Gasturbinenanlage. Die Erfindung bezieht. sich auf eine Gas turbinenanlage, bei der ein Teil des Arbeits mittels unter Verdichtung in mindestens einem Verdichter und Entspannung in minde stens einer Turbine in einem Kreislauf um strömt, aus welchem ständig eine Teilmenge von Arbeitsmittel unter Entspannung in minde stens einer Turbine entnommen wird und in welchen als Ersatz für die Entnahme durch mindestens einen Verdichter Arbeitsmittel wieder eingeführt wird.
Sie ist dadurch ge kennzeichnet, dass die Verdichter der Anlage durch mindestens eine Turbine getrieben wer den, welche durch den aus dem Kreislauf entnommenen Teil des Arbeitsmittels beauf- schlagt ist, während die Nutzleistung von einer Turbine erzeugt wird, welche durch das im Kreislauf umströmende Arbeitsmittel beaufschlagt ist.
Der Kreislaufverdichter und der die Er- :;atzmenge fördernde Verdichter können je durch eine Turbine angetrieben werden, wo bei zum Beispiel die den Kreislaufverdichter antreibende Turbine vor die Turbine geschal tet ist, welche den die Ersatzmenge fördern den Verdichter antreibt. Das im Kreislauf umströmende Arbeitsmittel kann durch einen Niederdruck- und einen Hochdruckverdichter verdichtet werden, welche gemeinsam von einer Turbine angetrieben sind.
Die Erfindung ist nachstehend an Hand des auf der Zeichnung vereinfacht dargestell ten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die durch die Verdichter 1 und Z Im- ter Zwischenkühlung im Kühler 3 verdich tete Luft wird zum einen Teil durch eine Leitung 4 dem Wärmeaustauscher 5 und zum andern Teil durch eine Leitung 6 dem Wärmeaustauseher 7 zugeführt, wobei die Verteilung der Luftmengen durch das in der Leitung 6 angeordnete Durchflussorgan 8 den Betriebserfordernissen a.ngepasst werden kann.
Nach Verlassen der als Vorwärmer zur Wirkung kommenden Wärmeaustauscher ver einigen sich die beiden Teilmengen der Luft an der Stelle 9 und werden gleich wieder in zwei Teile aufgeteilt. Der eine Teil strömt durch die Leitung 1.0 in den die Rohre 11 des Gaserhitzers 12 umgebenden Raum. In erhitztem Zustand gelangt dann die verdich tete Luft durch die Leitung 13 in die Tur bine 14. wo sie unter Entspannung und Ab kühlung einen Teil ihrer Energie an den Läufer abgibt.
Die entspannte Luft. strömt durch die Leitung 15 in den 'VVärmeaustau- scher 5 weiter, in welchem sie beim Durch strömen der Rohre 16 die durch die Leitung 4 zugeführte Teilmenge der verdichteten Luft vorwärmt. Nach Austritt aus dem Wärmeaustauscher 5 wird in einem Kühler 17 der Luft noch ein weiterer Teil ihrer Restwärme entzogen. Die nunmehr gekühlte Luft strömt durch die Leitung 18 in den Verdichter 1 zurück, um hier den Kreislauf von neuem zu beginnen.
Dem beschriebenen Luftkreislauf wird an der Stelle 9 ständig eine Teilmenge entnom- men und durch die Leitung 19 in den Brenn raum 20 des Gaserhitzers 12 geführt. Hier dient sie zur Verbrennung des durch den Brenner 21 zerstäubten Brennstoffes. Das Verbrennungsgas strömt durch die Wärme austauschrohre 11, wobei die im Kreislauf umströmende Luft erhitzt wird.
Nach Ab gabe eines Teils seiner Wärme strömt das Verbrennungsgas durch die Leitung 22 in die Turbine 23 und aus dieser in die Turbine 24 weiter.
Das so entspannte Verbrennungs gas gelangt schliesslich in die Rohre 25 des Vorwärmers 7 und anschliessend durch die Leitung 26 in. nicht gezeichnete weitere Ver brauchsstellen, zum Beispiel in Abwärme verwerter, oder unmittelbar ins Freie. Im. Wärmeaustauscher 7 wird ein Teil der Rest wärme des Verbrennungsgases an die durch die Leitung 6 zugeführte Teilmenge der im Kreislauf umströmenden Luft abgegeben.
Als Ersatz für den dem Kreislauf an der Stelle 9 entnommenen Teil des Arbeitsmit tels wird durch den Verdichter 27 Luft aus der Atmosphäre entnommen, verdichtet und durch die Leitung 28 in die den Wärmeaus tauscher 5 mit dem Kühler 17 verbindende Leitung 29 eingeführt. Beim Betrieb mit normaler Last wird durch den Verdichter 27 die Luft auf etwa 3 atü verdichtet, mit wel chem Druck sie dem Niederdruckverdichter 1 zuströmt. Am Austritt aus dem Hoch druckverdichter 2 ist die Luft des Kreislau fes auf einen Enddruck von ungefähr 12 atü verdichtet.
In der Turbine 14 wird die Luft wieder unter Arbeitsleistung auf den Druck von 3 atü entspannt. Zur Veränderung der Lei stung wird beispielsweise durch Verändern der Drehzahl der Turbine 24 das Verdichtungs verhältnis des Verdichters 27 verändert. Bei Leerlauf wird er die Luft ungefähr auf 0,2 atü verdichten, bei höchster Überlast un gefähr auf 3,5 atü oder noch höher. Der Höchstdruck im Kreislauf stellt sich dann am Austritt aus dem Hochdruckverdichter 2 auf 3 atü bei Leerlauf und 16 atü bei Über last.
Das Verdichtungsverhältnis im Kreis lauf wird somit bei Veränderung der Lei stung auch verändert, und zwar ist es bei niedriger Leistung wesentlich kleiner als bei grosser Leistung.
Durch die Veränderung des Verdichtungsverhältnisses im Kreislauf lässt sich der Regelbereich ohne Inkauf- nahme wirtschaftlicher Nachteile bedeutend erweitern. Kann auf besonders hohe Wir kungsgrade verzichtet werden, so kann. die Leistung der Anlage noch weiter gesteigert werden, indem der Druck der Ersatzluft schon bei Normallast zum Beispiel auf 4 bis 5 atü erhöht wird. Der höchste Druck im Kreislauf bei Normallast wird dann auf 20 atü und noch höher ansteigen.
Die durch die Luft des Kreislaufes be- aufschlagte Turbine 14 erzeugt die Nutz leistung. Sie treibt einen elektrischen Strom erzeuger 30, welcher seine Leistung zum Beispiel in ein bestehendes Netz abführt. Die zuerst vom Abgas des Gaserhitzers be- aufschlagte Turbine 23 treibt den Nieder druckverdichter 1 und den Hochdruckver dichter 2 des Kreislaufes.
Mit der aus den Verdichtern 1 und 2 und der Turbine 23 beste henden Maschinengruppe ist noch eine elek trische Hilfsmaschine 31 gekuppelt, welche nach Bedarf als Motor oder als Generator zur Wirkung kommen kann. Sie dient einer seits zum Anlassen der Anlage und ander seits zum Ausgleich eines Leistungsmangels oder eines Leistungsüberschusses an der Tur bine 23. Die durch das Abgas der Turbine 23 beaufschlagte Turbine 24 treibt den die Ersatzluft in den Kreislauf einführenden Verdichter 27.
Die Leistungzum Antrieb sämt licher Verdichter der Anlage wird also nur durch den dem Kreislauf entnommenen Teil des Arbeitsmittels und die Nutzleistung nur durch den im Kreislauf umströmenden Teil des Arbeitsmittels erzeugt.
Wenn auf besonders hohe Wirkungsgrade verzichtet werden kann, könnte der Wärme- austauscher, welcher von dem dem Kreislauf entnommenen A@rbeitamittel durchströmt wird, weggelassen werden. Das entnommene Ar beitsmittel würde dann aus der zuletzt be- aufschlagten Turbine unmittelbar ins Freie oder zu nicht gezeichneten Abwärmeverwer- tern strömen.
Zur Verdichtung des im Kreis- lauf umströmenden Arbeitsmittels könnte auch nur ein Verdichter verwendet werden, an welchen gegebenenfalls noch ein Zwi schenkühler angeschlossen werden könnte. In besonderen Fällen liessen sich zur weite ren Vereinfachung auch alle Verdichter durch eine einzige Turbine antreiben. Der ein fachste Fall entstünde dann, wenn ein Ver dichter für das im Kreislauf umströmende Arbeitsmittel und ein Verdichter für das als Ersatz dem Kreislauf zuzuführende Arbeits mittel gemeinsam von einer Turbine ange trieben würden.
Werden umgekehrt besonder,3 hohe Wirkungsgrade angestrebt, so könnte zwischen den beiden Turbinen, welche von dem dem Kreislauf entnommenen Arbeits mittel beaufschlagt sind, noch ein Zwischen erhitzer eingeschaltet werden. Schliesslich könnte noch eine Hilfsturbine vorgesehen sein, welche Hilfsmaschinen zu treiben hat und entweder vom Arbeitsmittel des Kreis laufes oder von dem dem Kreislauf entnom menen Arbeitsmittel beaufschlagt ist.
Gas turbine plant. The invention relates. on a gas turbine system, in which part of the work by means of compression in at least one compressor and relaxation in at least one turbine flows around in a circuit, from which a subset of working fluid is constantly removed under relaxation in at least one turbine and in which is reintroduced as a replacement for the extraction by at least one compressor working medium.
It is characterized in that the compressor of the system is driven by at least one turbine, which is acted upon by the part of the working medium removed from the circuit, while the useful power is generated by a turbine which is generated by the working medium flowing around the circuit is applied.
The cycle compressor and the compressor that promotes the replacement quantity can each be driven by a turbine, where, for example, the turbine driving the cycle compressor is connected in front of the turbine that drives the compressor to promote the replacement quantity. The working medium flowing around the circuit can be compressed by a low-pressure and a high-pressure compressor, which are jointly driven by a turbine.
The invention is explained in more detail below with reference to the simplified dargestell th embodiment on the drawing. The air compressed by the compressors 1 and Z intercooling in the cooler 3 is fed partly through a line 4 to the heat exchanger 5 and partly through a line 6 to the heat exchanger 7, the distribution of the air quantities being carried out by the Line 6 arranged through-flow element 8 can be adapted to the operating requirements.
After leaving the heat exchanger that acts as a preheater, the two partial quantities of air agree at point 9 and are immediately divided into two parts again. One part flows through the line 1.0 into the space surrounding the tubes 11 of the gas heater 12. When heated, the compressed air then passes through the line 13 into the turbine 14, where it releases part of its energy to the runner with relaxation and cooling.
The relaxed air. flows through the line 15 into the heat exchanger 5, in which it preheats the partial quantity of the compressed air supplied through the line 4 as it flows through the pipes 16. After exiting the heat exchanger 5, a further part of its residual heat is extracted from the air in a cooler 17. The now cooled air flows back through the line 18 into the compressor 1 in order to start the cycle again here.
A partial amount is continuously withdrawn from the described air circuit at point 9 and fed through line 19 into combustion chamber 20 of gas heater 12. Here it is used to burn the fuel atomized by the burner 21. The combustion gas flows through the heat exchange tubes 11, the air flowing around the circuit being heated.
After giving off part of its heat, the combustion gas flows through line 22 into turbine 23 and from there into turbine 24.
The combustion gas expanded in this way finally reaches the pipes 25 of the preheater 7 and then through the line 26 to other consumption points not shown, for example in waste heat recycler, or directly outside. In the heat exchanger 7, part of the residual heat of the combustion gas is given off to the partial amount of the air flowing around in the circuit which is supplied through the line 6.
As a replacement for the part of the Arbeitsmit removed from the circuit at point 9, air is removed from the atmosphere by the compressor 27, compressed and introduced through line 28 into the line 29 connecting the heat exchanger 5 to the cooler 17. When operating with normal load, the compressor 27 compresses the air to about 3 atmospheres, with wel chem pressure it flows to the low-pressure compressor 1. At the outlet from the high pressure compressor 2, the air of the Kreislau fes is compressed to a final pressure of about 12 atmospheres.
In the turbine 14, the air is again expanded to the pressure of 3 atmospheres while performing work. To change the performance, the compression ratio of the compressor 27 is changed, for example, by changing the speed of the turbine 24. When idling, it will compress the air to around 0.2 atmospheres, and at maximum overload to around 3.5 atmospheres or even higher. The maximum pressure in the circuit is then set at the outlet from the high-pressure compressor 2 to 3 atmospheres when idling and 16 atmospheres when overload occurs.
The compression ratio in the circuit is thus also changed when the performance changes, and indeed it is much smaller at low performance than at high performance.
By changing the compression ratio in the circuit, the control range can be significantly expanded without accepting economic disadvantages. If particularly high efficiencies can be dispensed with, then. the performance of the system can be increased even further by increasing the pressure of the substitute air to 4 to 5 atmospheres even at normal load. The highest pressure in the circuit at normal load will then rise to 20 atmospheres and even higher.
The turbine 14 acted upon by the air in the circuit generates the useful power. It drives an electrical power generator 30, which dissipates its power, for example, into an existing network. The turbine 23, which is first acted upon by the exhaust gas from the gas heater, drives the low-pressure compressor 1 and the high-pressure compressor 2 of the circuit.
With the existing machine group consisting of the compressors 1 and 2 and the turbine 23, an electrical auxiliary machine 31 is still coupled, which can be used as a motor or generator as required. It is used on the one hand to start the system and on the other hand to compensate for a lack of power or an excess of power at the turbine 23.
The power to drive all Licher compressors of the system is thus only generated by the part of the working medium taken from the circuit and the useful power only by the part of the working medium flowing around in the circuit.
If a particularly high degree of efficiency can be dispensed with, the heat exchanger through which the working agent withdrawn from the circuit flows could be omitted. The working fluid removed would then flow from the turbine that was last loaded directly into the open air or to waste heat recyclers (not shown).
To compress the working medium flowing around in the circuit, only one compressor could also be used, to which an intermediate cooler could optionally be connected. In special cases, all compressors could be driven by a single turbine for further simplification. The simplest case would arise if a compressor for the working fluid flowing around in the circuit and a compressor for the working fluid to be supplied as a replacement to the circuit were jointly driven by a turbine.
Conversely, if particularly high efficiencies are sought, an intermediate heater could also be switched on between the two turbines, which are acted upon by the working medium taken from the circuit. Finally, an auxiliary turbine could also be provided which has to drive auxiliary machines and is acted upon either by the working medium of the circuit or by the working medium taken from the circuit.