DE102011102599A1

DE102011102599A1 - Verfahren zum Betrieb einer Kleingasturbinenanordnung, sowie Kleingasturbinenanordnung selbst

Info

Publication number: DE102011102599A1
Application number: DE201110102599
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Conpower Patente & Co KG GmbH
Current assignee: Conpower Patente & Co KG GmbH
Priority date: 2010-12-14
Filing date: 2011-05-27
Publication date: 2012-06-14
Also published as: WO2012079694A2; EP2655832A2; WO2012079694A8; WO2012079694A3

Abstract

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

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Kleingasturbinenanordung, sowie Kleingasturbine selbst, gemäß Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 11.
Mikro- oder Kleingasturbinen gewinnen im Zusammenhang mit dem Einsatz von erneuerbaren Energieträgern bzw. nachwachsenden Rohstoffen zunehmend an Bedeutung. Mittlerweile sind auch Techniken bekannt, bei denen mit Hilfe von Staubfeuerungen von trockener Biomasse hohe Prozesstemperaturen erzielt werden. In Bezug auf das Gesamtkonzept sind somit Kleingasturbinen zur Stromerzeugung aus nachwachsenden Rohstoffen von Bedeutung. Es ist außerdem bekannt, dass Gasturbinen derzeit mit den durchgeführten Kreisprozessen einen maximalen Wirkungsgrad von weniger als 40% erreichen.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art dahingehend weiter zu entwickeln, dass deutlich höhere Wirkungsgrade entstehen, und eine insbesondere auf die Verwendung nachwachsender Rohstoffe besonders vorteilhaft applizierbare Technik entsteht.
Die gestellte Aufgabe ist bei einem Verfahren der gattungsgemäßen Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 8 angegeben.
Im Hinblick auf eine Kleingasturbine selbst, ist die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 11 gelöst.
Weitere diesbezügliche Ausgestaltungen sind in den übrigen abhängigen Ansprüche angegeben.
Dem schließt sich in den Ansprüchen 9 und 10 eine erfindungsgemäße Verwendung an.
Kern der verfahrensgemäßen Erfindung ist, dass bei einer Anzahl von N Turbinen, vor jeder Turbine bzw. Turbinenstufe eine Brennkammer angeordnet ist, und der Gasausgang jeder Turbine bzw. Turbinenstufe zunächst in die Brennkammer der nächstfolgenden Turbine bzw. Turbinenstufe eingeleitet wird, und dass der Gasauslass der letzten Turbine bzw. Turbinenstufe wiederum über eine Rekuperation thermische Energie wieder zurück in den Gasstrom vor Eintritt in die erste Brennkammer der ersten Turbinenstufe führt.
Der sich ergebende Vorteile ist, dass dies zu einer erheblichen Steigerung des Wirkungsgrades führt.
Außerdem lassen sich solche Kleingasturbinenanordnungen extrem kompakt bauen. Ferner wird eine hohe Drehzahlfreiheit geschaffen, mit Mitteln, die noch nachfolgend näher beschrieben werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass im mechanischen Dreheingriff der Turbinen bzw. Turbinenstufen eine Verdichteranordnung mit M Stufen vorgesehen ist, bei welcher die Verdichterstufen (1 bis M) (druckmittelschlüssig) in Reihe geschaltet sind, und dass zwischen jeweils zwei aufeinander folgenden Verdichterstufen, d. h. hinter jeder Verdichterstufe ein flüssiges Verdampfermedium injiziert wird, derart, dass auch hinter dem letzten Verdichter ebenfalls eine letzte Injektion erfolgt. Aus diesem Konzept ergeben sich die bereits erwähnten Wirkungsgradsteigerungen im Prozess.
Einer der wesentlichen Aspekte der Erfindung ist, dass die Kleingasturbinenanordnung mit mehreren Verdichterstufen und mehreren Turbinenstufen, nach Art eines Turbinenkreisprozesses ausgestaltet ist.
Zusammengefasst ergeben sich bei diesem Konzept folgende Aspekte im Detail.

– Als Getriebeaufbau mit einem zentralen Sonnen-Zahnrad mit dem der Generator verbunden ist, und auf den Sternrädern angeordnete Verdichter- und Turbinen-Stufen mechanisch gekoppelt sind.
– Jeweils eine bzw. max. zwei Verdichter- oder Turbinen-Stufen auf den beiden Seiten einer Sternradwelle.
– Die Möglichkeit, dass unterschiedliche Geschwindigkeiten von Verdichter-Stufen und Turbinen-Stufen gegeben sind, ergibt sich aufgrund der Anordnung bzw. Verwendung mehrerer Wellen.

Eine einwellige Anordnung ist aber dennoch nicht ausgeschlossen.

– Freie Auswahl als Axial- oder Radial-Ausführung der Verdichter oder der Turbinen-Stufen.
– Eine fest wählbare Drehzahl für Generator (Sonnenzahnrad) ist möglich, vorgegeben durch die jeweilig vorhandene, oder gewünschte Netzfrequenz (üblich 50 oder 60 Hz).
– Leistungsregelung der Klein-Gasturbine bei konstanter Drehzahl mittels Verstellung der Leitschaufeln in der ersten Verdichterstufe.
– Jeweils eine Kühlung nach jeder Verdichterstufe.
– Kühlung durch Verdampfung von Verdampfermedium, bspw. Wasser, vorzugsweise aber nicht ausschließlich bis zum Sättigungspunkt.
– Kühlungsenergie bleibt dem bzw. im System erhalten, und stellt auch diesbezüglich den Kreisprozess dar.
– Nutzung der Abwärme als Wärmeauskoppelung: Heiz-Kraft-Gasturbine (HKGT), oder weitere Nutzung der Abwärme mittels ORC Anlage.
– Für Insel- oder Netzparalell-Betrieb geeignet.
– Mehrstufiger Verdichter.
– Mehrstufige Turbine mit Zwischenverbrennung.
– Verdichterkühlung nach der Verdichtung.
– Rekuperation und Verdichterkühlung zusammen eingesetzt.

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

1, 2, 3, 4: Verdichter
5, 6, 7, 8: Injektionsstellen/Injektionsräume
10: erste Turbine
11: zweite Turbine
12: Rekuperator im Hauptprozess
13: erste Brennkammer
14: zweite Brennkammer
20: Generator/Motor im Hauptprozess
30: Generator im ORC-Prozess
31: Turbine im ORC-Prozess
32: Wärmetauscher
33: Rekuperator
34: Pumpe
35: Kondensator

Claims

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