DE2031191A1 - Gas turbine plant - Google Patents
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Description
PATtNiANWA(TPATtNiANWA (T
Telefon S61762 Telephone S61762
Socie*te Generale de Constructions Electriques et Mlcaniques (Alsthorn), Paris 16, avenue Kleber 38Socie * te Generale de Constructions Electriques et Mlcaniques (Alsthorn), Paris 16, avenue Kleber 38
(Frankreich)(France)
"Gasturbinenanlage""Gas turbine plant"
Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenanlage zur Erzeugung mechanischer Energie durch Entspannung eines die Gasturbine speisenden komprimierten Gases, bestehend aus einem Kompressor für den gasförmigen Sauerstoffträger, einer Vorrichtung zur Einspritzung von Wasser in den Sauerstoffträger und einem Verdampfer für das eingespritzte Wasser.The invention relates to a gas turbine plant for generation mechanical energy through expansion of a compressed gas feeding the gas turbine, consisting of a compressor for the gaseous oxygen carrier, a device for injecting water into the oxygen carrier and a Evaporator for the injected water.
Es ist bekannt, bei thermodynamischen Gas-Kreisprozessen eine Wasserinjektion vorzunehmen und zwar entweder am Eingang des Kompressors zur künstlichen Erhöhung des spezifischen Gewichtes des angesaugten gasförmigen Sauerstoffträgers, der im allgemeinen Luft ist, oder in den Verbrennungskammern zu einer kurzzeitigen Erhöhung der Turbinenleistung bei einer gegebenen Kapazität des Kompressors. Im ersteren Fall ist ein zwar echter aber begrenzter Vorteil gegeben, im zweiten Fall geht die Leistungssteigerung auf Kosten zusätzlichen Brennstoffes, wobei der größere Teil dessen Energie mit den Abgasen in Form der Verdampfungswärme des eingespritzten Wassers entweicht. InIt is known to carry out water injection in thermodynamic gas cycle processes, either at the entrance of the compressor to artificially increase the specific Weight of the sucked in gaseous oxygen carrier, which is in the general air is, or in the combustion chambers to one short-term increase in turbine output for a given compressor capacity. In the former case it is a real one but there is a limited advantage, in the second case the increase in performance is at the expense of additional fuel, whereby the greater part of its energy escapes with the exhaust gases in the form of the heat of vaporization of the injected water. In
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beiden Fällen begrenzt die Verschmutzung der Schaufeln der Turbinenräder die Dauer der Injektion und führt zu einem Abfall des Wirkungsgrades, der rasch die erzielten Vorteile zunichte macht.In both cases, the contamination of the blades of the turbine wheels limits the duration of the injection and leads to one Drop in efficiency, which quickly negates the benefits achieved.
Die Anmelderin hat in der französischen Patentschrift 1 566 631 vom 25. März 1968 vorgeschlagen, thermodynamische Gas- und Luft-Kreisprozesse dadurch zu verbessern, daß zur Wiedergewinnung eines Teiles der Abgaswärme und zu deren Übertragung an die von einem Kompressor abgegebene Luft ein Wärmetauscher verwendet wird, der im Inneren Kanäle enthält, * in die abwechselnd mit hoher Umschaltfrequenz die von einem Kompressor abgegebene Luft und die Abgase injiziert werden, wodurch aufeinander folgende, scharf abgegrenzte Gasströme gebildet werden, zwischen denen die inneren Wände der Kanäle einen Wärmeaustausch vermitteln.The applicant has in the French patent specification 1 566 631 of March 25, 1968 proposed to improve thermodynamic gas and air cycle processes in that for Recovery of part of the exhaust gas heat and its transfer to the air given off by a compressor Heat exchanger is used, which contains channels inside, * in which alternate with high switching frequency those of one Air discharged from the compressor and the exhaust gases are injected, creating successive, sharply defined gas flows are formed, between which the inner walls of the channels mediate an exchange of heat.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der vorstehend beschriebenen Nachteile eine Gasturbinenanlage der einleitend angegebenen Gattung zu schaffen, die mit einem thermodynamischen Gas-Kreisprozeß mit Wasserinjektion vor den Brennkammern arbeitet, ohne daß eine Verschmutzung der Turbinenschaufeln eintritt, so daß der Wirkungsgrad fe konstant hoch bleibt. Gleichzeitig sollen die aus dem Injektionswasser stammenden Salze sich auf leicht zu reinigenden Oberflächen niederschlagen und der Wasserverbrauch gering bleiben, so daß die Gasturbinen arteigenen Vorteile erhalten bleiben, der spezifische Verbrauch jedoch verringert und die spezifische Leistung erhöht werden.The invention is based on the object of a gas turbine system while avoiding the disadvantages described above of the generic type specified in the introduction, using a thermodynamic gas cycle process with water injection works in front of the combustion chambers without contamination of the turbine blades, so that the efficiency fe remains constant high. At the same time, the salts from the injection water should be easy to clean Precipitate surfaces and the water consumption remain low, so that the gas turbines get their own advantages remain, but the specific consumption is reduced and the specific power increased.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Wärmetauscher mit reinigbaren Wärmeaustauschflächen für den Wärmeaustausch zwischen dem komprimierten Sauerstoffträger und dem Turbiriengasstrom zwischen dem Kompressor und der Turbine liegt.The object is achieved in that a Heat exchanger with cleanable heat exchange surfaces for the heat exchange between the compressed oxygen carrier and the turbine gas flow between the compressor and the Turbine lies.
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Die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Turbinenanlage gestatten den Aufbau örtlicher, automatisch arbeitender Kraftwerke, die nur sehr wenig Wasser verbrauchen und einfach aufgebaut sind, dabei aber einen Wirkungsgrad besitzen, der ebenso hoch ist, wie der eines guten Dieselmotors oder eines großen Dampfkraftwerkes, dies aber in einem Leistungsbereich, für den sich weder Dieselmotoren noch Dampfkraftwerke eignen. Der Bedarf an derartigen örtlichen Kraftwerken ist umso größer, als die Erhöhung der installierten Anlagenleistung der Dampfkraftwerke und der Wassermangel die Errichtung der großen Kraftwerke in der Nähe des Meeres erforderte und eine außerordentliche Belastung der Überlandleitungen mit sich brachte. Hier schafft die erfindungsgemäße Turbinenanlage Abhilfe. The properties of the turbine system according to the invention allow the construction of local, automatically operating Power plants that use very little water and are simple are constructed, but have an efficiency that is just as high as that of a good diesel engine or one large steam power plant, but in a power range, for which neither diesel engines nor steam power plants are suitable. The need for such local power plants is all the more greater than the increase in the installed capacity of the steam power plants and the lack of water the construction of the large power plants near the sea required and brought an extraordinary load on the overhead lines. The turbine system according to the invention provides a remedy here.
Sie bietet den Vorteil, daß das Wasser in dem Wärmetauscher unter Niederschlagung der gelösten Salze auf den reinigbaren Wärmeaustauschflächen verdampft.It has the advantage that the water in the heat exchanger with precipitation of the dissolved salts on the cleanable Heat exchange surfaces evaporated.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform geschieht die Injektion des Wassers am Eingang eines Wärmetauschers, der im Inneren Kanäle enthält, die abwechselnd mit einer hohen Umschaltfrequenz der gasförmige Sauerstoffträger, beispielsweise Luft oder mit Sauerstoff angereicherte Luft aus einem Kompressor und die Abgase injiziert werden, um aufeinander folgende Gasströme zu bilden, zwischen denen die Innenwände der Kanäle einen Wärmeaustausch vermitteln.According to a preferred embodiment, this happens Injection of the water at the inlet of a heat exchanger, which contains inside channels that alternate with a high Switching frequency of the gaseous oxygen carrier, for example air or air enriched with oxygen from a Compressor and the exhaust gases are injected to form successive gas flows between which the inner walls the channels convey a heat exchange.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann das Wasser in einemHilfswärmetauseher injiziert und verdampft werden, dessen Oberflächen reinigbar sind und der vor dem Hauptwärmetauscher liegt.According to a further advantageous embodiment, can the water is injected into an auxiliary heat exchanger and evaporated whose surfaces can be cleaned and which is located in front of the main heat exchanger.
Wenn ein maximaler thermodynamischer Wirkungsgrad angestrebt ist, wird nach einer weiteren vorteilhaften Aus-When maximum thermodynamic efficiency is sought is, according to a further advantageous embodiment
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führungsform die Wassereinspritzvorrichtung für eine ungefähr dem Sättigungszustand des Sauerstoffträgers entsprechende Wassermenge eingerichtet.guide the water injector for an approximate The amount of water that corresponds to the saturation state of the oxygen carrier is set up.
Wenn dagegen die maximale Leistung erzielt werden soll, wird nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform die Wassereinspritzvorrichtung für eine einer Übersättigung des feuchten Sauerstoffträgers entsprechende Wassermenge eingerichtet. Hierdurch wird eine erhebliche Übersättigung erreicht.' Das Restwasser verdampft dabei nur im ersten Teil k des Wärmetauschers mit den Abgasen. Dies führt zu einer Verringerung der Temperatur des Sauerstoffträgers am Ausgang dieses Wärmetauschers und zu einem weniger hohen thermodynamischen Wirkungsgrad, als im Falle eines Sauerstoffträgers, der nahezu gesättigt ist.If, however, the maximum performance is to be achieved, according to a further advantageous embodiment the water injection device for an amount of water corresponding to an oversaturation of the moist oxygen carrier set up. This leads to considerable oversaturation. ' The remaining water only evaporates in the first part k of the heat exchanger with the exhaust gases. This leads to a Reducing the temperature of the oxidizer at the outlet of this heat exchanger and to a less high thermodynamic Efficiency than in the case of an oxygen carrier that is almost saturated.
In der Zeichnung ist die erfindungsgemäße Gasturbinenanlage anhand zweier beispielsweise gewählter Ausführungsformen in schematischer Vereinfachung dargestellt. Es zeigen: The gas turbine system according to the invention is shown in the drawing shown in schematic simplification on the basis of two exemplary selected embodiments. Show it:
Fig. 1 einen thermodynamischen Gas-Kreisprözeß mit Wasserinjektion, 1 shows a thermodynamic gas cycle with water injection,
^ Fig. 2 einen thermodynamischen Luft-Kreisprozeß mit Wasserinjektion. ^ Fig. 2 shows a thermodynamic air cycle with water injection.
Fig. 1 veranschaulicht einen thermodynamischen Gas-Kreisprozeß mit Wasserinjektion, in dem die Frischluft in einem Kompressor/komprimiert wird, dann in einer Vorrichtung 2 eine Wasserinjektion erfährt (beispielsweise 5 bis 10 Gew.% des Luftdurchsatzes) und anschließend in einen Wärmetauscher 3 gelangt.Fig. 1 illustrates a thermodynamic gas cycle process with water injection, in which the fresh air in a Compressor / is compressed, then experiences a water injection in a device 2 (for example 5 to 10% by weight of the Air throughput) and then enters a heat exchanger 3.
Die erhitzte Luft strömt in eine Brennkammer 4, der ein Brennstoff zugeführt wird und die am Eingang einer Gasturbine liegt. Die heißen Abgase, die die Gasturbine 5 verlassen,The heated air flows into a combustion chamber 4 to which a fuel is supplied and which is at the inlet of a gas turbine lies. The hot exhaust gases leaving the gas turbine 5
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werden in den Wärmetauscher 3 injiziert, in deren Innerem sie ihre Wärme teilweise an die vom Kompressor kommende Luft abgeben.are injected into the heat exchanger 3, inside it they give off some of their heat to the air coming from the compressor.
Man verwendet mit Vorteil als Wärmetauscher 3 einen Wärmetauscher der aus der einleitend angegebenen französischen Patentschrift bekannten und hier nur kurz beschriebenen Art. Dieser Wärmetauscher besitzt Wärmeaustauschflächen, die sich leicht reinigen lassen, wobei die Reinigung selbst während des Betriebes der Anlage durchgeführt werden kann. Die Vorrichtung 2 zur Wasserinjektion kann eine unabhängige Vorrichtung oder eine erste Stufe des Wärmetauschers 3 sein.It is advantageous to use a heat exchanger of the French type specified in the introduction as the heat exchanger 3 Patent known and only briefly described here type. This heat exchanger has heat exchange surfaces that can be easily cleaned, the cleaning can be carried out even while the system is in operation. The device 2 for water injection can be an independent Device or a first stage of the heat exchanger 3.
Wenn der Wärmetauscher 3 ein Wärmetauscher der allgemein üblichen Art ist, dessen innere Flächen sich nicht reinigen lassen, soll die Vorrichtung 2 zur Wasserinjektion so ausgelegt sein,- daß in ihr die gesamte Verdampfung auf reinigbaren Wärmeaustausch^lachen erfolgt.If the heat exchanger 3 is a heat exchanger of the general the usual type, the inner surfaces of which cannot be cleaned, the device 2 for water injection should be designed in such a way - that in it the entire evaporation can be cleaned Heat exchange ^ laugh takes place.
Die Überlagerung eines Gaszyklus mit einem Dampfζyklus liefert eine erhebliche zusätzliche Leistung, die bei gegebener gleichbleibender Kapazität des Kompressors 1 in der Größenordnung von 351 liegt. Die Quelle der zusätzlich entwickelten Leistung liegt in der erheblich besseren Rückgewinnung der Abgaswärme, wobei die Ausströmtemperatur nicht mehr nach unten durch die Ausgangstemperatur des Kompressors begrenzt ist, sondern beispielsweise durch den Taupunkt der Gase. Der gesamte Wirkungsgrad überschreitet bei maximaler Wasserinjektion 401.The superimposition of a gas cycle with a steam cycle provides a considerable additional power, given the constant capacity of the compressor 1 in the Of the order of 351. The source of the addition developed performance lies in the considerably better recovery the exhaust gas heat, whereby the outflow temperature is no longer down through the starting temperature of the Compressor is limited, but for example by the dew point of the gases. The total efficiency exceeds at maximum water injection 401.
Der Wärmetauscher, in dem die Verdampfung vor sich geht, spielt die Rolle eines Filters, bei dem sich die gelösten Salze an den Wärmeaustauscher-wänden niederschlagen. Folglich tritt keine Verschmutzung der Turbineiischaufein mehr auf,The heat exchanger in which the evaporation takes place, plays the role of a filter in which the dissolved Precipitate salts on the heat exchanger walls. As a result, there is no longer any contamination of the turbine blades,
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selbst wenn mit nicht vorbehandeltem Wasser gearbeitet Wird. Festzuhalten ist dabei, daß die Niederschläge die thermischen Eigenschaften der Wärmeaustauschmasse nicht ändern und nur die Erhöhung der Lastverluste oder Füllungsverluste eine periodische Säuberung der Kanäle des Wärmetauschers erforderlich macht.even when working with untreated water. It should be noted that the precipitation is thermal Properties of the heat exchange mass do not change and only increase the load losses or filling losses makes periodic cleaning of the channels of the heat exchanger necessary.
Fig. 2 stellt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Turbinenanlage dar, die mit einem thermodynamischen Luft-Zyklus mit Wasserinjektion arbeitet. Die Frischluft wird im Kompressor 6 komprimiert, erhält in der Vorrichtung 7 eine Wasserinjektion und gelangt anschließend in einen Wärmetauscher 8, an dessen Ausgang die Luft-Dampfmischung austritt und eine Gasturbine 9 speist. Die die Turbine 9 verlassenden Gase treten in eine Brennkammer,10 ein, der Brennstoff zugeführt wird. Die in der Brennkammer 10 erhaltenen heißen Gase werden in den Wärmetauscher 8 injiziert, in dessen Inneren sie die Luft aufheizen und das Wasser verdampfen.Fig. 2 shows an embodiment of the invention Turbine system that works with a thermodynamic air cycle with water injection. The fresh air is in Compressor 6 is compressed, receives a water injection in device 7 and then passes into a heat exchanger 8, at the outlet of which the air-steam mixture emerges and feeds a gas turbine 9. The gases leaving the turbine 9 occur into a combustion chamber 10, to which fuel is supplied. The hot gases obtained in the combustion chamber 10 are injected into the heat exchanger 8, inside which they the Heat the air and evaporate the water.
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Claims (9)
Applications Claiming Priority (1)
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| EP0366928A1 (en) * | 1988-11-03 | 1990-05-09 | Krupp Koppers GmbH | Method for the transfer of heat that can be felt from a hot gas stream to a less hot gas stream |
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- 1970-06-25 NL NL7009406A patent/NL7009406A/xx unknown
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| CH516735A (en) | 1971-12-15 |
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