DE19913681A1 - Method for generating electrical energy in a gas turbine process - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie in einem Gasturbinenprozeß, bei dem Frischluft in einem Luftverdichter verdichtet, in einer Brennkammer erhitzt und anschließend in einer Gasturbine arbeitsleistend ent spannt wird, wobei ein Teil der gewonnenen Energie zum Antrieb des Luftverdich ters verbraucht und der Rest in elektrische Nutzenergie umgewandelt wird.The invention relates to a method for generating electrical energy in one Gas turbine process in which fresh air is compressed in an air compressor in one Combustion chamber heated and then working in a gas turbine is tensioned, with part of the energy obtained for driving the air compression ters consumed and the rest is converted into useful electrical energy.
Die nutzbare elektrische Leistung eines Gasturbinenprozesses und damit auch dessen Wirkungsgrad ist u. a. nicht unwesentlich abhängig vom Energiebedarf zum Verdichten der als Reaktionspartner für die Verbrennungsreaktionen in der Brenn kammer und als Arbeitsmittel für die Gasturbine benötigten Frischluft von etwa atmosphärischen Druck auf den Eingangsdruck der Gasturbine.The usable electrical power of a gas turbine process and therefore also whose efficiency is u. a. not insignificantly dependent on the energy requirement for Compress the reaction partner for the combustion reactions in the furnace chamber and as a working medium for the gas turbine required fresh air of about atmospheric pressure to the inlet pressure of the gas turbine.
Dabei ist aus thermodynamischen Gründen die aufzuwendende Verdichtungsarbeit um so größer je höher die Eingangstemperatur der zu verdichtenden Frischluft ist.For thermodynamic reasons, the compression work to be done the higher the inlet temperature of the fresh air to be compressed, the greater.
Aus diesem Grunde wurde auch bereits vorgeschlagen, in Gasturbinenkreisläufen die benötigte Frischluft vor der Verdichtung zu kühlen. Die Kühlung selbst erfolgt in sogenannten Verdunstungskühlern, wobei Wasser in die Frischluft eingespritzt und die für die Verdunstung des Wassers benötigte Verdampfungswärme der sich dabei abkühlenden Frischluft entzogen wird.For this reason, it has already been proposed in gas turbine circuits to cool the required fresh air before compression. The cooling itself takes place in So-called evaporative coolers, where water is injected into the fresh air and the heat of vaporization required for the evaporation of the water cooling fresh air is withdrawn.
Bei diesen bekannten Systemen, die oberhalb des Taupunktes der befeuchteten Frischluft arbeiten, hängt die Menge des verdunsteten Wassers und damit auch die erreichbare Kühlleistung ab von der Eingangstemperatur der Frischluft und deren Eingangsfeuchte, d. h. also, von den jeweiligen Witterungsbedingungen. Damit er gibt sich aber auch zwangsläufig, daß eine klar definierte Kühlung der Frischluft unabhängig von Witterungsbedingung auf eine konkret vorgegebene Temperatur nach dem bekannt gewordenen Stand der Technik nicht möglich ist. In these known systems, the humidified above the dew point Working fresh air depends on the amount of water evaporated and thus also the achievable cooling capacity from the inlet temperature of the fresh air and its Input moisture, d. H. So, from the respective weather conditions. So that he but there is also inevitably that a clearly defined cooling of the fresh air regardless of the weather conditions to a specifically specified temperature according to the known state of the art is not possible.
Dies dürfte auch der Grund dafür sein, daß die beschriebene Art der Frischluft kühlung bisher keinen allgemeinen Eingang in die Technik der Stromerzeugung in Gasturbinenanlagen gefunden hat.This should also be the reason why the type of fresh air described cooling so far no general input in the technology of power generation in Has found gas turbine plants.
Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, in einem Gasturbinenprozeß den Energieverbrauch eines Luftverdichters merklich zu reduzieren und somit den Gesamtwirkungsgrad der Gasturbinenanlage deutlich zu erhöhen.The invention is therefore based on the object in a gas turbine process to significantly reduce the energy consumption of an air compressor and thus the To significantly increase the overall efficiency of the gas turbine system.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der Eingangs genannten Art erfindungs gemäß dadurch gelöst, daß die Frischluft vor Eintritt in den Luftverdichter im Wärmetausch mit einem Kälteträger auf eine Temperatur von ≦ 10°C, vorzugs weise etwa 5°C, abgekühlt und das dabei auskondensierende Wasser vor Eintritt der Frischluft in den Verdichter aus dieser zumindest teilweise abgetrennt wird.This task is fiction, in a method of the type mentioned solved according to that the fresh air before entering the air compressor in Heat exchange with a coolant to a temperature of ≦ 10 ° C, preferably about 5 ° C, cooled and the water that condenses out before entry the fresh air is at least partially separated from the compressor.
Durch die vorgeschlagene Behandlung der zu verdichtenden Frischluft eines Gas turbinenprozesses, nämlich zunächst eine Kühlung der Frischluft auf ein konstantes Eingangstemperaturniveau von < 10°C, vorzugsweise auf etwa 5°C, vorzunehmen und gleichzeitig das auskondensierende Wasser aus der zu verdichtenden Frischluft abzuscheiden, ergibt sich die Möglichkeit, den Luftverdichter unabhängig von den jeweiligen Witterungsbedingungen zu betreiben. Im Grunde kann damit unabhängig von Jahreszeiten mit entsprechenden Temperatur- und Feuchteschwankungen der Verdichter konstant im optimalen "Winterbetrieb" gefahren werden.Through the proposed treatment of the fresh air to be compressed in a gas turbine process, namely first cooling the fresh air to a constant Entry temperature level of <10 ° C, preferably to about 5 ° C, to make and at the same time the condensing water from the fresh air to be compressed separating, there is the possibility to separate the air compressor from the to operate the respective weather conditions. Basically it can do so independently of seasons with corresponding temperature and humidity fluctuations Compressors are constantly operated in optimal "winter operation".
Die Kühlung der zu verdichtenden Frischluft erfolgt im Wärmetausch mit einem Kälteträger, der zweckmäßigerweise eine Temperatur ≦ 7°C, vorzugsweise etwa 2°C, aufweist.The cooling of the fresh air to be compressed takes place in the heat exchange with a Refrigerant, which expediently a temperature ≦ 7 ° C, preferably about 2 ° C.
Die erfindungsgemäß vorgesehene Abscheidung des im Zuge der Abkühlung der Frischluft auskondensierenden Wassers kann mittels marktüblicher Tropfenab scheider erfolgen.The inventive separation of the in the course of cooling the Fresh water that condenses out fresh air can be removed using commercially available drops separator.
Der Wärmetausch zwischen Frischluft und dem Kälteträger kann sowohl indirekt als auch direkt durchgeführt werden. The heat exchange between fresh air and the coolant can be both indirect and can also be carried out directly.
Im Falle der indirekten Kühlung wird zum Transport der benötigten Kälte zweck mäßigerweise ein geschlossener Kältekreislauf vorgesehen, in dem die Kälte mittels des zirkulierenden Kälteträgers vom Ort der Erzeugung zum Ort des Verbrauchs transportiert wird.In the case of indirect cooling, the required cold is used to transport the cold moderately a closed cooling circuit is provided, in which the cold means of the circulating refrigerant from the place of generation to the place of consumption is transported.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung erweist es sich jedoch als besonders vorteilhaft, als Kälteträger gekühltes Wasser vorzusehen und die Kälte im direkten Wärmetausch auf die Frischluft zu übertragen. Zweckmäßigerweise erfolgt dabei die Übertragung der Kälte in einem Rieselkühler entweder im Gegenstrom oder auch im Querstrom zu der zu kühlenden Frischluft.According to a further feature of the invention, however, it proves to be special advantageous to provide chilled water as a coolant and the cold in direct Transfer heat exchange to the fresh air. This is expediently carried out Transfer of cold in a trickle cooler either in counterflow or in Cross flow to the fresh air to be cooled.
Aufgrund des erfindungsgemäß sowieso vorgesehenen Tropfenabscheiders ist der direkte Wärmetausch zwischen Frischluft und kaltem Wasser nicht mit zusätzlichen Nachteilen hinsichtlich mitgeführter Wassertröpfchen belastet, da diese ebenfalls im Tropfenabscheider aus der Frischluft abgeschieden werden.Because of the droplet separator provided anyway according to the invention, the direct heat exchange between fresh air and cold water not with additional Disadvantages with regard to entrained water droplets, since these are also in the Droplet separators can be separated from the fresh air.
Durch den direkten Wärmetausch können die Vorteile eines besonders guten Wärmeüberganges von der Frischluft auf den Kälteträger Wasser voll genutzt werden. Hinzu kommt, daß durch den innigen Kontakt zwischen Kühlwasser und Frischluft im Rieselkühler gleichzeitig mitgeführte Verunreinigungen, wie z. B. Staub partikel, aus der Frischluft ausgewaschen werden, was zu weiteren Vorteilen im Hin blick auf den Betrieb der zur Verdichtung der Frischluft eingesetzten Hochleistungs verdichter führt. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren kann damit neben der Funk tion "Kühlung der Verdichterluft" auch die Funktion "Reinigung der Verdichterluft" erfüllt werden. Vorhandene Luftfilter können damit entlastet werden bzw. ggfs. ganz entfallen. Es ist ebenfalls denkbar, daß der Luftkühler die Funktion eines Schall dämpfers für die Gasturbinenanlage übernimmt.Through the direct heat exchange, the advantages of a particularly good one Heat transfer from the fresh air to the coolant water fully used become. In addition, the intimate contact between the cooling water and Fresh air in the trickle cooler entrained at the same time, such as. B. dust particles from which fresh air is washed out, which leads to further advantages view of the operation of the high-performance used to compress the fresh air condenser leads. With the proposed method, in addition to radio tion "cooling the compressor air" also the function "cleaning the compressor air" be fulfilled. Existing air filters can thus be relieved or, if necessary, completely omitted. It is also conceivable that the air cooler functions as a sound damper for the gas turbine plant.
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren bei dem ja auskondensierendes Wasser aus der verdichteten Frischluft abgeschieden wird, besteht die vorteilhafte Möglichkeit, das hiermit gewonnene Wasser als Brauchwasser oder als Trinkwasser für anlagen interne oder anlagenexterne Anwendungen zu nutzen. With the proposed method for the water condensing out the compressed fresh air is separated, there is the advantageous possibility the water thus obtained as process water or as drinking water for systems to use internal or external applications.
Zur Abkühlung des Kälteträgers auf das genannte Temperaturniveau kann im Grunde jede geeignete Kältemaschine eingesetzt werden.To cool the coolant to the temperature level mentioned in Basically any suitable chiller can be used.
Besonders dann, wenn aus einer geeigneten Wärmequelle Wärme unter einem Temperaturniveau zwischen etwa 80 und 110°C kostengünstig zur Verfügung steht, erweist es sich jedoch als besonders vorteilhaft, die Abkühlung des Kälteträgers in einer Hochleistungsabsorptionskältemaschine vorzunehmen. Derartige Absorp tionskältemaschinen zeichnen sich einerseits zwar durch einen relativ hohen Wärmebedarf, andererseits aber auch durch einen niedrigen Strombedarf aus, so daß immer dann, wenn Wärme, z. B. in Form von industrieller Abwärme, auf ge eignetem Temperaturniveau zur Verfügung steht, sich der Einsatz derartiger Kältemaschinen als wirtschaftlich sehr vorteilhaft erweist.Especially when heat from a suitable heat source Temperature level between about 80 and 110 ° C is available inexpensively, However, it proves to be particularly advantageous to cool the refrigerant in a high-performance absorption refrigerator. Such absorber chillers are characterized on the one hand by a relatively high level Heat demand, but also from a low power requirement, so that whenever heat, e.g. B. in the form of industrial waste heat, on ge suitable temperature level is available, the use of such Chillers proved to be economically very advantageous.
Nach einem weiteren besonders vorteilhaften Merkmal der Erfindung, wird der Wärmebedarf der Absorptionskältemaschine mittels Abwärme aus dem Gasturbinen prozeß selbst gedeckt, indem zumindest ein Teil der im heißen Gasturbinenabgas noch enthaltenen Restwärme in die Absorptionskältemaschine eingekoppelt wird.According to a further particularly advantageous feature of the invention, the Heat of the absorption chiller using waste heat from the gas turbine process itself covered by at least part of the hot gas turbine exhaust residual heat still contained is coupled into the absorption refrigerator.
Die Auskoppelung und Übertragung der Gasturbinenabgaswärme in die Absorp tionskältemaschine erfolgt zweckmäßigerweise mittels eines geschlossenen Wärme trägerkreislaufes, in dem sowohl gasförmige, wie z. B. Luft, als auch flüssige Wärmeträger, wie z. B. Wasser, Thermoöl, als auch Wärmeträger, die einem perio dischen Phasenwechsel unterzogen werden, verwendet werden können.The decoupling and transfer of the gas turbine exhaust gas heat into the absorber tion refrigeration machine is expediently carried out by means of a closed heat carrier circuit in which both gaseous, such. B. air, as well as liquid Heat transfer media such as B. water, thermal oil, as well as heat transfer medium, the perio phase changes can be used.
Im Zusammenhang mit kombinierten Gas- und Dampfkraftwerken, bei denen die Restwärme der Gasturbine in einem Abhitzekessel zur Erzeugung von hochge spanntem Dampf in einem Dampfturbinenkreislauf genutzt wird, kann selbstver ständlich die für den Betrieb der Absorptionskältemaschine benötigte Wärme auch an geeigneter Stelle aus dem Wasser-/Dampfkreislauf der Dampfturbine ausge koppelt werden. Beispielsweise kann die benötigte Wärme aus Frischdampf, An zapfdampf und/oder aus heißem Kondensat bzw. Speisewasser gewonnen werden. In connection with combined gas and steam power plants, in which the Residual heat of the gas turbine in a waste heat boiler to generate hochge steam is used in a steam turbine cycle, can verver the heat required for the operation of the absorption chiller at a suitable point from the water / steam cycle of the steam turbine be coupled. For example, the heat required from live steam, An tap steam and / or from hot condensate or feed water.
Bei Vorhandensein geeigneter Infrastrukturen kann es sich selbstverständlich sehr zweckmäßig erweisen, die benötigte Wärme für die Absorptionskältemaschine aus einem Femwärmesystem auszukoppeln. Auf diese Weise kann dem diskontinuier lichen Fernwärmebedarf - wenig Bedarf im Sommer, großer Bedarf im Winter - in geeigneter Weise gegengesteuert werden, da gerade umgekehrt die benötigte Kühlleistung und damit der Wärmebedarf für die Absorptionskältemaschine im Sommer wesentlich größer ist als im Winter.If suitable infrastructures are available, it can of course be very prove useful, the heat required for the absorption refrigerator decouple a remote heating system. In this way, the discontinuous district heating demand - little need in summer, big need in winter - in can be counteracted in a suitable manner, since just the opposite is required Cooling capacity and thus the heat requirement for the absorption refrigerator in Summer is much larger than in winter.
Ein weiterer, insbesondere für die Nutzung in wärmeren Regionen der Erde interessanter Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, den Wärme bedarf für die Absorptionskältemaschine mittels thermisch umgesetzter Solarenergie zu decken.Another one, especially for use in warmer regions of the world interesting aspect of the method according to the invention is the heat required for the absorption chiller by means of thermally converted solar energy cover up.
Beispielsweise wird hierbei im Focus eines entsprechend ausgelegten Spiegel systems Sonnenenergie gebündelt und dabei ein geeigneter Wärmeträger aufge heizt. Über den im Kreislauf geführten Wärmeträger wird die aufgenommene Solar energie dann in die Absorptionskältemaschine eingekoppelt. Selbstverständlich kann die benötigte Solarenergie aber auch mittels herkömmlicher Sonnenkollek toren, wie sie z. B. zur Gewinnung von Warmwasser im Wohnbereich zum Einsatz kommen, gewonnen werden.For example, the focus is on a mirror designed accordingly systems bundled solar energy and thereby a suitable heat transfer medium heats. The absorbed solar energy is circulated through the heat transfer medium energy then coupled into the absorption chiller. Of course can also use the required solar energy using conventional solar panels goals such as B. for the production of hot water in the living area for use come, be won.
Durch diese Verfahrensvarianten gelingt es auf einfache Weise, günstig zur Ver fügung stehende Solarenergie zur Erhöhung des Wirkungsgrades eines herkömm lichen Gasturbinenprozesses in vollem Umfang zu nutzen, also praktisch ein solar thermisches Kraftwerk darzustellen.Through these process variants, it is possible in a simple manner, inexpensively to Ver standing solar energy to increase the efficiency of a conventional full use of the gas turbine process, i.e. practically a solar to represent thermal power plant.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8143 | Withdrawn due to claiming internal priority |