Gasturbinenanlage. Eine Gasturbinenanlage kann grundsätz lich nach dem offenen oder nach dem ge schlossenen Prinzip arbeiten.
Bei der offenen Anordnung wird die Arbeitsluft aus der Atmosphäre angesaugt, im Kompressor verdichtet und in die Brenn- kammer geführt, wo die Erwärmung statt findet. Die heissen Gase gelangen in die Tur bine zur Entspannung und werden von hier in die Atmosphäre abgelassen.
Beim geschlossenen Prozess wird das Ar beitsgas, das meistens reine Luft ist, ver dichtet und in den Erhitzer gedrückt, wo es durch Heizflächen erwärmt wird. Dann wird es in der Turbine entspannt und, vor dem Wiedereintritt in den Verdichter, mit Was ser gekühlt. Der geschlossene Kreisprozess braucht bekanntlich grosse Kühlflächen und grosse Kühlwassermengen.
Der wesentlichste Vorteil des offenen Prozesses ist, dass er weder Heiz- noch Kühl flächen, noch Kühlmittel braucht, während beim geschlossenen Prozess feste Brennstoffe verwendet werden können und die Arbeits luft durch die Verbrennungsrückstände nicht verschmutzt werden kann.
Beim geschlossenen Prozess besteht die Möglichkeit der Gleitdruckregelung. Bei der Gleitdruekregelung wird die Temperatur vor der Turbine bei allen Belastungen konstant gehalten, und man lässt die umlaufende Menge und dadurch den sogenannten Druck pegel schwanken, indem z. B. durch einen Zusatzverdichter oder aus einem Druckbehäl- ter bei zunehmender Belastung mehr Luft in den Kreislauf hineingepumpt und bei abneh mender Belastung Luft abgelassen wird.
Abgesehen von diesem Zusatzverdichter weist also sowohl beim offenen wie beim geschlossenen Prozess die Anlage einen Ver dichter, eine Turbine und einen Generator auf, der die Nutzleistung abgibt. Diese drei Maschinen sitzen im Prinzip auf einer Welle und laufen bei Drehstromerzeugung zwangs weise bei einer konstanten Drehzahl, so dass auch das Druckverhältnis und bei einer gege benen Temperatur vor der Turbine das thermische Gefälle bestimmt ist. Nutzgefälle mal Menge gibt die Nutzleistung.
Da bei Druckpegelsteigerung die sekund lich umlaufende Menge zunimmt, hat man die Möglichkeit, aus einer Maschine von ge gebener Abmessung der Druckpegelzunahme proportional mehr Leistung zu bekommen, oder bei gegebener Leistung die Abmessungen der Maschine zu verringern.
Aus dem Gesagten geht hervor, dass sowohl der offene als der geschlossene Prozess ge wisse Vorteile hat, die dem andern abgehen. Es sind aber auch verschiedene Kombina tionen vom offenen mit dem geschlossenen Prozess bekannt geworden, welche jede einen Teil der Vorteile zu verwirklichen gestattet. So ist eine Kombination bekannt, bei welcher ein Teil des Arbeitsmittels einen Kreislauf beschreibt,
wobei die Wärme über Heiz und Kühlflächen zu- und abgeführt wird, so dass in diesem Teil nur reine Luft um- läuft. Der Druckpegel im ganzen System ist höher als der Atmosphärendruck, also auch am Austritt der Turbine, so dass ein Teil der Abluft abgezapft und als Brennluft in die Feuerung des Gaserhitzers gesandt werden kann.
Die Abgase aus der Über- druckfeuerung gelangen in die Zusatzturbine, die den Zusatzverdichter antreibt und im Be harrungszustand dem Kreislauf so viel Frischluft zuführt, als für die Verbrennung angezapft wurde. Diese Ladegruppe läuft mit variabler Drehzahl und gestattet, den Druckpegel im Kreislauf der augenblick lichen Belastung anzupassen.
Im Gegensatz zur Kreislaufturbine erhält die Ladeturbine keine reine Luft, aber, was wesentlicher ist, man muss bei dieser Anordnung die Wärme mengen durch grosse und teure Flächen zu- resp. abführen.
Eine andere kombinierte Lösung verzich tet auf reine Luft im Kreislauf, hat aber dafür keinen Heizkessel, sondern nur eine einfache und billige Brennkammer. Sie strebt ebenfalls eine Gleitdruckregelung an und hat also auch eine Zusatzladegruppe mit variabler Dreh zahl. Dabei sollen die umlaufenden Gase die Temperatur in der Brennkammer auf den zulässigen Wert herabdrücken. Im Gegensatz zu der obengenannten Lösung wird die eigentliche Verbrennungsluft von der Lade gruppe direkt von aussen angesaugt.
Die ge samten Abgase der Brennkammer treten in die Hauptturbine, die den Kreislaufverdichter und den Nutzgenerator treibt. Am Austritt dieser Turbine wird ein Teil der Abgase, die mit Überdruck austreten, abgezapft und zur Hilfsturbine geführt, die den Brennluftver- dichter antreibt. Bei Belastungszunahme soll mehr Brennstoff in die Brennkammer einge spritzt werden, was eine Drucksteigerung ergibt, die die Nutzturbine und die Lade turbine rascher treiben sollen.
Es treten gegenüber dieser Anordnung einige Bedenken auf. Erstens ist es fraglich, ob selbst im Beharrungszustande die Lade- turbine mit ihrem gegenüber dem Ladever dichter kleinen Druckgefälle in der Lage ist, die nötige Antriebsleistung zu liefern.
Zwei- tens ist zu befürchten, dass beim Belastungs- stoss die verfügbare Brennluftmenge zu einer vollkommenen Verbrennung nicht ausreicht, und drittens ist die Gefahr gross, dass bei der Drucksteigerung in der Brennkammer die Verdiehter, die vorläufig noch nicht beschleu nigt wurden, nicht in der Lage sind, gegen diese Drucksteigerung aufzukommen, und pumpen werden.
Im Falle die Anlage Dreh strom liefern soll, darf die Hauptgruppe überhaupt nicht beschleunigt werden, was ebenfalls im Widerspruch mit der Regelung steht. Unter Umständen bekommt man von der Nutzturbine wohl mehr Leistung, ohne dass sich die Ladeturbine beschleunigt und entsprechend dem Brennstoff mehr Verbren nungsluft liefert. Die Folge ist ein Steigen der Temperatur vor der Hauptturbine, oder also ein Sinken der Temperatur bei Teil lasten, was auf Kosten des Teillastwirkungs- grades geht und zu vermeiden ist.
Die Erfindung betrifft eine Gasturbinen anlage, die die oben erwähnten Nachteile ver meidet. Diese Gasturbinenanlage weist eine mit Leistungsregler versehene Nutzleistungs- gasturbine mit von ihr gleichzeitig angetrie benem Verdichter mit im Kreislauf geführtem Treibmittel und eine Ladegruppe mit Gas turbine und Verdichter zur Lieferung der Verbrennungsluft und Anpassung des Druck pegels im Kreislauf an die Belastung auf,
wobei im Beharrungszustand das Treibgas der Turbine der Ladegruppe aus einer ge meinschaftlichen Hauptbrennkammer vor der Nutzleistungsturbine entnommen wird. Ge mäss der Erfindung ist eine kleinere Zusatz-. brennkammer vorhanden, mittels welcher bei Belastungszunahme eine Zusatzgasmenge der Turbine der Ladegruppe zugeführt wird, während bei Entlastung der Gasstrom zu dieser Turbine gedrosselt und der Überschuss ins Freie abgelassen wird.
Man ist dabei von der Überlegung aus gegangen, dass zuerst und rasch die nötige Verbrennungsluft zu beschaffen ist, um bei guter Verbrennung der Hauptgruppe mehr Energie zuführen zu können. Es ist aber widersinnig, in diesem Augenblick, wo von aussen schon mehr Energie verlangt wird, als die Hauptbrennkammer liefert, die Haupt gruppe noch mehr zu belasten, um die Ladegruppe: elektrisch zu beschleunigen, oder ihr Treibgas zu entziehen, um es der Ladegruppe zuzuführen.
Aus diesem Grunde wird eine kleinere Zusatzbrennkammer ange ordnet, die in der Lage ist, nur für die Ladegruppe in diesem Augenblick die Mehr energie durch Zusatzbrennstoff zu liefern. Damit die Verbrennungsluft für die Zusatz- brennkammer sofort zur Verfügung steht, wird sie mit Vorteil einem Druckluftbehälter entnommen. Um die @ Luftmenge klein zu halten und doch das nötige Volumen und die zulässige Temperatur zu halten,
wird mit Vorteil zugleich Wasser eingespritzt.
An Hand der schematisch gehaltenen Zeichnung sei die Erfindung in einer bei spielsweisen Ausführungsform näher er läutert.
Die Brennkammer a, die Hauptturbine b, der Verdichter c, der Kühler d; der Rekupe- rator e und der Generator f bilden die Haupt teile eines Kreislaufes. Dazu kommt die Lade gruppe b', c', die die Verbrennungsluft aus der Atmosphäre ansaugt und sie in die Brenn kammer a drückt. Die Verbrennungsgase mischen sich in der Brennkammer mit den verhältnismässig kalten Umlaufgasen.
Letz tere drücken die Temperatur auf das zu lässige Mass herab. Kommt ein Belastungs stoss, so öffnet der Geschwindigkeitsregler k der Dreifachventil i, so dass in die Zusatz- brennkammer a' Brennstoff und aus dem Druckbehälter g Luft und Wasser einge spritzt werden, was eine Druck- und Mengen steigerung bewirkt. Wie in der Figur ange deutet, kann mit Vorteil dasselbe Gefäss unten das Wasser und oben die Druckluft enthalten.
Ein durch Schwimmer und Druck regler gesteuerter Antriebsmotor h einer Pumpe und eines Gebläses sorgen dafür, dass das Gefäss immer geladen ist. Eine Rück schlagklappe p ist so gebaut, dass eine Druck steigerung in der Brennkammer a' möglich ist, ohne dass diese sich rückwärts auf die Hauptbrennkammer überträgt. Im ersten Moment des !Regelvorganges steigt der Gegen druck des Ladeverdichters c' kaum merklich, weil die Hauptturbine b das Mehrvolumen der Stauung leicht schluckt, so dass ein Pum pen nicht zu befürchten ist.
Da wegen der Zunahme der vom Ladeverdichter geförder ten Verbrennungsluft die Temperatur am Austritt aus der Brennkammer a die Tendenz hat, zu sinken, wird der Thermostat Z das Brennstoffventil m entsprechend öffnen und so die Temperatur konstant halten. Ist die Nutzleistung gesteigert, so wird das Ventil i in die Ruhestellung gehen.
Selbstredend kann schon der Drehzahlregler k die Steigerung der Brennstoffzufuhr zur Hauptbrennkam- mer einleiten; sie soll nur nach Massgabe der von der Ladegruppe gelieferten Brennluft er folgen. Zur Übertragung der Impulse des Geschwindigkeitsreglers und des Thermosta ten kann irgendein Hebelsystem verwendet werden, am vorteilhaftesten jedoch eine JÖl- drucksteuerung.
Tritt eine Entlastung ein, so lässt der Ge schwindigkeitsregler den Druck des Regel drucköls sinken und das Ventil q drosselt den Gaszutritt zur Ladeturbine b' und lässt den Überschuss an Treibgasen, z. B. über den Zusatzrekuperator e', ins Freie ab. Dadurch sinkt der Druckpegel im System, die Tempe ratur am Austritt aus der Brennkammer steigt, so dass Thermostat l die Brennstoff menge drosselt und die Leistung der Nutz turbine wieder bei konstanter Temperatur der neuen Belastung angepasst wird. Das Drosselventil q geht in die Ruhestellung.
a Wird keine besondere Massnahme getrof fen, so steigt die Konzentration der Rück stände in den Abgasen des Kreislaufes im Verhältnis dieser Menge zur Fördermenge des Ladeverdichters. Man wird deshalb mit Vor teil nach bekannter Art an geeigneter Stelle Staubabscheider einbauen; in der Figur z. B. in den Punkten n, vor der Turbine und nach dem Verdichter.
Das Schema wurde möglichst einfach ge zeichnet. Nichts steht im Wege, z. B. die Kompression mit Zwischenkühlung und die Expansion mit Zwischenerhitzung vorzu sehen, um den Wirkungsgrad zu erhöhen.
Gas turbine plant. A gas turbine system can in principle work according to the open or the closed principle.
In the open arrangement, the working air is sucked in from the atmosphere, compressed in the compressor and fed into the combustion chamber, where it is heated. The hot gases are released into the turbine for relaxation and from here they are released into the atmosphere.
In the closed process, the working gas, which is mostly pure air, is compressed and pushed into the heater, where it is heated by heating surfaces. Then it is expanded in the turbine and, before re-entering the compressor, cooled with water. As is well known, the closed cycle process requires large cooling surfaces and large quantities of cooling water.
The main advantage of the open process is that it does not need any heating or cooling surfaces or coolants, while solid fuels can be used in the closed process and the working air cannot be polluted by the combustion residues.
With the closed process there is the possibility of sliding pressure control. With sliding pressure control, the temperature in front of the turbine is kept constant at all loads, and the circulating amount and thus the so-called pressure level can fluctuate by z. B. by an additional compressor or from a pressure vessel when the load increases, more air is pumped into the circuit and air is let out when the load decreases.
Apart from this additional compressor, the system has a compressor, a turbine and a generator that delivers the useful power, both in the open and in the closed process. In principle, these three machines sit on one shaft and, when generating three-phase current, necessarily run at a constant speed, so that the pressure ratio and the thermal gradient is determined at a given temperature in front of the turbine. The useful gradient times the amount gives the useful output.
Since the amount circulating in seconds increases when the pressure level increases, you have the option of getting proportionally more power from a machine of a given size of the pressure level increase, or to reduce the dimensions of the machine for a given power.
From what has been said, it follows that both the open and the closed process have certain advantages that are lacking in the other. But there are also various combinations of open and closed processes known, each of which allows some of the advantages to be realized. A combination is known in which part of the working medium describes a cycle,
The heat is supplied and removed via heating and cooling surfaces so that only pure air circulates in this part. The pressure level in the entire system is higher than atmospheric pressure, including at the turbine outlet, so that part of the exhaust air can be tapped and sent as combustion air into the furnace of the gas heater.
The exhaust gases from the overpressure furnace reach the additional turbine, which drives the additional compressor and, in the steady state, feeds as much fresh air into the circuit as was tapped for combustion. This loading group runs at a variable speed and allows the pressure level in the circuit to be adapted to the current load.
In contrast to the circulation turbine, the charging turbine does not receive clean air, but, what is more important, with this arrangement you have to add or remove the heat through large and expensive areas. discharge.
Another combined solution dispenses with pure air in the circuit, but does not have a boiler, just a simple and cheap combustion chamber. It also aims for a sliding pressure control and thus also has an additional loading group with variable speed. The circulating gases should reduce the temperature in the combustion chamber to the permissible value. In contrast to the above solution, the actual combustion air is drawn in directly from the outside by the loading group.
The entire exhaust gases from the combustion chamber enter the main turbine, which drives the cycle compressor and the useful generator. At the exit of this turbine, some of the exhaust gases that exit with excess pressure are drawn off and fed to the auxiliary turbine, which drives the combustion air compressor. When the load increases, more fuel is to be injected into the combustion chamber, which results in an increase in pressure that should drive the power turbine and the loading turbine faster.
There are some concerns about this arrangement. Firstly, it is questionable whether the loading turbine, with its small pressure gradient compared to the loading compressor, is capable of delivering the necessary drive power even in the steady state.
Secondly, it is to be feared that the available amount of combustion air will not be sufficient for complete combustion in the event of a load impact, and thirdly, there is a great risk that, if the pressure in the combustion chamber increases, the people who have not yet been accelerated will not be in the Are able to counter this increase in pressure and will pump.
If the system is to supply three-phase current, the main group must not be accelerated at all, which is also in contradiction with the regulation. Under certain circumstances, one gets more power from the power turbine without the charging turbine accelerating and supplying more combustion air corresponding to the fuel. The result is a rise in the temperature in front of the main turbine, or a fall in the temperature at partial loads, which is at the expense of the partial load efficiency and must be avoided.
The invention relates to a gas turbine system that avoids the above-mentioned disadvantages ver. This gas turbine system has a power gas turbine equipped with a power regulator with a compressor that is driven at the same time with a circulating propellant and a loading group with a gas turbine and compressor for supplying the combustion air and adapting the pressure level in the circuit to the load,
whereby in the steady state the propellant gas of the turbine of the loading group is taken from a common main combustion chamber in front of the power turbine. Ge according to the invention is a smaller additional. Combustion chamber available, by means of which an additional amount of gas is fed to the turbine of the charging group when the load increases, while the gas flow to this turbine is throttled and the excess is released into the open when the load is released.
It was based on the idea that the necessary combustion air must first be obtained quickly in order to be able to supply more energy to the main group with good combustion. But it is nonsensical at this moment, when more energy is required from the outside than the main combustion chamber delivers, to load the main group even more in order to: electrically accelerate the charging group, or to withdraw its propellant gas in order to feed it to the charging group .
For this reason, a smaller additional combustion chamber is arranged, which is able to deliver the additional energy only for the loading group at this moment through additional fuel. So that the combustion air for the additional combustion chamber is immediately available, it is advantageously taken from a compressed air tank. In order to keep the amount of air small and yet keep the required volume and the permissible temperature,
water is advantageously injected at the same time.
With reference to the schematically held drawing, the invention is explained in more detail in an embodiment with example.
The combustion chamber a, the main turbine b, the compressor c, the cooler d; the recuperator e and the generator f form the main parts of a circuit. Then there is the loading group b ', c', which sucks in the combustion air from the atmosphere and pushes it into the combustion chamber a. The combustion gases mix in the combustion chamber with the relatively cold circulating gases.
The latter press the temperature down to the permissible level. If a load surge occurs, the speed controller k opens the triple valve i, so that fuel is injected into the additional combustion chamber a 'and air and water are injected from the pressure vessel g, which causes an increase in pressure and volume. As indicated in the figure, the same vessel can advantageously contain the water below and the compressed air above.
A drive motor h of a pump and a blower controlled by a float and pressure regulator ensure that the vessel is always charged. A non-return valve p is constructed in such a way that a pressure increase in the combustion chamber a 'is possible without this being transferred backwards to the main combustion chamber. In the first moment of the control process, the back pressure of the charge compressor c 'rises hardly noticeably because the main turbine b easily swallows the excess volume of the stowage, so that there is no risk of pumping.
Since the temperature at the outlet from the combustion chamber a has a tendency to decrease due to the increase in the combustion air promoted by the charge compressor, the thermostat Z will open the fuel valve m accordingly and thus keep the temperature constant. If the useful power is increased, the valve i will go into the rest position.
It goes without saying that the speed controller k can initiate the increase in the fuel supply to the main combustion chamber; it should only follow in accordance with the combustion air supplied by the charging group. Any lever system can be used to transmit the impulses from the cruise control and the thermostat, but most advantageously an oil pressure control.
If a discharge occurs, the speed regulator lets the pressure of the control oil drop and the valve q throttles the gas admission to the charging turbine b 'and lets the excess of propellant gases, e.g. B. via the additional recuperator e ', into the open. As a result, the pressure level in the system drops, the temperature at the outlet from the combustion chamber rises, so that thermostat 1 throttles the amount of fuel and the output of the utility turbine is again adapted to the new load at a constant temperature. The throttle valve q goes into the rest position.
a If no special measures are taken, the concentration of the residues in the exhaust gases of the circuit increases in relation to this amount to the delivery rate of the charge compressor. One will therefore install dust separators at a suitable location with some prior to the known type; in the figure z. B. in points n, before the turbine and after the compressor.
The scheme was drawn as simply as possible. Nothing stands in the way, e.g. B. to see the compression with intermediate cooling and expansion with intermediate heating to increase the efficiency.