DE3139785A1

DE3139785A1 - "gasturbinenanlage zur erzeugung von hochtemperatur-prozesswaerme"

Info

Publication number: DE3139785A1
Application number: DE19813139785
Authority: DE
Inventors: Hansulrich 5223 Riniken Frutschi
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1980-11-25
Filing date: 1981-10-07
Publication date: 1982-07-15
Also published as: JPS57116134A; US4466249A; JPS6250650B2

Description

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Gasturbinenanlage zur Erzeugung von Hochtemperatur-Prozesswärme

Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenanlage zum Erzeugen von Hochtemperatur-Prozesswärme, insbesondere zur Kohlevergasung, mit mindestens einem aus einer Wärmequelle, einem Wärmeübertrager und einem Umwälzgebläse gebildeten Primärkreislauf, einem über diesen Wärmeübertrager verbundenen, aus mindestens einem Prozessgasverdichter, mindestens einem Prozesswärmeübertrager und einer Expansionsturbine gebildeten Sekundärkreislauf, sowie einem Antriebskreislauf mit einer Gasturbine, mindestens einem Kühler und einem Verdichter.

Für die endotherm ablaufende Umwandlung von Kohle in synthetisches Gas kann Nuklearenergie in vorteilhafter Weise als Versorgungsquelle von Prozesswärme verwendet werden. Jedoch kann das als Reaktorkühlmittel eines Hochtemperatur-Reaktors dienende Gas, vorzugsweise Helium, nicht direkt verwendet werden, obwohl für derartige Reaktoren ein Temperaturniveau von etwa 950° C als Entwicklungsziel angesehen wird. Um den Erfordernissen der Sicherheit sowie der Isolation des Prozesswärmeteiles einer solchen Anlage gerecht zu werden, insbesondere im Hinblick auf eine radioaktive Verseuchung* müsste ein Wärmeaustauscher vorgesehen werden. Für derartig hohe Temperaturen sind Wärmeaustauscher, welche den gestellten, hohen Sicherheitsanforderungen ent-

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sprechen, beim heutigen Stand der Technik gerade wegen metallurgischen Problemen nicht realisierbar.

Auch könnte das aus dem Prozesswärmeteil der Anlage austretende Helium, welches noch eine Temperatur von etwa 750⁰C aufweist, nicht als Reaktorkühlmittel äienen. Zur Erzielung einer realistischen Temperatur für die einzelnen Strukturteile, sowie für die Regel- und Abschaltstäbe müsste daher das Helium weiter bis auf 400 bis 300⁰C abgekühlt werden.

Eine Gasturbinenanlage der eingangs genannten Art ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 28 26 315 bekannt. Die Kühlgastemperatur am Austritt aus dem Reaktor ist bei der in Fig. 6 der Offenlegungsschrift gezeigten Schaltung so tief, dass das Gas ohne vorherige Expansion in den Wärmeübertrager des Primärkreises geleitet werden kann. Da zum Antrieb der Umwälzpumpe im Primärkreislauf und des Pro4 zessgasverdichters im Sekundärkreis mechanische Energie benötigt wird, ist innerhalb des Primärkreises ein eigener Antriebskreislauf in Form einerGasturbinenanlage inte-

griert. Diese aus Turbine, Verdichter, Generator und Kühler bestehende Gasturbinenanlage ist dabei so dimensioniert, dass ihre Leistung den Energiebedarf für die Strömungsmaschinen des Primär- und Sekundärkreislaufes deckt.

Diese Anlagenschaltung beinhaltet einige schwerwiegende Nachteile: Zunächst befinden sich alle Maschinen und Apparate des genannten Antriebskreislaufes im Nuklearkreis, was die Unterbringung und Wartung erschwert. Weiter muss die ganze Nutzenergie elektrisch erzeugt und dann mechanisch rückgewandelt werden, was verlustbehaftet ist und zudem grosse elektrische Maschinen bedingt. Ferner werden bei der Zusammenführung vom Antriebskreis in den Primärkreis

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Mischverluste hingenommen. Schliesslich sind thermodynamische Verluste dadurch unvermeidlich, dass die Expansionsturbine im Sekundärkreis nur ein geringes Druckverhältnis aufweisen kann, bedingt durch die hohe sekundärseitige Eintrittstemperatur des Prozessgases in den Wärmeübertrager .

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, den Primärkreislauf zu vereinfachen und damit den Zwang des gleichen Kreislaufmittels für Primär- und Antriebskreis zu entgehen.

Erfindungsgemäss wird dies bei einer Gasturbinenanlage der eingangs genannten Art durch die Kombination folgender Merkmale erreicht:

a) unmittelbar stromabwärts des Wärmeübertragers wird das in dessen Sekundärteil aufgeheizte Medium in einen Anteil Antriebsgas zum Betrieb des Antriebskreislaufes und einen Anteil Prozessgas für die eigentliche Prozesswärmeerzeugung im Sekundärkreis aufgeteilt;

b) nach Abgabe der im Prozessgasverdichter erzeugten Prozesswärme im Prozesswärmeverbraucherteil und darauffolgender Entspannung in der Expansionsturbine wird das Prozessgas an einer, einen mindestens annähernd gleichen thermodynamischen Zustand aufweisenden Einmündung in den Antriebskreislauf eingeführt;

c) das vereinigte und im Verdichter des Antriebskreislaufes komprimierte Antriebs- und Prozessgas wird vor dem Eintritt in den Sekundärteil des Wärmeübertragers in einem Rekuperator vorgewärmt;

d) die Expansionsturbine im Sekundärkreislauf treibt neben dem Prozessgasverdichter einen Generator an, der die für den Antrieb des Umwälzgebläses erforderliche elektrische Energie erzeugt.

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Der Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass neben der freien Wahl der Wärmequelle zu deren Kühlung neben der Gaskühlung auch Metallkühlung, beispielsweise durch flüssiges, druckloses Natrium, angewendet werden kann. Ferner sind viele Freiheitsgrade gegeben in der Einführung des entspannten Prozessgases in den Antriebskreislauf.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn das entspannte Prozessgas vor seiner Vereinigung mit dem Antriebsgas einen" Teil seiner Restwärme in einem Nachkühler oder dem Rekuperator abgibt.

Gemäss einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemässen Gasturbinenanlage ist der Antriebsgas-Massenstrom so bemessen, dass die damit beaufschlagte Gasturbine nur die für den Antrieb des den Kreislaufdruck erzeugenden Verdichters erforderliche Leistung erbringt.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der erfindungsgemässen Anlage vereinfacht dargestellt.

Es zeigt:

Fig. 1 .schematisch das Wärmeschaltbild einer erfindungsgemässen Gasturbinenanlage,

Fig. 2 eine vereinfachte Schaltung für niedrigere Prozesstemperatur,

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Energiebilanz der erfindungsgemässen Anlage.

Zum besseren Verständnis wird die Gasturbinenanlage anhand eines Zahlenbeispieles erläutert. Angenommen wird eine Anlage, bei der im Primärkreis und im Sekundärkreis ein Massenstrom von je 1000 kg/s einerseits Kühl-, andererseits Prozessgas zirkulieren, welche beim Wärmeaustausch beide unter einem Druck von 40 bar stehen.

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Im Primärkreis 1 befindet sich ein heliumgekühlter Reaktor mit einer thermischen Leistung von etwa 2140 MW als Wärmequelle 2. Das von einem über eine elektrische Maschine 6 angetriebene Umwälzgebläse 3 geförderte Kühlgas tritt mit etwa 800°C Temperatur in den Primärteil 4 eines Wärmeübertragers 5 ein, gibt darin seine Wärme ab und verlässt ihn mit etwa 37O⁰C. Die zur Förderung der Kühlgasmenge benötigte Energie beläuft sich auf etwa 90 MW.

Im Sekundärteil 7 des Wärmeübertragers 5 wird das Prozessgas auf ca. 76O°C aufgeheizt. Es bestehen somit nach heutigem Stand der Technik weder metallurgische noch konstruktive Probleme für die Herstellung eines solchen Wärmeaustauschers.

Nur etwas mehr als 40$ des durch den Wärmeübertrager strömenden Mediums werden im Sekundärkreis 19 zur Prozesswärme-Erzeugung, verwendet. Dieser Teilstrom wird durch die Verdichter 22 und 23 zweimal hintereinander auf die in den Prozesswärmeverbrauchern 24 und 25 verlangte Temperatur von etwa 95O°C verdichtet. Es versteht sich, dass die Temperaturen vor und hinter den beiden Verbrauchern 24 und 25 jeweils sowohl gleich als auch unterschiedlich gross gewählt werden können.

Das somit zweistufig auf etwa 85 bar verdichtete Prozessgas wird anschliessend nach Abgabe der eigentlichen Prozesswärme in einer Expansionsturbine 26 entspannt. Die hierdurch gewonnene Energie wird dazu benutzt, die beiden Verdichter 22 und 23 anzutreiben.

Zur notwendigen Kühlung der rotierenden Maschinen im Prozesskreislauf 19 sind Kühler 29, 29' und 30 vorgesehen. Unmittelbar stromabwärts der Verdichter 22 und 23 werden etwa je 3 % der komprimierten Gasmenge dem Hauptstrom ent-

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nommen und nach einer Abkühlung auf ca. 250⁰C den Verdichtern zu Kühlzwecken rückgeführt. Für die Turbine genügt hierzu eine 2 ?-ige Entnahme, welche im Kühler 30 ebenfalls auf etwa 25O⁰C herunter gekühlt wird.

Diese Kühlgasströme gehen ziemlich gewichtig in die thermodynamische Berechnung der ganzen Anlage ein und sind zusammen mit den im Kreislauf auftretenden Druckverlusten und den polytropen Maschinenwirkungsgraden zu berücksichtigen. So können im gezeigten Beispiel mit der in den Kühlern 29' und 30 anfallenden Wärme etwa 120 MW Prozessdampf von 50 bar Druck gewonnen werden. An eigentlicher Hochdrucktemperatur-Wärme können die Verbraucher 24 und 25 etwa 870 MW konsumieren.

Abgesehen von der oben erwähnten Mengenangabe für das Prozessmedium sind derartige Gasturbinenanlagen zur Prozesswärme-Erzeugung soweit bekannt.

Gemäss der Erfindung wird nun Jedoch in der Expansionsturbine 26 das Prozessgas sehr tief, beispielsweise auf etwa 13 bar entspannt. Hierbei fällt genügend Energie an, um in einem Generator 28 jene elektrische Energie zu erzeugen, die für den Antrieb 6 des im Primärkreises 1 befindlichen Umwälzgebläses 3 erforderlich ist. Das nun auf tiefsten Kreislaufdruck entspannte Prozessgas muss wiederum auf den für den Wärmeaustausch und die Eintrittsbedingungen des ersten Prozessgas-Verdichters 22 erforderlichen Zustand gebracht werden.

Dies geschieht erfindungsgemäss durch einen Antriebskreislauf 8, der dem Prozesskreislauf 19 als Antriebsquelle überlagert ist. Zum Aufbau des anfänglichen Kreislaufdruckes von 40 bar werden etwas weniger als 60 % des ge-

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samten, sekundärseitig im Wärmeübertrager aufgeheizten Mediums gebraucht.

Diese, vom eigentlichen Prozessgas abgetrennte Teilmenge wird in einer Gasturbine 10 unter Abgabe von mechanischer Leistung an die Welle 15 entspannt. Die verbleibende Turbinenabwärme von ca. M20 C wird zur Vorwärmung des die Sekundärseite des Wärmeübertragers 7 durchströmenden Mediums benutzt. Ueber den primären Strömungsweg 11 eines Rekuperators 12 gibt das Turbinenabgas demnach einen weiteren Teil seiner Wärme an den sekundären Strömungsweg 13 dieses Rekuperators ab und tritt dann mit 150 C in einen Vorkühler 14 ein, in dem es auf tiefstmögliche Temperatur abgekühlt wird.

Vom Druck her ist die Stelle 20 hinter dem Vorkühler 14 geeignet zur Vereinigung des eigentlichen Prozessgases mit dem Antriebsgas. Um Mischverluste zu vermeiden, muss hierzu das Prozessgas, das nach seiner Entspannung noch eine Temperatur von etwa 26O⁰C aufweist, in einem Nachkühler 21 ebenfalls tiefstmöglich rückgekühlt werden.

Der vereinigte Gasstrom wird nunmehr durch zwei auf der Gasturbinenwelle angeordnete Verdichter 16 und 17 unter Zwischenschaltung eines Zwischenkühlers 18 auf den Kreislaufdruck von 40 bar gebracht.

Es versteht sich, dass die in den Apparaten 14, 18 und anfallende Wärme ebenfalls verwendbar ist. Gemäss beschriebenem Beispiel werden hierbei, falls Fernwärme für Heizzwecke erzeugt wird, etwa 800 MW Fernwärme von 120/50 C nutzbar sein.

Damit ergibt sich eine totale Nutzung von 870 MW Hochtemperaturwärme plus 800 MW Fernwärme plus 120 MW Prozessdampf 50 bar = 1790 MW, was mehr als 80 % der thermischen

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Reaktorleistung von 2l40 MW entspricht.

In der Fig. 2 ist eine erfindungsgemässe Anlage einfacher ausgelegt. Anstelle eines Kernreaktors kann eine andere konventionelle Wärmequelle vorgesehen werden. Da hierbei die anfallenden Gastemperaturen wesentlich niedriger angenommen sind, wird sowohl im Antriebskreislauf 8, als auch im Sekundärkreislauf 19 lediglich jeweils ein Verdichter 16 bezw. 22, sowie nur ein Prozesswärmeverbraucherteil 24 vorgesehen.

Wenn beispielsweise kein Niederdruck-Prozessdampf erzeugt werden soll, kann an die Stelle des Nachkühlers 21 (Fig. 1) ein weiteres Strömungsteil 34 des Rekuperators 12 treten. Es besteht auch die Möglichkeit, anstelle des einen Rekuperators 12 deren zwei so anzuordnen (nicht dargestellt), dass beim ersten Rekuperator dessen primärer Strömungsteil 11 als Primärteil arbeitet und dessen Sekundärteil 13 vom Gas des Antriebskreislaufes 8 durchströmt wird, während beim zweiten Rekuperator der Strömungsteil 34 als Primärteil dient und der Sekundärteil vom Gas des Sekundärkreislaufes durchströmt wird. Durch diese Massnahme kann die verfügbare Prozesswärme gesteigert werden.

Für die in Fig. 1 gezeigte Schaltung , bei welcher für die Gasturbine 10 ein Entspannungsverhältnis von 3:1 angenommen wurde und die üblichen Kreislaufdruckverluste und Turbinenwirkungsgrade zugrunde gelegt werden, ergibt sich bei variabler Gaseintrittstemperatur in die Verdichter 16 und 17 die in der Fig. 3 dargestellte Energiebilanz. Auf der Abzisse sind die Verdichtereintritts-Temperaturen t in (⁰C) aufgetragen, auf der Ordinate die Energie in (%). Bei tief3tmöglicher Kühlung auf ca. 1O⁰C fallen etwa 40 % Hochtemperatur-Prozesswärme A mit 950 - 750⁰C, etwa

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5 ί Hochdruck- (Prozess-) Dampf B von 50 bar, etwa 10 % Niederdruck- (Prozess-) Dampf C von 5 bar, sowie etwa 25 % Heiz- (Pern-) Wärme D mit 110/50⁰C an und die Verluste E betragen etwa 20 %. Es wird eine Gesamtnutzung der thermischen Reaktorleistung von etwa 80 % erzielt. In Abhängigkeit von den Verdichter-Eintrittstemperaturen verändern sich die Prozentzahlen entsprechend. Wenn jedoch beispielsweise ein Fernheiznetz die alleinige Wärmesenke darstellt, so verändern sich die Anteile der Prozesswärme A undder Heizwärme D wesentlich, und zwar auf ca. 32 % Prozesswärme A von 950/750⁰C und annähernd 50 % Fern-(Heiz-)Wärme D. Die energetische Reaktornutzung beträgt ca, 95 *.

Der Anfahrvorgang der Anlage kann mittels einer auf die Gasturbine 10 wirkendei elektrischen Maschine (nicht dargestellt) in bekannter Weise erfolgen. Für die Anpassung des Sekundärkreislaufes an die jeweils erforderliche Prozesswärmeleistung können ebenfalls die für die Regelung von Gasturbinen mit geschlossenem Kreislauf vorbekannten Massnahmen vorgesehen werden, wie z.B. die Veränderung der Gasfüllmenge im Sekundärkreislauf 19, sowie Verdichterrückfluss im Antriebskreislauf 8. Während dabei im ersten Fall die thermodynamischen Verhältnisse für den gesamt⁰¹¹ Leistungsbereich gleich bleiben, bewirkt die zweite Methode, d.h. Verdichter-Rückfluss im Antriebskreislauf 8 eine Verringerung der Maschinendrehzahlen und eine entsprechende Abnahme der Druckverhältnisse.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. So können anstelle von Helium als Kreislaufgas selbstverständlich auch andere Gase, wie Stickstoff oder Kohlendloxyd verwendet werden. Im Primärkreislauf 1 könnte auch ein

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flüssiges Kühlmittel, beispielsweise Salz oder ein Metall verwendet werden.

In Abweichung zur in der Pig. I gezeigten Anordnung des Generators 28 könnte dieser von der Gasturbine 10 des Antriebskreislaufes 8 angetrieben werden (strichliert dargestellt).

Es versteht sich, dass auch das Expansionsverhältnis beider Gasturbinen, sowie die Anzahl der Verdichter und Zwischenkühlungen variiert werden kann.

Nicht aus dem Rahmen der Erfindung fallen auch andere Schaltungen, sofern sie von der Erfindungsidee Gebrauch machen, d.h. eine Parallelschaltung von zwei gasseitig miteinander verbundenen Gasturbinensystemen, wobei das eine System mit Hilfe der Reaktorleistung ein Druckgefälle aufbaut, welches seinerseits das andere, als Wärmepumpe gedachte System antreibt.

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Bezeichnungsliste

1	Primärkreislauf
2	Kernreaktor / Wärmequelle
3	Umwälzgebläse
4	Primärteil
5	Wärmeübertrager
6	Antriebsmotor
7	Sekundärteil
8	Antriebskreislauf
10	Gasturbine
11	primärer Strömungsteil
12	Rekuperator
13	sekundärer Strömungsteil
14	Vorkühler
15	Welle
16,17	Verdichter
18	Zwischenkühler
19	Sekundärkre islauf
20	Einmündung
21	Nachkühler
22,23	Prozessgas-Verdichter
24,25	Prozesswärme-Verbraucherteile
26	Expansionsturbine
27	Welle
28	Generator
29 )
29· )	Kühler
30 .)

34 Strömungsteil

A Prozesswärme

B Hochdruckdampf

C Niederdruckdampf

D Fernwärme

E Verluste

L θ e r s θ i t θ

Claims

Patentansprüche

l.j Gasturbinenanlage zum Erzeugen von Hochtemperatur-Prozesswärme, insbesondere zur Kohlevergasung, mit mindestens einem aus einer Wärmequelle (2), einem Wärmeübertrager (5) und einem Umwälzgebläse (3) gebildeten Primärkreislauf (1), einem über diesen Wärmeübertrager (5) verbundenen, aus mindestens einem Prozessgasverdichter (22,23), mindestens einem Prozesswärmeübertrager (24,25) und einer Expansionsturbine (26) gebildeten Sekundärkreislauf (19), sowie einem Antriebskreislauf (8) mit einer Gasturbine (10), mindestens einem Kühler (14,18) und einem Verdichter (16,17), gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) unmittelbar stromabwärts des Wärmeübertragers (5) wird das in dessen Sekundärteil (7) aufgeheizte Medium in einen Anteil Antriebsgas zum Betrieb des Antriebskreislaufes (8) und einen Anteil Prozessgas für die eigentliche Prozesswärme-Erzeugung im Sekundärkreis (19) aufgeteilt;

b) nach Abgabe der im Prozessgasverdichter (22,23) erzeugten Prozesswärme im Prozesswärmeverbraucherteil (24,25) und darauffolgender Entspannung in der Expansionsturbine (26) wird das Prozessgas an einer, einen mindestens annähernd gleichen thermodynamischen Zustand aufweisenden Einmündung (20) in den Antriebskreislauf (8) eingeführt;

c) das vereinigte und im Verdichter (16,17) des Antriebskreislaufes (8) komprimierte Antriebs- und Prozessgas wird vor dem Eintritt in den Sekundärteil (7) des Wärmeübertragers (5) in einem Rekuperator (12) vorgewärmt;

d) die Expansionsturbine (26) im Sekundärkreislauf (19) treibt neben dem Prozessgasverdichter (22,23) einen Generator (28) an, der die für den Antrieb des Umwälzgebläses (3) erforderliche elektrische Energie erzeugt.
2. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das entspannte Prozessgas vor seiner Vereinigung mit dem Antriebsgas einen Teil seiner Restwärme in einem Nachkühler (21) oder dem Rekuperator (12) abgibt.
3. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsgas-Massenstrom so bemessen ist, dass die damit beaufschlagte Gasturbine (10) nur die für den Antrieb des den Kreislaufdruck erzeugenden Verdichters (16,17) erforderliche Leistung erbringt.