Gasturbinenanlage mit teils offenem, teils geschlossenem ProzeB Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinen anlage, bei der ein Teil des Arbeitsmittels einen offe nen Prozess, ein Teil einen geschlossenen Prozess durchläuft.
Die bisher bekannten Gasturbinenanlagen für grö ssere Leistungen arbeiten durchwegs mit einem ge schlossenen oder teils offenen, teils geschlossenen Pro zess. In einem offenen Prozess ist es unmöglich, hohe Leistungen wegen der grossen Luft- und Arbeitsgas volumen zu erzielen.
Anlagen mit teils offenem, teils geschlossenem Prozess verknüpfen die Vorzüge der Anlagen mit einem geschlossenen Prozess (grössere spezifische Lei stung und flache Nutzeffektkurve) mit den Vorzügen von Anlagen mit einem offenen Prozess.
Die Nutzleistung der angeführten Gasturbinen anlagen wird insbesondere durch den verhältnismässig niedrigen isothermischen Wirkungsgrad der Kompres soren begrenzt. Es wurden daher bei Anlagen mit teils offenem, teils geschlossenem Prozess zur Erzielung höherer thermischer Nutzeffekte folgende Mittel an gewandt:
Zwischenkühlung der Kompression, über- hitzung des Arbeitsmediums zwischen den Gastur binenstufen und Rekuperation der Wärme. Die beiden erstangeführten Mittel stellen eine Annäherung an die isothermische Kompression und Expansion dar. Die Wärmerekuperation ist zwischen den Temperaturen des Austrittes aus der Turbine und des Austrittes aus dem Kompressor anwendbar.
Durch die Zwischenstufenkühlung der verdichte ten Luft wird zwar der Verbrauch an Kompressions arbeit herabgesetzt, jedoch besteht der Nachteil der selben darin, dass beinahe die gesamte Kompressions wärme in das Kühlwasser abgeführt wird, so dass sich dieselbe nicht am Wärmeprozess beteiligen und eine positive Arbeit leisten kann.
Anlagen dieser Art errei- chen bei Anwendung der vorstehend angeführten Mit tel einen thermischen Wirkungsgrad von 0,32 bis 0,35 und eine auf 1 kg durch den Niederdruckkompressor angesaugter Luft bezogene spezifische Leistung von 0,20 bis 0,25 k/Wh/kg. Solche Anlagen ermöglichen die Konstruktion von Einheiten bis zu Leistungen der Grössenordnung 50 MW,
wobei jedoch die erzielbaren thermischen Nutzeffekte bereits verhältnismässig nied rig sind im Vergleich mit Dampfkraftwerken grosser Leistungen.
Zweck der vorliegenden Erfindung ist die Erhö hung des thermischen Wirkungsgrades ohne weitere Ansprüche an die Vergrösserung der Anlage, insbe sondere der Wärmeaustauscher mit Hilfe einer pas senden Ausnützung der Kompressionswärme. Ausser dem lässt sich eine Erhöhung der-Grenze der Maximal- leistung der Einheiten erzielen.
Erreicht wird dies erfindungsgemäss durch eine solche Kombination von offenem und geschlossenem Prozess, dass in Zwischenkühlern der Kompressoren entzogene Wärme zur Erwärmung eines flüssigen Me diums ausgenützt und dieses erhitzte, flüssige Medium in das Arbeitsmittel des offenen Prozesses hinter des sen letzten Verdichtungsstufe eingespritzt wird, wobei es verdampft,
und dass die Wärmezuführung für das gasförmige Medium des geschlossenen Prozesses in einer Brennkammer des offenen Prozesses erfolgt.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand von zwei Ausführungsbeispielen, die in den Fig. 1 und 2 der Zeichnung schematisch dargestellt sind, näher erläutert.
Die Anlage nach Fig. 1 arbeitet wie folgt: Der Turbokompressor K1 saugt atmosphärische Luft an und fördert dieselbe in den Kühler <B><I>CH,.</I></B> In denselben Kühler<B>CH,</B> gelangt Luft aus dem geschlos senen Prozess mit dem gleichen Druck.
Aus dem Küh- ler CH, strömt sämtliche Luft gemeinsam in den Turbokompressor K2, wo dieselbe nach Zwischen stufenkühlung im Kühler CH2 auf den höchsten Arbeitsdruck verdichtet wird. Aus dem Kompressor K2 strömt der Teil der Luft, der den offenen Prozess durchläuft in den Einspritzverdampfer S, in welchem innen auf grossoberflächigen Teilen das in den Ober flächenkühlern CHI, CH2 erwärmte Wasser ver dampft.
Die feuchte Luft gelangt sodann in den Wärmetauscher R1 und strömt sodann nach Vorwär- mung in die Brennkammer S1. In die Kammer wird so viel Brennstoff zugeführt, als notwendig ist, um die Verbrennungsprodukte und die Luft des geschlos senen Prozesses auf höchste Arbeitstemperatur zu bringen.
Die Verbrennungsprodukte des offenen Pro zesses strömen aus der Kammer S1 in die Turbine T1, wo die Expansion auf einen mittleren Druck erfolgt.
In der Kammer S2 wird so viel Brennstoff verbrannt, da-ss die Mitteldruckverbrennungsprodukte sich wieder auf die höchste Temperatur erhitzen und sodann in clie Turbine T2 gelangen, wo dieselben auf etwa atmosphäri schen Druck expandieren. Im Wärmetauscher R1 <I>geben</I> dieselben noch einen Teil ihrer Wärmeenergie ab und treten in die Atmosphäre aus.
Die Luft des geschlossenen Prozesses strömt aus dem Kompressor K2 in den Wärmeaustauscher R2 und sodann nach Vorwärmung in den Wärmetauscher der Brennkammer S1. Da ausserhalb und innerhalb des Wärrneaustauschers der gleiche Druck herrscht, wird dieser mechanisch nicht beansprucht, und es kann in diesem mit hohen Temperaturen gearbeitet werden.
Die auf höchste Betriebstemperatur erhitzte Luft ex pandiert sodann in der Turbine T3 auf den niedrig sten Druck des geschlossenen Prozesses, gibt im Wärmotauscher R2 einen Teil der Wärmeenergie ab und gelangt gemeinsam mit der Luft des offenen Pro zesses in den Kühlar <B>CH..</B> Damit ist der Umlauf ge schlossen.
Die Zwischenkühler CHI, <B><I>CH,</I></B> funktionieren hier als Wärmetauscher der Verdichtungswärme, welche zur Erwärmung einer entsprechenden Druckwasser menge ausgenützt wird. Das erwärmte Druckwasser verdampft nach Einspritzung in den Einspritzver- dampfer S in der komprimierten Luft des offenen Prozesses.
Die nach Fig. 2 ausgeführte Anlage arbeitet wie folgt: Die atmosphärische Luft wird im Turbokompres sor K1 auf den niedrigsten Druck des geschlossenen Prozesses komprimiert und in den Turbokompressor K2 geleitet.
In den Kompressor K2 gelangt auch die Luft aus dem geschlossenen Prozess, und es erfolgt eine gemeinsame Verdichtung sämtlicher Luft mit Zwischenkühlung in den Kühlern <B><I>CH" CH., CH..</I></B> Hinter dem Kühler<B>CH,</B> gelangt die Luft des offenen Prozesses in einen weiteren Kühler CH4 und wird sodann im Kompressor K3 auf den höchsten Betriebs druck verdichtet.
Von da strömt die komprimierte Luft in den Einspritzverdampfer S, wo eine innere Verdampfung des erwärmten Wassers erfolgt. Die feuchte Luft strömt sodann in den Wärmetauscher R1 und gelangt vorgewärmt in die Brennkammer S1, in der so viel Brennstoff verbrannt wird, als zur Er hitzung der Verbrennungsprodukte des offenen Pro zesses und der Hochdruckluft des geschlossenen Pro zesses auf eine gemeinsame höchste Betriebstempera tur hinreicht.
Die Hochdruckverbrennungsprodukte des offenen Prozessas expandieren sodann in der Tur bine Ti auf mittleren Druck. In der Mitteldruckver- brennungskammer S2 wird wieder so viel Brennstoff verbrannt, um sowohl die Mitteddruckverbrennungs- produkte des offenen Prozesses als auch die Mittel druckluft des geschlossenen Prozesses auf höchste Be triebstemperatur zu bringen.
Die Mitteldruckverbren- nungsprodukte expandieren sodann in der Turbine T2 auf den niedrigsten Druck des geschlossenen Prozes ses, kühlen sich im Wärmetauscher R1 ab und expan dieren schliesslich in der Turbine T3 auf atmosphäri schen Druck. Dadurch ist der offene Prozess beendet.
Die Luft des geschlossenen Prozesses strömt in den Turbokompressor K4, wo dieselbe gleichfalls auf den höchsten Arbeitsdruck komprimiert wird. Im Wärme tauscher R2 wird dieselbe vorgewärmt und im Wärme- austauscher innerhalb der Verbrennungskammer S1 auf höchste Betriebstemperatur erhitzt.
Nach Expan sion auf mittleren Druck in der Turbine T4 wird die Luft im Wärmeaustauscher der Verbrennungskammer S2 neuerlich auf höchste Arbeitstemperatur erhitzt und expandiert sodann in der Turbine T5 auf den niedrigsten Druck des geschlossenen Prozesses.
Dar aufhin kühlt sich die Luft im Wärmetauscher R2 ab und wird im Kühler CH, auf die Austrittstemperatur des Kompressors K1 nachgekühlt und strömt in den Kompressor K2. Damit ist der Prozess beendet. Das Wasser wird in den Kühlern CHl bis<B>CH,</B> und<B>CH"</B> vorgewärmt und dann in den Einspritzverdampfer S eingespritzt.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend erläu terten und veranschaulichten Ausführungsbeispiele be schränkt.