In heutigen Gasfernleitungsrohrsystemen wird insbesondere Erdgas ~ber Strecken von bis zu tausenden von Kilometern an die Endverbraucher f~r Be- feuerungszwecke im h~uslichen oder industriellen Bereich geliefert. Um das Gas ~ber diese gro en Strecken m~glichst verlustfrei transportieren zu k~n- nen, ist es extrem verdichtet und steht in speziellen Hochdruckleitungen unter sehr hohen Dr~cken von typischerweise 80 bar und dar~ber. Damit das Gas in die sicherheitstechnisch wesentlich weniger aufwendig ausgelegten Nieder- druckleitungssysteme der Endverbraucher eingespeist werden kann, mu es, gegebenenfalls in mehreren hintereinander geschalteten Stufen, auf geringere Dr~cke entspannt werden. Dabei wird in jeder Entspannungsstufe ein Teil der im verdichteten Gas gespeicherten inneren Energie freigesetzt.

Bisher war es aus wirtschaftlichen Gr~nden nicht attraktiv, die in den Ent- spannungsendstufen im Gasfernleitungsrohrsystem zwischen lokalen Zentra- len (z. B. kommunale Gaswerke) und den eigentlichen Endverbrauchern (z.B.

private Gasfeuerungsheizungen f~r die Wohnraumbeheizung) aus dem ent- spannten Gas freiwerdende Energie aufzufangen und z. B. einer Verstromung zuzuf~hren. Der Grund f~r diese fehlende Nutzung lag in dem z. B. f~r kom- munale Gaswerke zu hohen Investitions- und Wartungsaufwand f~r g~ngige Gasturbinengeneratoren samt notwendigen Sicherheitssystemen, der in kei- nem wirtschaftlich sinnvollen Verh~ltnis zu dem aus einer solchen lokalen Stromgewinnung erzielbaren Nutzen stand.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine einfache, kompakte und sowohl unter sicherheitstechnischen als auch ~konomischen Aspekten aus- reichende Turbinenanlage zur Gas entspannung in Endstufen von Gasfernlei- tungsrohrsystemen bereitzustellen, mit der eine Verstromung der aus dem ent- spannten Gas freigesetzten Energie m~glich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgem~ durch die Ma nahmen des Anspruchs 1 gel~st. Die abh~ngigen Anspr~che betreffen vorteilhafte Ausf~hrungsformen der vorliegenden Erfindung.

Erfindungsgem~ ist eine Anordnung einer Gasentspannungsturbine in einem Gasversorgungsrohrsystem vorgesehen, die derart ausgestaltet ist, da in ei- nem Gasversorgungsrohrabschnitt zustr~mungsseitig (hochdruckseitig) minde- stens eine Trennwand vorgesehen ist. An oder bei dieser zumindest einen mit D~sen zum Entspannen des zustr~menden Gases versehenen Trennwand ist ein Asynchronmotor oder ein Asynchrongenerator angebracht. Der Welle des Asynchronmotors/-generators ist abstr~mungsseitig (niederdruckseitig) hinter den D~sen mindestens ein in Leichtbauweise ausgef~hrtes und vom Gasstrom angetriebenes Schaufellaufrad aufgesetzt. Es sind weiterhin Vorrichtungen zur Abf~hrung der im Generatorbetrieb erzeugten elektrischen Energie und zu de- ren Einspeisung in ein Energieversorgungsnetz vorgesehen. Ferner ist eine Steuerungsvorrichtung vorgesehen, welche bei ~berschreiten eines kritischen Drehzahlwerts der Welle ein Steuersignal auf ein zustr~mungsseitig vor dem Asynchranmotor/-generator liegendes Sicherheitsventil zum (teilweisen) Schlie- en des Gasversorgungsrohrabschnitts gibt.

Bei der erfindungsgem~ en Anordnung entfallen eine Reihe sonst bei Gastur- binengeneratoren notwendiger Bauteile wie z. B. Ventilgeh~use, Turbinenge- h~use und Abdampfdeckel, so da die f~r solche Teile notwendigen Investi- tions- sowie Wartungskosten entfallen.

Weiterhin f~hrt die Ausf~hrung des Schaufellaufrads in Leichtbauweise, insbe- sondere bei Verwendung von Kunststoff oder Leichtmetall an Stelle von Stahl als Werkstoff f~r die Schaufellaufr~der, selbst bei Verzicht auf dickwandige Umh~llungen der relativ d~nnwandigen Standardniederdruckrohrleitungen zu einem im wesentlichen berstsicheren Turbinenaufbau. Dies beruht bei den er- findungsgem~ gew~hlten leichten Schaufeln darauf, da selbst wenn es bei hohen Drehzahlen aufgrund von Materialerm~dungserscheinungen im Dauer- betrieb zu Materialabrissen an den rotierenden Schaufeln kommt und wegflie- genden Teile auf die umgebende Niederdruckrohrleitung aufprallen, diese f~r sich alleine bereits in der Lage ist, der aufgrund der relativ geringen Dichte und der relativ hohen Elastizit~t der verwendeten Werkstoffe geringeren kine- tische Energien sowie geringeren Impuls~bertragungen der abgerissenen Teile standhalten zu k~nnen.

Weiterhin kann bei einer erfindungsgem~ en Anordnung f~r eine Gasentspan- nungsturbine darauf verzichtet werden, eine spezielle gasdichte Abdichtung der in der Trennwand gelagerten Welle einzurichten, so da ebenfalls Investi- tions- und Wartungskosten gespart werden.

Um eine Zwangsabschaltung bzw. eine Reduktion des Gaszustroms bei zu ho- hen Drehzahlen eines aufgrund eines Netzausfalls "durchdrehenden" Asyn- chronmotors/-generators zu erwirken, kann drehzahlabh~ngig ein Kontroll- signal an eine Steuerungsvorrichtung wie z. B. eine lokale SPS (speicherpro- grammierbare Steuerung) gegeben werden, welche bei ~berschreiten eines kri- tischen Drehzahlwerts der Welle ein Steuersignal auf ein zustr~mungsseitig vor dem Asynchronmotor/-generator liegendes Sicherheitsventil zum (teilwei- sen) Schlie en des Gasversorgungsrohrabschnitts gibt. Dabei kann auf Ventile zur~ckgegriffen werden, die sowieso schon zur Kontrolle des Gasdrucks in den einzelnen Gasleitungsrohrabschnitten vorgesehen sind, so da abermals zu- s~tzliche Investitions- und Wartungskosten gespart werden.

Die schon erw~hnte lokale SPS kann zus~tzlich die Aufgabe der permanenten ~berwachung der Drehzahl des Asynchronmotor/-generators ~bernehmen, und zwar sowohl im Anfahrbetrieb als auch im Generatorbetrieb.

Da der Asynchronmotor/-generator direkt im zustr~menden Gasstrom ange- bracht ist, kann auch auf die Anbringung eines zus~tzlichen L~fterrads ver- zichtet werden, da durch den vorbeistreichenden Gasstrom alleine bereits eine ausreichende K~hlung des Asynchronmotor/-generators erzielt werden kann.

Die durch mechanische Reibung im Asynchronmotor/-generator sowie durch Kupfer- und Eisenverluste in den Wicklungen des Asynchronmotors/-genera- tors bedingten W~rmeverluste k~nnen zur Vorw~rmung des vorbeistreichende Gasstromes verwendet werden. Dadurch bedingt kommt es zu einer Steigerung des thermodynamischen Wirkungsgrads bei der Entspannung des Gases in den D~sen auf die niederdruckseitigen Dr~cke und Temperaturen.

Bei Asynchronmotoren/-generatoren mit einem zweiten freien Wellenende (wie es bei Serienger~ten z. B. zum Aufsetzen eines f~r sonstige Anwendungen not- wendigen L~fterrads vorgesehen ist) kann zudem bei gr~ eren gew~nschten Druckgef~llen auf einfache Weise eine zweistufige Expansion des durchstr~- menden Gases dadurch realisiert werden, da auf beiden Wellenenden Schau- fellaufr~der hintereinanderliegend auf der Welle angebracht sind. F~r diesen Fall ist vor dem zweiten Schaufellaufrad eine zus~tzliche Trennwand vorgese- hen, die ebenfalls D~sen zur Gasentspannung umfa t. Bei dieser Anordnung wird der Gasstrom also in den D~sen der ersten Trennwand vorentspannt, dann auf das erste Schaufellaufrad gelenkt (erste Entspannungsstufe), und daran anschlie end durch die D~sen der zweiten Trennwand entspannt und auf das auf derselben Welle wie das erste Schaufellaufrad aufgesteckte zweite Schaufellaufrad gelenkt (zweite Entspannungsstufe).

Selbstverst~ndlich k~nnen auch mehrere erfindungsgem~ e Gasturbinenan- ordnungen in einem Gasrohrleitungsabschnitt in Reihe hintereinanderliegend angeordnet werden.

Falls erw~nscht kann zudem in der Gasrohrleitung auch kosteng~nstig eine zustr~mungsseitige Vorw~rmung des Gases zur weiteren Wirkungsgradsteige- rung durchgef~hrt werden.

Um die Betriebssicherheit der erfindungsgem~ en Anordnung zu erh~hen kann zudem bei einer bevorzugten Ausf~hrungsform l~ngs des Innenumfangs des Gasversorgungsrohrs ein Verdickungsring im Bereich des Schaufellaufrads vorgesehen sein, wobei der Abstand zwischen der Innenseite des Verdickungs- rings und dem Au enumfang des Schaufellaufrads so gew~hlt ist, da sich das Schaufellaufrad bei Drehzahlen unterhalb eines vorbestimmten Drehzahlwerts frei im Verdickungsring drehen kann, wohingegen es bei ~berschreiten dieses vorbestimmten Drehzahlwerts aufgrund der durch Zentrifugalkr~fte bedingten radialen Streckung der Schaufeln zu einer Ber~hrung zwischen dem Schaufel- laufrad und dem Verdickungsring kommt.

Kommt es bei dieser bevorzugten Ausf~hrungsform wegen Netzausfalls zu ei- nem "Durchdrehen" des Asynchronmotor/-generators im Gasstrom, d. h. zu ei- nem unkontrollierten Anstieg der Drehzahl, so werden die Schaufelr~der, ins- besondere wenn sie aus einem leicht dehnbaren Material wie Kunststoff beste- hen, durch die ansteigenden Zentrifugalkr~fte radial gestreckt, bis sie an dem au en anliegenden Verdickungsring streifen. Durch die dann einsetzenden Rei- bungskr~fte kommt es zu einer Gegenkraft, welche die Rotation der Welle wie- der abbremst, so da selbst bei einem Versagen der an sich durch die SPS aus- zul~senden Zwangsabschaltung des Gasstroms ein "Durchdrehen" des Asyn- chronmotors/-generators verhindert werden kann.

Aufgrund der gew~hlten kompakten Bauweise der erfindungsgem~ en Anord- nung, bei der das Schaufellaufrad innerhalb der umgebenden Rohrwandungen freizug~nglich auf die Welle aufgesteckt ist, ist der Austausch eines bei einem solchen Abbremsvorgang besch~digten Schaufellaufrads zudem relativ leicht m~glich.

Die Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich auch aus den nachfolgenden Ausf~hrungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnun- gen.

Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausf~hrungsform einer er- findungsgem~ en Anordnung f~r eine Gasentspannungsturbine in ei- ner Einbausituation, wobei es sich um einen einstufigen Aufbau mit einer Trennwand und einem Schaufellaufrad handelt; und Fig. 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausf~hrungsform einer erfindungsgem~ en Anordnung f~r eine Gasentspannungsturbine in einer Einbausituation, wobei es sich um einen zweistufigen Aufbau mit zwei Trennw~nden und zwei Schaufellaufr~dern handelt.

In Fig. 1 ist eine Gasentspannungsturbinenanordnung 1 in radialer Richtung mittig liegend in einer Gasrohrleitung 2 dargestellt und umfa t einen Asyn- chronmotor/-generator 3, eine Trennwand 5, welche die Gasrohrleitung in radi- aler Richtung unterteilt und mit D~sen 4 zum Durchla des zustr~menden Ga- ses versehen ist, sowie ein auf die in axialer Richtung liegende Welle 6 des Asynchronmotors/-generators 3 aufgesetztes Schaufellaufrad 7. Bei dieser Aus- f~hrungsform ist der in Fig. 1 gezeigte Asynchronmotor 3 an der Trennwand 5 befestigt und zustr~mungsseitig vor dieser liegend angebracht, wobei das freie Ende seiner Welle 6 die Trennwand durchst~ t.

Selbstverst~ndlich kann der Asynchronmotor/-generator bei einer erfindungs- gem~ en Anordnung aber auch abstr~mungsseitig hinter der Trennwand lie- gen, und mu zudem mit dieser nicht fest verbunden sein.

Zustr~mungsseitig (in Fig. 1 linksliegend) steht das ankommende Gas unter ei- nem Druck pO und einer Temperatur TO, abstr~mungsseitig steht das Gas un- ter einem Druck p2 und einer Temperatur T2. Dabei ist pO > p2 und TO > T2.

Aufgrund des Druckgef~lles wird das Gas durch die Entspannungsd~sen 4 in der Trennwand 5 hindurchgepre t und trifft abstr~mungsseitig auf das auf der Welle 6 des Asynchronmotors 3 aufgesetzte Schaufellaufrad 7, welches dadurch angetrieben wird.

Bekannterma en kann ein Asynchronmotor abh~ngig von seinem Schlupf, wel- cher ein Ma f~r das Verh~ltnis zwischen der mechanischen Drehzahl der Wel- le und der Drehzahl eines im Asynchronmotor rotierenden magnetischen Dreh- felds ist, entweder als Motor oder als Generator betrieben werden.

Vorliegend wird der Asynchronmotor/-generator 3 im Motorbetrieb durch eine externe Netzspannung auf solche Drehzahlen gebracht, bei denen der Genera- torbetrieb einsetzt. Diese notwendige Drehzahl wird dadurch aufrechterhalten, da das au en an den Laufradschaufeln vorbeistr~menden Gas permanent ei- nen Teil seiner Energie auf die Welle 6 ~bertr~gt. Nach Durchschreiten des An- laufbereichs kann mit dem Asynchronmotor/-generator 3 also permanent elek- trische Energie in ein Netz (nicht gezeigt) r~ckeingespeist werden.

Das Schaufellaufrad 7 ist bevorzugterweise in Leichtbauweise aus einem Mate- rial gefertigt, dessen Dichte niedriger als die Dichte von Stahl ist. Aufgrund der abstr~mungsseitig wegen des Entspannungsvorgangs reduzierten Tempe- ratur T2 im Gas strom ist dabei selbst die Verwendung von Kunststoffen ohne weiteres m~glich.

Bei der in der Fig. 1 gezeigten Ausf~hrungsform m~ssen die Dichtungen 11 der Welle 6 nicht speziell gasdicht gegen~ber der Trennwand 5 abdichten, da Leck- str~me den Wirkungsgrad des Gesamtsystems nur vernachl~ssigbar beeinflus- sen.

Der Asynchronmotor/-generator 3 steht mit einer speicherprogrammierbaren Steuerung 9 in Verbindung, welche die Drehzahl des Asynchronmotors ~ber- wacht. Kommt es aufgrund von Schwankungen im Gas strom oder aus sonsti- gen Gr~nden (z. B. Netzausfall) zu einem unerw~nschten Anstieg der Drehzahl des Asynchronmotors ~ber einen kritischen Grenzwert hinaus, so l~st die SPS 9 ein zustr~mungsseitig vor dem Asynchronmotor/-generator 3 liegendes Si- cherheitsventil 10 aus, welches den Gasstrom ganz oder teilweise unterbindet.

Als zus~tzliche Sicherheitsma nahme gegen hohe Drehzahlen des Asynchron- motors 3 kann als "Notbremse" zudem vorgesehen werden, da das Gasversor- gungsrohr im Bereich des Schaufellaufrads 7 umfangsinnenseitig mit einem Verdickungsring 8 versehen ist, wobei der Abstand zwischen der Innenseite des Verdickungsrings 8 und dem Au enumfang des Schaufellaufrads 7 so gew~hlt ist, da sich das Schaufellaufrad bei Drehzahlen unterhalb eines vorbestimm- ten Drehzahlwerts frei im Verdickungsring 8 drehen kann, wohingegen es bei ~berschreiten dieses vorbestimmten Drehzahlwerts aufgrund der durch Zen- trifugalkr~fte bedingten radialen Streckung der Schaufeln zu einer Ber~hrung zwischen dem Schaufellaufrad und dem Verdickungsring kommt. Dadurch streifen die Laufradschaufeln l~ngs des Verdickungsrings und werden dabei abgebremst.

Wie sich in der Praxis gezeigt hat, nehmen in der Regel weder der Asynchron- motor/-generator noch dessen Welle bei einer solchen "Notbremsung" einen Schaden, sondern es werden lediglich die am Verdickungsring streifenden En- den des z. B. aus Kunststoff bestehenden Schaufellaufrads etwas abgeschliffen.

Aufgrund des einfachen Aufbaus der erfindungsgem~ en Anordnung f~r eine Gasentspannungsturbine ist es deshalb auch nach einer solchen "Notbrem- sung" ohne weiteres m~glich, das Schaufellaufrad, welches sich frei zug~nglich im Inneren des Gasversorgungsrohrs befindet, bei Bedarf auszuwechseln. In der Praxis hat sich zudem gezeigt, da eine erfindungsgem~ e Anordnung auch mehrere solche "Notbremsungen" ohne weiteres gut ~bersteht und ein Wechseln des Schaufellaufrads nach einer "Notbremsung" nicht unbedingt not- wendig ist, sondern man durchaus turnusgem~ e Wartungsintervalle zur Durchf~hrung dieser Arbeiten abwarten kann.

Fig. 2 zeigt in einer der Fig. 1 entsprechenden Darstellung eine zweite Ausf~h- rungsform einer erfindungsgem~ en Gasentspannungsturbinenanordnung mit einem zweistufigen Aufbau. Dabei liegt in einem Gasversorgungsrohr 2 ein Asynchronmotor 3 zwischen einer ersten mit Entspannungsd~sen 14 versehe- nen Trennwand 15 sowie einer zweiten mit Entspannungsd~sen 4 versehenen Trennwand 5. Abstr~mungsseitig hinter der ersten Trennwand liegend ist ein erstes Schaufellaufrad 17 auf die Welle 6 aufgesteckt, abstr~mungsseitig hinter der zweiten Trennwand liegend ist ein zweites Schaufellaufrad 7 auf die Welle 6 aufgesteckt. Die Welle 6 ist in den (nicht notwendigerweise gasdichten) Dich- tungen 11 in der zweiten Trennwand 5 gelagert. Weiterhin kann optional ein zweiter Verdickungsring 18 um das zweite Schaufellaufrad 17 herum angeord- net sein. Ansonsten ist der Aufbau wie bereits in Verbindung mit Fig. 1 bespro- chen.

In den D~sen 14 in der ersten Trennwand 15 wird das zustr~mende Gas in ei- ner ersten Entspannungsstufe von der Temperatur TO und dem Druck pO auf die Temperatur T1 und den Druck pl entspannt, und in den D~sen 4 in der zweiten Trennwand 5 wird das zustr~mende Gas in einer zweiten Entspan- nungsstufe von der Temperatur T1 und dem Druck pl auf die Temperatur T2 und den Druck p2 entspannt.

Aufgrund der bekannten Robustheit von Asynchronmotoren bzw. -generatoren sowie des einfachen und kompakten Aufbaus der erfindungsgem~ en Anord- nung f~r eine Gasentspannungsturbine ist eine lange Lebensdauer bei gerin- gem Wartungsbedarf einer wenig st~rfallanf~lligen, aber im Bedarfsfall doch abschaltsicheren Anordnung gew~hrleistet, wodurch sich selbst bei einer rela- tiv geringeren Verg~tung f~r die im Generatorbetrieb in externe Netze einge- speisten elektrischen Energie ~ber die Gesamtlebenszeit der Anordnung hin- weg die Investitionskosten um ein Vielfaches amortisieren.