DE102006010138A1

DE102006010138A1 - Verfahren zum Betreiben eines gekoppelten Kraft-/Wärmeprozesses zur Versorgung einer Gebäudeheizung und Gasturbinen-Gebäudeheizungsanlage

Info

Publication number: DE102006010138A1
Application number: DE102006010138A
Authority: DE
Inventors: Viktor Scherer; Heiner Pfost; Hans-Heinrich Dr.-Ing. Henning; Markus Dabruck; Mark Schlieper
Original assignee: Gebr Becker GmbH
Current assignee: RUBITEC GESELLSCHAFT FUER INNOVATION UND TECHN, DE; Gebr Becker GmbH
Priority date: 2006-03-06
Filing date: 2006-03-06
Publication date: 2007-09-13
Also published as: RU2441999C2; CN101438038A; CN101438038B; WO2007101815A1; CA2644957A1; RU2008139427A; EP1991771A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines gekoppelten Kraft-/Wärmeprozesses einer einen Heizkreislauf aufweisenden Gebäudeheizung und eine Gasturbinen-Gebäudeheizungsanlage, mit der insbesondere das genannte Verfahren durchgeführt werden kann. Im Einzelnen ist von Bedeutung, dass die Gebäudeheizung einen maximalen Wärmebedarf aufweist, wobei die in den Kraft-/Wärmeprozess eingesetzte Energie zu einem Teil in elektrische Energie umgewandelt wird und der Prozess mit einer mehrstufig ausgebildeten Anordnung durchgeführt wird. Mittels des austretenden entspannten Gasstroms wird dem Heizkreislauf unter Abkühlung dieses Gasstroms Wärme zugeführt. In Abhängigkeit des Wärmebedarfs der Gebäudeheizung wird eine Höherverdichtung des aus der ersten Gasturbinenstufe austretenden Gasstroms mittels des Verdichters der zweiten Gasturbinenstufe, die nur aus einer Turbine und einem Verdichter besteht, vorgenommen.

Description

Die Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zum Betreiben eines gekoppelten Kraft-/Wärmeprozesses zur Versorgung, hinsichtlich der Wärme, einer einen Heizkreislauf aufweisenden Gebäudeheizung, wobei die Gebäudeheizung einen maximalen Wärmebedarf aufweist, wobei weiter zugleich ein Teil der eingesetzten Energie in elektrische Energie umgewandelt wird, der Prozess mit Hilfe einer mehrstufig ausgebildeten Gasturbinenanordnung durchgeführt wird, und darüber hinaus mittels des austretenden entspannten Gasstroms dem Heizkreislauf unter Abkühlung dieses Gasstroms Wärme zugeführt wird.

Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der DE 196 13 802 A1 bekannt. Dieser bekannte Prozess, der ein Raumheizungssystem und eine Stromversorgung eines Gebäudes bedienen soll, ist auf eine Stromautarkie ausgelegt. Zumindest die zum Betrieb des Systems erforderliche elektrische Energie soll durch das Haus- oder Raumheizungssystem selbst zur Verfügung gestellt werden. Diese Auslegung des bekannten Kraft-/Wärmeprozesses, der auch mit mehreren, jeweils auch einen Generator aufweisenden Gasturbinenanlagen, ggf. unter mehrstufiger Schaltung, durchgeführt werden kann, ist allerdings unter Berücksichtigung der Wirtschaftlichkeit mit Nachteilen verbunden. Die Auslegung im Hinblick auf die Stromautarkie verlangt, aufwendige Speicher für elektrische Energie vorzusehen. Gleichwohl verbleiben gewisse Zeiten der Heizperiode, in denen das Verfahren nur hinsichtlich der Erzeugung der elektrischen Energie durchgeführt werden muss, die dann aber günstiger aus dem Netz bezogen werden kann. Dies jedenfalls unter Berücksichtigung üblicher für Wohnungszwecke dienender Gebäude, die in ein vorhandenes Stromversorgungsnetz eingebunden sind. Selbst wenn zwei Gasturbinenanlagen vorgese hen sind, ist eine schlechte Regelbarkeit gegeben, da immer auch die Stromseite beeinflusst ist.

Ausgehend von dem vorbeschriebenen Stand der Technik stellt sich der Erfindung die Aufgabe, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines gekoppelten Kraft-/Wärmeprozesses einer einen Heizkreislauf aufweisenden Gebäudeheizung anzugeben, wobei eine möglichst hohe Wirtschaftlichkeit gegeben ist.

Diese Aufgabe ist zunächst und im Wesentlichen hinsichtlich des Verfahrens beim Gegenstand des Anspruches 1 gelöst, wobei darauf abgestellt ist, dass in Abhängigkeit des Wärmebedarfs der Gebäudeheizung eine Höherverdichtung aus der ersten Stufe, welche erste Stufe nur auf einen Teil des maximalen Wärmebedarfs der Gebäudeheizung ausgelegt ist, austretenden Gasstroms mittels der zweiten Gasturbinenstufe, die nur aus einer Turbine und einem Verdichter besteht, vorgenommen wird.

Erfindungsgemäß ist das Verfahren vorzugsweise auf die vollständige Deckung des Wärmebedarfs der Gebäudeheizung und gegebenenfalls zur Deckung des Wärmebedarfs zur Trinkwassererwärmung ausgelegt. Die Stromerzeugung ist gleichsam nur ein Nebenprodukt, das mit genutzt wird. Im Übrigen erfolgt aber eine ergänzende Stromversorgung durch die üblicherweise vorhandene Anbindung an das Stromnetz des örtlich bzw. regional zuständigen Energieversorgungsunternehmens. Dadurch, dass eine mehrstufige Gasturbinenanordnung mit jeweils einer Turbine und einem Verdichter vorgesehen ist, kann insbesondere in Zeiten, in welchen der Wärmebedarf der Hausheizung größer ist als die Wärmemenge, die durch die erste Gasturbinenstufe zur Verfügung gestellt werden kann, der Brennstoff optimal genutzt werden. Da zudem die zweite Gasturbinenstufe nur aus einer Turbine und einem Verdichter besteht, ist diese, wenn sie zugeschaltet ist, vergleichsweise einfach hinsichtlich des ak tuellen Wärmebedarfs nachführbar und regelbar. Hinsichtlich des Kreisprozesses kann eine höhere Temperatur- und Druckdifferenz gefahren werden. Andererseits kann über einen relativ großen Zeitraum der Heizperiode mittels der ersten Gasturbinenstufe auch noch zusätzlich elektrische Energie erzeugt werden, die zudem in der Regel damit zu günstigeren Kosten erzeugt werden kann, als sie über das übliche Versorgungsnetz etwa zu beziehen ist. Es ist auch möglich, elektrische Überschussenergie in das allgemeine elektrische Versorgungsnetz einzuspeisen.

Die zuschaltbare zweite Gasturbinenstufe ist also nur auf die Spitzenlast hin ausgelegt. Dies ermöglicht es, diese zweite Gasturbinenstufe, nämlich die Turbine und den Verdichter, vergleichsweise klein auszulegen. Dies ermöglicht es weiterhin, wie nachstehend noch ergänzend erläutert, auf Standardbauteile zurückzugreifen. Besonders bevorzugt ist hinsichtlich der Gasturbinenanlage für die zweite Stufe auf aus der Kfz-Technik vorhandene Komponenten, nämlich die bekannten Abgasturbolader, zurückgegriffen. Es kann praktisch die komplette Verdichter- und Turbineneinheit mit Wastegate oder variabler Turbinengeometrie (VTG), letzteres ist nachstehend auch noch weiter erläutert, eingesetzt werden.

Hinsichtlich des Brennstoffes kann vorrangig auf die vorhandene Brennstoffversorgung von Gebäuden zurückgegriffen werden. Also insbesondere Erdgas und Heizöl.

Vorzugsweise ist eine derartige Anlage und ein derartiges Verfahren bei Gebäuden kleiner bis mittlerer Größe einsetzbar. Nämlich bei Mehrfamilienhäusern, bis hin zu etwa sechs- bis zwanzig Wohneinheiten.

Die nachstehend erläuterten Merkmale der weiteren Ansprüche sind im Hinblick auf den Hauptgedanken erläutert, können aber ggf. auch in ihrer unabhängigen Formulierung von Bedeutung sein.

Bevorzugt ist, dass der aus dem Verdichter der ersten Gasturbinenstufe austretende Gasstrom jedenfalls dann, wenn in dem Verdichter der zweiten Gasturbinenstufe weiterverdichtet wird, zuvor gekühlt wird. Dies ermöglicht es, die zweite Verdichtung bei einer relativ niedrigen Temperatur zu beginnen woraus eine Reduzierung der zu leistenden spezifischen Verdichterarbeit bei der zweiten Verdichtung resultiert. Weiterhin kann so die Entspannung des Gasstroms in der Turbine von einem optimal hohen Druckniveau ausgehend durchgeführt werden. Entsprechend wird die Kühlung des verdichteten Gasstroms, der aus dem Verdichter der ersten Gasturbinenstufe austritt, vor Eintritt in den Verdichter der zweiten Gasturbinenstufe durchgeführt.

Vor Eintritt des Gasstromes in die Brennkammer ist bevorzugt eine Vorwärmung, mittels eines Rekuperators, vorgesehen. Der Rekuperator ist hierbei bei zugeschalteter zweiter Gasturbinenstufe nach weiterer Verdichtung des Gasstroms durch den zweiten Verdichter vorgesehen. Es handelt sich um einen Gas-/Gaswärmetauscher, wobei der so verdichtete Gasstrom gegen den aus der Turbine der ersten Gasturbinenstufe austretenden und entsprechend entspannten Gasstrom im Wärmetausch geführt wird. Hierdurch wird in gewünschter Weise die Luft-(Gas-) Temperatur des aus der Turbine der ersten Gasturbinenstufe austretenden Gasstroms gekühlt, so dass sich zur Auskopplung von Wärme aus diesem entspannten Gasstrom in den Heizkreislauf ein Temperaturniveau ergibt, das mit vergleichsweise wenig aufwendigen Wärmetauschern zurechtkommt.

Vor die Turbine der zweiten bzw., wenn diese nicht aktiviert ist, der ersten Gasturbinenstufe ist im Kreislauf des Prozesses die Brennkammer vorgesehen. Ei nerseits wird sie von dem verdichteten, aus dem ersten und/oder zweiten Verdichter austretenden Gasstrom durchsetzt und andererseits wird hier entsprechend Brennstoff hinzugegeben und findet die temperaturerhöhende Verbrennung statt. In dem Fall, dass Erdgas als Brennstoff genutzt wird, ist noch ein Gasverdichter für das Erdgas, als gesondertes Aggregat, vorgesehen. Flüssiger Brennstoff muss unter entsprechendem Druck in die Brennkammer eingedüst werden.

Der gekoppelte Kraft-/Wärmeprozess wird insgesamt als offener Prozess geführt. Der aus der Turbine der ersten Gasturbinenstufe austretende Gasstrom wird letztlich in üblicher Weise über einen Kamin in die Atmosphäre geleitet. Insgesamt gibt der Gasstrom im Laufe des Prozesses mehrfach über Wärmetauscher vorzugsweise Wärme an den Heizkreislauf und gegebenenfalls Wärme zur Trinkwassererwärmung ab, bevorzugt über einen zwischengeschalteten gesonderten internen, hauptsächlich der Wärmeübertragung und Trennung von Gasturbinenkreislauf und Heizkreislauf dienenden, Übertrager-Wasserkreislauf. Zunächst, wie bereits beschrieben, über den Gas-/Wasserwärmetauscher, der nach dem ersten Verdichter vorgesehen ist. Sodann über einen zweiten Gas-/Wasserwärmetauscher, der von dem aus der Turbine der ersten Gasturbine austretenden entspannten Gasstrom, nach Durchsetzen des Rekuperators, durchsetzt wird. Darüber hinaus ist bevorzugt noch weiter nachgeschaltet ein Brennwert-Wärmetauscher vorgesehen, in dem der Gasstrom also unter die Kondensationstemperatur abgekühlt wird.

Grundsätzlich können der zweite Gas-/Wasserwärmetauscher und der Brennwertwärmetauscher auch integriert ausgeführt sein. Bevorzugt ist es jedoch, sie als gesonderte Aggregate auszuführen, auch mit einem nachgeschalteten Schalldämpfer, um das Austrittsgeräusch des Gasstroms bei Austritt in die Atmosphäre zu reduzieren.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine Gasturbinen-Gebäudeheizungsanlage, mit einem Gasstrom und einem Übertrager-Heizkreislauf, weiter mit einer mehrstufig ausgelegten Gasturbinenanordnung, einem Generator und einem zur Entkopplung von Wärme in den Heizungskreislauf und Trinkwasserkreislauf dienenden Wasser-/Wasserwärmetauscher.

Eine derartige Gasturbinen-Gebäudeheizungsanlage ist entsprechend in gleicher Weise aus der bereits angeführten DE 196 13 802 A1 bekannt.

Insofern stellt sich auch anlagentechnisch die Aufgabe, eine Gasturbinen-Gebäudeheizungsanlage anzugeben, die eine möglichst wirtschaftliche Ausnutzung des eingesetzten Brennstoffes zur vollständigen Deckung des Wärmebedarfs der Gebäudeheizungsanlage ermöglicht, unter ergänzender Wandlung der eingesetzten Energie in elektrische Energie.

Diese Aufgabe ist zunächst und im Wesentlichen beim Gegenstand des Anspruches 11 gelöst, wobei darauf abgestellt ist, dass die zweite Gasturbinenstufe, die nur aus einer Turbine und einem Verdichter besteht, in Abhängigkeit des Wärmebedarfs der Gebäudeheizung zur Erreichung eines höheren Druckniveaus im Kreisprozess zuschaltbar ist, wobei die zweite Gasturbinenstufe entsprechend einer Bypassleitung (waste-gate) umgehbar ist bzw. jedenfalls deaktivierbar ist.

Auch anlagentechnisch manifestiert sich die Erfindung in dem Konzept, die zweite Gasturbinenstufe lediglich zur Abdeckung von Spitzenlasten zuschaltbar vorzusehen, die Grundlast betreffend den Wärmebedarf der Gebäudeheizungsanlage aber mit der ersten Gasturbinenstufe fahren zu können, wobei hierbei auch zugleich, und entsprechend über einen bezogen auf die Heizperiode eines solchen Gebäudes relativ langen Zeitraum, ergänzend eine Wandlung in elektrische Energie vorgenommen wird. Diese elektrische Energie dient ne ben der Eigenversorgung der Gasturbinen-Gebäudeheizungsanlage selbst und der Versorgung des Bedarfs des diesbezüglichen Gebäudes während der Heizperiode ggf. auch zum Einspeisen in das örtliche Versorgungsnetz.

Insgesamt ist aber wesentlich, dass die Anlage auf die Deckung des Wärmebedarfs des Gebäudes hin optimiert ausgelegt ist, unter möglichst guter Ausnutzung des jeweils eingesetzten Brennstoffs. Dadurch, dass die zweite Gasturbinenstufe deutlich kleiner ausgelegt ist als die erste Gasturbinenstufe und ein gewisser Spielraum bei der Auslegung der beiden Gasturbinenstufen besteht, kann jedenfalls hinsichtlich der zweiten Gasturbinenstufe auch auf Standardbauteile, wie etwa den Kraftfahrzeug-Turbolader, bevorzugt zurückgegriffen sein.

Die Merkmale der weiteren Ansprüche sind nachstehend im Zusammenhang mit dem vorbeschriebenen generellen Konzept der Gasturbinen-Gebäudeheizungsanlage beschrieben, können ggf. aber auch in ihrer unabhängigen Formulierung von Bedeutung sein.

Weiterhin ist bevorzugt, dass ein Rekuperator vorgesehen ist, mit welchem, ausgeführt als Gas-/Gaswärmetauscher, der aus der Turbine der ersten Gasturbinenstufe austretende entspannte Gasstrom im Wärmetausch zur Aufwärmung des aus dem zweiten Verdichter austretenden verdichteten Gasstroms abkühlbar ist. Der entspannte Gasstrom wird vor erster Auskopplung von Wärme, gegebenenfalls über einen Übertrager-Wasserkreislauf, somit auf ein niedrigeres Temperaturniveau gebracht.

Dieser letztere Wärmetausch wird entsprechend in einem Gas-/Wasserwärmetauscher durchgeführt. Dabei kann ein solcher Wärmetauscher bereits so ausgelegt sein, dass die Taupunkttemperatur des Gasstroms unterschritten wird, dass also auch die latente Wärme des Gasstroms entsprechend einem Brennwert-Wärmetauscher sogleich mitgenutzt wird. Bevorzugt ist aber, dass ein weiterer Brennwertwärmetauscher nachgeschaltet ist.

Nach dem Rekuperator durchsetzt der – ggf. zweifach – verdichtete Gasstrom die Brennkammer, die im Hinblick auf die hier relevanten Drücke (bspw. 4 bis 5 bar) als Mitteldruckbrennkammer zu bezeichnen ist. In die Brennkammer wird weiter, ggf., im Fall von Gas, insbesondere Erdgas, mittels eines Gasverdichters, Brennstoff eingeleitet und verbrannt. Es ergibt sich ein entsprechend hoch verdichteter und hoch temperierter Gasstrom der dann auf die Turbine der zweiten Gasturbinenstufe, bzw., wenn diese umgangen ist, auf die Turbine der ersten Gasturbineneinheit gegeben wird und dort entsprechend entspannt.

Wie sich bereits aus Vorstehendem ergibt, ist auf der Welle der ersten Gasturbinenstufe nicht nur die erste Turbine und der erste Verdichter, sondern auch ein Generator zur Erzeugung elektrischen Stroms angeordnet, während auf der Welle der zweiten Gasturbineneinheit nur der zweite Verdichter und die zweite Turbine angeordnet ist. Es ist weiterhin bevorzugt ein zentraler Regler vorgesehen, der sowohl einen zwischen den Generator und das allgemeine Stromnetz geschalteten Frequenzumrichter als auch den Gasverdichter (oder ggf. Ölpumpe) und die Heizungsumwälzpumpe des Übertrager-Wasserkreislaufs regelt.

Lagerungstechnisch ist es bevorzugt, dass die Welle der ersten und/oder der zweiten Gasturbinenstufe und/oder des Generators mittels Gleitlagern gelagert ist, die weiter bevorzugt über eine zentrale Ölversorgung mittels einer Ölpumpe versorgt werden. Es können aber auch für eine oder beide der genannten Wellen bzw. auch den Generator jeweils Wälzlager vorgesehen sein.

Nachstehend ist die Erfindung des Weiteren anhand der beigefügten Zeichnung, die jedoch lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellt, erläutert. Hierbei zeigt:
1 ein Blockschaltbild einer Gasturbinen-Gebäudeheizungsanlage; und
2 ein zugehöriges T-/S-Diagramm.
Dargestellt und beschrieben ist, zunächst mit Bezug zu 1, das grundsätzliche Blockschaltbild einer Gasturbinen-Gebäudeheizungsanlage, wobei eine mehrstufige Gasturbinenanordnung den Kern bildet. Die Gasturbinenanordnung dient sowohl zur Erzeugung von Wärme (letztlich: Heizungswärme und Wärme zur Trinkwassererwärmung) wie auch zur Erzeugung von Kraft. Letzteres vorrangig zum Antrieb der Verdichter, aber auch des Generators. Es handelt sich somit um eine gekoppelte Kraft/Wärmeanlage bzw. die Durchführung eines gekoppelten Kraft-/Wärmeprozesses.
Diese Gasturbinen-Gebäudeheizungsanlage wird nur während der Heizperiode eines Gebäudes betrieben. Außerhalb der Heizperiode des Gebäudes erfolgt die Stromversorgung über die übliche Netzversorgung, die parallel vorhanden ist. Darüber hinaus wird in der Regel während der Heizperiode nicht zur Eigennutzung verwendeter Strom in das Netz eingespeist. Natürlich kann bei Bedarf auch in diesem Zeitraum (zusätzlich) Strom aus dem Netz bezogen werden.
Es ist eine erste Gasturbinenstufe 1 und eine zweite Gasturbinenstufe 2 zu erkennen.
Während die erste Gasturbinenstufe 1 aus einem ersten Verdichter 3, einer ersten Turbine 4 und einem auf derselben Welle 28 angeordneten Generator 5 besteht, besteht die zweite Gasturbinenstufe 2 nur aus einem zweiten Verdichter 6 und einer zweiten Turbine 7. Der erste Verdichter 3 saugt Außenluft 9 über einen Luftfilter 8 an.
Nachgeordnet zu dem ersten Verdichter 3 ist ein erster Gas-/Wasserwärmetauscher 10 vorgesehen, in welchem der aus dem ersten Verdichter 3 austretende und entsprechend erwärmte Gasstrom im Wärmetausch zu dem Übertrager-Wasserkreislauf, der insgesamt mit dem Bezugszeichen 11 versehen ist, geführt ist.
Danach wird der verdichtete aber gekühlte Gasstrom auf den Verdichter 6 der zweiten Gasturbinenstufe 2 gegeben und geht von dort in den Rekuperator 13. Der Rekuperator 13 ist ein Gas-/Gaswärmetauscher, in welchem der aus der ersten Turbine 4 austretende entspannte Gasstrom abgekühlt wird und im Gegenzug der verdichtete Gasstrom aus dem zweiten Verdichter 6 entsprechend vorgewärmt wird. Es kann auch vorgesehen sein, dass im Falle, dass die zweite Gasturbinenstufe 2 nicht aktiviert ist, auch der erste Gas-/Wasserwärmetauscher 10 hinsichtlich des Gasstroms mittels einer weiteren, beim Ausführungsbeispiel nicht dargestellten Bypassleitung umgangen wird, um den aus dem ersten Verdichter 3 austretenden Gasstrom in diesem Fall nicht unnötig vor Eintritt in die Brennkammer 14 abzukühlen. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass hinsichtlich des Übertrager-Wasserkreislaufes 11 die Umwälzpumpe 32 nicht aktiviert ist oder nur auf eine geringe Umlaufgeschwindigkeit eingestellt ist. Wenn, wie bevorzugt vorgesehen, auch bei einem zur Regelung der zweiten Gasturbinenstufe vorgesehenen und vollständig geöffnetem Wastegate-Ventil 29 der Gasstrom noch über dem Verdichter 6 läuft (ohne allerdings eine nennenswerte Verdichtung zu erbringen) kann eine Abkühlung mittels des Wärmetauschers 10 aus Temperaturgründen erwünscht oder erforderlich sein.
Der verdichtete Gasstrom ist nach dem Rekuperator 13 in die Brennkammer 14 geführt. Hier wird mittels Brennstoff 15, der beim Ausführungsbeispiel als Erdgas angenommen ist und zuvor mittels eines Gasverdichters 16 (Gasverdichtereinheit 36) entsprechend über das Druckniveau des Gasstromes verdichtet ist, Energie zugeführt. In der Brennkammer 14 kann ein gestuftes Verbrennungssystem vorgesehen sein. Beispielsweise ein zwei- oder dreistufiges Verbrennungssystem. Es kann etwa ein Brenner und ein (zuschaltbarer) Pilotbrenner vorgesehen sein. Auch ist bevorzugt in der Brennkammer 14 ein Temperaturwächter vorgesehen zur Vermeidung eines Überschreitens der maximal zulässigen Turbineneintrittstemperatur. Der Temperaturwächter kann zugleich als Flammwächter genutzt werden.
Nach der Brennkammer 14 wird der Gasstrom entweder auf die zweite Turbine 7 der zweiten Gasturbinenstufe 2 geführt oder mittels eines als Bypass wirkenden Ventils 29 praktisch nur auf die erste Turbine 4 der ersten Gasturbinenstufe 1 gegeben. Wie bereits erwähnt, ist als Ventil 29 hier bevorzugt das als „Wastegate" bezeichnete Umgehungsvertil eines KFZ-Turboladers genutzt. Insgesamt entspricht die Schaltung der zweiten Gasturbinenschaltung vorzugsweise derjenigen eines Abgasturboladers. Es kann zur Aktivierung oder Regelung bis hin zur Deaktivierung nur das auch dargestellte Wastegate-Ventil 29 vorgesehen sein.
Das Waste-Gate Ventil 29 kann zur Regelung der zweiten Gasturbinenstufe 2 entsprechend nicht nur offen oder geschlossen sein, sondern auch Zwischenstellungen einnehmen. Entsprechend dem Öffnungsgrad durchströmt dann nur ein Luftteilstrom (Gasteilstrom) die zweite Turbine 7. Ein gewisses Durchströmen eines kleinen Teilstroms durch die zweite Turbine 7 kann selbst bei vollständiger Öffnung des Waste-Gate Ventils 29 noch gegeben sein.
Hinsichtlich der ersten aber bevorzugt auch oder allein der zweiten Turbine 6 kann auch vorgesehen sein, dass eine sogenannte variable Turbinengeometrie verwirklicht ist (VTG). Hierbei wird zumeist ein Leitschaufelkranz mit verstellbarem Anstellwinkel vorgesehen. Dies ermöglicht es, auch bei geringeren als den maximalen Auslegungs-Gasvolumina eine möglichst hohe Leistung der Turbine zu erzielen.
Hinsichtlich des Übertrager-Wasserkreislauf 11 ist bereits die erste Einkopplung von Wärme durch den Gas-/Wasserwärmetauscher 10 erläutert worden. Von dem Übertrager-Heizkreislauf 11 wird die Wärme über den Wasser-/Wasserwärmetauscher 30 vorzugsweise auf den Heizkreislauf 12 übertragen wie in 1 dargestellt. Alternativ kann der Wasser-/Wasserwärmetauscher 30 auch in ein Kombinationsspeichersystem integriert sein. Hierbei handelt es sich um ein System, in dem durch den Wasser-/Wasserwärmetauscher 30 sowohl Wärme auf den Heizungskreislauf übertragen wird als auch ein Wärmetausch mit einem integrierten Trinkwasserspeicher erfolgt. Hierdurch dient der Wärmetauscher 30 dann letztlich sowohl zur Trinkwassererwärmung als auch zum Wärmetausch mit dem Heizungskreislauf 12 in dem weiterhin eine Heizkreislauf-Umwälzpumpe 18 vorgesehen ist. Nach dem Wärmetauscher 10 durchsetzt das Wasser des Übertrager-Wasserkreislaufes 11 einen zweiten Gas-/Wasserwärmetauscher 19, in welchem es im Wärmetausch zu dem aus der ersten Turbine 4 austretenden, nach Durchsetzen des Rekuperators 13 um ein gewisses Maß gekühlten, Gasstrom geführt wird.
Danach durchsetzt der entspannte Gasstrom einen letzten, auch dem Übertrager-Wasserkreislauf 11 zugeordneten, Gas-/Wasserwärmetauscher, der als Brennwärmetauscher 21 ausgeführt ist, um danach, nach Durchströmen eines Schalldämpfers 20, als Abgas (Abluft) 22 in die Atmosphäre abgelassen zu werden. Der Brennwertwärmetauscher 21 ist hierfür, gesehen von dem Übertrager-Wasserkreislauf 11, stromabwärts zu dem Heizkreislauf-Übertragungswärmetauscher, dem Wasser-Wasserwärmetauscher 30, angeordnet. Weiter ist der Brennwertwärmetauscher 21 in dem genannten Sinne bevorzugt stromaufwärts zu der Umwälzpumpe 32 angeordnet.
Die Verbraucher, also in der Regel Heizkörper, des Heizkreislaufes 12 sind durch das Bezugszeichen 23 angedeutet. Vorzugsweise versorgt der Heizkreislauf 12 eine Fußbodenheizung oder doch eine Heizungsanlage, in der ein wesentlicher Anteil der Wärme über eine Fußbodenheizung, oder ggf. eine sonstige Flächenheizung, in den zu heizenden Raum gebracht wird. Wie an sich bekannt, kann das relativ niedrige nur erforderliche Vorlauftemperaturniveau einer solchen Flächenheizung hier günstig genutzt werden.
Zur Wandlung der Stromfrequenz des Generators 5 ist zwischen dem Stromnetz 24 und dem Generator 5 ein Frequenzumrichter 25 mit integrierter Netzrückspeisung vorgesehen. Der Generator 5 kann in bekannter Weise auch als Motor zum Anfahren der ersten Gasturbineneinheit 1 genutzt werden.
Als Hilfsaggregat für die gesamte Anlage ist eine Ölpumpe 26 vorgesehen, die entsprechend mit einem Ölvorrat 27 zusammengeschaltet ist. Mittels dieses Ölvorrates, der in einen entsprechenden Öl-Kreislauf eingebunden ist, und der Ölpumpe 26 können die ggf. an der ersten Gasturbinenstufe 1 und der zweiten Gasturbinenstufe 2 ausgebildeten Gleit- oder Wälzlager versorgt werden. Dem Öl kann mittels eines Öl/Wasserwärmetauschers 31, der von dem Übertrager-Wasserkreislauf 11 versorgt wird, Wärme entzogen werden.
Zudem kann noch ein zentraler Regler 36, insbesondere zur Einwirkung auf die Umwälzpumpe 32 und/oder die Heizkreislauf-Umwälzpumpe 18 und/oder den Frequenzumrichter 25 und/oder den Gasverdichter 16 und/oder die Ölpumpe 26 und/oder das Wast-Gate Ventil 29 vorgesehen sein.
Der maximaler Wärmebedarf der Gebäudeheizung ist der rechnerisch nach der einschlägigen Norm für den kältesten Tag ermittelte Wärmebedarf. Wenn kein maximaler Wärmebedarf der Gebäudeheizung gegeben ist, was regelmäßig der Fall sein wird, wird eine Regelung über die Drehzahl an der zweiten Gasturbi nenstufe 2 vorgenommen. Auch hierzu dient das nach der Brennkammer 14 im Bypass zu dem Verdichter 7 vorgesehene sogenannten Wastegate 29. Weiter wird dann eine Anpassung an den aktuellen Wärmebedarf über eine Regelung der Drehzahl der ersten Gasturbineneinheit 1 vorgenommen.
Wie ersichtlich versorgt (zu Kühlungszwecken) der Übertrager-Wasserkreislauf 11 über Abzweige 11', 11'', 11''', 11'''', 11''''' auch das Gehäuse der ersten Gasturbinenstufe 1 und der zweiten Gasturbinenstufe 2, den Generator 5, den Frequenzumformer 25 und auch einen Öl/Wasserwärmetauscher 33.
In dem Leitungsabschnitt zwischen dem zweiten Verdichter 6 und dem Rekuperator 13 kann, was in 1 nur gestrichelt dargestellt ist, noch ein Druckhalter 37 vorgesehen sein. Dieser kann etwa unterstützend zu einem Motorbetrieb des Generators oder allein für das Anfahren genutzt werden. Hierzu ist ein Druckhalterventil 34 vorgesehen, das die Leitung zu einem Druckspeicher 35 öffnet oder schließt. Der Druckspeicher 35 kann dann weiter über ein gesondert betätigbares, hier im Einzelnen nicht dargestelltes Ventil unter Umgehung des Rekuperators 13 und der Brennkammer 14 unmittelbar auf den zweiten Verdichter 7 geschaltet sein.
Typischerweise kann die zweite Gasturbinenstufe 2 mit einer Wellen-Drehzahl von 80.000 bis 200.000 (U/min) betrieben werden. Dagegen hat die erste Gasturbinenstufe 1, bei zugeschalteter zweiter Gasturbinenstufe 2, eine Wellen-Drehzahl von ca. 70.000 bis 90.000, bevorzugt etwa 80.000. Dies ist zugleich auch die maximale Wellendrehzahl der ersten Gasturbinenstufe 1. Sie kann aber noch hinuntergeregelt werden bis auf etwa 20.000–30.000 U/min.
Die maximale (Auslegungs-) Leistung der hier beschriebenen Anlage liegt bevorzugt zwischen 50 und 120 kW thermisch, wobei auf ca. 20% einer solchen Anlagenleistung hinuntergeregelt werden kann. Der Brennstoff wird hierbei zu ca. 20–30% in elektrische Energie und entsprechend 70–60% thermische Energie umgewandelt.
Typische Luftströme für die genannten Leistungswerte liegen bei 0,15–0,4 kg/sek. (bezogen auf 50 bis 120 kW thermisch).
Für die Heizungsanlage sind an sich typische Auslegungswerte mit bis zu 80–85°C Vorlauftemperatur und ca. 45°C oder weniger Rücklauftemperatur vorgesehen.
Aus dem T-s-Diagramm (Temperatur-Entropie-Diagramm) gemäß 2 ist die wärmetechnische Besonderheit dieser Gasturbinen-Gebäudeheizungsanlage ergänzend erkennbar.
Zunächst sei der Kreisprozess mit zugeschalteter zweiter Gasturbinenstufe 2 beschrieben:
Ausgehend von der Außenluft 9 vor der ersten Gasturbinenstufe 1 läuft der Prozess wie folgt ab:
Die angesaugte Außenluft 9 wird entsprechend mit einer Umgebungstemperatur, hier als T₀ angenommen, angesaugt. In dem Verdichter 3 erfolgt die Verdichtung auf das Druckniveau P₁, entsprechend einer Temperatur T₁. Unter Beibehaltung des erreichten Druckniveaus P₁ (Temperatur T₁) wird der aus dem Verdichter 3 austretende Gasstrom auf eine Temperatur T₂ gekühlt, unter Abgabe einer entsprechenden Wärmemenge mittels des Wärmetauscher 10 an den Übertrager-Wasserkreislaufs 11.
Bei zugeschalteter zweiter Gasturbinenstufe 2 wird dann die Verdichtung von dem Druckniveau P₁, dem die Temperatur T₂ entspricht, auf den maximalen Druck P_max, dem das Temperaturniveau T₃ entspricht, im Verdichter 6 durchgeführt. Nach durchströmen des Rekuperators 13, erreicht der Gasstrom Temperatur T₄, bevor er in die Brennkammer eintritt und dort durch die Verbrennung mit dem Brennstoff die maximale Temperatur T_max erreicht.
Nach Austritt aus der Brennkammer durchsetzt der Gasstrom die zweite Turbine 7, wobei eine Entspannung von P_max auf den Druck P_1* und eine Abkühlung auf die Temperatur T₅ erfolgt. Mit dem Druck P_1* und der Temperatur T₅ tritt der Gasstrom in die Turbine 4 ein.
Durch die Entspannung in der Turbine 4 von einem Druckniveau P_1* auf ein Druckniveau P₀, entsprechend einer Abkühlung von T₅ auf T₆, wobei das Druckniveau P₀ in der Regel dem Umgebungsdruck entspricht, wird mechanische Energie gewonnen. Diese mechanische Energie treibt den Verdichter 3 und den Generator 5. Der so entspannte Gasstrom durchsetzt sodann den Rekuperator 13, und wird darin weiter auf T₇ abgekühlt. Die der Temperaturdifferenz von T₆ zu T₇ entsprechende Wärme wird an den verdichteten Gasstrom abgegeben. In dem dargestellten T-s-Diagramm drückt sich dies dadurch aus, dass der verdichtete Gasstrom auf dem Druckniveau P_max von T₃ auf T₄ erwärmt wird.
Weiter folgend dem entspannten Gasstrom wird dieser im Wärmetauscher 19 von T₇ auf T₈ und in dem in den Wärmetauscher 21 auf eine hier beispielhaft angenommene Temperatur T9 abgekühlt.
Es versteht sich, dass der Prozess etwas idealisiert dargestellt ist. Es sollen hiermit aber auch nur die grundsätzlichen Vorgänge verdeutlicht werden.
Die zweite Gasturbinenstufe 2 ist, durch das zu der zweiten Turbine parallelgeschaltet Wastegate-Ventil 29, dahingehend regelbar, dass auch Drücke unterhalb von P_max (nur) erreicht werden.
Da der maximale Wärmebedarf einer solchen Gebäudeheizung in einer Heizperiode nicht oder nur singulär gegeben ist, wird sich in der Regel ein Kreisprozess mit einem maximalen Druck zwischen P_max und P1 einstellen, solange die zweite Gasturbine zugeschaltet ist. Wenn die zweite Gasturbine nicht zugeschaltet ist, ergibt sich nur noch ein Kreisprozess zwischen P₀ und P₁ wobei am Eintritt in die Turbine der Gasturbinenstufe 1 (nur noch) die Temperatur T₁₀ erreicht wird. In einem gewissen Ausmaß kann aber auch die erste Gasturbinenstufe noch geregelt werden, so dass hier ein Zwischen-Druckniveau, kleiner als P₁ und größer als P₀, (nur) erreicht werden kann. Die Regelung der ersten Gasturbinenstufe 1 kann etwa über den Generator 5 und/oder den Frequenzumformer 25 als Bremse erfolgen.
Soweit vorstehend von einem Kreisprozess gesprochen ist, versteht sich, dass in diesem Sinne kein geschlossener Kreisprozess vorliegt. Es ist ein offener Prozess.
Alle offenbarten Merkmale sind (für sich) erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Prioritätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollinhaltlich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender Anmeldung mit aufzunehmen.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines gekoppelten Kraft-/Wärmeprozesses einer einen Heizkreislauf aufweisenden Gebäudeheizung, wobei die Gebäudeheizung einen maximalen Wärmebedarf aufweist, wobei weiter zugleich ein Teil der eingesetzten Energie in elektrische Energie umgewandelt wird und der Prozess mit einer mehrstufig ausgebildeten Anordnung durchgeführt wird und wobei darüber hinaus mittels des austretenden entspannten Gasstroms dem Heizkreislauf unter Abkühlung dieses Gasstroms Wärme zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit des Wärmebedarfs der Gebäudeheizung eine Höherverdichtung des aus der ersten Gasturbinenstufe austretenden Gasstroms mittels des Verdichters der zweiten Gasturbinenstufe, die nur aus einer Turbine und einem Verdichter besteht, vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der aus der ersten Gasturbinenstufe austretende verdichtete Gasstrom gekühlt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung des verdichteten Gasstroms bei zugeschalteter zweiter Gasturbinenstufe vor Eintritt in die zweite Gasturbinenstufe durchgeführt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlung des Gasstroms zwischen erster und zweiter Gasturbinenstufe durch eine (erste) Übertragung von Wärme auf den Heizungskreislauf vorgenommen wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasturbinenprozess als offener Prozess geführt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom, gegebenenfalls nach Durchsetzen der zweiten Gasturbinenstufe, durch einen Rekuperator vorgewärmt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom in dem Rekuperator durch den die erste Gasturbinenstufe nach Entspannung verlassenden Gasstrom aufgewärmt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der die erste Gasturbinenstufe nach Entspannung verlassende Gasstrom durch eine (zweite) Übertragung von Wärme auf den Heizungskreislauf gekühlt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die (zweite) Übertragung von Wärme vom Gasstrom auf den Heizungskreislauf durch-geführt wird nachdem der Gasstrom den Rekuperator durchsetzt hat.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwand lung in elektrische Energie mittels eines durch die erste Gasturbinenstufe angetriebenen Generators vorgenommen wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme auf den Heizungs-Kreislauf mittels eines Übertrager-Wasserkreislaufs übertragen wird.
Gasturbinen-Gebäudeheizungsanlage, mit einem Gasstrom und einem Heizungskreislauf (12), weiter mit einer mehrstufig ausgelegten Gasturbinenanordnung (1, 2), einem Generator (5) und einem zur Entkopplung von Wärme in den Heizkreislauf (12) dienenden Gas/Wasserwärmetauscher (10), dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Gasturbinenstufe (2), die nur aus einer Turbine (6) und einem Verdichter (7) besteht, in Abhängigkeit des Wärmebedarfs der Gebäudeheizung (12) zur Erreichung eines höheren Druckniveaus zuschaltbar ist, wobei ein entsprechendes, die zweite Gasturbinestufe (2) deaktivierendes und/oder regelndes Aggregat (29) vorgesehen ist.
Gasturbinen-Gebäudeheizungsanlage nach Anspruch 12 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass bezüglich der zweiten Gasturbinenstufe (2), hinsichtlich des Verdichters (6) und/oder der Turbine (7), ein deaktivierendes und/oder regelndes Aggregat (29) vorgesehen ist.
Gasturbinen-Gebäudeheizungsanlage nach einem der Ansprüche 12 bis 13 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Gasturbinenstufe (2) wahlweise zuschaltbar ist.
Gasturbinen-Gebäudeheizungsanlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 14 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rekuperator (13) vorgesehen ist, und das der Rekuperator (13) bei zugeschalteter zweiter Gasturbineneinheit (2) im Gasstrom nach dem zweiten Verdichter (6) vorgesehen ist.
Gasturbinen-Gebäudeheizungsanlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 15 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom nach dem Rekuperator (13) noch einen zweiten Gas-/Wasser-Wärmetauscher (19) und/oder einem als Brennwert-Wärmetauscher (21) ausgelegten Wärmetauscher durchsetzt.
Gasturbinen-Gebäudeheizungsanlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 16 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom nach dem Rekuperator (13) einen Schalldämpfer (20) durchsetzt.
Gasturbinen-Gebäudeheizungsanlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 17 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalldämpfer (20) nach dem zweiten Gas-Wasserwärmetauscher (21) angeordnet ist.
Gasturbinen-Gebäudeheizungsanlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 18 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass ein zentraler Regler (36) vorgesehen ist, der zu Regelungszwecken auf einen zwischen dem Generator (5) und dem allgemeinen Netz (24) geschalteten Frequenzumformer (25) und/oder einen Gasverdichter (Ölpumpe (16) und/oder eine Umwälzpumpe (32) und/oder das Aggregat 29 einwirken kann.
Gasturbinen-Gebäudeheizungsanlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 19 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder zweite Gastrubinstufe (1, 2) und/oder der Generator (5) mittels eines Gleitlagers gelagert ist.
Gasturbinen-Gebäudeheizungsanlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 20 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass eine zentrale Ölversorgung für die Gleitlager vorgesehen ist.