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Gasturbinenaggregat
Die Erfindung bezieht sich auf ein Gasturbinenaggregat. Bei der Bewetterung von Kohlengruben werden grosse Mengen Luft mit einem kleinen Gehalt von Grubengas (Methan) abgesaugt. Aus Sicherheitsgründen wird in der aus den Gruben abgesaugten Luft die Methankonzentration im Bereich von 0, 6 bis l% gehalten.
Theoretisch ist für die Ausnutzung des Grubengases die Anwendung von Gasturbinen sehr vorteilhaft. Es ist aber mit grossen Schwierigkeiten verbunden, die gesamte Methanmenge auszunutzen, die in der aus den Gruben abgesaugten Luft enthalten ist, obwohl in dieser Luft 50-100% des für den Normalbetrieb der Gasturbine benötigten Brennstoffes (Methan) enthalten sein kann.
Auch unter der Voraussetzung, dass die gesamte Menge des Arbeitsmediums der Garsturbine das LuftMethangemisch ist, dass aus dem Kohlengruben abgesaugt wird, ermöglichen die Gasturbinenbrennkammern normaler Konstruktion nicht die volle Ausnutzung des Methangehaltes. In den eigentlichen Brennraum, in dem die Verbrennung des Luft-Methangemisches stattfindet, gelangt nämlich nur etwa 30% der gesamten Luftmenge, wogegen die restliche Luft den Brennraum umströmt und sich mit den heissen Ver- brennungsprodukten erst am Ende der Brennkammer vermischt, wo bei einer verhältnismässig niedrigen Temperatur (600-8000C) das in kleiner Konzentration in der Luft enthaltene Methan nicht mehr verbrennt.
Die Ausnutzung des Methans in der Gasturbine wäre so verhältnismässig klein. Zum Beispiel bei einer Gasturbine, die mit einer Temperatur von 6750C vor der Turbine arbeitet und einen gesamten Wärmewirkungsgrad von 16, 210 (ohne Regeneration) beim Ansaugen reiner Luft hat, würde sich der Wirkungsgrad auf 19, llo beim Ansaugen einer Luft mit einem Gehalt von 1 Val. -0/0 Methan vergrössern. Dies bedeutet eine Verminderung des erforderlichen Brennstoffes nur um 15% der ursprünglichen Gesamtmenge.
Bei Anwendung spezieller Brennkammern mit keramischer Ausmauerung ist es möglich, eine höhere Ausnützung des in der Grubenluft enthaltenen Methans zu erreichen. Diese Brennkammern besitzen aber eine Reihe von nachteiligen Eigenschaften vom Standpunkt der Regelung, der Sicherheit des Turbinenbetriebes usw.
In dem oben angeführten Beispiel einer Gasturbine werden für ihren Betrieb insgesamt 2, 03 Vol.-% Methan benötigt, bezogen auf die Gesamtmenge der angesaugten Luft. Bei einem Gehalt von 1 Vol.-% Methan in der angesaugten Luft würde seine hundertprozentige Ausnützung eine fünfzigprozentige Ersparnis der ursprünglich benötigten Brennstoffmenge bringen. Mit Erhöhung des zulässigen Methangehaltes in der Grubenluft (bei seiner hundertprozentigen Ausnützung) wäre es möglich, die Menge des erforderlichen zusätzlichen Brennstoffes weiter zu vermindern.
Es wurde bereits vorgeschlagen, zur einwandfreien Verbrennung der gesamten Luftgemische, insbesondere mit Methan, die Brennkammer durch einen katalytischen Reaktor zu ersetzen. Doch hat sich gezeigt, dass diese Anlagen sehr schwer in Gang zu bringen sind, weil sie eine sehr hohe Gastemperatur erfordern. Die Erfindung sieht nun vor, dass vor dem katalytischen Reaktor eine Hilfsbrennkammer vorgeschaltet ist. Mit dieser Hilfsbrennkammer kann nun für das Anfahren oder aber für die ganze Betriebsdauer mit zusätzlichem Brennstoff die Gasmischung erheblich vorgewärmt werden. Gemäss einem besonderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist parallel zur Hilfsbrennkammer ein regenerativer Wärmeaustauscher angeordnet. Durch diesen kann die Hilfsbrennkammer nach dem Anfahren des Aggregates abgeschaltet werden.
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Im folgenden sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Die Fig. 1 und 2 zeigen Schemaschaltbilder der Anordnungen.
Wie in Fig. l veranschaulicht, wird die Luft mit einem kleinen Gehalt von Methan bzw. auch andern brennbaren Gasen oder ihren Mischungen durch den Verdichter 2 über den Filter 1 angesaugt. Nach ihrer Verdichtung im Verdichter 2 strömt sie durch einen regenerativen Wärmeaustauscher 4, wo sie durch Abgase aus der Turbine 6 auf die zur katalytischen Reaktion benötigte Temperatur erhitzt wird.
Aus dem Wärmeaustauscher 4 strömt die Luft dann durch einen katalytischen Reaktor 5, wo die brenn baren Gase unter Einfluss eines geeigneten Katalysators verbrennen. Dadurch erhöht sich die Temperatur auf den zur Expansion in der Turbine 6 benötigten Wert. Nach Expansion in der Turbine 6 strömt das Arbeitsmittel (praktisch heisse Luft) über den Wärmeaustauscher 4 in den Auspuff 10 und so in die Atmosphäre. Die Turbine 6 treibt einen elektrischen Generator 7 mit dem Erreger 8 bzw. andere Maschinen wie Verdichter, Pumpen usw. an. Das Anfahren der Gasturbine erfolgt mit einem Anfahrmotor 9.
Für die Lufterhitzung zum Anfahren ist parallel mit dem Wärmeaustauscher 4 eine Hilfsbrennkammer 3 angeordnet. Die Menge des der Hilfsbrennkammer 3 zugeführten zusätzlichen Brennstoffes wird von einem Regelorgan 12 gesteuert. Ein Regelorgan 11 ermöglicht das Ansaugen reiner Luft zu der mit dem Methan vermischten Grubenluft und somit die Änderung des Methangehaltes im Arbeitsmittel vor dessen Ansaugen durch den Kreisprozessverdichter 2 und damit auch die Regelung bzw. Temperaturbegrenzung des Arbeitsmittels vor der Gasturbine.
In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Gasturbine ohne Regeneration schematisch dargestellt. Die Funktion der Gasturbine ist analog wie in Fig. 1. Die Luft wird aber dauernd auch während des Betriebes vor Eintritt in den katalytischen Reaktor durch eine Hilfsbrennkammer 3 vorgewärmt. Diese Hilfsbrennkammer 3 dient auch zum Anfahren des Aggregates. Die Bezeichnungen und die Funktionen der einzelnen Teilelemente sind analog wie in Fig. 1..
Die Lösung nach Fig. 1 ermöglicht den Betrieb der Gasturbine ohne zusätzlichen Brennstoff auch bei kleinerem Methangehalt in der abgesaugten Luft, sie ist aber sowohl in Konstruktion als auch in Disposition komplizierter. Die Ausführung nach Fig. 2 ist einfacher, setzt aber immer eine bestimmte Menge zusätzlichen Brennstoffes voraus.
Die Erfindung ist nicht auf die angeführten Beispiele der Anordnung von Kreisprozessen mit Gasturbinen beschränkt ; sie kann auch bei verschiedenen sehr komplizierten Kreisprozessen Anwendung finden.
Für die Regelung des zusätzlichen Brennstoffes kann das Aggregat mit gebräuchlichen Regelorganen (ein vom Servomotor gesteuertes Regelventil) ausgestattet sein. Zur Regelung des Methangehaltes im Arbeitsmittel wird reine Luft der abgesaugten Grubenluft mit Methangehalt auf der Saugseite des Kreisprozessverdichters der Gasturbine zugesetzt. In beiden Fällen kann man die Regelung automatisch mit Hilfe von gebräuchlichen Regelelementen steuern.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Gasturbinenaggregat für die Verbrennung von armen Gemischen aus Luft und brennbaren Gasen, insbesondere Methan, in welchem Aggregat die Brennkammer durch einen katalytischen Reaktor ersetzt
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