DE1065666B

DE1065666B - Kombinierte Gasturbmen-Dampferzeugungsanlage zur Lieferung sowohl von Wärmeenergie als auch mechanischer Leistung

Info

Publication number: DE1065666B
Application number: DENDAT1065666D
Authority: DE
Inventors: Charles Barr Ascot Berkshire John (Großbritannien)
Original assignee: Power Jets (Research &. Development) Limited London
Priority date: 1951-09-28
Publication date: 1959-09-17
Also published as: US2717491A

Description

Die Erfindung betrifft zum Liefern sowohl von Wärme als auch von mechanischer Leistung dienende kombinierte Gasturbinen-Dampferzeugungsanlagen.

Seit einer Reihe von Jahren werden Rückdruck-Dampfturbinen und Abdampfkessel benutzt, um von heißen Arbeitsmitteln Energie abzunehmen, welche sonst verlorengehen würde. Wärme ist mittels solcher Hilfsanlagen dazu benutzt worden, um beispielsweise zur Raumbeheizung oder zur örtlichen elektrischen : _: Stromerzeugung zu dienen, welch letztere ganz oder teilweise die Bedürfnisse des jeweiligen Unternehmens abdeckte. In den letzten Jahren hat sich in diesen Fällen immer mehr die Gasturbinenanlage durchgesetzt, und eine Anzahl von Anlageformen, welche Gasturbinen aufweisen, sind entwickelt worden.

Eine Gasturbinenanlage in Verbindung mit einem Dampferzeuger in einer gemeinsamen Anlage zeichnet sich regelmäßig durch einen hohen thermischen Wirkungsgrad aus. Zweck der Erfindung ist die Schaffung einer zum Liefern sowohl von Wärme als auch von mechanischer Leistung dienenden kombinierten Gasturbinen-Dampferzeugungsanlage mit hohem thermischem Wirkungsgrad, welche im Betrieb außerdem sehr anpassungfähig ist.

Anlagen, welche sowohl Wärmeenergie als auch mechanische Leistung zu liefern vermögen, sind bereits bekannt. So arbeitet eine dieser Wärme und Leistungen abgebenden Gasturbinen-Dampferzeugungsanlagen in der Weise, daß Luft, welche den Kompressor verläßt, durch die Lufterhitzer hindurch nach der Turbine gelangt, welche Wellenleistung bzw. mechanische Leistung abgibt. Die expandierte Luft strömt darm durch einen Vorwärmer nach dem Kessel und daraufhin durch den Lufterhitzer, um dadurch die vom Kompressor kommende Luft zu erwärmen. Parallel zur Turbine liegt ein Nebenschluß mit einem Ventil. In dieser Anlage sind jedoch irgendwelche Mittel zur Aufrechterhaltung der Wärme nicht vorgesehen. Daher kann diese Anlage nicht so betrieben werden, daß die Dampfabgabe verändert wird, ohne gleichzeitig auch die Wellenleistung verändern zu müssen. Wenn der Kessel nicht geheizt wird, ist keine Wärme zum Vorwärmen des Gases bzw. Arbeitsmittels vorhanden, welches durch die Turbine strömt; daher sinkt die Wellenleistung ab.

Bei einer weiteren bekannten Gastürbinen-Dampferzeugungsanlage ist keine Nebenschlußleitung mit regelbarem Drosselventil vorgesehen, durch welche der Kompressor unmittelbar mit der Feuerung des Dampfkessels der Anlage in Verbindung zu bringen ist. Auch bei dieser bekannten Anlage kann somit das Dampferzeugungsvermögen des Kessels nicht ohne Änderung der Wellenleistung verändert werden. Wenn aber durch irgendwelche Mittel die Wellenleistung :

Kombinierte Gasturbinen-Dampf erzeugungs anlage zur Lieferung

sowohl von Wärmeenergie
als auch mechanischer Leistung

Anmelder:

Power Jets (Research & Development)
..; Limited, London

Vertreter: Dipl.-Ing. E. Schubert, Patentanwalt,
Siegen (Westf.), Oianienstr. 14

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 28. September 1951

John Charles Bari, Ascot, Berkshire (Großbritannien), ist als Erfinder genannt worden

der Gasturbine verändert werden soll, so hat dies hier auch noch eine Änderung der Dampferzeugungskapazität des Kessels zur Folge, da diese von der Gasturbine abhängig ist, welche Brennluft nach der Dampfkesselfeuerung liefert. .

Zweck der Erfindung ist die Schaffung einer kombinierten Gasturbinen-Dampferzeugungsanlage, bei welcher es möglich ist, auch das Dampferzeugungsvermögen des Kessels zu ändern, ohne daß sich die Wellenleistung ändert.

Die Erfindung geht dazu aus von einer kombinierten Gasturbinen-Dampferzeugungsanlage zur Lieferung sowohl von Wärmeenergie als auch mechanischer Leistung, die eine Gasturbinenanlage aufweist, welche mechanische Wellenleistung abgibt und deren abströmendes Arbeitsmittel einer Dampferzeugungsfeuerung als Verbrennungsluft zugeführt wird, wobei zwischen Verdichter und Turbine der Gasturbinenanlage eine Wärmezufuhreinrichtung für das Arbeitsmittel vorgesehen ist, deren Wärmebedarf während des Normalbetriebs wenigstens teilweise durch die Abgase der Dampferzeugerfeuerung als wärmeabgebendes Medium gedeckt wird, und wobei ferner eine Nebenschluß verbindung mit einer regelbaren Drosselvorrichtung vorhanden ist, welche eine vorbestimmte Teilmenge des Gasstromes im Nebenschluß unter Umgehung der Gasturbine unmittelbar in den Gasturbinenauslaß gelangen läßt, so daß dadurch die erzeugte Wellenleistung ohne wesentliche Beeinflussung der Dampferzeugung veränderbar ist. Gekennzeichnet ist die Erfindung dadurch, daß eine Brennkammer zwi-

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sehen der Wärmezufuhreinrichtung und dem Dampferzeuger zur Aufrechterhaltung des Wärmegehalts der Abgase der Dampferzeugerfeuerung vorgesehen ist, so daß dadurch auch die Dampferzeugung ohne wesentliche Beeinflussung der Wellenleistung veränderbar ist. Der vom Kessel erzeugte Dämpf wird, nachdem er einem Wärmeverbraucher zugeführt und in einem Kondensator verflüssigt worden ist, als Speisewasser nach dem Kessel· bei einem Ausführungsbeispiel der

dort zurück über die Speiseleitung 10 nach dem Kessel zu fließen. Die beiden Turbinen 4 und 11 sitzen, wie dargestellt, auf der gleichen Weile, wobei die Leistung, . welche diejenige übersteigt, die für den Antrieb des ■5 Verdichters 2 notwendig ist, für den Antrieb des Generators 14 zur Verfügung steht.

Zwecks Berücksichtigung des unvermeidlichen Wasserverlustes im Dampf umlauf kreis ist eine Wärmepumpe in Form eines mit einem Kompressor betriebe-

Erfindung zurückgefördert. Bei einem anderen Aus- io nen Verdampfers zwischengeschaltet, wobei der Verführungsbeispiel der Erfindung ist eine Dampfturbine dichter 15 entweder über eine mechanische oder elekzwischengeschaltet, wobei der vom Kessel gelieferte trische Kupplung von der Hauptwelle her angetrieben Dampf unmittelbar, und zwar vor der Abgabe an den wird. Der Verdampfer benötigt für seinen Betrieb Wärmeverbraucher dieser zugeführt und eine zusatz- eine Verdampfungskammer 16, in welcher eine Heizliche Wellenleistung erzeugt wird. Zum Ersatz von 15 spirale 17 sitzt. Der Verdichter hält die Kammer auf Wasserverlusten im Dampf kreislauf wird Speise- einem geringeren Druck als den Verdichterauslaß, so wasser zusätzlich zu dem in den Kessel durch den daß dann, wenn die Kammer zunächst erwärmt wird, Geschlossenkreis zurückgeförderten Kondensat züge- beispielsweise durch Leistungszufuhr von außen her, setzt, um ein dauerndes Arbeiten der Anlage sicher- der Wasserdampf von der Kammer abgezogen und im zustellen. Dieses Speisewasser wird von einer als 2° Verdichter verdichtet wird. Die Kondensationstempe-Wärmepumpe ausgebildeten Wasseraufbereitungs- ratur des Dampfes wird erhöht und dieser Dampf mit anlage geliefert, wobei ein Teil der Wellenleistung höherem Druck wird durch die Heizspirale 17 hindazu benutzt wird, diese Wärmepumpe anzutreiben. durchgeschickt. Latente Wärme wird dem Stoff in der

Für die im vorausgehenden Absatz erläuterten zu- Verdampfungskammer, der beliebiger Art sein kann, sätzlichen Maßnahmen zur Ausgestaltung des Erfin- 25 übermittelt und auf diese Weise Wärme in den Kreisdungsgegenstandes wird jedoch kein selbständiger lauf rückübertragen. Nachdem der Kreislauf erst einSchutz beansprucht. · mal zum Entstehen gebracht worden ist, hält die dem Es können zwei oder mehr Verdichter vorgesehen Kompressor zugeführte Leistung den Arbeitsgang werden, wobei jeder durch seine eigene Gasturbine an- dauernd aufrecht. Das abgegebene Kondensat wird, getrieben wird. Zwischen den Verdichtern kann die 3° wie dargestellt, entweder abgeführt, um Nutzarbeit zu Luft durch. Zwischenkühlvorrichtungen hindurchgeschickt werden, während ein Wiedererhitzen zwischen den verschiedenen Gasturbinen stattfinden kann.
Die Erfindung soll nunmehr ausführlicher an Hand
der Zeichnung erläutert werden, die verschiedene Aus- 35
führungsbeispiele derselben wiedergibt.

In der Zeichnung sind die Rohrleitung oder Stutzen
durch einfache Linien angedeutet, wobei Pfeile an
bzw. in diesen Linien die Richtung des Arbeitsmittelstromes wiedergeben. Die Arbeitsmittel-Hauptströ- 40 Leistung abfällt. Auch für den entgegengesetzten Fall mung durch die Anlage hindurch ist durch voll aus- muß Vorsorge getroffen werden. Wenn die elektrische gezogene Linie angedeutet. Leistung beibehalten werden soll und die Anlage 12

Luft tritt über die Leitung oder den Stutzen 1 ein Dampf nicht in solcher Menge benötigt, wie dies vor- und wird durch den Verdichter 2 verdichtet. Die ver- her der Fall war, dann wird die Brennstoffzufuhr zum dichtete Luft wird im Lufterhitzer bzw. -vorwärmer 3 45 Kessel hin gedrosselt, oder einige der Brenner werden erwärmt und zurück in die Turbine 4 geschickt, in abgeschaltet. Zur gleichen Zeit wird eine Brennkammer welcher sie sich entspannt. Die Turbine und der Ver- entweder an der Stelle 19 oder an der Stelle 20 in Bedichter sitzen auf der gleichen Welle, wobei der Ver- trieb gesetzt. Ist die Brennkammer an der Stelle 19 dichter von der Turbine angetrieben wird. Die Abluft, angeordnet, dann wird die Heißluftzufuhr von der welche immer noch heiß ist, gelangt vom Auslaß der 50 Turbine 4 her vom Kessel abgeschaltet, welcher abge-Turbine über eine Leitung 5 nach einem Kessel 6. getrennt oder in seinem Betrieb herabgesetzt werden Brennstoff,-zweckmäßig Öl, wird nach Brennern im -kann,<und die·Wärmezufuhr zur Luft, welche für den Kessel, bei 7 angedeutet, gefördert. Heiße Gase aus Betrieb des Lufterhitzers benötigt wird, wird von der dem Kessel strömen durch den Lufterhitzer 3 und von Brennkammer bewirkt. Alternativ kann die Dampfdort in den Speisewasservorwärmer 8. Gase, welche 55 erzeugung in etwa beibehalten werden, wenn die diesen Vorwärmer verlassen, haben nur einen gerin- Brennkammer an der Stelle 20 vorgesehen wird, wo gen Wärmegehalt und werden in die Außenluft über sie die Zusatzwärme liefert, welche für den Luftdie Leitung 9 ausgestoßen. erhitzer benötigt wird.

Wasser wird in den Kessel über die Rohrleitung 10 Nimmt die Anforderung^: an elektrischer Leistung,

gefördert, und der vom Kessel entwickelte Dämpf 60.. welche örtlich benötigt wird, oder an mechanischer wird einer Dampfturbine 11 zugeführt, wo er Nutz- Leistung, die von der Welle abgenommen wird, ab, so arbeit leistet. Nach dem Verlassen der Turbine 11 ist es möglich, Leistung in das Netz abzugeben. Alterwird der Dampf als Wärmequelle in einem beliebigen nativ kann die örtliche Leistungserzeugung dadurch industriellen Arbeitsgang, beispielsweise in einem herabgesetzt werden, daß man Luft im Nebenschluß Trocknungs-Arbeitsgang, verwertet, wobei dies schau- 65 zur Turbine 4 über die Leitung 21 strömen läßt. Diese bildlich bei 12 angedeutet ist. Naßdampf oder Wasser. Leitung kann über ein Ventil 22 gesteuert werden. Die wird, aus diesem Arbeitsverfähren kommend, ge- Dampferzeugung wird dadurch nicht wesentlich beeinsammelt und über einen Kondensator, rückgefördert, flußt. Ein erheblicher Teil des Wärmeinhalts der Luft, falls dieser notwendig ist, um über Rohrleitung 13 . welche in dieser Weise umgeleitet wird, wird im Kessel nach dem Speisewasservorwärmer zu strömen und von 70 und im Lufterhitzer zurückgewonnen, so daß das Ab

leisten, beispielsweise in Form von warmem Wasser, oder es wird über die Rohrleitung 18 gefördert, um als Ausgleich für das Speisewasser zum Kessel hin zu dienen.

Eine Betriebsanpassungsfähigkeit ist bei allen Anlagen dieser Art von Wichtigkeit, so daß der Verbraucher nicht der Notwendigkeit ausgesetzt ist, die Lieferung von verdichtetem Dampf jedesmal dann herabzusetzen, wenn die zu erzeugende elektrische

sinken des Wirkungsgrades verhältnismäßig klein ist. Eine ungefähre Berechnung des thermischen Wirkungsgrades, welcher bei einer kombinierten Wärme- und Wellenleistungs-Lieferungsanlage gemäß der Erfindung zu erwarten ist, ist unten aufgeführt. Bei der Durchführung dieser Berechnung wurde die Dampfturbine weggelassen, und es wurde unterstellt, daß der gesamte Dampf vom Kessel her unmittelbar dem Prozeß 12, der schaubildlich in der Figur angedeutet ist, über die Nebenschlußleitung 23 zugeführt wird.

? Z% ^fT^-if· I' ···,·■■· ^50 ^kcal/kg Luft-Kohle-Verhaltnis im Kessel... 20:1

= —80%

Maximale Differenz zwischen

Gas- und Lufttemperatur
Kompressorwirkungsgrad

(polytropisch) 86%

Gasturbinenwirkungsgrad

(polytropisch) 86%

Turbineneinlaßtemperatur 700° C

Bei Zugrundelegung dieser Annahmen hat sich herausgestellt, daß der thermische Gesamtwirkungsgrad ungefähr 75% ist. Der Kesselwirkungsgrad, der benötigt wird, wurde zu etwa 70% ermittelt. Für 1000 kW elektrischer Leistung beträgt der Anlagen-Dampfverbrauch bei 2,1 kg/cm² Manometerdruck und 8,3° C Überhitzung etwa 15 t/h. Das Verhältnis von Wellenleistung zu erzeugter Dampfmenge könnte natürlich dadurch erhöht werden, daß die Dampfturbine, wie in der Zeichnung dargestellt, zwischengeschaltet wird. .

Der in der Zeichnung dargestellte Anlagenaufbau erfordert keine außergewöhnliche Anlagenausrüstung. Die Dampfanlage ist die übliche. Dabei wird jedoch durch die Verdichtung der zugelieferten Warmluft die benötigte Brennstoffmenge herabgesetzt. Der Lufterhitzer kann ein einfacher Wärmeaustauscher sein, wie er bereits bei anderen Gasturbinenanlagen zur Anwendung gekommen ist.

Wenn auch die verfügbare Wellenleistung beim vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel dazu benutzt werden kann, einen elektrischen Generator anzutreiben, so ist es doch offensichtlich, daß die mechanische Ausnutzung der entwickelten Leistung ebenfalls innerhalb des Bereichs des. Erfindungsgedankens liegt. Die beschriebene Anlage kann so abgeändert werden, daß die Luftturbine durch eine Gasturbine ersetzt wird, wobei eine Brennkammer 24 zwischen dem Lufterhitzer 3 und der den Verdichter antreibenden Turbine vorgesehen wird. Ein solches System.kann ,mit .der ,üblichen Praxis in Vergleich gesetzt werden, bei welcher eine Dieselmaschine für die Leistungserzeugung und ein Kessel für die Dampferzeugung benutzt werden. Wenn auch die Gasturbinenanordnung eine größere Menge Brennstoff für die Brennkammer benötigt, als dies bei einer Dieselmaschine der Fall ist, so wird die Brennstoffmenge, welche im Kessel benötigt wird, herabgesetzt, weil die Wärmemenge, welche im Ausgang von der Gasturbine her verbleibt, dorthin übertragen wird. Die Dieselmaschine verschwendet .60 bis 65% ihrer ,Wärmeenergie im Kühlwasser und Auspuff, und dieser Verlust kann durch den vorumschriebenen Vorschlag vermieden bzw. herabgesetzt werden.

Um Beschreibung und Zeichnungen zu vereinfachen, ist unterstellt worden, daß die Luftverdichtung in

einer einzigen Stufe erfolgt. Dies ist jedoch nicht immer notwendig, und die Verdichtung in zwei oder mehr Stufen mit Kühlung zwischen den Stufen kann zur Anwendung kommen. Eine den Verdichter antreibende Turbine wird dann vorzugsweise jeder Stufe zugeordnet, und eine AViedererwärmung bzw. Wiedererhitzung zwischen den Turbinenstufen könnte dann zur Anwendung kommen.

Claims

.Patentansprüche:

1- Kombinierte Gasturbinen-Dampferzeugungsanlage zur Lieferung sowohl von Wärmeenergie als auch mechanischer Leistung, die eine Gasturbinenanlage aufweist, welche mechanische Wellenleistung abgibt und deren abströmendes Arbeitsmittel einer Dampferzeugerfeuerung als Verbrennungsluft zugeführt wird, wobei zwischen Verdichter undTurbine der Gasturbinenanlage eine AYärmezufuhreinrichtung für das Arbeitsmittel vorgesehen ist, deren Wärmebedarf während des Normalbetriebs wenigstens teilweise durch die Abgase der Dampferzeugerfeuerung als wärmeabgebendes Medium gedeckt wird, und wobei ferner eine Nebenschlußverbindung mit einer regelbaren Drosselvorrichtung vorhanden ist, welche eine vorbestimmte Teilmenge des Gasstromes im Nebenschluß unter Umgehung der Gasturbine unmittelbar in den Gasturbinenauslaß gelangen läßt, so daß dadurch die erzeugte Wellenleistung ohne wesentliche Beeinflussung der Dampferzeugung veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Brennkammer (20) zwischen der Wärmezufuhreinrichtung (3) und dem Dampferzeuger (6) zur Aufrechterhaltung des Wärmegehalts der Abgase der Dampferzeugerfeuerung vorgesehen ist, so daß dadurch auch die Dampferzeugung ohne wesentliche Beeinflussung der Wellenleistung veränderbar ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Kessel gelieferte Dampf einem Wärmeverbraucher (12) zugeführt wird, von dem er nach Verflüssigung in einem Kondensator über einen Speisewasservorwärmer (8) zurück nach dem Kessel strömt.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Kessel gelieferte Dampf vor der Abgabe an den Wärmeverbraucher (12) in einer Dampfturbine (11) entspannt wird, welche zusätzliche Wellenleistung liefert.
4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ersatz von Wasserverlusten im Dampfkreislauf Speisewasser zusätzlich zu dem vom Kondensator kommenden, von einer als Wärmepumpe (15, 16, 17) ausgebildeten Was-Seraufbereitungsanlage geliefert wird, wobei ein Teil der von der Anlage gelieferten Wellenleistung zum Antrieb des Kompressors der Wärmepumpe dient.

In Betracht gezogene Druckschriften:
. Deutsche Patentschrift Nr. 803 501;

schweizerische Patentschriften Nr. 254 066,
689, 239167, 235114, 226 746, 177 021;
. »Die Wärme«, 59. Jahrgang, Nr. 9 vom 29. 2. 1936, S. 158. : .

In Betracht gezogene ältere Patente:
Deutsches Patent Nr. 869 449.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen