WO2004010003A2 - Verfahren zur verdichtung des arbeitsfluids beim wasser-dampf-kombi-prozess - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a method for compressing the working fluid in the water-steam combination process in multi-stage turbocompressors with intermediate cooling in the individual compressor stages by adding a freezer to the working fluid.
  • Such a technical solution is required for the production of energy by means of water-steam combination processes.
  • the object of the invention is therefore to provide a technical solution by means of which the shortcomings of the known prior art can be overcome.
  • a technical solution is required which is suitable for efficient intermediate cooling of the working fluid during the compression step and thus for the greatest possible reduction in the compressor drive power.
  • the object is solved by the features of claim 1. Preferred design variants are described in the subclaims.
  • the intermediate cooling is carried out in the individual stages by adding a coolant to the working fluid.
  • finely divided water is used as a coolant, which is obtained by spray-atomizing water into micro-water drops.
  • the individual micro water drops have diameters of less than 50 ⁇ m, preferably between 2 and 20 ⁇ m.
  • the coolant in the form of water mist is added directly to the working fluid in at least one compression stage, the coolant passing into the physical state of the working fluid during the compression process.
  • the coolant is preferably added to the working fluid in an amount such that the thermodynamic equilibrium is maintained.
  • the evaporation of the coolant takes place along the saturation line.
  • an immediate increase in the working fluid mass flow is brought about.
  • several desirable technical effects are achieved at the same time.
  • the temperatures of the compressed working fluid and apparatus technology are reduced.
  • the mass flow through the compressor is increased and a reduced compressor output is addressed.
  • the steam turbine working on the same shaft can thus deliver an increased net power.
  • the coolant is obtained from the liquefied working fluid of the WDK process in the form of water vapor condensate.
  • the thermal energy required for the evaporation of the plasticizer during compression is taken from the compression system, consisting of a turbocompressor and working fluid, which leads directly to a reduction in the temperatures of the apparatus and media.
  • the mass flow of the working fluid in the turbocompressor can be made variable by the controllable addition of cooling agent components to the individual leg stages.
  • Figure 1 is a schematic sectional view through a turbocompressor with identification of the proportion of working fluid and coolant at the entrance to the turbocompressor.
  • FIG. 2 shows a diagram for characterizing the course of the coolant portion in the total mass flow of working fluid and coolant over the individual stages of a 13-stage turbocompressor.
  • the relaxed steam leaving the steam turbine is fed according to FIGS. 1 and 2 in a WDK process for recompression to a turbocompressor arranged on the common shaft.
  • the turbocompressor has 13 compression levels. Before the working fluid enters the turbocompressor, the working fluid is added in the ratio: 1 part by weight of working fluid: 0.15 part by weight of coolant.
  • the coolant consists of a water spray that is obtained by atomizing water vapor condensate. The diameter of the individual drops of the water spray is less than 25 ⁇ m.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verdichtung des Arbeitsfluids beim Wasser-Dampf-Kombi-Prozeß in mehrstufigen Turboverdichtern mit Zwischenkühlungen in den einzelnen Verdichterstufen durch Zusatz eines Kühlmittels zum Arbeitsfluid. Insbesondere wird eine technische Lösung benötigt, die zur effizienten Zwischenkühlung des Arbeitsfluids beim mehrstufigen Komprimieren und damit zur möglichst hohen Minderung der Verdichterantriebsleistung geeignet ist. Dazu wird als Kühlmittel feinstverteiltes Wasser eingesetzt, welches durch Druckzerstäuben von Wasser zu Microwassertropfen gewonnen wird. Das Kühlmittel wird dabei in einer der Aufrechterhaltung des thermodynamischen Gleichgewichts dienenden Menge unmittelbar in wenigstens einer Verdichtungsstufe dem Arbeitsfluid zugesetzt und geht beim Verdichten in den Zustand des Arbeitsfluids über, wobei die Verdampfung des Kühlmittels entlang der Sättigungslinie erfolgt. Mit dem Zusatz von Kühlmittel zwischen Verdichtereintritt und Verdichteraustritt wird eine Erhöhung des Arbeitsfluid-Massenstroms bewirkt.

Description

Verfahren zur Verdichtung des Arbeitsfluids beim Wasser-Dampf-Kombi- Prozeß
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verdichtung des Arbeitsfluids beim Wasser-Dampf-Kombi-Prozeß in mehrstufigen Turboverdichtern mit Zvvischenkühlungen in den einzelnen Verdichterstufen durch Zusatz eines Kürj mittels zum Arbeitsfluid. Eine derartige technische Lösung wird bei der Gebrauchsenergiegewinnung mittels Wasser-Dampf-Kombi-Prozessen benötigt.
Es ist bekannt, daß Zwischenkühlungen beim Komprimieren des Arbeitsfluids in Turbokompressoren die erforderliche Verdichterantriebsleistung mindern. Aus der Gastmbmentechnik ist bekannt (J. van LLERE/C.G. MEIJER/G.H.M. LAAGLAND: Leistungssteigerung und Nox-Reduktion der Gasturbinen durch SwirlFlash®-Overspray-Eindüsung, VGB PowerTech 2/2002), Leistungsreserven durch Minderung der Verdichterantriebsleistung infolge des Kühlmittelzustatzes bei der Gasverdichtung zu erschließen. Als Küfümittel wird dazu bevorzugt feinzerstäubtes Wasser in Form von Nebeln aus Microwassertropfen eingesetzt. Bei der Anwendung dieser Technik entsteht ein zweiphasiges Arbeitsfluid aus dem Brenngas oder dem Rauchgas und dem verdampftem Kühlmittel. Das führt in erster Linie zu der eπvünschten Temperatnrminderung des verdichteten Arbeitsfluids und der eingesetzten Apparatetechnik. Weiterhin werden infolge der Kühlprozesse Minderungen von Schadgaskonzentrationen in den Rauchgasen beschrieben. Die Erhöhung der Feuchte kann dabei jedoch durchaus zu Komplikationen in den nachgeschalteten Prozeßstufen fuhren. Beim Wasser-Dampf-Kombi-Prozeß wird ebenfalls angestrebt, bei der Verdichtung des Arbeitsfluids in Form von Wasserdampf durch Zwischenkühlungen der einzelnen Verdichterstufen die Leislnngsanforderungen für das Verdichten zu veπnindern, um von der gemeinsamen Turbinen- und Verdichterwelle eine größere Nutzleistung abnehmen zu können. erdings gestaltet sich infolge der hohen Sttömungsgeschwindigkeiten die indirekte Kühlung der Vercrichterstirfen technisch als sehr aufwendig. Eine praktikable und überzeugende technische Lösung dieses Problems konnte für den Wasser-Dampf- Kombi-Prozeß bisher nicht gefunden werden. Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb im Schaffen einer technischen Lösung, mit deren Hilfe die Mängel des bekannten Standes der Technik überwunden werden können. Insbesondere wird eine technische Lösung benötigt, die zur effizienten Zwischenkuhlung des Arbeitsfluids beim meln"stufigen Komprimieren und damit zur möglichst hohen Minderung der Verdichterantriebsleistung geeignet ist.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausfüfrungsvarianten werden in den Unteransprüchen beschrieben. Danach wird beim Verdichten des Arbeitsfluids eines Wasser-Dampf-Kombi- Prozesses (WDK-Prozeß) in mehrstufigen Turboverdichtern die Zwischenkühlung in den einzelnen Verώchterstufen durch Zusatz eines Kühlmittels zum Arbeitsfluid vorgenommen. Dazu wird als Kühlmittel feinstverteiltes Wasser eingesetzt, welches durch Drackzerstäuben von Wasser zu Mikrowassertropfen gewonnen wird. Die einzelnen Mikrowassertropfen besitzen Durchmesser von weniger als 50 μm, vorzugsweise zwischen 2 - 20 μm. Das Kühlmittel in Form von Wassernebeln wird dabei unmittelbar in wenigstens einer Verdichtungsstufe dem Arbeitsfluid zugesetzt, wobei das Külilmittel während des Verdichtungsvorganges in den Aggregatzustand des Arbeitsfluids übergeht.
Das Kühlmittel wird dem Arbeitsfluid bevorzugt in einer solchen Menge zugeführt, daß das thermodynamische Gleichgewicht aufrechterhalten wird. Die Verdampfung des Kühlmittels erfolgt hierbei entlang der Sättigi gslinie. Mit dem Zusatz von Kühlmittelmengen zwischen Verdichtereintritt und Verdichteraustritt wird unmittelbar eine Erhöhung des Arbeitsfluid-Massenstroms bewirkt. Mit den genannten verfahrenstechnischen Maßnahmen werden gleichzeitig mehrere wünschenswerte technische Effekte erzielt. Indem die für die Verdampfung des Kühlmittels benötigte Verdampfungswärme dem Verdichtungsprozeß unmittelbar entzogen wird, kommt es zur Reduzierung der Temperaturen von verdichtetem Arbeitsfluid und Apparatetechnik. Parallel dazu wird der Massenstrom durch den Verdichter erhöht und eine reduzierte Verdichterleistung in Ansprach genommen. Die auf der gleichen Welle arbeitende Dampfturbine kann somit eine erhöhte Nettoleistung abgeben. In einer besonderen Ausfuf rungsform ist vorgesehen, daß das Kühlmittel aus dem verflüssigtem Arbeitsfluid des WDK-Prozesses in Form von Wasserdampf- Kondensat gewonnen wird.
Es besteht auch die Möglichkeit, das Kühlmittels bereits vor der ersten Verdichterstufe dem Arbeitsfluid zuzuführen. Die benötigte Wärmeenergie für die Verdampfung des KüMmittels beim Verdichten wird dem Verdichtungssystem, bestehend aus Turboverdichter und Arbeitsfluid, entnommen, was unmittelbar zu einer Absenkung der Apparate- und Medientemperaturen führt. Durch den steuerbaren Zusatz von Küfjtoittelanteilen zu den einzelnen Vermchtungsstufen kann der Massenstrom des Arbeitsfluids im Turboverdichter variabel gestaltet werden.
Infolge der inneren Kühlung des Arbeitsfluids wird das Verdichtungsvolumen vermindert. Bedarfsweise kann für die Zwecke der Zwischenkühlung beim Verdichten des Arbeitsfluids mittels Turboverdichtern auf die Nutzung von Kühlflächen und auf den Einsatz von indirekten Kühlmaßnahmen verzichtet werden.
Die Vorteile der Erfindung bestehen zusammengefaßt in der nun verfügbaren technischen Möglichkeit, den WDK-Prozeß nicht nur energetisch effektiver zu gestalten, sondern auch auf besondere apparatetechnische Maßnahmen zum Zwecke der Zwischenkühlung des Arbeitsfluids zwischen den einzelnen Verdichü gsstufen in Form von Kü einrichtungen außerhalb des Turboverdichters oder durch Kühlmaßnahmen an den Verdichterschaufeln vollständig verzichtet werden. Auftretende Verluste an Arbeitsfluid im gesamten WDK-Prozeß können gezielt zumindest teilweise über den Zusatz von Külnrnittel in der Verdichtungsstufe ausgeglichen werden. In anderen Fällen kann das WDK- Prozeß zu externen Zwecken entnommene Arbeitsfluid, beispielsweise bei der Auskopplung von Wasserdampf-Mengen zu Heizzwecken, beim Verdichtungsprozeß durch den Zusatz von Kühlmittel ersetzt werden.
Die Erfindung soll nachstehend mit einem Ausfuhrungsbeispiel näher erläutert werden.
In der beigefügten Zeichnung zeigen: Fig. 1 die schematische Schnittdarstellung durch einen Turboverdichter mit Kennzeichnung der Proportion von Arbeitsfluid und Kühlmittel beim Eingang in den Turboverdichter;
Fig. 2 ein Diagramm zur Kennzeichnung des Verlaufs des Kühlmittelanteils im Gesamtmassestrom von Arbeitsfluid und Kühlmittel über die einzelnen Stufen eines 13 -stufigen Turboverdichters.
Ausführungsbeispiel:
Der die Dampfturbine verlassende entspannte Wasserdampf wird gemäß der Figuren 1 und 2 in einem WDK-Prozeß für die erneute Verdichtung einem auf der gemeinsamen Welle angeordneten Turboverdichter zugeführt. Der Turboverdichter besitzt 13 Verdichtungsstufen. Vor dem Eintritt des Arbeitsfluids in den Turboverdichter werden dem Arbeitsfluid im Verhältnis: 1 Masseteil Arbeitsfluid : 0,15 Masseteile Kühlmittel zugesetzt. Das Kühlmittel besteht dabei aus einem Wasserspray, der durch Zerstäuben von Wasserdampf-Kondensat gewonnen wird. Die Durchmesser der Einzeltropfen des Wassersprays betragen weniger als 25 μm. Infolge der stufenweisen Verdichtung des Gemischs aus Wasserdampfund Wasserspray kommt es über die einzelnen Verdichtungsstufen bis zum Austritt des verdichteten Arbeitsfluids aus dem Turboverdichter zu einer quasi kontinuierhchen Temperaturerhöhung, die zur Verminderung des Kühlmittelanteils am Gesamtmassestrom parallel verläuft. Das verdichtete Arbeitsfluid gelang anschließend erneut zur Dampfturbine. Die von der Dampffurbine gewonnene mechanische Leistung wird an die Turbinenwelle abgegeben. Wegen der geringeren Antriebsleistung des Turboverdichters kann an der Turbinenwelle eine erhöhte Überschußleistung nach Außen abgegeben werden. Durch den unrnittelbaren Zusatz von Külihnittel zum Arbeitsfluid werden apparatetechnisch und steuerungstechnisch aufwendig Zwischenkühlungen zwischen den einzelnen Verώchtungsstufen eingespart.

Claims

Verfahren zur Verdichtung des Arbeitsfluids beim Wasser-Dampf-Kombi- ProzeßPatentansprüche
Verfahren zur Verdichtung des Arbeitsfluids beim Wasser-Dampf-Kombi- Prozeß in meinstufigen Turboverdichtern mit Zwischenkülilungen in den einzelnen Verdichterstufen durch Zusatz eines Kühlmittels zum Arbeitsfluid, dadurch gekennzeichnet, daß als Külihnittel feinstverteiltes Wasser eingesetzt wird, welches durch Druckzerstäuben von Wasser zu Microwassertropfen gewonnen wird, daß das Külilmittel i mittelbar in wenigstens einer Verdichtungsstufe dem Arbeitsfluid zugesetzt wird, daß das Külilmittel beim Verdichten in den Zustand des Arbeitsfluids übergeht, daß das KüMinittel dem Arbeitsfluid in einer der Aufrechterhaltung des mennodynamischen Gleichgewichts dienenden Menge zugesetzt wird, daß die Verdampfung des Kühlmittels entlang der Sättigungslinie erfolgt und daß mit dem Zusatz von Kühhnittel zwischen Verdichtereintritt und Verdicliteraustritt eine Erhöhung des Arbeitsfluid-Massenstroms bewirkt wird.
Verfahren nach dem Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühhnittel aus verflüssigtem Arbeitsfluid gewonnen wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Külihnittel vor der ersten Verdichterstufe dem Arbeitsfluid zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampfungswärme des Kühlmittels in Verbindung mit der Absenkung der Apparate- und Medientemperaturen dem Verdichtungssystem entnommen wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch den steuerbaren Zusatz von Kühhnittel zu einzelnen Verdichtungsstufen der Massenstrom des Arbeitsfluids im Turboverdichter variabel gestaltet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß infolge der inneren Kühlung des Arbeitsfluids das Verdichtungsvolumen vermindert wird.
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