DE2931178A1

DE2931178A1 - Gasturbinen-energiewandlungs-verfahren und vorrichtung zu seiner durchfuehrung

Info

Publication number: DE2931178A1
Application number: DE19792931178
Authority: DE
Inventors: Karl Prof Bammert; Michael Dipl Ing Simon
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1979-08-01
Filing date: 1979-08-01
Publication date: 1981-02-19

Description

Gasturbinen-Energiewandlungs-Verfahren und
Vorrichtung zu seiner Durchführung Die Erfindung bezieht sich auf ein Gasturbinen-Energiewandlungs-verfahren. Sie betrifft ferner eine Vorrichtung zur DurchLührllng dieses Verfahrens Bei stationären Gasturbinen-Energiewandlern wird das zu verdichtende Kreislaufmeditim entweder mit Außenlufttemperatur (offener Prozeß) oder aus einem Vorkühler bzw. Rückkühler (geschlossener Prozeß) angesaugt. Da die Verdichterleistung, der Durchsatz und der Prozeßwirkungsgrad stark von der Ansaugtemperatur bzw. von dem Gasvolumen abhängen, versucht man möglichst geringe Ausgangstemperaturen oder Zwiscchenkühlungen mit mehrstufigen Itompressoren anzuwenden.
Bei Fluggasturbinen verwendet man gelegentlich kurzzeitig, beispielsweise zum Ausgleich niedrigerer Leistung auf heißen und/oder llochqelegenen Flugplätzen, eine Wasser- oder Wasser/ Methanol-Einspritzung in den Kompressor an. Einer entsprechenden Langzeitanwendung bei stationären Bodenanlagen steht beispielsweise entgegen, daß die Schwefelanteile des Brennstoffs zusammen mit dem erhöhten Feuchtigkeitsanteil im Turbinenteil sowie die Tropfen im Verdichterteil eine Korrosionswirkung stark fördern. Unabhängig davon wurde aber bereits vorgeschlagen, nach dem Kompressor und nach der oder in die Brennkammer, Wasser zur Erhöhung des Massenstroms und des Wirkungsgrades als kombinierter Gas/Dampf-Turbinen-Prozeß einzuspritzen, wobei das Wasser außerdem mit Abwärme vorgewärmt wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und wirksames Verfahren sowie eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Gattung zu schaffen, welche die Nachteile der bekannten Verfahren vermeiden und bei welchen insbesondere die Verdampfungskühlung der zu komprimierenden Gase auch im Langzeitbetrieb anwendbar ist.
Diese Aufgabe wird arfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die zu komprimierenden Gase durch vor undioder im Verdichter eingespritzte und imVerdichter verdampfende Flüssigkeiten durch deren Verdampfungswärme gekühlt und nahezu isotherm verdichtet werden. Ijit Vorteil wird hierbei ein offener Gasturbinen-Prozeß verwendet Dabei wird vorteilhaft ein Recuperator -Wärmetauscher verwendet, der die Abgaswärme der verdichteten kühleren Luft indirekt zuführt. Dadurch können dann niedrigere Abgastemperaturen und höhere Wirkungsgrade realisiert werden.
Fig. 1 stellt diesen Vorgang schematisch im h/s-bzw. T/s-Diagramm mit Ableitung in Fig. la dar. Dabei erkennt man, daß die sonst nutzlose Abgaswärme Qab von 6 bis 6' in einem zusätzlichen Recuperatorteil als QtRe zur Vorwärmung der verdichteten Luft von 1' bis 2 verwendet werden kann.
Analog dem Formelmechanismus erhöhen sich die Wirkungsgrade 9 um ca. 8 %. Prinzipiell gilt das Vorgehen in Fig. 1 sowohl für den offenen als duch für den geschlossenen Gasturbinenprozeß.
Daher ist es auch vorteilhaft, erfindungsgemäß einen geschlossenen Gasturbinen-Prozeß zu verwenden und die Kühlflüssigkeit im Rückkühler rückzukondensieren. Dies ist deswegen leicht möglich, da ohnehin dem Kreislaufmittel kein Brennstoff zugeführt wird, da es indirekt erhitzt wird.
Vorteilhafterweise werden als Verdampfungs-Kühlflüssigkeit Wasser, siedepunkterniedrigende Wassergemische oder andere Flüssigkeiten verwendet, die eine annähernd isotherme Verdichtung ermöglichen. Insbesondere wirksame Verdampfungsflüssigkeiten einsetzen, da Reaktionen mit dem Brennstoff nicht möglich sind, und im geschlossenen Kreislauf praktisch kein Verlust des zusätzlichen Mediums stattfinden kann.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß zum Einführen, Zerstäuben und Vermischen der zu komprimierenden Gase mit der Verdampfungs-Kühlflüssigkeit eine rotierende Scheibenzerstäubungseinrichtung mit einer zusätzlichen Wirbelkammer vorgesehen ist. Damit wird eine weitgehend homogene Zerstäubung und Vernebelung der Kühlflüssigkeit vor dem Kompressor erreicht. Erfindungsgemäß soll diese weitgehend homogene und feinstverteilte Zerstäubung der zu verdampfenden Kühlflüssigkeit mit besonderem Vorteil mit Hilfe von Rotationszerstäubern vorgenommen werden, wie sie beispielsweise bereits erfolgreich bei Befeuchtungsanlagen von belüfteten Gewächshäusern angewendet wurden. Erfindungsgemäß soll auch ein alternatives Zerstäubungsverfahren mit Ultraschallzerstäubung vorgesehen werden, welches zwar einen gewissen elektrischen Energieverbrauch nach sich zieht, aber eine besonders feine Zerstäubung und relativ geringen apparativen Aufwand gewährleistet.
In Fig. 2 ist die Anordnung einer Rotationszerstäuberscheibe 4 innerhalb eines-besonders geformten Einlaufgehäuses 3 vor dem Verdichter schematisch dargestellt.
In Fig. 3 ist in entsprechender Darstellung die Anordnung eines Ultraschallzerstäuberkopfes 5 vor dem Verdichter im Einlaufgehäuse 2 vor dem Verdichter dargestellt.
Im Gegensatz zu den bereits vorgeschlagenen Kombinationsprozessen mit Wassereinspritzung in das bereits erhitzte oder komprimierte Gas wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der volle Gewinn an Verdichtungsarbeit-Reduktion mit annähernd isothermer Verdichtung ermöglicht. Der zusätzliche apparative Aufwand rechtfertigt sich z.B auch bei Solarenergie-Anlagen, da sich bei diesen jeder Wirkungsgradgewinn durch eine investionskostensparende Solarkollektor-Spiegelflächenverkleinerung überproportional auswirkt. Außerdem erübrigt sich die sonst anzuwendenden Zwischenkühler-Systeme bei offenen Kreisprozessen. Erfindungsgemäß kann die bei offenen Prozessen den Zwischenkühler einsparende Verdampfungskühlung vorteilhaft auch bei geschlossenen Kreisprozessen angewendet werden, da sich die Vorkühler bzw. Rückkühler auf kleinere Einheiten reduzieren, weil aus der kondensierenden Gas/Flüssig-Phase der Verdampfungs-Kühlflüssigkeit hohe übergangswerte an den Innenwänden der Wärmetauscher resultieren. Außerdem liegt kein ständiger Verbrauch an Frischwasser gegenüber offenen Prozessen vor, so daß gemäß der Erfindung auch andere Verdampfungskühlmittel außer Wasser verwendet werden, die noch geeignetere Verdampfungscharakieristiken und/oder Kühleigenschaften als dieses aufweisen.
Diese werden im Rückkühlersystem als Kondensat rückgewonnen und in einem separaten Kühler als Flüssigkeit völlig rückgekühlt. Außerdem lassen sich rückgewinnbare Verdampfungs-Kühlflüssigkeiten besser an das jeweilige Druckniveau des Kreislaufs und/oder an eventuell auftretende Korrosionsprobleme im Solar-Receiver anpassen. Dies wird erfindungsgemäß durch Mischen verschiedener Flüssigkeiten unterschiedlicher Verdampfungstemperatur und Verdampfungswärmen erreicht. Dabei werden gemäß der Erfindung auch Flüssigkeiten anwendbar, die mit niedrigerem Siedepunkt eine annähernd isotherme Verdichtung ermöglichen.
Leerseite

Claims

Patentansprüche X Gasturbinen-Energiewandlungs-Verfahren, z.B. für Solarenergie-Kraftwerke, dadurch gekennzeichnet, daß die zu komprimierenden Gase durch vor und/oder im Verdichter eingespritzte und im Verdichter verdampfende Flüssigkeiten durch deren Verdampfungswärme gekühlt und nahezu isotherm verdichtet werden.
2. Gasturbinen-Energiewandlungs-Verfahren, insbesondere für Solarenergie-Kraftwerke, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein offener Gasturbinen-Prozeß verwendet wird.
3. Gasturbinen-Energiewandlungs-Verfahren, z.B. für Solarenergie-Kraftwerke, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein geschlossener Gasturbinen-Prozeß verwendet wird und die Kühlflüssigkeit im Rückkühler rückkondensiert wird.
4. Gasturbinen-Energiewandlungs-Verfahren, z.B. für Solarenergie-Kraftwerke, nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daB~als Verdampfungs-Kühlflüssigkeit Wasser, siedepunkterniedrigende Wassergemische oder andere Flüssigkeiten verwendet werden, die eine annähernd isotherme Verdichtung ermöglichen.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Einführen, Zerstäuben und Vermischen der zu komprimierenden Gase mit der Verdampfungs-Kühlflüssigkeit eine rotierende Scheibenzerstäubungseinrichtung mit einer zusätzlichen Wirbelkammer vorgesehen ist.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zerstäuben der Verdampfungs-Kühlflüssigkeit zur Vormischung mit den zu komprimierenden Gasen eine Ultraschall-Zerstäubungsanlage verwendet wird.