DE1074326B - Wärmekraftanlage - Google Patents

Wärmekraftanlage

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DE1074326B
DE1074326B DE1956S0051066 DES0051066A DE1074326B DE 1074326 B DE1074326 B DE 1074326B DE 1956S0051066 DE1956S0051066 DE 1956S0051066 DE S0051066 A DES0051066 A DE S0051066A DE 1074326 B DE1074326 B DE 1074326B
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Berlin-Spandau Dipl.-Ing. Martin Eule
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Siemens Schuckertwerke AG
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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
    • F02C6/00Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas- turbine plants for special use
    • F02C6/003Gas-turbine plants with heaters between turbine stages
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01KSTEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K23/00Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
    • F01K23/02Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
    • F01K23/06Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle
    • F01K23/10Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle with exhaust fluid of one cycle heating the fluid in another cycle
    • F01K23/103Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle with exhaust fluid of one cycle heating the fluid in another cycle with afterburner in exhaust boiler

Description

  • Wärmekraftanlage Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmekraftanlage, bei der ein Dampferzeuger mit einem Gaskraftaggregat, insbesondere mit einer Gasturbine vereinigt ist.
  • Zur Durchführung solcher Verbundprozesse ist es bereits bekannt, den Dampfprozeß und den Gasturbineriprozeß in bestimmter Weise miteinander zu verbinden. Zum Beispiel wird beim sogenannten Aufladeprozeß die Verbrennungsluft für den Kessel durch einen von einer Gasturbine angetriebenen Kompressor auf Druck gebracht und im Kessel mit zugeführtem Brennstoff verbrannt. Nach Abgabe der Verbrennungswärme im Kessel treten die verbrannten Rauchgase in die Gasturbine ein und -eben dort einen Teil ihrer Energie ab. Anschließend gelangen sie in den Economiser des Kessels, wo die. Restwärme der Rauchgase abgegeben wird. Der im Dampfkessel erzeugte Dampf dient in der üblichen Weise zum Antrieb der Dampfturbine.
  • Ferner kann man einem Dampferzeuger einen Gasturbinenprozeß nachschalten. Hierbei wird die Verbrennungsluft von einem durch eine Luftturbine angetriebenen Kompressor auf Druck gebracht und dann durch den Kessel-Abgas-Luftvorwärmer geführt. Danach tritt die auf Temperatur gebrachte Luft in die Luftturbine ein.
  • Bei einem bekannten Verfahren zum Betrieb einer Dampf-Luft-Wärmekraftanlage soll die nicht für die Dampferzeugeranlage benötigte Abluft der Luftturbine in durch ein verstellbares Drosselorgan in diesem Zweig der Abluftleitung regelbarer Menge einem Wärmetanscher zugeführt werden, der die Abluftwärme an verdichtete Frischluft überträgt und die im Luftüberhitzer weitgehend vorgewärmte Arbeitsluft in einer zusätzlichen Brennkammer auf die Endtemperatur erhitzt. Auf diese Weise sollen Verdichter und Luftturbine auch bei Teillast stets im günstigsten Punkt ihres Kennfeldes arbeiten.
  • Bei einem solchen Verfahren kann aber die Herabsetzung der Temperatur der dem Wärmetauscher und dem Kessel zugeführten Gasströme nicht auf einen Punkt getrieben werden, der unterhalb der Luftaustrittstemperatur aus der letzten Verdichterstufe liegt. Er wird im Gegenteil mindestens 100' C über dieser Temperatur liegen, so daß die ganzeAbgastemperatur aus dem Kessel mindestens 250' C betragen muß.
  • In einem anderen bekannten Fall wird ein für die Dampferzeugungsanlage nicht benötigter Teil der Abluft der Luftturbine bei Teillast über ein Ventil zwar den Kesselabgasen vor dem den Verdampferheizflächen innerhalb des Kessels nachgeschalteten Lufterhitzer zugemischt, jedoch in der Absicht, die Temperatur der Kesselabgase in der einen oder anderen Richtung korrigierend zu beeinflussen, d. h. die Zumischung erfolgt hier also hinsichtlich Ort und Zeitpunkt gerade so, daß die beiden Gasströme dort eben nicht gleiche Temperatur haben können und sollen.
  • Durch die vorliegende Erfindung werden die Ab- gase im Dampfkessel so ausgenutzt, daß sich ein optimaler Wirkungsgrad für die gesamte Anlage ergibt. Die Erfindung besteht bei einer Wärmekraftanlage mit Aufteilung des Abgasstromes von hohem Luftüberschuß zwischen Gasturbinenauslaß und Dampferzeugerfeuerungseintritt in mindestens zwei Teilgasströme, von denen nur einer der Verbrennung mit geringem Luftüberschuß innerhalb des Dampferzeugers zugeführt wird, darin, daß zur Erzielung einer optimalen Verbrennung und zur Herabsetzung der Abmessungen der Kesselheizflächen einerseits die Teilstrommenge für, den Dampferzeugerverbrennungsraum, entsprechend einem an sich bekannten Luftüberschuß im Kessel von 1,1 bis 1,3 bemessen wird und andererseits die restliche Gasmenge dem Kessel erst an solchen Stellen zugeführt wird, an denen der jeweils abgesunkene Temperaturwert der Kesselrauchgase etwa gleich der Temperatur der Restgasmenge ist.
  • Bekanntlich geht die Verbrennung im Kessel mit einem gewissen Luftüberschuß, der bei Kohlenstaubfeuerungen zumeist in den Grenzen von 1,1 bis 1,3 liegt, -% or sich. Es sind nun beim Anbau einer Gasturbinenanlage an eine schon bestehende Kesselanlage dadurch Schwierigkeiten entstanden, daß die sehr großen Durchflußmengen einer Gasturbine einen hohen Luftüberschuß, etwa 4 bis 7 aufweisen so daß die ganze Gasmenge nicht als Brennluft des Kessels verwendet werden kann, und ein Teil dieser Gasmenge dann vollkommen verlorengeht.
  • Diese Schwierigkeiten und die bei den bekannten Anlagen auftretenden Verluste werden erfindungsgemäß dadurch vermieden, daß zusätzlich zu den für den Brennraum bestimmten Abgasmengen auch der noch verbleibende Anteil an einer Stelle niedriger Temperatur in den Kessel eingeführt wird, so daß beide Teilströme, wenn sie sich in der Temperatur angeglichen haben, am Schluß wieder zusammengeführt und dann im Kessel gemeinsam bis auf einen möglichst niedrigen Temperaturwert ausgenutzt werden. Auf diese Weise wird der gesamte Abgasstrom im Kessel ausgenutzt und gleichzeitig eine einwandfreie Verbrennung und möglichst hohe Ausnutzung sowie kleinere Belastung des Feuerraumes erzielt.
  • Der Wirkungsgrad eines aus einer Gasturbinenanlage und einem dieser nachgeschalteten Dampferzeuger bestehenden Verbundprozesses hängt wesentlich von der zweckentsprechenden Aufteilung der Gesamtleistung auf die Gasturbine und die Dampfturbine sowie von der erforderlichen Brennstoffzufuhr ab. Bei der rechnerischen Auswertung solcher Prozesse wurde das Ergebnis erzielt, daß für die Höhe des thermischen Effektes wesentlich die Höhe der Brennstoffzuführung einerseits in der Gasturbine und andererseits im Dampfprozeß ist.
  • Bezeichnet man die nutzbare Ener-ie im Gasturbinenprozeßteil mit EGT, die hier zugeführte Brennstoffmenge mit BGT, die im Danipfprozeß gewinnbare Energie mit EDT, die hier zugeführte Brennstoffmenge mit BDT, so ist der Gesamtwirkungsgrad gegeben durch die Formel Es ist ersichtlich, daß dieser Bruch bei gegebenen Größen von ECT und EDT dann einen besonders hohen Wert annimmt, wenn der zugeführte Brennstoff BDT im Nenner relativ niedrig gehalten werden kann. Dies darf aber nicht auf Kosten VOU EDT im Zähler geschehen, dieser Wert muß im Gegenteil einen möglichst hohen Wert behalten.
  • Weiterhin können höhere Wirkungsgrade dann erreicht werden, wenn die Brennstoffzufuhr im Kessel nicht bis auf das höchstzulässige Maß, also bis zu einem Luftfaktor von 1,1 bis 1,3 getrieben wird, .gondern wenn dieser Luftfaktor wesentlich erhöht wird. Hiermit ist eine Verminderung der Teilbrennstoffzufuhr im Kessel und damit auch der Gesamtbrennstoffzufuhr verbunden, die sich vorteilhaft auf den erreichbaren Wirkungsgrad auswirkt.
  • Eine Vergrößerung des Luftfaktors bedingt aber niedrige Verbrennungstemperaturen im Kessel" Niedrige Verbrennungstemperaturen im Kessel bedeuten aber wiederum eine erhebliche Vergrößerung der Heizflächen, so daß die Kesselabmessungen gegenüber den üblichen Kesselgrößen ganz erheblich steigen. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die infolge des nochgroßenLuftüberschusses sehr großenRauchgasmengen nur geringe Temperaturdifferenzen zwischen Gasmassen und Kesselrohren zulassen. Infolgedessen müßte man die Temperaturen im Dampfprozeß erniedrigen, was aber wieder eine Verschlechterung des Wirkungsgrades im Dampfprozeß mit sich bringen würde. Diese Schwierigkeiten werden durch die vorliegende Erfindung in der oben angegebenen Weise überwunden.
  • Der dem Verbrennungsrauin zugeführte Rauchgasstrom ist zweckmäßig kleiner als der andere Ab- gasstrom oder die anderen Abgasströme. Die Verbrennung kann demgemäß in einer so geringen, von der gesamten Rauchgasmenge abgezweigten Teilmenge der Abgase durchgeführt werden, daß eine einwandfreie Verbrennung bei möglichst niedrigem Luftüberschuß, beispielsweise einem Luftfaktor von 1,1 bis 1,3 zur Erzielung optimaler Gesamtwirkungsgrade stattfindet. Die restliche Teilmenge bzw. die Hauptmenge der Abgase aus der letzten Gasturbinenstufe wird in einen hintenliegenden Kesselteil eingeführt und gibt nach Vermischung mit den Verbrennungsgasen des zuvor abgeteilten Verbrennungsgasstromes seine Restwärme und zugleich die des letztgenannten Abgasteilstromes im hinteren Kesselteil ab. Da diese Mischgase unter Umständen nur noch eine niedrige Temperatur von etwa 300 bis 400' C besitzen, ist es zweckmäßig, die Vereinigung der Rauchgase vor dem Economiser vorzunehmen und die Restwärme in diesem auszunutzen. Die Erfindung sieht weiter gegebenenfalls noch Mittel vor, um für ein konstantes Mengenverhältnis der beiden Teilströme zu sorgen oder diese Teilströme lediglich in einem einstellbaren Verhältnis zu ändern.
  • Die Erfindung bietet den Vorteil, daß man mit einer genügend hohen Temperaturdifferenz zwischen Rauchgasen und Kesselrohren arbeiten kann, so daß sich im ganzen ersten Kesselteil, der vom Verbrennungsrauchgasstrom beaufschlagt wird, keine anderen Verhältnisse ergeben, als dies bei den üblichen Kesseln der Fall ist. Weiterhin vermeidet die Erfindung durch die Umführung eines großen Teiles oder des Hauptteiles der Abgase um den Verbrennungsraum des Kessels unerwünschte Verluste, die sonst dadurch entstehen, daß bei Durchleitung der gesamten Abgase diese als Ballast durch den ersten Teil des Kessels mit durchgeschleust werden, was eine erhebliche Verringerung der Rauchgastemperaturen in diesem Bereich zur Folge hätte. Bei den früher vorgeschlagenen Anlagen mit gesamtem Abgasdurchsatz durch den Kessel bewirken die Abgase infolge ihres großen Volumens zusätzlich eine Erhöhung der Druckverluste, wenn man nicht eine starke räumliche Vergrößerung der Kesselabmessungen in Kauf nehmen will.
  • Die Erfindung bietet die Möglichkeit, den Brennstoff für den Gasturbinenteil und für den Dampfturbinenteil den jeweiligen Belastungsverhältnissen entsprechend zu variieren. Dabei kann auch den je- weils zur Verfügung stehenden Brennstoffen in dern Sinne Rechnung getragen werden, daß man die von Fall züi Fall wirtschaftlichere Art der Feuerung verwendet. So kann der Gasturbinenteil mit Gas oder 01 beheizt werden, während zur Befeuerung des Kessels Kohlenstaub herangezogen wird. Ebenso ist es möglich, den empfindlicheren Gasturbinenteil mit hochwertigem flüssigem Brennstoff zu betreiben, um eine Gefährdung der Gasturbinenschaufeln zu vermeiden, während andererseits der Kessel mit entsprechend minderwertigen Ölen oder anderen flüssigen Brennstoffen betrieben wird, die für die Gasturbinenschaufeln nicht zuträglich wären. In allen diesen Fällen kann die Verbrennung im Kessel bei niedrigern Luftfaktor einwandfrei durchgeführt werden.
  • An Hand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel in seinen für die Erfindung wesentlichen Teilen in vereinfachter schematischer Darstellung; Fig. 2 und 3 zeigen den Temperaturverlauf bei zwei durchgerechneten Anlagen, von denen die eine (Fig. 3) im Sinne der Erfindung und die andere (Fig. 2) ohne deren Anwendung betrieben wird.
  • In Fig. 1 ist der Kessel mit 1 bezeichnet. Er enthält einen Economiser 2, einen Verdampfer 3, einen überhitzer 4 und gegebenenfalls noch einen Zwischenüberhitzer 5. Der Kessel ist über die Frischdampfleitung 20 mit dem Hochdruckteil einer Dampfturbine 14 verbunden. Am Auslaß des Niederdruckteiles der Turbine 14 befindet sich der Kondensator 15. Die Speisung des Kessels erfolgt über die Kondensatpumpe 16, den Vorwärmer 17, den Entgaser 18 und die Kesselspeisepumpe 19.
  • Das Gasturbinenaggregat enthält zwei Gasturbinenstufen, von denen die Nachschaltgasturbine 6 einen Kompressor 7 antreibt. Der zugehörige Anwurfmotor ist mit 8 bezeichnet. Die Vorschaltgasturbine 9 treibt die zweite Kompressorstufe 10 und den Generator 11 an. Mit 12 und 12' sind die Verbrennungsstufen für die beiden Gasturbinen 9 und 6 bezeichnet. Gegebenenfalls kann eine Zwischenkühlung für die beiden Kompressorstufen vorgesehen sein, die in der Zeichnung mit 13 bezeichnet ist.
  • Die Abgasleitung hinter der Nachschaltturbine 6 ist mit 21 bezeichnet und gabelt sich in zwei Leitungen auf. Zur kürzeren Kennzeichnung der beiden Teilströme soll nachfolgend der eine, mit dem die Kesselverbrennung stattfindet, kurz mit Verbrennungsstrom und der andere, mit dem keine Verbrennung stattfindet, mit Umführungsstrom bezeichnet werden. Dementsprechend ist die Verbrennungsstromleitung mit 22 und die Umführungsleitung mit 23 bezeichnet. Der die Leitungen 22 oder 23 durchfließende Abgasteilstroln läßt sich durch ein geeignetes Verstellorgan, beispielsweise durch eine Klappe 24, beeinflussen. Dieses Verstellorgan kann stetierbar gemacht werden, wobei der Durchfluß z. B. in Abhängigkeit von dem in der anderen Teilstromleitung oder in der Leitung 21 befindlichen Durchflußmengenmesser 25 beeinflußt wird. Ein geeigneter Impulsgeber 26 kann zu dieser Regelung herangezogen werden.
  • Die Brennstoffzufuhr zum Kessel ist mit 27 bezeichnet und tritt zusammen mit der Verbrennungsabgasmenge, die über die Leitung 22 zugeführt wird, im oberen Teil des Kessels ein, wo die Kesselteile für hohe Temperaturen untergebracht sind. Die Umführungsabgasmenge gelangt über die Leitung 23 ohne Zufuhr von Brennstoff zu einer weiter hinten liegenden Stelle des Kessels. Die Vereinigung der Rauchgasmengen erfolgt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel etwa in Höhe des Economisers 2, nach dem sich die Rauchgastemperaturen bis zu dieser Stelle hin weitgehend einander angeglichen haben.
  • An Stelle einer einzigen Umführungsleitung 23 können auch deren mehrere vorgesehen sein. Dies hat vor allem dort Bedeutung, wo mehrstufige Gasturbinen Verwendung finden oder mehrere Abgasauslässe vorhanden sind, so daß Abgase unterschiedlicher Temperatur zur Verfügung stehen. Dementsprechend kann die Einleitung dieser Abgasmengen an verschiedenen Stellen des Kessels erfolgen, wo die entsprechenden Temperaturen etwa gleiche Werte angenommen haben.
  • In der Fig. 2 ist der Temperaturverlauf unter Zugrundelegung eines einzigen Abgasstromes längs desselben für einen gegebenen Fall graphisch dargestellt. Es sind hier die Abgastemperaturen in Abhängigkeit der Wärmemenge veranschaulicht. Dabei sind auch die jeweiligen Dampftemperaturen in den einzelnen Kesselteilen unter der Annahme eingezeichnet, daß keine Aufteilung des Abgasstromes vor Kesseleintritt trotz Brennstoffzufuhr stattfindet. Wie die Figur erkennen läßt, beträgt die infolge der großen zur Verfügung stehenden Abgasmenge sich dabei einstellende Verbrennungstemperatur am Kesseleintritt 870' C. Diese Abgastemperatur sinkt bis auf 80' C ab und ergibt Zwischentemperaturen am Eintritt des Zwischenüberhitzers von 674' C, am Verdampfereintritt mit 558' C und am Economiser mit 420' C. Die Temperaturen im Wasser- bzw. Dampfteil sind in gleicher Weise über der zu übertragenden Wärmemenge aufgetragen. Die Maßlinien für die Temperaturdifferenzen At geben die in den einzelnen Kesselteilen maßgeblichen und für die Auslegung der Kesselflächen in Betracht kommenden Temperaturdifferenzen an.
  • In Fig. 3 sind im gleichen Maßstab die Temperaturen aufgetragen, die sich bei Anwendung der Erfindung ergeben. Die Temperaturen im Kessel fallen von der theoretischen Verbrennungstemperatur, die bei etwa 2000' C liegt, bis auf 420' C vor dem Economiser und 80' C hinter demselben ab. Die Temperaturen für den Wasser- bzw. Dampfteil sind in gleicher Weise, wie dies bei Fig. 2 der Fall ist, ebenfalls über der zu übertragenden Wärmemenge aufgetragen. Aus den Maßlinien A t ergeben sich für die einzelnen Kesselteile diejenigen Temperaturdifferenzen, die für die Wärmeübertragung und damit für die Bemessung der Kesselheizflächen maßgeblich sind. Daraus ist ersichtlich, daß im letzten Fall diese A t-Werte auf das Dreifache im Überhitzer und Zwischenüberhitzer und das Zweieinhalbfache im Verdampfer ansteigen. Das bedeutet also, daß die Kesselflächen annähernd im gleichen Verhältnis verkleinert werden können.

Claims (2)

  1. PATENTANSPRÜCHE- 1. Aus einer Gasturbinenanlage und einem dieser nachgeschalteten Dampferzeuger bestehende Wärmekraftanlage mit Aufteilung des Abgasstromes von hohem Luftüberschuß zwischen Gasturbinenauslaß und Dampferzeugerfeuerungseintritt in mindestens zweiTeilgasströme, von denen nur einer der Verbrennung mit geringem Luftüberschuß innerhalb des Dampferzeugers zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer optimalen Verbrennung und zur Herabsetzung der Abmessungen der Kesselheizflächen einerseits die Teilstrommenge für den Dampferzeugerverbrennungsraum entsprechend einem an sich bekannten Luftüberschuß im Kessel von 1,1 bis 1,3 bemessen wird und andererseits die restliche Gasmenge dem Kessel erst an solchen Stellen zugeführt wird, an denen der jeweils abgesunkene Temperaturwert der Kesselrauchgase etwa gleich der Temperatur der Restgasmenge ist.
  2. 2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verbrennungsstromleitung und/oder in den Umführungsstromleitungen verstellbare Drosselorgane, insbesondere Klappen angeordnet sind. 3. Anlage nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Regeleinrichtung, die in Abhängigkeit des gesamten Abgasstromes oder eines Abgasteilstromes eine Verstellung der Drosselorgane in dem Sinne bewirkt, daß ein vorgegebener Temperaturverlauf im Kessel eingehalten wird. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 890 Oll, 821733; schweizerische Patentschriften Nr. 280 283, 233 256; »Maschinenbau und Wärmewirtschaftc(, 10. Jahrgang, Heft 10 (Oktober 1955), S. 300 bis 303; 11. Jahrgang, Heft 8 (August 1956), S. 213 bis 217; F. Nuber, »Wärmetechnische Berechnung der Feuerungs- und Dampfkesselanlagen«, 10. Auflage, Oldenbourg-Verlag, München, 1943, S. 43; Wilh. Gump, »Theorie und Berechnung der Kohlenstaubfeuerung«, Springer-Verlag, Berlin, 1939, S.31.
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