DE102011119133A1

DE102011119133A1 - Dampf-/Arbeitsprozess ohne Regenerator für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess

Info

Publication number: DE102011119133A1
Application number: DE201110119133
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: RERUM COGNITIO GES fur MARKTINTEGRATION DEUTSCHER INNOVATIONEN und FORSCHUNGSPRODUKTE MBH; Rerum Cognitio Gesellschaft fur Marktintegration Deutscher Innovationen und Forschungsprodukte Mbh
Current assignee: RERUM COGNITIO GES fur MARKTINTEGRATION DEUTSCHER INNOVATIONEN und FORSCHUNGSPRODUKTE MBH; Rerum Cognitio Gesellschaft fur Marktintegration Deutscher Innovationen und Forschungsprodukte Mbh
Priority date: 2011-11-23
Filing date: 2011-11-23
Publication date: 2013-05-23
Anticipated expiration: 2031-11-24
Also published as: DE102011119133B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein auf den Wasser-Dampf-Kombiprozess (WDK-Prozess) bezogenes thermisches Verfahren, welches bei ähnlicher Effizienz ohne Regenerator auskommt, somit das Verfahren bautechnisch vereinfacht. Eine derartige Lösung wird in erster Linie im Bereich der Energiewirtschaft benötigt. Mit dem Ausstieg aus der Atomenergiewandlung wächst der Bedarf an alternativer Elektroenergiegewinnung. Wind und Sonne stehen neben der Biomasse, Geothermik bzw. Wasserkraft hierfür zur Verfügung. Probleme bereiten die Abstimmungen zwischen dem Aufkommen von Wind und Sonne mit dem Bedarf an Elektroenergie im Netz. Vorhandene Divergenzen müssen durch Speichern (z. B. Pumpspeicherwerk), Abschalten (z. B. Windgeneratoren aus dem Wind drehen) oder Zuschalten (z. B. Spitzenlastkraftwerke) ausgeglichen werden. Überschüssigen Strom mittels Elektrolyse zu nutzen, um Wasser in speicherfähigen Wasserstoff und Sauerstoff zu trennen, ist Stand der Technik. Bei Bedarf diesen wiederum kurzfristig in Strom zu wandeln, ist technisch mittels Brennstoffzelle oder Gasturbine etc. möglich und entspricht ebenfalls dem Stand der Technik, hat sich aber bisher aus wirtschaftlichtechnischen Gründen nicht durchsetzen können. Aufgabe der Erfindung ist es, die Vorzüge des WDK-Prozesses konsequent zu nutzen, indem das Arbeitsfluid Wasserdampf in einem geschlossenen Gasturbinenprozess strömt, wobei ein Teilstrom verflüssigt wird, der Kühlungsaufgaben durch Oberflächenverdampfung im Verdichter und in der Turbine übernimmt, dabei die Verdichtungsendtemperatur stark senkt und die Turbineneintrittstemperatur ohne Superlegierungen erhöht. Der Regenerator ist nicht mehr nötig, was den Prozessverlauf vereinfacht und den Kostenaufwand markant senkt. Verbrennt der gespeicherte Wasserstoff und Sauerstoff direkt in der Brennkammer in Wasserdampfatmosphäre, erhöht sich der Arbeitsfluidmassenstrom um die Abgas-Wasserdampf-Menge, was der Turbinenleistung zugutekommt. Nach Kondensation der Kühl- und Abgasmenge erfolgt die Rückführung des Abgasanteil zum Elektrolyseprozess. Bei voller Ausnutzung des prozessinternen Kühlpotentials liegt die erreichbare Effizienz in Höhe der Brennstoffzelle und das mit zuverlässiger Turbomaschinentechnik.

Description

Die Erfindung betrifft ein auf den Wasser-Dampf-Kombiprozess (WDK-Prozess) bezogenes thermisches Verfahren, welches bei ähnlicher Effizienz ohne Regenerator auskommt, somit das Verfahren bautechnisch vereinfacht. Eine derartige Lösung wird in erster Linie im Bereich der Energiewirtschaft benötigt.
Mit dem Ausstieg aus der Atomenergiewandlung wächst der Bedarf an alternativer Elektroenergiegewinnung. Wind und Sonne stehen neben der Biomasse, Geothermik und Wasserkraft hierfür zur Verfügung. Probleme bereiten die Abstimmungen zwischen dem Aufkommen von Wind und Sonne mit dem Bedarf an Elektroenergie im Netz. Vorhandene Divergenzen müssen durch Speichern (z. B. Pumpspeicherwerk), Abschalten (z. B. Windgeneratoren aus dem Wind drehen) oder Zuschalten (z. B. Spitzenlastkraftwerke) ausgeglichen werden. Überschüssigen Strom mittels Elektrolyse zu nutzen, um Wasser in speicherfähigen Wasserstoff und Sauerstoff zu trennen, ist Stand der Technik. Bei Bedarf diesen wiederum kurzfristig in Strom zu wandeln, ist technisch mittels Brennstoffzelle oder Gasturbine etc. möglich und entspricht ebenfalls dem Stand der Technik, hat sich aber bisher aus wirtschaftlichtechnischen Gründen nicht durchsetzen können. Der Baukomponentenaufwand beim effizienten GuD-Prozess sowie die vergleichsweise niedrigen Wirkungsgrade der beiden Einzelprozesse (Dampfkraft- bzw. Gasturbinenprozess) verhindern den großtechnischen Einsatz. Stünde ein effizienter aus wenig Baukomponenten bestehender Prozess auch für kleinere Leistungseinheiten zur Verfügung, wäre das Problem gelöst. Der in den Offenlegungsschriften DE 198 56 448 A1 , DE 100 55 202 A1 , DE 10 2004 025 846 A1 vorgeschlagene Wasser-Dampf-Kombi-Prozess verbindet den Arbeits- und Kühlprozess in einem geschlossenen Gasturbinenprozess durch die Nutzung des Arbeitsfluids Wasser bzw. Wasserdampf. Die bisherigen Prozessvarianten erfordern einen Regenerator, der den niederdruckseitigen Volumenstrom von der Turbinenaustrittstemperatur bis etwa zur Hochdrucksiedetemperatur abkühlt, indem der hochdruckseitige Volumenstrom vorgewärmt wird. Dieser Wärmeübertrager ist bauseitig sehr groß, kostenintensiv und verursacht Strömungsverluste. Zwei Prozessturbinen mit unterschiedlichen Volumenströmen erhöhen ebenfalls den Bau- und Kostenaufwand. Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, den Prozessverlauf durch bessere Nutzung des Kühlpotentials so zu verändern, dass die Nachteile nicht mehr bestehen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß im Wesentlichen durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 bis 7 gelöst. Im Verdichter strömt das Arbeitsfluid Wasserdampf abwechselnd in axialer Richtung durch mehrere Reihen rotierender Laufschaufeln und stationärer Leitschaufeln. Die Leitschaufeln bilden diffusorartige erweiterte Kanäle, in denen sich das durch die Laufschaufeln beschleunigte Arbeitsfluid verzögert, sich dabei verdichtet und erwärmt, danach folgen die nächsten Reihen, bis der erforderliche Enddruck erreicht wird. Werden die feststehenden Leitschaufeln mittels Wasser oberflächenbenetzt, verdampft dieses durch Kühlung des Arbeitsfluids, was die Antriebsleistung des Verdichters markant senkt. Aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeiten in den Strömungskanälen herrschen gute direkte Wärmeübertragungsbedingungen (hohe α Zahl). Die Berührungspunkte zwischen Leitschaufeln und Arbeitsfluid werden mit der Oberflächenverdampfung doppelt genutzt, was sich positiv auf die Prozesseffizienz auswirkt, weil dadurch weitere druckverlustbehaftete Kühlkomponente entfallen. Mit der Verdichtung nah an der Taulinie vergrößert sich die Temperaturdifferenz zwischen Verdichtungsend- und Turbineneintritts-Temperatur so, dass der aufwändige Regenerator überflüssig wird, wenn nach der Erhitzung der gesamte Massenstrom bis zum Niederdruck entspannt wird. Die jeweils verdampfende Wassermenge in den Leitschaufelgittern muss in den Vorstufen nicht verdichtet werden, was den Massenstrom von klein am Eintritt stufenweise bis zur Auslegungsgröße am Austritt anwachsen lässt und dies wiederum Antriebsenergie einspart. Um Wasser für die Oberflächenbenetzung bereitzustellen, muss der Anteil von dem Dampfmassenstrom vor dem Verdichter abgezweigt und vom Kühlsystem kondensiert, aufbereitet und druckangepasst werden. Mittels Rohrsystem gelangt es mengengeregelt durch das Verdichtergehäuse zu den feststehenden Leitschaufeln, die intern das Wasser durch Kapillare auf die Schaufeloberfläche weiter leiten.
Nach der Druckerhöhung des Arbeitsfluids im Verdichter folgt die Wärmeenergiezufuhr im Erhitzer. Hierfür stehen zwei Varianten je nach Anwendung zur Wahl. Im Fall, das Wasserstoff und Sauerstoff als Brennstoff zur Verfügung stehen, kann dieser direkt in der Brennkammer verbrannt und das Abgas mit dem Arbeitsfluid vermischt werden. Sämtliche Heißgasteile sind durch Oberflächenverdampfung kühlbar, wobei die Materialtemperaturen im Bereich der Siedetemperaturen des jeweiligen Dampfdruckes liegen, d. h. es werden keine Superlegierungen benötigt, um höchste Prozesstemperaturen fahren zu können, da es zu keinen direkten Berührungen zwischen Heißgasen und Wandflächen kommt. Der beim Kühlen entstehende Wasserdampf und das Abgas durchlaufen nicht den Axialverdichter, werden aber anschließend in der Turbine energetisch durch die Entspannung mit genutzt.
Bei der zweiten Variante vermischen sich Abgas und Arbeitsfluid nicht, da die Energiezufuhr durch Wärmeübertragerflächen erfolgt. Dieser Erhitzer ist vergleichbar mit einem Abhitzekessel wie beim GuD-Prozess, jedoch bei sehr viel niedrigeren Druckniveau (ca. 30 bar), was wiederum höhere Prozesstemperaturen zu lässt. Je nach Brennstoff, ob Erdgas, Biogas, Biomasse oder Kohle, ergeben sich daraus die erforderlichen Anlagensysteme zur Verbrennung, die Stand der Technik sind. Aus dem Erhitzer kommend folgt die Entspannung in der Axialturbine vom Hochdruck bis in den Niederdruckbereich, wobei sich das heiße Arbeitsfluid fast bis zur Verdichtereintritts-Temperatur abkühlt. Auch in der Turbine strömt der heiße Wasserdampf axial durch mehrere Reihen stationärer Leitschaufeln und rotierender Laufschaufeln. Die Leitschaufeln bilden düsenartige Kanäle, die den Stufendruck mindern, dabei die Strömungsgeschwindigkeit des Arbeitsfluids erhöhen und dessen Temperatur senken. Trifft die beschleunigte Strömung auf die Laufschaufeln, überträgt diese ihre kinetische Energie durch Umlenkung der Strömungsrichtung auf sie und verzögert so die Geschwindigkeit, die dann in den nächsten Stufen nach den gleichen Prinzipen weiterhin beschleunigen und verzögern, bis das Druckgefälle abgebaut ist. Da die Eintritts-Temperaturen und die mechanischen Belastungen drehzahlbedingt besonders hoch sind, spielt die Bauteilkühlung hier eine große effizienzbestimmende Rolle. Die stationären Leitschaufeln werden zur Oberflächenbenetzung ebenfalls über Rohre und Kapillare vom Kühlsystem versorgt. Trotz höchster Arbeitsfluid-Temperaturen bleibt dennoch die Materialtemperatur im Bereich der Siedetemperatur des jeweiligen Druckes, da der Energieeintrag durch die Strömung vom Energiebetrag für den Phasenwechsel auf der Oberfläche kompensiert wird. Das dabei verdampfende Wasser wird in den nachfolgenden Stufen mit genutzt und benötigt keine Verdichterleistung. Die rotierenden Laufschaufeln werden mit abgezweigtem Dampf nach dem Verdichter durch die gemeinsame Welle gekühlt, damit dieser Schutzfilme um die Schaufelkonturen bilden kann. Eine Oberflächenbenetzung ist aufgrund der hohen Zentrifugalkräfte schwieriger zu realisieren, wäre aber aus kühltechnischer Sicht effizienter. Der Massendurchsatz der gekühlten Axialturbine wächst von Stufe zu Stufe um die erforderliche Kühlmenge, was sich positiv auf die Turbinenleistung auswirkt. Im Unterschied zu den üblichen Gasturbinen-Triebwerken befinden sich in der neuen Ausführung auf der Antriebswelle Verdichtereinlass und Turbinenauslass niederdruckseitig zugewandt, weil dadurch die aufwändige Vakuum-Wellenabdichtung entfällt. Im Verbindungsrohr zwischen Verdichter und Turbine zweigt ein Ringspalt die erforderliche Dampfmenge ab, die dann im Kondensator verflüssigt und vom Kühlsystem aufbereitet wird. Danach beginnt der Prozess von Vorn. Das notwendige Arbeitsfluid-Management ist WDK-Prozesstypisch und ist Stand der Technik.
Der beschriebene Dampf-/Arbeitsprozess ohne Regeneration vereinfacht den bisherigen WDK-Prozess, denn er braucht keinen. Regenerator mehr, um gute Prozesseffizienzen zu erzielen. Es reduziert sich der anlagentechnische Aufwand wieder auf die Grundkomponente Verdichter, Erhitzer, Turbine und Kühler, jedoch mit der Besonderheit, Wasserdampf als Arbeitsfluid und gleichzeitig Wasser als Kühlfluid in den jeweiligen Komponenten zu nutzen, dadurch den Prozess-Temperaturbereich zu verbreitern ohne hierfür Superlegierungen zu benötigen und variable Massendurchsätze im Verdichter senken dessen Antriebsleistung und erhöhen in der Turbine die Abgabeleistung. Somit steht ein effizienter Prozess mit bewährter Turbomaschinentechnik zur direkten Verstromung von Wasserstoff und Sauerstoff zur Verfügung, der das Abgas energetisch voll nutzt und das Kondensat für die Elektrolyse zurück liefert. Bei indirekter Wärmezufuhr begrenzt das Material des Erhitzers die Prozess-Maximaltemperatur. Liefert die Forschung hochtemperatur-beständige Keramiken für Wämeübertrager, steigt der Prozesswirkungsgrad, der bei vergleichbaren Turbineneintrittstemperaturen im Bereich des GuD-Prozesses liegt, aber das mit geringeren Komponentenaufwand.
1 ein schematisches Blockschaltbild des Dampf-/Arbeitsprozess ohne Regenerator
Bezugszeichenliste

1: Axialverdichter
2: Erhitzer
3: Axialturbine
4: Kondensator
5: Kondensataufbereitung
6: Kondensatpumpe
7: Welle
8: Generator
9: Kühlsystem

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19856448 A1 [0002]
DE 10055202 A1 [0002]
DE 102004025846 A1 [0002]

Claims

Dampf-/Arbeitsprozess ohne Regenerator für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess, bestehend aus Axialverdichter (1), Erhitzer (2), Axialturbine (3), Kondensator (4), Kühlsystem (9), Generator (8), Welle (7) und betrieben mit dem Arbeitsfluid Wasserdampf und Kühlfluid Wasser, dadurch gekennzeichnet, dass im Axialverdichter (1) die Oberflächen der Leitschaufeln mit Wasser aus dem Kühlsystem (9) durch Kapillare benetzt werden, welches vorher im Kondensator (4) verflüssigt, dann in der Kondensataufbereitung (5) gereinigt und mittels Kondensatpumpe (6) druckangepasst wurde, durch die Verdampfung des Wassers das Arbeitsfluid kühlt und sich anschließend mit diesem vermischt und dadurch in der Vorstufe keine Verdichterarbeit braucht, was Antriebsleistung spart.
Dampf-/Arbeitsprozess ohne Regenerator für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess nach dem Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass durch die innere Kühlung der einzelnen Leitschaufelreihen die Verdichtung des Arbeitsfluids im Axialverdichter (1) nah an der Taulinie erfolgt, was zu einer niedrigen Austrittstemperatur führt und Antriebsleistung spart.
Dampf-/Arbeitsprozess ohne Regenerator für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess nach dem Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass im Erhitzer (2) der gesamte Temperaturbereich von der Axialverdichter(1)-Austrittstemperatur bis zur Axialturbinen(3)-Eintrittstemperatur ohne Regeneratorvorwärmung übertragen wird.
Dampf-/Arbeitsprozess ohne Regenerator für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess nach dem Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass im Erhitzer (2) bei innerer Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff in Wasserdampfatmosphäre die Heißgasteile ebenfalls durch Oberflächenverdampfung mit Wasser aus dem Kühlsystem (9) geschützt werden, wobei der verdampfende Wasseranteil nicht den Axialverdichter (1) durchlief aber in der Axialturbine (3) energetisch nutzbar wird.
Dampf-/Arbeitsprozess ohne Regenerator für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess nach dem Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass auch in der Axialturbine (1) die Oberflächen der Leitschaufeln mit Wasser aus dem Kühlsystem (9) durch Kapillare benetzt werden, welches vorher im Kondensator (4) verflüssigt, dann in der Kondensataufbereitung (5) gereinigt und mittels Kondensatpumpe (6) druckangepasst wurde, durch die Verdampfung des Wassers das Schaufelmaterial kühlt, indem der Energieeintrag durch die Strömung vom Energiebetrag für den Phasenwechsel auf der Oberfläche kompensiert wird, somit die Materialtemperaturen trotz höchster Arbeitsfluidtemperaturen im Bereich der Siedetemperatur des jeweiligen Druckes bleiben, dann anschließend die Vermischung von Kühlfluid und Arbeitsfluid folgen, wobei der Kühlanteil den Axialverdichter (1) nicht passieren muss, aber nachfolgend in den Turbinenstufen zusätzlich durch die Erhöhung des Massenstroms Leistung liefert.
Dampf-/Arbeitsprozess ohne Regenerator für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess nach dem Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass Axialverdichter (1) als auch die Axialturbine (3) die Flächenkontakte mit der Beschaufelung doppelt für strömungstechnische und thermische Vorgänge nutzen, wodurch separate Baukomponenten entfallen.
Dampf-/Arbeitsprozess ohne Regenerator für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess nach dem Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass im Unterschied zu den üblichen Gasturbinen-Triebwerken nach dem Stand der Technik Axialverdichter(1)-Einlass und Axialturbine(3)-Auslass auf der Welle (7) sich niederdruckseitig zugewandt sind, um eine aufwändige Vakuum-Wellenabdichtung zu umgehen, wobei mittels Ringdüse im Verbindungsrohr zwischen beiden Turbomaschinen die erforderliche Dampfmenge für den Kondensator (4) abgezweigt wird.