DE69201312T2

DE69201312T2 - Erdgasturbine mit Wasserdampfeinspritzung im halboffenen Kreislauf.

Info

Publication number: DE69201312T2
Application number: DE69201312T
Authority: DE
Inventors: Remi Guillet
Original assignee: Gaz de France SA
Current assignee: Engie SA
Priority date: 1991-03-18
Filing date: 1992-03-17
Publication date: 1995-06-08
Anticipated expiration: 2012-03-18
Also published as: DK0505263T3; GR3015922T3; FI920984A; FI920984A0; FR2674290A1; CA2062373A1; US5271215A; JPH0586898A; ATE118067T1; EP0505263A1; DE69201312D1; ES2070596T3; FR2674290B1; EP0505263B1; KR920018314A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Turbinensystem für Erdgas, das wenigstens eine Brennkammer enthält, die mit einem Brenner ausgestattet ist, der einerseits mit einem gasförmigen, brennbaren Fluid und andererseits mit sauerstoffhaltiger Luft versorgt wird, sowie eine mit Laufschaufeln ausgestattete Abspannturbine, auf die die Feuerungsgase wirken, einen durch die Abspannturbine angetriebenen Luftverdichter zum Komprimieren des sauerstoffhaltigen und dem Brenner zugeführten Luftstroms und Mittel zum Koppeln der Abspannturbine mit wenigstens einem externen Abnehmer niechanischer Energie (vergleiche WO 88/03605).
Bereits seit einigen Jahren benützt man stationäre Gasturbinen als Alternative zu Dampfturbinen für die Erzeugung elektrischer Energie, insbesondere im Fall der Verbund-Energieerzeugung, also der simultanen Produktion von mechanischer Arbeit und von Wärmeenergie.
Tatsächlich wird, obgleich der mechanische Gesamtwirkungsgrad der neuesten Gasturbinen denjenigen der Dampfturbinen erreicht, der Wirkungsgrad von Gasturbinen dadurch herabgesetzt, daß für die Abspannturbine die für die Kompression der Luft erforderliche Arbeit erzeugt werden muß. Diese Arbeit fällt umsomehr ins Gewicht, als sich gezeigt hat, daß zum Vermeiden einer Schädigung der Turbine durch zu heiße Gase das Komprimieren der sauerstoffhaltigen Luft mit einem Überschuß an Luft erforderlich ist, der oft über dem doppelten Volumen der sauerstoffhaltigen Luft liegt. Gegenwärtig liegt die maximal mögliche Temperaturgrenze für die Abspannturbinen über 1000 ºC, jedoch kann man kaum über Temperaturen im Bereich von 1250 ºC gehen.
Weiterhin ist festzustellen, daß der mechanische Gesamtwirkungsgrad der Gasturbine natürlich sehr stark vom polytropischen Wirkungsgrad des Turbokompressors abhängt.
Außerdem übersteigt bei gleicher Leistung die Größe der Abspannturbine von "Gasturbinen" vor allem aufgrund der erforderlichen Antriebsarbeit für den Verdichter diejenige einer Dampfturbine in erheblichem Maße und nimmt mit abnehmendem mechanischen Wirkungsgrad schnell zu.
Schließlich ist natürlich ein durch die Welle der Gasturbine angetriebener Verdichter erforderlich, und die Größe dieses Verdichters selbst nimmt sehr schnell zu, wenn der mechanische Wirkungsgrad des Verdichters abnimmt.
Im Hinblick auf den Umweltschutz werden alle Maßnahmen berucksichtigt, die sich bei thermischen Verbrennungsmaschinen zum Herabsetzen der Stickstoffoxidemissionen treffen lassen.
Eine inzwischen allgemein bekannte Technik besteht im Einwirken auf die Quelle durch ein "Anfeuchten" der Flamme mit dampfförmigem oder flüssigem Wasser möglichst nahe am Reaktionsbereich.
Gleichwohl muß, da es sich um die Durchführung eines Anfeuchtungsvorgangs handelt, dieses Einspritzen von Wasser vollständig beherrscht werden, außerdem ist es mengenmäßig begrenzt, um eine Verschlechterung des Verbrennungsvorgangs und insbesondere das Auftreten von Kohlenmonoxid zu vermeiden.
Übrigens weist das "Anfeuchten" der Flamme einen Wirkungsgrad auf, der selbst begrenzt ist, da man hier einzig und allein die Verweilzeit der Elemente beeinflußt, die bei hohen Temperaturen strömen und sich unter Bildung von Stickoxiden (NOx) binden können, ohne die maximale Temperatur im Kern des Reaktionsbereichs oder die adiabatische Verbrennungstemperatur zu beeinflussen.
Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Abhilfe bei den vorgenannten Nachteilen sowie die Möglichkeit angestrebt, ein Turbinensystem für Erdgas zu verwirklichen, bei dem es gleichzeitig möglich ist, die Größe der eingesetzten rotierenden Maschinenteile zu verringern und die energetische, mechanische und im Fall der Verbund-Energieerzeugung die thermische Leistungsfähigkeit zu verbessern.
Diese Ziele werden erfindungsgemäß mit einem Turbinensystem für Erdgas und Wasserdampf erreicht, das mit halb geschlossenem Kreislauf betrieben wird, und wenigstens eine Brennkammer enthält, die mit einem Brenner ausgestattet ist, der einerseits mit einem gasförmigen, brennbaren Fluid und andererseits mit sauerstoffhaltiger Luft versorgt wird, sowie eine mit Laufschaufeln ausgestatte Abspannturbine, auf die die Feuerungsgase wirken, einen durch die Abspannturbine angetriebenen Luftverdichter zum Komprimieren des sauerstoffhaltigen und dem Brenner zugeführten Luftstroms und einer Einrichtung zum Verbinden der Abspannturbine mit wenigstens einem externen Abnehmer mechanischer Energie, dadurch gekennzeichnet, daß es einen zwischen den aus einem in der Strecke der Austrittsgase der Abspannturbine angeordneten Kondensationswärmetauscher austretenden Verbrennungsprodukten und der eintretenden Außenluft wirkenden Masseund Wärmeübertrager enthält, damit ein Voranfeuchten der Luft vor ihrem Eintritt in den Verdichter ermöglicht wird.
Das System kann weiterhin eine der folgenden Einrichtungen enthalten:
a) eine im Bereich der verdichteten sauerstoffhaltigen Luft zwischen dem Ausgang des Luftverdichters und dem Eingang des Brenners angeordnete Einspritzvorrichtung für Wasserdampf, wobei der eingespritzte Wasserdampf von einem Dampf-Verwerter/Erzeuger/Überhitzer erzeugt wird, der unmittelbar am Ausgang der Abspannturbine von deren Abgasen gespeist angeordnet ist,
b) eine in der Brennkammer hinter dem Verbrennungsbereich und vor den ersten Laufschaufeln der Abspannturbine angeordnete Einspritzvorrichtung für Wasserdampf, wobei der eingespritzte Wasserdampf von einem Dampf-Verwerter/Erzeuger/Überhitzer erzeugt wird, der unmittelbar am Ausgang der Abspannturbine von deren Abgasen gespeist angeordnet ist,
c) eine im Bereich der verdichteten, sauerstoffhaltigen Luft zwischen dem Ausgang des Luftverdichters und dem Eingang des Brenners angeordnete Einspritzvorrichtung für flüssiges Wasser, wobei das flüssige Wasser zum Teil durch Rückführung von Kondenswasser erhalten wird, das in einem Kondensationswärmetauscher erzeugt wird, der in der Strecke der Abgase der Abspannturbine angeordnet ist und die gesamte freie und gebundene Wärme der Abgase aufnimmt,
d) eine in der Brennkammer nach dem Verbrennungsbereich und vor den ersten Laufschaufeln der Abspannturbine angeordnete Einspritzvorrichtung für flüssiges Wasser, wobei das flüssige Wasser zum Teil durch Rückführung von Kondenswasser erhalten wird, das in einem Kondensationswärmetauscher erzeugt wird, der in der Strecke der Abgase der Abspannturbine angeordnet ist und die gesamte freie und gebundene Wärme der Abgase aufnimmt.
Die Gesamtheit des eingespritzten Wassers bildet in der Brennkammer eine thermische Last, und die Menge der benützten komprimierten Luft nähert sich der für eine stöchiometrische Verbrennung erforderliche Menge an.
Mit Ausnahme des durch den Massen- und Wärmetauscher oder die Dampfpumpe rückgeführten Wassers wird das gesamte eingespritzte Wasser, das die thermische Last anstelle des Verbrennungsluftüberschusses darstellt, der gewöhnlich zum Stützen der verdichteten und erwärmten Gase eingespeist wird, wobei die Gase aus einer Verbrennung mit diesseits der am Eingang der Abspannturbine maximal zulässigen Temperatur hervorgehen, demnach in Flüssigphase verdichtet und benötigt nur einen vernachlässigbaren Umfang mechanischer Energie.
Das System enthält einen Dampf-Verwerter/Erzeuger/Überhitzer, der so angeordnet ist, daß er die am Ausgang der Abspannturbine austretenden Austrittsgase nützt, damit er gleichzeitig die in dem Bereich der verdichteten, sauerstoffhaltigen Luft zwischen dem Ausgang des Luftverdichters und dem Eingang des Brenners liegende Einspritzvorrichtung für Wasserdampf und die in der Brennkammer nach dem Verbrennungsbereich vor den ersten Laufschaufeln der Abspannturbine angeordnete Einspritzvorrichtung für Wasserdampf mit Wasserdampf versorgt.
Vorteilhafterweise enthält das System einen Kondensationswärmetauscher 6, der in der Strecke der Austrittsgase der Abspannturbine angeordnet ist und die gesamte freie und gebundene Wärme der Austrittsgase aufnimmt, um ein Kondenswasserauffanggefäß mit Kondenswasser zu versorgen, das mit einer Vorrichtung zum Aufrechterhalten und Kontrollieren der Wasserqualität ausgestattet ist und ein Wiederverwertesammelbecken mit flüssigem Wasser versorgt.
Zu diesem Wiederverwertesammelbecken führt eine Versorgungsleitung des Dampf-Verwerter/Erzeuger/Überhitzers mit rückgeführtem und unter Druck stehendem Wasser. Ausgehend von demselben Sammelbecken wird flüssiges Wasser rückgeführt, und zwar gleichzeitig zu der in dem Bereich verdichteter sauerstoffhaltiger Luft zwischen dem Ausgang des Luftverdichters und dem Eingang des Brenners liegenden Einspritzvorrichtung für flüssiges Wasser und zu der in der Brennkammer zwischen dem Verbrennungsbereich und vor den ersten Laufschaufeln der Abspannturbine angeordneten Einspritzvorrichtung für flüssiges Wasser.
Der Dampf-Verwerter/Erzeuger/Überhitzer und der Kondensationswärmetauscher sind in dieser Reihenfolge aufeinanderfolgend bei den Abgasen am Ausgang der Abspannturbine angeordnet.
Damit der Bedarf an unter Druck stehendem, flüssigem Wasser gedeckt werden kann, enthält das System weiterhin wenigstens eine Pumpe, die in einer vom Wiederverwertesammelbecken ausgehenden Rückführleitung für flüssiges Wasser eingebaut ist.
Ein besonderer Aspekt der Erfindung ist darin zu sehen, daß der Dampf-Verwerter/Erzeuger/Überhitzer, der mit den Abgasen der Abspannturbine betrieben wird und zwischen dem Ausgang der Abspannturbine und dem Kondensationswärmetauscher angeordnet ist, sowohl zum Erzeugen von Dampf für externen Gebrauch als auch zum Erzeugen von Dampf, der der Versorgung der Einspritzvorrichtung für Wasserdampf im Systeminneren dient, herangezogen werden kann.
Gegebenenfalls kann das System einen Brenner enthalten, der mit brennbarem Gas und sauerstoffhaltiger Luft versorgt wird und bei dem Dampf-Verwerter/Erzeuger/Überhitzer angeordnet ist.
Es ist weiterhin möglich, Versorgungsmittel für die Einspritzvorrichtungen für flüssiges Wasser vorzusehen, die von einer externen Wasserquelle gespeist werden.
Die Erfindung ist ebenso bei Systemen anwendbar, die Luftverdichter in mehreren Stufen einsetzen. In diesem Fall können mehrere Einspritzvorrichtungen für flüssiges Wasser oder Wasserdampf auf die einzelnen Luftverdichterstufen verteilt werden.
Die Erfindung läßt sich auch bei bestehenden Systemen einsetzen, beispielsweise bei einer Kombination von zwei Gasturbinen, bei der ein einziger Verdichter eingesetzt ist.
Die Erfindung betrifft somit auch ein System, das eine erste und zweite Brennkammer enthält, die jeweils mit einem Brenner versehen sind und durch gasförmige brennbare Fluide und mit sauerstoffhaltiger Luft versorgt werden, sowie eine erste und eine zweite Abspannturbine, auf die die jeweils von der ersten und der zweiten Brennkammer abgegebenen Feuerungsgase wirken, einen einzigen Dampf-Verwerter/Erzeuger/Überhitzer, einen einzigen Kondensationswärmetauscher und einen einzigen Masse- und Wärmeübertrager, die in dieser Abfolge aufeinanderfolgend und die Austrittsgase am Ausgang der ersten und zweiten Abspannturbine erfassend angeordnet sind, einen Luftverdichter, der durch die besagte erste und zweite Abspannturbine angetrieben wird, und einen Verteiler zum Verteilen sauerstoffhaltiger Luft auf die der ersten und zweiten Brennkammer zugeordneten Brenner, der einer Einspritzvorrichtung für Wasserdampf nachgeschaltet ist, die in dem Bereich der komprimierten sauerstoffhaltigen Luft angeordnet ist, der hinter dem Ausgang des Luftverdichters liegt sowie hinter der ebenfalls in dem Bereich der komprimierten sauerstoffhaltigen Luft hinter dem Ausgang des Luftverdichters liegenden Einspritzvorrichtung für flüssiges Wasser, wobei der Masse- und Wärmeübertrager zwischen den vom einzigen Kondensationswärmetauscher, der in der Strecke der Austrittsgase der ersten und zweiten Abspannturbine angeordnet ist, ausgehenden Verbrennungsprodukten und der eintretenden Außenluft wirkt, damit eine Voranfeuchtung der Luft vor ihrem Eintritt in den Verdichter ermöglicht wird.
Im allgemeinen ermöglicht das erfindungsgemäße System dank der nach der Kontrolle der Wasserqualität erfolgenden Rückeinspritzung von Wasser auf unterschiedlichen Niveaus in Form von Dampf und in flüssiger Form ein Betreiben von Gasturbinen mit halb geschlossenem Kreislauf, wobei das Wasser durch Kondensation beim Hindurchtreten von Gas durch einen Kondensationswärmetauscher rückgewonnen wurde und das anstelle des üblichen Luftüberschusses rückeingespritzte Wasser eine thermische Last derart bildet, daß es unter diesen Umständen im Grenzfall möglich ist, nur die für eine stöchiometrische Verbrennung genau erforderliche Menge an sauerstoffhaltiger Luft zu verwenden.
Das relative Mischverhältnis der Wassermengen der beiden Zustände ermöglicht das optimale Einstellen der Druck- und Temperaturbedingungen am Ausgang des Verdichters und am Eingang der Abspannturbine.
Hinsichtlich der Vorteile der Erfindung ist an erster Stelle die Möglichkeit zu erwähnen, die Größe des benützten Verdichters im Vergleich zum Verdichter einer herkömmlichen Gasturbine in erheblichem Maße zu reduzieren, da es nicht mehr erforderlich ist, einen für die Brennkammer erforderlichen Luftüberschuß einzuführen.
Übrigens ist bei den gegebenen Abmessungen und thermodynamischen Bedingungen die mechanische Nutzleistung der Turbine erheblich höher, und es läßt sich ein Zuwachs bei der Leistung in der Größenordnung von 60 % verglichen mit einer Gasturbine mit herkömmlichem geschlossenen Kreislauffeststellen.
Durch den Einsatz eines Massen- und Wärmetauschers sowie durch die erwähnte Wasserdampfpumpe nimmt der thermische Wirkungsgrad weiter zu, so daß er immer über dem Wirkungsgrad einer herkömmlichen Gasturbine liegt, wobei der thermische Gesamtwirkungsgrad einen spezifischen Brennwert von 90 % überschreiten kann, wenn eine Verbund-Erzeugung mittels einer nützlichen und maximal möglichen Rückgewinnung der freien und gebundenen Wärme des Wasserdampfes erfolgt.
Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung empfohlenen Maßnahmen wirken sich auch sehr günstig im Hinblick auf den Umweltschutz aus, da anders als bei den üblichen Gasturbinen die sauerstoffhaltige Luft der Verbrennung abgekühlt wird, die bei angefeuchteter Luft, also angereichert mit ein Herabsetzen der adiabatischen Verbrennungstemperatur bewirkenden inerten Gasen, erfolgt.
Die soeben erwähnten beiden Faktoren ermöglichen das Herabsetzen der gebildeten Stickoxide (NOx) in einem Verhältnis der Größenordnung von 3 zu 1.
Das erfindungsgemäße System mit halb geschlossenem Kreislauf läßt sich zum Teil auf bestehende Turboverdichter anwenden, beispielsweise bei einer existierenden Maschine, wenn man eine leichte Überlastung der Abspannturbine zuläßt, oder bei zwei Maschinen für die ein einziger Verdichter benützt wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von zwei Ausführungsbeispielen, die beispielhaft und nicht einschränkend unter Bezug auf die Zeichnung erfolgt; es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Systemeinheit zur Verbund-Erzeugung mit einer Erdgasturbine gemäß der Erfindung, bei dem ein einziger Turbokompressor eingesetzt ist; und
Fig. 2 eine schematische Ansicht einer Systemeinheit zur Verbund-Erzeugung mit einer Erdgasturbine gemäß der Erfindung, bei der zwei Turbokompressoren, aber nur ein Luftverdichter eingesetzt ist.
Die Fig. 1 zeigt eine gesamte erfindungsgemäße Anlage, bei der es mit Erdgas als Brennstoff zum einen möglich ist, mit der in der Abspannturbine (2) verrichteten mechanischen Arbeit einen mechanischen Energieverbraucher 4 wie einen Wechselstromgenerator anzutreiben, und zum anderen Wärmeenergie aus den am Ausgang der Abspannturbine 2 austretenden heißen Gasen zu gewinnen.
Die in Fig. 1 gezeigte Anlage enthält in herkömmlicher Weise eine Brennkammer 1 mit einem Brenner 19, der durch einen Einspritzer 17 mit Brenngas und über einen Zuführkanal 31 für verdichtete Luft mit sauerstoffhaltiger Luft versorgt wird. Die in der Brennkammer 1 erzeugten Verbrennungsprodukte wirken auf die Laufschaufeln der Abspannturbine 2, die gleichzeitig den Abnehmer 4 und die Luftverdichter 3 antreibt, der zum Verdichten der durch eine Hauptleitung 30 zugeführten Außenluft dient, damit verdichtete Luft in dem Kanal 31 zur Verfügung steht.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Anlagen kann der Verdichter geringere Abmessungen aufweisen, da es in der erfindungsgemäßen Anlage ausreicht, dem Brenner 19 über den Kanal 31 eine Menge von sauerstoffhaltiger Luft zuzuführen, die sich der für eine stöchiometrische Verbrennung erforderlichen Menge annähert. Die an der Abspannturbine 2 zur Verfügung stehende mechanische Nutzleistung läßt sich demnach in erheblichem Umfang erhöhen.
Um am Ausgang der Brennkammer 1 bei denjenigen Gasen, die die Abspannturbine 2 angreifen, eine Temperatur zu gewährleisten, die für die Laufschaufeln dieser Turbine nicht zu hoch ist, z.B. eine 1250 ºC bei einem Angriffsdruck in der Größenordnung von 15 bar nicht übersteigende Temperatur, wird erfindungsgemäß in der Brennkammer 1 eine thermische Last durch das Einspritzen von Wasser als Dampf oder in flüssiger Form erzeugt.
Hierfür wird eine Einspritzvorrichtung für Wasserdampf zwischen dem Ausgang des Verdichters 3 und dem Brenner 19 angeordnet, wie in Fig. 1 gezeigt ist.
Eine Einspritzvorrichtung 14 für Wasserdampf wird außerdem in der Brennkammer 1 nach dem Verbrennungsbereich und vor den ersten Laufschaufeln der Abspannturbine 2 angeordnet.
Eine erste Einspritzvorrichtung 15 für flüssiges Wasser befindet sich im Kanal 31, der den Ausgang des Verdichters 3 mit dem Brenner 19 verbindet, beispielsweise oberhalb der Einspritzvorrichtung 13 für Wasserdampf.
Eine zweite Einspritzvorrichtung 16 für flüssiges Wasser ist vorteilhaft so in der Brennkammer 1 angeordnet, daß das Wasser direkt in die Brennkammer 1 eingespritzt werden kann, jedoch hinter dem Verbrennungsbereich und vor den ersten Laufschaufeln der Abspannturbine 2.
Dosierhähne 21, 22 ermöglichen das Angleichen der durch die Einspritzvorrichtungen 15, 16 eingespritzten Wassermenge, damit sich die Betriebsbedingungen optimieren lassen.
Durch das Einwirken auf das Verhältnis zwischen dem flüssigen und dampfförmigen Wasser, das in den unter Druck stehenden Bereich einerseits zwischen dem Ausgang des Verdichters 3 und dem Eingang des Brenners 19 und andererseits direkt in die Brennkammer 1 eingespritzt wird, ist es möglich, in der Brennkammer 1 eine ausreichende thermische Last unter Vermeidung jedes Luftüberschusses zu erzeugen, wodurch sich insgesamt optimale Druck- und Temperaturbedingungen am Ausgang des Verdichtes 3 und am Eingang der Abspannturbine 2 ergeben.
Wenn der Luftverdichter mehrere Stufen aufweist, besteht die Möglichkeit, mehrere verteilte Einspritzvorrichtungen 15, 13 für Wasser in flüssiger Form oder als Dampf zwischen den einzelnen Luftverdichterstufen aufzuteilen, damit sich eine isotherme Kompression einstellt.
Eine oder mehrere Pumpen 9 sind in der Versorgungsleitung für flüssiges Wasser der Einspritzvorrichtungen 15, 16 für flüssiges Wasser oder des Dampf-Verwerter/Erzeuger/Überhitzers 5 eingebaut, damit flüssiges Wasser mit dem für seine Zerstäubung erforderlichen Druck oder seinem Dampfdruck zugeführt werden kann.
In der Fig. 1 ist ein Dampf-Verwerter/Erzeuger/Überhitzer 5 zu erkennen, der an der Stelle der Ablaufleitung 40 für die Abgase am Ausgang der Abspannturbine angeordnet ist. Der in der Verwertevorrichtung 5 erzeugte Wasserdampf wird einerseits über einen Dampfauslaßschieber 25 für eine externe Verwertung und andererseits zu den Einspritzvorrichtungen 13, 14 für Dampf abgeleitet. Der Schieber 25 ermöglicht unter anderem das Regeln des Wasserdampfdurchsatzes für die Einspritzvorrichtungen 13, 14 für Dampf, so wie die Dosierhähne 21, 22 das Anpassen des Durchsatzes an flüssigem Wasser für die Einspritzvorrichtungen 15, 16 ermöglichen.
Optional läßt sich ein Gashilfsbrenner 20 bei dem Dampf-Verwerter/Erzeuger/Überhitzer 5 anfügen, um das Erzeugen des für die Versorgung der Einspritzvorrichtungen 13, 14 erforderlichen Dampfes zu optimieren. Der Hilfsbrenner 20 ist mit einer Einspritzvorrichtung 18 für brennbares Gas verbunden, sowie mit einer von der Dampfpumpe 7 ausgehenden Versorgungsleitung 32 für angefeuchtete, sauerstoffhaltige Luft, die von der Versorgungshauptleitung 30 zum Versorgen des Verdichters 3 mit Außenluft abgezweigt werden kann.
Eine Kondensationsverwertevorrichtung 6 ist auf den Dampf Verwerter/Erzeuger/Überhitzer 5 folgend in der Abgasleitung 40 der Abspannturbine 2 angeordnet. Die Kondensationsverwertevorrichtung 6 enthält einen Eingang 23 und einen Ausgang 24 für ein externes wärmeübertragendes Fluid, sowie einen Ausgang 43 für Kondenswasser, das an ein Kondenswasserauffanggefäß 8 weitergeleitet wird.
Ein Kanal 26 mündet ebenfalls in das Kondenswasserauffanggefäß 8. Dieser Kanal 26 stellt eine Rückführung des gewonnenen Kondenswassers zur Systemaußenseite in dem Fall dar, in dem der am Schieber 25 zur Verfügung stehende Dampf extern benützt wird.
Mit dem Kondenswasserauffanggefäß 8 steht eine Vorrichtung zum Kontrollieren der Wasserqualität und zum Regeln insbesondere des pH-Wertes in Verbindung. Das Kondenswasser des Auffanggefäßes 8, das die pH-Regelvorrichtung 27 passiert hat, wird in einem Sammelbecken 28 aufgefangen, das einen Behälter für Wasser bildet, das in das System über die Pumpe 9 wieder eingespritzt werden kann, damit sowohl die Einspritzvorrichtungen 15, 16 über die Dosierhähne 21, 22 als auch der Dampf-Verwerter/Erzeuger/Überhitzer 5 mit flüssigem Wasser versorgt werden.
Falls erforderlich, insbesondere während der Anlaufphase, kann dem Sammelbecken 28 Wasser aus einer außerhalb des Systems befindlichen Quelle zugeführt werden. Im Normalbetrieb ist das System vollkommen autark und erzeugt sogar einen Wasserüberschuß.
Gemäß einem wichtigen Aspekt der vorliegenden Erfindung wirkt ein in das System mit einbezogener Massen- und Wärmetauscher 7 zwischen Austrittsgasen, die von den Verwertern 5 und 6 in den Kanal 40 abgegeben werden, zum Ableiten der verbrannten Gase an einen Ausgang 11, und der in den Hauptkanal 30 aus einem Außenlufteinlaß 10 eintretenden Frischluft.
Unterschiedliche Beispiele für Massen- und Wärmetauscher sowie die genannten Wasserdampfpumpen, die ein Rückführen eines mehr oder weniger großen Teils der freien und gebundenen Energie der am Kondensationsgenerator austretenden Verbrennungsprodukte zusammen mit der erforderlichen sauerstoffhaltigen Luft ermöglichen, sind beispielsweise aus dem Dokument FR-B-2 446 460 oder dem Dokument FR-B-2 508 616 bekannt und zusätzlich in der französischen Patentanmeldung 8913945 beschrieben.
Die Anwendung einer Wasserdampfpumpe 7 ermöglicht eine bestmögliche Enthalpierückführung durch die Voranfeuchtung der durch den Lufteinlaß 10 in die Hauptleitung 30 eingeführten Luft vor dem Eintritt der Luft in den Verdichter 3.
Dieses Voranfeuchten der Außenluft und allgemein die Anwendung der Wasserdampfpumpe 7 ermöglichen somit auch ein Verbessern des Kreislaufverhaltens in doppelter Hinsicht: der thermodynamischen und gesamten energetischen Leistungsfähigkeit einerseits und der Reduzierung der Stickstoffoxydprodukte andererseits. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, wird das überschüssige Kondenswasser der Wasserdampfpumpe 7 in das Kondenswasserauffanggefäß 8 über eine Leitung abgeleitet.
Nun sei unter Bezug auf Fig. 2 eine Anwendung der vorliegenden Erfindung in einer Anlage mit zwei Turbokompressoren beschrieben.
Wie man in Fig. 2 erkennen kann, ist es möglich in diesem Fall mit einem Luftverdichter 3 auszukommen, bei einem Einsatz von insgesamt zwei Abspannturbinen 2, die mit zwei Brennkammern 1 verbunden sind, damit die am Ausgang bei einem oder mehreren Abnehmern 4 verfügbare mechanische Leistung erhöht wird.
Die Darstellung in Fig. 2 ist derjenigen in Fig. 1 sehr ähnlich, und vergleichbare Elemente sind mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet, und werden nicht nochmals beschrieben.
Die Versorgungsleitung 31 für unter Druck stehende Luft am Ausgang des Verdichters 3, in die Wasser in flüssiger Form und als Dampf durch die Einspritzvorrichtungen 15, 13 eingespritzt wird, teilt sich in zwei Nebenleitungen 33, 34, die jeweils zum Versorgen der Brenner 19 der Brennkammern 1 mit sauerstoffhaltiger Luft dienen. Eine Verteilerkappe 29 sitzt an der Stelle des Übergangs der beiden Nebenleitungen 33, 34 in die Hauptleitung 31, um die Verteilung der angefeuchteten und unter Druck stehenden Luft auf die einzelnen Brenner 19 zu regeln.
Im übrigen ist jede einzelne Brennkammer 1 ausgestattet mit einer Einspritzvorrichtung 16 für flüssiges Wasser aus dem Sammelbecken 28 und einer Einspritzvorrichtung 14 für Wasserdampf, der über einen von dem Dampf-Verwerter/Erzeuger/Überhitzer 5 ausgehenden Kanal 12 zugeführt wird, wobei die Vorrichtung 5 das gesamte von den Abspannturbinen 2 über die Leitungen 41, 42 abgegebene Gas verarbeitet. Eine Kondensationswärmetauschervorrichtung 6 ist ebenso kaskadenartig nach dem Dampf-Verwerter/Erzeuger/Überhitzer 5 angeordnet, wie im in der Fig. 1 gezeigten Fall.
Die zurückgehaltenen Verbrennungsgase, die von der Kondensationswärmetauschervorrichtung 6 ausgehen, werden dann über eine Wasserdampfpumpe 7 zum Abgasauslaßausgang 11 geleitet, wie im Fall des in Fig. 1 gezeigten Diagramms.
Um die Vorteile der erfindungsgemäßen Systeme für Erdgas und Wasserdampf, die mit halb geschlossenem Kreislauf betrieben werden, im Vergleich zu herkömmlichen Gasturbinen besser hervorzuheben, ist in der nachfolgenden Tabelle ein Vergleich der Leistungsdaten unterschiedlicher Realisierungsarten des erfindungsgemäßen Turbinensystems für Erdgas und Wasserdampf bezeichnet mit TGV0, TGV40, TGV55 und TGV70, mit denjenigen einer herkömmlichen Gasturbine TG angegeben, wobei die Daten jeweils unter denselben Druck- und Temperaturbedingungen am Eingang der Abspannturbine 2 (1250 ºC, 15 bar) erfaßt worden sind. TABELLE Konfiguration Temperatur der gesättigten, ohne sauerstoffhaltigen Luft am Dampfpumpenausgang optimaler Luftfaktor NOx-Ergebnis ohne Dampfpumpe (Mindestreduktion)
Die in der Tabelle benützten Abkürzungen werden nachfolgend erklärt:
TG: Gasturbine nach dem Stand der Technik, die hier als Referenz dient;
TGV0: Turbine für Erdgas und Wasserdampf ohne Dampfpumpe;
TGV40: Turbine für Erdgas und Wasserdampf mit Dampfpumpe, die gesättigte sauerstoffhaltige Luft mit 40 ºC bzw.
TGV55) 55 ºC und
TGV70) 70 ºC am Ausgang der Dampfpumpe erzeugt;
EB: Energiegesamtbilanz (anhand des spezifischen Brennwerts und falls die im Kondensationswärmetauscher rückgewonne Wärme das Wasser auf 65 bis 85 ºC aufheizt)
MW 0,85: mechanischer Wirkungsgrad der Turbine, falls der polytropische Wirkungsgrad der Abspannturbine und des Kompressors jeweils 0,85 (Wirkungsgrad nach spez. Hw., spez. Hw. spezifischer Heizwert) beträgt;
NOx-Ergebnis: Mindestreduktion bei der Bildung von NOx im Vergleich zur Gasturbine TG; und
Ag 0,85 und Vg 0,85: jeweils Größe der Abspannturbine und des Verdichters, verglichen mit derjenigen der TG- Version.

Claims

1. Turbinensystem für Erdgas und Wasserdampf, das mit halb geschlossenem Kreislauf betrieben wird und wenigstens eine Brennkammer (1) enthält, die mit einem Brenner (19) ausgestattet ist, der einerseits mit einem gasförmigen, brennbaren Fluid und andererseits mit sauerstoffhaltiger Luft versorgt wird, sowie eine mit Laufschaufeln ausgestattete Abspannturbine (2), auf die die Feuerungsgase wirken, einen durch die Abspannturbine (2) angetriebenen Luftverdichter (3) zum Komprimieren des sauerstoffhaltigen und dem Brenner (19) zugeführten Luftstroms und einer Einrichtung zum Verbinden der Abspannturbine (2) mit wenigstens einem externen Abnehmer (4) mechanischer Energie, dadurch gekennzeichnet, daß es einen zwischen den aus einem in der Strecke der Austrittsgase der Abspannturbine (2) angeordneten Kondensationswärmetauscher (6) austretenden Verbrennungsprodukten und der eintretenden Außenluft wirkenden Masse- und Wärmeübertrager (7) enthält, damit ein Voranfeuchten der Luft vor ihrem Eintritt in den Verdichter (3) ermöglicht wird.

2. System gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Kondensationswärmetauscher (6) enthält, der in der Strecke der Austrittsgase der Abspannturbine (2) angeordnet ist und die gesamte freie und gebundene Wärme der Austrittsgase aufnimmt, um ein Kondenswasserauffanggefäß (8) mit Kondenswasser zu versorgen, das mit einer Vorrichtung (27) zum Aufrechterhalten und Kontrollieren der Wasserqualität ausgestattet ist und ein Wiederverwertesammelbecken (28) mit flüssigem Wasser versorgt.

3. System gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Vorrichtung (15) zum Einspritzen flüssigen Wassers enthält, das in dem Bereich der sauerstoffhaltigen und komprimierten Luft angeordnet ist, die zwischen dem Ausgang des Luftverdichters (3) und dem Einlaß des Brenners (19) liegt, wobei das flüssige Wasser teilweise aus dem Wiederverwertesammelbecken (28) gewonnen wird.

4. System gemäß dem Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Vorrichtung (16) für das Einspritzen flüssigen Wassers enthält, die in der Brennkammer (1) hinter der Verbrennungsbereich und vor den ersten Laufschaufeln der Abspannturbine (2) angeordnet ist, wobei das flüssige Wasser zum Teil aus dem Wiederverwertesammelbecken (28) aufgenommen wird.

5. System gemäß dem Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Dampf-Verwerter/Erzeuger/Überhitzer (5) enthält, der unmittelbar am Ausgang der Abspannturbine (2) so angeordnet ist, daß er alle Austrittsgase erfaßt, sowie einen Kanal zum Versorgen des Dampf-Verwerter/Erzeuger/Überhitzers (5) mit Wasser, das zum Teil aus dem in dem besagten Wiederverwertesammelbecken (28) enthaltenen Wasser rückgeführt wird.

6. System gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Vorrichtung (13) zum Einspritzen von Wasserdampf enthält, die in dem zwischen dem Ausgang des Luftverdichters (3) und dem Eingang des Brenners (19) liegenden Bereich der komprimierten sauerstoffhaltigen Luft angeordnet ist, wobei der eingespritzte Wasserdampf von dem unmittelbar am Ausgang der Abspannturbine (2) angeordneten und alle Austrittsgase erfassenden Dampf-Verwerter/Erzeuger/Überhitzer (5) erzeugt wird.

7. System gemäß dem Anspruch 5 oder dem Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Vorrichtung (14) zum Einspritzen von Wasserdampf enthält, die in der Brennkammer (1) nach dem Verbrennungsbereich und vor den ersten Laufschaufeln der Abspannturbine (2) angeordnet ist, wobei der eingespritzte Wasserdampf von dem unmittelbar am Ausgang der Abspannturbine (2) angeordneten und alle Austrittsgase erfassenden Dampf-Verwerter/Erzeuger/Überhitzer (5) erzeugt wird.

8. System gemäß Anspruch 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampf-Verwerter/Erzeuger/Überhitzer (5) und der Kondensationswärmetauscher (6) in dieser Folge hintereinander angeordnet sind, so daß sie die Austrittsgase am Ausgang der Abspannturbine (2) erfassen.

9. System gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie weiterhin wenigstens eine Pumpe (9) enthält, die in einer Rückführleitung für flüssiges Wasser montiert ist, das aus dem Wiederverwertesammelbecken (28) stammt.

10. System gemäß einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß es weiterhin einen Hilfsbrenner (20) enthält, der mit brennbarem Gas und sauerstoffhaltiger Luft versorgt wird und bei dem Dampf-Verwerter/Erzeuger/Überhitzer (5) angeordnet ist.

11. System gemäß einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß es weiterhin Mittel zum teilweisen Versorgen jeder Einspritzvorrichtung (15, 16) mit flüssigem Wasser aus einer externen Wasserquelle enthält.

12. System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Mehrstufenverdichter (3) enthält, sowie mehrere Einspritzvorrichtungen (15, 13) für flüssiges Wasser, die auf die einzelnen Stufen des Verdichters (3) aufgeteilt sind.

13. System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß es erste und zweite Brennkammern (1) enthält, die jeweils mit einem Brenner (19) versehen sind und durch gasförmige brennbare Fluide und mit sauerstoffhaltiger Luft versorgt werden, sowie eine erste und eine zweite Abspannturbine (2), auf die die jeweils von der ersten und der zweiten Brennkammer (1) abgegebenen Feuerungsgase wirken, einen einzigen Dampf-Verwerter/Erzeuger/Überhitzer (5), einen einzigen Kondensationswärmetauscher (6) und einen einzigen Masse- und Wärmeübertrager (7), die in dieser Abfolge aufeinanderfolgend und die Austrittsgase am Ausgang der ersten und zweiten Abspannturbine (2) erfassend angeordnet sind, einen Luftverdichter (3), der durch die besagte erste und zweite Abspannturbine (2) angetrieben wird, und einen Verteiler (29) zum Verteilen sauerstoffhaltiger Luft auf die der ersten und zweiten Brennkammer (1) zugeordneten Brenner (19), der einer Einspritzvorrichtung (13) für Wasserdampf nachgeschaltet ist, die in dem Bereich der komprimierten sauerstoffhaltigen Luft angeordnet ist, der hinter dem Ausgang des Luftverdichters (3) liegt sowie hinter der ebenfalls in dem Bereich der komprimierten sauerstoffhaltigen Luft hinter dem Ausgang des Luftverdichters (3) liegenden Einspritzvorrichtung (15) für flüssiges Wasser, wobei der Masse- und Wärmeübertrager (7) zwischen den vom einzigen Kondensationswärmeaustauscher (6), der in der Strecke der Austrittsgase der ersten und zweiten Abspannturbine (2) angeordnet ist, ausgehenden Verbrennungsprodukten und der eintretenden Außenluft wirkt, damit eine Voranfeuchtung der Luft vor ihrem Eintritt in den Verdichter (3) ermöglicht wird.