Druckregelung für geschlossene Joule-Kreisprozesse

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung umfassend ein ge schlossenes Gassystem mit einem Arbeitskreislauf, sowie ein Verfahren zur Druckregelung in einem geschlossenen Gassystem.

Geschlossene Gassysteme unterliegen wegen des vorgegebenen Systemvolumens temperatur- und/oder massenstrominduzierten Druckschwankungen, letztere treten durch gezielte Gaszufuhr bzw. -abfuhr sowie durch nicht vermeidbare Gasverluste durch Systemleckagen auf. Bei geschlossenen Joule-Kreisprozessen (engl.: Brayton cycles) haben diese Druckschwankungen bzw. der jeweils eingestellte obere/untere Systemdruck konkrete Auswirkungen auf die Leistungsfähigkeit des Prozesses.

Kreisprozesse sind bekannt, beispielsweise aus der US 2014/053560 Al, die einen thermisch/elektrischen Leis tungswandler offenbart, welcher neben einer Gasturbine und einem Verdichter weitere Komponenten, wie eine Leistungsquel le, verschiedene Wärmetauscher und einen Vorratsbehälter um fasst.

Die JP H0868341 A offenbart eine Vorrichtung zur Regelung der Leistung einer Gasturbine mit geschlossenem Joule- Kreisprozess. Ferner offenbart die US 5131 231 A ein Verfah ren zum Betreiben eines Motors mit geschlossenem Kreisprozess sowie einen Motor, der zur Verwendung mit dem Verfahren ge eignet ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung bereitzustel len, die für einen geschlossenen Joule-Kreisprozess einen verbesserten Teillastwirkungsgrad ermöglicht. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein entsprechendes Verfahren zur Druckregelung in einem solchen geschlossenen Gassystem anzugeben.

Geschlossene Joule-Kreisprozesse stellen besondere Anforde rungen an die Systemauslegung, da ein definierter unterer Prozessdruck, z.B. durch die Umgebung oder durch einen Kon densationsprozess, fehlt. Dieser untere Prozessdruck muss deshalb über eine entsprechende Systemdruckregelmöglichkeit eingestellt werden. Dabei gilt es die Druckänderungen durch Änderungen der Prozessarbeitstemperaturen auszugleichen.

Der untere Prozessdruck sollte in Abhängigkeit der Kreispro zessleistung gleitend gefahren werden, so wie dies auf der oberen Prozessdruckseite als Standard angesehen werden kann (Gleitdruckfahrweise bei Dampf- und Gasturbinen zur Vermei dung von Drosselverlusten in Teillast). Darüber hinaus beste hen in der Regel wirtschaftlich oder aus Umweltschützsicht begründete Anforderungen, die Gasabgabe aus dem System in die Umgebung soweit möglich ganz zu vermeiden oder zumindest mög lichst gering zu halten, da das Kreislaufmedium zu wertvoll (z.B. bei Verwendung von reinem Stickstoff oder gar Helium) oder ggf. zu umweitschädlich ist, als dass man mehr als nur minimale Verluste in die Umgebung akzeptieren kann.

Ausgehend von diesen Überlegungen löst die Erfindung die auf eine Vorrichtung gerichtete Aufgabe, indem sie vorsieht, dass bei einer derartigen Vorrichtung, umfassend ein geschlossenes Gassystem mit einem Arbeitskreislauf, in dem ein Verdichter für ein Arbeitsfluid, ein erster Wärmeübertrager zur Erwär mung des Arbeitsfluids, ein Expander (Gasexpansionsturbine) und ein zweiter Wärmeübertrager zur Abkühlung des Arbeitsflu ids angeordnet sind, ein erster Gasdruckbehälter und eine erste Gasleitung vorgesehen sind, wobei die Gasleitung zwi schen dem Verdichter und dem ersten Wärmeübertrager vom Ar beitskreislauf abzweigt und in den ersten Gasdruckbehälter mündet, sowie ferner eine zweite Gasleitung vorgesehen ist, die vom ersten Gasdruckbehälter abzweigt und zwischen dem Ex pander und dem zweiten Wärmeübertrager in den Arbeitskreis lauf mündet.

Die Erfindung sieht also einen Gasdruckbehälter vor (oder falls wirtschaftlicher ggf. auch mehrere), der auf der Hoch druckseite (d.h. hinter dem Verdichter des geschlossenen Joule-Kreisprozesses am Arbeitsprozess mit einer eigenen Gas leitung zum Befüllen des Behälters angeschlossen wird. Der Behälter wird immer dann befüllt, wenn es aus Sicht des Pro zesses erforderlich ist (z.B. wird während des Abfahrens der Systemdruck verringert, um Stillstandsverluste zu senken). Dazu wird ein Teilstrom aus dem Joule-Kreisprozess ausgelei tet. Um die eingespeicherte Gasmenge im Bedarfsfall in das System abzugeben, wird eine weitere Gasleitung nach dem Ex pander in den Arbeitskreislauf eingebunden.

In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung zweigt eine dritte Gasleitung vom Gasdruckbehälter oder von der zweiten Gasleitung ab und mündet zwischen Verdichter und erstem Wärmeübertrager in den Arbeitskreislauf. Diese weitere Einbindung, jetzt aber auf der Hochdruckseite und vor der Er wärmung des Kreislaufmediums ermöglicht die Nutzung der ein gespeicherten Druckenergie während des Anfahrvorganges.

Es ist vorteilhaft, wenn ein dritter Wärmeübertrager in der ersten Gasleitung angeordnet ist. Mit diesem beispielsweise über Umgebungskälte rückgekühlten Wärmeübertrager (die über tragene Wärme könnte auch eingespeichert werden) wird das Gas nach der Verdichtung gekühlt, bevor es vorteilhafterweise über ein entsprechendes erstes Ventil in der ersten Gaslei tung, welches somit in Strömungsrichtung des Arbeitsfluids nach dem dritten Wärmeübertrager angeordnet ist, in den Gas druckbehälter entspannt wird. Aus dieser Entspannung resul tiert je nach eingesetztem Gas eine weitere Abkühlung wegen des Joule-Thomson-Effektes.

Falls wegen des Joule-Thomson-Koeffizientens (der die Stärke und Richtung der Temperaturänderung beschreibt) des jeweili gen Gases eine Erwärmung auf Grund der Entspannung erfolgt, ist zweckmäßigerweise ein erstes Ventil in der ersten Gaslei tung in Strömungsrichtung des Arbeitsfluids vor dem dritten Wärmeübertrager angeordnet. Diese Maßnahmen dienen zur Erhö hung der Gasdichte, um somit die eingespeicherte Gasmenge bei gegebenem Behältervolumen zu erhöhen. In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein vierter Wärmeübertrager in der zweiten Gasleitung und ein fünfter Wärmeübertrager in der dritten Gasleitung angeordnet. Die zweite und die dritte Gasleitung sind Rückspeiseleitungen vom ersten Gasdruckbehälter in den Arbeitskreislauf. Der vierte und der fünfte Wärmeübertrager werden typischerweise mittels Abwärme (z.B. aus dem Zwischenkühlsystem des Kraft werkes) beheizt und wärmen das Gas vor Eintritt in den Ar beitskreislauf, d.h. den Arbeitskreislauf auf. Die Gaserwär mung reduziert den Kühleffekt auf das bereits im Arbeits kreislauf befindliche Gas und die über die Gasnachspeisung gewünschte Druckerhöhung im Arbeitskreislauf erfolgt schnel ler und mit weniger Massenstrom.

In einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Er findung ist mindestens ein thermischer Speicher über um- schaltbare Verbindungsleitungen mit dem dritten, vierten oder fünften Wärmeübertrager verbunden. Gerade bei Kraftwerksanla gen, die oft die Leistungsabgabe stark ändern müssen, kann es vorteilhaft sein, einen solchen thermischen Speicher vorzuse hen, welcher die Wärme des Arbeitsgases vor Eintritt in den Druckbehälter aufnimmt und dann später vor Rückspeisung des Arbeitsgases in den Kreislauf dieses wieder aufwärmt. Dies kann durch einen als Regenerator betriebenen, mit einem gut wärmespeichernden Feststoff befüllten Behälter erreicht wer den. Durch entsprechende Umschaltung von Verbindungsleitun gen, wird dieser Behälter von dem wärmeabgebenden bzw. auf nehmenden Gas jeweils in umgekehrter Richtung durchströmt.

Da Leckageverluste nicht ausbleiben ist es sinnvoll, wenn Ar beitsfluid nachspeisbar ist. Zweckmäßigerweise erfolgt dies auf der Niederdruckseite des Arbeitskreislaufes und vor der Kühlung, also zwischen Expander und zweitem Wärmeübertrager.

Es ist vorteilhaft, wenn dem ersten Gasdruckbehälter mindes tens ein zweiter Gasdruckbehälter parallelgeschaltet ist und die Gasdruckbehälter auf unterschiedlichen Druckniveaus be- treibbar sind. Die Nutzung mehrerer Gasdruckbehälter, welche das Arbeitsgas auf jeweils unterschiedlichen Druckniveaus speichern, ermöglicht es, bei hohem Expanderaustrittsdruck und demzufolge hohem Verdichteraustrittsdruck im Arbeits kreislauf einen vergleichsweise kleinen Druckbehälter „HP" mit hohem Druck zu befüllen. Durch die Entnahme dieses Ar beitsgases aus dem Arbeitskreislauf sinkt daraufhin der Druck im selbigen. Das im weiteren Verlauf entnommene Arbeitsgas wird dann im Druckbehälter „LP" auf einem niedrigeren Druck niveau eingespeichert. Dies ermöglicht es, die Gesamtbehäl tergröße zu optimieren und insbesondere beim Abfahren den Ar beitskreislaufdruck auf einen möglichst geringen Überdruck abzusenken. Dieser möglichst geringe Arbeitskreislaufüber- druck ist erstrebenswert, um Stillstandsverluste durch Lecka ge über die Wellendichtungen von Verdichter bzw. Expander ge ring zu halten.

Um eine möglichst hohe Druckerhöhung bzw. Verdichtung des Ar beitsfluids zu erreichen, können mehrere Verdichterstufen hintereinandergeschaltet werden. In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn der Verdichter mindestens zwei Verdich terstufen umfasst und eine fünfte Gasleitung zwischen zwei Verdichterstufen vom Arbeitskreislauf abzweigt und in zumin dest einen der Gasdruckbehälter mündet. Auf diese Weise wird die Verdichterleistungsaufnahme bzw. Größe/Ausführung des/der Gasdruckbehälter (s) optimiert.

Die auf ein Verfahren gerichtete Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Druckregelung in einem geschlossenen Gas system, wobei ein Arbeitsfluid wiederholt nacheinander in ei nem Arbeitskreislauf verdichtet, erwärmt, entspannt und abge kühlt wird. Gemäß der Erfindung wird zur Regelung eines Drucks im Gassystem ein Teilstrom des Arbeitsfluids aus dem Arbeitskreislauf entnommen und gespeichert, oder eine gespei cherte Arbeitsfluidmenge wieder in den Arbeitskreislauf ein gebunden, wobei die gespeicherte Arbeitsfluidmenge zwischen Entspannung und Abkühlung des Arbeitsfluids im Arbeitskreis lauf in diesen eingebunden wird. Die Vorteile dieses Verfahrens entsprechen den oben erwähnten Vorteilen gemäß der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Vorteilhafterweise wird das Arbeitsfluid aus dem geschlosse nen Gassystem entnommen, nachdem es zumindest teilweise ver dichtet wurde und bevor es durch Wärmetausch erwärmt wird.

Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn das entnommene Arbeitsflu id gekühlt wird, bevor es eingespeichert wird.

Dabei ist es zweckmäßig, wenn das Arbeitsfluid bei positivem Joule-Thomson-Koeffizienten zuerst über einen Wärmetausch ge kühlt und dann mittels eines Ventils in einen Gasdruckbehäl ter entspannt wird und bei negativem Joule-Thomson-Koeffizi enten zuerst über das Ventil entspannt und dann ggf. über ei nen Wärmetausch gekühlt und danach eingespeichert wird.

Es ist ferner zweckmäßig, wenn das Arbeitsfluid, bevor es in den Arbeitskreislauf wieder eingebunden wird, erwärmt wird.

Vorteilhafterweise wird ein thermischer Speicher beim Abküh len des Arbeitsfluids geladen und beim Erwärmen des Arbeits fluids entladen.

Schließlich ist es vorteilhaft, wenn bei unterschiedlichen Drücken aus dem Arbeitskreislauf entnommenes Arbeitsfluid verschiedenen Gasdruckbehältern zugeführt wird.

Das erfindungsgemäße Konzept einer Gasdruckhalte- und Gas druckregelung für geschlossene Kreisläufe kann vorteilhaft in verschiedensten geschlossenen Joule-Kreislauf-basierten Kraftwerksprozessen eingesetzt werden, z.B. auch im Rahmen eines LNG-Wiedervergasungskraftwerkes (LNG: kurz für „li- quified natural gas"). Damit verbunden ist u.a., dass der Verlust an wertvollem Kreislaufgas (im Falle des LNG-Wieder vergasungskraftwerkes : wasser- und CCh-freier Stickstoff) mi nimiert wird und gleichzeitig Drosselverluste im Arbeits- kreislauf in Teillast, etc. vermieden werden. Das Kreislauf gas wird dabei bei vergleichsweise niedriger / moderater Tem peratur (d.h. viel Masse bei gegebenem Volumen - entweder weil das Kreislaufgas bereits mit vergleichsweise niedriger Temperatur wie beim LNG-Wiedervergasungskraftwerk aus dem Verdichter austritt und/oder weil es zusätzlich vor Eintritt in den Druckbehälter gekühlt wurde) in einem begrenzten Be hältervolumen eingespeichert. Aufgrund der moderaten Tempera turen kann außerdem vergleichsweise günstiges Material für das System eingesetzt werden.

Mit dem vorgeschlagenen Konzept wird im ersten Schritt die Druckhaltung im System sichergestellt. Des Weiteren kann durch die Anbindung auf der Hochdruckseite des bereits im Joule-Kreisprozess vorhandenen Verdichters (d.h. dieser Ver dichter muss nicht zusätzlich bereitgestellt werden) eine kostengünstige Lösung bereitgestellt werden. Im Hinblick auf die Kosten profitiert auch die Behälterkonfiguration vom ho hen Druck. Hoher Druck bedeutet bei einer definierten Aus gleichsmenge ein entsprechend reduziertes Volumen und damit verbunden, eine reduzierte Behältergröße. Durch Wahl eines Druckes entsprechend einer Zwischenentnahme aus dem Verdich ter kann darüber hinaus immer der aus wirtschaftlicher Sicht günstigste Druck gewählt werden (für den Fall, dass die mit dem Druck zunehmende Behälterwandstärke bzw. das zu wählende Material die Kostensenkung durch Behältervolumenreduktion überkompensiert.) Außerdem ermöglicht der hohe Druck im Be hälter über die Anbindung am Arbeitskreislauf eine schnelle Reaktionszeit der Druckregelung. Damit gelingt es, die Druck regelgeschwindigkeit für einen Gleitdruckbetrieb auf dem un teren Prozessdruck mit der Druckänderungsgeschwindigkeit auf dem oberen Prozessdruck zu synchronisieren. Der Systemgleit druckbetrieb (unterer + oberer Prozessdruck) lässt einen ma ximalen Wirkungsgrad des Kreisprozesses erwarten, da die be stimmenden Arbeitsmaschinen (Verdichter, Expander) ohne grö ßere Regeleingriffe auskommen (d.h. voll geöffnete Regelven tile bzw. Leitstufen) und die bestimmenden mittleren Prozess temperaturen im ähnlichen Verhältnis mitgleiten. Falls eine Einspeiseleitung stromauf des Expanders vorgesehen ist, be steht ein weiterer Vorteil der Lösung darin, dass die einge speicherte Druckenergie beim Anfahren des Prozesses mitge nutzt werden kann. Die entsprechende Volumenänderungsarbeit im Expander ermöglicht das direkte (Expander treibt den Ver dichter an der gemeinsamen Welle an) oder indirekte (der Ge nerator am Expander stellt die Energie für den Motor am Ver dichter bereit) "Anstoßen" des Verdichters im Arbeitskreis lauf.

Ungesteuerte massenstrominduzierte Druckänderungen (z. B. we gen Gasleckagen an den Arbeitsmaschinen) werden durch eine Zusatzgaszuführung hinter dem Expander ausgeglichen. Dies hat den Vorteil, dass die Nachspeisung bei vergleichsweise nied rigem Druck erfolgt und somit der entsprechende Aufwand für einen entsprechenden separaten Verdichter, etc. begrenzt ist. Neben den bisher als Anwendungsfall angesprochenen geschlos senen Joule-Kraftwerksprozessen eignet sich das Konzept auch sehr gut, um Wärmepumpen (welche ein Gas als Arbeitsmittel ohne Phasenwechsel verwenden und neben dem üblichen Verdich ter auch einen Expander aufweisen) in der Teillast zu regeln. Auch hier ist der Vorteil, dass Drosselorgane und damit zu sammenhängende Verluste entfallen.

Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich:

Figur 1 das Grundkonzept für ein geschlossenes Gassystem mit Druckregelung gemäß der Erfindung und Figur 2 ein geschlossenes Gassystem mit verschiedenen Weiter bildungen des Grundkonzepts der Figur 1.

Die Figur 1 zeigt schematisch und beispielhaft eine Vorrich tung 1 umfassend ein geschlossenes Gassystem 2 mit einem Ar beitskreislauf 3, in dem ein Verdichter 4 für ein Arbeitsflu id, ein erster Wärmeübertrager 5 zur Erwärmung des Arbeits fluids, ein Expander 6 (Gasexpansionsturbine) und ein zweiter Wärmeübertrager 7 zur Abkühlung des Arbeitsfluids angeordnet sind.

Im Ausführungsbeispiel der Figur 1 zweigt eine erste Gaslei tung 9 zwischen dem Verdichter 4 und dem ersten Wärmeübertra ger 5 vom Arbeitskreislauf 3 ab und mündet in den ersten Gas druckbehälter 8. Ferner zweigt eine zweite Gasleitung 10 vom ersten Gasdruckbehälter 8 ab und mündet zwischen dem Expander 6 und dem zweiten Wärmeübertrager 7 in den Arbeitskreislauf 3.

Da Leckagen nicht ausbleiben, ist Arbeitsfluid zwischen Ex pander 6 und zweitem Wärmeübertrager 7 nachspeisbar. Die Nachspeisung mit Nachspeisestelle 21, Nachspeiseleitung 22 und Nachspeisepumpe 23 wird genutzt, um den normalen Gasver lust im System auszugleichen.

Die Figur 2 zeigt einige Erweiterungen des in Figur 1 gezeig ten Grundkonzepts, die entweder einzeln oder auch in Kombina tion anwendbar sind. Beispielsweise zweigt eine dritte Gas leitung 11 vom ersten Gasdruckbehälter 8 oder von der zweiten Gasleitung 10 ab und mündet zwischen Verdichter 4 und erstem Wärmeübertrager 5 in den Arbeitskreislauf 3.

Ferner zeigt das Ausführungsbeispiel der Figur 2 drei weitere Wärmeübertrager. Ein dritter, in der ersten Gasleitung 9 an geordneter Wärmeübertrager 12 kühlt das gasförmige Arbeits fluid, wohingegen ein vierter Wärmeübertrager 14 in der zwei ten Gasleitung 10 und ein fünfter Wärmeübertrager 15 in der dritten Gasleitung 11 der Erwärmung des Arbeitsfluid dienen.

Bezüglich der Einspeicherung des Arbeitsfluids in den ersten Gasdruckbehälter 8 zeigt die Figur 2 ein erstes Ventil 13 in der ersten Gasleitung 9, welches in Strömungsrichtung des Ar beitsfluids nach dem dritten Wärmeübertrager 12 angeordnet ist. Dies ist die relative Anordnung der beiden Komponenten für den Fall, dass das Arbeitsfluid bei der Entspannung ab kühlt. Erwärmt sich das Arbeitsfluid bei der Entspannung, wird die Anordnung von Ventil 13 und drittem Wärmeübertrager 12 vertauscht. Dies ist in der Figur 2 mit einem gestrichel ten Doppelpfeil gekennzeichnet. Zusätzlich zu dem aus Figur 1 bereits bekannten ersten Gas druckbehälter 8 weist das Ausführungsbeispiel der Figur 2 ei nen zweiten Gasdruckbehälter 19 auf, der dem ersten Gasdruck behälter 8 parallelgeschaltet ist. Auch ein entsprechendes zweites Ventil 20 ist in der Figur 2 gezeigt. Typischerweise sind die Gasdruckbehälter 8, 19 auf unterschiedlichen Druck niveaus betreibbar.

Das Vorhandensein zweier Verdichterstufen 17 am Verdichter 4 ist für das Speichern des Arbeitsfluids bei unterschiedlichen Drücken zwar nicht zwingend (man kann sich vorstellen, dass nach einem ersten Ausspeichern in den ersten Gasdruckbehälter 8 der Systemdruck gefallen ist und somit ein zweites Ausspei chern in den zweiten Gasdruckbehälter 19 bei niedrigerem Druck erfolgt), erleichtert allerdings Optimierungen. Dies wird ergänzt durch eine fünfte Gasleitung 18, die zwischen zwei Verdichterstufen 17 vom Kreislauf 3 abzweigt und in zu mindest einen der Gasdruckbehälter 8, 19 mündet.

Eine sinnvolle Ergänzung des vorgestellten Konzepts ist die Installation eines thermischen Speichers 16, der über um- schaltbare Verbindungsleitungen A, B, C mit dem dritten 12, vierten 14 oder fünften Wärmeübertrager 15 verbunden ist.