CH366692A - Gas turbine plant with partly open, partly closed process - Google Patents

Gas turbine plant with partly open, partly closed process

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CH366692A
CH366692A CH6382958A CH6382958A CH366692A CH 366692 A CH366692 A CH 366692A CH 6382958 A CH6382958 A CH 6382958A CH 6382958 A CH6382958 A CH 6382958A CH 366692 A CH366692 A CH 366692A
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CH
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open
gas turbine
heat
closed process
partly
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CH6382958A
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German (de)
Inventor
Martinka Michael
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Prvni Brnenska Strojirna
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02CGAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C1/00Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid
    • F02C1/04Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid the working fluid being heated indirectly
    • F02C1/08Semi-closed cycles

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)

Description

  

      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.



      Gas turbine system with partly open, partly closed process The invention relates to a gas turbine system in which part of the working medium runs through an open process and part undergoes a closed process.



  The previously known gas turbine systems for higher capacities consistently work with a closed or partly open, partly closed process. In an open process, it is impossible to achieve high performance because of the large air and working gas volumes.



  Systems with partly open and partly closed processes combine the advantages of systems with a closed process (greater specific performance and flat efficiency curve) with the advantages of systems with an open process.



  The useful power of the gas turbine systems listed is limited in particular by the relatively low isothermal efficiency of the compressors. The following means were therefore used in systems with partly open, partly closed processes to achieve higher thermal efficiency:

       Intermediate cooling of the compression, overheating of the working medium between the gas turbine stages and recuperation of the heat. The two first mentioned means represent an approximation of the isothermal compression and expansion. The heat recuperation can be used between the temperatures of the outlet from the turbine and the outlet from the compressor.



  The interstage cooling of the compressed air reduces the consumption of compression work, but the disadvantage of the same is that almost all of the compression heat is dissipated into the cooling water, so that it does not participate in the heating process and can do a positive job .

       Systems of this type achieve a thermal efficiency of 0.32 to 0.35 and a specific output of 0.20 to 0.25 k / Wh / kg based on 1 kg of air sucked in by the low-pressure compressor using the means listed above . Such systems enable the construction of units with outputs of up to 50 MW,

   However, the thermal benefits that can be achieved are already relatively low in comparison with high-performance steam power plants.



  The purpose of the present invention is to increase the thermal efficiency without further demands on the enlargement of the system, in particular the special heat exchanger with the help of a pas send utilization of the compression heat. In addition, the limit of the maximum output of the units can be increased.



  This is achieved according to the invention by such a combination of open and closed processes that the heat extracted from the compressors' intercoolers is used to heat a liquid medium and this heated liquid medium is injected into the working medium of the open process behind its last compression stage, whereby it evaporates,

   and that the heat supply for the gaseous medium of the closed process takes place in a combustion chamber of the open process.



  The invention is explained in more detail below with reference to two exemplary embodiments which are shown schematically in FIGS. 1 and 2 of the drawing.



  The system according to Fig. 1 works as follows: The turbo compressor K1 sucks in atmospheric air and conveys it into the cooler <B><I>CH,.</I> </B> In the same cooler <B> CH, </ B> air from the closed process comes out at the same pressure.

   From the cooler CH, all the air flows together into the turbo compressor K2, where it is compressed to the highest working pressure after intermediate cooling in the cooler CH2. The part of the air that runs through the open process flows from the compressor K2 into the injection evaporator S, in which the water heated in the surface coolers CHI, CH2 evaporates on large parts inside.

   The moist air then reaches the heat exchanger R1 and then flows into the combustion chamber S1 after it has been preheated. As much fuel is fed into the chamber as is necessary to bring the combustion products and the air of the closed process to the highest working temperature.

   The combustion products of the open process flow from the chamber S1 into the turbine T1, where the expansion takes place to a medium pressure.

    So much fuel is burned in chamber S2 that the medium-pressure combustion products heat up again to the highest temperature and then get into turbine T2, where they expand to approximately atmospheric pressure. In the heat exchanger R1 <I> </I> they give off part of their thermal energy and escape into the atmosphere.



  The air of the closed process flows from the compressor K2 into the heat exchanger R2 and then, after preheating, into the heat exchanger of the combustion chamber S1. Since the pressure outside and inside the heat exchanger is the same, it is not mechanically stressed and it is possible to work in it at high temperatures.

    The air heated to the highest operating temperature then expands in the turbine T3 to the lowest pressure of the closed process, releases part of the thermal energy in the heat exchanger R2 and, together with the air from the open process, enters the cooling section <B> CH .. </B> This completes the circulation.



  The intercoolers CHI, <B><I>CH,</I> </B> function here as heat exchangers for the compression heat, which is used to heat a corresponding amount of pressurized water. After being injected into the injection evaporator S, the heated pressurized water evaporates in the compressed air of the open process.



  The system executed according to Fig. 2 works as follows: The atmospheric air is compressed in the turbo compressor K1 to the lowest pressure of the closed process and passed into the turbo compressor K2.

   The air from the closed process also reaches the compressor K2, and all air is compressed together with intermediate cooling in the coolers <B> <I> CH "CH., CH .. </I> </B> Behind the Cooler <B> CH, </B> The air from the open process passes into another cooler CH4 and is then compressed to the highest operating pressure in compressor K3.

   From there, the compressed air flows into the injection evaporator S, where internal evaporation of the heated water takes place. The moist air then flows into the heat exchanger R1 and is preheated to the combustion chamber S1, in which as much fuel is burned as is sufficient to heat the combustion products of the open process and the high pressure air of the closed process to a common highest operating temperature.

   The high pressure combustion products of the open process then expand in the turbine Ti to medium pressure. In the medium-pressure combustion chamber S2, enough fuel is again burned to bring both the medium-pressure combustion products of the open process and the medium-pressure air of the closed process to the highest operating temperature.

   The medium-pressure combustion products then expand in turbine T2 to the lowest pressure of the closed process, cool down in heat exchanger R1 and finally expand in turbine T3 to atmospheric pressure. This ends the open process.



  The air of the closed process flows into the turbo compressor K4, where it is also compressed to the highest working pressure. This is preheated in the heat exchanger R2 and heated to the highest operating temperature in the heat exchanger within the combustion chamber S1.

   After expansion to medium pressure in turbine T4, the air in the heat exchanger of combustion chamber S2 is again heated to the highest working temperature and then expands in turbine T5 to the lowest pressure of the closed process.

   The air then cools in the heat exchanger R2 and is subsequently cooled in the cooler CH to the outlet temperature of the compressor K1 and flows into the compressor K2. This ends the process. The water is preheated in the coolers CH1 to <B> CH, </B> and <B> CH "</B> and then injected into the injection evaporator S.



  The invention is not limited to the above erläu ended and illustrated embodiments be.

 

Claims (1)

PATENTANSPRUCH Gasturbinenanlage mit teils offenem, teils ge schlossenem Prozess, gekennzeichnet durch eine sol che 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, PATENT CLAIM Gas turbine system with partly open, partly closed process, characterized by such a combination of open and closed process that heat extracted from the compressor's intercoolers is used to heat a liquid medium and this heated liquid medium is transferred to the working medium of the open process whose last compression stage is injected, wobei es verdampft und dass die Wärmezuführung für das gasförmige Medium des geschlossenen Prozesses in einer Brennkammer des offenen Prozesses erfolgt. UNTERANSPRÜCHE 1. whereby it evaporates and that the heat supply for the gaseous medium of the closed process takes place in a combustion chamber of the open process. SUBCLAIMS 1. Gasturbinenanlage nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass der gemeinsamen Verdich- terstufe (K2) des offenen und des geschlossenen Pro zesses mindestens eine Verdichterstufe (K1) des offe nen Prozesses vorgeschaltet ist. Gas turbine plant according to claim, characterized in that the common compressor stage (K2) of the open and the closed process is preceded by at least one compressor stage (K1) of the open process. 2. Gasturbinenanlage nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass der gemeinsamen Verdich- terstufe des offenen und des geschlossenen Prozesses (K2) mindestens :eine Verdichterstufe (K3) des offenen Prozesses nachgeschaltet ist. 2. Gas turbine system according to claim, characterized in that the common compressor stage of the open and the closed process (K2) is followed by at least: one compressor stage (K3) of the open process. 3. Gasturbinenanlage nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass der gemeinsamen Verdich- terstufe (K2) des offenen und des geschlossenen Pro zesses mindestens eine Verdichterstufe (K4) des ge schlossenen Prozesses nachgeschaltet ist. 3. Gas turbine plant according to claim, characterized in that the common compressor stage (K2) of the open and the closed process is followed by at least one compressor stage (K4) of the closed process. 4. Gasturbinenanlage nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass die Restwärme der Ver brennungsgase des offenen Prozesses nach dem Ver- lassen der letzten Turbine (T2) in einem Wärme- tauscher (R) an das mit Wasserdampf beladene Ar beitsmittel des offenen Prozesses übertragen wird (Fig. 1). 4. Gas turbine system according to claim, characterized in that the residual heat of the combustion gases of the open process after leaving the last turbine (T2) is transferred in a heat exchanger (R) to the working medium of the open process loaded with water vapor (Fig. 1). 5. Gasturbinenanlage nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass zur Erwärmung des flüs sigen Mediums vor dessen Einspritzen die Abwärme auch anderer Anlageteile, z. B. der Brennkammern oder Wärmetauscher, ausgenutzt wird. 5. Gas turbine system according to claim, characterized in that the waste heat from other parts of the system, for example, to heat the liquid medium before it is injected. B. the combustion chambers or heat exchangers, is exploited.
CH6382958A 1957-09-20 1958-09-11 Gas turbine plant with partly open, partly closed process CH366692A (en)

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