DE1195553B

DE1195553B - Method and device for operating a gas turbine system with a two-fuel propellant

Info

Publication number: DE1195553B
Application number: DEA41189A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Masch Techn Oska Erismann
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1962-09-20
Filing date: 1962-09-20
Publication date: 1965-06-24

Description

Verfahren und Einrichtung zum Betrieb einer Gasturbinenanlage mit einem Zweistoff-Treibmittel Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Leistungssteigerung einer Gasturbinenanlage durch Einführung eines mittels Ausnutzung der Turbinenabgaswärme durch Verdampfung aus einer Flüssigkeit gewonnenen zusätzlichen Arbeitsmittels vor der Turbine in den Gasturbinenprozeß.Method and device for operating a gas turbine plant with a two-component propellant The invention relates to a method and a device to increase the performance of a gas turbine system by introducing a means of utilization the turbine exhaust gas heat obtained by evaporation from a liquid additional Working medium in front of the turbine in the gas turbine process.

Die Ausnutzung der Abgaswärme einer Gasturbine ist auf verschiedene Arten möglich. So ist es vielfach üblich, der Gasturbine einen Luftvorwärmer nachzuschalten, um die vom Verdichter kommende Verbrennungsluft noch weiter zu erwärmen. Auf diese Weise wird die zurückgewonnene Wärme dem Gasturbinenprozeß wieder zugeführt. Bei großen Anlagen wird oftmals ein Dampfkessel vorgesehen, der von den Abgasen der Gasturbine beaufschlagt wird und zur Speisung einer Dampfturbine dient. Es läßt sich dadurch der Wirkungsgrad der Gesamtanlage wesentlich verbessern. Gelegentlich wird einer Gasturbine ein Abhitzkessel nachgeschaltet und der so gewonnene Dampf zur Leistungssteigerung den heißen Verbrennungsgasen zugeführt. Erfahrungsgemäß erhöht sich die Leitungsausbeute um etwa 5 %, wenn auf 100 % Luft, 1% Dampf beigemischt wird. Es sind auch noch andere Vorschläge zur Verwertung der Abgaswärme und Kombinationen aus den genannten Möglichkeiten bekanntgeworden.The exhaust gas heat from a gas turbine can be used in various ways Types possible. It is common practice to install an air preheater downstream of the gas turbine, to further heat the combustion air coming from the compressor. To this In this way, the recovered heat is fed back into the gas turbine process. at In large systems, a steam boiler is often provided to keep the exhaust gases from the Gas turbine is acted upon and serves to feed a steam turbine. It leaves this significantly improves the efficiency of the entire system. Occasionally a waste heat boiler is connected downstream of a gas turbine and the steam obtained in this way fed to the hot combustion gases to increase performance. According to experience the line yield increases by around 5% if air and 1% steam are added to 100% will. There are also other suggestions for utilizing the exhaust gas heat and combinations became known from the possibilities mentioned.

Die Erzeugung von Dampf aus der Abgaswärme einer Gasturbine bringt wie obenerwähnt, einen erheblichen Leistungsgewinn, hat aber den einen Nachteil, daß gereinigtes oder leicht aufbereitbares Speisewasser benötigt wird. Nun kommt es manchmal vor, wie beispielsweise bei Kraftwerken in tropischen Gebieten, daß irgendwelche Rohflüssigkeiten vorhanden sind, die sich zur Kesselspeisung nicht eignen, hingegen kein brauchbares, mit verhältnismäßig einfachen Mitteln zu reinigendes Wasser zur Verfügung steht. Diese Schwierigkeiten werden durch das erfindungsgemäße Verfahren beseitigt. Es ist dadurch ausgezeichnet, daß das als zusätzliches Arbeitsmittel aus einer Rohflüssigkeit durch Ausnützung der Abgaswärme gewonnene Destillat vor seiner Einführung kondensiert und dann nochmals durch die Turbinenabgaswärme unter Einführungsdruck verdampft wird.The generation of steam from the exhaust heat of a gas turbine brings as mentioned above, a considerable gain in performance, but has one disadvantage, that purified or easily recyclable feed water is required. Now comes it sometimes happens, for example with power plants in tropical areas, that there are any raw liquids that cannot be fed to the boiler suitable, on the other hand not usable, which can be cleaned with relatively simple means Water is available. These difficulties are caused by the inventive Procedure eliminated. It is characterized by the fact that it can be used as an additional tool distillate obtained from a raw liquid by utilizing the exhaust gas heat its introduction condensed and then again by the turbine exhaust heat under Introduction pressure is evaporated.

Dieses Verfahren bietet den Vorteil, daß dafür kein reines Wasser und somit auch keine Aufbereitungsanlage zur Herstellung desselben notwendig ist, sondern eine Rohflüssigkeit verwendet werden kann, deren Destillierung im Rahmen des Gasturbinenprozesses keine Schwierigkeiten bereitet. Es wäre naheliegend und auch ohne weiteres möglich, das dampfförmig anfallende zusätzliche Arbeitsmittel direkt dem Gasturbinenprozeß zuzuführen. Zu diesem Zwecke müßte der Dampf in einem Verdichter auf den Druck des Arbeitsmittels der Gasturbine verdichtet werden. Untersuchungen haben aber gezeigt, daß es leistungsmäßig günstiger und daher wirtschaftlicher ist, den scheinbaren Umweg über die Kondensation und nochmalge Verdampfung unter Druck zu wählen.This method has the advantage that there is no pure water for it and therefore no processing plant is necessary for the production of the same, but a raw liquid can be used, its distillation in the context of the gas turbine process does not cause any difficulties. It would be obvious and also easily possible, the additional working fluid accumulating in vapor form to be fed directly to the gas turbine process. For this purpose the steam would have to be in one Compressor to be compressed to the pressure of the working fluid of the gas turbine. Investigations but have shown that it is cheaper in terms of performance and therefore more economical, the apparent detour via condensation and repeated evaporation under pressure to choose.

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele einer Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch dargestellt, wobei in beiden Figuren gleichen Teilen gleiche Bezugszeichen zugeordnet sind.In the drawing are two exemplary embodiments of a device for carrying out the method according to the invention shown schematically, wherein Identical parts are assigned the same reference numerals in both figures.

Nach F i g. 1 besteht die Gasturbinenanlage aus dem Luftverdichter 1, der Brennkammer 2, welcher bei 3 der Brennstoff zugeführt wird, und der Gasturbine 4. Die Abgase der Turbine geben noch einen Teil ihrer Wärme in einem - Wärmetauscher 5 ab, bevor sie bei 6 ins Freie treten.According to FIG. 1, the gas turbine system consists of the air compressor 1, the combustion chamber 2, to which the fuel is supplied at 3, and the gas turbine 4. The exhaust gases from the turbine still give some of their heat in a - heat exchanger 5 before stepping outside at 6.

Der Gasturbine ist eine Destillationsanlage nachgeschaltet, in welcher durch Ausnutzung der Abgaswärme der Turbine aus einer Rohflüssigkeit ein Destillat gewonnen wird. Die von einer Pumpe 7 geförderte Rohflüssigkeit wird im Erhitzer 8 von den Abgasen der Turbine erhitzt und anschließend durch das Reduzierventil9 entspannt, bevor sie in den Ausdampfer 10 einströmt. Hier dampft nun ein Teil der überhitzten Rohflüssigkeit aus, während der Rest durch die Leitung 11 abfließt.The gas turbine is followed by a distillation system in which a distillate is obtained from a raw liquid by utilizing the exhaust gas heat from the turbine. The raw liquid conveyed by a pump 7 is heated in the heater 8 by the exhaust gases from the turbine and then expanded through the reducing valve 9 before it flows into the evaporator 10 . Here part of the superheated raw liquid evaporates, while the remainder flows off through line 11.

Der ausgedampfte Teil der Rohflüssigkeit wird in einem Kondensator niedergeschlagen. Vorteilhafterweise wird dafür ein Kondensator 12 verwendet, in welchem als Kühlmedium die Rohflüssigkeit selbst verwendet wird. Diese erwärmt sich dadurch und tritt mit erhöhter Temperatur in den Erhitzer 8 ein, was eine bessere Ausnutzung der Abgaswärme bedeutet.The evaporated part of the raw liquid is deposited in a condenser. A condenser 12 is advantageously used for this, in which the raw liquid itself is used as the cooling medium. This heats up as a result and enters the heater 8 at an increased temperature, which means better utilization of the exhaust gas heat.

Das Destillat wird von einer Kondensatpumpe 13 in den Verdampfer 14 gefördert, wo es nochmals verdampft und dem Gasturbinenprozeß als zusätzliches Arbeitsmittel zugeführt wird. Es kann das bereits im Luftweg nach dem Verdichter oder unmittelbar vor der Gasturbine erfolgen, doch ist es am zweckmäßigsten, das verdampfte Destillat direkt in die Brennkammer einzuführen. Dies erlaubt, ohne weitere Hilfsmittel zu benötigen, eine verläßliche Mischung mit den Verbrennungsgasen.The distillate is conveyed by a condensate pump 13 into the evaporator 14 , where it evaporates again and is fed to the gas turbine process as an additional working medium. This can be done in the air after the compressor or immediately before the gas turbine, but it is most expedient to introduce the evaporated distillate directly into the combustion chamber. This allows reliable mixing with the combustion gases without the need for any further aids.

Es ist von Vorteil, den Erhitzer 8 und den Verdampfer 14 baulich zu einer Einheit zusammenzufassen, da ein solcher Wärmetauscher 5, der ähnlich einem Kessel aufgebaut sein kann, den Raumbedarf und die Wärmeverluste verkleinert.It is advantageous to constructively close the heater 8 and the evaporator 14 a unit, as such a heat exchanger 5, which is similar to a Boiler can be built, the space requirements and the heat losses reduced.

Durch Zu- oder Abschalten von Wärmetauschfläche im Kondensator, bzw. durch Änderung seiner Durchflußmenge hat man es in der Hand, die anfallende Destillatmenge zu beinflussen. Um den Herstellungsprozeß in thermischer Hinsicht zu optimalisieren, kann die Anlage in einzelne Ausdampfer-Kondensatorgruppen unterteilt werden, wodurch sich der größte Wärmerückgewinn aus dem kondensierenden Destillat erzielen läßt.By connecting or disconnecting the heat exchange surface in the condenser or by changing its flow rate you have it in hand, the amount of distillate produced to influence. In order to optimize the manufacturing process from a thermal point of view, the system can be divided into individual evaporator-condenser groups, whereby the greatest heat recovery can be achieved from the condensing distillate.

Gelegenlich kann es vorkommen, daß die heiße Restflüssigkeit weder weiter ausgenützt noch wegen ihrer hohen Temperatur in den Kanal oder Fluß geleitet werden kann. In diesem Falle ergibt sich eine zweckentsprechende Lösung, wenn man die Restmenge mit frischer Rohflüssigkeit vermischt, die nach der Pumpe 7 oder nach dem Kondensator 12 über die regelbare Leitung 15 abgezweigt wird.Occasionally it can happen that the hot residual liquid neither further exploited because of their high temperature passed into the canal or river can be. In this case there is an appropriate solution if one the remaining amount mixed with fresh raw liquid, which after the pump 7 or after the capacitor 12 is branched off via the controllable line 15.

Wenn die Temperatur der Rohflüssigkeit bei Eintritt in den Erhitzer unter dem Taupunkt der Abgase liegt, wird sich an den Rohren des Erhitzers ein Kondensat niederschlagen, was zu Korrosionen führen kann. Dem kann durch eine Verbindungsleitung 16 von der Aus- zur Eintrittsseite des Erhitzers begegnet werden. Ein Teil der Rohflüssigkeit wird dadurch in einem Kreislauf geführt und damit das untere Temperaturniveau im Erhitzer gehoben. Die Umwälzpumpe 17 muß nur die Strömungsverluste im Erhitzer aufbringen, doch ist eine etwas größere Wärmetauschfläche nötig.When the temperature of the raw liquid entering the heater is below the dew point of the exhaust gases, a condensate will form on the pipes of the heater precipitate, which can lead to corrosion. This can be done through a connecting line 16 can be encountered from the outlet to the inlet side of the heater. Part of the raw liquid is thereby guided in a cycle and thus the lower temperature level in the Heater lifted. The circulation pump 17 only has to generate the flow losses in the heater, however, a somewhat larger heat exchange surface is required.

Eine andere Möglichkeit, Rohrkorrosionen zu vermeiden, zeigt die Einrichtung gemäß F i g. 2. Im Prinzip ist die Gesamtanlage ähnlich jener nach F i g. 1 aufgebaut, doch wird nun die Rohflüssigkeit durch ein Zwischenmedium erhitzt. Durch diese Anordnung kommt der Erhitzer 18 mit den Abgasen der Turbine nicht mehr in Berührung. Vorteilhafterweise wird als Zwischenmedium das Destillat selbst verwendet, das dem Verdampfer 19 auf einer niedrigen Erwärmungsstufe in noch flüssigem Zustand entnommen, über die Leitung 20 dem Erhitzer 18 und nach der Wärmeabgabe dem Destillatzulauf des Verdampfers 19 zugeleitet wird. So wird ein Teil des Destillates im Kreislauf geführt, wodurch das untere Temperaturniveau im Verdampfer gehoben wird. Die Pumpe 21 hat dabei die doppelte Funktion einer Speise- und Umwälzpumpe. Der andere Teil des Destillates wird verdampft und in die Brennkammer geleitet. Zu seiner Bemessung ist ein Regelventil 22 vorgesehen: Das erfindungsgemäße Verfahren zur Leistungssteigerung einer Gasturbinenanlage erlaubt die Verwendung von Rohflüssigkeit beliebiger Art. Es kommt dafür Industrieabwasser, Schmutz- oder Meerwasser in Frage, und in Wüstengebieten können Salzseen nutzbringend verwertet werden; prinzipiell ist jede Rohflüssigkeit zulässig, deren' Dämpfe die Bauteile nicht angreifen und nicht giftig sind. Durch die Destillation wird ein reines Produkt gewonnen, dessen Einführung in den Gasturbinenprozeß keine Verschmutzung und keine Korrosion verursacht. Bei Vorhandensein von Rohwasser besteht auch die Möglichkeit, durch Ausdestillierung größerer Mengen die Anlage zur Trinkwassergewinnung zu verwenden, was besonders in wasserarmen Gebieten ein nicht zu unterschätzender Vorteil ist.Another possibility of avoiding pipe corrosion is shown by the device according to FIG. 2. In principle, the overall system is similar to that according to FIG. 1, but now the raw liquid is heated by an intermediate medium. As a result of this arrangement, the heater 18 no longer comes into contact with the exhaust gases from the turbine. Advantageously, the distillate itself is used as the intermediate medium, which is taken from the evaporator 19 at a low heating level in the still liquid state, fed via the line 20 to the heater 18 and, after the heat has been given off, to the distillate feed of the evaporator 19. Part of the distillate is circulated, which raises the lower temperature level in the evaporator. The pump 21 has the dual function of a feed and circulation pump. The other part of the distillate is evaporated and fed into the combustion chamber. A control valve 22 is provided for its dimensioning: The method according to the invention for increasing the performance of a gas turbine system allows the use of any type of raw liquid. Industrial wastewater, waste water or sea water can be used for this, and salt lakes can be used usefully in desert areas; In principle, any raw liquid is permitted whose vapors do not attack the components and are not toxic. A pure product is obtained through the distillation, the introduction of which into the gas turbine process does not cause any pollution or corrosion. If raw water is available, it is also possible to use the system for drinking water production by distilling out larger quantities, which is an advantage that should not be underestimated, especially in arid areas.

Die Ansprüche 2, 4, 5, 7, 9 und 10 sind als echte, lediglich in Verbindung mit dem Gegenstand des Hauptanspruches geltende Unteransprüche anzusehen.Claims 2, 4, 5, 7, 9 and 10 are considered genuine, only in conjunction with the subject of the main claim to view applicable subclaims.

Claims

Claims: 1. Method for increasing the performance of a gas turbine plant by introducing a means of exploiting the turbine exhaust heat through evaporation Additional working medium obtained from a liquid upstream of the turbine in the gas turbine process, d u r c h e k e n n -z e i c h n e t, that this is an additional Working fluid obtained from a raw liquid by utilizing the heat of the exhaust gas Distillate condensed before its introduction and then again by the turbine exhaust heat is evaporated under introduction pressure.

2. The method according to claim 1, characterized in that that the evaporated distillate is condensed by the raw liquid.

3. Procedure according to claim 1, characterized in that the distillate evaporated again in the combustion chamber (2) is introduced.

4. The method according to claim 1, characterized in that that the raw liquid is heated by an intermediate medium.

5. Procedure according to Claim 4, characterized in that the distillate is used as the intermediate medium will.

6. Device for carrying out the method according to claim 1, characterized by a distillation plant connected downstream of the gas turbine plant (1, 2, 4) for obtaining the distillate from the raw liquid, consisting of at least one heater (8 or 18), an evaporator (10) and a condenser (12), further characterized by an evaporation device (14 or 19) for re-evaporation of the distillate. 7. Device according to claim 6, characterized in that the heater (8) for the raw liquid and the evaporator (14) for the distillate are structurally combined to form a unit (5). B. Device according to claims 5 and 6, characterized in that the distillate used as an intermediate medium is removed from the evaporator (19) at a low heating level and is fed back to the distillate feed of the evaporator after the heat has been given off. 9. Device according to claim 6, characterized in that the distillate is obtained from raw water. 10. Device according to claim 6, characterized in that the distillate is obtained from a brine. Considered publications: German Patent Nos. 546 779, 538 085, 392195; Swiss Patent No. 303 787; "Zeitschrift des VDI", Vol. 101, No. 34 (December 1, 1959), pp. 1635/1636; "Motortechnische Zeitschrift", Volume 19, No. 2 (February 1958), pp. 56 to 59. Older patents considered: German Patent No. 1156 278.