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Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine
Die Erfindung bezieht sich auf ein verbessertes Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine mit unmittelbarer Verbrennung hinter der Turbine bzw. mit einem offenen inversen Kreislauf. Die Erfindung zielt darauf ab, dass in diesen Systemen von Gasturbinen bei einem vollauf geeigneten Treibmittel möglichst kleine Ausmasse und geringes Gewicht sowie eine kompakte Ausführung des Erhitzers des Treibmittels erreicht werden.
Der Vorteil der kleinen Ausmasse und des geringen Gewichtes bleibt bisher den Gasturbinen mit unmittelbarer Verbrennung vor der Turbine vorbehalten. Das Treibmittel bilden hier die aus einer Brennkammer in die Turbine zugeführten Verbrennungsprodukte. Bei Verwendung von schweren flüssigen Brennstoffen oder festen, insbesondere aschehaltigen Brennstoffen, tritt bei diesen Systemen ein technisch schwer in zufriedenstellender Weise lösbares Problem der Erosion, Verstopfung oder auch der Korrosion von aktiven Teilen der Turbine als Folge unvollständiger Reinheit bzw. auch chemischer Aggressivität des Treibmittels auf.
Gasturbinen mit Verbrennung hinter der Turbine sind in der Hinsicht vorteilhafter, dass sie die Möglichkeit einer Erosion, Korrosion oder Verstopfung der aktiven Teile der Turbine vollkommen ausschlie- ssen. Es sind dies eigentlich Luftturbinen, die jedoch die Vorteile eines offenen Kreislaufes besitzen, wobei sich diese Vorteile insbesondere dann geltend machen, wenn es sich um Einheiten von kleiner oder mittlerer Leistung handelt.
Demgegenüber besteht aber bei den bekannten Turbinenanlagen mit einer Verbrennungskammer hinter der Turbine der Nachteil in den grösserenAusmassen und im grösseren Gewicht der Hochtemperaturerhitzer im Vergleich mit Brennkammern für äquivalente Einheiten mit der Verbrennung vor der Turbine, denn die verhältnismässig niedrige Wärmeübergangszahl sowohl an der Seite der Verbrennungsprodukte als auch an der Seite der Luft erfordert grosse Wärmeaustauschflächen. Ausserdem kommt es bei den bestehenden Typen. von Hochtemperatur-Rekuperationserhitzem bei Verwendung von Staubkohle noch zu einer Verstopfung der Heizfläche an der Seite der Verbrennungsprodukte durch Flugasche. Dies führt zu einer weiteren Senkung der Wärmedurchgangszahl und dadurch notwendigerweise auch zu einer weiteren Vergrösserung der Ausmasse des Erhitzers.
Die oben erwähnten Nachteile der beiden besagten Systeme können durch das erfindungsgemässe Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine beseitigt werden, welches nicht nur die Forderung nach einem völlig einwandfreien Treibmittel, sondern auch die Bedingung, wesentlich kleinere Gesamtausmasse und kleineres Gewicht sowie auch eine vorteilhafte Ausführung des Erhitzers für das Treibmittel zu erzielen, erfüllt.
Das erfindungsgemässe Verfahren kennzeichnet sich dabei dadurch, dass die Wärmemenge zur Gänze in das Treibmittel durch ein in einem geschlossenen Kreislauf zwischen zwei Wärmeaustauschern zirkulierendes Wärmeübertragungsmittel, insbesondere durch ein flüssiges Metall oder Salz, zugeführt wird, wobei in dem einen hinter der Turbine eingeschalteten Wärmeaustauscher der als Brennkammer ausgebildet ist bzw. die Brennkammer enthält, das Wärmeübertragungsmittel durch die Verbrennungsgase erhitzt wird, um diese Wärme in dem andern, vor der Turbine angeordneten Wärmeaustauscher an das Treibmitteil abzugeben.
Die Vorteile des erfindungsgemässen Verfahrens werden im weiteren an Hand des Beispieles einer prinzipiellen Anordnung gemäss der in der Zeichnung veranschaulichten schematischen Darstellung eingehend erläutert.
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Das Aggregat besteht aus einer Turbine 5, einem Turbokompressor 6 und einem elektrischen Generator 7 als Nutzleistungsverbraucher. Die Turbine 5 wird in einem offenen Kreislauf durch Luft angetrie- ben, die nach derKompression im Kompressor 6 auf die Admissionstemperatur der Turbine 5 mittels eines Hochtemperatur-Rekuperationserhitzers erwärmt wird.
Erfindungsgemäss besteht der Hochtemperatur-Rekuperationserhitzer aus einem Wärmeaustauschabschnitt 1 für die Verbrennungsprodukte und einem Wärmeaustauschabschnitt 2 für das Treibmittel-Luft.
Die Wärme wird mittels eines geeigneten flüssigen Metalles oder eines geeigneten geschmolzenen Salzes aus dem Abschnitt 1 für Verbrennungsprodukte in das komprimierte Treibmittel - Luft - überführt. Von Metallen kann zu diesem Zweck unter anderem Natrium oder Eutektikum 56 Na/44K verwendet werden, die durch eine Pumpe 4 in einem geschlossenen wärmetragendenKreislauf 3 zwischen den beiden Wärmeaustauschabschnitten l'und 2 befördert werden.
Der Abschnitt 1 für die Verbrennungsprodukte wird durch eine geeignete Type einer Hochleistungbrennkammer, z. B. einen annuloidförmigen Feuerherd, gebildet, in welchen von der Turbine 5 die erforderliche Menge von Verbrennungsluft zugeführt wird. Der besagte Feuerherd kann vorzugsweise als mehrgliedrige Anlage gestaltet sein, d. h. eine Anlage, die einerseits durch den eigentlichen Verbrennungsraum, anderseits durch einen turbulenten Kühlraum gebildet wird, die durch das im geschlossenen wärmetragenden Kreislauf 3 zirkulierende flüssige Metall gekühlt werden.
Diese Anordnung führt zu einer vollkommenen Beherrschung der höchsten, sonst unerreichbaren Wärmeflüsse durch die Wände der Brennkammer bei Erhaltung der üblichen hydraulischen Widerstände an der Seite der Verbrennungsprodukte und bei einer minimalen Wärmeaustauschfläche des Abschnittes 1.
Die abgekühlten Verbrennungsprodukte aus dem Abschnitt 1 sowie die aus der Turbine expandierte Luft gehen entweder in die Atmosphäre ab oder dienen zur Trocknung des Brennstoffes im Mahlkreislauf und zu andern Zwecken oder werden bei Dampfgasanlagen in die Feuerung eines gekuppelten Dampferzeugers eingeführt.
Bei einer Gasturbine mit indirekter Verbrennung, bei der als Wärmequelle unter anderem Verbren- nungsprodukte aus Industrieöfen oder Verbrennungsprodukte aus der Feuerung eines Dampferzeugers u. dgl. dienen, wird der Wärmeaustauschabschnitt 1 für die Verbrennungsprodukte durch einen Oberflächenaustauscher gebildet, der in der Regel aus hitzebeständigen, z. B. Pyroferalrohren von Ideinem Durchmesser an der Seite der Verbrennungsprodukte mit einer geeignet vergrösserten aktiven Oberfläche besteht.
Das erwärmte flüssige Metall gelangt aus dem Wärmeaustauschabschnitt l für die Verbrennungsprodukte in den Wärmeaustauschabschnitt 2 für das Treibmittel-Luft-, welcher zwischen dem Kompressor 6 und der Turbine 5 angebracht ist. Hier gibt das Metall den erforderlichen Teil seiner physikalischen W är- me an die komprimierte reine Luft ab, welche in dem aktiven Teil des Abschnittes 2 durch Kanäle hindurchfliesst, die ihrer Ordnung nach etwa dieselbe lichte Weite aufweisen, wie bei den bestehenden umlaufenden Regenerationsaustauschern für Gasturbinen mit unmittelbarer Verbrennung vor der Turbine. Der Wärmeaustauschabschnitt 2 erfüllt, wie ersichtlich, für das Treibmittel der Turbine 5 die Aufgabe der bisherigen Brennkammer.
Die Luftkanäle des aktiven Teiles des Wärmeaustauschabschnittes 2 werden beim Betrieb der Turbine 5 von dem durch besondere Kanäle fliessenden flüssigen Metall intensiv erhitzt. Diese Kanäle sind in dem wirksamen Teil des Abschnittes 2 entsprechend angeordnet, u. zw. so, dass eine direkte Berührung zwischen dem flüssigen Metall und dem Treibmittel ausgeschlossen ist. Dadurch wird ein hoher Wirkungsgrad des Wärmeaustauschers, eine gleichmässige Verteilung desWärmefeldes am Austritt des Luftabschnittes 2 und Betriebssicherheit gewährleistet. Für denselben Durchfluss und dieselbe Temperatursteigerung sind im Vergleich zu den bisherigen Hochtemperaturerhitzern die Ausmasse des Wärmeaustauschabschnittes für die Luft wesentlich kleiner, bei Aufrechterhaltung der üblichen Druckverluste an der Seite der Luft.
Der aktive Teil des Luftabschnittes 2 ist in einem Druckgefäss verschlossen und daher keiner Druckbeanspruchung ausgesetzt. Im Gegensatz zu den umlaufenden Regenerationsaustauschern für Gasturbinen mit unmittelbarer Verbrennung vor der Turbine kommt es beim Betrieb der erfindungsgemässen Gasturbine weder zu einer Verstopfung der Luftkanäle noch zu Luftverlusten im Auspuff.
In dem geschlossenen wärmetragenden Kreislauf 3, z. B. Natriumkreislauf, ist eine bekannte SammelKompensationskammer für das flüssige Metall eingebaut (nicht eingezeichnet), die durch geeignete Schliessorgane betätigt wird und unter anderem beim Abstellen der Turbine als Vorratsbehälter und beim Anlaufen als Schmelzkammer dient. Die Sammel-Kompensationskammer kann beim Anlaufen der Turbine durch einen selbständigen Anlassbrenner (nicht eingezeichnet) für flüssigen Brennstoff erwärmt werden, wodurch ein rasches Anlaufen der Einheit ohne Gefahr einer Störung infolge örtlicher Überhitzung der am meisten wärmebeanspruchten Teile gewährleistet wird.
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Der beschriebene Hochtemperatur-Rekuperationserhitzer, dessen Konzeption, wie ersichtlich, sich von den Konzeptionen der bisherigen mit geschmolzenen Metallen arbeitenden Wärmeaustauschern grundsätzlich unterscheidet und sich somit im Vergleich mit den bekannten Rekuperations-Wärmeaustauschern mit flüssigen Metallen bei Gasturbinen mit unmittelbarer Verbrennung vor der Turbine einesteils durch ein neues Betriebsverfahren, andernteils durch spezielle Anordnung auszeichnet, ist wegen seiner kleinen Ausmasse und geringen Gewichtes, langer Lebensdauer und verhältnismässig niedriger Erhaltungskosten vor- teilhaft.
Er zeichnet sich auch durch die Fähigkeit einer differentialen Wärmeregelung durch Änderung des Durchflusses des geschmolzenen Metalles aus, was einen konstanten Wärmewirkungsgrad des Erhitzers unabhängig von der Belastung zur Folge hat.
Der Erfindung liegt daher ein gänzlich anderes Verfahren zu Grunde wie dem bisher z. B. aus den brit. Patentschriften Nr. 578, 686, 724, 176, 732, 778, 733, 476 und 733, 483 bekanntgewordenen, mit flüssigen Metallen arbeitenden Gasturbinen.
Das erfindungsgemässe Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine hat einen weiten Anwendungsbereich und kann vorteilhafterweise auch bei Gasturbinen mit unmittelbarer Verbrennung hinter der mit Zwischen- überhitzung versehenen Turbine Anwendung finden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine mit unmittelbarer Verbrennung hinter der Turbine bzw. mit einem offenen inversen Kreislauf, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmemenge zur Gänze in das Treibmittel durch ein in einem geschlossenen Kreislauf (3) zwischen zwei Wärmeaustauschern (1, 2) zirkulierendes Wärmeübertragungsmittel, insbesondere durch ein flüssiges Metall oder Salz, zugeführt wird, wobei in dem einen hinter der Turbine (5) eingeschalteten Wärmeaustauscher (1), der als Brennkammer ausgebildet ist bzw. die Brennkammer enthält, das Wärmeübertragungsmittel durch die Verbrennungsgase erhitzt wird, um diese Wärme in dem andern, vor der Turbine angeordneten Wärmeaustauscher (2) an das Treibmittel abzugeben.
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