Ein derartiges Verdichten ist beispielsweise bei der Leitung von Gas durch Pipelines erforderlich. Oftmals werden zum Antrieb von Verdichtern Gastur- binen eingesetzt, so daß gerade bei der Förderung von Erdgas ein Teil des Erdgases unmittelbar als Brennstoff für die Gasturbinen verwendet werden kann. Diese Kombination einer Gasturbine mit einem davon angetriebenen Verdichter wird nachfolgend auch als Verdichterstation bezeichnet.

Gasturbinen stellen thermische Strömungs-Kraftmaschinen dar, bei denen die thermische Energie von erhitztem Gas in mechanische Energie, sogenannte Wellenleistung, umgewandelt wird. Im Normalfall komprimiert ein Verdichter mit ggf. mehreren Verdichterstufen atmosphärische Luft und fördert diese in eine oder mehrere Brennkammern, wo Brennstoff, insbesondere Erdgas, zu- geführt und verbrannt wird. Das energiereiche, abströmende Gas wird an- schließend in einer (Nutz-) Turbine zumindest soweit entspannt, daß die für die Verdichtung der Luft aufzubringende Verdichterleistung erzeugt und so der Luftverdichter angetrieben wird. Die verbleibende Energie der Verbren- nungsgase bzw. die Enthalpiedifferenz kann durch die genannte Turbine oder bei mehrwelliger Ausbildung durch weitere Turbinen bzw. Turbinenstu- fen in die genannte Wellenleistung umgewandelt werden. Beispiele derarti- ger Gasturbinen zeigen die Prospekte"Mit Energie aus Gasturbinen in die Zukunft", Auflage 03.97 D, und"Gasturbinen für mechanische Antriebe", Auflage 03.96 D, der Anmelderin.

Die Gasturbinen arbeiten mit einem offenen Kreislauf des Arbeitsgases. Dies ist als Abgrenzung gegenüber einem geschlossenen Kreislauf, bei dem das Arbeitsgas rezirkuliert wird, zu verstehen. Dementsprechend kann als offener Kreislauf jeder das Arbeitsgas nicht rezirkulierende Kreislauf, also auch eine Zu-und Abführung des Arbeitsgases in Leitungen, verstanden werden.

Das thermodynamische Arbeitsverfahren einer herkömmlichen Gasturbine besteht aus Verdichtung, Wärmezufuhr und Entspannung. Dieser Ablauf wird auch als Joule-Prozeß bezeichnet und ist beispielsweise in"Enzyklopä- die Naturwissenschaft und Technik", Verlag Moderne Industrie, 1981, unter dem Stichwort"Turbine (Gasturbine)"näher erläutert. Der Wirkungsgrad ist dabei um so besser, je höher die Temperatur der in die Turbine eintretenden erhitzten Verbrennungsgase und je niedriger die Temperatur der üblicher- weise ins Freie ausströmenden entspannten Verbrennungsgase ist. Des weite- ren hängt der Wirkungsgrad einer Gasturbine von dem Druckverhältnis zwi- schen Anströmseite und Abströmseite der Turbine ab. Ein hohes Druckver- hältnis ermöglicht im allgemeinen einen hohen Wirkungsgrad.

Aus der DE-A-11 49 573 und der US-A-4,414,805 sind Gasturbinen- anordnungen bekannt, bei denen ein hohes Druckverhältnis zwischen An- strömseite und Abströmseite der Turbine dadurch erhalten wird, daß das Ar- beitsgas auf der Abströmseite der Turbine auf Unterdruck entspannt wird.

Hierzu ist der Turbine ein von einer weiteren Antriebsmaschine angetriebener Verdichter nachgeordnet.

Zur Erhöhung des Wirkungsgrades ist es weiter bekannt, das aus der Turbine austretende, entspannte Abgas mit einer Temperatur von beispielsweise 500 bis 600°C zur Vorwärmung der beim Verdichten auf beispielsweise 300°C erwärmten Luft zu verwenden. Hierzu wird ein Wärmetauscher zwischen den Verdichter und ein sich anschließendes Verbrennungssystem geschaltet. Auf- grund der verhältnismäßig geringen Temperaturdifferenz von nur 200 bis 300°C zwischen dem aus der Turbine austretenden, entspannten Abgas und der vom Verdichten erwärmten, noch zu erhitzenden Luft hat das den Wär- metauscher verlassende entspannte Abgas noch eine verhältnismäßig hohe Temperatur und damit noch eine beträchtliche thermische Energie, die nicht genutzt wird.

Die JP-A-59-120721 offenbart eine Gasturbinenanlage, bei der die Abgase eines Industrieofens einer Turbine bei etwa Atmosphärendruck zugeführt werden. Die Abgase werden in der Turbine auf einen Unterdruck entspannt und anschließend durch einen Wärmetauscher sowie einen nachgeordneten

Kompressor geleitet, der die Abgase wieder auf Atmosphärendruck kompri- miert und ins Freie entweichen läßt. Die Turbine treibt den Kompressor sowie ein Gebläse an, das Umgebungsluft dem Industrieofen zuführt, wobei die Umgebungsluft in dem Wärmetauscher von den auf Unterdruck entspannten Abgasen vorgewärmt wird.

Die bei den Gasturbinen anfallende Wärmeenergie des aus der Turbine aus- tretenden, entspannten Abgases wird bei den bisher üblichen Verdichtersta- tionen nicht genutzt. Dementsprechend ist der Wirkungsgrad dieser Ver- dichterstationen, gemessen an der insgesamt eingesamt eingesetzten Energie, verhältnismäßig gering.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verdichten eines Arbeitsgases mit den eingangs ge- nannten Merkmalen anzugeben, die die Realisierung eines gegenüber dem Stand der Technik erhöhten Wirkungsgrades ermöglichen.

Die obige Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß An- spruch 1 bzw. eine Vorrichtung gemäß Anspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Wei- terbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verdichten von Arbeitsgas zeichnet sich dadurch aus, daß das Arbeitsgas vorgewärmt und anschließend mittels fremdzugeführter Wärmeenergie erhitzt wird, das erhitzte Arbeitsgas eine Turbine antreibt und hierbei auf einen unter dem Eingangsdruck liegenden Druck entspannt wird, das in der Turbine entspannte Arbeitsgas durch Wär- meaustausch das vorzuwärmende Arbeitsgas vorwärmt und anschließend mittels eines von der Turbine und durch Fremdenergie angetriebenen Ver- dichters auf den Ausgangsdruck verdichtet wird.

Ein wesentlicher Aspekt ist hierbei die Nutzung fremdzugeführter Wärme- energie zusammen mit der Nutzung von mechanischer Fremdenergie zum An- trieb des Verdichters, so daß die erforderliche Fremdenergie abzüglich der zu- geführten Wärmeenergie im Verhältnis zur Arbeitsleistung des Verdichters minimiert wird. Folglich läßt sich der Wirkungsgrad durch Nutzung von Ab- wärme optimieren.

In bevorzugter Weiterbildung werden dabei die Wärmeenergie zur Erhitzung des Arbeitsgases und die mechanische Fremdenergie zum Antrieb des Ver- dichters durch eine Gasturbine bereitgestellt. Diese Kombination bietet sich insbesondere für Pipeline-Verdichter-Stationen an, bei denen beispielsweise Erdgas zur Weiterleitung auf einen höheren Druck verdichtet wird. Durch die vorschlagsgemäße Kombination einer beispielsweise herkömmlichen Gastur- bine, wie eingangs beschrieben, mit dem die Wärmeenergie des Abgases der Gasturbine ausnutzenden Verdichterverfahren läßt sich der Leistungsbedarf bei gleicher Verdichterleistung von beispielsweise 25 MW auf etwa 15 bis 18 MW senken.

Eine Vorrichtung mit einem durch Fremdenergie antreibbaren Verdichter zur Verdichtung eines Arbeitsgases, wie Erdgas, von einem Eingangsdruck auf einen erhöhten Ausgangsdruck zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, daß die Vorrichtung einen Erhitzer zur Erhitzung des Arbeitsgases mittels fremdzugeführter Wärmeenergie, eine vom erhitzten Arbeitsgas antreibbare Turbine zur Abgabe von Antriebsenergie an den Verdichter und einen Wär- metauscher zur Vorwärmung von zu erhitzendem Arbeitsgas durch Wärme- austausch mit in der Turbine entspanntem Arbeitsgas umfaßt, wobei der Ver- dichter der Turbine und dem Wärmetauscher derart nachgeschaltet ist, daß an der Turbine abströmseitig ein unter dem Eingangsdruck liegender Unterdruck für das Arbeitsgas erzeugbar ist.

Wiederum läßt sich durch Kombination von zugeführter Wärmeenergie und zugeführter Fremdenergie zum Antrieb des Verdichters eine Minimierung des Anteils an benötigter Fremdenergie erreichen.

Es ist einem großen Wirkungsgrad zuträglich, wenn der Wärmetauscher als Gegenstromwärmetauscher ausgebildet ist und wenn zwischen dem Wärme- tauscher und dem Verdichter ein Zwischenkühler zur Kühlung des auf Un- terdruck entspannten Arbeitsgases vor dem Verdichten angeordnet ist.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand der Zeichnung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt

einen schematischen Aufbau einer vorschlagsgemäßen Vorrichtung zum Verdichten eines Arbeitsgases.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die einzige Figur ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer vorschlagsgemäßen Vorrichtung 1 mit einem Ver- dichter 2 zum Verdichten eines Arbeitsgases, beispielsweise Erdgas in einer Pipeline o. dgl., erläutert. Die Vorrichtung 1 umfaßt über den Verdichter 2 hinaus einen Erhitzer 3 zur Erhitzung des Arbeitsgases mittels von außen zu- geführter Wärmeenergie, wie durch Pfeil P1 angedeutet, eine mit dem erhitz- ten Arbeitsgas antreibbare (Nutz-) Turbine 4 sowie einen Wärmetauscher 5, der einer Vorwärmung des von dem Erhitzer 3 zu erhitzenden Arbeitsgases mit Hilfe des aus der Turbine 4 abströmenden, noch verhältnismäßig heißen Arbeitsgases dient.

Der Verdichter 2 ist beispielsweise als Schaufelradverdichter ausgebildet und ist von der Turbine 4 über eine gemeinsame Welle 6 oder eine sonstige me- chanische Kopplung antreibbar.

Bei der vorschlagsgemäßen Vorrichtung 1 tritt das zu verdichtende Arbeits- gas, beispielsweise Erdgas, aus einer Pipeline mit einem Eingangsdruck von beispielsweise 5 MPa, über einen Einlaß 7 in den Wärmetauscher 5 ein. Im Wärmetauscher 5 wird das Arbeitsgas vorgewärmt und über eine Leitung 8 dem sich anschließenden Erhitzer 3 zugeführt.

Der insbesondere als Wärmetauscher ausgebildete Erhitzer 3 erhitzt dann das Arbeitsgas mittels der fremdzugeführten Wärmeenergie beispielsweise auf etwa 300°C. Hierbei wird der Druck des Arbeitsgases im wesentlichen nicht erhöht. Er entspricht also immer noch ungefähr dem Eingangsdruck in den Wärmetauscher 5, also dem Eingangsdruck des bezüglich der Vorrichtung 1 offenen Kreislaufs für das Arbeitsgas.

Anschließend wird das erhitzte Arbeitsgas über eine Leitung 9 der Turbine 4 zugeführt. In der Turbine 4 wird die thermische Energie des Arbeitsgases teilweise in mechanische Energie umgesetzt, die über die Welle 6 auf den Verdichter 2 übertragen wird. In der Turbine 4 wird das erhitzte Arbeitsgas auf einen an der Abströmseite der Turbine 4 anstehenden Unterdruck, der

geringer als der genannte Eingangsdruck des Arbeitsgases ist und vorzugs- weise weniger als dreiviertel des Eingangsdrucks, beispielsweise also etwa die Hälfte bzw. 2,5 MPa, beträgt, entspannt. Unterdruck im Sinne der vorlie- genden Erfindung kann generell auch ein über dem Umgebungs-oder Atmo- spährendruck liegender Druck sein, sofern er unter dem Eingangsdruck liegt.

Das aus der Turbine 4 austretende bzw. über eine Leitung 10 zum Wärmetau- scher 5 abströmende Arbeitsgas hat sich in der Turbine 4 beispielsweise auf etwa 100 bis 200°C abgekühlt.

Das auf Unterdruck entspannte Arbeitsgas gibt im Wärmetauscher 5 Wärme- energie an das noch im Erhitzer 3 zu erhitzende Arbeitsgas ab. Ein effektiver Wärmeaustausch wird vorzugsweise dadurch erreicht, daß der Wärmetau- scher 5 als ein im Gegenstrom arbeitender Rekuperator ausgebildet ist. Im Wärmetauscher 5 wird das auf Unterdruck entspannte Arbeitsgas beispiels- weise auf etwa 50 bis 100°C abgekühlt und anschließend über Leitungen 11 und 12 an den von der Turbine 4 und durch zusätzliche mechanische Fremd- energie, deren Zuführung durch Pfeil P2 angedeutet ist, angetriebenen Ver- dichter 2 weitergeleitet. Der Verdichter 2 verdichtet das auf Unterdruck ent- spannte Arbeitsgas dann auf den Ausgangsdruck, beispielsweise auf etwa das 1,5-fache des Eingagsdruckes, also z. B. auf etwa 7 bis 8 MPa, und läßt das verdichtete Arbeitsgas dann über einen Auslaß 13 aus der Vorrichtung 1, beispielsweise in eine angeschlossene (nicht dargestellte) Pipeline o. dgl., entweichen. Die vorschlagsgemäße Vorrichtung 1 weist also einen offenen Kreislauf für das Arbeitsgas auf.

Der Verdichter 2 dient hier nicht nur der üblichen Erhöhung des Druckes des Arbeitsgases über den Eingangsdruck hinaus, sondern auch einer Auf- rechterhaltung des Unterdruckes auf der Abströmseite der Turbine 4. Inso- weit arbeitet der Verdichter 2 sozusagen als Unterdruckpumpe, die am Ende des Strömungsweges des Arbeitsgases angeordnet ist.

Berechnungen haben gezeigt, daß bei einer Kopplung der vorschlagsgemä- ßen Vorrichtung 1 mit einer herkömmlichen Gasturbine, wie der beispielhaft dargestellten Gasturbine 15, die sowohl die mechanische Fremdenergie zum Antreiben des Verdichters 2 als auch die erforderliche Wärmeenergie für den

Erhitzer 3 bereitstellt, bei gleicher Verdichterleistung die erforderliche Lei- stungsauslegung der Gasturbine um ca. 20 bis 40 % reduziert werden kann.

Dies ermöglicht erhebliche Kosteneinsparungen im Betrieb.

Zur Verminderung der erforderlichen Verdichterleistung kann in dem Strö- mungsweg des auf Unterdruck entspannten Arbeitsgases zwischen dem Wärmetauscher 5 und dem Verdichter 2 ein Zwischenkühler 14 angeordnet werden, der einer weiteren Absenkung der Temperatur des vom Wärmetau- scher 5 vorgekühlten, auf Unterdruck entspannten Arbeitsgases vor dem Verdichten dient. Der Zwischenkühler 14 und/oder ein nachgeordneter, nicht dargestellter Wasserabscheider können dazu dienen, Wasser oder sonstige auskondensierte Flüssigkeiten aus dem Arbeitsgas abzuscheiden.

Es ist beispielhaft die Kopplung der vorschlagsgemäßen Vorrichtung 1 mit ei- ner herkömmlichen Gasturbine 15 angedeutet. Diese Gasturbine 15 umfaßt beispielsweise einen Einlaß 16 für Umgebungsluft, einen Verdichter 17 zur Verdichtung angesaugter Umgebungsluft, eine nachgeordnete Brennkammer 18 zur Bereitstellung eines heißen Gases, insbesondere durch Verbrennen ei- nes Brennstoffs, wie Erdgas, in der komprimierten Umgebungsluft, und eine der Brennkammer 18 nachgeordnete Turbine 19, in der die heiße Verbren- nungsluft entspannt und hierbei beispielsweise auf 500 bis 600°C abgekühlt und über einen Auslaß 20 abgegeben wird. Die Turbine 19 gibt mechanische Energie über eine Welle 21 einerseits an den Verdichter 17 zu dessen Antrieb und andererseits als sogenannte Wellenleistung an den Verdichter 2 ab. Die Gasturbine 15 stellt also mechanische Fremdenergie zum Antrieb des Verdich- ters 2 der Vorrichtung 1 zur Verfügung.

Die Gasturbine 15 ist vorzugsweise mehrwellig ausgebildet, d. h. die von der Brennkammer 18 abgegebene Verbrennungsluft wird mehreren Turbinenstu- fen bzw. auf verschiedenen Wellen angeordneten Turbinen nacheinander zugeführt, wodurch eine bessere Anpassung an die jeweils bereitzustellende Leistung und Drehzahl ermöglicht wird.

Zur Nutzung der Abwärme des aus der Turbine 19 austretenden Abgases ist der Auslaß 20 vorzugsweise, wie gestrichelt dargestellt, an den dann als Wärmetauscher ausgebildeten Erhitzer 3 angeschlossen, so dal3 das immer

noch verhältnismäßig heiße Abgas der Gasturbine 15 zunächst noch zur Er- hitzung des vom Wärmetauscher 5 vorgewärmten, zu fördernden Arbeits- gases der Vorrichtung 1 verwendet und erst anschließend über einen sich an den Erhitzer 3 anschließenden Auslaß 21 an die Umgebung abgegeben wird.

Zur Erreichung eines optimalen Arbeitspunktes kann es sinnvoll sein, zusätz- lich zu dem vorgenannten Wärmeaustausch mit dem Abgas der Gasturbine 15 im Erhitzer 3 eine Einrichtung zur Wärmeerzeugung, wie einen Brenner, bei- spielsweise zur Verbrennung von Erdgas, vorzusehen.

Selbstverständlich ist die voranstehend beschriebene Vorrichtung 1 je nach Leistungsauslegung auch mit einer sonstigen Brennkraftmaschine anstelle der Gasturbine 15 entsprechend koppelbar.