EP1483490A1

EP1483490A1 - Krafterzeugungsanlage

Info

Publication number: EP1483490A1
Application number: EP03714951A
Authority: EP
Inventors: Rolf Dittmann; Hans Ulrich Frutschi
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: GE Vernova GmbH
Priority date: 2002-03-14
Filing date: 2003-03-11
Publication date: 2004-12-08
Also published as: WO2003076781A1; AU2003219157A1; US20050056001A1; CN1653253A

Abstract

Bei einer Krafterzeugungsanlage, beispielsweise einer Kraftwerksanlage zur Stromerzeugung ist einer offenen Gasturbogruppe (100) zur Abwärmenutzung der Abgase (107) eine Sekundärmaschine (1a, 1b, 1c, 2) nachgeschaltet. Die Sekundärmaschine ist eine im geschlossenen Kreislauf mit einem gasförmigen Prozessfluid arbeitende Maschine, beispielsweise eine geschlossene Gasturbogruppe mit Verdichter (1a, 1b, 1c), Mitteln zur Erhitzung des verdichteten Gases (6), welche die Abwärme des Abgases (107) der primären Gasturgruppe (100) nutzen, einer Turbine (2), sowie wenigstens einer Wärmesenke (13). In einer Ausführungsform sind Zwischenkühler (41, 42) während des Verdichtungsprozesses angeordnet. Eine variable Kreislauffüllung der Sekundärmaschine ermöglicht eine überlegene Flexibilität der Nutzung stark unterschiedlicher zur Verfügung stehender Abwärmeangebote.

Description

Krafterzeugungsanlage

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Krafterzeugungsanlage, insbesondere eine Kraftwerksanlage, gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemässen Kraftwerksanlage.

Stand der Technik

Kraftwerksanlagen, bei denen zur Abwärmenutzung eine Sekundärmaschine einer als Primärmaschine wirkenden Gasturbogruppe nachgeschaltet wird, sind an sich als Kombikraftwerke bestens bekannt. In der geläufigsten Ausführungsform wird im Abgastrakt einer Gasturbogruppe ein Abhitzedampferzeuger angeordnet, in welchem eine Dampfmenge erzeugt wird, die zum Antrieb einer Dampfturbine genutzt wird. Auch die Entnahme von Prozess- oder Heizdampf ist möglich. Aus der EP 924 410 ist eine Kraftwerksanlage bekannt, bei der der primären Gasturbogruppe eine sekundäre offene Gasturbogruppe nachgeschaltet ist. Beide Bauarten weisen eine vergleichsweise schlechte Skalierbarkeit des Betriebes für unterschiedliche Abwärmeangebote auf. Bei einer nachgeschalteten Dampfanlage muss beispielsweise immer eine ausreichende Überhitzung des Frischdampfes gegeben sein, um übergrosse Nässe in den Dampfturbinen- Endstufen zu vermeiden. Unterhalb einer Mindest-Abgastemperatur der Primärmaschine ist der sekundäre Dampfkreislauf daher normalerweise nicht betreibbar. Darüber hinaus sind aufgrund des üblicherweise geringen Kondensatordrucks grosse Abdampffluten und ein grosser Kondensator notwendig. Eine als Sekundärmaschine nachgeschaltete sekundäre

Gasturbogruppe ist zwar in der Lage, mit sinkendem Temperaturniveau des Abgases in betriebstechnischer Hinsicht besser zurechtzukommen. Wenn jedoch beispielsweise aufgrund einer Vorleitreihenverstellung der Primärmaschine das Abwärmeangebot variiert, und das Temperaturniveau der Abwärme näherungsweise Konstant bleibt, wird auch der Fall auftreten, dass die Sekundärmaschine die mögliche obere Prozesstemperatur nicht mehr zu erreichen vermag. Damit wird die Turbineneintrittstemperatur der Sekundärmaschine kleiner als es möglich wäre; in der Folge sinkt der Wirkungsgrad des sekundären Gasturbinenprozesses. Aufgrund des insgesamt vergleichsweise niedrigen Temperaturniveaus werden solche Effekte schnell einmal signifikant.

Neueste Entwicklungen in den liberalisierten Strommärkten fordern aber hochflexibel betreibbare Kraftwerksanlagen, mit guten Betriebseigenschaften und zufriedenstellenden Wirkungsgraden über einen weiten Lastbereich anstelle optimierter Wirkungsgrade nur in einem schmalen Lastbereich. Dies ist insbesondere in schwachen Netzen wichtig, wo nur wenige Kraftwerksanlagen mit allen Netzschwankungen zurechtkommen müssen, und wo daher ausgesprochene Teillasteigenschaften gefragt sind. Derart gute Teillasteigenschaften sind unter Anderem auch in Anwendungen für Antriebe, insbesondere wäre an Schiffs- und Lokomotivantriebe zu denken, gefragt.

Darstellung der Erfindung

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Krafterzeugungsanlage der eingangs genannten Art anzugeben, welche die Nachteile des Standes der Technik vermeidet, und bei der insbesondere eine hohe Flexibilität der Abwärmenutzung gegeben ist.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe unter Verwendung der Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Kern der Erfindung ist es also, als Sekundärmaschine eine mit einem gasförmigen Prozessfluid arbeitende Maschine mit stofflich vollkommen geschlossenem Fluidkreislauf anzuordnen. Es ist dabei wohlverstanden, dass dieses Prozessfluid, Prozessgas, während des gesamten Kreisprozesses der Sekundärmaschine keinen Phasenwechsel durchläuft. In der sekundären Maschine wird das gasförmige Prozessfluid zunächst verdichtet, dann sekundärseitig durch den Abgaswärmetauscher der primären Gasturbogruppe geleitet, wo es Wärme aufnimmt, entspannt, und vollständig zur Verdichtung zurückgeführt, wobei, vorzugsweise vor und/oder während der Verdichtung, eine Wärmeabfuhr aus dem Prozessfluid in einer Wärmesenke stattfindet. Die stofflich geschlossene Führung des Prozessfluides bietet gerade zur Abwärmenutzung überraschende Vorteile: Zunächst kann das Prozessfluid frei gewählt werden, um beispielsweise besonderes gut zur Niedertemperaturnutzung geeignete thermodynamische Eigenschaften des Prozessfluides zu erhalten. Weiterhin kann durch eine Anpassung des gesamten Druckniveaus des sekundären Prozesses der Massenstrom des zirkulierenden Fluides geändert werden, wodurch auf ein beispielsweise sinkendes Abwärmeangebot, verbunden mit einem sinkenden Abgasmassenstrom bei im Wesentlichen konstanter Temperatur, mit im Wesentlichen gleichbleibendem Druckverhältnis und damit weiterhin gutem Wirkungsgrad der Sekundärmaschine reagiert werden kann. Mit anderen Worten ist es also möglich, durch einfache Veränderung des gesamten Druckniveaus des sekundären Prozesses, durch Zufuhr oder Abfuhr von zirkulierendem Prozessfluid, dessen Massenstrom so einzustellen, dass die obere Prozesstemperatur der Sekundärmaschine nahe an der Abgastemperatur der Primärmaschine liegt. Daher wird in einer bevorzugten Betriebsweise der erfindungsgemässen Krafterzeugungsanlage die Kreislauffüllung, damit also das gesamte Druckniveau des Prozesses, so geregelt, dass die obere Prozesstemperatur der Sekundärmaschine im stationären Betrieb nie mehr als 50°C, bevorzugt 30°C, unterhalb der Abgastemperatur der Primärmaschine liegt, und, insbesondere wird diese Temperaturdifferenz, welche notwendig ist, um ein den Wärmeübergang treibendes Temperaturgefälle zur Verfügung zu stellen, in einem Bereich von 5°C bis 20°C eingeregelt; dabei ist der erreichbare Wert auch von der Grosse der zur Verfügung stehenden Wärmeübertragungsflächen abhängig. Weiterhin ist, da kein Phasenwechsel des Prozessfluides stattfindet, auch ein Betrieb bei niedriger oberer Prozesstemperatur möglich, ohne, wie einleitend beschrieben, auf eine mindesterforderliche Frischdampftemperatur eines Zweiphasenprozesses zu achten. Ohne weiteres ist nachvollziehbar, dass mit der Er indung eine überlegene Flexibilität der Abwärmenutzung einer Gasturbogruppe ermöglicht wird.

Die Sekundärmaschine wird insbesondere realisiert, indem zur Verdichtung des Prozessfluides wenigstens eine Arbeitsmaschine und zur Entspannung des Prozessfluides wenigstens eine Kraftmaschine angeordnet ist. Dabei ist bevorzugt wenigstens eine Kraftmaschine mit wenigstens einer Arbeitsmaschine und/oder einem Leistungsverbraucher auf einer gemeinsamen Welle angeordnet, gegebenenfalls auch mit einem zwischengeschalteten Getriebe; es resultieren dann ein- oder mehrwellige Ausführungsformen der Sekundärmaschine. Bei dem Leistungsverbraucher ist beispielsweise an einen Generator zu denken, aber auch an eine

Schiffschraube, ein Antriebsrad, und dergleichen. Dabei kann auch die den Generator antreibende Kraftmaschine über eine selbsttätig wirkende Kupplung auf den Generator der primären Gasturbogruppe wirken; es resultiert dann prinzipiell der Aufbau einer an sich bekannten einwelligen Kombianlage. Je nach zu realisierender Einheitenleistung finden als Arbeits- und Kraftmaschinen bevorzugt Strömungsmaschinen, Turbinen und Turboverdichter, Anwendung. Bei kleinen Einheitenleistungen/Fluidvolumenströmen kann auch die Anwendung von Verdrängermaschinen Vorteile haben, oder eine kaskadierende Schaltung von Turbo- und Verdrängermaschinen.

Es wurde oben erwähnt, dass in der Sekundärmaschine auch eine Wärmesenke anzuordnen sei. Ausgehend von einer im geschlossenen

Kreislauf arbeitenden Gasturbogruppe ist die Anordnung der Wärmesenke im Strömungsweg von der Turbine zum Verdichter geläufig. In einer Ausführungsform der Erfindung wird wenigstens eine Wärmesenke, zum Beispiel als Zwischenkühler, in unmittelbarer Fluidverbindung mit den zur Verdichtung des Prozessgases bestimmten Mitteln angeordnet. Damit kann eine isotherme oder quasi-isotherme Verdichtung erreicht werden. Durch die abgesenkte Verdichtungsendtemperatur wird eine verbesserte Abwärmenutzung ermöglicht. In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die im Verdichtungspfad der Verdichtung vom Niederdruck des sekundären Prozesses auf den Hochdruck des sekundären Prozesses angeordneten Wärmesenken derart geregelt, dass die Verdichtungsendtemperatur der Sekundärmaschine um eine gewisse, aber kleine, Sicherheitsmarge oberhalb der Taupunktstemperatur der Abgase der Primärmaschine liegt. Beispielsweise kann die Verdichtungsendtemperatur auf 70°C bis 75°C für eine gasgefeuerte und auf 130°C bis 150°C für eine ölgefeuerte Primärmaschine eingeregelt werden. Für eine beste Abwärmenutzung liegt die Verdichtungsendtemperatur um weniger als 20°C, bevorzugt um 2°C bis 10°C, oberhalb der Taupunktstemperatur des Abgases der Primärmaschine.

In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemässen Krafterzeugungsanlage weist die Sekundärmaschine im Niederdruckteil, im Strömungsweg von der letzten Kraftmaschine zur ersten Arbeitsmaschine, eine Wärmesenke auf, die als Abhitzedampferzeuger ausgeführt ist. Der dort erzeugte Dampf wird auf einem Druck, welcher oberhalb des Niederdruckes der Sekundärmaschine liegt, mittels geeigneter Mittel in das gasförmige Prozessfluid eingebracht, mit diesem unter Leistungsabgabe entspannt, und in einer Wärmesenke auf dem Niederdruck im Wesentlichen wieder kondensiert. Das Kondensat wird dann aus dem Prozessfluid abgeschieden, aufbereitet, und durch geeignete Mittel, beispielsweise eine Speisepumpe, wieder in den Abhitzedampferzeuger zurückgeführt. Auch der Kreislauf dieses Zusatzmediums ist also geschlossen. Das Prozessgas strömt mit einer geringen Restfeuchte wieder in die Verdichtungsmittel ein. Gegenüber einem echten Zweiphasenprozess können wesentlich geringere obere Prozesstemperaturen genutzt werden: Durch die beschriebene Variation der Kreislauffüllung können die Druckverhältnisse so eingestellt werden, dass immer eine hinreichende Überhitzung des Frischdampfes gegeben ist. Diese Ausführungsform mit Rekuperation der Abwärme in der Sekundärmaschine eignet sich ganz besonders bei niedrigen Druckverhältnissen der Sekundärmaschine. Falls diese Ausführungsform mit Zwischenkühlern im Verdichter der Sekundärmaschine kombiniert wird, werden dort bevorzugt Kondensatabscheider vorgesehen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung illustrierten

Ausführungsbeispielen näher erläutert. Im einzelnen zeigen

Figur 1 eine erste erfindungsgemässe Krafterzeugungsanlage;

Figur 2 die Zustandsänderungen in der Krafterzeugungsanlage aus Figur 1 im T,s-Diagramm;

Figuren 3 und 4 weitere Ausführungsformen von erfindungsgemässen

Krafterzeugungsanlagen.

Dabei stellen die dargestellten Ausführungsbeispiele nur einen kleinen instruktiven Ausschnitt der in den Ansprüchen gekennzeichneten Erfindung dar. Weg zur Ausführung der Erfindung

In Figur 1 ist eine erfindungsgemässe Kraftwerksanlage dargestellt. Als

Primärmaschine treibt eine Gasturbogruppe 100 einen Generator 113 an. Ohne eine Einschränkung darzustellen, handelt es sich dabei um eine Gasturbogruppe mit sequenzieller Verbrennung, wie sie aus der EP 620 362 und zahlreichen darauf basierenden Veröffentlichungen wohlbekannt ist. Ohne auf Details einzugehen, sei deren grundsätzliche Funktion in Kürze dargelegt. Ein Verdichter 101 und zwei Turbinen 103 und 105 sind auf einer gemeinsamen Welle angeordnet. Der Verdichter 101 saugt eine Luftmenge 106 aus der Umgebung an. In der verdichteten Luft wird in der ersten Brennkammer 102 Brennstoff zugemischt und dort verbrannt. Das Rauchgas wird in der ersten Turbine 103 teilentspannt, zum Beispiel mit einem Druckverhältnis von 2. Das Rauchgas, welches immer noch einen hohen Restsauerstoffgehalt von typischerweise über 15% aufweist, strömt in eine zweite Brennkammer 104 ein, wo weiterer Brennstoff verbrannt wird. Dieses nacherhitzte Rauchgas wird in der zweiten Turbine 105 in etwa auf Umgebungsdruck - abgesehen von Druckverlusten des Abgastraktes - entspannt, und strömt als immer noch heisses Abgas 107, mit Temperaturen, die bei hoher Last beispielsweise um 550 - 600°C liegen, aus der Gasturbogruppe ab. Im Strömungsweg des heissen Abgases sind Mittel zur Abwärmenutzung, Wärmetauscher 6, angeordnet, in denen sich das Abgas weiter abkühlt, bevor es als abgekühltes Abgas 108 in die Atmosphäre abströmt. Der als Mittel zur Abwärmenutzung angeordnete Wärmetauscher 6 überträgt Wärme vom Abgas 107 der offenen Gasturbogruppe 100 auf den Kreislauf einer als Sekundärmaschine angeordneten geschlossenen Gasturbogruppe. Eine Turbine 2 ist mit Teilverdichtern 1a, 1 b, 1c, sowie einem Generator 3 auf einer gemeinsamen Welle angeordnet. Der aus mehreren Teilverdichtern 1a, 1 b, 1c bestehende Verdichter fördert ein Gas 21 , im vorliegenden Fall Luft, von einem Niederdruck stromauf des ersten Teilverdichters 1a auf einen Hochdruck stromab des letzten Teilverdichters 1c. Zwischen den Teilverdichtern sind Wärmesenken, Zwischenkühler 41 und 42, angeordnet, die im Gegenstrom von einem Kühlmittel, beispielsweise Kühlwasser durchströmt werden. Die Zwischenkühlung senkt die Leistungsaufnahme des Verdichters. Ausserdem wird die Verdichtungsendtemperatur gesenkt, was im vorliegenden Fall noch weitere, unter noch dargelegte Vorteile mit sich bringt. Je mehr Zwischenkühler angeordnet sind, desto besser kann der Verdichtungsprozess einer isothermen Verdichtung angenähert werden; in der Realsierung sind diesem aber ganz klare praktische Grenzen gesetzt. Weiterhin ist es auch bekannt, Einspritzkühler zu verwenden, oder Flüssigkeitstropfen in Verdichter einzubringen, welche durch Verdunstung für eine kontinuierliche Innenkühlung sorgen. Vorliegend sind, im Gegensatz dazu, die Zwischenkühler 41 und 42 mit internen Kondensatabscheidern 5a, 5b versehen, deren Funktion unten in Verbindung mit dem Kompressor 45 noch erläutert wird. Das verdichtete Prozessgas, Hochdruck-Prozessgas, 22 durchströmt im Gegenzug zum Abgas 107 den Wärmetauscher 6; das abgekühlte Abgas 108 der primären Gasturbogruppe strömt in die Atmosphäre ab. Das erhitzte Hochdruck- Prozessgas 23 strömt in die Turbine 2 ein und treibt diese an. Im Falle eines Verlustes der Last kann das Prozessgas über ein Nebenschlussorgan 30 unmittelbar unter Umgehung der Turbine 2 auf die Niederdruckseite verworfen werden. Das entspannte Prozessgas 24 durchströmt eine Wärmesenke, Rückkühler 13, und strömt schliesslich als Niederdruck-Prozessgas 21 wieder in den Verdichter ein. Der Druck des Niederdruck-Prozessgases 21 respektive des entspannten Prozessgases 24 können zur Leistungsregelung der geschlossenen Gasturbogruppe variiert werden. Zur Erhöhung des Vordruckes fördert ein Kompressor 45 über ein Rückschlagorgan 46 Luft auf die Niederdruckseite der geschlossenen Gasturbogruppe. Zur Verminderung des Druckes wird Gas über ein Drossel- und Absperrorgan 47 wieder in die Atmosphäre abgeblasen. Bei der Aufladung des Kreislaufes mit Umgebungsluft über den Kompressor 45 wird Luftfeuchtigkeit in den Kreislauf gebracht. Diese kondensiert potenziell in den Zwischenkühlern 41 und 42, weshalb dort integriert Kondensatabscheider 5a, 5b angeordnet sind. Zur besten Abwärmenutzung im Wärmetauscher 6 ist die Temperatur des Hochdruck- Prozessgases 22 möglichst gering, jedoch darf der Taupunkt des Abgases 107, 108 auf der Primärseite des Wärmetauschers nicht unterschritten werden. Es ist daher eine Temperaturmessstelle 44 stromab des letzten Teilkompressors 1 c angeordnet. In Abhängigkeit von der dort gemessenen Temperatur wird auf ein Stellorgan 43 eingegriffen, das den Kühlmittelmassenstrom zum letzten Zwischenkühler 42 so regelt, dass die Temperatur am Verdichteraustritt um eine gewisse Sicherheitsmarge über der Taupunktstemperatur des Abgases der Primärmaschine liegt. Damit wird sichergestellt, dass einerseits die zum Antrieb des Verdichters notwendige Leistung minimiert wird, und, dass die Abwärme des Abgases 107, soweit wie unter Vermeidung von Niederschlagsbildung im Abgas verwertbar, genutzt wird. Ein weiterer vorteilhaft zu implementierender Regeleingriff auf den sekundären Kreisprozess nutzt zwei Temperaturmessstellen 49 zur Bestimmung der Temperatur des Abgases 107 vor dem Eintritt in den Wärmetauscher 6 und 48 zur Bestimmung der Temperatur des erhitzten Hochdruck-Prozessgases 23 der geschlossenen Gasturbogruppe beim Austritt aus dem Wärmetauscher. Beide Messwerte werden zu einem Differenzbildner 50 geleitet, wo eine Temperaturdifferenz ΔT gebildet wird. Wenn diese Temperaturdifferenz einen bestimmten Wert überschreitet, wird das Drossel- und Absperrorgan 47 geöffnet, und der Prozessdruck gesenkt. Da in Folge der Massenstrom des Prozessgases der Sekundärmaschine sinkt, wird das verdichtete Prozessgas auf eine höhere Temperatur gebracht, und die Temperaturdifferenz wird kleiner. Unterschreitet die Temperaturdifferenz hingegen einen unteren Grenzwert, wird über den Kompressor 45 das Druckniveau, insbesondere der Druck auf der Niederdruckseite der als Sekundärmaschine geschalteten geschlossenen Gasturbogruppe, erhöht. Der Massenstrom im Kreislauf der Sekundärmaschine steigt, und damit auch wieder die Temperaturdifferenz. Weiterhin kann auch auf die Temperatur des erhitzten Hochdruck- Prozessgases 23 alleine geregelt werden, um diese konstant auf einem Sollwert zu halten. Ein weiterer Regeleingriff auf den unteren Prozessdruck wäre der, das Druckverhältnis über die Turbine 2, welches ja in erster Linie vom Eintrittsvolumenstrom mitbestimmt wird, und damit vom Massenstrom und der Eintrittstemperatur sowie dem Absolutdruck abhängig ist, auf einen konstanten Wert zu regeln. Es wäre auch denkbar, die Turbinenaustrittstemperatur der Sekundärmaschine über den zirkulierenden Massenstrom zu regeln. Die Verbindung der beschriebenen

Regelungsmechanismen resultiert in einer besten Ausnutzung des Abwärmepotenzials. Es zeigt sich, dass die Anpassung der Sekundärmaschine auf sehr unterschiedliche Abwärmeangebote bei Verwendung einer Sekundärmaschine mit geschlossenem Gaskreislauf durch eine Variation des Niederdrucks und des in der Sekundärmaschine zirkulierenden Massenstroms überraschend einfach und effizient möglich ist.

Bei der dargestellten Kraftwerksanlage wird die Sekundärmaschine ohne Abwärmerekuperation stromab der Turbine und mit Zwischenkühlung im Verdichter idealerweise mit einem hohen Auslegungs-Druckverhältnis von bevorzugt 10 und mehr betrieben. Damit wird bei einer vorgegebenen Eintrittstemperatur in die Turbine 2 die Austrittstemperatur aus der Turbine 2 und damit auch die im Rückkühler 13 abzuführende Wärmemenge klein gehalten. Die zugehörigen Zustandsänderungen sind im Diagramm in Figur 2, Temperatur T über massenspezifischer Entropie s, sehr schematisch dargestellt. Der rechte Kreislauf, der mit I bezeichnet ist, ist der Kreislauf der Primärmaschine. Die Luft 106 wird bei einer Temperatur TAMB angesaugt, und vom Verdichter 101 verdichtet. In der Brennkammer 102 wird näherungsweise isobar Wärme zugeführt bis zur Maximaltemperatur TMAX- In der Turbine 103 wird das in der Brennkammer 102 entstandene Rauchgas teilentspannt, und in der Brennkammer 104 nochmals bis zur Maximaltemperatur zwischenerhitzt, bevor eine Entspannung auf Umgebungsdruck in der Turbine 105 stattfindet. Das heisse Abgas 107 hat die Temperatur TEX. Links vom Kreisprozess I - weil ja im allgemeinen auf einem überatmosphärischen Druckniveau ablaufend - ist der sekundäre Kreisprozess II dargestellt. Dessen Ausgangspunkt ist das Prozessgas vor dem Verdichter, 21 , welches sich im wesentlichen auf Umgebungstemperatur und auf dem Prozess-Niederdruck befindet. Das Prozessgas wird von einem ersten Teilverdichter 1a verdichtet, wobei die Temperatur steigt, anschliessend im Zwischenkühler 41 möglichst bis Umgebungstemperatur abgekühlt, in einem weiteren Teilverdichter 1 b weiter verdichtet, in einem zweiten Zwischenkühler 42 abgekühlt, und in einem letzten Teilverdichter 1c auf einen Zustand 22 oder 22' verdichtet, welcher sich auf dem Prozess-Hochdruck befindet. Erkennbar ist, dass die Verdichtung um so besser an eine isotherme Verdichtung angenähert ist, je mehr Teilverdichter und Zwischenkühler angeordnet werden. Die Kühlleistung im letzten Zwischenkühler 42 wird so geregelt, dass die Verdichtungsendtemperatur des Zustandes 22 respektive 22' etwas oberhalb der Taupunktstemperatur T_DP_G für Gasfeuerung oder TQP_O für Ölfeuerung liegt. Je tiefer die Verdichtungsendtemperatur ist, desto besser kann die Wärme des Abgases genutzt werden. Aufgrund der Zwischenkühlungsstufen kann auch ein hohes Druckverhältnis mit niedrigstmöglichen Verdichtungsendtemperaturen erzielt werden. Im Wärmetauscher 6 nimmt das verdichtete Prozessgas 22 Wärme aus dem Abgas 107 auf, und wird bis wenig unterhalb der Abgastemperatur erwärmt. Dabei kühlt sich das Abgas 107 beim Durchströmen des Wärmetauschers 6 bis auf den Zustand 108 oder 108' ab, der aufgrund der Regelung der Verdichtungsendtemperatur des Sekundärprozesses mit einer kleinen Sicherheitsmarge oberhalb der jeweiligen Taupunktstemperatur liegt. Das erhitzte Prozessgas 23 wird in der Turbine 2 auf den Zustand 24 entspannt. Aufgrund des hohen Druckverhältnisses ist diese Temperatur vergleichsweise niedrig, so, dass im Rückkühler 13 nur wenig Wärme abgeführt werden muss. Bei dieser Auslegung findet die gesamte Wärmeabfuhr bei möglichst niedriger Temperatur statt, was für einen hohen Wirkungsgrad spricht. Die überlegenen Möglichkeiten, die Sekundärmaschine durch Variation des Prozess-Niederdrucks an das Abwärmeangebot anzupassen, wurden oben bereits diskutiert; Die Veränderungen der Kreisprozesse im Teillastbetrieb erschliessen sich dem Fachmann ohne weiteres. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in Figur 3 dargestellt. Als Primärmaschine ist wieder eine Gasturbogruppe 100 der oben beschriebenen Bauart angeordnet. Als Sekundärmaschine ist eine geschlossene Gasturbogruppe mit Abwärmerekuperation angeordnet, die nachfolgend beschrieben wird. Die hier dargestellte Sekundärmaschine wird, da die Abgaswärme genutzt wird, mit einem geringeren Druckverhältnis betrieben als die in Zusammenhang mit Figur 1 dargestellte geschlossene Gasturbogruppe; als typisch wäre ein Druckverhältnis im Bereich von 4 bis 10, insbesondere 6 bis 8, zu betrachten. Weiterhin ist die Sekundärmaschine wie dargestellt geeignet, mit einem anderen Prozessgas als Luft betrieben zu werden. Das Niederdruck-Prozessgas 21 der Sekundärmaschine wird in einem ersten Teilverdichter 1a und einem zweiten Teilverdichter 1b, zwischen denen ein Einspritzkühler 54 als Zwischenkühler angeordnet ist, auf einen Hochdruck verdichtet. Der Einspritzkühler 54 kann ohne weiteres auch so ausgelegt sein, dass er das Prozessgas überfeuchtet; es dringen dann Wassertropfen in die folgenden Verdichterstufen ein, und sorgen dort für eine Innenkühlung. Insofern kann eine entsprechende Einspritzvorrichtung auch schon stromauf des ersten Teilverdichters angeordnet sein. Aufgrund des geringeren Druckverhältnisses kann auf aufwändige weitere Kühlerstufen verzichtet werden. Gleichwohl wird mit Vorteil sichergestellt, dass die Temperatur des Hochdruck-Prozessgases oberhalb der Taupunktstemperatur der Abgase 107, 108 der primären Gasturbogruppe liegt. Das Hochdruck-Prozessgas durchströmt im Gegenstrom zu den Abgasen den Wärmetauscher 6, der in zwei Teilwärmetauscher 6a, 6b unterteilt ist, bevor das erhitzte Hochdruck-Prozessgas eine Turbine 2 unter Leistung technischer Arbeit durchströmt. Die Turbine 2 ist mit den

Teilverdichtern 1a und 1 b auf einer gemeinsamen Welle angeordnet, und treibt diese an; weiterhin ist die Leistung der Turbine über eine selbsttätig wirkende Kupplung 109 auf einen gemeinsamen Generator 113 von Primär- und Sekundärmaschine übertragbar. Entspanntes Prozessgas 24 wird in einer als Abhitzedampferzeuger 11 ausgeführten Wärmesenke und einem Rückkühler 13 wieder auf den Ausgangszustand des Niederdruck-Prozessgases 21 zurückgeführt. Der Abhitzedampferzeuger wird sekundärseitig von unter Druck stehendem Speisewasser 12 - es kann sich, da alle Medien im geschlossenen Kreislauf geführt werden auch um eine andere Flüssigkeit als Wasser, insbesondere auch toxische Flüssigkeiten, handeln - durchströmt. Die unter Druck stehende Flüssigkeit wird im Abhitzedampferzeuger erwärmt, verdampft, und der entstandene Dampf wird wenigstens leicht überhitzt. Der Frischdampf 26 wird an einer temperaturmässig angepassten Stelle des Abgaswärmetauschers 6, an der die Dampftemperatur unter der Abgastemperatur liegt, in das Prozessgas eingebracht, und durchströmt zusammen mit diesem den zweiten Teilwärmetauscher 6b. Der Dampf durchströmt zusammen mit dem Prozessgas die Turbine unter Abgabe von Leistung. Weiterhin durchströmt dieser Dampf, inklusive einer Dampfmenge die aus der Flüssigkeitszufuhr zum Einspritzkühler 54 resultiert, primärseitig den Abhitzedampferzeuger 11 , wird dabei abgekühlt, und kondensiert. Dabei ist die Kondensationstemperatur partialdruckabhängig, entsprechend dem Taupunkt des Dampfes im Prozessgas. Weiterer Dampf wird im Rückkühler 13 kondensiert. Kondensat wird in den Kondensatabscheidern 5a und 5b vom Prozessgas getrennt und in einem Behälter 17 gesammelt. Von dort wird das Kondensat einerseits über eine Pumpe 55 zum Einspritzkühler 54 und insbesondere von einer Speisepumpe 18 als Speisewasser 12 wieder auf die Sekundärseite des Dampferzeugers 11 gefördert. Die Sekundärmaschine ist mit einem System zur Variation der Kreislauffüllung und damit zur Variation des Prozess-Druckniveaus versehen. Ein Kompressor 45 kann einen Teil des Hochdruck-Prozessfluides 22 aus dem Kreislauf abzweigen, und über einen Kühler 52, einen Abscheider 53, sowie ein Rückschlagorgan 46 in einen Hochdruck-Gasspeicher 51 fördern. Durch die Verschiebung von Prozessfluid aus dem Kreislauf in den Gasspeicher 51 wird die Füllung des Kreislaufs mit zirkulierendem Prozessfluid und damit das gesamte Prozess-Druckniveau vermindert. Die im Gasspeicher 51 gespeicherte Fluidmenge kann bei Bedarf wieder über das Absperr- und Drosselorgan 47 in den Kreislauf zurückgeführt werden, wodurch sich die Kreislauffüllung und das Druckniveau wieder erhöhen. Diese Variation der Kreislauffüllung eignet sich wie beschrieben ganz besonders gut zur dauerhaften Leistungsregelung der Sekundärmaschine. Weiterhin kann die im Hochdruck-Gasspeicher gespeicherte Energie besonders schnell als Nutzleistung zur Verfügung gestellt werden, da das gespannte Gas bei Entladung des Hochdruck-Gasspeichers quasi unmittelbar auf die Turbine wirkt. Diese spontane Leistungssteigerung kann besonders vorteilhaft zur Frequenzstützung eines Elektrizitätsnetzes herangezogen werden. Aus dem Stand der Technik sind unterschiedlichste Speichersysteme bekannt, beispielsweise auch Speicher mit kaskadierendem Druck. Die Kreislauffüllung und damit das Druckniveau der Sekundärmaschine können entsprechend den in Verbindung mit Figur 1 diskutierten Kriterien geregelt werden, weiterhin auch derart, dass eine bestimmte Überhitzung des Dampfes am Turbineneintritt erreicht wird.

Selbstverständlich kann die in den Ansprüchen gekennzeichnete Erfindung auch realisiert werden, wenn mehrere Primärmaschinen über einen gemeinsamen Wärmetauscher auf eine gemeinsame Sekundärmaschine wirken; wie bereits mehrfach erwähnt wurde, ist die Sekundärmaschine der erfindungsgemässen Kraftwerksanlage ganz besonders geeignet, um auf ein schwankendes Abwärmeangebot durch den Betrieb unterschiedlich vieler Primärmaschinen zu reagieren.

Um zu verdeutlichen, dass die Erfindung keineswegs auf die Verwendung von Turbomaschinen zur Durchführung des Sekundärprozesses beschränkt ist, ist in Figur 4 eine Ausführungsform der erfindungsgemässen Kraftwerksanlage dargestellt, die sich besonders gut für kleine Einheitenleistungen, in Verbindung mit einer Industriegasturbine oder einem sogenannten Aeroderivate als Primärmaschine realisieren lässt. Die dargestellte Gasturbogruppe 100 ist eine zweiwellige Maschine, mit einem Hochdruckverdichter 202 und einer Hochdruckturbine 203 auf einer gemeinsamen Welle und einem Niederdruckverdichter und einer Niederdruckturbine auf einer zweiten gemeinsamen Welle, welche auch als Abtriebswelle für die Nutzleistung dient, sowie einer Brennkammer. Solche Gasturbogruppen kleiner Leistungen laufen üblicherweise auf einer Drehzahl, die weit oberhalb der Netzfrequenz liegt. Die Abtriebswelle wirkt daher über ein Untersetzungsgetriebe 114 auf den Generator 113. Die Funktionsweise der Primärmaschine 100 erschliesst sich im Lichte der oben gemachten Ausführungen ohne weiteres. Die Abwärme des heissen entspannten Rauchgases 107 wird erfindungsgemäss in einem Wärmetauscher auf eine mit einem gasförmigen Prozessfluid im geschlossenen Kreislauf arbeitende Sekundärmaschine übertragen und dort genutzt. Aufgrund des kleinen Massen- und Volumenstroms der Sekundärmaschine ist zur Verdichtung des Prozessgases von Niederdruck-Prozessgas 21 auf Hochdruck-Prozessgas 22anstelle eines Turboverdichters eine Verdrängermaschine,

Schraubenkompressor 1 , angeordnet. Das Hochdruck-Prozessgas 22 durchströmt einen Wärmetauscher 6a und nimmt Wärme aus dem Abgas 107 auf. Das erhitzte Hochdruck-Prozessgas 23 strömt in eine erste, als Verdrängermaschine, Schraubenexpander 2a, ausgeführte Kraftmaschine, und wird dort auf einen Zwischendruck entspannt. Der Schraubenexpander 2 treibt den Schraubenkompressor 1 an. Das Zwischendruck-Prozessgas 25 durchströmt zusammen mit einer aus einem Abhitze-Dampferzeuger 11 herangeführten Frischdampfmenge 26 einen zweiten Teilwärmetauscher 6b, und wird zwischenerhitzt. Die nunmehr grösseren Volumina erfordern grössere Strömungsquerschnitte, weshalb für die Entspannung des Zwischendruck- Prozessgases und des Dampfes auf den Niederdruck eine Turbine, insbesondere eine Radialturbine gewählt wird. Diese treibt über ein zweites Untersetzungsgetriebe 115 und eine selbsttätig wirkende Kupplung 109 ebenfalls den Generator 113 an. Im Abhitzedampferzeuger 11 und im Rückkühler 13 wird das entspannte Prozessgas 24 wieder auf den

Anfangszustand 21 zurückgeführt, und der Dampf wird kondensiert und das Kondensat im Kondensatabscheider 5 vom Prozessgas getrennt und von einer Speisepumpe 18 wieder als Speisewasser 12 zum Abhitzedampferzeuger 11 gefördert. Die Sekundärmaschine weist weiterhin Mittel zur Schnellabschaltung, insbesondere eine Nebenschlussleitung mit einem

Nebenschlussorgan 30, auf. Ebenso ist ein Hochdruck-Prozessgasspeicher 51 , mitsamt den bereits hinreichend beschriebenen Mitteln zur Auf- und Entladung angeordnet. Der vollständig geschlossene Kreislauf der Sekundärmaschine erlaubt selbstverständlich eine prinzipiell freie Wahl geeigneter Prozessfluide sowohl als Prozessgas als auch für die Dampferzeugung.

Bei allen dargestellten Ausführungsformen könnte statt eines Generators auch ein anderer Leistungsverbraucher, insbesondere ein mechanischer Antrieb angeordnet sein. Hier wäre unter anderem an eine Schiffsschraube zu denken.

Bezugszeichenliste

I Verdichtungsmittel, Verdrängermaschine, Schraubenkompressor 1a, 1b, 1c Verdichtungsmittel, Teilverdichter 2 Entspannungsmittel, Turbine

2a Entspannungsmittel, Verdrängermaschine, Schraubenexpander

3 Leistungsverbraucher, Generator

5 Kondensatabscheider

5a, 5b Kondensatabscheider 6 Wärmetauscher

6a, 6b Wärmetauscher, Teilwärmetauscher

I I Wärmesenke, Abhitzedampferzeuger

12 Speisewassermassenstrom

13 Wärmesenke, Kühler 17 Behälter, Kondensatspeicher

18 Speisepumpe

21 Niederdruck-Prozessgas

22 verdichtetes Prozessgas, Hochdruck-Prozessgas

23 erhitztes Hochdruck-Prozessgas 24 entspanntes Prozessgas

25 Zwischendruck-Prozessgas

26 Frischdampf Nebenschlussorgan

Zwischenkühler

Stellorgan

Temperaturmessstelle

Kompressor

Rückschlagorgan

Drossel- und Absperrorgan

Temperaturmessstelle

Differenzbildner

Hochdruck-Prozessgasspeicher

Kühler

Kondensatabscheider

Einspritzkühler

Pumpe

Gasturbogruppe

Verdichter

Brennkammer

Turbine

Brennkammer

Turbine

Luftmenge

Abgas abgekühltes Abgas

Kupplung

Leistungsverbraucher, Generator

Untersetzungsgetriebe

Niederdruckverdichter

Hochdruckverdichter

Hochdruckturbine 204 Niederdruckturbine

ΔT Temperaturdifferenz

TAMB Umgebungstemperatur

TEX Turbinenaustrittstemperatur

TDPG Taupunktstemperatur Gasbetrieb

TDPO Taupunktstemperatur Ölbetrieb

TMAX Maximaltemperatur

Claims

Patentansprüche

1 . Krafterzeugungsanlage, insbesondere Kraftwerksanlage zur

Stromerzeugung, mit einer Primärmaschine (100) und einer dieser zur Abwärmenutzung nachgeschalteten Sekundärmaschine, wobei die Primärmaschine eine offene Gasturbogruppe mit wenigstens einem Verdichter (101 , 201 , 202), wenigstens einer Brennkammer (102, 104), und wenigstens einer Turbine (103, 105, 203, 204) ist, und bei der stromab einer letzten Turbine ein Wärmetauscher (6) zur Wärmeübertragung vom Abgas der Primärmaschine (107) zum Prozessfluid der Sekundärmaschine angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärmaschine über wenigstens eine Arbeitsmaschine (1 , 1 a, 1 b, 1 c) zur Verdichtung eines gasförmigen Prozessfluides von einem ersten Niederdruck auf einen zweiten Hochdruck, Mittel zur Zuführung des verdichteten Prozessfluides zu dem Wärmetauscher (6, 6a, 6b) , wenigstens eine Kraftmaschine (2, 2a) zur Entspannung des Prozessfluides vom Hochdruck auf den Niederdruck unter Leistung technischer Arbeit, welche stromab des Wärmetauschers angeordnet ist, wenigstens eine Wärmesenke (1 1 , 13, 41 , 42) zur

Wärmeabfuhr aus dem Prozessfluid, wobei der Fluidkreislauf der Sekundärmaschine stofflich vollkommen in sich geschlossen ist.

2. Krafterzeugungsanlage nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Kraftmaschine (2, 2a) mit wenigstens einer

Arbeitsmaschine (1 , 1a, 1 b, 1c) und/oder einem Leistungsverbraucher (3, 113) auf einer gemeinsamen Welle angeordnet ist.

3. Krafterzeugungsanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Kraftmaschine eine Turbine (2) ist.

4. Krafterzeugungsanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Arbeitsmaschine ein Turboverdichter ist.

5. Krafterzeugungsanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Wärmesenke (41 , 42) zur Kühlung des Prozessfluides während der Verdichtung vom Niederdruck (21 ) auf den Hochdruck (22) angeordnet ist.

6. Krafterzeugungsanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromab der letzten Kraftmaschine (2) im Niederdruckteil der Sekundärmaschine eine als Abhitzedampferzeuger (1 1 ) ausgeführte Wärmesenke angeordnet ist.

7. Krafterzeugungsanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel angeordnet sind, um in dem Abhitzedampferzeuger (1 1 ) erzeugten Dampf (26) auf einem Druck, der oberhalb des Niederdruckes liegt, in das gasförmige Prozessfluid einzubringen, dergestalt, dass der Dampf wenigstens einen Teil der Kraftmaschinen (2, 2a) oder einen Teil einer Kraftmaschine (2) durchströmt, und im Niederdruckteil der

Sekundärmaschine in wenigstens einer Wärmesenke (1 1 , 13) im Wesentlichen kondensiert, dass Mittel (5, 5a, 5b) zur Abscheidung des Kondensats aus dem Prozessfluid angeordnet sind, und, dass Mittel (18) zur Druckerhöhung des Kondensats und dessen Rückführung zum Abhitzedampferzeuger (11 ) angeordnet sind.

8. Krafterzeugungsanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Niederdruckteil der Sekundärmaschine mit einer Vorrichtung (51) zur Variation des Niederdrucks in Wirkverbindung steht.

9. Verfahren zum Betrieb einer Krafterzeugungsanlage nach einem der

Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenken derart geregelt werden, dass die Verdichtungsendtemperatur der Sekundärmaschine oberhalb der Taupunktstemperatur der Abgase der Primärmaschine liegt.

10.Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die

Verdichtungsendtemperatur auf weniger als 20°C, bevorzugt 2°C bis 10°C, oberhalb der Taupunktstemperatur der Abgase der Primärmaschine eingeregelt wird.

11.Verfahren zum Betrieb einer Krafterzeugungsanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärmaschine durch eine Variation des zirkulierenden Massenstroms an gasförmigem Prozessfluid an unterschiedliche zur Verfügung stehende Abwärmeleistungen angepasst wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der

Massenstrom so eingeregelt wird, dass die Turbineneintrittstemperatur der Sekundärmaschine weniger als 50°C unterhalb der Temperatur der aus der Primärmaschine austretenden Abgase liegt.