gasturbine (4) angeordnet ist.
6. Turbinenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei neben dem Wärmetauscher (5, 21 ) externe Wärmequellen thermisch eingekoppelt sind.
7. Turbinenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Arbeitsmedium ausgehend von dem Wärmetauscher (5, 21) über die Expansionsturbine (6), einen Arbeitsmedien-Kondensator (7), eine Kondensat-Förderpumpe (8), einen Arbeitsmedien-Vorratsbehälter (9) und eine Arbeitsmedien-Speisepumpe (10) zurück in den Wärmetauscher (5, 21 ) im Kreis geführt wird.
8. Turbinenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei als Arbeitsmedium ein niedrigsiedender Alkohol, ein niedrigsiedender Kohlenwasserstoff oder ein halogenierter Kohlenwasserstoff einsetzbar sind.
9. Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie unter Verwendung einer Turbinenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend die Schritte a) Ansaugen von Verbrennungsluft und Verdichten derselben mittels eines Verdichters (1 ) in eine Verbrennungsluftzufuhr (31 ), b) Aufgeben von Wärmeenergie auf die Verbrennungsluft mittels eines in der Verbrennungsluftzufuhr (31 ) angeordneten Rekuperators (2), c) Einführen der erhitzten Verbrennungsluft über die Verbrennungsluftzufuhr (31 ) in eine Brennkammer (3), d) Abführen von Brenngas aus der Brennkammer (3) über eine Brenngasabfuhr (33), e) Einführen des Brenngases in eine Gasturbine (4) und Abführen des Abgases über eine Abgasabfuhr (43), wobei die Abgasabfuhr (43) durch den Rekuperator (2) geführt ist, f) Aufgeben von Abgaswärme des Abgases in einem Wärmetauscher (5, 21 ), auf ein verdampfbares Arbeitsmedium, wobei der Wärmetauscher (5, 21 ) thermisch mit der Abgasabfuhr (43) in Verbindung steht, und Einführen des verdampfbaren Arbeitsmediums in eine Expansionsturbine (6), g) Expandieren des verdampfbaren Arbeitsmediums in einer Expansionsturbine (6), wobei das expandierte Arbeitsmedium auslassseitig über eine Arbeitsmedienabfuhr (63) abgeleitet wird, h) Antreiben eines Generators (12) zur Erzeugung elektrischer Energie mit der mechanischen Energie zumindest der Expansionsturbine (6). Verwendung der T urbinenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8
- als stationäres System zur Stromerzeugung und Restwärmenutzung aus regenerativen und/oder industriellen und/oder synthetischen und/oder konventionellen Energiequellen, oder,
- als Zusammenschaltung mehrerer Turbinenanordnungen nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zu stationären Clustern oder virtuellen Kraftwerken, oder
- als mobiles System zum zumindest zeitweisen Antrieb von Fahrzeugen oder
- als mobiles System zur Stromerzeugung.
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