DE1476903C - Gas-Dampfturbinenanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Gas-Dampfturbinenanlage mit einer Brennkammer in der Form eines aufgeladenen Kessels, in diesem angeordneten Heizelementen zur Verdampfung und Überhitzung von Wasser, einer an den Kessel angeschlossenen Gasturbine, einer bezüglich der Dampfströmung nach den Heizelementen angeordneten Dampfturbine sowie einer vor der Gasturbine befindlichen Mische stelle, in welcher eine Vermischung des in der Dampfturbine entspannten Dampfes mit den Brenngasen erfolgt.

Eine derartige Anlage ist aus der französischen Patentschrift 1 234 402 bekannt.

Die bekannte Anlage, welche an sich als Spitzenkraftwerk vorteilhaft wäre, hat den Nachteil eines verhältnismäßig schlechten thermischen Wirkungsgrades und dadurch erhöhter Betriebskosten. Aus diesem Grunde hat sich diese Anlage bisher nicht durchsetzen können.

Die Erfindung hat eine Verbesserung der bekannten Anlage zum Ziel, welche zu einer wesentlichen Erhöhung des Wirkungsgrades und zu einer entsprechenden Senkung der Betriebskosten führt, so daß die Gas-Dampfturbinenanlage wirtschaftlich mit den bekannten Kraftwerken konkurrenzfähig wird.

Die erfindungsgemäße Anlage, durch welche dieses Ziel erreicht wird, ist dadurch gekennzeichnet, daß sich die Mischstelle im Kessel befindet und daß in der Strömung der aus der Gas-Dampfturbine austretenden Abgase ein Vorwärmer für das den Heizelementen der Brennkammer zugeführte Wasser geschaltet ist.

Es hat sich nämlich herausgestellt, daß es ein Vorwärmer erlaubt, das Temperaturniveau am Eingang wie auch am Ausgang der Gasturbine bedeutend anzuheben, wodurch die Leistung der Gasturbine wesentlich erhöht wird.

Da die Wellenleistung der Gasturbinengruppe sich als Differenz der Leistung der Gasturbine und der anteilmäßig hohen, unveränderten Leistung des Kompressors ergibt, wird durch das erfindungsgemäße Konzept die Leistung der Gasturbinengruppe erheblieh erhöht, während die Leistung der Dampfturbine nicht im selben Maße absinkt, so daß sich ein Leistungsgewinn und ein Anstieg des Wirkungsgrades ergeben.

Die Erhöhung der Eintrittstemperatur der Gasturbine kommt dadurch zustande, daß die Konvektionsheizflächen im Druckbehälter verkleinert werden. Die Rauchgastemperatur am Ende der Konvektionsheizflächen steigt damit so hoch an, daß es notwendig wird, die Mischung mit dem in der Dampfturbine expandierten Dampf noch im Druckbehälter vorzunehmen, wobei nach dieser Mischung die für die Gasturbine eben noch zulässige Temperatur erreicht wird.

An sich wäre zu erwarten gewesen, daß durch die Verlagerung von Heizflächen aus dem Druckbehälter, wo wegen des-]jo.hen Gasdruckes sehr günstige Wärmeübergangsverhältnisse'herrschen, in den atmosphärischen Bereich stromunterhalb der Gasturbine eine merkliche Verteuerung der Anlage eintreten würde. Überraschenderweise ist dies nicht der Fall. Da durch das neue Konzept eine bedeutende Leistungsverlagerung von der Dampfturbine auf die Gasturbine eintritt, muß nämlich weniger Wärme vom Gaskreislauf an den Wasserkreislauf übertragen werden, was die Heizflächengröße reduziert. Weitere Einsparungen ergeben sich durch die Verkleinerungen des Druckgefäßes und der Wasseraufbereitungsanlage, so daß — gesamthaft gesehen — die Anlagekosten eher verringert werden.

Darüber hinaus ergeben sich zusätzliche Vorteile in Form der erwähnten Leistungs- und Wirkungsgraderhöhung der Anlage wie auch einer durch ge-' ringeren Wasserkonsum verringerten Umweltsbelastung.

In diesem Zusammenhang muß festgestellt werden, daß die Anordnung eines Vorwärmers für einzuspritzendes Wasser in der Abgasleitung einer Turbine, z. B. aus der USA.-Patentschrift 2 186 706, bekannt ist. Dabei wurde jedoch nicht die erfindungsgemäße Wirkung erzielt.

Vorzugsweise ist es möglich, im Gasstrom vor den Überhitzerelementen eine zusätzliche Mischstelle anzuordnen. Dadurch wird es ermöglicht, die Temperatur des überhitzten Dampfes zu beeinflussen und gleichzeitig die Temperatur des mit den Heizflächen in Berührung kommenden Gasgemisches herabzusetzen, was von Vorteil sein kann, um eine Hochtemperaturkorrosion an den thermisch besonders stark belasteten Teilen des Kanales zu vermeiden.

Die Erfindung wird an Hand einer in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführung erläutert. In der erfindungsgemäßen Anlage ist in an sich bekannter Weise eine Gasturbine 1 mit den zwei Stufen 2 und 3 eines zweistufigen Kompressors an einer Welle angeordnet. Gleichzeitig ist mit der Welle der Gasturbine 1 auch ein elektrischer Generator 4 gekuppelt. Die Gasturbine 1 erhält durch eine Rohrleitung 5 eine Mischung von Brenngasen und Dampf aus einer Brennkammer 6. Die Brennkammer weist einen Brenner 7 auf, dem durch eine Leitung 8 Brennstoff und durch eine Leitung 9 komprimierte Luft aus der zweiten Kompressorstufe 3 zugeführt wird. Die Brennkammer ist mit einer Rohrausklei-

dung versehen, welche einen Verdampferteil 10 und einen Überhitzerteil 11 bildet. Die Wasserzufuhr in dem Verdampferteil 10 erfolgt über eine Anlage 12 zur Entsalzung des Speisewassers, eine Speisepumpe 13, einen ersten Vorwärmer 14 und einen zweiten Vorwärmer 15. Der erste Vorwärmer 14 dient gleichzeitig als Kühler für die komprimierte Luft bei ihrem Übertritt aus dem Kompressorteil 2 in den Kompressorteil 3. Dem zweiten Vorwärmer 15 werden durch eine Leitung 16 Abgase der Gasturbine 1 zugeführt, die diesen durch eine Leitung 17 und einen nicht dargestellten Kamin ins Freie verlassen.

Aus dem Verdampfer 10 gelangt der erzeugte Wasserdampf in den Überhitzer 11 und wird aus diesem einer Dampfturbine 18 zugeführt, welche einen Generator 20 antreibt. Aus der Dampfturbine 18 gelangt der entspannte Dampf zu einer Mischstelle 21 am Austrittsende der Brennkammer.

Wie aus der Figur ersichtlich ist, kann in der Speiseleitung für Wasser ein Vorwärmer 30 angeordnet sein, welcher durch eine Leitung 31 an den Aus-

J gang der Turbine 18 angeschlossen ist. Der Vorwärmer 30 ist vorzugsweise ein an sich bekannter Kaskadenvorwärmer, in welchem der entspannte Dampf aus der Leitung 31 mit dem Speisewasser vermischt wird. Das Speisewasser wird dem Vorwärmer 30 durch eine Speisepumpe 32 entnommen.

Weiter ist in der Figur noch eine Mischstelle 33 vorgesehen, welche durch eine Leitung 34 ebenfalls an den Austritt der Turbine 18 angeschlossen ist. In der Leitung 34 ist ein thermostatisch gesteuertes Drosselorgan 35 angeordnet, welches von der Temperatur des aus dem Überhitzer austretenden Dampfes beeinflußt wird und der Regelung dieser Temperatur dient.

Die für die Verbrennung bestimmte Luft wird beispielsweise im Kompressor 2, 3 auf einen Druck von 6 atü komprimiert. Das Speisewasser kann hingegen dem Verdampfer und Überhitzer mit einem Druck von z. B. 100 atü eingespeist werden. Es kann dann in der Dampfturbine eine Entspannung des erzeugten Dampfes von angenähert 100 atü auf ca. 7 atü erfol-

~j gen, da ein Drucküberschuß des Dampfes für dessen Vermischung erforderlich ist. Die Temperaturverhältnisse sind dabei so gewählt, daß die Temperatur der Brenngase vor der Mischstelle bedeutend höher ist als die Temperatur des der Mischstelle zugeführten Dampfes. So kann, entsprechend einem vorgeschlagenen Beispiel, die Temperatur der Brenngase vor der Mischstelle, also nach dem Überhitzer 11, ca. 1300° C betragen, die Temperatur des der Mischstelle zugeführten Dampfes hingegen 170° C. Dabei wird nach der Vermischung eine gemeinsame Temperatur der Brenngase und des Dampfes von ca. 600° C

ίο angestrebt. Auf diese Weise wird mit einfachen Mitteln, ohne Heizflächen, eine Zwischenüberhitzung des in der Dampfturbine entspannten Dampfes herbeigeführt.

Aus der Brennkammer gelangt das Gemisch von Brenngasen mit dem überhitzten Wasserdampf mit einem Druck von 6 atü und 600° C in die Gasturbine 1, in welcher das Gemisch auf einen kleinen Wert über dem Atmosphärendruck entspannt wird. Im Vorwärmer 15 wird darauf noch ein Teil der

Wärme de"r Abgase ausgenützt. ~

Bei der erfifKrttegsgemäßen · Anlage hat man grundsätzlich die Möglichkeit, den in der Brennkammer herrschenden Verbrennungsdruck nach freiem Ermessen festzulegen. Um die Verwendung von Gasturbinen der handelsüblichen Bauart zu ermöglichen, kann man z. B. diesen Verbrennungsdruck auch gleich hoch wählen, wie es im Gasturbinenbau normal ist, d. h. zwischen 5 und 8 Atmosphären. Im Hinblick auf die spezifischen Kosten der Anlage ist es jedoch von Vorteil, diesen Druck noch höher zu wählen, z. B. in der Größenordnung von 20 atü. Dadurch wird das Entspannungsgefälle in der Gasturbine größer, und das Dampf-Gasgemisch kann eine größere Arbeit liefern, bevor es in die Atmosphäre entweicht.

Es versteht sich, daß die beschriebene Anlage im Rahmen der Erfindung vereinfacht werden kann. So kann z. B. ein einstufiger Turbokompressor ohne Zwischenkühler vorgesehen werden. Ebenso kann bei einfachen Anlagen auf den Vorwärmer 30 oder auf die Mischstelle 33 verzichtet werden. Auch kann der Betriebsdruck in der Brennkammer, wie bereits erwähnt, bedeutend höher gewählt werden als 6 atü, welcher Wert im Zusammenhang mit dem beschriebenen Beispiel genannt wurde.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Gas-Dampfturbinenanlage mit einer Brennkammer in der Form eines aufgeladenen Kessels, in diesem angeordneten Heizelementen zur Verdampfung und Überhitzung von Wasser, einer an den Kessel angeschlossenen Gasturbine, einer bezüglich der Dampfströmung nach den Heizelementen angeordneten Dampfturbine sowie einer vor der Gasturbine befindlichen Mischstelle, in welcher eine Vermischung des in der Dampfturbine entspannten Dampfes mit den Brenngasen erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Mischstelle im Kessel befindet und daß in der Strömung der aus der Gas-Dampfturbine (1) austretenden Abgase ein Vorwärmer (15) für das den Heizelementen (10) der Brennkammer (6) zugeführte Wasser geschaltet ist. ,

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2. Anlag"e nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Gasstrom vor.den Überhitzerelementen (11) eine zusätzliche Mischstelle (33) angeordnet ist.