DE2842899A1

DE2842899A1 - Dampfkreislauf

Info

Publication number: DE2842899A1
Application number: DE19782842899
Authority: DE
Inventors: Charles Dipl Ing Dr Mandrin
Original assignee: Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1977-11-24
Filing date: 1978-10-02
Publication date: 1979-05-31
Also published as: NL7810878A; FR2410126A1; SE7812085L; BE872237A; GB2008691A; IT1100153B; IT7830024A0; JPS5482545A

Description

P 5250/Sd/hj

Gebrüder Sulzer, Aktiengesellschaft, Winterthur / Schweiz

Dampfkreislauf

Die Erfindung betrifft einen Dampfkreislauf, in welchem ein aus einem unsubstituierten oder halogensubstituierten Kohlenwasserstoff, Kohlenwasserstoffgemisch, Kohlenwasserstoff-Kohlendioxid bestehendes Arbeitsmittel zirkuliert, welches in einer Turbine arbeitsleistend entspannt, in einem Kondensator verflüssigt, mittels einer Pumpe auf einen erhöhten Druck gebracht und in einem Wärmeaustauschersystem verdampft und überhitzt wird, wobei die Turbine, die einen Verbraucher antreibt, beidseitig ölgeschmierte Wellenlager aufweist und zwischen den ölgeschmierten Wellenlagern und der Turbine jeweils eine Gassperre angeordnet ist.

Derartige Dampfkreisläufe werden dann angeordnet, wenn als Medium Wasserdampf nicht in Frage kommt. Dieses ist z.B. dann der Fall,

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wenn eine solche Anlage in kalten Gebieten eingesetzt wird, wo eine Einfriergefahr besteht oder wo eine entsprechende Betriebsüberwachung höchstens mit einem unwirtschaftlich hohen Aufwand gewährleistet ist oder in Gebieten, in welchen keine Wasserquelle zur Verfügung steht.

In diesem Falle wendet man vorteilhaft dann Kreisläufe mit einem der eingangs genannten Arbeitsmittel an. Derartige Medien sind auch bei höheren Temperaturen, z.B. im Bereich von 200 - 400 C thermisch stabil, d.h. es findet keine chemische Zersetzung statt,

Die Erfindung hat es sich zum Ziel gesetzt, den Betrieb solcher Anlagen auf äusserst wirtschaftliche Weise zu ermöglichen und auch die Betriebssicherheit fernbedienter, d.h. nicht an Ort überwachter Anlagen gewährleisten.

Ein Hauptproblem bei Dampfkreisläufen der eingangs beschriebenen

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Art besteht in der wirksamen Abdichtung der Turbinenwelle, um zu verhindern, dass das Arbeitsmittel nicht aus dem Kreislauf entweichen kann.

Würde man, wie dieses üblicherweise in der Kältetechnik angewendet und für diesen Fall auch ohne weiteres auf wirtschaftliche Weise ausführbar ist, jedoch bei dem die Erfindung betreffenden Fall die Turbinenwelle ausschliesslich mit Hilfe von Labyrinthdichtungen und Oelsperren abdichten, welche einerseits auf der Ver— braucherseite und andererseits auf dem blinden Wellenende angeordnet sind, so wäre dieses aus folgenden Gründen nicht möglich, d.h. in der Praxis mit einem wirtschaftlich vertretbaren Aufwand nicht durchführbar.

Bei Dampfkreisläufen, wie sie die Erfindung betreffen, würden aufgrund der Druckdifferenz zwischen Entspannungsraum der Turbine und den die Turbinenwelle umgebenden Oelsperräumen erhebliche Arbeitsmittelmencjen durch die Labyrinthdichtuncjen in die OeI-sperrräume austreten, weil der Entspannungsraum sich zwangsweise

bei Kondensationsdruck befindet und die Oelsperräume,bei welchen keine Kondensation des Arbeitsmittels stattfinden darf, sich auf wesentlich tieferem Druck befinden. Aus¹ dem so entstehenden

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Arbeitsmittel-Qelgemisch muss das OeI von dem Arbeitsmittel wirksam abgetrennt werden. Die Rückgewinnung des Arbeitsmittels erfordert jedoch einen erheblichen apparativen und betrieblichen Aufwand, der insbesondere wegen der Kompressionsleistung untragbar ist, wenn ein Dampfkreislauf der eingangs beschriebenen Art sich an entlegenen Orten, d.h. in fernbedienten und nicht am Ort überwachten Anlagen befindet.

Die erforderliche Trennvorrichtung, in welcher beispielsweise durch Filter, Kältefallen und dergleichen eine Abtrennung des Arbeitsmittels von Sperröl vorgenommen wird, ist äusserst aufwendig und ohne ständige betriebliche Ueberwachung nicht betriebssicher.

Da bei dem die Erfindung betreffenden Dampfkreislauf der Verdampfer und Ueberhitzer Im Gegensatz zu Kälteanlagen bei relativ hohen Temperaturen, z.B. Im Bereich zwischen 200 - 4OO C betrieben wird, würden die in der Trennvorrichtung nicht ausgeschiedenen OeLreste im Verdampfer verkohlen und könnten nicht mehr vom Arbeitsmittel aufgelöst werden. Derartige Verunreinigungen würden den Wärmeübergang im Verdampfer beträchtlich reduzieren,

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^ kurzen ,
so dass schon nach einer Betriebszeit die Nennleistung der

Anlage nicht erreicht werden könnte.

Nun könnte man annehmen, dass die vorstehend geschilderten Nachteile mit Hilfe von zusätzlich angeordneten Gassperren vermieden werden könnten.

Dass auch die ausschliessliche Anwendung einer derartigen Massnahme nicht den gewünschten Effekt erzielt, ergibt sich aus folgendem Sachverhalt, der anhand der Fig. 1 und 2 im folgenden erläutert wird.

Die Fig. 1 zeigt ein Fliessschema eines Dampfkreislaufes mit einem Sperrgassystem, während in Fig. 2 in einem Längsschnitt eine,in einem derartigen Dampfkreislauf angeordnete Turbine mit OeI- bzw. GasSperrsystemen und ölgeschmierten Lagern dargestellt ist.

Gemäss Fig. 1 wird durch eine Leitung 1 Luft in eine Brennstoff verbrauchende Vorrichtung 2 eingesaugt, wobei der Brennstoff

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durch eine Leitung 3, z.B. aus einem nicht dargestellten Lagerbehälter oder aus einer Erdgasleitung zugeführt wird. Die Vorrichtung 2 kann z.B. eine Brennkammer einer Gasturbinenanlage sein oder ein Erhitzer für einen anderen Prozess, in welchem Wärme

_t erzeugt werden muss.Die Verbrennungsgase strömen durch eine Leitune" durch einen im Dampfkreislauf angeordneten Verdampfer 5. Im Verdampfer 5 wird das von einer Pumpe 6 des Dampfkreislaufes auf einen erhöhten Druck gebrachte Arbeitsmittel verdampft und überhitzt. Der Arbeitsmitteldampf wird durch eine Leitung 7 der Turbine 8 zugeleitet, hierin arbeitsleistend entspannt und strömt anschliessend durch eine Leitung 9 in den Kondensator 10, welcher von einem Kühlmittel, z.B. Luft, Wasser oder dergleichen gekühlt ist, und wird hierin verflüssigt.

Die Turbine 8 treibt einen schematisch dargestellten Verbraucher 12 an, der z.B. ein Generator, ein Kompressor oder eine Pumpe für chemische Prozesse sein kann oder ein Kompressor oder eine Pumpe zur Förderung von Gasen, z.B. Erdgas oder von Flüssigkeiten, z.B. Erdöl.

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Die Fig. 2 zeigt im Längsschnitt die Turbine 8, die einstufig ausgebildet ist. Der Entspannungsraum ist mit der Bezugsziffer 13, das Schaufelrad mit "14", die Laufschaufeln mit "15" und die Leitschaufel mit "16" bezeichnet. Selbstverständlich kann das Sperrsystem auch bei einer mehrstufigen Turbine angewendet werden.

Die Turbinen welle 17 wird von zwei ölgeschmierten Lagern 18 und 19 üblicher Bauart getragen, die durch Leitungen 20 bzw. 21 mit Schmieröl gespeist werden, die Welle 17 endigt an einem Ende in einen Flansch 22, an welchen der Verbraucher 12 in nicht dargestellter Weise angekuppelt ist.

Die Oelsperre besteht aus einem durchbohrten Metallring 23, der vorzugsweise aus Weissmetall gegossen und an die Welle angepasst ist, wobei durch Leitung 24 OeI unter Druck eingespritzt wird. Das Sperröl strömt einerseits längs der Welle in die Kammer 25 und andererseits in die Kammer 26. Aus beiden Kammern wird das OeI mittels Leitungen 28 und 29, die mit einer Leitung 30 verbunden sind, aus dem Lager bzw. der Oelsperre herausgeführt.

Das Lager am blinden Ende der Turbinenwelle weist zwei Kammern

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31 und 32 auf, aus welchen das Lageröl'durch Leitungen 33 und 34, die mit einer Leitung 35 verbunden sind, herausgeführt wird. Weiterhin weist die Turbinenwelle bzw. das Turbinengehäuse Labyrinthdichtungen 36, 37, 38 und 39 auf.

Durch eine Leitung 40 wird ein Sperrgas in die Kammer 41 bzw. durch eine Leitung 42 in eine Kammer 43 eingespritzt und zwar so, dass der Druck in der Kammer 41 nur geringfügig höher als der Druck im Entspannungsraum 13 der Turbine 8 ist. Entsprechendes gilt für die Druckverhältnisse zwischen dem Entspannungsraum und der Kammer 43.

Diese Gassperren müssen folgende Bedingungen erfüllen:

a) Das Sperrgas muss in grossen Mengen verfügbar sein, z;B. Erdgas aus einer Erdgasleitung oder Luft;

b) das Sperrgas muss einen wesentlich tieferen Verflüssigungspunkt als derjenige des Arbeitsmittels aufweisen und weiterhin eine wesentlich niedrigere Löslichkeit im OeI. Diese

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Bedingungen würden beispielsweise bei einem aus Propan oder Aethan bestehenden Arbeitsmittel erfüllt, wenn Erdgas als Sperrgas verwendet würde bzw.. bei einem aus einem halogen— substituierten Kohlenwasserstoff bestehenden Arbeitsmittel und Luft als Sperrgas;

c) es muss die Möglichkeit bestehen, die Arbeitsmittel-Sperrgasmengen in ihre Komponenten zu trennen;

d) weiterhin sollte das Sperrgas, das mit OeI oder mit dem Arbeitsmittel verunreinigt ist, ohne wirtschaftliche Nachteile entweder aus der Anlage weggeführt und verworfen werden können, wie z.B. Luft oder aber nutzbringend verbrannt werden können, z.B. Methan (vergl. Leitungen 44 bzw. 45).

Bei der dargestellten Ausführung würde das Sperrgas einerseits im äusserst geringer Menge aus der Kammer 41 bzw. 43 durch die Labyrinthdichtungen 37 bzw. 38 in den Entspannungsraum 13 strömen und sich hierin mit dem Arbeitsmittel mischen, welches aufgrund der Bruckverhältnisse nicht durch die Labyrinthdichtungen zurückströmen kann.

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Andererseits kann der Druck in der Kammer 26 bzw. 32 etwas niedriger als derjenige in den Kammern 41 bzw. 43 gehalten werden, so dass nur geringe Sperrgasmengen durch die Labyrinthdichtungen 36 bzw. 39 fHessen können. Das OeI, das sich am Boden der Kammern 25, 26, 31 und 32 sammelt, wird durch die Leitungen 30 bzw. 35 in eine Oelaufbereitungsanlage 46 entspannt (vergl. Fig. 1). Diese Druckreduktion erlaubt zwar eine wesentlich wirksamere Trennung von OeI und Sperrgas als die Trennung von OeI und Arbeitsmittel, in der an vorstehender Stelle beschriebenen Anlage, in welcher ausschliesslich Oelsperren und keine Gassperren vorgesehen sind.

Das in der Aufbereitungsanlage 46 gewonnene, weitgehend saubere OeI wird mittels einer Pumpe 47 durch die Leitungen 20, 24 und 21 in die Oellager bzw. die Oelsperre zurückgeführt. Das in der Aufbereitungsanlage 46 abgetrennte Sperrgas, welches noch OeI-spuren enthält, braucht nicht weiter gereinigt zu werden.

Entweder kann das mit OeI verunreinigte Gemisch durch' eine nicht dargestellte Leitung aus der Anlage entfernt und verworfen werden,

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z.B. im Falle von Luft oder beispielsweise bei der Verwendung von Methan als Sperrgas durch eine Leitung 48 der Brennstoff verbrauchenden Einrichtung 2 zugeführt werden.

Das Sperrgas, das aus den Kammern 26 und 32 durch die Leitungen 44 bzw. 45 herausgeführt wird, kann auf die gleiche Weise durch nicht dargestellte Leitungen in die Atmosphäre abgeblasen werden oder als Brennstoff durch die Leitung 48 der Vorrichtung 2 zugeführt werden.

Ein gravierender Nachteil einer in der Fig. 1 bzw. 2 dargestellten Anlage besteht jedoch im folgenden:

Obwohl nur geringe Sperrgasmengen durch die Labyrinthdichtungen 37 und 38 in den Entspannungsraum 13 eindringen können, muss dieses Sperrgas ständig aus dem im Kreislauf zirkulierenden Arbeitsmittelstrom entfernt werden, um die Verflüssigung im Kondensator 10 nicht zu hemmen. Dieses beruht darauf,, dass die Zusammensetzung der Arbeitsmittel-Sperrgasmischung sich mit der

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Zeit derart ändert, dass nichts mehr bei der vorgesehenen Kondensatortemperatur, z.B. Umgebungstemperatur auskondensiert würde.

Daher müsste bei einer solchen Anlage, das im Kondensator 10 vollständig verflüssigte Arbeitsmittel-Sperrgasgemisch durch die Leitung 49 in eine Trennvorrichtung 50 abgesaugt werden. AusdieserTrennvorrichtung müsste mindestens nahezu reines, zurückgewonnenes Arbeitsmittel durch eine Leitung 51 in die Leitung 9 vor dem Kondensator 10 zurückgeführt werden, und mindestens nahezu arbeitsmittelfreies Sperrgas, das entweder wiederum im Falle von Luft in die Atmosphäre abgeblasen werden könnte, durch eine Leitung 52 wieder in die Gassperre zurückgeführt werden.

Da im vorliegenden Fall jedoch der gesamte Arbeitsmitteldurchsatz der Turbine,, obwohl er nur geringe Mengen an Sperrgas enthält, in der Trennvorrichtung wieder aufbereitet werden muss, erfordert dieses einen apparativen und energetisch derart um-

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fangreichen Aufwand der Trennvorrichtung, so dass eine solche Anlage für die Praxis unbrauchbar ist.

Es ist das hauptsächliche Ziel der Erfindung, den Trennaufwand wesentlich zu reduzieren, um eine wirtschaftliche Betriebsweise bezüglich des energetischen und apparatemässigen Aufwandes zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass zwischen der Gassperre und dem Entspannungsraum der Turbine jeweils ein die Turbinenwelle umgebender Absaugraum angeordnet ist, aus welchem mit Sperrgas verunreinigtes Arbeitsmittel einer Trennvorrichtung zugeführt wird.

Beispielsweise kann als Arbeitsmittel Propan, ein Propan-Methan- oder ein Butan-Methan-Gemisch und als Sperrgas Erdgas verwendet werden.

Im Falle .das Arbeitsmittel ein halogensubstituierter Kohlenwasserstoff ist, kann Luft als Sperrgas verwendet werden.

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Die Erfindung ermöglicht nun in vorteilhafter Weise eine wesentliche Reduzierung des Trennaufwandes zwischen Sperrgas und Ar- ■ beitsmittel, wie im folgenden noch näher erläutert werden wird.

Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles wird die Erfindung nachstehend erläutert:

Fig. 3 zeigt ein Fliessschema eines erfindungsgemäss ausgebildeten Dampfkreislaufes,

Fig. 4 eine in diesem Dampfkreislauf angeordneten Turbine mit OeIlagern, OeIsperre und Gassperren, v/ährend in

Fig. 5 eine Ausführungsform einer zweistufigen Trennvorrichtung zur Trennung von Arbeitsmittel und Sperrgas dargestellt ist.

Die mit den Fig. 1 und 2 übereinstimmenden Elemente der Anlage sind in den Fig. 3 bis 5 mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet und ihre Funktionsweise wird zur Vermeidung von Wiederholungen nicht nochmals erläutert.

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Erfindungsgemäss sind zwischen dem Entspannungsraum 13 der Turbine 8 und dem Sperrgasraum 41 und 43 je ein die Turbinenwelle umgebender Absaugraum 53 bzw. 54 angeordnet, an welche Absaugleitungen 55 bzw. 56 angeschlossen sind, in den Absaugräumen 53 und 54 herrscht ein etwas niedrigerer Druck als in dem Entspannungsraum 13 und in den Sperrgaskammern 41 und 43, so dass nur sehr geringe Mengen Sperrgas durch die Labyrinthdichtungen 57 und 58 und sehr geringe Mengen Arbeitsmittel aus dem Entspannungsraum 13 durch die Labyrinthdichtungen 59 und 60 in die Absaugräume 53 bzw. 54 strömen.

Die Menge des Arbeitsmittel-Sperrgasgemisches, das aus den · Leitungen 55 und 56 abgesaugt wird, ist nun wesentlich geringer als der Arbeitsmitteldurchsatz durch die Turbine und ausserdem enthält das Gemisch vergleichbare Mengen an Arbeitsmittel und Sperrgas, so dass eine wesentlich vereinfachtere Trennung in die ursprünglichen Komponenten erzielt wird. Dieses bedeutet, dass die Trennvorrichtung 61 in energetischer und apparativer Hinsicht einen wesentlich geringeren Aufwand erfordert, als dieses bei der Trennvorrichtung 50 in Fig. 1 der Fall ist. Auch die Leitung 62

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führt noch ein Gemisch, das noch einige Spuren von Arbeitsmittel enthält. Aber diese Arbeitsmittelmenge ist äusserst gering und erfordert in der Trennvorrichtung nur einen vernachlässigbaren Mehraufwand.

Im folgenden wird anhand einer in der Fig. 5 dargestellten Ausführungsform eine zweistufig ausgebildete Trennvorrichtung 61 erläutert.

Es sei darauf hingewiesen, dass es sich hierbei nur um ein Ausführungsbeispiel einer Trennvorrichtung handelt. So könnte die Trennvorrichtung beispielsweise einstufig ausgebildet sein oder mehr als zwei in Serie geschaltete Trennstufen aufweisen.

Das durch die Leitungen 62 und 63 (vergl. Fig. 3) in die Trennvorrichtung eingeleitete Arbeitsmittel-Sperrgas-Gemisch wird zunächst in einem Vorkühler 66 bei Umgebungstemperatur gekühlt, sodann im Kompressor 67 verdichtet und anschliessend in einem Wärmeaustauscher 68 soweit gekühlt, dass mindestens der grösste Teil des Arbeitsmittels kondensiert, wobei das Kondensat noch

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Spuren von gelöstem Sperrgas enthält. In .einem Abscheider 69 wird der verflüssigte Anteil vom dampfförmigen Anteil des Gemisches,das vorwiegend aus Sperrgas besteht, aber auch noch Arbeitsmitteldampf-führt, getrennt. Der verflüssigte Anteil wird in einem Drosselventil 70 entspannt und in einen Abscheider 71 eingeleitet, worin wegen des tieferen Druckes ein Teil der Flüssigkeit verdampft. Aus dem Abscheider 71 wird die Flüssigkeit, die aus mindestens nahezu reinem Arbeitsmittel besteht, durch Leitung 64 in den Dampfkreislauf vor dem Kondensator 10 eingeleitet.

Das noch dampfförmige, aus Arbeitsmittel und Sperrgas bestehende Gemisch wird in einem Drosselventil 72 auf den Eintrittsdruck des Kompressors 67 entspannt und mit dem im Vorkühler 66 gekühlten Gemisch vom Kompressor angesaugt.

Die hauptsächlich aus Sperrgas bestehenden,aber noch Arbeitsmittel enthaltenden Gase, die den Abscheider 69 durch Leitung 73 verlassen, werden in eine zweite, gleich wie die erste Stufe ausgebildete Stufe eingeleitet.

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Diese zweite Stufe weist einen Kompressor 74, einen Kühler 75, einen Hochdruckabscheider 76 und einen Tiefdruckabscheider 77 sowie Drosselventile 78, 79 und 80 auf.

In dieser zweiten Stufe wird das Sperrgas weiter von Arbeitsmittel befreit und von der Entnahmestelle 81 in die .Vorrichtung 2 geführt. Es kann auch eine Teilmenge in die Gassperräume 41 und 43 zurückgeführt werden.

Vorteilhafte Anwendungsgebiete für die Erfindung sind beispielsweise Kompressions-Stationen für Pipeline-Systeme für Erdgas, wobei als Arbeitsmittel z.B. Propan und als Sperrgas Erdgas verwendet werden oder LNG-Verdampfungsanlagen, in welchen als Arbeitsmedium z.B. ein Gemisch aus 30 % Methan, 70 % Propan oder 30 % Methan und 70 % Butan und als Sperrgas Erdgas benutzt wird.

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Claims

Gebr. Sulzer AG P 5250/Sd/hj

Patentansprüche

Al Λ Dampfkreislauf, in welchem ein aus einem unsubstituierten oder halogensubstituierten Kohlenwasserstoff, Kohlenwasserstoffgemisch, Kohlenwasserstoff-Kohlendioxid bestehendes Arbeitsmittel zirkuliert, welches in einer Turbine arbeitsleistend entspannt, in einem Kondensator verflüssigt, mittels einer Pumpe auf einen erhöhten Druck gebracht und in einem Wärmeaustauschersystem verdampft und überhitzt wird, wobei die Turbine, die einen Verbraucher antreibt, beidseitig ölgeschmierte Wellenlager aufweist, und zwischen den ölgeschmierten Wellenlagern und der Turbine jeweils eine Gassperre angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Gassperre und dem Entspannungsraum der Turbine jeweils ein die Turbinenwelle umgebender Absaugraum angeordnet ist, aus welchem mit Sperrgas verunreinigtes Arbeitsmittel einer Trennvorrichtung zugeführt wird.
2. Dampfkreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmittel Propan und das Sperrgas Erdgas ist.
3. Dampfkreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmittel ein Propan-Methan-oder ein Butan-Methan-Gemisch ist.
4. Dampfkreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sperrgas Luft und das Arbeitsmittel ein halogensubstituierter Kohlenwasserstoff ist.
5. Dampfkreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennvorrichtung aus mindestens einer Trennstufe oder mehreren in Serie geschalteten Trennstufen besteht, wobei in jeder Trennstufe das Arbeitsmittel-Sperrgasgemisch komprimiert, anschliessend gekühlt und sodann in einem Tropfenabscheider das flüssige Arbeitsmittel vom Sperrgas getrennt wird.

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