DE2124193C3

DE2124193C3 - Gasturbinenanlage mit Hauptkreislauf und nachgeschaltetem thermodynamischem ArbeitskrelsprozeB

Info

Publication number: DE2124193C3
Application number: DE19712124193
Authority: DE
Inventors: Neboja Dipl.-Ing. Dr. Delft Gasparovic (Niederlande)
Original assignee: Steag GmbH
Current assignee: Steag GmbH
Priority date: 1971-05-15
Filing date: 1971-05-15
Publication date: 1975-02-20
Also published as: DE2124193A1; DE2124193B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenanlage mit Hauptkreislauf und nachgeschaltetem thermodynamischem Arbeitskreisprozeß, wobei der Hauptkreislauf als teilgeschlossener Kreislauf mit Verdichteranlage, Brennkammer, Hauptturbine, Abgasturbine und Erhitzer ausgerüstet sowie der thermodynamische Arbeitskreisprozeß übe. den Erhitzer an den Hauptkreislauf angeschlossen ist, wobei die Verdichteranlage mehrere Verdichter aufweist, von denen einer als Kreislaufverdichter zur Einstellung des Druckes in der Brennkammer, ein anderer als Vorverdichter zur Einstellung des Druckes im Erhitzer bestimmt ist, und wobei der Vorverdichter mit einer Verbindungsleitung an den Hauptkreislauf angeschlossen ist.

Bekanntlich weisen die Abgase von Gasturbinen einen beträchtlichen Wärmeinhalt auf, so daß ihre Ableitung in die Umgebung zu einer unnötigen Verschlechterung des Wirkungsgrades führt. Aus diesem Grunde wird bei Gasturbinenanlagen der Hauptturbine ein Arbeitskreisprozeß nachgeschaltet, der seine Energie durch einen als Wärmeaustauscher ausgebildeten Erhitzer aus den Abgasen der Hauptturbine bezieht. Dieser Arbeitskreisprozeß ist im allgemeinen als geschlossener Kreislauf mit einer Arbeitsturbine ausgebildet, die unabhängig von der Hauptturbine oder mit deren Welle gekuppelt laufen kann. Hierbei stellt sich allgemein das Problem, mit geringem Aufwand und möglichst kleinen Aggregaten eine wirkungsvolle Übertragung von Energie an den Arbeitskreisprozeß zu erreichen. Neben der Ausbildung der Aggregate selber spielen dabei eine bedeutende Rolle die Schaltung der Gasturbinenanlage und der Druck im Erhitzer.

Bei einer bekannten Gasturbinenanlage der eingangs beschriebenen Art (vgl. deutsche Auslegeschrift 1 228 108) ist der als Luftverdichter ausgebildete Vorverdichter zur Einstellung des Druckes im Erhitzer unmittelbar an den Erhitzer angeschlossen, der gleichzeitig als Brennkammer ausgebildet und zur Erzeugung des im Arbeitskreisprozeß als Arbeitsmedium verwendeten Wasserdampfes vorgesehen ist. Der Erhitzer ist hier in einem offenen Zweig des Kreislaufes eingeschaltet, während zwischen dem

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Vorverdichter und seinem Anschluß an den geschios- eine außerordentlich wirkungsvolle Veriwennung des

senen TeU des Hauptkreislaufes ein »eiterer Luftver- in den Erhitzer eingespritzten Brennstoffe erfolgt,

dichter vorgesehen ist. Der Krehiiaufverdichter, der Eine weitere erfindongsgemäße Lösung der ge-

hier lediglich für die Verdichtung der im Kreislauf nannten Aufgabe betrifft Gasturbinenanlagen der

gefühlten Rauchgase bestimmt ist, ist df ja genannten 5 eingangs genannten Gattung in df r Aosführungsform

weiteren Laftverdichter bezüglich der Brennkammer mit zusätzlicher Verbrennung im Erhitzer und ist

des Hauptkreislaufs parallel geschaltet dadurch gekennzeichnet, daß der Vorverdiehter zur

Diese bekannte Gasturbinenanlage ist insoweit Einstellung des Druckes im Erhitzer auf zumindest nachteSig, als sie zur Verdichtung der zugefshrien drei bar ausgelegt ist und über Verbindungsleitungen Luft auf das Druckniveau des Hauptfcreislaufs zwei ω sowohl an den Erhitzer unmittelbar als auch an den Luftverdichter erfordert, während darüber hinaus ein Hauptkreisiauf zwischen Erhitzer und Kreislaufverweiterer Verdichter zur Verdichtung der im Kreislauf dichter angeschlossen ist. Mit dieser Lösung wird geführten Rauchgase notwendig ist. Weiter stört bei gleichsam eine Vereinigung der durch die erstgeder bekannten Gasturbinenanlage, daß das Druckni- nannten, von der Erfindung angegebenen Lösungen veau im Erhitzer und folglich — wegen des begrenz- 15 erreichten Vorteile bewirkt. Einerseits ist hier eine ten Kompressionsverhältnisses der Vesdichter — wirkungsvolle Verbrennung des in den Erhitzer einauch das Druckniveau im Haupt kreistauf verhältnis- gespritzten Brennstoffs gewährleistet, und anderermäßig gering ist. Infolgedessen ist der Wirkungsgrad seits wird durch die Möglichkeit einer exakten Aufdes Gasnurbinenprozesses selbst unbefriedigend und teilung der Gasströme, zusammen mit einer vorteilverlangt der Erhitzer zur Erreichung eines befriedi- ao haften engen Kopplung zwischen Vorverdiehter und genden Wärmeübergangs in den thermodynamischen Kreislaufverdichter, eine genaue Regelung einer er-Arbeitskreisprozeß erhebliche Abmessungen. Zudem findungsgemäßen Gasturbinenanlage ermöglicht, die hat das niedrige Druckniveau im Erhitzer zur Foige, die Anpassung an wechselnde Betriebsbedingungen daß die Bauelemente des Erhitzers, der die Verbin- in weitem Maße erlaubt.

dung zwischen Hauptkreislauf und Arbeitskreispro- as Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfinzeß darstellt, für hohe Differenzdruckbelastung aus- dung, die sich auf alle vorgenannten Lösungen ergelegt sein müssen. streckt, ist dadurch gekennzeichnet, daß in der Lei-

Demgegenüber besteht die Aufgabe der vorliegen- tung zwischen dem Erhitzer und dem Kreislaufver-

den Erfindung darin, Gasturbinenanlagen der ein- dichter ein Kühler angeordnet ist. Eine andere vor-

gangs genannten Art so auszugestalten und weitcrzu- 30 teilhafte Ausbildung der Erfindung betrifft die Lö-

biiden. daß bei möglichst geringem konstruktivem sung, nach der der Verdichter zur Einstellung des

Aufwand ein hoher Betriebsdruck — namentlich im Druckes im Erhitzer über Verbindungsleitungen so-

Erhitzer — und damit ein verbesserter Wärmeüber- wohl in den Erhitzer unmittelbar als auch an den

gang zwischen Hauptkreislauf und Arbeitskreispro- Hauptkreislauf zwischen Erhitzer und Kreislaufver-

zeß erreicht wird. 35 dichter angeschlossen ist, und ist dadurch gekenn-

Zur Lösung dieser Aufgabe bietet die Erfindung zeichnet, daß in der an den Verdichter angeschlossemehrere Möglichkeiten. Eine erste erfindungsgemäße nen Verbindungsleitung zum Hauptkreislauf ein Lösung besteht darin, daß der Vorverdichter zur Kuhler vorgesehen ist. Beide letztgenannten Maß-Einstellung des Druckes im Erhitzer auf zumindest nahmen zielen auf eine Senkung der Temperatur am drei bar ausgelegt ist und über die Verbindungslei- 40 Eingang des Hauptkreislaufes, wodurch dessen Wirtung an den Hauptkreislauf zwischen Erhitzer und kungsgrad weiter erhöht wird. Schließlich ist bei Kreislaufverdichter angeschlossen ist, und daß der einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfin-Kreislaufverdichter als Gemischverdichter oder als dung vorgesehen, daß the Abgasturbine an den Zweistromverdichter ausgebildet ist. Damit wird eine Hauptkreisiauf entweder zwischen Hauptturbine und zweistufige Aufladung der Gasturbinenanlage er- 45 Erhitzer oder an den Erhitzer angeschlossen ist.
reicht, wobei jedoch kein zusätzlicher Verdichter für Die durch die Erfindung insgemein erreichten die im Kreislauf geführten Rauchgase notwendig ist, Vorteile sind darin zu sehen, daß eine optimale Aus- und wobei das Druckniveau zwischen Vorverdichter bildung sowohl des Hauptkreislaufes als auch des und Kreislaufverdichter, und damit zugleich im Er- thermodynamischen Arbeitskreisprozesses ermöglicht hitzer, auf einem hohen Wert definiert festgehalten 50 wird. Zunächst ist ein erheblicher Vorteil darin zu werden kann. sehen, daß der Kreiselverdichter sowohl durch

Eine weitere erfindungsgemäße Lösung der ge- Luft als auch durch im Kreislauf geführte Rauchgase nannten Aufgabe betrifft eine Gasturbinenanlage der beaufschlagt wird, so daP sich der Einsatz eines zueingangs genannten Gattung in der Ausführungsfrrm sätzlichen Kreislaufverdichters für die im Kreislauf mit zsuätzlicher Verbrennung im Erhitzer und ist da- 55 geführten Rauchgase erübrigt. Weiter ermöglicht das durch gekennzeichnet, daß der Vorverdiehter zur erhöhte Druckniveau im Erhitzer einen verbesserten Einstellung des Druckes im Erhitzer auf zumindest Wärmeübergang vom Hauptkreislauf in den thermodrei bar ausgelegt ist und über eine Verbindungslei- dynamischen Arbeitskreisprozeß bei gleichzeitiger tung unmittelbar an den Erhitzer angeschlossen ist. baulicher Verkleinerung des Erhitzers. Zudem wird Eine zusätzliche Verbrennung im Erhitzer wird bei 60 dadurch ermöglicht, das Druckniveau im thermody-Gasturbinenanlagen der vorliegenden Gattung vorge- namischen Arbeitskreisprozeß anzuheben, ohne sehen, um eine noch wirkungsvollere Führung des durch zu hohe Differenzdruckbelastung des Erhitzers thermodynamischen Arbeitskreisprozesses zu ermög- diesen zu gefährden. Im Ergebnis wird damit eine erlichen, wobei zugleich eine zusätzliche Möglichkeit heblich wirkungsvollere Führung des therrnodynamigeschaffen wird, die Gasturbinenanlage an wech- 65 sehen Arbeitskreisprozesses ermöglicht. Zugleich selnde Betriebsbedingungen anzupassen. Zu den be- wird aber auch durch den insgesamt höheren Auflareits erwähnten durch die Erfindung erreichten Vor- dedruck ein verbesserter Wirkungsgrad des Hauptteilen kommt bei dieser Ausführungsform hinzu, daß kreislaufs erreicht, denn da das mit einem Verdichter

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zu erreichende Kompressionsverhältnis notwendig die von dem Vorverdichter 11^ zur. Einstellung des begrenzt ist, kann eine Erhöhung des Aufladedruckes Druckes im Erhitzer 4 geheferte Luft_ gekühlt wird, nur" durch Erhöhung des Primärdruckes des Verdich- Bei der Ausfuhrungsform nach Fi g. 2 bei der mit

ters erreicht werden. Das geschieht nach der vorlie- zusätzlicher Verbrennung im Erhitzer 4 gearbe.tet genden. Erfindung im Hinblick auf den Kreislaufver- 5 wird, ist die Anordnung so getroffen, daß der Vordichter, dessen Primärdruck ; durch das erhöhte verdichter 11 zur Einstellung^des Druckes im Erhit-Druokiiiveau im Erhitzer gegeben ist. Weiter ist zu zer 4 über eine Verbindungsleitung 14 unmittelbar an beachten daß durch den Vorverdichter das Druckni- den Erhitzer angeschlossen ist. Auf diese Weise wird veau im Erhitzer sowohl bezüglich der zugeführten eine vollständige Verbrennung des dem Erhitzer 4 Luft als auch bezügUch der im Kreislauf geführten io zugeführten Brennstoffes sowie eine beachtliche ErRauchgase bestimmt wird. Das ermöglicht eine ein- höhung der an den Arbeitskreisprozeß abgegebenen fache und wirkungsvolle Anpassung der Gasturbi- Energie erreicht.

nenanlage an wechselnde Betriebsbedingungen, was Bei der Ausführung nach F ι g. 3, bei der ebenfalls

insbesondere beim Teillastbetrieb eine bedeutende mit zusätzlicher Verbrennung im Erhitzer 4 gearbei-Rolle spielt "J ^{tet wird}«^{ist der} Vorverdichter 11 zur Einstellung des

Im folgenden wird die Erfindung an Hand einer Druckes im Erhitzer 4 über Verbindungsieitungen lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden 14,15 sowohl an den Erhitzer 4 unmittelbar als auch Zeichnung ausführlicher erläutert, es zeigt an den Hauptkreislauf zwischen Erhitzer 4 und

Fig leine erfindungsgemäße Gasturbinenanlage, Kreislaufverdichter 10 angeschlossen. Dabei kann Fig 2 eine andere Ausführungsform des Gegen- ao der Kreislaufverdichter 10 als Zweistromverdichter Standes nach F i g. 1, ausgebildet sein. In der Verbindungsleitung 14 ist ge-

Fig 3 eine weitere Ausführungsform des Gegen- gebenenfalls ein Gebläse 17 angeordnet. Dabei ist in Standes nach Fig. 1. ^{der an den} Verdichter 11 angeschlossenen Verbm-

Die in den Figuren dargestellte Gasturbinenanlage dungsleitung 15 zum Hauptkreislauf ein Kühler 16 besteht in ihrem grundsätzlichen Aufbau aus einem as vorgesehen. Von dem Kühler 16 abgeführte Wärme Hauptkreislauf und einem nachgeschalteten thermo- kann auch dem Arbeitskreisprozeß zugeführt werdynamischen Arbeitskreisprozeß. Zum Hauptkreis- den.

lauf der als teilgeschlossener Kreislauf ausgebildet Bei allen Ausführungsformen ist die Abgastur-

ist, gehören eine Verdichteranlage 1, eine Brennkam- bine 5 an den Hauptkreislauf entweder zwischen mer2 mit nachgeschalteter Hauptturbine 3 sowie ein 30 Hauptturbine 3 und Erhitzer 4 oder unmittelbar an Erhitzer 4 und weiter eine Abgasturbine 5. Der Ar- den Erhitzer 4 angeschlossen. Bei der ersten Mögbeitskreisprozeß ist über den Erhitzer 4 an den lichkeit kann in der zur Abgasturbine 5 führenden Hauptkreislauf angeschlossen, ihm sind eine Ar- Leitung ein Wärmeaustauscher angeordnet sein, der beitsturbine 6, ein Kondensator 7 und eine Arbeite- die Gase kühlt. Es ist vorteilhaft, die in diesem Wärmittelpumpe 8 zugeordnet. An die Arbeitsturbine 6 35 metauscher gewonnene Wärme dem Arbeitskreislauf ist ein Generator 9 angeschlossen. Die in den Figuren zuzuführen. Auf diese Weise läßt sich für die Abgasdargestellten Ausführungsformen sind als Einwellen- turbine eine optimale Abstimmung der gewünschten anlagen ausgebildet, d. h. Verdichteranlage 1, Haupt- Bedingungen erreichen.

turbine 3, Abgasturbine 5, Generator 9 und Arbeits- Was den nachgeschalteten Arbeitskreisprozeß an-

turbine 6 sind miteinander gekuppelt Selbstverständ- 40 belangt, empfiehlt es sich, was im einzelnen nicht lieh besteht auch die Möglichkeit, die Anlage als dargestellt ist, den Arbeitsmittelstrom des Arbeits-Zwei- oder Mehrwellenanlage auszuführen. Im ein- kreisprozesses in mehrere Teilströme aufzuteilen und zelnen ist bei den dargestellten Ausführungsformen diese Teilströme unabhängig voneinander zu erhitdie Anordnung so getroffen, daß die Verdichteran- zen. Bezüglich des in dem Arbeitsprozeß verwendelage 1 zwei Verdichter 10, 11 aufweist, von denen ₄₅ ten Arbeitsmittels bestehen verschiedene Möglichkeieiner zur Einstellung des Druckes in der Brennkam- ten. Sie können hn Arbeitskreisprozeß neben Wasser mer 2, der andere zur Einstellung des Druckes im Er- als Arbeitsmittel auch Kohlendioxid, Ammoniak, !ritzer'4 aof zumindest drei bar ausgelegt ist. Daze Schwefelhexafluorid, Schwefeldioxid, Kohlenwasserzeigt Fig.! eine AusfSirwigsfonn, bei der der stoße, Kohleowasserstoffverbmdnngen, Freone u.dgl. Kreistenfverdichter 1» zur Eiasteieog des Dreckes _So oder Mischeagea von diesen Arbetemittem eiern der Brennkammer 2 als Geisch verdichter oder gesetzt werden. Je nach Größe und Druckniveao Zweistromverdichter and der Vorverdicbter 11 als der Gasturbinenanlage bieten derartige Stoffe auf Laffrerdkfater ausgt mit einer Verbindungslei- Grand &rer physikalischen Eechaften Vorteile, toag 12 an den Hastenf zwischen Erhitzer 4 Gegebeaeafalls empfiehlt es sich, die Verhältnisse so and Kreislaafverdicbter M» angeschlossen ist. Zwi- _x ze gestalten, daß der Druck der Arbeitsmittel am Ersehen Erhitzer 4 und isv'dchtcr 10 ist era bilztaeiutritt größer ist als der kritische Druck, weil 13 vorgesehen, ia dem gegebenenfalls aech dadurch der Wärmeru op wird.

Hierzu 1 Blau Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gasturbinenanlage mit Hauptkreislauf und nachgeschautem thermodynamischem Arbeitskreisprozeß, wobei der Hauptkreislauf als teilgeschlossener Kreislauf mit Verdichtungsanlage, Brennkammer, Hauptturbine, Abgasturbine und Erhitzer ausgerüstet sowie der thermodynamische Arbeitskreisprozeß über den Erhitzer an den Hauptkrejslauf angeschlossen ist, wobei die Verdichteranlage mehrere Verdichter ausweist, von denen einer als Kreislai'fverdichter zur Einstellung des Druckes in der Brennkammer, ein aaderer als Vorverdichter zur Einstellung des Druckes im Erhitzer bestimmt ist, und wobei der Vorverdichter mit einer Verbindungslettung an den Hauptkreislauf angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorverdichter (11) zur Einstellung des Druckes im Er- ao hitzer (4) auf zumindest drei bar ausgelegt ist und über die Verbindungsleitung (12) an den Hauptkreislauf zwischen Erhitzer (4) und Kreislaufverdichter (10) angeschlossen ist und daß der Kreislaufverdichter (10) als Gemischverdichter oder »5 als Zweistromveidichter ausgebildet ist.

2. Gasturbinenanlage mit Hauptkreislauf und nachgeschaltetem thermodynamischem Arheitskreisprozeß, wobei der Hauptkreislauf als iciigeschlossener Kreislauf mit Verdichteranlage. Brennkammer, Hauptturbine, Abgasturbine und Erhitzer ausgerüstet sowie der thermodynamische Arbeitskreisprozeß über den Erhitzer an den Hauptkreislauf angeschlossen ist, wobei die Verdichteranlage mehrere Verdichter aufweist, von denen einer als Kreislaufverdichter zur Einstellung des Druckes in der Brennkammer, ein anderer als Vorverdichter zur Einstellung des Druckes im Erhitzer bestimmt ist, und wobei der Vorverdichter mit einer Verbindungsleitung an den Hauptkreislaut angeschlossen ist, in der Ausführungsform mit zusätzlicher Verbrennung im Fr hitzer, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorve;-dichter (11) zur Einstellung des Druckes im Erhitzer (4) auf zumindest drei bar ausgelegt ist und über eine Verbindungsleitung (14) unmittelbar an den Erhitzer (4) angeschlossen ist.

3. Gasturbinenanlage mit Hauptkreislauf und nachgeschaltetem thermodynamischem Arbeitskreisprozeß, wobei der Hauptkreislauf als teilge- 5» schlossener Kreislauf mit Verdichteranlage, Brennkammer, Hauptturbine, Abgasturbine und Erhitzer ausgerüstet sowie der thermodynamische Arbeitskreisprozeß über den Erhitzer an den Hauptkreislauf angeschlossen ist, wobei die Verdichteranlage mehrere Verdichter aufweist, von denen einer als Kreislaufverdichter zur Einstellung des Druckes in der Brennkammer, ein anderer als Vorvet'dichter zur Einstellung des Druckes im Erhitzer bestimmt ist, und wobei der Vorverdichter mit einer Verbindungsleitung an den Hauptkreislauf angeschlossen ist, in der Ausführungsform mit zusätzlicher Verbrennung im Erhitzer, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorverdichter (11) zur Einstellung des Druckes im Erhitzer (4) auf zumindest drei bar ausgelegt ist und über Verbindungsleitungen (14, 15) sowohl an den Erhitzer (4) unmittelbar als auch an den

Hauptkreislasf %wfcchea Erhitzer (4) and Kreis-

ufverdicto^tWf^g . .

4 Gas&irbiiBsianlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Leitung zwischen dem Erhitzer (4) und dem Kreislaufverdichter (10) ein Kühler (13) angeordnet ist.

5. Gasturbinenanlage nach Anspruch J, dadurch gekennzeichnet, daß in der an den Verdichter (11) angeschlossenen Verbindungsleitung (15) zum Hauptkreislauf ein Kühler (16) vorgesehen ist.

6 Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 1 bi&5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasturbine (5) an den Hauptkreislauf entweder zwischen Hauptturbine (3) und Erhitzer (4) oder an den Erhitzer (4) angeschlossen ist.