DE2455096A1

DE2455096A1 - Closed cycle energy production system for turbo generators - working medium is refrigerated at each compressor stage

Info

Publication number: DE2455096A1
Application number: DE19742455096
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl Ing Dr Linde; Anton Dipl Ing Pocrnja
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1974-11-21
Filing date: 1974-11-21
Publication date: 1976-08-12
Also published as: DE2455096B2; BR7507670A; CH606798A5; ZA757225B; JPS5191413A

Abstract

The working medium, which could be air, helium or nitrogen, is compressed, heated and then expanded to produce working energy in a closed cycle and then cooled to approximately environmental temperature and repeatedly recycled. In order to economise on the energy required for the compression, the working medium is refrigerated in a closed circuit refrigeration system to a temperature preferably 10 - 50 deg.C below that of the environmental temperature before each successive compression stage. The expanded working medium is refrigerated by a first heat exchanger with the expulsion side and then a second heat exchange with the evaporation side of the refrigeration absorbtion cycle, with water cooling provided between the two refrigeration sides and then returned to the inlet side of the compressor.

Description

Verfahren zur Erzeugung von Energie Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Energie, bei dem ein in Kreislauf geftihrtes Arbeitsmedium verdiohtet, stark erwärmt und arbeitsleistend entspannt wird und bei dem das arbeitsleistend entspannte Arbeitsmedium auf etwa Umgebungstemperatur gekühlt und daraufhin erneut verdiohtet wird. Method for generating energy The invention relates to a method for the generation of energy in which a circulating working medium dissolves, is strongly warmed up and relaxed while doing work and in which doing work relaxed working medium cooled to around ambient temperature and then again is earned.

In den herkSmmlichen Gasturbinenkraftwerken wird das Arbeitsmedium, in der Regel ist dies Luft oder Helium, nach seiner Verdichtung zunächst im Wärmeaustausch mit sich selbst nach erfolgter Entspannung vorgewärmt, dann unter Zufuhrung von Fremdwärme stark erhitzt und daraufhin in einer Turbine arbeitaleistend entspannt. Ein Teil der freigeJetzten Arbeit wird zum Antrieb des Kreislaufkompressors herangezogen, während der Rest in einem mit der Turbine gekoppelten Generator in elektrischer Energie umgewandelt wird. Nach seiner Entspannung wird das Arbeitsmedium erneut auf seinen Ausgangszustand, d.h. auf etwa Umgebungstemperatur, abgekUhlt und daraufhin wieder dem Kreislaufkompressor zugettlhrt. Diese Abkühlung erfolgt in mehreren Stufen: In einer ersten KUhlsture erfolgt die Vorwärmung des verdichteten Arbeitsmediums, in einer weiteren KUhlatufe kann noch verwertbare Abwärme zu Heizzwceken, z.B. zur GebKudeheizung, abgegeben werden, während die EndabkUhlung auf etwa Umgebungstemperatur in einem Wasserkflhler erfolgt. In conventional gas turbine power plants, the working medium As a rule, this is air or helium, after it has been compressed, initially in heat exchange preheated with itself after relaxation, then with the supply of External heat strongly heated and then relaxed in a turbine in a labor-intensive manner. A part the released work is used to drive the circulation compressor, while the rest in a generator coupled with the turbine in electric Energy is converted. After its relaxation, the working medium becomes again cooled to its initial state, i.e. to around ambient temperature, and then back to the circulation compressor. This cooling takes place in several stages: In a first cooling stage, the compressed working medium is preheated, In a further cooling stage, usable waste heat can still be used for heating purposes, e.g. for Building heating, are released while the final cooling down to around ambient temperature takes place in a water cooler.

Ein Nachteil dieses bekannten Verfahrens liegt darin, daß ein relativ großer Teil (etwa 60 %) der Turbinenleistung als Eigenbedarf im Kreislaufkompressor verbraucht wird. Hinzu kommt, daß die Möglichkeit, die kontinuierlich anfallende Abwärme auch kontinuierlich zu Heizzweoken zu verbrauchen, nicht immer gegeben ist. A disadvantage of this known method is that a relatively large part (around 60%) of the turbine output as internal use in the circulation compressor is consumed. In addition, there is the possibility of continuously accumulating Consuming waste heat continuously for heating purposes is not always a given.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die effektive Leistung bzw. den Gesamtwirkungsgrad des bekannten Verfahrens zu erhöhen. The invention is based on the object of the effective performance or to increase the overall efficiency of the known method.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Arbeitsmedium vor seiner erneuten Verdichtung im WErmeaustausch mit einem in einem geschlossenen Kältekreislauf gefUhrten Kältemittel auf eine wesentlich unter Umgebungstemperatur liegende Temperatur gekUhlt wird. This object is achieved according to the invention in that the working medium before its renewed compression in the heat exchange with an in a closed refrigerant circuit to a significantly lower level Ambient temperature is cooled.

Durch die erfindungsgemäße KUhlung des Arbeitsmediums vor seiner Verdichtung auf eine unter der Umgebungstemperatur liegende Temperatur läßt sich überraschender Weise der gesamte Energiebedarf des Verfahrens erheblich verringern. Es hat sich nämlich gezeigt, daß der zusätzliche Energiebedarf zur KUhlung des Arbeitsmediums erheblich geringer ist, als die Energieersparnis, die stich allein schon aus der Volumenverringerung des tu verdichtenden Arbeitsmediums aufgrund der erfindungsgemäßen ?CUhlung'ergibt. Hinzu kommen apparative Vorteile, da die Verdi chtungsräume des Kreis laufkompressors aufgrund der geringeren zu verdichtenden Volumina kleiner ausgebildet werden können. The inventive cooling of the working medium before its Compaction to a temperature below the ambient temperature can be Surprisingly, reduce the total energy consumption of the process considerably. It has been shown that the additional energy required to cool the working medium is considerably lower than the energy savings, which alone stand out Volume reduction of the tu compressing working medium due to the invention "Cooling" gives. There are also advantages in terms of equipment, since the compression spaces of the Circuit compressor smaller due to the smaller volumes to be compressed can be trained.

Die Abkühlung des Arbeitsmediums kann z.B. duroh einen ein oder mehrstufigen Kompressionskältekreislauf erfolgen. Als Kältemittel eignen sich z.B. Ammoniak, Propan oder ein Freon. The cooling of the working medium can, for example, be carried out in one or more stages Compression refrigeration cycle take place. Suitable refrigerants are e.g. ammonia, Propane or a freon.

Je nach dem angestrebten Verdichtungsverhältnis des Arbeitsmediume erfolgt hierbei mit Vorteil die Abkühlung des Arbeitrmediums vor seiner Verdichtung auf eine Temperatur, die etwa zwischen 10 und 50 C unterhalb der Umgebungstemperatur liegt. Bei einer derartigen AbkUhlung ist die Differenz zwischen e inges parter Verdichtungs leistung und aufzubringender Energie fUr die Kälteleistung des Kältekreislaufes, also die effektive Energleer6parnis, am größten, da es sich gezeigt hat, daß bei einer AbkUhlung wesentlich unter -25° C die aufzubringende Energie fUr die Kälteleistung überproportional zur eingesparten Verdichterleistung steigt. Depending on the desired compression ratio of the working medium In this case, the working medium is advantageously cooled before it is compressed to a temperature which is approximately between 10 and 50 C below the ambient temperature lies. With such a cooling, the difference between e inges partner Compaction performance and energy to be applied for the cooling capacity of the refrigeration cycle, i.e. the effective energy saving, is greatest, since it is has shown that when the temperature is significantly below -25 ° C, the Energy for the cooling capacity disproportionately to the saved compressor capacity increases.

Mit Vorteil wird nach einem weiteren Merkmal der Erfindung das Arbeitsmedium mehrstufig verdichtet und vor jeder Verdichtungsstufe im Anschluß an eine WasserkUhlung im Wärmeaustausch mit dem Kältemittel auf eine Temperatur unter der Umgebungstemperatur gekühlt. According to a further feature of the invention, the working medium is advantageous compressed in several stages and before each compression stage after a water cooling in heat exchange with the refrigerant to a temperature below the ambient temperature chilled.

Hierbei hat es sich z.B. als sweckmäßig erwiesen, bei einem Verdichtungsverhältnis von drei in jeder Verdiohtungsstufe das Arbeitsmedium vor jeder Verdichtungestufe auf eine Temperatur zwischen -5 und -110 C, vorzugsweise -8° C, abzukUhlen. Bei dieser Temperatur ist die Differenz zwischen eingesparter Verdichtungsleistung, und der in einem einstufigen Kältekreislauf aufzubringenden Energie für die Kälteleistung, also die Energie ersparnis, am größten. Durch die Abkühlung ergibt sich eine Erniedrigung der Verdichterleistung um etwa 10 % gegenüber einer Verdichtung des Arbeitsmediums bei 20 C. Die aufzubringende Energie fUr die Kälteleirstung zur Kühlung des Arbeitsmediums beträgt dagegen nur etwa 4,8 % der Verdichterleistung. Insgesamt ergibt sich somit eine Einsparung an Verdichterleistung von etwa 5,2 %. For example, it has been shown to be sweeping, with a compression ratio of three in each compression stage, the working medium before each compression stage to a temperature between -5 and -110 C, preferably -8 ° C. at this temperature is the difference between the saved compression capacity, and the energy to be applied in a single-stage refrigeration cycle for the refrigeration capacity, so the energy savings, the greatest. The cooling results in a decrease the compressor performance by about 10% compared to a compression of the working medium at 20 C. The energy to be applied for the refrigeration to cool the working medium on the other hand is only about 4.8% of the compressor capacity. Overall, this results a saving in compressor capacity of around 5.2%.

Bei einem Verdichtungsverhältnis von 4 in jeder Verdichtungsstufe liegt die günstigste Temperatur des Arbeitsmediums vor jeder Verdichtungsstufe zwischen -12 und -18° C, vorzugsweise bei 150 C. In diesem Falle ergibt sich eine Einsparung an Verdichterleistung um etwa 6,8 . With a compression ratio of 4 in each compression stage is the most favorable temperature of the working medium before each compression stage between -12 and -18 ° C, preferably at 150 C. In this case, there is a saving in compressor capacity by about 6.8.

Bei einem Verdichtungsverhältnis von 5 bzw. 6 jeder Verdichtungsstufe liegen die günstigsten Abkühltemperaturen des Arbeitsmediums vor jeder Verdichtungsstufe zwischen -15 und .210 C, vorzugsweise -18° C, bzw. zwischen -17 und 230 C, vorzugsweise bei -200 C. Die Einsparung an Verdiohterleistung beträgt hierbei etwa 7,6 % bzw. 8,5 % Diese Zahlen, die die Wirtschaftlichkeit des erz in dungsgemäßen Verfahrens dokumentieren, sind in der folgenden Tabelle noch einmal zusammengestellt. With a compression ratio of 5 or 6 for each compression level are the most favorable cooling temperatures of the working medium before each compression stage between -15 and .210 C, preferably -18 ° C, or between -17 and 230 C, preferably at -200 C. The savings in Verdiohter power are here about 7.6% or 8.5% These numbers indicate the profitability of the ore in the process according to the invention are summarized in the following table.

Verdichtungsverhältnis in jeder Verdichtungsstufe: 3 4 5 6 Günstige AbkUhltemperatur des 0 Arbeitsmediums vor jeder Ver- .80 C -15° C -18° c -20° C dichtungsstufe Verdichterleistung in % der 90 % 88 % 87,2 % 86,3 % Verdichterleistung bei 20° C Leistungsaufwand für einstufige Kältemaschine in % der Ver- 4,8 % 5,2 % 5,2 % 5,2 % dichterleistun Gesamtersparnis an aufzubringen- 5,2 % 6,8 % 7,6 % 8,5 % der Leistung Als wirtschaftlich besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn das Kältemittel in einem Absorptionskältekreislauf geführt wird und die Beheizung des Austreibers des Adsorptionskältekreislauf im Wärmeaustausch mit dem arbeitsleistenden entspannten Arbeitsmedium erfolgt, das sich bei diesem Wärmeaustausch abkUhlt. Die weitere Abkühlung des Arbeitsmediums auf die gewünschte tiefe Temperatur erfolgt dann im Wärmeaustausch mit dem verdampferseit igen Teil des Absörpt ionskältekreislaufs.Compression ratio in each compression level: 3 4 5 6 Favorable cooling temperature of the 0 Working medium before every use .80 C -15 ° C -18 ° C -20 ° C sealing stage Compressor output in% of the 90% 88% 87.2% 86.3% Compressor capacity at 20 ° C Performance expenditure for single-stage Refrigeration machine in% of the 4.8% 5.2% 5.2% 5.2% poet work Total savings to be raised - 5.2% 6.8% 7.6% 8.5% performance It proves to be particularly economically advantageous if the refrigerant is routed in an absorption refrigeration cycle and the heating of the expeller of the adsorption refrigeration cycle takes place in heat exchange with the relaxed working medium that does the work and cools during this heat exchange. The further cooling of the working medium to the desired low temperature then takes place in heat exchange with the part of the absorption cooling circuit on the evaporator side.

Durch die Verwendung eines Absorpt ionskältekreislaurs gelingt es somit» die nur schwer verwertbare Abwärme bei einem Gasturbinenkreislauf unmittelbar zur Erzeugung von Kälte zu verwerten, wobei mittels der erzeugten Kälte das Arbeitsmedium vor seiner Verdichtung gekUhlt und somit die aurzubringende Verdichterleistung erheblich erniedrigt wird. Der Energiebedarf des Absorp.It is possible through the use of an absorption refrigeration cycle thus »the difficult-to-use waste heat in a gas turbine cycle directly to utilize for the generation of cold, whereby by means of the generated cold the working medium cooled before it is compressed and thus the compressor output required is considerable is humiliated. The energy requirement of the Absorp.

tionskältekreislaufes ist sehr gering, da in diesem nunmehr lediglich Pumparbeit zur Verdichtung des im Lösungsmittel gelösten Kältemittels auf den Kreislaufenddruck aurzubringen ist. Diese Pumparbeit ist jedoch vernachlässigbar klein. Insgesamt erniedrigt sich somit die aufzubringende Verdiohterleistung im wesentlichen direkt um den Betrag, der durch die AbkUhlung des Arbeitsmediums vor seiner Verdichtung eingespart wird.tion cooling circuit is very low, since in this now only Pumping work to compress the refrigerant dissolved in the solvent to the final pressure of the circuit is to be brought about. However, this pumping work is negligibly small. All in all the output to be applied is thus reduced essentially directly by the amount created by the cooling of the working medium before it is compressed is saved.

Zur weiteren Erhöhung der Wirtschaftlichkeit des Verrahrens ist es zweckmäßig, das Arbeitsmedium nach seiner AbkUhlung im Wärmeaustausch mit dem austreiberseitigen und vor seiner weiteren AbkUhlung im Wärmeaustausch'mit dem verdampferseitigen Teil des Absorptionskältekreislaufes einer weiteren ZwischenkUhlung in einem Wasserkühler zu unterziehen. To further increase the profitability of the betrayal it is expediently, the working medium after its cooling in heat exchange with the expeller-side and before his further cooling in the heat exchange with the evaporator side Part of the absorption refrigeration cycle of a further intermediate cooling in a water cooler to undergo.

Weitere Erläuterungen zu der Erfindung sind dem in der Figur schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel zu entnehmen: Gemaß der Figur werden 1,7 . 106 Nm³/h Helium im Kreislaufkompressor 1 eines gesohlossenen Gasturbinenkreislaufes auf einen Druck von etwa 28,5 ata verdichtet und in einem Vorwärmer 2 im Wärmeaustausch mit arbeitsleistend entspanntem Helium auf eine Temperatur von ca. 420° C angewärmt. Daraufhin wird das Helium im Wärmeaustauscher 3 durch Zufuhr von Fremdwärme auf ca. 7500 C erhitzt und in einer Turbine 4 auf einen Druck von ca. 10,8 ata arbeitsleistend entspannt. Die hierbei freigesetzte Arbeit wird teilweise an einen Generator 5 zur Umwandlung in elektrische Energie und teilweise an den Kreislaufkompressor 1 abgegeben. Das am Ausgang der Turbine unter einer Temperatur von ca. 4600 C anfallende Helium wird im Vorwärmer 2 auf etwa 1470 C abgekühlt und nunmehr dem Austreiber 6 eines Absorptionskältekreislaufes zugeführt, der mit Ammoniak als Kälte- und Wasser als Lösungsmittel betrieben wird. In der Rohrschlange 7 des Austreibers 6 wird das Helium auf ca. 1010 C weitergeUilhlt. Further explanations of the invention are shown schematically in the figure The illustrated embodiment can be seen: According to the figure, 1.7. 106 Nm³ / h helium in the cycle compressor 1 of a closed gas turbine cycle compressed to a pressure of about 28.5 ata and in a preheater 2 in heat exchange warmed up to a temperature of approx. 420 ° C with relaxed helium for work. Thereupon the helium in the heat exchanger 3 is raised by the supply of external heat heated to approx. 7500 C and performing work in a turbine 4 to a pressure of approx. 10.8 ata relaxed. The work released in this case is partly transferred to a generator 5 Conversion into electrical energy and partially delivered to the cycle compressor 1. The helium that accumulates at the exit of the turbine at a temperature of approx. 4600 C. is cooled in the preheater 2 to about 1470 C and now the expeller 6 one Absorption refrigeration cycle supplied with ammonia as refrigeration and water as Solvent is operated. In the coil 7 of the expeller 6, the helium continued to cool to approx. 1010 C.

Daraufhin wird das Helium zunächst im Wasserkühler 8 auf ca.The helium is then first reduced to approx.

25° C und dann im Verdampfer 9 des Absorptionskältekreislaufes auf ca. 100 C geldihlt und unter dieser Temperatur erneut der Saugseite des Kreislaufkompressors 1 zugeführt. Duroh die Abkühlung des Heliums im Verdampfer 9 erniedrigt sich der Leistungebedarf des Kompressors 1 um etwa 5 % gegonllber der Leistung, die erforderlich wäre, um die Luft unter einer Eintrittstemperatur von 250 C zu verdichten. Da der Kreislaufkompressor 1 normalerweise rund 60 % der Turbinenleistung verbraucht, bedeutet die Verringerung der Kompressorleistung um etwa 5 % eine Erhöhung er effektiven Leistung des Gasturbinenkraftwerks um ca. 7 %.25 ° C and then in the evaporator 9 of the absorption refrigeration cycle 100 C gel cools and below this temperature again the Suction side of the cycle compressor 1 supplied. Duroh the cooling of the helium in the evaporator 9, the power requirement of the compressor 1 is reduced by about 5% over that Power that would be required to keep the air below an inlet temperature of 250 C to compress. Since the circulation compressor 1 normally around 60% of the turbine output consumed, a reduction in compressor output of around 5% means an increase he effective output of the gas turbine power plant by approx. 7%.

Im Absorptionskältekreislauf wird aus dem Absorber 10 ein Flüssigkeitsgemisch aus Ammoniak und Wasser über eine Leitung 11 abgezogen, mittels einer Pumpe 12 auf den Kreislaufenddruck verdichtet, im Wärmeaustausch.r 13 angewärmt und in den Austrei-Durch ber 6 eingespeist. Beheizung mit in der Rohrschlange 7 strömendem warmen Helium wird im Austreiben 6 das Ammoniak aus dem Wasser ausgetrieben. Im Sumpf des Austreibers 6 fällt daher eine im wesentlichen nur noch aus Wasser bestehende Flüsslgkeit an, die im Wärmeaustauscher 13 gekUhlt, im Ventil 14 entspannt und in den Absorber 10 zurückgeführt wird. In the absorption refrigeration cycle, the absorber 10 becomes a liquid mixture withdrawn from ammonia and water via a line 11, by means of a pump 12 the circuit end pressure is compressed, warmed up in the Wärmeaustausch.r 13 and in the Ausrei-Durch Fed over 6. Heating with warm helium flowing in the pipe coil 7 the ammonia is expelled from the water in the expulsion 6. In the swamp of the expeller 6 there is therefore a liquid essentially consisting only of water, which is cooled in the heat exchanger 13, expanded in the valve 14 and fed into the absorber 10 is returned.

Die im Kopf des Austreibers 6 unter dem Kreislaufenddruck anfallenden Ammoniakdämpfe werden im Wasserkühler 15 verflüssigt, im Wärmeaustauscher 16 unterkühlt, im Ventil 17 entspannt und daraufhin im Wärmeaustausoher 9 gegen abzukühlendes Helium verdampft. Anschließend werden sie im Wär-austauscher 16 angewärmt, erneut dem Absorber 10 zugeführt und von dem sich darin befindlichen ammoniakarmen Wasser absorbiert. Die hierbei anfallende Absorptionswärme wird Uber den WasserkühLer 18 abgeführt. The accumulating in the head of the expeller 6 under the circuit pressure Ammonia vapors are liquefied in the water cooler 15, supercooled in the heat exchanger 16, relaxed in valve 17 and then in heat exchanger 9 against helium to be cooled evaporates. They are then warmed up in the heat exchanger 16, again in the absorber 10 fed and from which poor ammonia in it Absorbs water. The resulting absorption heat is transferred to the water cooler 18 discharged.

Durch die erfindungsgemäße Heizung des Austreibers 6 mit dem noch warmen arbeitsleistend entspannten Helium wird zum Betreiben des Absorptionskä.ltekreislaufes fast keine zusätzliche Energie benötigt, da die Pumparbeit der Pumpe 12 relativ niedrig ist. Die in dem arbeitsielstend entspannten Helium noch enthaltene Wärme wird somit in einfacher Weise über den Absorptionskältekreislauf in Kälte umgewandelt und zur Kühlung des Heliums vor seiner erneuten Verdichtung herangezogen, wodurch die errorderliche Verdichtungsarbeit des Kreislaurkompressors insgesamt erheblich gesenkt wird. The inventive heating of the expeller 6 with the still warm, relaxed helium is used to operate the absorption cooling circuit almost no additional energy is required, since the pumping work of the pump 12 is relative is low. The heat still contained in the helium that is relaxed at work is thus easily converted into cold via the absorption refrigeration cycle and used to cool the helium before it is recompressed, whereby the required compression work of the centrifugal compressor is considerable overall is lowered.

Als Arbeitsmedium des Gasturbinenkraftwerkes können neben Helium auch Stickstoff oder Lurt verwendet werden. Zur Erzeugung der Fremdwärme im Wärmeaustauscher 3 kann ein beliebiger Brennstoff verbrannt werden. Es kann aber auch die auf hohem Temperaturniveau anfallende Abwärme eines Kraftwerkes, insbesondere eines Kernkraftwerkes, als Fremdwärme herangezogen werden. As a working medium of the gas turbine power plant, in addition to helium also nitrogen or lurt can be used. To generate the external heat in the heat exchanger 3 any fuel can be burned. But it can also be high Temperature level of waste heat from a power plant, in particular a nuclear power plant, can be used as external heat.

1 Blatt Zeichnung 5 Patentansprüche1 sheet of drawing 5 claims

Claims

Claims Verrahren for the generation of energy, in which a The working medium circulated in the circuit is compressed, strongly heated and does work is relaxed and in which the work is relaxed working medium to about Ambient temperature is cooled and then compressed again, characterized in that that the working medium before its renewed compression in heat exchange with a refrigerant guided in a closed circuit to a substantially lower level Ambient temperature lying temperature is cooled.

2. The method according to claim 1, characterized in that the working medium to a temperature between 10 and 500 C below the ambient temperature is cooled.

3. Verrahren according to AnxprUQhen 1 or 2, characterized in that the working medium is compressed in several stages and before each compression stage after Water cooling is further cooled in heat exchange with the refrigerant.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that that the refrigerant is conducted in an absorption refrigeration cycle, the work-performing relaxed working medium after its cooling in heat exchange with verdiohtetem Working medium initially in heat exchange with the expeller side and then in the Heat exchange with the evaporator-side part of the absorption cooling circuit is cooled.

5. The method according to claim 4, characterized in that between the heat exchange with the expeller side and the heat exchange with the evaporator side Part of the absorption refrigeration cycle seen before water cooling of the working medium is.

L e r s e i t e