DE2527662C3 - Gas turbine system with two circuits and an intermediate fuel conversion process - Google Patents

Gas turbine system with two circuits and an intermediate fuel conversion process

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Description

für diese Aufgabe gestarteten Schaufeln selektiv ausgeschieden.blades started for this task are selectively eliminated.

In Fig. 1 bis 3 sind verschiedene Varianten der erfindungsgemäßen Gasturbinenanlage dargestellt: Bei der Anlage nach F i g. 1 dient als primäre Energiequelle 1 die Nuklearwärme eines Hochtemperatur-Kernreaktors, bei den Anlagen nach Fig.2 und 3 die Verbrennungswärme eines fossilen Brennstoffes, der auch ein Re^ktionsprodukt des nachgeschalteten Brennstoff-Umwandlungsprozesses — z. B. Koks — sein kann. Eine solche Rückführung ist in F i g. 2 gestrichelt dargestellt. Das gasförmige Arbeitsmittel des primären Wärmekraftprozesses — z. B. Helium (F i g. 1) oder Verbrennungsgase (Fig.2 und 3) — wird in Gasturbinen 2 entspannt Das entspannte Arbeitsmittel wird im offenen Kreislauf nach außen abgegeben (Fig.2) oder im geschlossenen (Fig. 1) oder teilgeschlossenen (F i g. 3) Kreislauf durch Gebläse 3 umgewälzt und auf die obere Druckstufe des Wärmekraftprozesses verdichtet - in Schaltung nach Fig.3 zur Regelung der Eintrittstemperatur in die Gasturbine 2. Den Brennkammern 1 in Fig.2 und 3 wird durch Gebläse 4 Frischluft zugeführt Die Abwärme- dieses ersten Wärmekraftprozesses wird dem Brennstoff-Umwandlungsprozeß 6 indirekt über Wärmetauscherflächen (F i g. 1 und 2) oder direkt durch Zusatz von Verbrennungsgasen (Fig.3) zugeführt Kombinationen dieser Teilprozesse sind möglich.In Fig. 1 to 3 are different variants of the Gas turbine plant according to the invention shown: In the case of the plant according to FIG. 1 serves as the primary energy source 1 the nuclear heat of a high-temperature nuclear reactor, in the systems according to Fig. 2 and 3 the Combustion heat of a fossil fuel, which is also a re ^ ktionsproduct of the downstream Fuel conversion process - e.g. B. Coke - can be. Such a return is shown in FIG. 2 shown in dashed lines. The gaseous working medium of the primary thermal power process - z. B. Helium (Fig. 1) or combustion gases (Fig. 2 and 3) - is in Gas turbines 2 relaxed The relaxed working fluid is released to the outside in an open circuit (Fig.2) or in the closed (Fig. 1) or partially closed (F i g. 3) circulation circulated by fan 3 and on the upper pressure stage of the thermal power process compressed - in the circuit according to FIG. 3 for regulating the inlet temperature into the gas turbine 2. The combustion chambers 1 in Fig.2 and 3 is through Blower 4 fresh air supplied The waste heat from this first thermal power process is used in the fuel conversion process 6 indirectly via heat exchanger surfaces (F i g. 1 and 2) or directly by adding Combustion gases (Fig. 3) supplied. Combinations of these sub-processes are possible.

Dem Reaktionsapparat der Brennstoffumwandlung 6 und den Brennkammern 1 (in Fig.2 und 3) wird bei 5 unter Druck Brennstoff zugeführt Der bei der Brennstoffumwandlung entstehende Koks wird bei 7 abgezogen und kann in die Brennkammer rückgeführt werden (F i g. 2). Der Ascheabzug aus den Brennkammern und Einrichtungen zur Reinigung der Reaktionsgase von Reststaub — z. B. Heißgas-EIektrofilter — sind nicht dargestellt. Die aus dem Reaktionsapparat 6 mit einem Druck von mindestens 10 bar und einer Temperatur von z.B. 450 ... 550°C austretenden gasförmigen Reaktionsprodukte werden in Spezialturbinen 9 entspannt, in deren äußeren Umlenkbereichen der überwiegend radial durchströmten Schaufeln die auskondensierenden Bestandteile 10 nach Siedebereichen getrennt selektiv ausgeschieden werden. Die Entspannung kann bis auf Vakuum, pui Atmosphärendrtick oder auf einen Gegendruck durchgeführt werden, der zur Fortleitung der gasförmig verbleibenden Reaktionsprodukte 13 ausreicht Durch Druckerhöhung 11 (in F i g. 2 dargestellt) und Rückführung von Teilströmen der verflüssigten Produkte in den Entspannungsprozeß kann eine fraktionierte Destillation maschinell durchgeführt und dadurch ihr Reinheitsgrad gesteigert werden. Es ist ferner möglich, dem Reaktionsverlauf weitere Fremdstoffe 8 — z. B. WasserstoffFuel is fed under pressure to the reaction apparatus of the fuel conversion 6 and the combustion chambers 1 (in FIGS. 2 and 3) at 5. The coke produced during the fuel conversion is withdrawn at 7 and can be returned to the combustion chamber (FIG. 2). The ash extraction from the combustion chambers and devices for cleaning the reaction gases from residual dust - z. B. hot gas electric filter - are not shown. The gaseous reaction products emerging from the reaction apparatus 6 at a pressure of at least 10 bar and a temperature of, for example, 450 ... 550 ° C are expanded in special turbines 9, in their outer deflection areas of the blades, which are predominantly flowed through radially, the condensing components 10 are selectively separated according to boiling areas be eliminated. The expansion can be carried out down to a vacuum, pui atmospheric pressure or a counter pressure which is sufficient to carry on the gaseous remaining reaction products 13 Distillation can be carried out by machine, thereby increasing its degree of purity. It is also possible to add other foreign substances 8 to the course of the reaction - e.g. B. hydrogen

— von außen zuzuführen, wie in F i g. 2 veranschaulicht ist- to be supplied from the outside, as shown in FIG. 2 is illustrated

Gasförmige oder flüssige Teilströme des Expansionsverlaufes des zweiten Wärmekraftprozesses können ι» auch mit Hilfe eines Gebläses 12 verdichtet und in den Brennstoff-Umwandlungsprozeß rückgeführt werdenGaseous or liquid partial flows of the expansion course of the second thermal power process can ι »also compressed with the help of a fan 12 and in the Fuel conversion process are recycled

— wie in F i g. 1 und 3 für das Restgas dargestellt ist Der Wasserdampfgehalt des Restgases kann durch direkte oder indirekte Zufuhr von Kühlmitteln auskondensiert werden. In Fig.2 ist z.B. ein Einspritzkühler 14 eingezeichnet, in dem in einer beliebigen Druckstufe Kühlwasser 15 direkt zugeführt und gemischt mit Brüdenkondensat und ausgewaschener Kohlensäure 16 entnommen wird.- as in Fig. 1 and 3 for the residual gas is shown The water vapor content of the residual gas can condense out through direct or indirect supply of coolants will. For example, in Fig. 2 there is an injection cooler 14 drawn, in which cooling water 15 is supplied directly at any pressure level and mixed with it Vapor condensate and washed out carbon dioxide 16 is removed.

μ Die Temperaturbereiche der bt^ien Wärmekraft-Kreisläufe sind hintereinandergeschaltet and durch den Temperaturbereich des Brennstoff-Umwandlungsprozesses voneinander getrennt Bei Übertragung der Abwärme des ersten Wärmekraft-Kreislaufes über μ The temperature ranges of the bt ^ ien thermal power circuits are connected in series and separated from each other by the temperature range of the fuel conversion process

2Ί Wärmetauscher können die Druckbereiche der beiden Wärmekraftprozesse unabhängig voneinander gewählt werden, sofern nicht Sicherheitsgründe für eine Abstufung sprechen. Bei direkter Einleitung von Verbrennungsgasen des ersten Wärmekraft-Kreislaufes 2Ί Heat exchangers, the pressure ranges of the two thermal power processes can be selected independently of one another, unless there are safety reasons for a gradation. With direct introduction of combustion gases from the first thermal power cycle

'■" in die Brennstoffumwandlung müssen auch die Druckbereiche der beiden Wärmekraft-Kreisläufe im Übergangsbereich hintereinandergeschaltet werden. '■ "into the fuel conversion must also pressure ranges of the two thermal power circuits are connected in series in the transition area.

Der technische und wirtschaftliche Fortschritt der Erfindung gegenüber bekannten chemischen VerfahrenThe technical and economic progress of the invention over known chemical processes

ι* besteht in der erheblich höheren Ausbeute an mechanischer bzw. elektrischer Energie und an wertvollen hochmolekularen Kohlenwasserstoff-Verbindungen, wobei zusätzliche Einrichtungen zu ihrer Abtrennung aus dem Restgas eingespart werden und einι * consists in the significantly higher yield mechanical or electrical energy and valuable high-molecular hydrocarbon compounds, additional facilities for their separation from the residual gas are saved and a

■Ό für die Brennstoffumwandlung optimaler Druck- und Temperaturbereich zusätzlich zur Erzeugung von " mechanischer Energie genutzt wird. Gegenüber bekannten Gasturbinenanlagen mit zwei miteinander thermisch verbundenen Kreisläufen besteht der iechni-■ Ό for the fuel conversion optimal pressure and Temperature range is also used to generate "mechanical energy. Compared to known Gas turbine systems with two thermally connected circuits consists of the engineering

4ϊ sehe und wirtschaftliche Fortschritt in der Zwischenschaltung des Brennstoff-Umwandlungsprozesses, der die Ausbeute an mechanischer durch solche an chemischer Energie ergänzt 4ϊ see economic progress in the interposition of the fuel conversion process, which supplements the yield of mechanical energy with that of chemical energy

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims (8)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Gasturbinenanlage mit zwei voneinander strömungstechnisch im wesentlichen getrennten, jedoch thermisch miteinander verbundenen Wärmekraft-Kreisläufen, von denen der erste in einem oberen Temperaturbereich und der zweite in einem unteren Temperaturbereich verläuft, wobei Abwärme vom ersten auf den zweiten Kreislauf Obergeht, dadurch gekennzeichnet, daß die Abwärme des ersten Wärmekraft-Kreislaufes (1, 2, 3 bzw. 4) einem zwischen die beiden Kreisläufe geschalteten endothermischen chemischen Brennstoff-Umwandlungsprozeß (6) zugeführt wird und die nach Abzug des Zusatz-Wärmebedarfs dieses chemischen Prozesses (6) verbleibende Wärme dem zweiten Wärmekraft-Kreislauf (6, 9, 12) zugeführt wird, wobei die im Verlauf der Expansion in unterschiedlichen Siedebereichen auskondensierenden Reaktionsprodukte (10) des chemischen Prozesses von dem restlichen Gasgemisch selektiv abgetrennt werden.1. Gas turbine system with two fluidically essentially separated from each other, however, thermally interconnected thermal power cycles, the first of which in one upper temperature range and the second runs in a lower temperature range, with waste heat passes from the first to the second cycle, characterized in that the waste heat of the first thermal power circuit (1, 2, 3 or 4) one connected between the two circuits endothermic chemical fuel conversion process (6) is supplied and the after Deduction of the additional heat requirement of this chemical process (6) remaining heat to the second Thermal power cycle (6, 9, 12) is supplied, the in the course of expansion in different Boiling ranges condensing out reaction products (10) of the chemical process of are selectively separated from the remaining gas mixture. 2. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Wärmekraft-Kreislauf (1, 2, 3) geschlossen ist, z's Wärmequelle (1) einen Hochtemperatur-Kernreaktor enthält, daß sein Arbeitsmittel ein inertes Gas, z. B. Helium, ist und daß seine Abwärme über Wärmetauscherflächen an den Brennstoff-Umwandlungsprozeß (6) übertragen wit2. Gas turbine plant according to claim 1, characterized in that the first thermal power circuit (1, 2, 3) is closed, z's heat source (1) contains a high-temperature nuclear reactor that its working fluid is an inert gas, e.g. B. helium, and that its waste heat is transferred to the fuel conversion process (6) via heat exchanger surfaces 3. Gasturbinenanlage nach /"lspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle (1) des ersten Wärmekraft-Kreislaufes (1, 2, 3 h?w. 4) ein fossiler Brennstoff ist und daß seine Abwärme über Wärmetauscherflächen an den Brennstoff-Umwandlungsprozeß (6) übertragen wird.3. Gas turbine plant according to / "lspruch 1, characterized in that the heat source (1) of the first thermal power circuit (1, 2, 3 h? W. 4) is a fossil fuel and that its waste heat is transferred to the fuel conversion process via heat exchanger surfaces (6) is transmitted. 4. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Wärmekraft-Kreislauf (1, 2, 3 bzw. 3 und 4) mit einem fossilen Brennstoff als Wärmequelle (1) ganz oder teilweise offen ist und die Entspannung auf den Betriebsdruck des Brennstoff-Umwandlungsprozesses (6) erfolgt, dem Verbrennungsgase des ersten Wärmekraft-Kreislaufes direkt zugesetzt werden.4. Gas turbine plant according to claim 1, characterized in that the first thermal power circuit (1, 2, 3 or 3 and 4) with a fossil fuel as the heat source (1) in whole or in part is open and the expansion to the operating pressure of the fuel conversion process (6) takes place, are added directly to the combustion gases of the first thermal power cycle. 5. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmequelle (1) des ersten Wärmekraft-Kreislaufes Reaktionsprodukte (7) des Brennstoff-Umwandlungsprozesses (6) dienen.5. Gas turbine plant according to one of claims 1 to 4, characterized in that as a heat source (1) of the first thermal power cycle, reaction products (7) of the fuel conversion process (6) serve. 6. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff-Umwandlungsprozeß (6) ein reiner Entgasungsprozeß ist.6. Gas turbine plant according to one of claims 1 to 5, characterized in that the fuel conversion process (6) is a pure degassing process. 7. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Brennstoff-Umwandlungsprozeß (6) auch weitere Stoffe (8), z. B. Wasserstoff, von außen zugeführt werden.7. Gas turbine plant according to one of claims 1 to 5, characterized in that the fuel conversion process (6) also other substances (8), for. B. hydrogen, are supplied from the outside. 8. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln der Turbine (9) bzw, der Turbinen des zweiten Wärmekraft-Kreislaufes überwiegend radial durchitrömt sind und in ihreri äußeren Umlenkbereichen die im Expansionsverlauf aüskondensierten Bestandteile (10) des Gasgemisches selektiv abtrennbar sind.8. Gas turbine plant according to one of claims 1 to 7, characterized in that the blades of the Turbine (9) or the turbines of the second thermal power circuit predominantly flows through radially are and in their outer deflection areas the constituents condensed out in the course of expansion (10) of the gas mixture are selectively separable. Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenanlage mit zwei voneinander strömungstechnisch im wesentlichen getrennten, jedoch thermisch miteinander verbundenen Wärmekraft-Kreisläufen, von denen der erste in einem oberen Temperaturbereich und der zweite in einem unteren Temperaturbereich verläuft, wobei Abwärme vom ersten auf den zweiten Kreislauf übergeht.The invention relates to a gas turbine system with two of each other essentially in terms of flow separate, but thermally interconnected thermal power cycles, the first of which in one upper temperature range and the second runs in a lower temperature range, with waste heat passes from the first to the second cycle. Es ist bekannt, chemischen Prozessen Wärmekraftprozesse vor- oder nachzuschalten. Vergasungsprozesse, die hochwertige Reichgase liefern sollen, müssen bei hohen Temperaturen durchgeführt werden, so daß hier der Wärmekraftprozeß meist nachgeschaltet wird. Es ist auch bekannt, als Wärmequelle solcher kombinierter Prozesse einen Hochtemperatur-Kernreaktor zu verwenden. Es ist ferner bekannt, die gasförmigen Reaktionsprodukte eines unter Druck verlaufenden Brennstoff-Umwandlungsprozesses in Kraftmaschinen mit für diese Aufgabe speziell gestalteten Schaufeln zu entspannen und die im Verlauf der Expansion flüssig ausgeschiedenen Gemischbestandteile — z. B. hochmoiekuiare Kohlenwasserstoffe — in den einzelnen Turbinenstufen selektiv abzutrennen und durch teilweise Rückführung in den Expansionsverlauf auf maschinellem Weg fraktioniert zu destillieren. Es ist schließlich auch bekannt, zwei Wärmekraft-Kreisläufe derart miteinander zu verbinden, daß die Abwä;me des ersten als Nutzwärme an den zweiten übertragen wird.It is known to add thermal power processes upstream or downstream of chemical processes. Gasification processes, the high-quality rich gases are to deliver, must be carried out at high temperatures, so here the thermal power process is usually connected downstream. It is also known to be such a combined heat source Processes using a high temperature nuclear reactor. It is also known the gaseous Reaction products of a pressurized fuel conversion process in engines to relax with blades specially designed for this task and which become liquid in the course of the expansion precipitated mixture components - z. B. hochmoiekuiare Hydrocarbons - to be separated selectively in the individual turbine stages and partially through Return to the expansion process by fractional distillation by machine. It is finally also known to connect two thermal power cycles in such a way that the waste from the first is transferred to the second as useful heat. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Einsparung von Kühlmitteln und von nachgeschalteten Trennanlagen, die eine Kombination eines Brennstoff-Umwandlungsmit einem Wärmekraftprozeß ermöglicht, mit einer höchstmöglichen Ausbeute an mechanischer bzw. elektrischer Energie zu verbinden und die Wirtschaftlichkeit der Gesamtausbeute gegenüber den bekannten Verfahren zu verbessern.The invention is based on the problem of saving coolants and downstream Separation plants that combine a fuel conversion with allows a thermal power process, with the highest possible mechanical yield or to connect electrical energy and the economy of the total yield compared to the known methods to improve. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Abwärme des ersten Wärmekraft-Kreislaufes eimern zwischen die beiden Kreisläufe geschalteten endothermischen chemischen Brennstoff-UmwandlungsprozuE zugeführt wird und die nach Abzug des Zusatz-Wärmebedarfs dieses chemischen Prozesses verbleibende Wärme dem zweiten Wärmekraft-Kreislauf zugeführt wird, wobei die im Verlauf der Expansion in unterschiedlichen Siedebereichen auskondensierenden Reaktionsprodukte des chemischen Prozesses von dem restlichen Gasgemisch selektiv abgetrennt werden.This object is achieved in that the waste heat from the first thermal power cycle buckets between the endothermic chemical fuel conversion process is fed to both circuits and the heat remaining after subtracting the additional heat requirement of this chemical process to the second Thermal power cycle is supplied, with the expansion in different boiling ranges condensing reaction products of the chemical process from the remaining gas mixture can be selectively separated. Die Ausbeute des Brennstoff-Umwandlungsprozesses kann durch Zufuhr von Fremdstoffen — z. B. durch eine Teilhydrierung mittels Wasserstoff — bzw. auch durch eine Umwälzung von Reaktionsprodukten des ersten oder des zweiten Wärmekraftprozesses gesteiger: werden. Bei der Brennstoff-Umwandlung werden hohe Temperaturen bewußt vermieden, um eine Zersetzung der entstehenden hochmolekularen Kohlen-Wasserstoffe zu vermeiden. Die Abwärme des ersten, in einem hohen Temperaturbereich mit Entspannung von z. B. 900 ... 950 auf 600 ... 650°C verlaufenden Wärmekraftprozesses wird dazu verwendet, um den Wärme-Zusatzbedarf des im mittlerem Temperaturbereich von z,B, 450 ... 5500C bei einem Druck von mindestens 10 bar verlaufenden Brennstoff-Umwandlungsprozesses zu decken, dessen gasförmig austretende Reaktionsprodukte in dem zweiten Wärmekraftprozeß bis auf tiefere Temperaturen entspannt werden, Im Verlauf dieses zweiten Entspannungsprozesses kondensieren hochmolekulare Kohlenwasserstoffe aus dem Restgas in unterschiedlichen Siedebereichen aus und Werden in den äußeren Umlenkbereichen von speziellThe yield of the fuel conversion process can be reduced by the addition of foreign substances - e.g. B. by a partial hydrogenation by means of hydrogen - or by a circulation of reaction products of the first or the second thermal power process: be increased. During the fuel conversion, high temperatures are deliberately avoided in order to avoid decomposition of the high molecular weight hydrocarbons. The waste heat of the first, in a high temperature range with relaxation of z. B. 900 ... 950 to 600 ... 650 ° C running thermal power process is used to meet the additional heat demand of the running in the medium temperature range of, for example, 450 ... 550 0 C at a pressure of at least 10 bar To cover the fuel conversion process, whose gaseous reaction products are released in the second thermal power process down to lower temperatures, In the course of this second expansion process, high molecular weight hydrocarbons condense from the residual gas in different boiling ranges and become special in the outer deflection areas
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