DE1239888B - Gasdampfturbinenanlage - Google Patents

Description

• Gasdampfturbinenanlage Die Erfindung betrifft eine Gasdampfturbinenanlage, die mit einem offenen Kreislauf mit Gleichdruckverbrennung arbeitet, mit einer mehrstufigen, eine Kühlung durch Wassereinspritzung zwischen den einzelnen Stufen aufweisenden Verdichtung und mit Einspritzung von Wasser in das verdichtete Arbeitsmedium vor dem Eintritt in die Brennkammer.
• Die Vorteile von Kreisläufen mit Befeuchtung von Druckluft unter hohem Druck bei Wärmekraftanlagen sind bekannt. Bei diesen Kreisläufen wird die Luft zwischen den Verdichterstufen durch Einspritzen von Wasser und hinter den Verdichtern durch Rückkühlen durch Einspritzen von meist durch Wärmerückgewinnung erwärmtem Wasser gekühlt. Derartige Kreisläufe haben einen sehr geringen spezifischen Luftverbrauch gegenüber gleichartigen reinen Gaskreisläufen und einen höheren thermischen Wirkungsgrad bei vergleichbarer Wärmetauscherfläche. Ein weiterer Vorteil der Feuchtgaskreisläufe gegenüber Trockengaskreisläufen besteht darin, daß kein Kühlturm erforderlich ist.
• Bei den trockenen Kreisläufen werden die Oberflächen-Wärmetauscher einerseits als Zwischenstufenkühler von Luft bei der Kompression, andererseits zur Rückgewinnung von Wärme verwendet, welche aus den drucklosen Verbrennungsgasen der Druckluft vor der Brennkammer übergeben wird. Der Luftnachkühler hinter der letzten Stufe des Verdichters ist bei trockenen Kreisläufen technisch unerwünscht und schädlich. An sich ist es bei trockenen Kreisläufen eher vorteilhaft, bei der letzten Verdichterstufe mit einer höheren Austrittstemperatur, das ist bei der letzten Verdichterstufe mit einem höheren Verdichtungsverhältnis, als in den zwei ersten Stufen mit nachfolgenden Zwischenkühlern, also mit niedrigerer Eintrittstemperatur in der letzten Stufe, zu arbeiten.
• Bei feuchten Kreisläufen fallen die Oberflächenkühler fort und werden durch Einspritzzwischenkühler ersetzt. Die Erhöhung der spezifischen Leistung (kWh/kg der angesaugten Luft) gegenüber trockenen Kreisläufen wird vorwiegend durch Verdampfung von Wasser in der Druckluft hinter der letzten Verdichterstufe erzielt. Das Wasserverdampfen geschieht im Einspritznachkühler, der hier unumgänglich ist. Die Wärme aus dem Nachkühler wird allerdings nicht in die Umgebung abgeführt, sondern es wird lediglich die Temperatur herabgesetzt. Durch die Herabsetzung der Temperatur im Nachkühler wird die Wärmerückgewinnung erhöht, um einen hohen thermischen Wirkungsgrad zu erzielen. Falls keine Wärmerückgewinnung verwendet würde, wäre der thermische Wirkungsgrad des Kreislaufes niedriger als beim trockenen Kreislauf, und nur die spezifische Leistung wäre höher. Im Wärmetauscher wird sowohl bei trockenem, als auch bei nassem Kreislauf auf einer Seite mit drucklosem, gasförmigem Medium, auf der anderen Seite mit einem gasförmigen Druckmedium gearbeitet.
• Bei nassem Kreislauf ist durch den Einfluß des Nachkühlers eine höhere Wärmerückgewinnung pro Einheit der Nutzleistung vorhanden, als bei trockenem Kreislauf. Der Wirkungsgrad der Wärmerückgewinnung muß höher sein, der Wärmeabfall im Wärmetauscher ist ungefähr der gleiche, der Wärmedurchgangskoeffizient k ist ungefähr gleich. Deshalb wird bei gleichem Wirkungsgrad und gleicher Leistung die Fläche des Wärmetauschers bei feuchtem Kreislauf größer sein als die Fläche des Wärmetauschers bei trockenem Kreislauf. Lediglich durch Wegfall der Zwischenstufenkühler ist es bei feuchtem Kreislauf möglich, eine kleinere Gesamtfläche der Wärmetauscher zu erzielen als bei trockenem Kreislauf und dabei noch etwas den thermischen Wirkungsgrad des Kreislaufes zu erhöhen.
• Es ist die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, den thermischen Wirkungsgrad derartiger bekannter Gasdampfturbinenanlagen noch weiter zu erhöhen, ohne daß dadurch ein wesentlicher konstruktiver Mehraufwand erforderlich wird. Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die nach dem letzten Zwischenkühler liegende Verdichterstufe mit einem höheren Verdichtungsverhältnis arbeitet als die vorangehende Verdichterstufe und daß nach der Verdichtung die Druckluft in einem Wärmetauscher abgekühlt wird, daß das in die verdichtete Luft eingespritzte Wasser heißes Druckwasser ist und in einem Sättigungsgerät in die abgekühlte Druckluft eingespritzt wird und daß danach die mit Wasserdampf gesättigte Druckluft der anderen Seite desselben Wärmetauschers zugeführt wird.
• Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In ihnen zeigt F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel einer bekannten Gasdampfturbinenanlage und F i g. 2 ein Schaltschema der erfindungsgemäß abgewandelten Gasdampfturbinenanlage.
• Der Lufterhitzer V1, gemäß F i g. 1 zusammen mit einem kleineren Wassererhitzer V2 hat eine kleinere Gesamtwärmeübertragungsfläche, als sie ein trockener Kreislauf benötigen würde.
• Obwohl bei derartigen bekannten feuchten Kreisläufen die Summe der übertragungsflächen etwas kleiner ist als bei trockenen Kreisläufen, ist demnach größenordnungsmäßig die Größe dieser Flächen gleich und namentlich bei Einheiten großer Leistungen mit den unangenehm großen Anforderungen betreffend die Abmessungen und das Gewicht der Wärmetauscher sowie betreffend ihre Beschaffungskosten.
• Die Grundideen der vorliegenden Erfindung, die bestrebt ist, die anderen Vorteile eines nassen Umlaufes beizubehalten, sind die folgenden: 1. Die Wärme der drucklosen Verbrennungsgase wird in einem Oberflächenwärmetauscher auf das Druclzi,:#asscr mit einem wesentlich größeren Temperaturunterschied und mit einem höheren Wär_nedurchgangskoeffzie-nLen ic, als früher für den Lufterhitzer beschrieben, überfragen (Bemerkung: Wärmeübergangszahl cx@.asser > (xLntt, deshalb k = cxL"pt). Das Druckwasser ist dann das die rückgewonnene Wärme in den Druckteil des Kreislaufes übertragende Medium und ist für ein Einspritzen in die Druckluft bestimmt, wobei es zum Verdampfen kommt. Der Wassererhitzer ist für die gleiche rückgewonnene Wärme viel kleiner als ein Lufterhitzer. Es muß jedoch mehr warmes Wasser geliefert werden als es möglich ist in der Druckluft zu verdampfen, sonst würde es während des Erwärmens nicht flüssig bleiben, bzw. die Wärmeübertragung an das Wasser würde wegen der Gültigkeit des IL Thermodynamischen Hauptsatzes nicht möglich sein.
• 2. Falls die Wärme aus dem drucklosen Teil des Kreislaufes auf das Wasser übertragen wird, kann durch diese Wärme nicht mehr die Druckluft erwärmt werden. Es ist deshalb zweckmäßig, ähnlich und in noch höherem Maße als bei trockenen Kreisläufen den letzten Teil der Luftverdichtung ohne Zwischenkühlung vorzunehmen, damit die Ausgangstemperatur aus dem Verdichter höher ist.
• 3. Falls in die heiße Druckluft eine große Menge heißen Wassers eingespritzt würde, würde eine derartige Menge Wasser verdampfen, daß ein Wärme-, Temperatur- und Phasengleichgewicht ohne Rücksicht auf die Forderungen betreffend die Wirtschaftlichkeit erzielt wäre. Die Verdampfungswärme würde größtenteils durch die Lutenthalpie gedeckt werden. Die verdampfte Menge würde größer als erforderlich sein, und die Temperatur des Gemisches würde nach dem Einspritzen wesentlich sinken. Dadurch würde zwar die Leistung des Systems steigen, der thermische Wirkungsgrad würde jedoch wesentlich sinken, da nichts vorliegt, was das Gemisch unter Wärmerückgewinnung erwärmen könnte, und der spezifische Wasserverbrauch (kg/kWh) würde übermäßig steigen.
• 4. Deshalb wird unmittelbar hinter dem Luftaustritt aus der letzten Verdichterstufe ein Wärmetauscher eingereiht, wodurch die Luft auf eine für das Wassereinspritzen nach Absatz 1 geeignete Temperatur abgekühlt wird.
• Die Temperatur des eingespritzten Wassers wird höher sein als die Lufttemperatur vor dem Einspritzen. Die Lufttemperatur muß so hoch sein, daß nach dem Einspritzen in dem folgenden Sättigungsgerät nur die erforderliche Wassermenge verdampft und die resultierende Temperatur der feuchten Luft und des nicht verdampften Wassers nur wenig niedriger ist als die Lufttemperatur vor dem Einspritzen. Die Verdampfungswärme wird praktisch nur durch die Enthalpie des Wassers gedeckt. Die überschüssige Wassermenge wird aus dem Sättigungsgerät zum Nachfüllen und wiederholten Erwärmen abgeführt.
• Die mit Wasserdampf gesättigte Druckluft wird dann aus dem Sättigungsgerät der anderen Seite des Wärmetauschers zugeführt, an der sie auf eine etwas niedrigere Temperatur als die Lufttemperatur hinter dem Kompressor erhitzt wird. Die Fläche eines derartigen Druckwärmetauschers ist sehr klein.
• Die Summe der Flächen der beiden Wärmetauscher, d. h. des Wassererhitzers gemäß Absatz 1 und des Druckwärmetauschers ist dann bedeutend kleiner als bei dem als derzeitiger Stand der Technik beschriebener Kreislauf, wobei der thermische Gesamtwirkungsgrad des Kreislaufes noch etwas höher sein kann.
• In der F i g. 2 ist als Beispiel ein Schaltbild einer Gasdampfturbinenanlage gemäß vorliegender Erfindung dargestellt. Die atmosphärische Luft wird durch den Verdichter KI angesaugt und in den Einspritzkühler S1 gedruckt, in welchen die für das Verdampfen entsprechende Menge kalten Wassers eingespritzt wird. Aus dem Kühler kommt die abgekühlte Luft mit einem geringen Dampfinhalt zu den Saugstutzen des VerdichtersK2, worauf ein ähnliches Abkühlen durch Einspritzen von kaltem Wasser im Kühler S., folgt. Ferner wird die Luft wieder im Verdichter K3 komprimiert, aus welchem sie mit hohem Druck und hoher Temperatur (z. B. 30 ata, 300° C) gelangt. Im Druckwärmetauscher V1 wird die Luft auf eine für das Wassereinspritzen geeignete Temperatur abgekühlt, was im nachgeschalteten Sättigungsgerät S3 geschieht. Aus ihm kommt die gesättigte Luft mit einer gegenüber dem Eintritt größenordnungsmäßig um etwa 10° C herabgesetzten Temperatur. Dann wird die Luft wieder im Wärmetauscher V1 auf eine Temperatur erhitzt, die schon durch den Dampfgehalt der Luft gegeben ist. Diese Temperatur soll nicht viel niedriger sein als die Temperatur der Luft hinter dem Verdichter K3 (größenordnungsmäßig etwa um 30°C). Ferner kommt die Luft in die Brennkammer SKI, in der sie durch Verbrennen des Brennstoffes auf die richtige Temperatur für die Turbine TI erwärmt wird. Nach einer teilweisen Expansion in der Turbine TI werden die Verbrennungsgase wieder in der Brennkammer SK, auf die richtige Temperatur für die Turbine T2 erwärmt. Nach einer weiteren (eilweisen Expansion in der Turbine T, erfolgen wieder ein Erwärmen in der Brennkammer SK 3 und dann die endgültige Expansion in der Turbine T3. Hierauf entweichen die drucklosen Verbrennungsgase in den Wassererhitzer V2, in Welchem sie auf die Austrittstemperatur abgekühlt werden und in den Kamin gelangen.
• Das nicht verdampfte Druckwasser kommt aus dem Sättigungsgerät S3 mit gleicher Temperatur wie die gesättigte Luft. Durch kaltes Wasser wird die früher verdampfte Menge ersetzt. Das Wasser wird durch die Umlaufpumpe 0C in den Wassererhitzer V2 geführt, aus welchem es mit einer höheren Temperatur kommt, als sie die Luft hinter dem Verdichter K3 aufweist. Es wird in das Sättigungsgerät S3 eingespritzt.
• Es gibt eine ganze Reihe von konstruktiven Ausführungen der erfindungsgemäßen Gasdampfturbinenanlage. Namentlich ist es möglich, noch mehr die Temperatur der feuchten Druckluft durch die bekannte Rückgewinnung der Wärme, die im Wärmetauscher den drucklosen Verbrennungsgasen hinter dem Turbinenaustritt entnommen wird, zu erhöhen. Der Wassererhitzer wird in einem derartigen Fall auf der drucklosen Seite bis hinter den Lufterhitzer an sich bekannter Bauart eingereiht.

Claims (4)

1. Patentansprüche: 1. Gasdampfturbinenanlage, die mit einem offenen Kreislauf mit Gleichdruckverbrennung arbeitet, mit einer mehrstufigen, eine Kühlung durch Wassereinspritzung zwischen den einzelnen Stufen aufweisenden Verdichtung und mit Einspritzung von Wasser in das verdichtete Arbeitsmedium vor dem Eintritt in die Brennkammer, dadurch gekennzeichnet, daß die nach dem letzten Zwischenkühler liegende Verdichterstufe mit einem höheren Verdichtungsverhältnis arbeitet als die vorangehende Verdichterstufe und daß nach der Verdichtung die Druckluft in einem Wärmetauscher (V1) abgekühlt wird, daß das in die verdichtete Luft eingespritzte Wasser heißes Druckwasser ist und in einem Sättigungsgerät (S3) in die abgekühlte Druckluft eingespritzt wird und daß danach die mit Wasserdampf gesättigte Druckluft der anderen Seite desselben Wärmetauschers (V1) zugeführt wird.
2. 2. Gasdampfturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ganze Wärmeinhalt der drucklosen Verbrennungsgase zwischen der Ausgangstemperatur der Turbine und der Kamintemperatur an das Druckwasser abgegeben wird, welches auf eine höhere Temperatur, als die Lufttemperatur vor dem Einspritzen beträgt, erhitzt wird, und die Wassermenge so groß ist, daß sie im flüssigen Zustand so viel Wärme aufnimmt, als zum Verdampfen eines Teiles des Wassers in der Druckluft bis zum Sättigungszustand erforderlich ist, wobei der nicht verdampfte Teil des Wassers von der gesättigten Luft abgetrennt wird und vor einem neuen Erwärmen durch die verdampfte Menge Wasser ergänzt wird.
3. 3. Gasdampfturbinenanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kamintemperatur der Verbrennungsgase niedriger ist als die niedrigste Temperatur, welche die feuchte Luft bei ihrem höchsten Druck erzielt.
4. 4. Gasdampfturbinenanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der feuchten Druckluft in einem Oberflächenwärmetauscher weiter erhöht wird, in welchen an der anderen Seite drucklose Verbrennungsgase aus der Turbine eintreten. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 630 624.