DE60006305T2

DE60006305T2 - Gasturbinensystem

Info

Publication number: DE60006305T2
Application number: DE60006305T
Authority: DE
Inventors: Graham Alfred Finham Reynolds
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1999-03-23
Filing date: 2000-03-06
Publication date: 2004-05-13
Anticipated expiration: 2020-03-07
Also published as: EP1039115A3; EP1039115A2; EP1039115B1; GB9906620D0; DE60006305D1; US6293086B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Energieerzeugungs-Anlage; und insbesondere betrifft die Erfindung eine Energieerzeugungs-Anlage, die einen hohen Wirkungsgrad besitzt und verminderte Schadstoffmengen in die Atmosphäre ausstößt.
Herkömmliche Energieerzeugungs-Anlagen beruhen auf der Verbrennung geeigneter auf Kohle basierender Brennstoffe, die gewöhnlich Schadstoffe erzeugen, deren Hauptteil aus Oxiden von Stickstoff und Kohlenstoffdioxid besteht. Es ist notwendig, diesen Schadstoffausstoß auf Mengen zu reduzieren, bei denen sie keine Gefahr für die Umgebung bilden, und am Liebsten sollen überhaupt keine Schadstoffe ausgestoßen werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Bedingungen zu erfüllen und eine Energieerzeugungs-Anlage zu schaffen, die einen verbesserten Wirkungsgrad besitzt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist die Energieerzeugungs-Anlage folgende Teile auf: eine Luftkompressions-Einrichtung; Mittel zur Injektion fein dispergierten Wassers in den Lufteinlass der Luftkompressions-Einrichtung; eine Verbrennungs-Einrichtung zur Vermischung von durch die Luftkompressions-Einrichtung komprimierter Luft mit einem geeigneten Brennstoff und zur Aufrechterhaltung der Verbrennung jener Mischung; Turbinen-Einrichtungen, die die Abgasprodukte der Verbrennung empfangen und hiervon angetrieben werden und ihrerseits die Luftkompressions-Einrichtung antreiben; eine Nutzleistungsturbine, die die Abgase der Turbinen-Einrichtung empfängt und hiervon angetrieben wird; eine Wärmeaustausch-Einrichtung, die die Abgase der Nutzleistungs-Turbine empfängt und die Abgase in Wärmeaustausch-Beziehung mit Wasser überführt, um den Ausfluss der Abgase zu kühlen und Dampf aus dem Wasser zu erzeugen; Mittel, um im Wesentlichen das Kohlendioxid aus den Abgasen der Wärmeaustausch-Einrichtung abzuführen und eine zusätzliche Kompressions-Einrichtung, die durch die Nutzleistungs-Turbine angetrieben wird und so angeordnet ist, dass sie die Abgase von der Einrichtung empfängt und komprimiert, die von der Einrichtung zur Entfernung des Kohlendioxids herrühren, wobei der Dampf, der aus dem Wasser in Wärmeaustausch-Beziehung mit den Turbinenabgasen erzeugt wird, auf die Verbrennungs-Einrichtung gerichtet wird, um den Verbrennungsprozess zu verbessern und dadurch aufrecht zu erhalten.
Die Kompressions-Einrichtung weist vorzugsweise einen ersten und einen zweiten Kompressor in Strömungsrichtung hintereinander auf.
Das fein dispergierte Wasser wird vorzugsweise in die Einlässe von erstem und zweitem Kompressor eingespritzt.
Ein Zwischenkühler kann zwischen dem ersten und zweiten Kompressor in Strömungsbeziehung hiermit angeordnet werden, wobei der Zwischenkühler dazu dient, die Wasserinjektion in den Einlass des zweiten Kompressors zu liefern.
Ein Teil des erzeugten Dampfes kann in den Einlass der Turbinen-Einrichtung eingeführt werden.
Der Abgasausfluss von der Nutzleistungs-Turbine kann danach durch einen Supererhitzer, einen Verdampfer, einen Abgasvorwärmer und einen Kühler geschickt werden, um die Temperatur der Abgase zu verringern.
Danach kann Wasser durch den Kühler, den Abgasvorwärmer, den Verdampfer und den Supererhitzer gefördert werden, um das Wasser in Wärmeaustausch-Beziehung mit dem Abgasausfluss zu bringen und dadurch den Dampf zu erzeugen.
Ein Rekuperator kann unmittelbar stromab der Nutzleistungs-Turbine angeordnet werden.
Das Wasser kann durch den Rekuperator geleitet werden, um das Wasser in Wärmeaustausch-Beziehung mit den Abgasen der Nutzleistungs-Turbine zu bringen und um dadurch den Dampf zu erzeugen.
Es kann ein Kühler stromab des Rekuperators angeordnet werden.
Die das Kohlendioxid entfernende Einrichtung kann eine Sequestrations-Membran umfassen.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
1 ist eine schematische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Energieerzeugungs-Anlage;
2 ist eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Energieerzeugungs-Anlage.
Gemäß 1 besteht die Energieerzeugungs-Anlage 10 in Strömungsrichtung hintereinander aus den folgenden Aggregaten: einem ersten und einem zweiten Axialströmungs-Kompressor 11 bzw. 12, einer Verbrennungs-Einrichtung 13, einer Axialströmungs-Turbine 14, die antriebsmäßig mit dem ersten und zweiten Kompressor 11 und 12 verbunden ist, einer Nutzleistungs-Turbine 15 und einem zusätzlichen Axialströmungs-Kompressor 16, der durch die Nutzleistungs-Turbine 15 angetrieben wird.
Es ist ein Wasserbehälter 17 vorgesehen, der mit Mitteln ausgerüstet ist, um das darin befindliche Wasser zu behandeln und zu entlüften. Das reine und entlüftete Wasser aus dem Behälter 17 wird in eine Leitung 18 gepumpt, wo es in zwei Strömungen aufgeteilt wird. Die erste Strömung wird über die Leitung 18 einer Zerstäuber-Vorrichtung 19 zugeleitet, die dazu dient, das Wasser in eine feine Dispersion umzuwandeln, deren einzelne Partikel im Durchmesser kleiner als 1 Mikron sind. Die dispergierten Wasserpartikel werden dann in eine erste und eine zweite Strömung 20 und 21 unterteilt. Die erste Strömung 20 wird in den Einlass 22 des ersten Kompressors 11 geleitet, wo sie mit der Luft vermischt wird, die in jenen Kompressor 11 einströmt. Das Wasser dient dazu, eine beträchtliche Reduktion der Temperatur jener Luftströmung zu bewirken, bevor sie durch den ersten Kompressor 11 verdichtet wird.
Die vom ersten Kompressor 11 ausströmende Luft wird dann in einen Zwischenkühler 23 geleitet, wo sie mit der zweiten Strömung dispergierter Wasserpartikel 21 vermischt wird. Dies dient zur Herabsetzung der Temperatur der Luft, bevor diese in den zweiten Kompressor 12 eingeleitet wird, wo eine weitere Verdichtung stattfindet. Es ist jedoch klar, dass der Zwischenkühler 23 ein fakultatives Merkmal ist und dass es Umstände gibt, wo dieser nicht erforderlich ist.
Die komprimierte und gekühlte Luft, die vom zweiten Kompressor 12 ausgeblasen wird, wird dann in die Verbrennungs-Einrichtung 13 geleitet, wo sie mit einem geeigneten, auf Kohlenstoff basierenden Brennstoff vermischt wird, beispielsweise einem Brennstofföl oder einem natürlichen Gas. Die Verbrennung dieser Mischung findet dann innerhalb der Brennkammer 13 statt. Um zu gewährleisten, dass der Verbrennungsprozess so wirksam als möglich ist, wird Dampf in die Brennkammer 13 durch zwei Leitungen 24 und 25 eingeleitet. Die Dampfquelle wird später erläutert.
Der Dampf aus der Leitung 24 wird dann in den stromaufwärtigen Bereich der Verbrennungs-Einrichtung 13 in Mengen injiziert, die ausreichen, um zu gewährleisten, dass die Erzeugung der Stickoxide im Verbrennungsprozess auf niedrigen Werten gehalten wird oder diese Stickoxide überhaupt vermieden werden. Es ist auch genügend Dampf vorgesehen, um eine entsprechende Kühlung der Verbrennungs-Einrichtung 13 zu bewirken.
Der Dampf aus der Leitung 25 wird in weiter stromab liegende Bereiche der Brennkammer 13 in Mengen eingeleitet, die ausreichen, um eine im Wesentlichen vollständige Verbrennung herbeizuführen.
Die Verbrennungsprodukte aus der Verbrennungs-Einrichtung 13, die eine hohe Temperatur aufweisen, werden dann zum Antrieb auf die Turbine 14 geleitet. Es wird Dampf in die Turbine 14 über eine Leitung 26 eingeleitet, um diesen Dampf mit den Verbrennungsprodukten zu vermischen und dadurch eine Abkühlung der Komponenten der Turbine 14 zu erreichen.
Der Abgasausfluss aus der Turbine 14 wird dann zum Antrieb auf die Nutzleistungs-Turbine 15 geleitet. Es wird mehr Dampf in die Nutzleistungs-Turbine 15 über die Leitung 27 eingeführt, um eine Mischung mit den Verbrennungsprodukten durchzuführen und dadurch eine Kühlung der Komponenten der Nutzleistungs-Turbine 15 zu bewirken.
Die Abgase der Nutzleistungs-Turbine 15 werden dann ihrerseits durch einen Überhitzen 28, einen Verdampfer 29, einen Ekonomiser 30 und einen Kühler 31 geleitet. Die zweite Wasserströmung aus der Leitung 18 wird ihrerseits durch den Kühler 31, den Ekonomiser 30, den Verdampfer 29 und den Überhitzen 28 geleitet, so dass er im Gegenstrom-Wärmeaustausch mit dem Abgasausfluss der Nutzleistungs-Turbine 15 steht. Dies dient zweierlei Zwecken. Erstens wird die Temperatur des Wasser so weit angehoben, dass es in Dampf umgewandelt wird, der darauf in die vorher erwähnten Leitungen 24 bis 27 geleitet wird, um eine wirksame Verbrennung und Kühlung der Turbine zu bewirken. Zweitens dient dies der Temperaturverminderung der Abgase aus der Nutzleistungs-Turbine 15 auf etwa 300 Grad Kelvin. Dies gewährleistet wiederum, dass Wasserdampf in jenem Abgasausfluss (der aus dem vorher zugesetzten Wasser, wie oben erwähnt, herrührt) kondensiert wird. Dieses kondensierte Wasser wird durch herkömmliche Mittel gesammelt und dem Wasserbehälter 17 über eine Leitung 32 zugeführt. So wird das meiste Wasser (etwa 95%), das über die Energieerzeugungs-Anlage 10 in die Gasströmung eingeleitet wird, nach Reinigung, Entlüftung und Behandlung zur Entfernung der Schadstoffe, wie beispielsweise Kohlensäure, wiedergewinnen und recycelt.
Der gekühlte Ausfluss der Nutzleistungs-Turbine wird dann durch eine herkömmliche Kohlendioxid-Sequestrations-Membran 33 geleitet, die dazu dient, im Wesentlichen das gesamte Kohlendioxid aus den Abgasen zu entfernen.
Der Abgasausfluss befindet sich auf einem unteratmosphärischen Druck, nachdem er den Überhitzen 28, den Verdampfer 29, den Ekonomiser 30 und den Kühler 31 durchlaufen hat. Um den Druck dieses Ausflusses zu erhöhen, wird dieser Ausfluss einem zusätzlichen Kompressor 16 zugeführt. Der zusätzliche Kompressor 16 hebt den Druck des Ausflusses an, worauf dieser Ausfluss durch eine entsprechende Reinigungs-Vorrichtung 34 in die Atmosphäre ausgeblasen wird.
Dadurch, dass der Abgasdruck der Nutzleistungs-Turbine auf unteratmosphärischen Druck vermindert wird, ist es möglich, den Vorteil der Differenzen in der Massenströmung und der spezifischen Wärme der Turbinen 14 und 15 und des zusätzlichen Kompressors 16 auszunutzen, um den Gesamtwirkungsgrad der Energieerzeugungs-Anlage 10 zu erhöhen.
Das erfindungsgemäße zweite Ausführungsbeispiel 35 gemäß 2 ist in gewisser Hinsicht dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ähnlich und umfasst zahlreiche gemeinsame Komponenten. Aus diesem Grund sind gemeinsame Komponenten mit gleichen Bezugszeichen ausgestattet.
Im Unterschied zu dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird der Abgasausfluss von dem zweiten Kompressor 12 nicht direkt in die Verbrennungs-Einrichtung 13 geleitet. Statt dessen wird er der Verbrennungs-Einrichtung 13 über einen Rekuperator 36 zugeführt, der unmittelbar stromab der Nutzleistungs-Turbine 15 angeordnet ist. Die vom zweiten Kompressor 12 ausgeblasene Luft trägt natürlich dispergiertes Wasser, das durch den Zwischenkühler 23 eingeführt wurde. Infolgedessen verwandelt die Wärme des Abgasflusses der Nutzleistungs-Turbine 15, der durch den Rekuperator 36 strömt, das Wasser in Dampf. Zusätzlich wird Dampf aus dem dispergierten Wasser aus der Leitung 18 erzeugt und in den Rekuperator 36 über eine Einspritz-Einrichtung 37 gerichtet. Demgemäß empfängt der Rekuperator 36 dispergiertes Wasser, das vom Wasserbehälter 17 über zwei Wege zugeführt wurde: einmal durch den ersten und zweiten Kompressor 11 und 12 und zweitens von der Einspritz-Einrichtung 37. Ein kleiner, nicht dargestellter Boiler kann vorgesehen werden, um zu gewährleisten, dass das dispergierte Wasser im Wesentlichen vollständig in Dampf umgewandelt wird.
Demgemäß empfängt die Verbrennungs-Einrichtung 13 Luft, die vom ersten und zweiten Kompressor 11 und 12 komprimiert wurde und in der Dampf dispergiert ist.
Der Abgasausfluss der Nutzleistungs-Turbine 15 wird, nachdem er den Rekuperator 36 durchlaufen hat und dadurch gekühlt wurde, durch einen herkömmlichen Kühler 38 geleitet, der dazu dient, die Temperatur der Abgase weiter auf etwa 300 Grad Kelvin zu verringern. Wie bei dem vorigen Ausführungsbeispiel genügt dies, um eine Kondensation im Wesentlichen des gesamten Dampfes in dem Abgas zu gewährleisten. Das kondensierte Wasser wird dann gesammelt und nach dem Wasserbehälter 17 zurückgeführt.
Demgemäß entspricht die Energieerzeugungs-Anlage 35 in ihrer Konzeption dem vorher beschriebenen Ausführungsbeispiel und unterscheidet sich von diesem nur in der Weise, wie der Dampf erzeugt und in die Verbrennungs-Einrichtung 13 eingeführt wird und durch die Tatsache, dass die Turbine 14 und die Nutzleistungs-Turbine 15 nicht durch Einspritzen von zusätzlichem Dampf gekühlt werden. Jedoch ist diese Anlage weniger kompliziert und daher billiger im Aufbau des Dampferzeugungs-Systems.

Claims

Energieerzeugungs-Anlage (10), bestehend aus den folgenden Aggregaten: einer Luftkompressions-Einrichtung (11, 12); Mittel (20), um fein dispergiertes Wasser in den Lufteinlass (22) der Luftkompressions-Einrichtung (11, 12) einzuspritzen; einer Verbrennungs-Einrichtung (13), um von der Luftkompressions-Einrichtung (11, 12) gelieferte komprimierte Luft mit einem geeigneten Brennstoff zu vermischen und um die Verbrennung dieser Mischung aufrecht zu erhalten; einer Turbinen-Anlage (14), die die Abgasprodukte der Verbrennung empfängt und hiervon angetrieben wird und ihrerseits die Luftkompressions-Einrichtung (11, 12) antreibt; einer Nutzleistungs-Turbine (15), die den Abgasausfluss der Turbinen-Anlage (14) empfängt und von dieser angetrieben wird; einem Wärmeaustauscher (28, 29, 30, 31), der den Abgasausfluss der Nutzleistungs-Turbine (15) empfängt und jenen Abgasausfluss in Wärmeaustausch-Beziehung mit Wasser überführt, um dadurch den Abgasausfluss zu kühlen und aus dem Wasser Dampf zu erzeugen; Mittel (33), um im Wesentlichen alles Kohlendioxid aus den Abgasen zu entfernen, die aus der Wärmeaustauscher-Anlage (28, 29, 30, 31) austreten; einer zusätzlichen Kompressions-Einrichtung (16), die von der Nutzleistungs-Turbine (15) angetrieben wird und den Abgasausfluss aus der Kohlendioxid-Abscheidungseinrichtung (33) empfängt und verdichtet, wobei der aus dem Dampf in Wärmeaustausch-Beziehung mit dem Turbinen-Abgasausfluss erzeugte Dampf in die Verbrennungs-Einrichtung (13) eingeleitet wird, um den Verbrennungsprozess zu verbessern, der dadurch aufrecht erhalten wird.
Energieerzeugungs-Anlage nach Anspruch 1, bei welcher die Kompressions-Einrichtung (11, 12) einen ersten und zweiten Kompressor aufweist, die in Strömungsrichtung hintereinander geschaltet sind.
Energieerzeugungs-Anlage nach Anspruch 2, bei welcher das fein dispergierte Wasser in die Einlässe von erstem und zweitem Kompressor (11, 12) eingespritzt wird.
Energieerzeugungs-Anlage nach Anspruch 2 oder 3, bei welcher ein Zwischenkühler (23) zwischen den ersten und zweiten Kompressor (11, 12) in Strömungsverbindung hiermit eingeschaltet ist, wobei der Zwischenkühler (23) die Wassereinspritzung in den Einlass des zweiten Kompressors (12) bewirkt.
Energieerzeugungs-Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher ein Teil des erzeugten Dampfes in den Einlass der Turbinen-Anlage (14) eingeleitet wird.
Energieerzeugungs-Anlage nach Anspruch 5, bei welcher ein Teil des Dampfes zusätzlich in den Einlass der Nutzleistungs-Turbine (15) eingespritzt wird.
Energieerzeugungs-Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Abgasausfluss aus der Nutzleistungs-Turbine (15) danach durch einen Überhitzen (28), einen Verdampfer (29), einen Ekonomiser (30) und einen Kühler (31) geleitet wird, um die Temperatur des Abgasausflusses abzusenken.
Energieerzeugungs-Anlage nach Anspruch 7, bei welcher Wasser nacheinander durch den Kühler (31), den Ekonomiser (30), den Verdampfer (29) und den Überhitzen (28) geführt wird, um das Wasser in Wärmeaustausch-Beziehung mit dem Abgasausfluss zu bringen und um dadurch den Dampf zu erzeugen.
Energieerzeugungs-Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welcher ein Rekuperator (36) unmittelbar stromab der Nutzleistungs-Turbine (15) angeordnet ist.
Energieerzeugungs-Anlage nach Anspruch 9, bei welcher Wasser durch den Rekuperator (36) geleitet wird, um das Wasser in Wärmeaustausch-Beziehung mit dem Abgasausfluss der Nutzleistungs-Turbine (15) zu bringen und dadurch den Dampf zu erzeugen.
Energieerzeugungs-Anlage nach den Ansprüchen 9 oder 10, bei welcher ein Kühler (38) stromab des Rekuperators (36) angeordnet ist.
Energieerzeugungs-Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Kohlendioxid-Abscheide-Vorrichtung (33) aus einer Sequestrations-Membran besteht.