-
Offene Verbrennungsturbinenanlage mit Gleichdruckverbrennung und wahlweiser
oder gleichzeitiger Erzeugung mechanischer und thermischer Energie Es sind offene
Verbrennungsturbinenanlagen mit Gleichdruckverbrennung wahlwei,se gasförmiger und
flüssigerBrennstoffebekannt, bei denen diethermische el Energie der Turb-in,enabgas,c
für die Erwärtnung der ZD verdichteten Brennluft oder bei Gasverbrennung des verdichteten
Brenngases genutzt wird. Für die Verbrennung flüssig-er Brennstoffe ist der Gasverdichter
auf Luftverdichtung urnschaltbar. Die von der Anlage abgegebene freie mechanische
Energie ist für den Antrieb eines Stromerzeugers genutzt; zugleich hesteht die Möglichkeit,
mit der Anlage Hochofendruck-Inft zu erzeug-en, welche dem Brennluftverdichter der
Anlage entnommen wird, wobei in Abhängigkeit von der entnommenen Hechofendruckluft
die erzeugte elektrische Energie abnimmt oder völlig entfällt. Es sind ferner Gasturbinenanlagen
mit offener Verbrennung von Gichtgas bekannt, bei denen die Turbinenabgase der einerZusatzbrennkammernachgeschalteten
öd-er ihrerseits als Zusatzbrennkammer gestalteten Heißgasseite eines Wärmeaustauschers
zuströmen, dessen Kaltgasseite zur Erwärmung von Hochofendruckluft dient. Die Nochofendruckluft
wird in einem von der Gasturbinenanlage angetriebenen und zugleich deren Brennluft
verdichtenden Verdichter erzeugt und du-rchströmt vor Erreichen des erwähnten Wärmeaustatschers
die Kaltgasseite eines zusätzlieben Wärmeaustauschers, dessen Heißgasseite von den
aus dem ersterwähnte.n Wärmeanstauscher kommendien Turbinenabgasen durchströmt wird.
Die mit Hilfe der thermis-,chen Energie der Turbinenabgase erhitzte Hochofendruckluft
wird gegebenenfalls über eine Heißluftturbine dem ersterwähnten Wärmeaustauscher
zugeführt, um sodann nach abermaliger Erhitzung in diesem dem Hochofen zuzuströmen.
-
Während bei den ersteren Verbrennungsturbinenanlagen ausschließI:i,--b
freie mechanische Energie für die Gewinnung von elektrischer Energie oder von Hochofendruckluft
erzeugt werden so,11 und die in den Turbinenabgasen restlich enthalten,.- ther-mis-che
Energie lediglich für die Vorwärrnung der Brennluft und gegebenenfalls auch des
Brenngasees für den Turbinenprozeß genutzt wird und während die letzteren Gasturbinenanlaggen
dazu dienen, gleichzeitig freie mechanische Energie für die Förderung und Verdichtung
der Hochofendruckluft sowie thermische Energie für die Erhitzung der Hochofendruckluft
zu erzeugen, besteht die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabenstell-ung in der
Schaffung einer Gasturbinenanlage zn mit Gleichdruckverbrennung, die für eine wahlweise
oder gleichzeitige Erzeugung freier mechanischer und thermischer Energie geeignet
sein scJl. Dabei knüpft die Erfindung an Gasturbinena-nlagen an, bei denen der Massendurchsatz
in der Turbine im wesentlichen glei,ch ist, unabhängig davon, ob die Anlage im einen
Falle ausschliießlich zur Erzeugung freier mechanischer Energie oder im anderen
Falile zur gleichzeitigen Erzeugung freier mechanischer und thermischer Energie
betrieben wird. Es ist bekannt, zu diesem Zweck hinter der Turbine in der Abgasleitung
hintereinander eine Zusatzbrennkammer zur Deckung eines durch die Abwärme der Turbinenabgase
nicht gedeckten Anteiles des Bedarfes an thermischer Energie und die Heißgasseite
eines Wärmeaustanschers anzuordnen, dessen Kaltgasseite zur Erhitzung von außerhalb
der Gasturbinenanlage verwendetem Nutzdruckgas dient. Erfindungsgemäß ist nun bei
derartigen bekannten Anlagen die Kaltgasseite des Wärmeaustauschers wahlwei,se auf
die Leitung für die verdichtete Brenn-Inft oder auf die Leitung für das Nutzdruckgas
umschaltbar a-us,-el>ildet. Ferner ist die Nlerdichtungsvorrichtung für das in der
Gasturbinenanlage benötigte Bren-ngas in mehrere parallel geschaltete einzelne Brenngasverdichter
unterteilt, von denen mindestens ein Brenngasverdichter wahlweiise auf Brennichtun-
oder auf Brennluftverdichtung um-"asverd t' schaltbar ausgebildet ist. Beim Betrieb
einer solchen Anlage für die gleichzeitige Erzeugung freier mechanischer und thermischer
Energie -werden alle Brenngasverdichter für die Verdichtung von Brenngas benutzt,
während beli ausschließlicher Erzeugung freier mechanischer Energie nur ein Teil
der Brenngasverdichter für die Verdichtung und Förderung des Brenngases zur Gasturhine
und der übrige Teil zusätzlich zum Brenn,luftverdichter zur Verdichtung von Luft
genutzt wird, die zusammen mit dex vom Brennluftverdichter verdichteten Luft der
Turbine zugeführt wird. Auf diese Weise bleibt der MassenduTchsatz in der
Turbine in. beiden Betriebsfällen im wesentlichen
in gleicher Größe
erhalten, so daß für beide Betriebst# -fälle ein guter Wirkuncr sgr ad de r Tu rhinenanlage
ge' ,eben ist. Darüber hinaus kann durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung die
Gasturhine in beiden Be-L iebsfällen ohne Schwierigkeiten geregelt werden. Ein weiterer
Erfindungseffekt besteht darin, daß ein und dieselbe Gasturbinenanlage für Bedarfsfälle
ein-, gesetzt L verden kann, in denen entweder nur eine der beiden Energieformen
oder beide Eilergieformen #i eichzeitig, nämlich freie mechanischeundthermische
Energie erzeugt werden sollen.
-
in weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Gasturbinen-Anlage
sind die vor der Turbine angeordnete Hauptbrennkammer oder eine oder mehrere und
Niederdruckbrennkammern sowie außerdem die Zusatzbrennkaminer zum wahlweisen oder
"gleichzeitigen Betrieb mit gasf5rmigen oder flüssigen Brennstoff-en eingerichtet.
Diese Einrichtung ist an sich bekannt. Der hierauf gerichtete Anspruch 2 soll keinen
selbständigen Schutz gewähren. Bei dieser Einrichtung sind sämtliche Brenngasverdichter
auf Brennluftverdichtung umschaltbar zu dem Zwecke, bei Verwendung flüssiger Brennstoffe
die gesamte Vorrichtung zur Verdichtung des Brenngases auf zusätzliche Brennluftverdichtung
umschalten zu können.
-
In weiterer Ausbildung der Erfindung sind der auf die Kaltgasseite
des Wärmeaustauschers schaltbare Teil der Brennluftleitung und die Hochdruckbrennkammer
parallel geschaltet. Hierdurch wird erreicht, daß im Betriebsfall der ausschließlichen
Erzeugung freier mechanischer Energie die dem Eingangsteil der Turbine vorgeschalteteHochdruelzbreinikammer
außer Betrieb gesetzt werden kann. Mithin kann die vom Brennluftverdichter und die
von dem oder den Brenngasverdichtern verdichtete Luft unter Umgehung der C,
Z>
Hochdruckbrennkammer dem Wärmeaustauscher zugeführt werden, um sodann entweder
als Heißluft unmittelbar dem Eingangsteil der Turbine oder der Nochdruckbrennkamnier
zuggeleitet zu werden.
-
,Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist parallel zur Zusatzbrennkammer
eine überströrnleitung angeordnet, um bei- Verwendung flüssiger Brennstoffe und
ausschließlicher Erzeugung freier mechanischer Ener-ie die Turbinenab-ase unter
Umgehung der Zusatzbrennkammer unmittelbar dein Wärmeaustauscher zuleiten zu können,
von, wo aus sie zur '.L\rutzung ihrer Restwärme einer entsprechenden Einrichtung
beliebiger Art zuströmen kann.
-
Der Erfindungsgegenstand ist in den Abbildungen ineinem Ausführungsbeispiel
für die wahlweise Verhrennung gasförmiger und flüssiger Brennstoffe und für eine
wahlweise Erzeugung elektrischer Energie oder erhitzten Hochofenwindes dargestellt,
und zwar zeigt Abb. 1 die für einen Betrieb mit Brenngas eingestellte Anlage
in der für die Erzeugung erhitzten Hochofenwindes gegebenen Schaltung, Abb. 2 die
Anlage gemäß Abb. 1, jedoch in der Schaltun- für die Erzeugung elektrischer
Energie, Z> 23 el Abb. 3 die Anlage gemäß Abb. 1 bei Betrieb
mit flüssigem Brennstoff für die Erzeugung erhitzten Hochofen-windes Abb. 4 die
Anlage gemäß Abb. j in der Schaltung Für die Erzeugung e121,trischer Energie.
-
In allen Abbildungen bezeichnet 1 einen Brennluftverdichter,
2a und 2b einen meh.rteiligen Brenngasverdichter, welche die Hilfsmaschinen
zu der Brenn-,zr"f't--,L,rbine darstellen, die beim Ausführungsbeispiel zweistufig
init den Stufen 4 und 4' und den Hoch-bzw. --\,iederdruclzbrennlzammern3 und
3' ausgebildet ist. je nach- den bei den Brenngas- und Brennluftverdichtern
und bei den Turbinenstufen durch entsprechende Werkstoffe und bauliche Gestaltung
je-
weils erreichbaren Wirkungsgraden kann auch eine einstufige- oder drei-
odier niehrstufige, Turbine Anwend-ung finden.
-
Die Turbine ist wahlweise kuppelbar mit den Empfängern 14 und
16 für die freie mechanische Leistung, die beim Ausführungsbeispiel durch
ein Gebläse- 14 für den Hochofenwind (Nutzdruckgas) oder einen elektrischen Generator
16 gebildet werden. Ferner enthält die Anlage einen Wärmeaustausther
6, welcher kontinuierlich betrieben wird.
-
Der Heißgasseite des Wärmeaustauschers 6 ist eine Zusatzbrennkammer
5 vorgeschaltet.
-
Wir#d die Anlage für die Erzeugung von Hochofenwind betrieben, so
fördert der Brennluftverdichter 1
sowie der Hochdruckteil des an eine Gichtgasleitung
angeschlossenen Brenngasverdichters 2 b in die Hochdruckbrennkammer
3. Das hier durch Verbrennung erzeugte Brenngemisch leistet in der Turhinenstufe
4 und nach Zwischenverbrennung in der Niederdruckbrennkammer 3', die zu diesem
Zwecke aus dem Niederdruckteil 2a des Brenngaisverdichters zusätzliches Brenngas
zugefördert erhält, in der Turbinenstufe 4' mechanische Arbeit und strömt als Turbinenabgas
der Zusatzbrennkammer 5 zu. Der Zusatzbrennkammer 5 strömt aus der
Gichtgasleitung Brentigas zu, welches mit dem Luftüberschuß in den Turbinenabgasen
verbrannt wird. Aus der Zusatzbrennkammer 5 strömen die so aufgeheizten Turbinenabgase
der Heißgasseite des Wärmeaustauschers 6 zu und gelangen von dort ins Frei--
oder zu sonstigen Einrichtungen, in denen die Restwärme verwertet wird, ohne daß
hierdurch der Verbrennungsprozeß in der Turbine oder der Wäxmea-us!tausch im Wärmeaustauscher
6
beeinflußt werd-en.
-
Der durch das Gebläse 14 geförderte Hochofenwind gelangt zur Kaltgasseite
des Wärmeaustauschers 6
und wird von diesem durch die aufgeheizten Turbinenabgase
auf die für den Hochofenbetrieb erforderliche Temperatur erhitzt.
-
Solli die mit Gichtgas betriebene Anlage statt zur Erzeugung von Hochofenwind
zum Antrieb eines elektri-schen Generators benutzt werden, so wird, wie in Abb.
2 dargestellt, das Gebläse 14 durch eine
Kupp-
lung
15 von der Turbine
antriebsmäßig getrennt und statt dessen ein elektrischer Generator
16 mit
der Turbine getriehlich verbunden. Ferner wird die Luft des Brennluftverdichters
1 unddes nunmehr auf Luftförderung geschalteten Hochdruckteils 2
b des Brenngasverdichters unter Umgehung der Hochdruckbrennkammer
3 der Kaltgasseite des Wärmeaustauschers
6
zugeführt, von wo aus sie
wiederum unter Umgehung der Brennkammer
3 als Heißluft der Turbinenstufe
4 zuströmt. Demzufolge wird die Turbinenstufe 4 lediglich mit Heißluft betrieben,
die nach Verrichtung mechanischer Arbeit in der Niederdruckbrennkammer
3' unter Zufuhr von Gichtgas aus dem Niederdruckteil 2a des Brenngasverdichters
aufgeheizt und der Turhinenstufe 4' zugeführt wird. Die aus der Turbinenstufe 4'
austretenden Abgase werden wiederum nach Aufheizu.ng mit Gichtgas in der Zusatzbrennkammer
5 der Heißgasseite des Wärmeaustauschers
6 zugeleitet und dienen somit
zur Er-
| hitzun-- der der Turbinenstufe 4 zuströmenden |
| 2D EI-CZ-qm |
| luft. Vom Wärmeaustauschür 6 gelangen sodann
`I'm |
| ue71. |
| Turbinenabgase, wie bercit., beschrieben, ins FreW' |
| oder in eine Einrichtung zur Nutzung der Abg# |
| wärine. |
Gemäß Abb.
3 ist die Anlage mit einer Kraftstoffpumpe
17 versehen, aus der die Brennkammern
3 -.
3'
und
5 an Stelle des Brenngases mit Kraftstoff versorgt -,verden können. Beim
Betrieb mit Kraftstoff werden der Niederdruckteil 2a und der Hochdruckteil
2b des Brenngasverdichters auf Luftförd.2rung gesc etrieb zur
, -haltet.
Soll die Anlage bei Kraftstoffb Erzeugung von Hoöliofenwind benutzt werden, so ist
das Gebläse 14 mit der Brennkraftturbine gekuppelt, und es wird Kraftstoff in die
Brennkamniern
3,3'
und
5 eingespritzt, so, daß die Anlage im übrigen,
wie zu Abb.
1 beschrieben, betrieben wird.
-
Wenn indessen die mit Kraftstoff betriebene Anlage statt zur Erzeugung
von Hochofenwind zum Be-trieb des Generato#rs 16 für die Erzeugung
elektrischen Stromes verwendet -,verden soll, so wird nach Trennung des Gebläses
14 von der Brennkraftturbine und ihrer getrieblichen Verbindung mit dem Generatc>r
16 die Luft aus dem Brennluftverdichter zusammen mit der Luft aus dem Hochdruckteil
des Brenngasverdichters der Kaltgasseite des Wärmeaustauschers 6 zugeführt,
und sie gelangt von hier in die Brennkammer 3, wo sie unter Zumischung von
Kraftstoff verbrannt und in die Turbinenstufe 4 geführt wird. Nach Verrichtung mechanischer
Arbeit in der Turbinenstufe 4 erfolgt mit Kraftstoff eine Zwischenverbrennung in
der Brennkammer 3' und sodann eine weitere Verrichtung mechanischer Arbeit
in der Turbinenstufe 4'. Die aus der Turbinenstufe 4' austretenden Turbinenabgase
werden unter Umgehung der Zusatzbrennkammer 5 der Heißgasseitedes Wärmeaustauschers
6 zugeführt und erhitzen in diesem die der Brennkammer 3 zuströmendie
Luft. Die Turbinenabgase gelangen nach Durchströmen des Wärmeverbrauchers
6 ins Freie oder in eine die Ab-.,asrestwärme nutzende Ei nrichtung, die
indessen den Turbinenprozeß sowie den Wärmeaustausch im Wärmeaustauscher
6 nicht beeinflußt.
-
Das Ausführungsbeispiel läßt erkennen, daß bei Betrieb der Anlage
mit Gichtgas oder mit Kraftstoff für die Deckung eines gegebenen mechanischen und
thermischen Leistungsbedarfes wie auch beim Betrieh der Anlage für die Deckung eines
ausschließlich mechanischen Leistungsbedarfs der Massendurchsatz in der Turbine
gleichermaßen groß ist. Es ist ferner erreicht, daß die Anlage in allen Betriebsfällen
mit gutem Wirkungsgrad gefahren werden kann. Dabei kann für den Verbundbetrieb eines
mechanischen Leistungsempfängers und eines Wärmeaustauschers die Anfage so ausgelegt
werden, daß der Turbinenprozeß und der hieran angeschlossene Erhitzungsprozeß im
Wärmeaustauscher so zusammenarbeiten, daß die Hochofenwinderzeugung ohne wesentliche
Verluste erfolgt.
-
Es liegt im Rahmen der Erfindung, den Wärmeaustauscher 6 statt
kontinuierlich auch, intermittierend in Wechselschaltung zu betreiben, beispielsweise
in Art der üblichen Winderhitzer bei Hochofenanlagen. Ferner liegt es im Rahmen
der Erfindung, den gleichen oder auch andere als die veranschaulichten Energieempfänger
für die vonderTurbine abgegebene mechanis,che Energie beim Betrieb mit oder ohne
Wärmeaustauschier zu verwenden.
-
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung ermöglicht dem Herstellerbetrieb,
für Bedarfsfälle, in denen die Anlage nur für einen Verbundbetrieb von Leistungsempfängern
und Wärmeaustauschern oder für einen ausschließlichen Betrieb von Leistungsempfängern-
zu liefern sind, die gleichen A:nlagenelemente zu verwenden, so, daß die Erfindung
auch in dieser Beziehung eine Kostenersparnis bringt.