WO2014166472A1

WO2014166472A1 - Dampf-/arbeitsprozess mit gas- und dampfturbinen bei externer verbrennung für die elektroenergieerzeugung im kreisprozess

Info

Publication number: WO2014166472A1
Application number: PCT/DE2014/000172
Authority: WO
Inventors: Wolfgang Harazim
Original assignee: RERUM COGNITIO Gesellschaft für Marktintegration deutscher Innovationen und Forschungsprodukte mbH
Priority date: 2013-04-08
Filing date: 2014-04-05
Publication date: 2014-10-16
Also published as: DE112014001867A5; DE102013005863A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein auf den Wasser-Dampf-Kombiprozess (WDK-Prozess) bezogenes thermisches Verfahren, welches bei ähnlicher Effizienz mit seriennahen Verdichtern und Turbinen auskommt, wobei begleitende Risiken durch Neukonstruktionen vermieden werden. Eine derartige Lösung wird in erster Linie im Bereich der Energiewirtschaft benötigt. Der weltweit steigende Energiebedarf erhöht die anthropogenen Belastungen für Klima und Umwelt. Sparsamer Umgang mit Energie und effiziente thermische Wandlerprozesse werden immer wichtiger, um dem Klimawandel entgegen zu wirken. Die bisherigen WDK-Prozessvarianten erfordern entweder einen aufwendigen Regenerator, der den niederdruckseitigen Volumenstrom aus der Turbine kommend nutzt, um die Hochdruckseite vorzuwärmen, oder einen speziellen Verdichter bedarf, der ein großes Druckverhältnis bei innerer Kühlung liefern muss, was eine Neukonstruktion mit den damit verbundenen Risiken verlangt. Belässt man die bisherigen Druck- und Verdichtungsverhältnisse luftatmender Aggregate, so können seriennahe Konstruktionen nach entsprechender Arbeitsfluid-Anpassung zum Einsatz kommen. Nur der Kühlanteil, der als Bypassstrom zur Senkung der Verdichter-Antriebleistung dient und die Turbinen-Abwärme nutzt, wird mittels Kondensationsturbine bis ins Vakuum entspannt, wodurch eine effiziente praxisnahe WDK-Prozessvariante entsteht, die sich für jede Art externer Energiezufuhr eignet.

Description

Damp -/Arbeitsprozess mit Gas- und Dampfturbinen bei externer Verbrennung für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein auf den Wasser-Dampf-Kombiprozess (WDK- Prozess) bezogenes thermisches Verfahren, welches bei ähnlicher Effizienz mit seriennahen Verdichtern und Turbinen auskommt, wobei begleitende Risiken durch Neukonstruktionen vermieden werden. Eine derartige Lösung wird in erster Linie im Bereich der Energiewirtschaft benötigt.

Der weltweit steigende Energiebedarf erhöht die anthropogenen Belastungen für Klima und Umwelt. Sparsamer Umgang mit Energie und effiziente thermische Wandlerprozesse werden immer wichtiger, um dem Klimawandel entgegen zu wirken. Einen Beitrag hierzu leistet der WDK-Prozess, ein geschlossener mit Wasserdampf betriebener Gasturbinenprozess, der die Vorzüge des Dampfkraftprozesses im Prozessverlauf mit integriert DE 100 55 202 AI. Die derzeit nach dem Stand der Technik bekannten WDK-Prozess Varianten unterscheiden sich im Wesentlichen durch die Art der Energiezuführung, ob sie extern mittels Erhitzer DE 10 2004 025 846 AI oder intern in der Brennkammer DE 103 31 988 AI erfolgt und durch die Art der Abwärmeregeneration. Auch der in DE 26 15 122 AI beschriebene "Thermostat gesteuerte Heißmantel- Turbinenmotor mit Kreislauf basiert auf einem Gasturbinenprozess, in dem die Energiezufuhr über einen Heißmantel erfolgt und somit großflächig Material- und Temperaturgrenzen unterliegen, wobei Ausführungen zur Kühlung fehlen. Ein weiterer Vorschlag stammt aus US 5 537 823 A, der einen rechtsläufig geschlossenen Gasturbinenprozess (Arbeitsprozess) mit einem linksläufig geschlossenen Gasturbinenprozess (Kühlprozess) kombiniert. Da dieser zwar gut kühlen kann, aber hierfür Antriebsleistung benötigt, sinkt die Gesamteffizienz und erhöht den Bauaufwand.

|Bestätigungskopie| Der in den Offenlegungsschriften DE 198 56 448 A 1, DE 100 55 202 A 1, DE 10 2004 025 846 A 1 vorgeschlagene Wasser-Dampf-Kombi-Prozess verbindet den Arbeits- und Kühlprozess in einem geschlossenen Gasturbinenprozess durch die Nutzung des Arbeitsfluids Wasser bzw. Wasserdampf. Die bisherigen Prozessvarianten erfordern entweder einen Regenerator, der den niederdruck- seitigen Volumenstrom aus der Turbine kommend nutzt, um den hochdruckseitigen Volumenstrom vorzuwärmen, hierfür einen sehr großen, kostenintensiven und druckverlustverursachenden Wärmeübertrager benötigt oder wie in AZ 10 2011 119 133.3 beschrieben einen speziellen Verdichter bedarf, der ein großes Druckverhältnis bei innerer Kühlung liefern muss. Derartige Verdichter sind noch nicht handelsüblich und verlangen konstruktive Maßnahmen, die sich in der Praxis erst bewähren müssen. Aus Sicht des Versagensrisikos und der Kosten wäre es besser, wenn Verdichter und Turbinen aus dem Herstellersortiment eingesetzt werden könnten. In der Patentschrift EP 1 442 203 B 1 wird Kondensat in einem Luftstrom einer offenen Gasturbine zur Kühlung eingesetzt, was zu dauerhaften Wasserverlusten fuhrt oder aufwendige Rückgewinnungsmaßnahmen verlangt.

Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, den WDK-Prozessverlauf so zu verändern, das handelsübliche Turbomaschinen eingesetzt werden können, wodurch die benannten Nachteile nicht mehr bestehen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß im Wesentlichen durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 bis 6 gelöst. Ausgehend von den Druckverhältnissen serienproduzierter Gasturbinen und den zu verdichtenden Volumenströmen, saugt der Verdichter nun nicht mehr das Arbeitsfluid Wasserdampf aus dem Vakuum an, sondern etwa bei Umgebungsdruck, analog eines luftatmenden Aggregats. Danach kühlt ein Mischwärmeübertrager durch Kondensateindüsung das Arbeitsfluid von der Verdichteraustritts- bis zur Kondensations-Temperatur ab. Die verdampfende Kondensatmenge muss nicht verdichtet werden, was Verdichter-Antriebsleistung spart. Im Erhitzer wird nachfolgend der Dampf von der Kondensations- bis zur Maximal-Temperatur über einen großen Temperaturbereich erwärmt, was die Abkühlung des Rauchgases und die Wärmeübertragungsverhältnisse begünstigt. In der Heißgasturbine folgt die Entspannung bis zum Verdichter-Eintrittsdruck. Für die Schaufelkühlung steht Sattdampf zur Verfügung, wodurch sich die Kühleffektivität verbessert. Außer der üblichen Stufenmodulanpassung und einer spezifischen Materialauswahl im Bezug auf Wasserdampf können so die bewährten Serienkonstruktionen verwendet werden. Nach der Heißgasturbine erfolgt die Auftrennung des Massenstroms in Richtung Verdichter und Kühlung. Die verbleibende Restwärme aus den Abgasstrom der Heißgasturbine im Verdichterpfad wird komplett zur Reduktion des Verdichter-Massendurchsatzes durch Sprüh-Kondensatvorwärmung und einem Bypass genutzt, der sich von den Temperaturen oberhalb der Kondensationstemperatur des Verdichter- Enddruckes generiert. Der so entstandene Kühlmassenstrom, bestehend aus Bypass und Sprühmenge, entspannt sich im Kühlungspfad in einer seriennahen Kondensationsturbine. Im Vergleich zum Gesamtmassenstrom wirkt sich die Teilmenge positiv auf das Entspannungsvolumen und somit auf die Turbinengröße aus. Optional kann bei Bedarf ein weiterer Mischwärmeübertrager durch Kondensateindüsung die Turbinen-Eintrittstemperatur für die Niederdruck-Entspannung anpassen. Nach der Verflüssigung im Kondensator sorgt eine Pumpe für den erforderlichen Bypassdruck. Im Erhitzer werden die Rauchgase nach der Dampferhitzung noch zur Vorwärmung des Bypass- Massenstroms und der Verbrennungsluft genutzt. Die arbeitsfluidbedingten Maßnahmen wie Füllen, Entlüften, Entwässern und chemische Aufbereitung entsprechen dem Stand der Technik des WDK-Prozess Prinzips. Somit ist die Aufgabenstellung erfüllt, seriennahe Konstruktionen aus dem Turbomaschinenbau einsetzen zu können. Mit dem hohen Abkühlpotenzial des Rauchgases, der Senkung der Verdichter-Antriebsleistung durch Abwärme generierte Bypasströme, mittels gestufter Entspannung divergierender Massenströmen und der Nutzung von Wasser und Dampf als Arbeitsfluid, entsteht eine effiziente, praxisnahe WDK- Variante, die sich für jede Art externer Energiezufuhr eignet. Die Figuren 1 und 2 stellen Ausführungsbeispiele für diverse Nutzungen dar.

Fig. 1 Schematisches Blockschaltbild des Dampf-/ Arbeitsprozess mit Gas-und Dampfturbinen bei externer Verbrennung ohne Wärmeauskopplung

Fig. 2 Schematisches Blockschaltbild des Dampf-/ Arbeitsprozess mit Gas-und Dampfturbinen bei externer Verbrennung mit Wärmeauskopplung

Dampf-/Arbeitsprozess mit Gas- und Dampfturbinen bei Verbrennung für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess

Bezugszeichenliste

1 Verdichter

2 Erhitzer

3 Heißgasturbine

4 Kondensationsturbine

5 Kondensator

6 Kühlsystem

7 Pumpe

8 Generator

9 Welle

10 Mischwärmeübertrager- Verdichter

11 Kondensatvorwärmer

12 Bypassverdampfer

13 Mischwärmeübertrager-Turbine

14 Verbrennungsluftzufuhr

15 Brennstoffzufuhr

16 Dampfleitungen Dampf-/Arbeitsprozess mit Gas- und Dampfturbinen bei Verbrennung für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess

Bezugszeichenliste

17 Kondensatleitungen

18 Abzweig

19 Wärmeauskopplung

20 Zirkulationssystem

21 Wärmeverbraucher

Claims

Dampf-/Arbeitsprozess mit Gas- und Dampfturbinen bei externer Verbrennung für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess Patentansprüche

1. Dampf-/Arbeitsprozess mit Gas- und Dampfturbinen bei externer Verbrennung für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess, bestehend aus den Grundkomponenten Verdichter (1), Erhitzer (2) mit Luft- und Kondensat- vorwärmung, Heißgasturbine (3), Kondensationsturbine (4), Kondensator (5) mit anschließender Kondensataufbereitung, Kühlsystem (6), Pumpe (7), Generator (8), Welle (9), Mischwärmeübertrager- Verdichter (10), Kondensatvorwärmer (11), Bypassverdampfer (12), Mischwärmeübertrager-Turbine (13), die mittels Dampfleitungen (16) und Kondensatleitungen (17) verbunden sind, indem das Arbeitsfluid Wasser dampfförmig bzw. flüssig strömt, dadurch gekennzeichnet, dass das geschlossene Verfahren Verdichter (1) und Heißgasturbine (3) aus seriennahen Konstruktionen luftatmender Gasturbinensätze nutzt, indem die üblichen Druckverhältnisse Π l : 15-25bar mit deren Volumendurchsätzen die Prozessparameter bestimmen, was zu hohen Temperaturen des Abdampfes aus der Heißgasturbine (3) führt, welcher sich mittels Abzweig (18) in Verdichterund Bypasspfad aufteilt, dabei einerseits sich weiter in der Kondensationsturbine

(4) bis ins vom Kühlsystem (6) bestimmten Vakuum entspannt, im Kondensator

(5) folgt die Verflüssigung, die Pumpe (7) übernimmt die Druckanpassung, Erhitzer (2) und Kondensatvorwärmer (11) wärmen vor und der Bypassverdampfer (12) verdampft, indem sich andererseits der Verdichtermassenstrom im Bypassverdampfer (12) und dem Kondensatvorwärmer (1 1) auf die Ansaug- Temperatur des Verdichters (1) abkühlt.

2. Dampf-/Arbeitsprozess mit Gas- und Dampfturbinen bei externer Verbrennung für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess nach dem Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass optional der Mischwärmeübertrager- Turbine (13) die Eintritts-Temperatur der Kondensationsturbine (4) durch verdampfen eines Teilmassenstroms des Bypasspfades an seriennahe Turbinen anpasst und dabei den Massendurchsatz erhöht.

3. Dampf-/Arbeitsprozess mit Gas- und Dampfturbinen bei externer Verbrennung für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess nach dem Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlung von der Verdichtungs-Endtemperatur bis zur Kondensationstemperatur des Verdichter- Austrittsdruckes durch verdampfen eines Teilmassenstroms des vorgewärmten Bypasspfades im Mischwärmeübertrager-Verdichter (10) erfolgt, wobei diese Teilmenge keine Verdichter(l)- Antriebsleistung erfordert.

4. DampfVArbeitsprozess mit Gas- und Dampfturbinen bei externer Verbrennung für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess nach dem Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren optional sowohl mit Wärmeauskopplung (19), Zirkulationssystem (20) und Wärmeverbraucher (21) als auch ohne Wärmeauskopplung betreibbar ist, indem die nutzbare Differenz zwischen Abdampftemperatur der Heißgasturbine (3) und der Kondensationstemperatur des Verdichter- Austrittsdruckes im Bypassverdampfer (12) einen Teilmassenstrom des vorgewärmten Bypasspfades verdampft, wobei auch diese Teilmenge den Verdichter (1) umgeht.

5. Dampf-/Arbeitsprozess mit Gas- und Dampfturbinen bei externer Verbrennung für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess nach dem Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass je nach Wärmebedarf gleichzeitig Wärme ausgekoppelt und der Rest als Bypass verdampft werden kann.

6. Dampf-/Arbeitsprozess mit Gas- und Dampfturbinen bei externer Verbrennung für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess nach dem Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass optional Verdichter (1) mit interner Kühlung bspw. mittels Leitschaufel-Oberflächenverdampfung einsetzbar sind, wobei der Mischwärmeübertrager- Verdichter (10) entfällt und der Teilmassenstrom des vorgewärmten Bypasspfades direkt am Verdichter (1) zur Kühlung angeschlossen wird.