DE102005060831B4

DE102005060831B4 - Geschlossener Gasturbinenprozess

Info

Publication number: DE102005060831B4
Application number: DE200510060831
Authority: DE
Inventors: Bruno Herrmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-12-20
Filing date: 2005-12-20
Publication date: 2008-12-04
Anticipated expiration: 2025-12-21
Also published as: DE102005060831A1

Abstract

Geschlossener Gasturbinenprozess mit mehrstufiger Kompression, wobei der Niederdruck-Kompressor isentrop arbeitet, der Hochdruck-Kompressor isotherm arbeitet und das Arbeitsmedium, welches den Hochdruck-Kompressor verlässt, das Arbeitsmedium, welches dem Hochdruck-Kompressor zuströmt, in einem Wärmetauscher abkühlt, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckverhältnis und Temperaturverhältnis in der Turbine so gewählt wird, dass die Austrittstemperatur des Arbeitsmediums hinter der Turbine der Eintrittstemperatur des Niederdruck-Kompressors entspricht und dass das Arbeitsmedium von dem Austritt aus der Turbine direkt zum Eintritt in den Niederdruckkompressor fließt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gasturbinenprozess nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Ein derartiger Gasturbinenprozess ist in der DE 10 2005 060 628 A1 beschrieben.
Aus der CH-PS 549 155 ist es bekannt, von einem Niederdruckkompressor zu einem Hochdruckkompressor fließendes Gas in einem Zwischenkühler zu kühlen, das Gas vom Hochdruckkompressor einer Turbine zuzuführen und aus der Turbine zum Niederdruckkompressor zurückzuführen.
Es wird hier ein Prozess vorgestellt, der Unterschiede gegenüber dem bekannten Prozess der geschlossenen Gasturne aufweist. Der Vorkühler, der in Strömungsrichtung des Arbeitsmittels vor dem Eintritt in den Niederdruckkompressor (C1), siehe Bild 1, üblicherweise angeordnet ist, wird hier weggelassen. Damit befindet sich an dieser Stelle keine Verbindung zur Umgebungsluft als Wärmesenke. Die hier herrschenden Drücke und Temperaturen sind also frei wählbar. Mit sinkender Temperatur lässt sich der thermische Wirkungsgrad verbessern und mit dem Druck auch den Eintrittsdruck in die Turbine (T1) beeinflussen.
Damit entsteht die Aufgabe, das Gesamtdruck-Verhältnis des Prozesses und die Turbineneintrittstemperatur so zu wählen, dass die Entspannungstemperatur hinter der letzten Turbinenstufe, der Eintrittstemperatur in den Niederdruck-Kompressor entspricht. Da damit ein sehr hohes Druckverhältnis, etwa 200 bis 900, gewählt ist, ergibt sich eine sehr hohe Kompressions-Austrittstemperatur bei üblicher isentroper Verdichtung. Um dies zu vermeiden, wird eine zweistufige Kompression vorgesehen. Der Niederdruck-Kompressor wird als ungekühlter, isentrop arbeitender Kompressor ausgeführt, der Hochdruck-Kompressor aber als isotherm oder annähernd isotherm arbeitender Kompressor.
Mit Senkung der Temperatur des Arbeitsmediums vor dem Eintritt in den Niederdruckkompressor (C1) reduziert sich die Leistung des Niederdruck-Kompressors (C1), wodurch der thermische Wirkungsgrad des geschlossenen Prozesses verbessert wird. Bei dem Druck ergibt sich auch ein wie folgt erläuterter Vorteil. Wesentlich ist das Druckverhältnis der Turbine. Senkt man den Austrittsdruck der Turbine (T3), dann kann man den Eintrittsdruck (vor T1) auch entsprechend senken. Damit reduziert sich die mechanische Beanspruchung erheblich. Die gleichzeitige Temperatursenkung bewirkt ein höheres spezifisches Gewicht des in den Niederdruck-Kompressor (C1) eintretenden Massenstromes, sie kompensiert also den Effekt des niedrigen Druckes.
Der Hochdruckkompressor (C2) arbeitet annähernd isotherm dadurch, dass das Arbeitsmedium stufenweise komprimiert und nach jeder Stufe gekühlt wird.
Um eine niedrige Eintrittstemperatur in der Hochdruck-Kompressor (C2) zu erreichen, wird das Arbeitsmedium von dem kalten Arbeitsmedium, welches aus dem Hochdruck-Kompressor (C2) kommt, in dem Wärmetauscher (WT1) gekühlt. Dabei erwärmt sich das kalte Arbeitsmedium und nimmt die Wärme, die durch die Kompression in dem Niederdruck- Kompressor (C1) entstanden ist, auf. Da auf beiden Seiten des Wärmetauschers (WT1) hohe Drücke herrschen, sind die Wärmeübergänge entsprechend begünstigt, was zu kleinen Übertragungsflächen führt.
Mit diesem Verfahren wird die Kompressionsarbeit des Niederdruck-Kompressors (C1) nicht aus dem geschlossenem Prozess entnommen. Weiterhin ist durch das Kühlen des Hochdruckkompressors (C2) die Kompressionsarbeit dieses Kompressors (C2) erheblich reduziert. Verluste des Prozesses entstehen im wesentlichen durch das Kühlen des Hochdruck-Kompressors (C2). Die Kompressionsarbeit des Hochdruck-Kompressors (C2) wird dem Prozess entnommen.
Dem aus dem Wärmetauscher (WT1) austretenden Arbeitsmittel wird nun weitere Wärme zugefügt durch direkten Durchfluss von einer oder mehreren Wärmequellen (Q), siehe Bild 1, oder in einem oder mehreren Wärmetauschern (WT2), siehe Bild 2, bis die gewünschte Turbineneintrittstemperatur erreicht ist. Es wird dann der Turbine (T1) zugeführt. Die Turbinen (T1 und T2) treiben die Kompressoren (C1 und C2) an. Mit dem Restgefälle wird die nutzbare Leistung in der Turbine (T3) erzeugt.
Das Regelverhalten des Prozesses wird bei Antrieb eines elektrischen Generators dadurch vereinfacht, dass der maximale oder optimale Betriebswert immer beibehalten wird und dass ein nicht benötigter Nutzleistungsanteil dem Prozess wieder zugeführt wird. Das kann beispielsweise dadurch geschehen, dass ein Teil der erzeugten elektrischen Energie zur Aufheizung des Arbeitsmittels vor Eintritt in die Turbine (T1) dient, wie es in Bild 2 gestrichelt als Beispiel dargestellt ist. Die Zuführung von Wärme von außen wird dabei reduziert. Der Prozess wird damit immer bei gleichen Betriebsbedingungen und ohne wesentliche Schwankungen der thermischen Belastung betrieben. Diese elektrische Energie kann aber auch zum Antrieb von Motoren dienen, welche die Kompressoren (C1 und C2) zusätzlich antreiben.
Bild Nr. 1 zeigt die Schaltung und eine Anordnung der Komponenten eines direkten geschlossenen Gasturbinenprozesses. Die Wellen sind hier konzentrisch angeordnet. Die Kompressoren C1 und C2 können auch auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sein und die Turbinen T1 und T2 bilden dann eine Turbine. Auch die Turbine T3 kann mit dieser gemeinsamen Turbine (T1 und T2) vereinigt sein. Die Anordnung der Turbinen erlaubt einen kurzen Fluss des heißen Arbeitsmediums. Die Wärmequelle Q wird hier direkt von dem Arbeitsmedium durchflossen, wobei sich die Temperatur desselben erhöht: Direktkreislauf.
Bild Nr. 2 zeigt die Schaltung eines indirekten geschlossenen Gasturbinenprozesses. Um beim indirektem Kreislauf den Wärmeübergang in dem Wärmetauscher (WT2) zu erhöhen, wird der die Wärme transportierende Gas-Strom auf einen höheren Druck gebracht. Nach Abgabe der Wärme an den geschlossenen Kreislauf wird ein Teil der Restwärme bei der Entspannung in einer Turbine (T4) genutzt, um den Auflade-Kompressor (C3) anzutreiben. Damit wird eine bessere Nutzung der zugeführten Wärme bewirkt; denn durch die Erwärmung des Arbeitsmittels im Wärmetauscher WT1 ist der Temperaturbereich zur Übertragung der Wärme im Wärmetauscher WT2 klein. Die Wärme im Wärme transportierenden Gas-Stromes mit einer Temperatur unterhalb der, die das Arbeitsmedium beim Austritt aus dem Wärmetauscher WT1 hat, kann nicht für den geschlossenen Gasturbinenprozess genutzt werden, es sei denn durch die hier angewandte Turbogruppe, bestehend aus dem Kompressor C3 und der Turbine T4.
Bild Nr. 3 zeigt eine Anordnung mit mehreren Wellen, die getrennt angeordnet sind. Der Niederdruck-Kompressor C1 und die Niederdruck-Turbinen T2 und T3 sind auf einer separaten Welle angeordnet, so dass für das Arbeitsmedium, welches hier das größte spezifische Volumen im Prozess hat, ein kurzer Weg bleibt. Die einzelnen Wellen können einfach zusätzlich von Motoren angetrieben werden, so wie die Reglung auf optimale Betriebsbedingungen es verlangt. Die Einspeisung von dem geschlossenen Gasturbinenprozess erzeugter Energie kann über diese Motore erfolgen, aber auch direkt in die Wärmequelle Q oder in den Fluss des Arbeitsmediums vor Eintritt in die Turbinen T3 und T4 erfolgen.
Die hier beschriebene geschlossene Gasturbinenanlagen haben höhere thermische Wirkungsgrade als bisher bekannte Prozesse dieser Art. Möglichkeiten einer Reduzierung der thermischen Beanspruchung bei Schwankungen der abgegebenen Leistung werden aufgezeigt. Ebenso wird aufgezeigt, dass bei Teillastbetrieb der höchstmögliche Wirkungsgrad des Prozesses beibehalten werden kann.

Claims

Geschlossener Gasturbinenprozess mit mehrstufiger Kompression, wobei der Niederdruck-Kompressor isentrop arbeitet, der Hochdruck-Kompressor isotherm arbeitet und das Arbeitsmedium, welches den Hochdruck-Kompressor verlässt, das Arbeitsmedium, welches dem Hochdruck-Kompressor zuströmt, in einem Wärmetauscher abkühlt, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckverhältnis und Temperaturverhältnis in der Turbine so gewählt wird, dass die Austrittstemperatur des Arbeitsmediums hinter der Turbine der Eintrittstemperatur des Niederdruck-Kompressors entspricht und dass das Arbeitsmedium von dem Austritt aus der Turbine direkt zum Eintritt in den Niederdruckkompressor fließt.
Geschlossener Gasturbinenprozess mit mehrstufiger Kompression nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der dem Prozess entzogenen Nutzleistung diesem Prozess wieder zugeführt wird, sodass die Gasturbinenanlage bei allen Laststufen immer in einem Betriebspunkt betrieben wird.
Geschlossener Gasturbinenprozess mit mehrstufiger Kompression nach Anspruch 1, und 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Prozess Wärme über einen Wärmetauscher zugeführt wird und dass das Wärme transportierende Gas mit einem Druck, der höher als der Umgebungsdruck ist, in den Wärmetauscher eintritt.
Geschlossener Gasturbinenprozess mit mehrstufiger Kompression, nach Anspruch 1, 2, und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Niederdruck-Kompressor und die Niederdruck-Turbine auf einer separaten Welle angeordnet sind, sodass ein kurzer Weg des Arbeitsmediums von Austritt der Turbine bis Eintritt in den Niederdruck-Kompressor entsteht.
Geschlossener Gasturbinenprozess mit mehrstufiger Kompression nach Anspruch 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Aufladegruppen, bestehend aus einem Kompressor und einer Turbine, Luft auf einen erhöhten Druck bringen, der dazu dient, einen Gas-Wärmestrom zu erzeugen, der durch einen oder mehreren Wärmetauscher fließt und dabei Wärme an den geschlossenen Gasturbinenprozess abgibt.