Kombinierte Dampfkraftanlage
Die Erfindung betrifft eine kombinierte Dampfkraftanlage mit Gasturbinengruppe und dieser nachgeschaltetem Dampferzeuger mit Kamin, mit einer Zusatzfeuerung im Dampferzeuger. Es sind solche Anlagen bekannt, bei denen der Zusatzfeuerung des Kessels Abgase der Turbine unmittelbar zugeführt werden. Der für die Verbrennung des Zusatzbrennstoffes nicht benötigte Teil der Abgase wird dabei den Rauchgasen der Zusatzfeuerung zugemischt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, den Anlagewirkungsgrad zu verbessern. Dies geschieht erfindungsgemäss dadurch, dass der Zusatzfeuerung ein Gebläse vorgeschaltet ist, das aus dem Abgasstrom zwischen Gasturbine und Kamin eine Menge von bis zu 30% des Gasturbinendurchsatzes Abgase ansaugt. Diese Massnahme hat zur Folge, dass das Gebläse mindestens den Widerstand der Zusatzfeuerung überwindet und der Hauptteil der Turbinenabgase ungedrosselt in den Dampferzeuger eingeführt werden kann. Dadurch gelingt es, die Expansion der Gase in der Turbine auf kleineren Enddruck auszudehnen.
Beträgt die für die Zusatzfeuerung benötigte Abgasmenge etwa 30% der Turbinen-Durchflussmenge, so vermag der durch die weitergehende Entspannung erzielte Leistungsgewinn die für den Gebläseantrieb benötigte Leistung sowie die höheren Anlagekosten bereits nicht nur voll zu kompensieren, sondern einen Überschuss abzuwerfen.
Besondere Vorteile ergeben sich, wenn dem Gebläse eine Zweiweg-Umschaltvorrichtung vorgeschaltet ist, durch die wahlweise Luft anstelle von Abgas angesaugt werden kann. Es wird dadurch nicht nur die Regelung beim Anfahren und im Teillast-Betrieb erleichtert, sondern es kann durch diese Schaltung ohne merkliche zusätzliche Investitionskosten die Höchstlast der Anlage gehoben werden.
Die erfindungsgemässe Anordnung eines Gebläses kann Ausgangspunkt zu weiteren fortschrittlichen Lösungen bilden.
Eine solche besteht darin, dass die Abgasleitung der Turbine sich gabelt in eine zum Gebläse führende Zweigleitung und in eine Hauptleitung, die zwischen zwei Berührungsheizflächen des Dampferzeugers in diesen einmündet. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass bei Betrieb mit Zusatzfeuerung die ersten Berührungsheizflächen thermisch höher beaufschlagt sind und somit kleiner gebaut werden können. Eine zusätzliche Verkleinerung des Dampferzeugers ergibt sich dadurch, dass die allein von den Rauchgasen der Zusatzfeuerung des Dampferzeugers beaufschlagten Rauchgasquerschnitte wesentlich enger gehalten werden können, was zu einer weiteren Verkleinerung und damit Verbilligung des Dampferzeugers führt.
Besondere thermodynamische Vorteile ergeben sich, wenn die Mündung der Hauptleitung an einer Stelle liegt, an der bei Normalbetrieb der Anlage die durch die Zusatzfeuerung erhitzten Abgase mittels der vorgeschalteten Heizflächen auf etwa jene Temperatur abgekühlt sind, mit welcher die Abgase die Turbine verlassen und welche sich vorzugsweise um nicht mehr als 20 Celsiusgrade von der Turbinenabgastemperatur unterscheidet. Es kann dadurch nämlich ein thermodynamischer Mischungsverlust vermieden werden, was sich darin äussert, dass sich bei vorgegebener Heizflächengrösse und vorgegebener Rauchgas-Endtemperatur eine höhere Frischdampftemperatur erreichen lässt.
Weitere Vorteile liegen darin, dass sich stromunterhalb der Mündungsstelle über den Querschnitt des Rauchgaskanals eine gleichmässige Temperaturverteilung einstellt, ohne dass ein Mischraum mit entsprechendem Raumbedarf und Druckabfall vorgesehen werden müsste.
Die Erfindung wird nun an einem in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert:
Ein Verdichter 1 mit Ansaugstutzen 2 ist über eine Leitung 3 und eine Brennkammer 4, der über Leitung 5 flüssiger oder gasförmiger Brennstoff zugeführt wird, mit einer Gasturbine 10 verbunden. Diese sitzt, zusammen mit dem Verdichter 1 und einem als Anwurfmotor verwendbaren Generator 11 auf gleicher Welle. Eine Abgasleitung 12 der Gasturbine 10 gabelt sich in eine Hauptleitung 13 und in eine Zweigleitung 14.
Während die Hauptleitung 13 in einen Dampferzeuger 20 in etwa halber Höhe über verschiedene Eintrittsöffnungen 21 einmündet, führt die Zweigleitung 14 über ein Zweiweg Umschaltorgan 22, dessen einer Stutzen 23 offen endet, zu einem Gebläse 24, das von einem Motor 25 angetrieben ist.
Der Austritt des Gebläses 24 ist mit einem Brenner 26, einer Zusatzfeuerung, verbunden, dem über eine Leitung 27 flüssiger, gas- oder staubförmiger Brennstoff zugeführt wird.
Parallel zum Brenner 26 ist ein Gaszuführkasten 28 mit Gas durchtrittsöffnungen 29 vorgesehen. Der Gaszuführkasten 28 kann durch Senken einer Klappe 31 mit dem Luftverteilkasten 32 des Brenners 26 verbunden werden.
Der Dampferzeuger 20 umfasst eine Brennkammer 40 und einen, durch die Eintrittsöffnungen 21 in zwei Teile 41 und 42 gegliederten Rauchgaszug. Die Brennkammer 40 wird zusammen mit dem unteren Teil 41 des Rauchgaszuges durch eine Wand 45 aus beispielsweise schraubenlinienartig gewickelten, über Flossenrohre gasdicht miteinander verschweissten Rohren begrenzt, während der obere Teil 42 des Rauchgaszuges von einer ungekühlten Blechverkleidung 46 dicht umgeben ist. Die Blechverkleidung 46 ist über einen Trichter 47 mit einem Kamin 48 verbunden.
Im Rauchgaszug 41, 42 sind mehrere Berührungsheiztlächen angeordnet, die von einem verdampfbaren Arbeitsmittel, hier Wasser, durchflossen werden. Dieses Wasser wird einem Anfahrgefäss 60 mittels einer Speisepumpe 61 entnommen und über eine Speiseleitung 62 an einem nicht gezeichneten Kesselgerüst aufgehängten Tragrohren 63 zugeführt. Diese Tragrohre 63 führen zu einer am oberen Ende des Rauchgaszuges 41, 42 angeordneten Ecoheizfläche 64. Aus dieser strömt das Wasser weiter über eine am oberen Ende des unteren Teiles 41 des Rauchgaszuges angeordnete erste Verdampferheizfläche 65, die als Rohrbündel eine Berührungsheifffläche darstellt. Von dort gelangt das Arbeitsmittel in eine zweite Verdampfer Berührungsheizfläche 66, die am Eingang des oberen Teiles 42 des Rauchgaszuges liegt.
Am Ausgang dieser Heizfläche werden je zwei Rohre 66' über ein Gabelstück 67 mit je einem Rohr 68 grösseren Durchmessers verbunden. Diese Rohre 68 führen sodann zu den unteren Enden von in gleicher Anzahl vorhandenen Flossenrohren, die, geneigt gewickelt, die Wandberohrung 45 der Brennkammer 40 und des unteren Teils 41 des Rauchgaszuges bilden. Aus Sammlern 69 der Wandberohrung 45 tritt das nun grösstenteils verdampfte Arbeitsmittel in einen Wasserabscheider 70, aus dem der abgetrennte Dampf durch Überhitzerheizflächen 71, 72 und über eine Frischdampfleitung 73 einer Gegendruckdampfturbine 75 zuströmt, die einen Generator 76 treibt. Der Abdampf der Gegendruckdampfturbine 75 strömt weiter in ein Netz 77, durch das es nicht gezeichneten Verbrauchern zufliesst.
Die erfindungsgemässe Anordnung des Gebläses 24 hat den Vorteil, dass in der Gasturbine 10 die Gase praktisch bis auf den am oberen Ende des unteren Rauchgaszugteils herrschenden Druck entspannt werden können, was eine erhebliche Erhöhung der Gasturbinenleistung ergibt, welche grösser ist als die für den Antrieb des Gebläses 24 nötige Leistung.
Ist das Gebläse 24 vorhanden, so lässt sich mittels eines geringen Aufwandes, d.h. durch Anbringen eines Umschaltorgans 22, die Maximalleistung der Anlage erheblich erhöhen durch Ansaugen von Frischluft über den Stutzen 23, wobei dann über die Zweigleitung 14 dem Gebläse weniger oder kein Gasturbinenabgas zugeführt wird. Die direkt über die Hauptleitung 13 in den oberen Teil 42 des Rauchgaszuges strömende Abgasmenge wird somit erhöht. In der Zusatzfeuerung 26 wird bei Frischluftzufuhr eine entsprechend höhere Brennstoffmenge verbrannt als im Falle der Zufuhr von Abgasen, wodurch erst die erwähnte Erhöhung der Maximalleistung zustande kommt.
Überdies gestattet das Gebläse 24 bei Ausfall der Gasturbinengruppe einen leistungsmässig beschränkten Notbetrieb des Dampferzeugers allein.
Die Lage der Eintrittsöffnungen 21 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel so gewählt, dass sich die Gase des Brenners 26 an den gasseitig stromoberhalb der Eintrittsöffnungen 21 liegenden Heizflächen 71, 72, 65 auf die Abgastemperatur der Gasturbine 10 abkühlen.
Dadurch kann an den gesamten Heizflächen zwischen dem Rauchgas und dem wärmeaufnehmenden Arbeitsmittel ein maximales Temperaturgefälle aufrecht erhalten werden, was zu deren Verkleinerung führt. Ebenso können diese Heizflächen verkleinert werden durch eine Erhöhung der Wärmeübergangszahl, was durch eine höhere Gasgeschwindigkeit erzielbar ist. Da durch die erfindungsgemässe Anordnung eines Gebläses der mit höherer Strömungsgeschwindigkeit verbundene Anstieg des Druckabfalls der Wirkungsgrad der Anlage nur unwesentlich beeinflusst wird, ist eine Geschwindigkeitserhöhung durch Zusammenrücken der Rohre der Heizflächen, die zudem zu einem kleineren Gesamtraumbedarf führt, überraschend günstig.
Der Gaszuführkasten 28 mit den Gasdurchtrittsöffnungen 29 dient dazu, im Falle nur geringen Dampfbedarfs im Netz 77 den Betrieb der Turbine 75 bei abgestellter Brennstoffzufuhr zum Brenner 26 aufrecht zu erhalten durch Vergrösserung der Gaszufuhr in die Brennkammer 40.
Wird die Zusatzfeuerung statt durch einen Brenner 26 durch einen nichtgezeichneten Muffelbrenner dargestellt, so kann die Brennkammer 40 zu einem Rauchgasverteilraum degeneriert werden.
Je nach den lokalen Bedingungen kann die Zweigleitung 14 statt an der Abgasleitung 12 auch stromunterhalb dieser Stelle angeordnet sein, im Extremfall zum Beispiel am Kamineintritt.
In diesem Falle würde eine Art Rauchgasumwälzung stattfinden.