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Kombinierte Gas-I3ämpf-Kraftätiläge mit Znsatzfeuerüng Es ist bekannt,
die Abgase von Gasturbinen= anlagen in offenem oder halboffenem Kreislauf nach ihrem
Austritt aus der Gagturbinenänlage zur Erzeugung von Dampf für Kraft- oder Heizzwecke
öder zur Lufterwärmung für Feuerungen oder verschiedene technologische bzw. chemische
Zwecke zu verwenden.
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Die Austrittstemperaturen der dasturbinenanlage sind aus wirtschaftlichen
und technologischen Gründen begrenzt und insbesondere im Betrieb kaum beeinflußbar.
Um beim nachgeschalteten Dampfprozeß einen günstigen Wirkungsgrad zu erzielen, wird
es häufig als notwendig erachtet; die Abgase aus der Gasturbinenanläge ganz oder
teilweise nochmals zu erhitzen. So kann eine Zusatzfeuerung zur Hebung des Temperaturniveaus
für den Dampfprozeß anangewendet werden.
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Die Abgase der Gasturbinenanlage haben meistens noch einen verhältnismäßig
hohen Sauer= Stoffgehalt, da wegen der mit Rücksicht auf die Turbineneintrittstemperatur
großen Luftüberschußzahl des Gästurbinenprozesses der überwiegende Teil der zugeführten
Luftmenge unverbrännt bleibt. Es ist daher bereits vorgeschlagen worden, zum Herbeiführen
der geschilderten nochmaligen Erwärmung der Turbinenabgase diese einem mit Zusatzbrennstoff
befeuerten Brenner zuzuleiten. Bei einer vorgeschlagenen Anläge dieser Art wird
ein Teil der die Gasturbine verlassenden Gasmenge vor ihrem Eintritt in den Kessel
in zwei Teilströme aufgespalten, von denen einer einem Brenner, der mit Zusatzbrennstoff
beliebiger Art befeuert werden kann, zugeführt wird. Von der Dampferzeugungsanlage
gesehen, bildet dieser Abgasstrom der Gasturbinenanlage also einen mehr oder Weniger
großen Teil der Verbrennungsluft für die Feuerung.
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Dies ist, wie gesagt, deshalb möglich, weil in der Gasturbinenanlage
die Treibgastemperatur vor der Gasturbine aus Materialgründen weit unterhalb der
theoretisch möglichen Verbrennungstemperatur bleiben muß und daher ein großer Teil
des Sauerstoffgehaltes der Luft unverbrannt bleibt, so daß diese Turbinenabgase
geeignet sind, als Verbrenungsluft für die Zusatzfeuerung verwendet zu werden. Die
bereits früher vorgeschlagene Anlage gestattet nun, der so befeuerten Brennkammer
des Dampfprozesses diejenigen Kesselteile zuzuordnen, für die aus Gründen der einzuhaltenden
Temperaturdifferenzen zwischen wärmeabgebendem Gas und wärmeaufnehmendem Medium,
z. B. Wasser oder Dampf, eine hohe Gastemperatur notwendig ist. Hier können dann
die Kesselheizflächen angeordnet werden, in welchen der Dampf die höchste Temperatur
erreicht, also Überhitzer und Verdampfer, wdbei sich sowohl Strahlung"s- als auch
Berührungsheizflächen verwenden lassen.
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Bei der geschilderten, früher vorgeschlagenen Anlege wird der andere
Teilstrom der Gasturbinenabgase, der dem Brenner bzw. der Feuerung nicht zugeführt
wird, an einer beliebigen Stelle im niedrigen Temperaturniveau des Kessels eingeleitet.
Zweckmäßig führt man diesen Teilstrom an einer Stelle ein, an welcher die Rauchgastemperatur
etwa den Temperaturcri der Abgase der Gasturbinenanlage entsprechen. Hier vermischt
sich der Abgasteilstrom mit der bereits im Kessel befindlichen, von der Kesselbrennkammer
kommenden Gasmenge und kann mit diesem zusammen dann weiter durch Wärmeabgabe in
einem Speisewasservorwärmer, Verdampfer usw. vollends abgekühlt werden.
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Dieser Anlage haftet der Nachteil an, daß das aus der Gasturbine kommende
Turbinenabgas mit seiner vollen Temperatur, deren Beeinflussung nur durch Änderung
der Eintrittstemperatur bzw. des Druckverhältnisses innerhalb der Gasturbine möglich
wäre, in die Feuerung der Kesselbrennkammer eintritt. Da diese Temperatur im allgemeinen
zwischen 200 und 500° C liegt, ist ein derartiges Verfahren mit Rücksicht auf die
üblichen Feuerungskonstruktionen häufig nicht anwendbar, da z. B. bei Brenngasen
oder Heizölen mit hohem Heizwert sehr leicht zu hohe Brennertemperaturen und damit
Beschädigungen des Brenners oder bei Rostfeuerungen Beschädigungen der Rostteile
auftreten können. Auch führt diese hohe Tempertur der die Verbrennungsluft hier
ersetzenden Turbinenabgase zu sehr hohen Brennkammertemperaturen,
die
oftmals nur schwer zu beherrschen sind. Schließlich werden auch noch die erforderlichen
Umwälzventilatoren für die die Verbrennungsluft ersetzenden Gasströme hohen Temperaturen
ausgesetzt, was zu Materialschwierigkeiten Anlaß gibt und einen großen Leistungsaufwand
bedingt.
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Darüber hinaus ergeben sich aber insbesondere auch bei Anwendung einer
Zusatzfeuerung die gegenannten Schwierigkeiten dann, wenn der Gasprozeß auf den
nachgeschalteten Dampfprozeß nicht hinreichend abgestimmt werden kann, z. B. bei
bereits vorhandenen Anlagen, bei denen die vorhandene Turbinenabgastemperatur nicht
die Erzielung der nötigen Dampfüberhitzungstemperatur erlaubt.
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Ein Teil der geschilderten Schwierigkeiten kann bei einer kombinierten
Gas-Dampf-Kraftanlage mit zusätzlicher Feuerung im Dampfteil und einem offenen oder
halboffenen Kreislauf im Gasteil der Anlage dadurch vermieden werden, daß die ganz
oder teilweise als Verbrennungsluft für die Feuerung des Dampfteiles herangezogenen
Abgase gekühlt werden. Bei einer bekannten Wärmekraftanlage mit Gaserhitzer und
Dampferzeuger wird eine unzulässig hohe Temperatur der Verbrennungsluft durch eine
Umgehungsleitung vermieden, durch die ein Teil der Abgase des Gaserhitzers um den
Dampferzeuger herum unmittelbar in den Vorwärmer für die Verbrennungsluft oder dessen
kälteren Teil geleitet wird. Die zur Dempferzeugung nicht benötigte Rauchgaswärme
wird dabei im Luftvorwärmer an die Verbrennungsluft übertragen, so daß auch bei
Teillasten des Gaserhitzers das sonst unvermeidliche Ansteigen der Abgastemperatur
vermieden wird.
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Um zu vermeiden, daß die aus dem Gasturbinensystem austretenden Abgase
mit voller Temperatur in die Feuerung der Kesselbrennkammer gelangen, könnte beispielsweise
durch Wahl anderer Druckverhältnisse und Turbineneintrittstemperaturen im Gasteil
die Eintrittstemperatur in die Kesselfeuerung geändert werden. Es ist weiterhin
bekannt, zur Temperaturabsenkung die Abgase des Gasturbinensystems zuvor einem Wärmetauscher
zuzuführen.
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Weiterhin ist es bekannt, unter Zumischung mit kühler Verbrennungsluft
die gewünschte Temperaturabsenkung zu bewerkstelligen.
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Demgegenüber besteht die Erfindung darin, daß bei einer Anlage der
geschilderten Art die Kühlung der für die Feuerung des Dampfteiles bestimmten Turbinenabgase
durch Wärmeabgabe an den Rauchgasstrom des Kessels selbst erfolgt. Auf diese Weise
ist es möglich, der Feuerung des Dampfteiles den erforderlichen Sauerstoffanteil
bei einer der Feuerung und der Brennkammer zuträglichen und in der Auslegung frei
wählbaren Temperatur zuzuführen. Weiterhin wird auf diese Weise die Abgaswärme des
Turbinensystems in überaus wirtschaftlicher Weise ausgenutzt, indem der Rauchgasstrom
des Kessels selbst beaufschlagt wird und unter Einsparung zusätzlichen Bauaufwandes
Wärmeübertragungsverluste, wie sie sonst in Wärmetauschern zwangläufig auftreten
müssen, vermieden werden.
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Mit Vorteil kann die Entnahme der rückzuführenden Gase nach der an
sich bekannten Zumsichung der stärker sauerstoffhaltigen Turbinenabgase zu dem in
der Kesselbrennkammer entstandenen Rauchgas geringeren Sauerstoffgehaltes vorgesehen
sein. Gegebenenfalls können Maßnahmen vorgesehen sein, um durch Wahl oder Einregulierung
von Kesselbrennstoffmenge und rückgeführter Gasmenge die Temperatur des der Feuerung
als Verbrennungsluft dienenden Gasstromes auf einem durch die Temperaturbeständigkeit
der Brennerkonstruktion vorgegebenen Niveau zu halten. Schließlich kann man die
Entnahme der rückgeführten Gase in an sich bekannter Weise an einer Stelle des Abgasstromes
vorsehen, an der die Nutzwärmeabgabe dieser Gase bereits abgeschlossen ist. An sich
ist bereits ein Dampferzeuger bekanntgeworden, bei dem an einer Stelle des Rauchgasstromes
hinter den Heizflächen eine Absaugung eines Teiles des Rauchgasstromes erfolgt,
wobei dieser Teilstrom an weiter vorn liegender Stellung in Richtung der Rauchgasströmung
wieder in regelbarer Weise zugeführt wird. Bei dieser bekannten Anlage handelt es
sich aber nur um die Rückführung von in der Kesselfeuerung selbst erzeugten Rauchgasen,
nicht aber um zugemischte Abgase eines gesonderten Gasturbinensystems.
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Die aus der Kesselbrennkammer austretenden Gase werden nach entsprechender
Abkühlung wieder mit den Turbinenabgasen vermischt. Die Entnahme der der Feuerung
zugeleiteten sauerstoffhaltigen Gase erfolgt an einer Stelle hinter diesem Mischungspunkt.
Hierdurch tritt zwar eine qualitative Verschlechterung bzw. eine Erniedrigung des
Sauerstoffgehaltes des die Verbrennungsluft bildenden Gasstromes ein, sie macht
sich aber wegen der normalerweise sehr großen Turbinenabgasmengen mit hohem Sauerstoffgehalt
nur in geringem Maße bemerkbar, zumal die Kesselbrennkammerabgasmengen im Verhältnis
zu den Turbinenabgasmengen meist gering sind.
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Der Abhitzedampferzeuger besteht, wie dies bei kombinierten Gas-Dampf-Kraftanlagen
bekannt ist, aus einem zusatzgefeuerten Kesselteil, in welchem sich die entsprechenden
Heizflächen, vorzugsweise solche höheren Temperaturniveaus, wie Verdampfer und überhitzer,
befinden und in welchem er durch die Zusatzfeuerung erhitzte Gasstrom abgekühlt
wird. In dem dahinterliegenden Gestell werden dann unter Umständen nach entsprechender
Vermischung die beiden Gasströme, nämlich der Turbinenabgasstrom und der aus dem
zusatzgefeuerten Kesselteil kommende Gasstrom weiter abgekühlt, indem sie Wärme
an die in diesem Kesselteil angeordneten Heizflächen, z. B. Speisewasservorwärmer
oder Verdampfer, übertragen.
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Wenn somit erfindungsgemäß die Entnahme des der Feuerung zugeführten
sauerstoffhaltigen Gasstromes der Gasturbine nach dessen Eintritt in den Kessel
vorgesehen ist, kann man den der Feuerung zugeführten Gasstrom gegebenenfalls erst
nach Austritt der Gesamtgasmenge aus dem Kessel, also nach abgeschlossener Wärmeabgabe
abziehen und mit der dort herrschenden niedrigen Temperatur der Feuerung zuführen.
Das der Zusatzfeuerung zuzuführende sauerstoffhaltige Gas kann ganz allgemein dem
durch Vermischen der beiden vorhandenen Gasströme entstandenen heißen, noch sauerstoffhaltigen
Gas an jeder beliebigen Stelle nach dem Eintritt des Turbinenabgases in den Kessel
entnommen werden. Diese Stelle kann aber nun so gewählt werden, daß die Temperatur
des der Feuerung an Stelle der Verbrennungsluft zugeführten sauerstoffhaltigen Gasstromes
den Anforderungen der Feuerungsart und den bestehenden Bedingungen bezüglich Brennkammertemperatur
usw. genügt. Durch entsprechende Regelorgane kann naturgemäß die notwendige Zuordnung
von
Brennstoff- und Sauerstoffzufuhr zum Brenner hergestellt werden.
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Die Erfindung erlaubt eine Regelung im Sinne einer optimalen Aufteilung
der beiden Gasströme anzuwenden und insbesondere durch Wahl einer entsprechenden
Zusatzbrennstoffmenge und laufender Einregulierung der zugehörigen verbrennungslufthaltigen
Gasmenge eine optimale Verbrennung in der Brennkammer sowie entsprechende Temperaturen
im Dampfkreislauf und damit verhältnismäßig günstige Wirkungsgrade des Dampfprozesses
herbeizuführen. Dies gelingt auch dann, wenn eine gegenseitige Abstimmung des Gasturbinenprozesses
auf den Dampfprozeß an sich nicht möglich ist, so z. B. im Falle einer bereits vorhandenen
Gasturbinenanlage, deren Leistung und Wirkungsgrad durch Nachschaltung eines Dampfprozesses
vergrößert werden soll, ohne daß an der Auslegung der Gasturbine oder an einzelnen
Konstruktionselementen derselben Änderungen notwendig wären.
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An Hand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Die
Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel in seinen für die Erfindung wesentlichen Teilen
in stark vereinfachter schematischer Darstellung.
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Von der Gasturbinenanlage ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
der Übersicht halber nur die Gasturbine 1 veranschaulicht, deren Abgasstrom 2 in
den Kessel 3 eingeleitet wird. Erfindungsgemäß wird der Abgasstrom nicht unmittelbar
in die Kesselfeuerung 4 eingeführt, sondern zuvor eine Abkühlung der Turbinenabgase
vorgenommen. Die Einführungsstelle 5 des Abgasstromes 2 in den Kessel 3 liegt in
Strömungsrichtung der den Kessel 3 von der Feuerung 4 aus durchsetzenden Rauchgase
hinter der Feuerung 4. Dort sind die Rauchgase bereits um ein gewisses Maß abgekühlt.
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Längs der Abkühlungsstrecke 6 wird das Arbeitsmittel der Dampfkraftanlage
aufgewärmt und dabei dem Abgasstrom der Gasturbine Wärme entzogen. An der Entnahmestelle
7 werden die nunmehr um einen. bestimmten Betrag abgekühlten Rauchgase zur Gänze
oder teilweise wieder aus dem Kessel herausgeführt und auf dem Wege 8 als alleinige
oder zusätzliche Verbrennungsluft dem Feuerraum 4 zugeleitet. Bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel wird durch das Gebläse 9 Frischluft 10 angesaugt, wobei die
Möglichkeit besteht, die Frischluft ganz oder zum Teil durch den Abgasstrom 8 zu
ersetzen. Der Abgasstrom 8 kann auch, wie durch den Alternativweg 11 dargestellt
ist, zumindest als Teilstrom, unabhängig von der Verbrennungsluftzufuhr unmittelbar
in den Feuerraum 4 eingeleitet werden.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Abgasstrom der Gasturbine
längs des Abküklungsweges 6 im Kessel innerhalb eines gesonderten Kanals 12 geführt.
Wie oben erwähnt, ist es aber auch möglich, die Turbinenabgase mit den Rauchgasen
zu vermischen, was bei Vorhandensein großer Turbinenabgasmengen im Verhältnis zu
kleinen Rauchgasmengen durchaus vertretbar ist, weil dadurch der Sauerstoffgehalt
noch ausreichend hoch ist.
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Eine solche Rückführung von Rauchgas-Turbinengas-Gemisch muß insofern
als unbedenklich anangesehen werden, als es bei Dampfkesseln an sich bereits bekannt
ist, am Ende des Kessels einen Rauchgasteilstrom abzuzweigen und nach erforderlicher
Druckerhöhung in den Feuerraum einzubringen. Bei einem derartigen bekannten Kessel
wird der rückgeführte Rauchgasstrom an zwei hintereinanderliegenden Stellen wieder
dem Kessel zugeleitet, wobei schwenkbare Klappen in den Rückführungskanälen sowohl
die gesamte zurückzuführende Rauchgasmenge als auch deren Anteil auf die beiden
hintereinanderliegenden Einführungsstellen zu verändern gestatten. In ähnlicher
Weise kann auch bei der Kraftanlage nach der Erfindung verfahren und außerdem durch
Wahl oder Einregulierung des Verhältnisses von Zusatzbrennstoffmenge zu der die
Verbrennungsluft ganz oder teilweise ersetzenden Gasmenge die Temperatur des der
Feuerung als Verbrennungsluft dienenden Gasstromes auf einem für die Brennerkonstruktion
zuträglichen und vorgegebenen Niveau gehalten werden.
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Der beabsichtigten Dosierung dienen die verstellbaren Klappen 13 und
14. An geeigneter Stelle wird ein Temperaturimpuls T gewonnen und über die Impulslinie
14 a einem Gerät zur Temperaturüberwachung 15 zugeleitet. In Abhängigkeit von der
gemessenen Temperatur kann nun einerseits entsprechend der Wirklinie 16 eine Verstellung
der Klappen 13 und 14 vorgenommen werden, andererseits ist es aber auch möglich,
über die Wirklinie 17 den Zuteiler 18 für die Brennstoffzufuhr 19, 20 zu beeinflussen.
Dadurch kann man die Temperatur auf einem vorgegebenen Niveau halten.
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Wie schließlich noch durch die gestrichelte Linie 21 angedeutet ist,
kann gegebenenfalls der der Feuerung zugeführte Gasstrom erst nach Austritt der
Gesamtgasmenge aus dem Kessel, also nach abgeschlossener Wärmeabgabe abgezogen und
mit der dort herrschenden niedrigen Temperatur der Feuerung zugeführt werden.