NL8702834A

NL8702834A - Installatie voor het opwekken van mechanische energie alsmede werkwijze voor het bedrijven van een dergelijke installatie.

Info

Publication number: NL8702834A
Application number: NL8702834A
Authority: NL
Original assignee: Turbo Consult Bv
Priority date: 1987-11-26
Filing date: 1987-11-26
Publication date: 1989-06-16
Also published as: DE3881651D1; ES2042721T3; JPH01253531A; EP0318122A3; ATE90419T1; DK660188D0; DK172176B1; CN1027518C; US4922709A; CN1042968A; JP2898290B2; EP0318122B1; DK660188A; DE3881651T2; EP0318122A2; CA1332516C

Description

* «f 875124/M/HH ;

Korte aanduiding:

Installatie voor het opwekken van mechanische energie alsmede werkwijze voor het bedrijven van een dergelijke installatie.

De uitvinding heeft betrekking op een installatie voor het d.m.v. een gasvormig medium opwekken van mechanische energie, omvattende een samenstel opgebouwd uit een gasturbine en een compressor-unit die door tenminste één afzonderlijke 5 compressor-turbine wordt aangedreven, waarbij deze turbine(s) via een verbindingsleiding met de compressor-unit in serie is (zijn) geschakeld. Een dergelijke installatie is in verschillende uitvoeringen bekend. Men is er tot dusver niet in geslaagd een installatie te ontwerpen met een 10 aanvaardbaar rendementsniveau (+ 35%) dat kan wedijveren met de gebruikelijke krachtwerktuigen zoals motoren met inwendige verbranding, stoomturbines e.d. Ook is in die stand van techniek tot dusverre onvoldoende aandacht besteed aan de schadelijkheid van de uitstoot van de gasturbine.

15 Men heeft bijvoorbeeld voorgesteld aan de compressorturbines nog verbrandingskamers toe te voegen voor het verhogen van de temperatuur van het gasvormige medium. Dit laatste verhoogt de emissie van schadelijke verbrandingsprodukten.

De uitvinding beoogt in deze lacune te voorzien 20 en een installatie te verschaffen welke met een rendement van omstreeks 40% werkzaam kan zijn in het gebied tussen 50-2000 kW en daarbij het optreden van schadelijke uitstoot te beperken. Een denkbare toepassing van de beoogde installatie is bijvoorbeeld de aandrijving van treinen of 25 schepen met een installatie die een vermogen kan leveren in de orde van 700 kW. De installatie volgens de uitvinding onderscheidt zich doordat uitsluitend de gasturbine (de powerturbine) is voorzien van een verbrandingskamer, waarbij de afvoer van de geëxpandeerde lucht uit de (laatste) 30 compressor-turbine is verbonden met deze verbrandingskamer en doordat de verbindingsleiding van de compressor-unit naar de comprèssor-turbine is opgenomen in de warmtewisselaar van de uitlaat van de gasturbine.

Een belangrijk element van de hierboven weergegeven .8702834 ♦ r· -2- uitvinding bestaat hierin dat de aandrijfturbines van de compressor niet worden gevoed door de uitlaatgassen van de gasturbine maar dat daarvoor de gecomprimeerde lucht zelf wordt benut alvorens deze naar de power-turbine 5 wordt gevoerd. Daardoor blijkt de uitvinding een bedrijf mogelijk te maken waarmede de theoretische CARNOT-kringloop beter wordt benaderd dan tot dusverre haalbaar was. Dit legt de basis voor een principiële verhoging van het thermische rendement van de gehele installatie. Voorts kunnen door 10 de uitvinding belangrijke elementen uit de installatie kant en klaar als bestaande en reeds lang uitgekiende aggregaten worden aangeschaft, hetgeen buitengewoon belangrijk is voor de kostprijs van de gehele installatie.

Er zijn nog twee verdere voordelen van de uitvinding. 15 Naast de benaderde CARNOT-cyclus en de opbouw uit elementen die concurrerend op de markt kunnen worden aangeschaft, maakt de voorgestelde nieuwe installatie een zeer "schoon" bedrijf mogelijk, zowel inwendig als uitwendig. De compressoren en de daarbij behorende turbines worden door geheel onbezoedel-20 de lucht doorstroomd (dus weinig of geen inwendige vervuiling) terwijl het gasvormige medium dat aan de verbrandingskamer(s) van de powerturbine wordt toegevoerd een zeer lage druk (in de orde van 200 kPa) behoeft te hebben, met daarmee verbonden een relatief lage inlaattemperatuur bij de power-25 turbine (in de orde van 900°C). Onder dergelijke omstandigheden is de ΝΟχ uitstoot zeer laag en wordt derhalve het milieu weinig belast.

Wanneer de compressor-unit uit de installatie volgens de uitvinding uit tenminste twee delen bestaat, 30 kan een verdere verbetering van het rendement worden verkregen wanneer tenminste een extra warmtewisselaar aanwezig is in de verbindingsleiding tussen de delen van de compressor-unit. Opgemerkt wordt dat waar van warmtewisselaars sprake is, deze van het recuperatieve of van 35 het regeneratieve type kunnen zijn.

Een verder kenmerk van de uitvinding bestaat hierin dat de powerturbine van de installatie is uitgevoerd als een single-flow centripetaal turbine. Een dergelijke . 8702834 * * -3- turbine maakt een temperatuur-reductie van + 100°C mogelijk tussen de intrede in het turbinehuis en de top van de rotorschoepen.

Een belangrijke uitvoeringsvorm van de installatie 5 onderscheidt zich doordat naast de warmtewisselaar als tussenkoeler in de compressor-unit tenminste nog een externe warmtewisselaar aanwezig is in de uitlaat van de gasturbine voorbij de reeds aanwezige warmtewisselaar, alsmede in de uitgaande leiding van de laatste compressor-turbine 10 stroomopwaarts van de verbrandingskamer van de powerturbine.

Een dergelijke uitvoering maakt de installatie uitermate geschikte voor Warmte-Krachttoepassing, hetgeen een verdere verbetering van het totaal-rendement van de installatie met zich brengt.

15 Het streven naar een laag NO gehalte in de

X

uitlaatgassen van de powerturbine kan nog verder bevorderd worden wanneer een injecteur in de verbrandingskamer aanwezig is die via een leiding met een pomp is aangesloten op een voorraadvat van water, welk vat is verbonden met het 20 in de warmtewiselaar gekoelde deel van de verbindings- leiding. In beginsel is het injecteren van water of stoom in de vlam van een verbrandingskamer van een gasturbine bekend. Volgens de uitvinding is het water afkomstig uit het condensaat van de gecomprimeerde verbrandingslucht.

25 Dit condensaat wordt via een smoorklep en een filter verzameld in een voorraadvat. Van daar uit kan de pomp een passende hoeveelheid condensaat, al of niet tot stoom omgezet in bijvoorbeeld de warmtewisselaar van de uitlaat, toevoeren naar de injecteur.

30 De uitvinding is eveneens belichaamd in een werkwijze voor het bedrijven van de zojuist beschreven installatie. Deze werkwijze onderscheidt zich doordat in de toepassing bij Warmte-Krachtbedrijf in een plantenkas, schone brandstof (bijvoorbeeld Gronings aardgas) naar 35 de verbrandingskamer wordt toegevoerd en doordat tevens de benodigde externe warmtewisselaars worden ingeschakeld voor het bereiken van de voorafbepaalde verhouding (W/K) tussen afgegeven thermisch en mechanisch vermogen, waarbij .8702834 t -4- de afgekoelde verbrandingsgassen uit de powerturbine worden gevoerd in de plantenkas. Door deze maatregelen wordt de CO2 gebruikt ten behoeve van het koolzuur-assimilatie proces van de planten. Verder wordt het mogelijk de warmte-5 opbrengst onafhankelijk te bepalen van het gevraagde mechanische vermogen en omgekeerd. De installatie leent zich derhalve bijzonder goed voor toepassing bij wisselende omstandigheden voor wat betreft de vraag naar mechanisch vermogen en/of warmte.

1q De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van de tekening die enkele uitvoeringsvormen van de installatie en de daarbij behorende diagrammen toont.

Fig. 1 geeft een schematisch beeld van de installatie terwijl in fig. 2 het bijbehorende T-S diagram 15 is afgebeeld.

Fig. 3 toont een eerste variant met een uit verscheidene delen bestaande compressor-unit en een warmtewisselaar tussen de twee toegepaste compressoren, waarbij fig. 4 het bijbehorende T-S diagram toont.

20 Fig. 5 toont schematisch een warmtekracht-toepassing van de installatie.

Fig. 6 is een langsdoorsnede van een zeer summier weergegeven centripetale power-turbine.

De installatie afgebeeld in fig. 1 omvat een 25 samenstel opgebouwd uit een compressor-unit C welke in dit geval bestaat uit een enkele compressor. Het samenstel omvat verder een gasturbine 1 die de netto ter beschikking komende mechanische energie verschaft, welke turbine als power-turbine wordt aangeduid. Deze power-turbine heeft 30 een uitlaat 2 waarin een warmtewisselaar 3 is opgenomen.

De compressor-unit C wordt aangedreven door een afzonderlijke compressor turbine T. De power-turbine 1 is voorzien van een in fig. 1 afzonderlijk afgebeelde verbrandingskamer 4. De compressor C is voorzien van een aanzuigleiding 35 5 en een persleiding 6 die via de warmtewisselaar 3 en een leiding 9voert naar de compressor turbine T waarvan de uitgang via een leiding 10 is verbonden met de verbrandingskamer 4.

.8702834 ♦ * -5-

Het zal duidelijk zijn dat de compressor-unit C via de verbindingsleidingen 6, 8 en 9 in serie is geschakeld met de compressor turbine T. Door tussenschakeling van de warmtewisselaar 3 wordt de temperatuur en de druk 5 van de uit de compressor unit C afkomstige gecomprimeerde lucht verder verhoogd. Hierdoor kan de turbine T voldoende vermogen leveren voor de compressor C. De aldus afgewerkte en nog steeds gecomprimeerde lucht stroomt via de leiding 10 naar de verbrandingskamer 4 waarbij brandstof via een 10 leiding 11 in deze kamer 4 wordt geïnjecteerd en tot ontbranding gebracht. Het aldus verkregen lage druk gasmengsel stroomt via de leiding 12 naar de power-turbine 1 voor het afgeven van mechanische energie via de as 13. De uitstoot van de power-turbine I wordt na het passeren van de warmte-15 wisselaar 3 afgevoerd via een leiding 14.

Het zich binnen de installatie volgens fig.

1 afspelende proces is schematisch weergegeven in het T-S diagram volgens fig. 2. Daaruit blijkt duidelijk dat het bijzondere voordeel van de maatregel die wezenlijk 20 is voor de installatie volgens fig. 1 η.1. dat de compressor-turbine T niet wordt aangedreven zoals vaak werd voorgesteld door de uitlaatgassen van de power-turbine, doch dat deze aandrijving geschiedt door de gecomprimeerde lucht van de compressor unit C, nadat deze lucht verder 25 is verhit door warmtewisseling met de uitlaatgasen van de power turbine. Hierdoor benadert het diagram volgens fig. 2 aanzienlijk beter de configuratie van de (ideale) CARNGT-kringloop. De expansie-trajecten van de kringloop liggen nabij het gebied met de hoogste temperatuur, hetgeen 30 een gunstige invloed heeft op het rendement van de installatie.

De uitvoering volgens fig. 3 toont de compressor-unit uitgevoerd met een lage druk compressor C2 en een hoge druk compressor C^, ieder afzonderlijk aangedreven 35 door een turbine T2 resp. T^. Er is voorts een warmtewisselaar 7 of koeler in de verbindingsleiding 6 tussen de compressor-delen en C^. Fig. 4 toont het bijbehorende T-S diagram.

Ter gedachtebepaling volgen hieronder een aantal .8702834 f -6- gegevens voor een denkbeeldige installatie volgens fig.

3 voor een netto-vermogen van 700 kW.

intrede temp. C2..........15°C

uittrede temp. C2..........114°C

5 uittrede druk C2 .......... 250 kPa

intrede temp. ..........30°C

uittrede temp. ..........139°C

uittrede druk ..........610 kPa

temp. traject lucht in w.w. 3 . . . . 561°C

10 id. uitlaatgas in id....... 544°C

drukverhouding over drukverhouding = . .1,6

temp. in leiding 9.......... 605°C

drukverhouding over T2 drukverhouding = . . 1,82

temp. in leiding 10.........510°C

15 temp. in leiding 12 ........ . 890°C

druk in id. .......... 200 kPa

vermogen in as 13 .......+ 700 kW

temp. in leiding 2 ......... 730°C

In fig. 3 is gestippeld een extra voorziening 20 weergegeven bestaande uit een injecteur 21 in de verbran-dingskamer 4. Via een aanvoerleiding 22 met een pomp 23 is deze injecteur verbonden met een voorraadvat 24 van gefilterd condensaat. Dit condensaat is afkomstig uit het deel van de verbindingsleiding 6 gelegen binnen of 25 voorbij de warmtewisselaar 7. Een afvoerleiding 25 voert het condensaat via een smoorklep 26 naar het voorraadvat 24.De hiermede mogelijk gemaakte water- of stoominjectie in de verbrandingskamer 4 brengt een verdere verlaging van de Ν0χ uitstoot met zich mede. De aanvoerleiding 22 30 kan via de warmtewisselaar 3 lopen, teneinde het condensaat tot stoom te verhitten. In de toepassing bij een tuinbouwbedrijf kan het verkregen condensaat ook nuttig gebruikt worden als sproeiwater.

Fig. 5 is een schematische afbeelding van een 35 installatie die in het bijzonder toepasbaar is voor Warmte-Krachtbedrijf. Daarmede wordt beoogd het rendement van de installatie nog verder te verhogen door toepassing van enkele externe warmtewisslaars, naast de bestaande ,8702834 -7- f warmtewisselaar 7 die als tussenkoeler van de compressor-unit C fungeert.Een eerste toegevoegde externe warmtewisselaar 17 is aanwezig in de uitlaat 14 van de gasturbine 1 voorbij de warmtewisselaar 3 en een tweede externe warmte-5 wisselaar 18 bevindt zich in de uitgaande leiding 10 van de laatste compressor-turbine , stroomopwaarts van de verbrandingskamer 4 van de power-turbine.

In de leiding 10 is nog een afsluiter aanwezig en wel een driewegkraan 19. Met deze kraan kan de hoeveel-10 heid rechtstreeks naar de powerturbine gevoerde gecomprimeerde lucht worden geregeld, waarbij de overige lucht door de warmtewisselaar 18 stroomt. In de ene eindstand stroomt alle gecomprimeerde lucht rechtstreeks via de leiding 10 naar de verbrandingskamer 4, terwijl in de 15 andere eindstand alle lucht via de warmtewisselaar 18 wordt gevoerd en daarna in de verbrandingskamer 4 terecht komt. Door een juiste regeling van de kraan 19, de brandstof toevoer in de leiding 11 en het activeren van de externe warmtewisselaars 17, 18, kan een voorafbepaalde verhouding 20 W/K worden bereikt tussen het in de warmtewisselaars 7, 17 en 18 afgegeven thermische vermogen en het via de as 13 afgeleverde mechanische vermogen.

Fig. 6 toont een single-flow centripetaal turbine die kan worden toegepast als power-turbine 1 in de installatie 25 volgens de fig. 1, 3 en 5. Het voordeel van een dergelijk type turbine bestaat onder meer hierin dat de gassen met een hoge temperatuur kunnen worden aangevoerd, aangezien deze gassen voor het bereiken van de loopschoepen 20, een temperatuurval van ongeveer 100°C in de ring van vaste 30 leidschoepen 2ül ondergaan.

Deze turbine maakt het bovendien mogelijk een installatie af te leveren voor een mechanisch vermogen dat tot 40% afwijkt van het vermogen waarvoor de installatie werd ontworpen onder het handhaven van het thermische 35 rendement. Daartoe kan in de fabriek de hoek van de leidschoepen 21 worden gewijzigd. Bij het hiervoor gegeven voorbeeld van een installatie van 700 kW betekent dit dat met de zelfde elementen een installatie kan worden samengesteld .8702834 -8- f vanaf + 400 kW tot aan 1000 kW met vrijwel een zelfde thermisch rendement.

Een belangrijke toepassing van de installatie ligt in de tuinbouw, waar men de combinatie nodig heeft 5 van: - mechanische energie voor het opwekken van electriciteit of voor het aandrijven van pompen e.d.

- calorieën voor het verwarmen van het inwendige 10 van broeikassen; - extra CC^ toevoer i.v.m. plantengroei.

Dit alles kan met de hiervoor beschreven installatie worden verkregen.

.8702834

Claims

1. Installatie voor het opwekken van mechanische energie omvattende een samenstel opgebouwd uit een gasturbine en een compressor-unit (C) die door tenminste één afzonderlijke compressor-turbine (T) wordt aangedreven, waarbij deze 5 turbine(s) via een verbindingsleiding met de compressor-unit in serie is (zijn) geschakeld, met het kenmerk, dat uitsluitend de afvoer (10) van de (laatste) compressor-turbine is verbonden met de verbrandingskamer (4) van de gasturbine (de powerturbine) (1) en dat de verbindingsleiding van 10 de compressor-unit naar de compressor-turbine is opgenomen in een warmtewisselaar (3) van de uitlaat (2) van de gasturbine .

2. Installatie volgens conclusie 1, waarbij de compressor-unit uit tenminste twee delen bestaat, met 15 het kenmerk, dat tenminste een extra warmtewisselaar (7) aanwezig is in de verbindingsleiding (6) tussen de delen van de compressor-unit (C).

3. Installatie volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de powerturbine (1) is uitgevoerd als 20 een single-flow centripetaal turbine.

4. Installatie volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat naast de warmtewisselaar (7) als tussenkoeler in de compressor-unit (C) tenminste nog een externe warmtewisselaar (17, 18) aanwezig is in de uitlaat 25 (14) van de gasturbine (1) voorbij de reeds aanwezige warmtewisselaar (3), alsmede in de uitgaande leiding (10) van de laatste compressorturbine stroomopwaarts van de verbrandingskamer (4) van de powerturbine (I).

5. Installatie volgens een der conclusies 2-4, 30 met het kenmerk, dat een injecteur ( ) in de verbrandingskamer ( ) aanwezig is die via een leiding ( ) met een pomp ( ) is aangesloten op een voorraadvat ( ) van water, welk vat is verbonden met het in de warmtewisselaar (7) gekoelde deel van de verbrandingsleiding (6).

6. Werkwijze voor het bedrijven van de installatie volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat in de toepassing bij Warmte-Krachtbedrijf in een planten- .«702834 40 -10- * kas, schone brandstof naar de verbrandingskamer wordt toegevoerd en dat tevens de benodigde externe warmtewisselaars worden ingeschakeld voor het bereiken van de voorafbepaalde verhouding (W/K) tussen afgegeven thermisch en 5 mechanisch vermogen, waarbij de afgekoelde verbrandingsgassen uit de powerturbine (1) worden gevoerd in de plantenkas.

7. Werkwijze volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de compressor-unit uit de installatie zodanig wordt 10 bedreven dat de druk in de verbrandingskamer van de powerturbine ligt in de orde van 200 kPa bij een temperatuur in deze verbrandingskamer in de orde van 900°C. 15 20 8702834