Die Erfindung betrifft eine Anlage gemäß Anspruch 1 mit einer Wärmekraftanlage und einem ein- oder mehrstufigen Prozessverdichter, und ein Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei die Wärmekraftanlage umfasst:
Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, eine Anordnung der eingangs definierten Art im Wirkungsgrad zu verbessern.
Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe wird vorgeschlagen, eine Anordnung der eingangs definierten Art mit den zusätzlichen Merkmalen des Kennzeichens des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs weiterzubilden. Daneben wird zur Lösung ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Anordnung gemäß dem unabhängigen Verfahrensanspruch vorgeschlagen. Die jeweils rückbezogenen Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Der entscheidende Vorteil der Erfindung gegenüber den herkömmlichen Anordnungen bzw. Verfahren zum Betrieb von Anordnungen, die den Antrieb eines mehrstufigen Prozessverdichters mittels einer Wärmekraftanlage vorsehen liegt darin, dass die Abwärme aus dem Verdichtungsprozess der Wärmekraftanlage als Nutzwärme zugeführt wird und dementsprechend die für den Betrieb der Wärmekraftanlage erforderliche Energie verringert werden kann. Die direkte mechanische Kopplung der Wärmekraftanlage zur Übertragung technischer Arbeit auf den Verdichter hat mit der zusätzlichen erfindungsgemäßen thermodynamischen Verbindung zwischen den Kühlungen, Zwischenkühlern oder dem Nachkühler des Verdichters einerseits und den Vorwärmern vor dem Kessel der Wärmekraftanlage andererseits den zusätzlichen Vorteil, dass der Verdichter mit steigender Leistungsanforderung auch eine erhöhte Abwärme in Kühlungen erzeugt, die damit auch zu einer vergrößerten möglichen Nutzwärme für den Betrieb der antreibenden Wärmekraftanlage führt.
Bei dem erfindungsgemäßen Prozessverdichter handelt es sich in der Regel um einen beliebigen ein- oder mehrstufigen Verdichter mit entsprechenden Kühlungen zwischen den einzelnen Verdichtungsstufen oder einem Nachkühler. Unter den Verdichtungsstufen können einzelne Laufräder verstanden werden oder auch mehrere direkt hintereinander angeordnete Laufräder. Bei dem Verdichter kann es sich grundsätzlich um einen Radialverdichter oder einen Axialverdichter oder eine gemischte Anordnung von Radialverdichterstufen und Axialverdichterstufen handeln. Besonders bevorzugt ist die Ausführung des mehrstufigen Verdichters als Getriebeverdichter, bei dem ein zentrales Getriebe mehrere Verdichterantriebsritzelwellen antreibt, die Laufräder von Verdichterstufen tragen. An einem Getriebekasten ist hier in der Regel eine Mehrzahl von Verdichterstufen, bevorzugt Radialverdichterstufen vorgesehen, bevorzugt dort auch mechanisch befestigt bzw. abgestützt.
Bei der Wärmekraftanlage handelt es sich um einen Kreislaufprozess, wie er auch unter der Bezeichnung Clausius-Rankine-Kreislauf bekannt ist. Meist handelt es sich hierbei um eine sogenannte Dampfturbine als Turbine und das Prozessfluid ist in der Regel Wasser bzw. Wasserdampf. Alternativ kann statt Wasser auch eine andere, insbesondere eine organische Flüssigkeit eingesetzt werden, so dass sich das Betriebstemperaturfeld des Prozesses in Folge des geänderten Prozessfluids ändert.
Die thermodynamische Verbindung zwischen mindestens einer Kühlung des Prozessverdichters und mindestens einem Vorwärmer der Wärmekraftanlage geht bevorzugt mit einer Kombination dieser Kühlung mit dem Vorwärmer einher. Die Kombination hat den besonderen Vorteil, dass kein weiteres Prozessfluid zur Übertragung der Wärmeenergie zwischen dem Vorwärmer und der Kühlung verwendet werden muss. Das zu verdichtende zweite Prozessfluid kann in der Kühlung, der mit dem Vorwärmer der Wärmekraftanlage kombiniert ist, direkt die Abwärme als Nutzwärme an das erste Prozessfluid übertragen. Im Falle einer mit Wasser bzw. mit Wasserdampf betriebenen Dampfturbine eignet sich das erste Prozessfluid besonders gut zur Aufnahme der Abwärme aus dem zweiten Prozessfluid in der Kühlung bzw. dem Vorwärmer.
Die Erfindung findet auch vorteilhaft Anwendung bei einer Wärmekraftanlage, die bereits mehrere mit Anzapfungen der Turbine betriebene Vorwärmer für das erste Prozessfluid bzw. im Falle der mit Wasserdampf betriebenen Turbine das Speisewasser für den Kessel vorsieht. In diesem Fall kann zweckmäßig die Anzapfmenge des ersten Prozessfluids aus der Turbine reduziert werden, weil ein Teil der Vorwärmung bereits mit der Abwärme aus der Kühlung des Prozessverdichters erfolgt. Demensprechend erzeugt die Turbine eine höhere technische Leistung, so dass der Kessel mit einer geringeren Energiezufuhr bzw. Befeuerung auskommt.
Eine andere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Anlage eine Kühlleitung mit einem von der Kühlleitung geführtem Kühlfluid aufweist, wobei die Kühlleitung an mindestens eine Kühlung des Prozessverdichters angeschlossen ist. Auf diese Weise kann mitels der Kühlung ein Teil des Abwärmestroms auf das Kühlfluid übertragen werden. So ist unter allen Betriebsbedingungen sichergestellt, dass die nachfolgende Stufeneintrittstemperatur hinreichend niedrig ist, um so einen sicheren und energiesparenden Betrieb zu gewährleisten. Diese Kühlfluidversorgung kann kombiniert werden mit der Kühlfluidversorgung der Wärmekraftanlage, die in dem Kondensator einen nicht unerheblichen Kühlfluidverbrauch aufweist, so dass die entsprechende Versorgung mit Kühlfluid für die Kühlung des Prozessverdichters dort angeschlossen werden kann. Besonders zweckmäßig ist eine Regelungseinheit vorgesehen, die mit Reglungsorgangen in den Kühlfluidleitungen und insbesondere in den Austauschleitungen zwischen der Wärmekraftanlage und dem Prozessverdichter in Verbindung steht. Insbesondere während instationärer Prozesse, beispielsweise während des Anfahrens der gesamten Anordnung, ist es zweckmäßig, wenn die einzelnen Anlagenkomponenten nicht zwingend hinsichtlich der Kühlung oder Vorwärmung aufeinander angewiesen sind, sondern auch weitestgehend autark voneinander funktionieren.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines speziellen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
Die
Eine erfindungsgemäße Anlage A umfasst eine Wärmekraftanlage WKA und einen mehrstufigen Prozessverdichter MSC. Die Wärmekraftanlage WKA ihrerseits umfasst eine Pumpe PMP, einen Kessel BOI, eine Turbine TRB mit einer Abtriebswelle SD1 und einen Kondensator CND. Die Turbine kann vorteilhaft auch zwei Abtriebsenden - also einen Doppelabtrieb - aufweisen. Der Kessel BOI wird entweder mit der Abhitze aus einem anderen Prozess betrieben oder mittels eines fossilen Energieträgers befeuert. Diese Energiezuführ ist mit FUL bezeichnet. Der Kessel BOI verdampft und überhitzt das erste Prozessfluid PF1, das in den miteinander fluidleitend verbundenen Elementen der Wärmekraftanlage WKA zirkuliert. Bei der Turbine TRB handelt es sich bevorzugt um eine Dampfturbine und das erste Prozessfluid PF1 ist bevorzugt Wasser bzw. Wasserdampf. Der im Kessel BOI ausströmende, überhitzte Wasserdampf wird in der Turbine TRB entspannt und gelangt anschließend in den Kondensator CND, wo der entspannte Dampf zu Flüssigkeit kondensiert und anschließend mittels der Pumpe PMP auf den Kesseldruck befördert wird. Der Kondensator CND ist mittels einer Kühlleitung COL mit Kühlfluid CLF versorgt. Hierbei handelt es sich bevorzugt um Wasser, dass entweder aus einer natürlichen Wärmesenke entnommen und dort hin erwärmt wieder zurückgeführt wird oder um Wasser, das einer zumindest teilweise künstlichen Wärmesenke entnommen oder zugeführt wird.
Der Prozessverdichter MSC weist ein oder mehrere Stufen ST1, ..., STn auf, in denen ein zweites Prozessfluid PF2 verdichtet wird. In dem konkreten Beispiel sind drei Stufen ST1, ST2, ST3 vorgesehen. Der Prozessverdichter weist darüber hinaus mehrere Kühlungen IC1, ..., ICn bzw. Zwischenkühlungen bzw. einen Nachkühler auf, wobei in dem konkreten Beispiel eine erste Kühlung IC1, eine zweite Kühlung IC2 und eine dritte Kühlung IC3 vorgesehen sind. In der Betriffswelt der Erfindung handelt es sich bei der dritten Kühlung IC3 auch um eine "Kühlung", auch, wenn im Anschluss an diese dritte Kühlung IC3 keine weitere verdichtende Stufe ST1,..., STn zur Verdichtung des zweiten Prozessfluids PF2 folgt. Entscheidend hierbei ist, dass Abwärme aus dem Verdichtungsprozess mittels der Kühlung entfernt wird. Die Kühlungen IC1, ..., ICn weisen Anschlüsse zu der Kühlleitung COL auf, um von dieser mit Kühlfluid CLF versorgt zu werden. Besonders vorteilhaft ist hierbei die gleiche Kühlleitung COL zur Versorgung der Kühlungen IC1, ..., ICn mit Kühlfluid CLF vorgesehen, wie für den Kondensator CND.
Der Prozessverdichter MSC weist eine Antriebswelle SD2 auf, die mittels einer Kupplung CPL mit einer Abtriebswelle SD1 der Turbine TRB der Wärmekraftanlage WKA gekoppelt ist. Auf diese Weise wird mechanische Leistung auf den Prozessverdichter MSC übertragen, so dass die Drehzahl der Turbine TRB einen Einfluss auf die Drehzahl des Prozessverdichters MSC hat. Statt der Kupplung CPL kann auch ein Getriebe vorgesehen sein, das eine Übersetzung oder Untersetzung der Turbinendrehzahl auf den Prozessverdichter MSC bewirkt. Die Wärmekraftanlage WKA hat im Strom des ersten Prozessfluids PF1 zwischen der Pumpe PMP und dem Kessel BOI einen Vorwärmer PH1, ..., PHn (siehe insbesondere
In der
Besonders vorteilhaft weisen die Anlagen A der
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde ausschließlich zur Information des Lesers aufgenommen und ist nicht Bestandteil des europäischen Patentdokumentes. Sie wurde mit größter Sorgfalt zusammengestellt; das EPA übernimmt jedoch keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.