WO2008065036A1 - Verfahren zum betrieb eines kraftwerks mit gasturbine mit einem halbgeschlossenen rekuperierten co2-gasturbinen-kreisprozess sowie kraftwerk zur durchführung des verfahrens - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to the field of gas turbine power plants. It relates to a method for operating a power plant according to the preamble of claim 1.
- the excess gas deposited in these processes contains not only the desired CO2 but also other gases such as oxygen, nitrogen, argon, etc., which usually have to be separated. This is best possible if the CO2 is condensed out below its critical temperature and critical pressure. If a maximum pressure above the critical pressure of CO2 is used, this has the disadvantage that the excess gas must first be relieved to this pressure, which is associated with unavoidable losses.
- the essence of the invention is in a semi-closed recuperated CO2 gas turbine cycle in which a working fluid containing CO2 is compressed in a first step, in a second step, the compressed working fluid in a combustion chamber by the combustion of a fuel is heated in pure oxygen to form CO2 and H2O, in a third step, the heated working fluid is expanded in a turbine, is removed in a fourth step the relaxed working fluid in a recuperator heat, wherein the heat extracted to the compressed working fluid and the pure oxygen is passed, which flow through the recuperator in countercurrent, and in a fifth step, the recirculating from the recuperator working fluid is recirculated for recompression, and wherein from the compressed working fluid continuously removed CO2, a turbine inlet temperature between 800 0 C and 1150th 0 C provide.
- An embodiment of the invention is characterized in that the working fluid is compressed in two stages with intermediate cooling, that the heat extracted from the working fluid in the recuperator is also transferred to the fuel, which flows through the recuperator in countercurrent, and that the pressure ratio in the range between 3 and 8 lies.
- Another embodiment of the invention is characterized in that the recuperation of the heat contained in the working fluid in the recuperator is reduced, and that the pressure ratio is in the range between 2 and 4.
- a further embodiment of the invention is characterized in that the working fluid is compressed without intercooling, and that the pressure ratio is in the range between 2 and 6.
- the maximum pressure reached after the compression of the working fluid is selected in the range between 40 bar and the critical pressure of CO2.
- An embodiment of the power plant according to the invention is characterized in that in the recuperator the recuperated heat is transferred only to the compressed working fluid and the oxygen flow conducted to the combustion chamber.
- recuperator Another embodiment is characterized in that in the recuperator the recuperated heat is also transferred to a fuel guided to the combustion chamber, and that the fuel and / or oxygen are passed only on a partial route through the recuperator.
- FIG. 1 shows the prior art simplified plant schematic of a gas turbine power plant operating in a half-closed recuperated CO2 gas turbine cycle with 4-fluid recuperator
- FIG. 2 shows a scheme comparable to FIG. 1 for a version of the cycle in which three fluids flow through the recuperator
- FIG. FIG. 3 shows a scheme comparable to FIG. 2 for a version of the cyclic process with a reduced total heat capacity of the fluids to be heated, which are led out of the recuperator partly before the hot end of the recuperator;
- FIG. 4 shows a diagram for the design possibilities of the semi-closed recuperated CO2 process with an intermediate cooling in the compressor, which is valid for an arrangement according to FIG. 1; and
- FIG. 5 shows, in a diagram comparable to FIG. 4, the design possibilities of the semi-closed recuperated CO 2 process without intermediate cooling in the compressor.
- Fig. 1 is shown as a reference arrangement, the simplified system diagram of a power plant with a gas turbine, which operates in a semi-closed recuperated CO2 gas turbine cycle.
- the scheme is known from the initially mentioned article by YO Enge, M. Wirsum, HE Wettstein, "The Potential of Recuperated Semiclosed CO2 Cycles", Proceedings of ASME Turbo Expo 2006, GT2006-90888 (see Fig. 1 there).
- the power plant 10 of FIG. 1 comprises a gas turbine 13 which contains on a shaft a low-pressure compressor 15, a high-pressure compressor 17, a combustion chamber 18 and a turbine 19.
- the gas turbine 13 drives a generator 14, which is housed in a generator cell 12.
- an intercooler 16 is arranged, which is flowed through by cooling water 29 and the heat extracted from the compressed fluid.
- the compressed fluid 34 passes through a recuperator 21 in the opposite direction and is further heated in the combustion chamber 18 by heated fuel 23 and oxygen 33 from an air separation unit 26 in the recuperator 21, injected into the combustion chamber 18 and converted by combustion in hot gas. This essentially produces CO2 and H2O.
- the heated fluid from the combustor 18 is relaxed in the downstream turbine 19 under power and then flows through a diffuser 20 in the forward direction through the recuperator 21, where it delivers heat to the oncoming flows of oxygen, fuel, and compressed fluid.
- a condenser 25 is arranged, which is flowed through by cooling water 27 and further cools the fluid.
- a CO2 extraction 24 can take place at low pressure.
- condensate outlet 28 condensate can be removed.
- the fluid emerging from the condenser 25 flows within a pressure vessel 11 enclosing the gas turbine plant back to the inlet of the low-pressure compressor 15, whereby the circuit is closed.
- a CO2 extraction 31 at high pressure takes place at the outlet of the high-pressure compressor 17.
- FIG. 1 A comparable diagram for a process without intermediate cooling in the compressor is shown in FIG. 1
- Compressor have a turbine inlet temperature between 800 and 1150 0 C. To low inlet temperatures are uninteresting, since then the Leis- density falls too low. This applies to a reference arrangement according to Fig. 1. - Optimal pressure ratios are in the range of 3 to 8 with a tendency to higher values when the inlet temperature in the upper part of the band from 800 to 1150 0 C, and vice versa. At even higher
- the maximum pressure of the process (which is achieved after compression) is advantageously selected in the interval from 40 bar to the critical pressure of CO2. This has the advantage that the separated CO2 can easily be separated by condensation from the non-condensable gases, and can be supplied in pure form to its further use.
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Abstract
Bei einem Verfahren zum Betrieb eines Kraftwerks (10), welches mit einer Gasturbine (13) ausgestattet ist und mit einem halbgeschlossenen rekuperierten CO2-Gasturbinen-Kreisprozess betrieben wird, wird ein CO2 enthaltendes Arbeitsfluid in einem ersten Schritt (16) verdichtet, in einem zweiten Schritt das verdichtete Arbeitsfluid in einer Brennkammer (18) durch die Verbrennung eines Brennstoffs (23) mit reinem Sauerstoff (33) unter Bildung von CO2 und H2O erhitzt, in einem dritten Schritt das erhitzte Arbeitsfluid in einer Turbine (19) entspannt, in einem vierten Schritt dem entspannten Arbeitsfluid in einem Rekuperator (21) Wärme entzogen, wobei die entzogene Wärme auf das verdichtete Arbeitsfluid und den reinen Sauerstoff (33) übertragen wird, welche den Rekuperator (21) im Gegenstrom durchströmen, und in einem fünften Schritt das aus dem Rekuperator (21) austretende Arbeitsfluid zur erneuten Verdichtung zurückgeführt, wobei aus dem verdichteten Arbeitsfluid CO2 entnommen wird. Eine Optimierung des Prozesses wird dadurch erreicht, dass der Prozess bei einer Turbineneintrittstemperatur zwischen 800°C und 1150°C und mit einem Druckverhältnis zwischen 3 und 8 gefahren wird.
Description
VERFAHREN ZUM BETRIEB EINES KRAFTWERKS MIT GASTURBINE MIT
EINEM HALBGESCHLOSSENEN REKUPERIERTEN CO2-GASTURBINEN-
KREISPROZESS SOWIE KRAFTWERK ZUR DURCHFÜHRUNG DES
VERFAHRENS
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Gasturbinenkraftwerke. Sie betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Kraftwerks gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
STAND DER TECHNIK
Im Zuge der globalen Erwärmung, die massgeblich durch den Anstieg der Konzentration des Treibhausgases CO2 aufgrund der Verbrennung von fossilen Brennstoffen zurückgeführt wird, werden vermehrt Vorschläge gemacht, in Kraftwerken das bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe entstehende CO2 aus den Abgasen abzutrennen und in einer geeigneten Weise zu deponieren.
Bei Kraftwerken, in denen stationäre Gasturbinen im Einsatz sind, sind bereits verschiedene Vorschläge zu einem halbgeschlossenen rekuperierten CO2-Gasturbi- nen-Kreisprozess gemacht worden (siehe z.B. die Druckschriften EP-A1 -0 939 199 oder EP-A1 -0 953 748). Eine verwandte Ausführung ist im Artikel von E. lantovski, Ph. Mathieu, „Highly efficient zero emmissionCO2-based Power plant", Pergamon, Energy Conversion management Vol. 38 Suppl. Pp S141 -S146, 1997 Elsevier Science Ltd., dargestellt. Eine Nachfolgepublikation dazu ist der Artikel von Mathieu, Ph.; Niehart, R. "Zero Emission Matiant cycle", ASME Turbo Expo 1998, 98-GT-383. Weitere Ausführungen sind im Konferenzvortrag von Y. O.
Enge, M. Wirsum, H. E. Wettstein, „The Potential of Recuperated Semiclosed CO2
Cycles", Proceedings of ASME Turbo Expo 2006, GT2006-90888, beschrieben worden.
Weitere Vorschläge sind aus den Druckschriften US-A1 -2004/0134197, US-B1 - 6,532,745, W0-A1 -99/63210 und WO-A1 -2004/044388 bekannt.
Die vorgenannten Publikationen geben keine Evidenz, für welche Drücke und Turbineneintrittstemperaturen besonders vorteilhafte Ausführungen entwickelt werden können. Während die Publikationen von E. lantovski, Ph. Mathieu und von Mathieu, Ph.; Niehart, R. einen Maximaldruck von 300 bar, ein Druckverhältnis von bis zu 300 und eine Turbineneintrittstemperatur (TIT) von 13000C vorschlagen, behandelt die Arbeit von Y. O. Enge, M. Wirsum, H. E. Wettstein einen Referenzfall mit einer Zwischenkühlung im Kompressor, einem Maximaldruck von 60 bar, einem Druckverhältnis von 4 und einer Turbineneintrittstemperatur von 9500C. Diese Arbeit erwähnt Druckverhältnisse bis 10 und Turbineneintrittstemperaturen bis zu 1070°C. Weiter sind in den Publikationen von E. lantovski, Ph. Mathieu und von Mathieu, Ph.; Niehart, R. eine Kompression mit mehreren Zwischenkühlungen und CO2-Kondensation sowie eine Expansion mit mehreren Zwischenerhitzungen vorgeschlagen. Das ist thermodynamisch attraktiv, aber technisch und kommer- ziell nicht beherrschbar. Zudem ist die dort vorgesehene Turbineneintrittstemperatur von 13000C weit über dem heute gebräuchlichen Niveau von Dampfturbinen von bis zu 600°C. Eine Schlussfolgerung für die optimalen Bereiche kann damit nicht gezogen werden. In offenen Gasturbinen werden heute Turbineneintrittstemperaturen von bis zu ca. 1300°C (sogenannter Mischwert) verwendet. So hohe Werte erfordern aber hohe Anteile von Kühlluftspülung der Schaufeln, welche sich im rekuperierten Prozess für den Wirkungsgrad als schädlicher erweisen, als der Vorteil der höheren Turbineneintrittstemperatur.
Das in diesen Prozessen abgeschiedene Überschussgas enthält neben dem ge- wollten CO2 auch andere Gase wie Sauerstoff, Stickstoff, Argon etc., die meistens abgeschieden werden müssen. Das ist am besten möglich, wenn das CO2 unter seiner kritischen Temperatur und seinem kritischen Druck auskondensiert wird.
Wenn ein Maximaldruck, der über dem kritischen Druck von CO2 liegt, verwendet wird, hat das den Nachteil, dass das Überschussgas zuerst auf diesen Druck entspannt werden muss, was mit unvermeidlichen Verlusten verbunden ist.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen halbgeschlossenen rekuperierten CO2- Gasturbinen-Kreisprozess anzugeben, welcher die Nachteile vorbekannter Pro- zesse vermeidet und sich durch optimierte Prozessparameter auszeichnet, sowie ein Kraftwerk zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen.
Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Parameter der Ansprüche 1 und 8 gelöst. Das Wesen der Erfindung liegt darin, bei einem halbgeschlossenen reku- perierten CO2-Gasturbinen-Kreisprozess, bei dem ein CO2 enthaltendes Arbeits- fluid in einem ersten Schritt verdichtet wird, in einem zweiten Schritt das verdichtete Arbeitsfluid in einer Brennkammer durch die Verbrennung eines Brennstoffs mit reinem Sauerstoff unter Bildung von CO2 und H2O erhitzt wird, in einem dritten Schritt das erhitzte Arbeitsfluid in einer Turbine entspannt wird, in einem vier- ten Schritt dem entspannten Arbeitsfluid in einem Rekuperator Wärme entzogen wird, wobei die entzogene Wärme auf das verdichtete Arbeitsfluid und den reinen Sauerstoff übertragen wird, welche den Rekuperator im Gegenstrom durchströmen, und in einem fünften Schritt das aus dem Rekuperator austretende Arbeitsfluid zur erneuten Verdichtung zurückgeführt wird, und wobei aus dem verdichte- ten Arbeitsfluid fortlaufend CO2 entnommen wird, eine Turbineneintrittstemperatur zwischen 8000C und 11500C vorzusehen.
Eine Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsfluid in zwei Stufen mit Zwischenkühlung verdichtet wird, dass die dem Arbeitsfluid im Rekuperator entzogene Wärme auch auf den Brennstoff übertragen wird, welcher den Rekuperator im Gegenstrom durchströmt, und dass das Druckverhältnis im Bereich zwischen 3 und 8 liegt.
Eine andere Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Re- kuperation der im Arbeitsfluid enthaltenen Wärme im Rekuperator reduziert wird, und dass das Druckverhältnis im Bereich zwischen 2 und 4 liegt.
Zur Reduktion des rekuperierten Wärmestromes kann dabei der Brennstoff oder der Sauerstoff ausserhalb des Rekuperators zur Brennkammer geführt werden.
Es ist aber auch denkbar, dass zur Reduktion der Rekuperation der Brennstoff und/oder der Sauerstoff nur auf einer Teilstrecke durch den Rekuperator geführt werden.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsfluid ohne Zwischenkühlung verdichtet wird, und dass das Druckverhältnis im Bereich zwischen 2 und 6 liegt.
Vorteilhaft für einen optimalen Prozess ist aber auch, dass der nach der Verdichtung des Arbeitsfluids erreichte Maximaldruck im Bereich zwischen 40 bar und dem kritischen Druck von CO2 gewählt wird.
Eine Ausgestaltung des erfindungsgemässen Kraftwerks ist dadurch gekennzeichnet, dass im Rekuperator die rekuperierte Wärme nur auf das verdichtete Arbeitsfluid und den zur Brennkammer geführten Sauerstoffstrom übertragen wird.
Eine andere Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass im Rekuperator die rekuperierte Wärme auch auf einen zur Brennkammer geführten Brennstoff übertragen wird, und dass der Brennstoff und/oder der Sauerstoff nur auf einer Teilstrecke durch den Rekuperator geführt werden.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
Fig. 1 das aus dem Stand der Technik bekannte, vereinfachte Anlagenschema eines Kraftwerks mit Gasturbine, die in einem halbgeschlossenen rekuperierten CO2-Gasturbinen-Kreisprozess mit 4-Fluid-Rekuperator arbeitet; Fig. 2 ein zu Fig. 1 vergleichbares Schema für eine Version des Kreisprozesses, bei der 3 Fluide den Rekuperator durchströmen; Fig. 3 ein zu Fig. 2 vergleichbares Schema für eine Version des Kreisprozesses mit reduzierter Gesamt-Wärmekapazität der aufzuwärmenden Fluide, die teilweise vor dem heissen Ende des Rekupe- rators aus dem Rekuperator herausgeführt werden;
Fig. 4 ein Diagramm für die Auslegungsmöglichkeiten des halbgeschlossenen rekuperierten CO2-Prozesses mit einer Zwischenkühlung im Verdichter, gültig für eine Anordnung nach Fig. 1 ; und Fig. 5 in einem zu Fig. 4 vergleichbaren Diagramm die Auslegungs- möglichkeiten des halbgeschlossenen rekuperierten CO2-Prozes- ses ohne Zwischenkühlung im Verdichter.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
In Fig. 1 ist als Referenzanordnung das vereinfachte Anlagenschema eines Kraftwerks mit Gasturbine wiedergegeben, die in einem halbgeschlossenen rekuperierten CO2-Gasturbinen-Kreisprozess arbeitet. Das Schema ist aus dem eingangs genannten Artikel von Y. O. Enge, M. Wirsum, H. E. Wettstein, „The Potential of Recuperated Semiclosed CO2 Cycles", Proceedings of ASME Turbo Expo 2006, GT2006-90888, bekannt (siehe die dortige Fig. 1 ).
Das Kraftwerk 10 der Fig. 1 umfasst eine Gasturbine 13, die auf einer Welle einen Niederdruckverdichter 15, einen Hochdruckverdichter 17, eine Brennkammer 18 und eine Turbine 19 enthält. Die Gasturbine 13 treibt einen Generator 14 an, der in einer Generatorzelle 12 untergebracht ist. Zwischen dem Niederdruckverdichter 15 und dem Hochdruckverdichter 17 ist ein Zwischenkühler 16 angeordnet, der von Kühlwasser 29 durchflössen wird und dem komprimierten Fluid Wärme entzieht.
Das verdichtete Fluid 34 durchläuft einen Rekuperator 21 in Gegenrichtung und wird in der Brennkammer 18 weiter aufgeheizt, indem Brennstoff 23 und Sauerstoff 33 aus einer Luftzerlegungseinheit 26 im Rekuperator 21 aufgewärmt, in die Brennkammer 18 eingedüst und durch Verbrennung in Heissgas umgewandelt werden. Dabei entsteht im Wesentlichen CO2 und H2O. Das erhitzte Fluid aus der Brennkammer 18 wird in der nachfolgenden Turbine 19 unter Arbeitsleistung ent- spannt und strömt dann über einen Diffusor 20 in Vorwärtsrichtung durch den Rekuperator 21 , wo es Wärme an die entgegenkommenden Ströme von Sauerstoff, Brennstoff und verdichtetem Fluid abgibt. Am Ausgang des Rekuperators 21 ist ein Kondenser 25 angeordnet, der von Kühlwasser 27 durchflössen wird und das Fluid weiter abkühlt. Am Kondenser 25 kann eine CO2-Extraktion 24 bei Nieder- druck stattfinden. An einem Kondensatauslass 28 kann Kondensat entnommen werden.
Das aus dem Kondenser 25 austretende Fluid strömt innerhalb eines die Gasturbinenanlage umschliessenden Druckbehälters 11 zurück zum Eingang des Nie- derdruckverdichters 15, wodurch der Kreislauf geschlossen wird. Eine CO2-Ex- traktion 31 bei Hochdruck findet am Ausgang des Hochdruckverdichters 17 statt. Von dem durch den Rekuperator 21 zurückgeführten verdichteten Fluid kann im Mittelbereich des Rekuperators 21 ein Teilstrom abgezweigt und als Kühlfluid 32 zu Kühlungs- und Dichtungszwecken in die Turbine 19 eingespeist werden.
Eine detaillierte Analyse des Prozesses nach dem Schema der Fig. 1 unter Berücksichtigung der realen Gasdaten und in einem weiteren Wertebereich ergibt
das Diagramm der Fig. 4. Die strichpunktierte und die gestrichelte Kurve gelten für Turbineneintrittstemperaturen von 1000 bzw. 110O0C. Der Maximaldruck ist hier mit 60 bar gewählt. Jedes Kreuz (x und +) auf den beiden Kurven ist das Resultat einer Auslegungsberechnung mit Druckverhältnissen die in Schritten von 1 von 3 bis 20 (strichpunktierte Kurve) und von 4 bis 20 (gestrichelte Kurve) gewählt sind. Die Position der Kreuze zeigt die spezifische Leistung (net specific power; horizontale Achse) und den Nettowirkungsgrad (net efficiency; vertikale Achse) an. An den Endpunkten beider Kurven ist das Verhältnis von der rekuperierten Wärmemenge zur Nettoleistung (RP/Pnet) angegeben.
Ein vergleichbares Diagramm für einen Prozess ohne Zwischenkühlung im Verdichter ist in Fig. 5 wiedergegeben.
Für die Optimierung der Prozessdaten besonders wichtig sind der Wirkungsgrad und die spezifische Leistung, sowie die Möglichkeit, aus dem CO2 unerwünschte andere Gase abzuscheiden. Der Wirkungsgrad bestimmt den Brennstoffverbrauch und die spezifische Leistung die Anlagekosten. Da heute die Brennstoffpreise im Vergleich zu den letzten Jahren schon erhöht sind und weitere Steigerungen erwartet werden, ist der Wirkungsgrad das gewichtigere Kriterium. Eine hohe Turbi- neneinthttstemperatur (Turbine Inlet Temperature TIT) hat den Nachteil des höheren Kühlfluidverbrauchs, weicher den Wirkungsgrad besonders bei diesem rekuperierten Prozess beeinträchtigt. Die Wahl eines Maximaldruckes knapp unter dem kritischen Druck von CO2 erlaubt, das CO2 im Überschussgas direkt bei Raumtemperatur zu kondensieren und dadurch unerwünschte weitere Gase abzu- scheiden. Der Umweg über eine Entspannung wie es bei einem höheren Maximaldruck nötig wäre, entfällt dadurch.
Für die optimierte Prozessführung lassen sich die folgenden Vorschriften angeben: - Vorteilhafte Ausführungen des Prozesses mit einer Zwischenkühlung des
Verdichters haben eine Turbineneintrittstemperatur zwischen 800 und 11500C. Zu tiefe Eintrittstemperaturen sind uninteressant, da dann die Leis-
tungsdichte zu sehr absinkt. Das gilt für eine Referenzanordnung nach Fig. 1. - Optimale Druckverhältnisse liegen im Bereich von 3 bis 8 mit einer Tendenz zu den höheren Werten, wenn die Eintrittstemperatur im oberen Bereich des Bandes von 800 bis 11500C liegt, und umgekehrt. Bei noch höheren
Druckverhältnissen fällt der Wirkungsgrad zu stark ab, bei tieferen Druckverhältnissen zeigt die Analyse, dass die Wärmebilanz des Rekuperators 21 nicht mehr aufgeht, oder dass die Turbineneintrittstemperatur zu hoch wird. Das gilt für eine Referenzanordnung nach Fig. 1. - Druckverhältnisse im Bereich 2 bis 4 können jedoch vorteilhaft mit einem
Rekuperator kombiniert werden, der weniger Wärme rekuperiert, als der 4 Fluid Rekuperator nach Fig. 1. Mögliche, aber nicht alle Rekuperatorausführungen mit dieser Eigenschaft sind in Fig. 2 und 3 dargestellt. Auch dieser Fall gilt mit einer Zwischenkühlung des Verdichters. - Bei Prozessen ohne Zwischenkühlung im Verdichter verschiebt sich das optimale Druckverhältnis nach unten (pr = 2 bis 6). Das gilt auch für Rekuperatoren, welche weniger Wärme rekuperieren als die Referenzanordnung nach Fig. 1. Der Maximaldruck des Prozesses (der nach der Verdichtung erreicht wird) wird vorteilhaft im Intervall von 40 bar bis zum kritischen Druck von CO2 gewählt. Das hat den Vorteil, dass das abgeschiedene CO2 durch Kondensation von den nicht kondensierbaren Gasen leicht abgetrennt werden kann, und in reiner Form seiner weiteren Verwendung zuführbar ist. Das gilt für alle Anordnungen von halbgeschlossenen CO2 Zyklen unabhängig von der Ausführung des Rekuperators und der Verdichtungs- und Expansionsmaschine (also auch, wenn eine Kolbenmaschine verwendet würde). Im Teillastbetrieb kann der Prozess natürlich auch mit tieferem Maximaldruck gefahren werden (Inventarregelung), wie dies aus der EP-A1 -0 939 199 und der EP-A1 -0 953 748 der Anmelderin bekannt ist. - Bei Prozessen mit mehr als einer Zwischenkühlstufe wird das optimale
Druckverhältnis umso höher, je mehr Zwischenkühlstufen der Verdichter
hat. Damit verknüpft wird auch zweckmässigerweise eine Erhöhung der Turbineneintrittstemperatur.
BEZUGSZEICHENLISTE
(Welche einen integrierenden Bestandteil der Anmeldung bilden)
10,30,30' Kraftwerk
11 Druckbehälter
12 Generatorzelle
13 Gasturbine
14 Generator
15 Niederdruckverdichter
16 Zwischenkühler
17 Hochdruckverdichter
18 Brennkammer
19 Turbine
20 Diffusor
21 Rekuperator
22 Rezirkulationsstrom
23 Brennstoff
24 CO2-Extraktion (Niederdruck)
25 Kondenser
26 Luftzerlegungseinheit (ASU)
27,29 Kühlwasser
28 Kondensatauslass
31 CO2-Extraktion (Hochdruck)
32 Kühlfluid
33 Sauerstoff
34 verdichtetes Arbeitsfluid pr Druckverhältnis
TIT Turbineneintrittstemperatur
RP Wärmemenge
Pnet Nettoleistung
Hrec Enthalpieaustausch im Rekuperator 100 Spezifische Nettoleistung in kJ/Kg
101 Netto Wirkungsgrad in %
102 Druckverhältniszunahmen 3-20, TIT 1 '0000C 102a Druckverhältnis 3 (RP/Pnet =6,66)
102b Druckverhältnis 20 (RP/Pnet = 1 ,9 103 Druckverhältniszunahmen 4-20, TIT 1 '1000C
103a Druckverhältnis 4 (RP/Pnet = 5,24)
103b Druckverhältnis 20 (RP/Pnet = 1 ,99)
200 Spezifische Nettoleistung in kJ/Kg
201 Netto Wirkungsgrad Terminal in % 202 TIT =900°C
202a Druckverhältnis 2 (Hrec/Pnet = invalid)
202b Druckverhältnis 3 (Hrec/Pnet = 6,74)
202c Druckverhältnis 12 (Hrec/Pnet = 2,09)
203 TIT = 1 '0000C 203a Druckverhältnis 2 (Hrec/Pnet = 11 ,5)
203b Druckverhältnis 3 (Hrec/Pnet = 6,87)
203c Druckverhältnis 12 (Hrec/Pnet = 2,21 )
Claims
1. Verfahren zum Betrieb eines Kraftwerks (10, 30, 30'), welches mit einer Gasturbine (13) ausgestattet ist und mit einem halbgeschlossenen rekuperierten CO2-Gasturbinen-Kreisprozess betrieben wird, wobei ein CO2 enthaltendes Ar- beitsfluid in einem ersten Schritt (16) verdichtet wird, in einem zweiten Schritt das verdichtete Arbeitsfluid in einer Brennkammer (18) durch die Verbrennung eines Brennstoffs (23) mit reinem Sauerstoff (33) unter Bildung von CO2 und H2O erhitzt wird, in einem dritten Schritt das erhitzte Arbeitsfluid in einer Turbine (19) ent- spannt wird, in einem vierten Schritt dem entspannten Arbeitsfluid in einem Rekuperator (21 ) Wärme entzogen wird, wobei die entzogene Wärme auf das verdichtete Arbeitsfluid (34) und den reinen Sauerstoff (33) übertragen wird, welche den Rekuperator (21 ) im Gegenstrom durchströmen, und in einem fünften Schritt das aus dem Rekuperator (21 ) austretende Arbeitsfluid zur erneuten Verdichtung zu- rückgeführt wird, und wobei aus dem verdichteten Arbeitsfluid CO2 entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozess bei einer Turbineneintrittstemperatur zwischen 8000C und 11500C gefahren wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeits- fluid in zwei Stufen (15, 17) mit Zwischenkühlung verdichtet wird, dass die dem
Arbeitsfluid im Rekuperator (21 ) entzogene Wärme auch auf den Brennstoff (23) übertragen wird, weicher den Rekuperator (21 ) im Gegenstrom durchströmt, und dass das Druckverhältnis (pr) im Bereich zwischen 3 und 8 liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Rekupe- ration der im Arbeitsfluid enthaltenen Wärme im Rekuperator (21 ) reduziert wird, und dass das Druckverhältnis (pr) im Bereich zwischen 2 und 4 liegt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Reduk- tion des rekuperierten Wärmestroms der Brennstoff (23) oder der Sauerstoff (33) ausserhalb des Rekuperators (21 ) zur Brennkammer (18) geführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Reduktion der Rekuperation der Brennstoff (23) und/oder der Sauerstoff (33) nur auf einer Teilstrecke durch den Rekuperator (21 ) geführt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeits- fluid ohne Zwischenkühlung verdichtet wird, und dass das Druckverhältnis (pr) im Bereich zwischen 2 und 6 liegt.
7. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der nach der Verdichtung des Arbeitsfluids erreichte Maximaldruck im Bereich zwischen 40 bar und dem kritischen Druck von CO2 gewählt wird.
8. Kraftwerk (30, 30') zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3, welches Kraftwerk (30, 30') eine Gasturbine mit Verdichter (15, 17), eine Brenn- kammer (18) und eine Turbine (19) umfasst, sowie einen Rekuperator (21 ) zur Rekuperation der Wärme, welche im aus der Turbine (19) austretenden Arbeits- fluid enthalten ist, und zur Übertragung der rekuperierten Wärme auf das verdichtete Arbeitsfluid und einen zur Brennkammer (18) geführten Sauerstoffstrom, dadurch gekennzeichnet, dass der Rekuperator (21 ) für eine gegenüber einem 4- Fluid-Rekuperator verminderte Rekuperation ausgelegt ist.
9. Kraftwerk nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Rekuperator (21 ) die rekuperierte Wärme nur auf das verdichtete Arbeitsfluid und den zur Brennkammer (18) geführten Sauerstoffstrom übertragen wird.
10. Kraftwerk nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Rekuperator (21 ) die rekuperierte Wärme auch auf einen zur Brennkammer (18) geführten Brennstoff übertragen wird, und dass der Brennstoff (23) und/oder der Sauerstoff (33) nur auf einer Teilstrecke durch den Rekuperator (21 ) geführt werden.
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