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Die Erfindung betrifft das Gebiet der Energietechnik, komplexe Energieanlagen, insbesondere Gas- und Dampfturbinenanlagen umfassend ein System eines kombinierten Gas- und Dampfturbinen-Kreislaufs. Sie kann zur Erzeugung elektrischer, mechanischer und thermischer Energie genutzt werden.
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Bekannt ist eine Energieanlage mit einer Gasturbine gemäß dem russischen Gebrauchsmuster Nr. 158646, F02C 6/16, 2016, umfassend einen Verdichter, eine Gasturbineneinheit, eine Druckwechseladsorptionsanlage zur Luftzerlegung, die den Verdichter mit sauerstoffangereicherter Luft versorgt, eine Vorrichtung zur Einspritzung von Wasser oder Dampf in die Gasturbine. Zur Erzeugung von Dampf für die Einspritzung in die Turbine wird im Verdampfer die Wärme der Turbinenabgase genutzt. In der Druckwechseladsorptionsanlage wird aus der atmosphärischen Luft unter Druck durch ein Adsorptionsmittel ein Teil des Stickstoffs, der während der Regeneration periodisch über eine Leitung in die Atmosphäre ausgestoßen wird, absorbiert und das sauerstoffangereicherte Luftgemisch durch einen Booster-Verdichter in einen Behälter gepumpt. Dies stellt einen größeren Vorrat an Oxidationsmittel für einen dauerhaften Betrieb der Gasturbineneinheit oder für ihren Betrieb bei höherer Leistung bereit. Die Anreicherung des Oxidationsmittels mit Sauerstoff führt zu einem Anstieg der Temperatur der Verbrennungsprodukte am Auslass der Brennkammer der Gasturbineneinheit, was für die Turbinenschaufeln gefährlich ist. Die Einführung (Einspritzung) von Wasser oder besser noch von Dampf senkt die Temperatur der Schaufeln und erhöht gleichzeitig den Durchsatz des Arbeitsmediums in der Turbine. Der Nachteil ist die geringe Effizienz des Energiesystems.
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Bekannt ist eine Gasturbinenanlage, die als Arbeitsmedium ein Gemisch aus Kohlendioxid und Wasser verwendet, gemäß der Anmeldung
US 20080320 , F02C 1/10, 2008. Die Gasturbinenanlage umfasst einen Verdichter und eine Turbine. Der Turbinenrotor mit Schaufelreihen ist in einem Gehäuse untergebracht, zwischen Reihen von beweglichen Schaufeln sind feststehende Führungen in dem Raum zwischen Gehäuse und Rotor angeordnet. In der Gasturbinenanlage sind Modifizierungen an den Strömungskanälen der Turbine vorgesehen. Insbesondere gemäß einer der Ausführungsformen weisen einige der Strömungskanäle in der Leitschaufelkaskade über den Umfang verteilte blockierte Sektoren auf. Gemäß einer zweiten Ausführungsform werden zur Verringerung der Querschnitte der Strömungskanäle der Turbine ringförmige Strömungshindernisse eingeführt. In der Wärmesenke der Gasturbinenanlage ist eine Vorrichtung zur Dampferzeugung angeordnet. Ein Teil des erzeugten Dampfstroms wird zur Kühlung der Turbinenkomponenten zugeführt, die einer Wärmebelastung ausgesetzt sind. Der zweite Teil des Dampfstroms wird für den Betrieb der Dampfturbine verwendet. In der Gasturbinenanlage sind Mittel zur Kondensation des Arbeitsmediums durch Wärmeabfuhr vorgesehen. Der Nachteil ist der geringe Wirkungsgrad der Gasturbinenanlage, die Emission von Schadstoffen in die Atmosphäre.
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Bekannt ist ein Verfahren zur Umwandlung der Energie von komprimiertem Gas in Nutzenergie und eine Gasturbinen (Gas-und-Dampf)-Anlage zu seiner Ausführung gemäß dem eurasischen Patent Nr. 001062, F01K 25/08, 1999. Bei dem Energieumwandlungsverfahren werden der Brennkammer Brennstoff und komprimiertes gasförmiges Oxidationsmittel zugeführt, es wird die Verbrennung des Brennstoffs in der Brennkammer unter gleichzeitiger Zuführung in diese von Sekundärgasen zur Kühlung der Verbrennungsprodukte bereitgestellt; letztere werden auf die Schaufeln der Gasturbine geleitet. Der Brennkammer wird als gasförmiges Oxidationsmittel ein Gemisch aus Sauerstoff mit Kohlendioxid bei einer Sauerstoffkonzentration in dem Gemisch von im Wesentlichen 21% zugeführt. Die Verbrennung des Brennstoffs erfolgt unter Einhaltung der Oxidationsmittelüberschusszahl in der Verbrennungszone in einem Bereich von 1,05 - 1,15. Der Sauerstoff wird durch Zerlegung der Luft in Sauerstoff und Stickstoff gewonnen. Die Abgase der Turbine werden auf eine Temperatur unterhalb des Taupunkts abgekühlt, wobei das in Form von Kondensat freigesetzte Frischwasser in einen Speicher abgeführt wird. Die gekühlten Abgase werden der Brennkammer als Sekundärgase zugeführt.
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Die Gasturbinen (Gas-und-Dampf)-Anlage umfasst eine Brennkammer, umfassend einen Einlass zur Brennstoffzufuhr, einen Einlass zur Oxidationsmittelzufuhr und einen Auslass für die Verbrennungsprodukte. Ein Verdichter ist auf der Seite hohen Drucks an den Einlass zur Oxidationsmittelzufuhr angeschlossen. Die Gasturbine ist nach der Brennkammer entlang des Strömungswegs der Verbrennungsprodukte angeordnet und befindet sich auf einer Welle mit dem Verdichter. Es gibt ein Mittel zur Kühlung der Abgase der Turbine. Die Gasturbinen (Gas-und-Dampf)-Anlage ist mit einer Luftzerlegungsanlage umfassend Sauerstoff- und Stickstoffauslässe ausgestattet. Das Mittel zur Kühlung der Abgase ist ausgebildet in Form eines in Reihe, entlang des Strömungswegs der Gase angeordneten Dampferzeugers oder Abhitzekessels und eines Kontakt-Economisers mit Kühlung auf eine Temperatur unterhalb des Taupunkts, welcher mit einer Leitung zur Entnahme von Frischwasser mit einer Temperatur von 50-60°C und einem Auslass für die gekühlten Verbrennungsprodukte ausgestattet ist. Der Nachteil ist der geringe Wirkungsgrad der Anlage, die Komplexität der Konstruktion, die große Menge an in die Atmosphäre ausgestoßenen Schadstoffen.
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Als der zur beanspruchten technischen Lösung nächstliegende Stand der Technik wird die Energieanlage und das Verfahren zur Energieerzeugung ohne Kohlendioxidausstoß gemäß dem Patent
US 5247791 , F01K 21/04, 1993 gewählt. In einer Energieanlage geschlossenen Typs wird der Brennstoff einer Brennkammer zugeführt und wird in ihr in Anwesenheit von Sauerstoff und nicht von Luft verbrannt. Das Verbrennungsgas, das hauptsächlich aus Wasser und Kohlendioxid besteht, wird aus der Brennkammer der Turbine zugeführt. Das Abgas aus der Turbine wird dem Abhitzekessel zugeführt, um in ihm einen Wärmeaustauschvorgang durchzuführen. Anschließend strömt das Abgas, das hauptsächlich einen Wasserbestandteil und Kohlendioxid aus dem Abhitzekessel enthält, in den Kondensator. Der Gasbestandteil, der hauptsächlich Kohlendioxid enthält, wird in einem Wasser-Gas-Abscheider von dem Kondensat getrennt und in komprimiertem Zustand der Brennkammer zugeführt. Das getrennte Kondensat wird dem Abhitzekessel zugeführt, um in ihm einen Wärmeaustauschvorgang unter Bildung von überhitztem Dampf durchzuführen, der der Brennkammer zugeführt wird. Die Dampfturbine kann mit dem Abhitzekessel und dem Erzeuger verbunden sein. Der Kondensator kann mit der Dampfturbine und dem Abhitzekessel verbunden sein, so dass Dampfturbine, Kondensator und Abhitzekessel einen geschlossenen Kreislauf bilden. Der Nachteil ist die niedrige Effizienz der Anlage, der geringe Wirkungsgrad.
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Das technische Ergebnis der beanspruchten Erfindung besteht darin, die Effizienz des Betriebs der Energieanlage unter Verringerung der Menge an Schadstoffemissionen in den austretenden Gasen zu erhöhen.
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Das technische Ergebnis wird dadurch erreicht, dass in der Energieanlage umfassend einen Verdichter, der mit dem Einlass der Brennkammer verbunden ist, eine Brennkammer, deren Auslass mit einer Turbine verbunden ist, einen Dampferzeuger, der mit der Brennkammer verbunden ist, einen Brenngasabfuhrkanal, der mit einem Kondensator ausgestattet ist und mit einem Behälter zum Sammeln von destilliertem Wasser verbunden ist, wobei der Behälter zum Sammeln von destilliertem Wasser mit dem Dampferzeuger verbunden ist, erfindungsgemäß der Verdichter ein Schraubenverdichter ist, der Verdichter mit dem Behälter zum Sammeln von destilliertem Wasser verbunden ist, der Einlass des Verdichters mit einer Luftzerlegungsanlage verbunden ist.
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Das technische Ergebnis wird dadurch sichergestellt, dass in der Energieanlage ein volumetrischer Verdichter eingesetzt wird, und zwar ein Schrauben-Mehrstufenverdichter, der gleichzeitig mit gasförmigen und flüssigen Medien arbeitet. Im Vergleich zu einem dynamischen Verdichter, in dem eine adiabatische Kompression des Gases erfolgt und dessen Wirkungsgrad 80 - 85% beträgt, beträgt der Wirkungsgrad eines Schraubenverdichters üblicherweise 95%. Dadurch, dass der Schraubenverdichter mit dem Behälter zum Sammeln von destilliertem Wasser verbunden ist, strömt Wasser in den Verdichter. Im Verlaufe der Kompression des Mediums verdampft Wasser, wodurch das zu komprimierende Gas gekühlt wird. Das Wasser weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität auf, die Temperatur des komprimierten Gases am Auslass aus dem Verdichter steigt geringfügig an. Durch die Verdampfung des Wassers in dem Verdichter erfolgt eine Kompression des Gases, die einer isothermen Kompression nahe kommt. Dadurch, dass es keine durch die Erwärmung des zu komprimierenden Gases verursachten Verluste gibt, erreicht der Wirkungsgrad eines solchen Verdichters 97%, was die Effizienz des Betriebs der Energieanlage erhöht. Durch das Fehlen von Reibung in der Schraubeneinheit des Verdichters verringert sich der Verbrauch von elektrischer Energie im Vergleich zu Verdichtern anderen Typs erheblich, was auch die Effizienz des Betriebs der Energieanlage erhöht. Der Einlass des Verdichters ist mit einer Luftzerlegungsanlage des Typs Vakuumwechseladsorptions (VWA)-Anlage verbunden, in der der atmosphärischen Luft Stickstoff entzogen wird und eine Sauerstoffsättigung von bis zu 85% erfolgt. Die Zufuhr in den Verdichter von bereits angereicherter Luft ermöglicht es, seinen Energieverbrauch für die Kompression zu verringern und der Brennkammer sauerstoffangereicherte Luft in komprimiertem Zustand zuzuführen. Damit wird in dem Verdichter weniger Energie für die Kompression von Sauerstoff und nicht von atmosphärischer Luft aufgewendet, und in der Brennkammer wird bei der Verbrennung die gleiche Energie erzeugt wie bei der Oxidation von Gas mit nicht komprimiertem Sauerstoff. Dies erhöht die Effizienz des Betriebs der Brennkammer und schließt Gase vom Betrieb aus, die nicht am Verbrennungsprozess beteiligt sind, gewährleistet ein stöchiometrisches Verhältnis der Menge von Oxidationsmittel zu Brennstoff von eins. Das wesentliche Gas, das nicht an der Verbrennung beteiligt ist, ist Stickstoff mit einer Volumen- (und molaren) Konzentration von etwa 80%. Die Zufuhr in die Brennkammer aus dem Verdichter von komprimierter gereinigter Luft reduziert den NOx-, SOx- und CO2-Gehalt erheblich.
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Der Einsatz von Vakuumwechseladsorption ist eine der kostengünstigsten Verfahren zur Gewinnung von Sauerstoff aus Luft. Ein weiteres kostengünstiges Verfahren, bei dem mit minimalen Kosten aus Luft ein Maximum an Sauerstoff gewonnen wird, ist das kryogene Verfahren. Aber das kryogene Verfahren ist sehr umständlich und träge. Es existieren auch andere Verfahren, wie das Membranverfahren, die Verwendung von Druckwechseladsorption und dergleichen. Für die beanspruchte Energieanlage, deren Leistung 10 MW nicht übersteigt, ist der Einsatz von Vakuumwechseladsorption optimal.
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Die Figur zeigt eine schematische Darstellung des Betriebs der Energieanlage.
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Die Energieanlage umfasst eine VWA-Anlage 1, deren Auslass mit dem Einlass des Schraubenverdichters 2 verbunden ist, der Auslass des Schraubenverdichters 2 ist mit dem Einlass der Brennkammer 3 verbunden. Am Auslass der Brennkammer 3 ist eine Turbine 4 angebracht, in einem Abschnitt 5 des Auslasskanals der aus der Turbine 4 abgehenden Gase ist ein Dampferzeuger 6 angebracht. Der Dampferzeuger 6 kann in dem aus der Brennkammer 3 austretenden Strom von Gasen angebracht sein. In einem Abschnitt 7 des Auslasskanals ist ein Kondensator 8 angebracht, der mit einem externen Kühler verbunden ist. Der Auslasskanal 7 ist mit einem Behälter zum Sammeln von destilliertem Wasser 9 verbunden. Teile der Energieanlage sind miteinander durch ein System von Rohrleitungen mit einer Absperrarmatur verbunden. Der Behälter zum Sammeln von destilliertem Wasser 9 ist mit dem Dampferzeuger 6 verbunden. Der Dampferzeuger 6 ist über eine Dampfzufuhrleitung mit der Brennkammer 3 verbunden. Die Brennkammer 3 ist mit einer Brennstoffzufuhrleitung verbunden. Der Behälter zum Sammeln von destilliertem Wasser 9 ist über eine Wasserzufuhrleitung mit dem Schraubenverdichter 2 verbunden.
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Die Energieanlage arbeitet wie folgt.
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Atmosphärische Luft mit einem Sauerstoffvolumengehalt von etwa 10% und einem Stickstoffgehalt von bis zu 80% wird über einen Filter und einen Verdichter (in der schematischen Darstellung nicht gezeigt) der VWA-Anlage 1 zugeführt, wo der Luft Stickstoff entzogen wird und sie mit Sauerstoff gesättigt wird. Am Auslass aus der VWA-Anlage beträgt die Volumen- (und molare) Konzentration von Stickstoff in der Luft 15%, die Konzentration von Sauerstoff bis zu 85%. Die sauerstoffangereicherte Luft wird dem Schraubenverdichter 2 zugeführt und sie wird auf einen Druck von 60 bar komprimiert. Dabei wird dem Verdichter 2 gleichzeitig destilliertes Wasser zugeführt, das aus dem Behälter zum Sammeln von destilliertem Wasser 9 einströmt. Es wird ein Hochdruckverdichter mit Wassereinspritzung verwendet. Bei der Kompression der Luft in der Schraubeneinheit des Verdichters 2 verdampft das destillierte Wasser und die Luft wird nicht erwärmt. Durch die Zufuhr von Wasser in den Verdichter 2 ist die Verwendung von Öl zur Kühlung der zu komprimierenden Luft nicht erforderlich. Bei dem Schraubenverdichter gibt es keine Reibungsverluste. Der Wirkungsgrad des Verdichters 2 erreicht 97%. Von dem Auslass des Verdichters 2 wird die komprimierte und sauerstoffangereicherte Luft der Brennkammer 3 zugeführt, auch werden der Brennkammer 3 Brenngas - Methan und Wasserdampf - zugeführt, die aus dem Dampferzeuger 5 einströmen. Durch die Zufuhr von Dampf in die Brennkammer 3 wird aufgrund des fehlenden Phasenübergangs von Wasser zu Dampf Wärmeenergie eingespart, was den Wirkungsgrad der Energieanlage erhöht. In der Brennkammer 3 erfolgt die Entzündung von Methan und sein Verbrennungsprozess verläuft bei einem stöchiometrischen Verhältnis, das gleich 1 ist. Anschließend werden die stickstoff- und kohlendioxidhaltigen Verbrennungsprodukte zusammen mit dem Dampf der Turbine 4 zugeführt. Aufgrund des vollständig zur Verbrennung des Brennstoffs aufgebrauchten Oxidationsmittels ist am Auslass aus der Brennkammer 3 kein Sauerstoff anwesend, was die Schaufeln der Turbine 4 vor Oxidation und Zerstörung schützt. Der Dampf, der dem Einlass der Turbine 4 zugeführt wird, schützt deren Schaufeln vor der hohen Temperatur der Verbrennungsprodukte. Darüber hinaus ist der Bereich des Auslasskanals der Brennkammer 3 teilweise mit sektorförmigen Schutzplatten abgedeckt, um die Schaufeln der Turbine 4 vor hoher Temperatur zu schützen. Die Rotationsenergie der Welle der Turbine 4 wird an die Energieverbraucher übertragen. Die abgehenden heißen Gase der Verbrennungsprodukte tragen zur Bildung von Dampf in dem Dampferzeuger 6 bei, der entlang des Strömungswegs der Verbrennungsprodukte nach der Brennkammer 3 oder im Kanal 5 nach der Turbine 4 angeordnet sein kann. Der entstandene Dampf wird der Brennkammer 3 zu deren Kühlung zugeführt und dreht die Turbine 4. Nach dem Durchströmen des Dampferzeugers 6 werden die Gase von dem Kondensator 8 abgekühlt, der mit einem externen Kühler, zum Beispiel mit einem Fluss, See und dergleichen verbunden ist. Durch die Kühlung wird aus den Gasen destilliertes Wasser freigesetzt, das in dem Gasabzug 7 gesammelt wird. Das entstandene destillierte Wasser wird in den Behälter zum Sammeln von destilliertem Wasser 9 abgelassen und in das System der Energieanlage zurückgeführt. Das destillierte Wasser aus dem Behälter 9 wird dem Verdichter 2 und dem Dampferzeuger 6 zugeführt. Auf diese Weise wird destilliertes Wasser, das eine Schmierung des Systems ersetzt und dadurch den Wirkungsgrad der Anlage erhöht, aus Abprodukten aus der Verbrennung erzeugt. Die entwässerten Verbrennungsprodukte, die eine minimale Menge an NOx enthalten, werden in die Atmosphäre ausgestoßen. Die wesentlichen Vorteile der beanspruchten Energieanlage sind:
- - ein hoher Wirkungsgrad,
- - eine minimale Menge an NOx, die in die Atmosphäre ausgestoßen wird,
- - eine hohe Zuverlässigkeit und Langlebigkeit,
- - der Verzicht auf die Verwendung von Öl zur Schmierung von Teilen.
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Damit ermöglicht es die beanspruchte Erfindung, die Effizienz des Betriebs der Energieanlage unter Verringerung der Menge an Schadstoffemissionen in den austretenden Gasen zu erhöhen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 20080320 [0003]
- US 5247791 [0006]
