DE69429769T2

DE69429769T2 - Mehrwellen, zwischenheizungsgasturbine mit zwischenkühlung und wärmerückgewinnung

Info

Publication number: DE69429769T2
Application number: DE69429769T
Authority: DE
Inventors: Michael Nakhamkin
Original assignee: CASCADED ADVANCED TURBINE Ltd; Electric Power Research Institute Inc
Current assignee: CASCADED ADVANCED TURBINE Ltd; Electric Power Research Institute Inc
Priority date: 1993-04-23
Filing date: 1994-04-14
Publication date: 2002-08-08
Anticipated expiration: 2014-04-15
Also published as: EP0699272A1; IL109352A0; CA2159104A1; IL109352A; ATE212695T1; US5386688A; DE69429769D1; WO1994025746A1; JPH08510311A; US5347806A; EP0699272A4; ES2168296T3; EP0699272B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Technisches Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf Verbrennungsturbinenapparaturen mit Zwischenkühlung, Sättigung, Rekuperation bzw. Vorwärmung und Nachwärmung.

2. Hintergrundinformation

Eine typische und gegenwärtig verfügbare Einzyklus-Verbrennungsturbine besteht aus einem Kompressor zum Verdichten der atmosphärischen Luft, einem Combustor zum Erwärmen der verdichteten Luft, einer Turbine zur Leistungserzeugung und einem elektrischen Generator zum Wandeln der mechanischen Energie in elektrische Energie. Ein ausgeklügelteres Verbrennungsturbinenkonzept mit einer Anzahl von Kompressoren mit Zwischenkühlern und mit einer Anzahl von Turbinen mit zugeordneten Combustoren und auch mit einem Rekuperator bzw. Vorwärmer war zumindest seit den 20-er Jahren des 20. Jahrhunderts bekannt.
Die Wesentlichen Merkmale des herkömmlichen, gattungsbildenden Verbrennungsturbinenkonzepts, wie es in dem Artikel mit dem Titel "Optimization of Gas Turbine Cycles with Variable Number of Combustion, Compressor and Intercooler Stages", Dokument Nr. 81- JPGC-CT-6, veröffentlicht 1981 von der American Society of Mechanical Engineers, offenbart ist, sind wie folgt:
- die Turbine mit dem höchsten Druck und mit einem zugeordneten Combustor hat die höchste Einlasstemperatur. Die Turbinen mit niedrigerem Druck und mit zugeordneten Combustoren haben dieselbe Einlasstemperatur (wie die Turbine mit dem höchsten Druck);
- die Expansionsdruckverhältnisse von sämtlichen Turbinen sind gleich; und
- die Kompressionsdruckverhältnisse von sämtlichen Kompressoren sind gleich. Frühere Patente, beispielsweise US-Patent Nr. 2,584,232 von Sedille, verwenden diesen gattungsbildenden theoretischen Verbrennungsturbinenzyklus mit den vorgenannten Merkmalen. Der wesentliche Fortschritt dieser Patente ist die Verwendung von verfügbaren und ansonsten vergeudeten Wärmeressourcen des gattungsbildenden theoretischen Verbrennungsturbinenkonzepts, um den resultierenden Wirkungsgrad des Kraftwerks zu verbessern. Diese Wärmeressourcen werden zur Dampferzeugung und zur weiteren Erzeugung von elektrischem Strom durch die unterste Dampfturbine oder durch Dampfinjektion verwendet.
Keine praktischen Anwendungen dieses theoretischen Verbrennungsturbinenzyklus gemäß dem Stand der Technik sind umgesetzt worden, was an der großen Anzahl von ingenieurtechnischen Problemen liegt, denen die Entwickler von Kraftwerken begegnen.
Das erste und wichtigste ingenieurtechnische Problem besteht darin, dass die Turbine mit dem höchsten Druck für das Verbrennungsturbinenkonzept gemäß dem Stand der Technik die höchste Einlasstemperatur hat. Dies stellt wegen hohen thermischen und transienten Spannungen in den Bauteilen der Turbine mit dem hohen Druck und der hohen Temperatur eine ernsthafte Herausforderung dar und erfordert spezielle Materialien und noch zu entwickelnde Ingenieurtechniken.
Das zweite ingenieurtechnische Problem ist die Folge der Tatsache, dass für ein typisches Konzept gemäß dem Stand der Technik eine Mehrzahl von Verbrennungsturbinen mit denselben Einlasstemperaturen und gleichen Kompressions- bzw. Druckverhältnissen sehr hohe Abgasströmungstemperaturen aufweisen, welche die Einlasstemperaturen für eine Mehrzahl von stromabwärtigen Combustoren sind. Dies ist noch eine weitere ernsthafte ingenieurtechnische Herausforderung.
US-A-2, 115,338 beschreibt ein Gasturbinensystem mit einer Hochdruckturbine und einer Niederdruckturbine. Das beschriebene System umfasst weiterhin zwei Kompressoren, zwei Kühler, zwei Verbrennungskammern und einen Wärmetauscher.

3. Aufgaben der Erfindung

Eine Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, eine neue Verbrennungsturbine mit einem höheren Wirkungsgrad und mit höherer Wirtschaftlichkeit zu entwickeln, welche eine geeignet einheitlich ausgebildete Mehrzahl von Turbinen mit Nacherwärmung, eine Mehrzahl von Kompressoren mit Zwischenkühlern, einen Rekuperator bzw. Vorwärmer, einen Sättiger bzw. Gasreiniger, Wasserheizeinrichtungen, Röhrenbrennern (duct burners) und einen Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator verkörpert.
Eine andere Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, einen neuartigen thermischen Zyklus mit geringeren Einlasstemperaturen (im Vergleich zu dem augenblicklichen Temperaturbereich für industrielle Expander) zu einer Mehrzahl von Turbinen zu entwickeln, die Einlassdrücke aufweisen, die das Niveau des herkömmlichen Einlassturbinendrucks für Einzyklus- Verbrennungsturbinen übersteigen. Dies löst das erste und wichtigste ingenieurtechnische Problem: eine Sperrkombination von zufälligen hohen Drücken und Temperaturen.
Noch eine andere Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, die Gasströmungstemperaturen zu reduzieren, die in eine Mehrzahl von Combustoren einströmen. Dies löst das zweite ingenieurtechnische Problem.
Eine noch weitere Aufgabe dieser Erfindung besteht in der Integration eines Sättigers in dem Verbrennungsturbinenkonzept, um den thermischen Wirkungsgrad der Verbrennungsturbine zu verbessern und um die spezifische Produktion von elektrischer Leistung pro Pfund Luft zu erhöhen. Der Sättiger wärmt mittels Wärme- und Massenaustausch die verdichtete Luft vor und sättigt diese mit Feuchtigkeit, bevor diese in den Rekuperator bzw. Vorwärmer eintritt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Rekuperator und Wasserheizeinrichtungen in das erfindungsgemäße Verbrennungsturbinenkonzept für eine bessere Ausnutzung der für den Verbrennungsturbinenzyklus verfügbaren Wärme mit einer im Zusammenhang stehenden Verbesserung des thermischen Wirkungsgrads zu integrieren.
Noch eine andere Aufgabe der Erfindung besteht in einer maximalen Ausnutzung der verfügbaren Einzyklus-Verbrennungsturbinenbauelemente gemäß dem Stand der Technik durch das Hinzufügen von gegenwärtig verfügbaren industriellen Komponenten, die in den erfindungsgemäßen Zyklus integriert sind, um die praktische Realisierung des erfindungsgemäßen Konzeptes zu erleichtern.
Noch eine weitere Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, einen Wärmerückgewinnungsdampfgenerator für die alternative Ausnutzung der Abgaswärme zu schaffen, für einen Dampfeinsatz in dem untersten Zyklus und/oder zur Dampfinjektion in eine der Mehrzahl von Turbinen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, Röhrenbrenner (duct burners) bereitzustellen, die strategisch an Stellen des Systems angeordnet sind, um den Wirkungsgrad und die Wirtschaftlichkeit des Systems weiter zu verbessern.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß der Erfindung wird ein Stromerzeugungssystem bereitgestellt, umfassend:
einen einzelnen Antriebswellenaufbau einschließlich einer Verbrennungsturbine, die einen Kompressor, eine Expansionsturbine, einen Combustor, der die Expansionsturbine versorgt, einen Stromgenerator und Mittel aufweist, um die Expansionsturbine anzukoppeln, um den Kompressor und den Stromgenerator anzutreiben;
zumindest einen zusätzlichen Wellenaufbau einschließlich eines Zwischenkühlers, eines Kompressors, einer Expansionsturbine, eines Combustors, der die Expansionsturbine versorgt, und von Mitteln, um den Kompressor des zusätzlichen Wellenaufbaus anzutreiben;
einen Rekuperator bzw. Wärmetauscher; und
einen Abgaskamin,
wobei der einzelne Antriebswellenaufbau, der zumindest eine zusätzliche Wellenaufbau und der Rekuperator verbunden sind, um einen thermischen Kreislauf mit einer Luft- und Gasbahn zu definieren, die durch den Kompressor des einzelnen Antriebswellenaufbaus, durch den Zwischenkühler und den Kompressor des zumindest einen zusätzlichen Wellenaufbaus, durch den Rekuperator, durch den Combustor und die Expansionsturbine des zumindest einen zusätzlichen Wellenaufbaus und durch den Combustor und die Expansionsturbine des einzelnen Antriebswellenaufbaus verläuft, und schließlich durch den Rekuperator zu dem Abgaskamin auslässt, dadurch gekennzeichnet, dass
der Kompressor des zumindest einen zusätzlichen Wellenaufbaus so konstruiert und angeordnet ist, um ein Kompressions- bzw. Druckverhältnis zu haben, das größer ist als ein Kompressions- bzw. Druckverhältnis der Expansionsturbine des zumindest einen zusätzlichen Wellenaufbaus, welcher mit dem einzelnen Antriebswellenaufbau fluidverbunden ist, um den Kompressor des einzelnen Antriebswellenaufbaus von einem Druck zu entlasten.
Gemäß der Erfindung wird auch ein Verfahren zum Bereitstellen eines Stromerzeugungssystems einschließlich eines Stromgenerators geschaffen durch Modifizieren eines konventionellen Antriebswellenaufbaus, der einen Kompressor, eine Expansionsturbine, einen Combustor, der die Expansionsturbine versorgt, und Mittel aufweist, um die Expansionsturbine anzukoppeln, um den Kompressor und den Stromgenerator anzutreiben, mit den folgenden Schritten:
es wird zumindest ein zusätzlicher Wellenaufbau bereitgestellt, wobei der zumindest eine zusätzliche Wellenaufbau jeweils einen Kompressor, einen Zwischenkühler, der dem Kompressor gekühlte Luft zuführt, eine Industrie-Expansionsturbine, einen Combustor, der die Expansionsturbine versorgt, und Mittel aufweist, um die Expansionsturbine dieses zusätzlichen Wellenaufbaus anzukoppeln, um den Kompressor dieses zusätzlichen Wellenaufbaus anzutreiben;
es wird ein Wärmerekuperator bzw. Wärmetauscher bereitgestellt; und
es werden der konventionelle Antriebswellenaufbau, der zumindest eine zusätzliche Wellenaufbau und der Rekuperator verbunden, um die Luft- und Gasbahn des konventionellen Antriebswellenaufbaus so zu modifizieren, dass die modifizierte Luft- und Gasbahn durch den Kompressor des konventionellen Antriebswellenaufbaus, durch den Zwischenkühler und den Kompressor von jedem der zumindest einen zusätzlichen Wellenaufbauten in einer ersten vorbestimmten geordneten Sequenz läuft, durch den Wärmerekuperator, durch den Combustor und die Industrie-Expansionsturbine von jedem der zumindest einen zusätzlichen Wellenaufbauten in einer zweiten vorbestimmten geordneten Sequenz läuft, sowie durch den Combustor und die Expansionsturbine des konventionellen Antriebswellenaufbaus läuft;
wobei ankommende Luft abwechselnd verdichtet und gekühlt wird, wenn sie durch die Kompressoren des Antriebswellenaufbaus und der zusätzlichen Wellenaufbauten strömt, in dem Wärmerekuperator erwärmt wird und sein Verbrennungsproduktgas abwechselnd erwärmt und expandiert wird, wenn es durch die Combustoren und die Expansionsturbinen der zusätzlichen Wellenaufbauten und des Antriebswellenaufbaus strömt, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressor des zumindest einen zusätzlichen Wellenaufbaus ein Kompressions- bzw. Druckverhältnis aufweist, das größer ist als ein Kompressions- bzw. Druckverhältnis der Expansionsturbine des zumindest einen zusätzlichen Wellenaufbaus.
Die wichtigsten theoretischen und konzeptionellen Merkmale der Erfindung sind in dem neuartigen thermischen Verbrennungsturbinenzyklus niedergelegt, der in Fig. 2 auf einem Temperatur-Entropie-Diagramm gezeigt ist.
Die vorgenannten und weiteren Aufgaben werden gemäß den Prinzipien dieser Erfindung dadurch gelöst, dass ein Stromerzeugungssystem geschaffen wird, das einen elektrischen Generator und einen Antriebswellenaufbau umfasst, der einen Kompressor, eine Expansionsturbine, einen Combustor, der der Expansionsturbine erwärmte Luft zuführt, und Mittel umfasst, um die Expansionsturbine anzukoppeln, um den Kompressor und den elektrischen Generator anzutreiben. Zumindest ein zusätzlicher Wellenaufbau ist vorgesehen. In den Ausführungsformen der Erfindung umfasst jeder zusätzliche Wellenaufbau einen Kompressor, einen Zwischenkühler, eine Expansionsturbine, einen Combustor und Mittel, um die Expansionsturbine des zusätzlichen Wellenaufbaus anzukoppeln, um den Kompressor und den zusätzlichen Wellenaufbau anzutreiben. Außerdem sind ein Rekuperator und optionale Röhrenbrenner vorgesehen. Gemäß Ausführungsformen dieser Erfindung sind der Antriebswellenaufbau, der zumindest eine zusätzliche Wellenaufbau und der Rekuperator bzw. Vorwärmer verbunden, um eine Luft- und Gasbahn zu definieren, die durch den Kompressor des Antriebswellenaufbaus, durch den Zwischenkühler und den Kompressor von jedem des zumindest einen zusätzlichen Wellenaufbaus in einer ersten vorbestimmten geordneten Sequenz verläuft, durch den Rekuperator, durch den Combustor und die Expansionsturbine von jedem des zumindest einen zusätzlichen Wellenaufbaus in einer zweiten vorbestimmten geordneten Sequenz verläuft, durch den Combustor und die Expansionsturbine des Antriebswellenaufbaus, durch den Rekuperator und durch den Abgaskamin. Folglich wird einströmende Luft alternierend verdichtet und gekühlt, während sie durch die Kompressoren und die Antriebswellenaufbauten und die zusätzlichen Wellenaufbauten strömt, wird diese in dem Wärmerekuperator bzw. Vorwärmer erwärmt und wird diese alternierend erwärmt und expandiert, wenn ihr Verbrennungsproduktgas durch die Combustoren und die Expansionsturbinen der zusätzlichen Wellenaufbauten und der Antriebswellenaufbauten strömt. Das Wasser für die Zwischenkühler wird entweder von einem Kühlturm oder einer anderen Quelle bereitgestellt.
Die wichtigsten kennzeichnenden Merkmale von Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Gasturbinenkonzepts sind wie folgt (siehe Fig. 2):
- Die Einlasstemperatur der Turbine mit dem höchsten Druck (Fig. 2, Punkt 23) der Mehrzahl der zusätzlichen Wellenaufbauten hat die niedrigste Einlasstemperatur auf dem Niveau der aktuellen Industrieexpandertechnologie (760ºC (1400º F)). Die anderen Turbinen (Punkt 13) der zusätzlichen Wellenaufbauten (mit Ausnahme der Turbine mit dem niedrigsten Druck) haben dieselbe Einlasstemperatur oder nur eine geringfügig höhere. Die höchste Einlasstemperatur liegt am Einlass der Turbine mit dem niedrigsten Druck (Punkt 3) des Antriebswellenaufbaus vor und stellt das Temperaturniveau von Verbrennungsturbinen gemäß dem augenblicklichen Stand der Technik dar (1260ºC bis 1376ºC (2300ºF bis 2500ºF)). Diese Aufteilung der Turbineneinlasstemperaturen steht im Gegensatz zu dem theoretischen Zyklus gemäß dem Stand der Technik, wie er in US-Patent Nr. 2,584,232 offenbart ist, und sorgt für einen sehr hohen thermischen Zykluswirkungsgrad, was praktisch ingenieurtechnisch Sinn macht. Sie zielt auf das erste ingenieurtechnische Problem gemäß dem Stand der Technik ab: einen prohibitiv zufälligen hohen Druck und eine hohe Temperatur am Einlass der Hochdruckturbine.
- Folglich reduzieren die niedrigeren Einlasstemperaturen der Hochdruckturbinen und der Zwischendruckturbinen (der zusätzlichen Wellenaufbauten) die Einlasstemperatur zu den stromabwärtigen Combustoren. Dies zielt auf das zweite ingenieurtechnische Problem des Zyklus gemäß dem Stand der Technik ab.
- Die optimierte Aufteilung des Expansionsdruckverhältnisses unter einer Mehrzahl von Turbinen resultiert in in etwa gleichen Kompressions- bzw. Druckverhältnissen für sämtliche Turbinen (der zusätzlichen Wellenaufbauten), mit Ausnahme der Turbine mit dem niedrigsten Druck (des Antriebswellenaufbaus). Die Turbine mit dem niedrigsten Druck hat das höchste Kompressions- bzw. Druckverhältnis, was dem einer Verbrennungsturbine entspricht, deren Komponenten für den Antriebswellenaufbau verwendet werden. Dies ermöglicht die Modifikation einer existierenden Verbrennungsturbine zu dem erfindungsgemäßen Konzept - ein wesentlicher Vorteil dieser Erfindung.
- Die optimierte Aufteilung des Gesamtkompressionsverhältnisses auf die Kompressoren wird durch Überlegungen betreffend die balancierten Hochdruckwellen und Zwischendruckwellen (der zusätzlichen Wellenaufbauten) vorgegeben und weicht von der gleichen Aufteilung des Zyklus gemäß dem Stand der Technik ab.
- Der Rekuperator bzw. Vorwärmer gewinnt die Wärme des Abgases mit hoher Temperatur der Turbine des Antriebswellenaufbaus zurück, um die Luft vorzuwärmen, bevor diese in den Combustor mit dem höchsten Druck der zusätzlichen Wellenaufbauten einströmt.
Gemäß einem bedeutsamen Gesichtspunkt von Ausführungsformen dieser Erfindung ist ein neuartiger thermischer Verbrennungsturbinenzyklus mit wesentlichen Parametern und anderen Merkmalen entwickelt worden, die von denen gemäß dem Stand der Technik abweichen. Der resultierende Zyklus hat einen deutlich höheren Wirkungsgrad im Vergleich zu der Verbrennungsturbine gemäß dem Stand der Technik. Dieser thermische Zyklus löst gleichzeitig die wesentlichen ingenieurtechnischen Probleme und stellt so seine praktische Realisierung sicher.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt von Ausführungsformen dieser Erfindung ist das Kompressionsdruckverhältnis des Kompressors in jedem der zusätzlichen Wellenaufbauten größer als das Expansionsdruckverhältnis der Expansionsturbine. Deshalb ist für die Gesamtdruckbalance das Kompressionsdruckverhältnis des Kompressors des Antriebswellenaufbaus kleiner als das Expansionsdruckverhältnis der Expansionsturbine des Antriebswellenaufbaus. In der Tat wird der Kompressor des Antriebswellenaufbaus teilweise entladen, so dass die Expansionsturbine des Antriebswellenaufbaus einen größeren Teil ihrer Leistung dem elektrischen Generator zuführen kann.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt von Ausführungsformen dieser Erfindung wird Abgas bzw. Verbrennungsgas der Expansionsturbine des Antriebswellenaufbaus zu dem Wärmerekuperator bzw. Wärmetauscher gerichtet, um so eine Wärmequelle für diesen bereitzustellen.
Gemäß einem noch weiteren Gesichtspunkt von Ausführungsformen dieser Erfindung sorgt die Mehrwellenanordnung (Antriebswellenaufbau und zumindest ein zusätzlicher Wellenaufbau) für eine zweckmäßige und wirtschaftliche Anordnung von Zwischenkühlern. Dies ermöglicht eine Erhöhung des Kompressions- bzw. Druckverhältnisses der Kompressoren der leistungsausgeglichenen zusätzlichen Wellenaufbauten, so dass der Kompressor des Antriebswellenaufbaus weiter entlastet wird, was zusätzliche Energie für die Stromerzeugung zur Verfügung stellt und den Wirkungsgrad erhöht.
Gemäß einem noch weiteren Gesichtspunkt von Ausführungsformen dieser Erfindung sättigt der Sättiger die verdichtete Luft, was so die Luftanforderungen pro erzeugter Kilowattstunde senkt, mit einer einhergehenden Senkung des Leistungsverbrauchs der Kompressoren der zusätzlichen Wellenaufbauten und des Kompressors des Antriebswellenaufbaus.
Außerdem wird noch gemäß einem weiteren Gesichtspunkt von Ausführungsformen dieser Erfindung Warmwasser, das für die Sättigung der verdichteten Luft in dem Sättiger benötigt wird, in Wasserheizeinrichtungen erzeugt (die die Wärme zurückgewinnen, die in dem Abgas bzw. Verbrennungsgas zur Verfügung steht, das die Turbine des Antriebswellenaufbaus nach einer teilweisen Wärmerückgewinnung in dem Rekuperator verlässt) sowie in den Zwischenkühlern und in dem Nachkühler (der die Wärme der verdichteten Luft zurückgewinnt).
Schließlich erzeugt noch gemäß einem weiteren Gesichtspunkt von Ausführungsformen dieser Erfindung der Dampf, der in dem Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator erzeugt wird, zusätzliche Leistung durch Dampfinjektion oder in dem untersten Zyklus.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Das Vorgenannte wird beim Lesen der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren ersichtlicher werden, in denen vergleichbare Elemente in verschiedenen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind und worin:
Fig. 1 ein Blockschema einer ersten beispielhaften Ausführungsform eines Stromerzeugungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 2 ein Temperatur-Entropie-Diagramm für das System gemäß Fig. 1 ist;
Fig. 3 ein Blockschema einer zweiten beispielhaften Ausführungsform eines Stromerzeugungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung ist; und
Fig. 4 ein Blockschema einer dritten beispielhaften Ausführungsform eines Stromerzeugungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung ist.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG

Fig. 1 ist ein Blockschema eines ersten Ausführungsbeispiels eines Stromerzeugungssystems gemäß dieser Erfindung. Der Antriebswellenaufbau stellt eine herkömmliche Hochleistungsverbrennungsturbine oder eine aus dem Flugzeugbau stammende Verbrennungsturbine dar, die den Kompressor 10, die Expansionsturbine 30, den Combustor 20, der der Expansionsturbine 30 erwärmtes Verbrennungsproduktgas zuführt, umfasst, wobei die Expansionsturbine 30 angekoppelt ist, um den Kompressor 10 und den Stromgenerator 60 anzutreiben. In einer Standardanwendung wird Luft, die in den Niederdruckkompressor 30 bei dessen Einlass einströmt, auf diese Weise verdichtet und an dessen Auslass 2 bereitgestellt. Die verdichtete Luft wird unmittelbar in den Niederdruckcombustor 20 ausgelassen und dann durch die Niederdruckexpansionsturbine 30 expandiert. Bei der herkömmlichen Anordnung ist die Leistung, die von der Turbine 30 ausgegeben wird, im Wesentlichen gleich aufgeteilt, um den Kompressor 10 und den Generator 60 anzutreiben.
Gemäß dieser Erfindung ist zumindest ein zusätzlicher Wellenaufbau vorgesehen, um den konventionellen, vorstehend beschriebenen Antriebswellenaufbau zu modifizieren. Beispielhaft sind zwei zusätzliche Wellenaufbauten gezeigt. Auch ist ein Wärmerekuperator bzw. Wärmetauscher 50 vorgesehen. Somit umfasst der erste zusätzliche Wellenaufbau den Zwischenkühler 40, den Zwischendruckkompressor 110, den Zwischendruckcombustor 120 und die Zwischendruckexpansionsturbine 130. Der zweite zusätzliche Wellenaufbau umfasst den Hochdruckzwischenkühler 140, den Hochdruckkompressor 210, den Hochdruckkompressor 220 und die Hochdruckexpansionsturbine 230. Die Zwischenkühler 40 und 140 werden durch Wasser gekühlt, das von einem Kühlturm bereitgestellt wird.
Wie gezeigt ist, verläuft die Luft- und Gasbahn durch den modifizierten Kompressor des konventionellen Antriebswellenaufbaus, durch die Zwischenkühler und die Kompressoren der zusätzlichen Wellenaufbauten, durch den Rekuperator, durch die Combustoren und die Expansionsturbinen der zusätzlichen Wellenaufbauten und dann durch den Combustor und die Expansionsturbine des konventionellen Antriebswellenaufbaus. Somit verläuft das Abgas 2 des Niederdruckkompressors 10 durch den Zwischenkühler 40, der dessen Temperatur am Einlass 11 des Zwischenkompressors 110 erniedrigt. Der Druck der Luft wird dann wieder erhöht und am Auslass 12 des Kompressors 110 dem Zwischenkühler 140 zur Verfügung gestellt, der dessen Temperatur senkt und die abgekühlte Luft mit dem Zwischendruck an dem Einlass 21 dem Hochdruckkompressor 210 zur Verfügung stellt. Das Abgas 22 des Hochdruckkompressors 210 wird als Einlassgas dem Wärmerekuperator bzw. Wärmetauscher 50 zur Verfügung gestellt. Der Auslass 5 des Wärmerekuperators 50 ist mit dem Hochdruckcombustor 220 verbunden, dessen Auslass 23 der Hochdruckexpansionsturbine 230 zur Verfügung steht. Das Abgas 24 der Hochdruckexpansionsturbine 230 wird in dem Zwischendruckcombustor 120 erwärmt und dann dem Einlass 13 der Zwischendruckexpansionsturbine 130 zur Verfügung gestellt. Das Abgas 14 der Zwischendruckexpansionsturbine 130 wird erwärmt in dem Niederdruckcombustor 20 und dem Einlass 3 der Niederdruckexpansionsturbine 30 zur Verfügung gestellt, deren Abgas 4 als Wärmequelle für den Wärmerekuperator 50 verwendet wird, bevor diese zu dem Systemauspuff 6 gelangt. Der thermodynamische Zyklus ist als Temperatur-Entropie-Diagramm in Fig. 2 gezeigt.
Herkömmlich, wenn ein Einzyklus-Antriebswellenaufbau verwendet wird, gleicht das Kompressionsdruckverhältnis des Kompressors dem Expansionsdruckverhältnis der Turbine und ist die ausgegebene Verbrennungsturbinenleistung von der Turbine im Wesentlichen gleichmäßig aufgeteilt, um den Kompressor und den Stromgenerator anzutreiben. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist jedoch das Kompressionsdruckverhältnis des Kompressors 10 deutlich kleiner, so dass die Turbine 30 einen größeren Teil ihrer Leistung zur Verfügung stellen kann, um den Generator 60 anzutreiben. Diese Absenkung des Kompressionsdruckverhältnisses des Kompressors 10 wird dadurch erzielt, dass das Gesamtkompressionsdruckverhältnis der zusätzlichen Wellenaufbauten über das Gesamtexpansionsdruckverhältnis der zusätzlichen Wellenaufbauten erhöht wird. Durch Einführen der Zwischenkühler 40 und 140 wird die Temperatur der Luft, die in die Kompressoren 110 und 210 einströmt, abgesenkt, was die von den Kompressoren 110 und 210 verbrauchte Leistung absenkt und für denselben Leistungs- bzw. Energieverbrauch der Kompressoren höhere Kompressionsdruckverhältnisse ermöglicht.
Fig. 3 stellt eine Modifikation des in Fig. 1 gezeigten Systems dar, die außerdem einen Nachkühler 240 und Wassersättiger 170 und 70 umfasst, die zwischen dem Ausgang des Hochdruckkompressors 210 und dem Einlass des Rekuperators bzw. Wärmetauschers 50 geschaltet sind. Somit, von dem Auslass 22 des Hochdruckkompressors 210, wird die verdichtete Luft in dem Nachkühler 240 gekühlt und dann in den Einlass 31 des Sättigers 170 und in den Einlass 32 des Sättigers 70 gerichtet, wo die verdichtete Luft mit Wasser gesättigt wird und vorerwärmt wird, bevor diese in den Einlass 33 des Wärmetauschers 50 strömt. Der Rest der Luft- und Gasbahn ist identisch zu der gemäß Fig. 1. Die Sättiger 170 und 70 werden mit Wasser gespeist, das in dem Zwischenkühler 140 und in dem Nachkühler 240 aufgewärmt wurde, sowie in den Abgas-Wärmerückgewinnungs- Wasserheizeinrichtungen 65 und 165. Die Wasserfließstrecken, die die Pumpen 80 und 180 umfassen, sind ohne weiteres in Fig. 1 erkennbar. Falls dies erwünscht ist, können der Wärmetauscher 50 und die Wasserheizeinrichtung 65 zusätzlich durch Installation von Röhrenbrennern angefeuert werden.
Das in Fig. 3 gezeigte System hat gezeigt, dass dieses einen erheblich höheren Wirkungsgrad (bis zu etwa 53% im Vergleich zu Verbrennungsturbinen gemäß dem Stand der Technik) gegenüber dem in Fig. 1 gezeigten Basissystem (etwa 47% Wirkungsgrad) aufweist, der höhere Wirkungsgrad hat jedoch gewisse Nachteile. Somit erfordert das in Fig. 3 gezeigte System eine erhebliche Menge an aufbereitetem Wasser und kann deshalb gewissen Beschränkungen hinsichtlich des Einsatzortes unterliegen. Außerdem ist das in Fig. 3 gezeigte System mit Sättigern komplizierter, wenn man dieses mit dem Basissystem, das in Fig. 1 gezeigt ist, vergleicht, obwohl es hinsichtlich der Ingenieurtechniken und des Betriebs im Vergleich zu einer Anlage mit kombiniertem Zyklus signifikant einfacher ist, und zwar mit einem vergleichbaren Wirkungsgrad. Die spezifischen Kapitalkosten, in Dollar pro Kilowatt, für das in Fig. 3 gezeigte System sind nur geringfügig höher als die Kosten einer Einzyklus-Gasturbine.
Die Fig. 4 stellt eine andere Modifikation des Systems gemäß Fig. 1 dar, bei der der Auslass 6 von dem Wärmerekuperator 50 zu dem Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator 90 geleitet wird, um Dampf zu erzeugen, der in einen oder mehrere der Combustoren 20, 120 und 220 eingeleitet werden kann. Der Rest des Systems ist vergleichbar zu dem in Fig. 1 gezeigten.
Somit ist das erfindungsgemäße Verbrennungsturbinensystem ein Mehrwellen-Verbrennungsturbinensystem mit einem ausgeklügelten thermodynamischen Zyklus und einem signifikant höheren Wirkungsgrad als im Vergleich zu der Verbrennungsturbine gemäß dem Stand der Technik, und zwar zu geschätzten spezifischen Kapitalkosten, in Dollar pro Kilowattstunde, vergleichbar zu denen eines Einzyklus-Verbrennungsturbinensystems. Das erfindungsgemäße System löst wesentliche ingenieurtechnische Probleme, die bis dato eine Realisierung dieser ausgeklügelten Konzepte verhindert haben. Das System verwendet kommerziell erhältliche Komponenten und kann auf einem Gestell montiert geliefert werden, was die Aufbauzeit verkürzt und die Konstruktionsarbeiten am Einsatzort und die Kosten reduziert.
Die nachfolgende TABELLE 1 stellt die Leistungseigenschaften und die Schlüsselparameter für das erfindungsgemäße System dar, die mit denen einer Einzyklus-Verbrennungsturbine verglichen werden. TABELLE 1
BEMERKUNG:
*beinhaltet Luft, Feuchtigkeit und Brennstoff TABELLE 1 (Fortsetzung) TABELLE 1 (Fortsetzung) TABELLE 1 (Fortsetzung)
Es sei angemerkt, dass die Leistungseigenschaften, die in Tabelle 1 dargelegt sind, auf dem augenblicklichen Niveau der technischen Entwicklung basieren und auf den Leistungseigenschaften der Westinghouse W5OIF-Verbrennungsturbine als Quelle für die Verbrennungsturbine des Antriebswellenaufbaus sowie auf den Leistungseigenschaften von kommerziellen Turbo-Expandern und Kompressoren für die zusätzlichen Wellenaufbauten. Beispielsweise wurde die Einlasstemperatur der Turbine 30 des Antriebswellenaufbaus zu Ts = 1350ºC (2462ºF) (Fig. 2) angenommen, was dem augenblicklichen Niveau an Einlasstemperaturen für fortschrittliche Einzyklus-Verbrennungsturbinen entspricht. Auch wurde die Einlasstemperatur zu den Expansionsturbinen 230 und 130 zu T23 = T13 = 760ºC (1400ºF) angenommen, was vergleichsweise niedrig ist und der augenblicklichen Einlasstemperatur von verfügbaren industriellen Expansionsturbinen entspricht. Eine Erhöhung der Einlasstemperatur der Turbinen 230 und 130 von 760ºC auf 871ºC (1400ºF auf 1600ºF) (ein praktikabler nächster Wert) wird den Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Systems absolut um etwa 3% erhöhen (ein Wirkungsgrad von 45,8% wird zu einem Wirkungsgrad von 48,8% werden). Es sei angemerkt, dass jegliche fortschrittliche Entwicklungen in der Technologie von Verbrennungsturbinen auf das erfindungsgemäße System vollständig anwendbar sind.
Die TABELLE 1 zeigt die Vorteile von anderen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Konzepte. Somit hat die zweite Ausführungsform (Fig. 3) mit dem zusätzlichen Sättiger, der dem Nachkühler und den Abfallwärme-Wasserheizeinrichtungen zugeordnet ist, einen Bruttowirkungsgrad von 52,8% im Vergleich zu einem Wirkungsgrad von 36,6% für die Verbrennungsturbine gemäß dem Stand der Technik. Die TABELLE 1 zeigt auch, dass die dritte Ausführungsform (Fig. 4) des erfindungsgemäßen Konzepts mit der Verwendung des Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerators einen Wirkungsgrad von 48,5% zeigt.
Die Hauptanziehungskraft des beschriebenen Systems liegt in seiner Originalität, seiner Effektivität und, was am wichtigsten ist, in seiner Einfachheit der Realisierung. Der Antriebswellenaufbau ist eine übliche, kommerziell erhältliche Verbrennungsturbine. Die erforderlichen Modifikationen sind vergleichsweise unbedeutend. Als Erstes muss das Kompressions- bzw. Druckverhältnis des Niederdruckkompressors 10 auf einen Wert unterhalb des Kompressions- bzw. Druckverhältnisses seiner zugeordneten Expansionsturbine abgesenkt werden. Die leistungsausgeglichenen zusätzlichen Wellenaufbauten haben Kompressionsdruckverhältnisse der Kompressoren 110 und 210, die größer sind als die entsprechenden Expansionsdruckverhältnisse der Turbinen 230 und 130. Für dasselbe Gesamt- Kompressionsdruckverhältnis reduziert dies seinerseits das erforderliche Kompressionsdruckverhältnis für den Niederdruckkompressor 10. Dann wird der Generator 60 auf die Fähigkeit zur Erzeugung einer höheren Leistung des Kraftwerks aufgerüstet. Auch der Antriebswellenaufbau ist hinsichtlich der Antriebskraft ausgeglichen, sei es durch Nachrüsten der existierenden Antriebswellenlager oder durch Hinzufügen eines externen Antriebswellenlagers, das mit dem Antriebswellenaufbau verbunden ist. Der einfachste Weg zum Verringern des Kompressionsverhältnisses des Kompressors 10 besteht im Entfernen einer gewissen Anzahl von Schaufeln seiner letzten Stufen, was von einem Hersteller oder einem Verpacker oder irgendeinem Versorgungsbetrieb vorgenommen werden kann. Die zusätzlichen Wellenaufbauten können von Herstellern von industriellen, turbogetriebenen Kompressoren geliefert werden, die durch die Hersteller von Combustoren unterstützt werden. Die beschriebene Mehrwellen-Verbrennungsturbine kann kommerziell von Herstellern von Verbrennungsturbinen angeboten werden, von Herstellern von industriellen Dampfturbinen und Turboanlagen und/oder von anderen Verpackern. Das hierin beschriebene System ist auf sämtliche alternative Modifikationen von Verbrennungsturbinen anwendbar.
Folglich ist ein verbessertes Stromerzeugungssystem offenbart worden. Während beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hierin offenbart worden sind, versteht sich natürlich, dass verschiedene Modifikationen und Anpassungen an den offenbarten Ausführungsformen dem Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet ersichtlich sein werden und es ist nur beabsichtigt, dass diese Erfindung durch den Schutzbereich der beigefügten Patentansprüche beschränkt ist.

Claims

1. Stromerzeugungssystem, umfassend:

einen einzelnen Antriebswellenaufbau einschließlich einer Verbrennungsturbine, die einen Kompressor (10), eine Expansionsturbine (30), einen Combustor (20), der die Expansionsturbine (30) versorgt, einen Stromgenerator (60) und Mittel aufweist, um die Expansionsturbine (30) anzukoppeln, um den Kompressor (10) und den Stromgenerator (60) anzutreiben;

zumindest einen zusätzlichen Wellenaufbau einschließlich eines Zwischenkühlers (40), eines Kompressors (110), einer Expansionsturbine (130), eines Combustors (120), der die Expansionsturbine (130) versorgt, und von Mitteln, um den Kompressor (110) des zusätzlichen Wellenaufbaus anzutreiben;

einen Rekuperator bzw. Wärmetauscher (50); und

einen Abgaskamin,

wobei der einzelne Antriebswellenaufbau, der zumindest eine zusätzliche Wellenaufbau und der Rekuperator (50) verbunden sind, um einen thermischen Kreislauf mit einer Luft- und Gasbahn zu definieren, die durch den Kompressor (10) des einzelnen Antriebswellenaufbaus, durch den Zwischenkühler (40) und den Kompressor (110) des zumindest einen zusätzlichen Wellenaufbaus, durch den Rekuperator (50), durch den Combustor (120) und die Expansionsturbine (130) des zumindest einen zusätzlichen Wellenaufbaus und durch den Combustor (20) und die Expansionsturbine (30) des einzelnen Antriebswellenaufbaus verläuft, und schließlich durch den Rekuperator (50) zu dem Abgaskamin auslässt, dadurch gekennzeichnet, dass

der Kompressor (110) des zumindest einen zusätzlichen Wellenaufbaus so konstruiert und ausgelegt ist, um ein Kompressions- bzw. Druckverhältnis zu haben, das größer ist als ein Kompressions- bzw. Druckverhältnis der Expansionsturbine (130) des zumindest einen zusätzlichen Wellenaufbaus, welcher mit dem einzelnen Antriebswellenaufbau fluidverbunden ist, um den Kompressor (10) des einzelnen Antriebswellenaufbaus von einem Druck zu entlasten.

2. System nach Anspruch 1, weiterhin umfassend zumindest einen zusätzlichen Röhrenbrenner, der stromabwärts von der Expansionsturbine (30) des einzelnen Antriebswellenaufbaus und stromaufwärts von dem Rekuperator (50) angeordnet ist.

3. System nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, weiterhin umfassend Mittel, um Wasser bereitzustellen, um den Zwischenkühler (40) zu kühlen.

4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiterhin umfassend zumindest einen Sättiger (170, 70), der zwischen dem Auslass des Kompressors mit dem höchsten Druck und dem Rekuperator (50) angeordnet ist.

5. System nach Anspruch 4, weiterhin umfassend einen Nachkühler (240), der zwischen dem Auslass des Kompressors mit dem höchstem Druck und dem zumindest einen Sättiger (170, 70) angeordnet ist.

6. System nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, weiterhin umfassend zumindest eine Wasserheizvorrichtung (65, 165), die verfügbare Wärme von einem Abzug der Expansionsturbine des Antriebswellenaufbaus verwendet und den zumindest einen Sättiger (170, 70) mit Warmwasser versorgt.

7. System nach Anspruch 6, weiterhin umfassend zumindest einen Röhrenbrenner, der zwischen dem Abzug der Expansionsturbine des Antriebswellenaufbaus und dem Rekuperator (50) angeordnet ist.

8. System nach Anspruch 7, weiterhin umfassend zumindest einen Röhrenbrenner, der zwischen dem Abzug (6) des Rekuperators und den Wasserheizvorrichtungen (65, 165) angeordnet ist.

9. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend einen Mehrdruck-Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator (90), der zwischen dem Rekuperator (50) und dem Abgaskamin angeordnet ist.

10. System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Expansionsturbine (30) des einzelnen Antriebswellenaufbaus eine Einzyklus-Verbrennungsturbine ist, die aufgebaut und ausgelegt ist, um bei einer Einlasstemperatur von zumindest 1260º (2300ºF) zu arbeiten.

11. System nach Anspruch 1 oder Anspruch 10, bei dem die Expansionsturbine (130, 230) des zumindest einen zusätzlichen Wellenaufbaus eine industrielle Expansionsmaschine ist, die aufgebaut und ausgelegt ist, um bei einer Einlasstemperatur im Bereich von 760ºC bis 871ºC (1400ºF bis 1600ºF) zu arbeiten.

12. System nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem der thermische Kreislauf so beschaffen ist, dass:

eine Einlasstemperatur der Turbine mit dem höchsten Druck der zusätzlichen Wellenaufbauten die niedrigste Einlasstemperatur von sämtlichen der Turbinen in dem System ist;

sämtliche der Turbinen (230, 130) von jedem zusätzlichen Wellenaufbau im Wesentlichen gleiche Einlasstemperaturen aufweisen;

eine Einlasstemperatur der Turbine (30) des einzelnen Antriebswellenaufbaus die höchste Einlasstemperatur von sämtlichen der Turbinen in dem System ist;

Expansionsdruckverhältnisse der Turbinen in dem System im Wesentlichen gleichmäßig unter den Turbinen der zusätzlichen Wellenaufbauten aufgeteilt sind, wobei das größte Expansionsdruckverhältnis des Systems der Turbine (30) des einzelnen Antriebswellenaufbaus zugeordnet ist;

ein Gesamtkompressionsdruckverhältnis der Kompressoren in dem System unter den Kompressoren von jedem zusätzlichen Wellenaufbau aufgeteilt ist, um ein Leistungsgleichgewicht von jedem zusätzlichen Wellenaufbau zu erzielen, wobei das restliche Kompressionsdruckverhältnis dem Kompressor (10) des einzelnen Antriebswellenaufbaus zugeordnet ist; und

der Rekuperator (50) Wärme von einem Abgas von hoher Temperatur der Turbine (10) des einzelnen Antriebswellenaufbaus zurückgewinnt, um eine Einlassluft bzw. Zuluft des Combustors mit dem höchsten Druck von jedem zusätzlichen Wellenaufbau vorzuheizen.

13. System nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem die Turbine (130) des zumindest einen zusätzlichen Wellenaufbaus aufgebaut und ausgelegt ist, um eine Einlasstemperatur aufzuweisen, die niedriger ist als eine Einlasstemperatur der Turbine (30) des einzelnen Antriebswellenaufbaus.

14. System nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem eine Mehrzahl von zusätzlichen Wellenaufbauten vorgesehen sind, so dass der einzelne Antriebswellenaufbau, die Mehrzahl von zusätzlichen Wellenaufbauten und der Rekuperator (50) verbunden bzw. geschaltet sind, um einen thermischen Kreislauf mit einer Luft- und Gasbahn zu definieren, die durch den Kompressor (10) des einzelnen Antriebswellenaufbaus, durch den Zwischenkühler (40, 140) und den Kompressor (110, 210) von jedem zusätzlichen Wellenaufbau der Mehrzahl von zusätzlichen Wellenaufbauten in einer ersten vorbestimmten geordneten Sequenz verläuft, die durch den Rekuperator (50), durch den Combustor (220, 120) und eine Expansionsturbine (230, 130) von jedem zusätzlichen Wellenaufbau der Mehrzahl der zusätzlichen Wellenaufbauten in einer zweiten vorbestimmten geordneten Sequenz verläuft und die durch den Combustor (20) und die Expansionsturbine (30) des einzelnen Antriebswellenaufbaus verläuft und die schließlich durch den Rekuperator (50) zu dem Abgaskamin auslässt, wobei der Kompressor (110, 210) von jedem zusätzlichen Wellenaufbau aufgebaut und ausgelegt ist, um ein Kompressions- bzw. Druckverhältnis aufzuweisen, das größer ist als ein Kompressions- bzw. Druckverhältnis der zusammenwirkenden Expansionsturbine (230, 130), um den Kompressor (10) des einzelnen Antriebswellenaufbaus noch mehr von einem Druck zu entlasten.

15. System nach Anspruch 14, bei dem der thermische Kreislauf so beschaffen ist, dass:

eine Einlasstemperatur der Turbine mit dem höchsten Druck eines zusätzlichen Wellenaufbaus der Mehrzahl von zusätzlichen Wellenaufbauten die niedrigste Einlasstemperatur von sämtlichen der Turbinen in dem System ist;

sämtliche der Turbinen der Mehrzahl von zusätzlichen Wellenaufbauten im Wesentlichen gleiche Einlasstemperaturen aufweisen;

eine Einlasstemperatur der Turbine (30) mit dem niedrigsten Druck des einzelnen Antriebswellenaufbaus die höchste Einlasstemperatur von sämtlichen der Turbinen in dem System ist;

Expansionsdruckverhältnisse der Turbinen in dem System im Wesentlichen gleichmäßig unter den Turbinen der Mehrzahl von zusätzlichen Wellenaufbauten aufgeteilt sind, wobei das größte Expansionsdruckverhältnis des Systems der Turbine (30) mit dem niedrigsten Druck des einzelnen Antriebswellenaufbaus zugeordnet ist;

ein Gesamtkompressionsdruckverhältnis der Kompressoren in dem System unter den Kompressoren der Mehrzahl von zusätzlichen Wellenaufbauten aufgeteilt ist, um ein Leistungsgleichgewicht von jedem zusätzlichen Wellenaufbau der Mehrzahl von zusätzlichen Wellenaufbauten zu erzielen, wobei das restliche Kompressionsdruckverhältnis dem Kompressor (10) des einzelnen Antriebswellenaufbaus zugeordnet ist; und

der Rekuperator (50) Wärme von einem Abgas mit hoher Temperatur der Turbine (30) des einzelnen Antriebswellenaufbaus zurückgewinnt, um eine Einlassluft bzw. Zuluft des Combustors mit dem höchsten Druck der zusätzlichen Wellenaufbauten vorzuheizen.

16. System nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei das System nur einen Stromgenerator (60) beinhaltet, bei dem es sich um den Stromgenerator (60) des einzelnen Antriebswellenaufbaus handelt.

17. Verfahren zum Bereitstellen eines Stromerzeugungssystems einschließlich eines Stromgenerators (60) durch Modifizieren eines konventionellen Antriebswellenaufbaus, der einen Kompressor (10), eine Expansionsturbine (30), einen Combustor (20), der die Expansionsturbine (30) versorgt, und Mittel aufweist, um die Expansionsturbine (30) anzukoppeln, um den Kompressor (10) und den Stromgenerator (60) anzutreiben, mit den folgenden Schritten:

es wird zumindest ein zusätzlicher Wellenaufbau bereitgestellt, wobei der zumindest eine zusätzliche Wellenaufbau jeweils einen Kompressor (110), einen Zwischenkühler (40), der dem Kompressor (110) gekühlte Luft zuführt, eine Industrie-Expansionsturbine (130), einen Combustor (120), der die Expansionsturbine (130) versorgt, und Mittel aufweist, um die Expansionsturbine (130) dieses zusätzlichen Wellenaufbaus anzukoppeln, um den Kompressor (110) dieses zusätzlichen Wellenaufbaus anzutreiben;

es wird ein Wärmerekuperator bzw. Wärmetauscher bereitgestellt; und

es werden der konventionelle Antriebswellenaufbau, der zumindest eine zusätzliche Wellenaufbau und der Rekuperator (50) verbunden, um die Luft- und Gasbahn des konventionellen Antriebswellenaufbaus so zu modifizieren, dass die modifizierte Luft- und Gasbahn durch den Kompressor (10) des konventionellen Antriebswellenaufbaus, durch den Zwischenkühler (40) und den Kompressor (110) von jedem der zumindest einen zusätzlichen Wellenaufbauten in einer ersten vorbestimmten geordneten Sequenz läuft, durch den Wärmerekuperator (50), durch den Combustor (120) und die Industrie- Expansionsturbine (130) von jedem der zumindest einen zusätzlichen Wellenaufbauten in einer zweiten vorbestimmten geordneten Sequenz läuft, sowie durch den Combustor (20) und die Expansionsturbine (30) des konventionellen Antriebswellenaufbaus läuft;

wobei ankommende Luft abwechselnd verdichtet und gekühlt wird, wenn sie durch die Kompressoren (10, 110) des Antriebswellenaufbaus und der zusätzlichen Wellenaufbauten strömt, in dem Wärmerekuperator (50) erwärmt wird und sein Verbrennungsproduktgas abwechselnd erwärmt und expandiert wird, wenn es durch die Combustoren (120, 20) und die Expansionsturbinen (130, 30) der zusätzlichen Wellenaufbauten und des Antriebswellenaufbaus strömt, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressor (110) des zumindest einen zusätzlichen Wellenaufbaus ein Kompressions- bzw. Druckverhältnis aufweist, das größer ist als ein Kompressions- bzw. Druckverhältnis der Expansionsturbine (130) des zumindest einen zusätzlichen Wellenaufbaus.

18. Verfahren nach Anspruch 17, mit dem weiteren Schritt, dass der Kompressor (10) des konventionellen Antriebswellenaufbaus modifiziert wird, um dessen Kompressions- bzw. Druckverhältnis zu reduzieren.

19. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem der Schritt des Modifizierens des Kompressors (10) des konventionellen Antriebswellenaufbaus den Schritt eines Entfernens der Schaufeln von zumindest einer Stufe des Kompressors (10) des Antriebswellenaufbaus umfasst.

20. Verfahren nach Anspruch 17 oder Anspruch 18, weiterhin umfassend den Schritt eines Umleitens von Abgas von der Expansionsturbine (30) des konventionellen Antriebswellenaufbaus, um eine Wärmequelle für den Wärmerekuperator (50) bereitzustellen.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, mit den weiteren Schritten:

es wird ein Wassersättiger (170, 70) bereitgestellt; und

es wird der Wassersättiger (170, 70) zwischen den Wärmerekuperator (50) und den Kompressor des zumindest einen zusätzlichen Wellenaufbaus geschaltet, welcher der letzte der ersten vorbestimmten geordneten Sequenz ist.

22. Verfahren nach Anspruch 21, mit dem weiteren Schritt, dass das Wasser, das von dem Wassersättiger (170, 70) bereitgestellt wird, erwärmt wird.

23. Verfahren nach Anspruch 22, bei dem der Erwärmungsschritt Wärme verwendet, die von einem Abgas der Expansionsturbine (30) des konventionellen Antriebswellenaufbaus und von den Zwischenkühlern (40, 140) gewonnen wird.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, mit den weiteren Schritten:

es wird ein Nachkühler (240) bereitgestellt; und

der Nachkühler (240) wird zwischen den Wassersättiger (170, 70) und den Kompressor des zumindest einen zusätzlichen Wellenaufbaus geschaltet, welcher der letzte der ersten vorbestimmten geordneten Sequenz ist.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 24, mit dem weiteren Schritt, dass zumindest einer der Combustoren der zusätzlichen Wellenaufbauten und des Antriebswellenaufbaus mit Dampf versorgt wird.

26. Verfahren nach Anspruch 25, bei dem der Schritt zum Versorgen mit Dampf Wärme verwendet, die von einem Abgas der Expansionsturbine (30) des konventionellen Antriebswellenaufbaus gewonnen wird.