DE2138739B2 - Teilgeschlossene Gasturbinenanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine teilgeschlossene Gasturbinenanlage, bestehend aus einem Kreislaufverdichter, einem Wärmetauscher, einer Brennkammer, einer Kreislaufturbine, einem Rückkühler, einem Luftverdichter, einer Abgasturbine und einer Arbeitsmaschine, z. B. einem elektrischen Generator, wobei der Kreislaufverdichter, der Wärmetauscher, die Brennkammer, die Kreislaufturbine, der Wärmetauscher und der Rückkühler in dieser Reihenfolge den geschlossenen Teil der Gasturbinenanlage bilden (vgl. die DT-AS 1 235 669).

Bekanntlich unterscheidet man Gasturbinenanlagen des offenen, des geschlossenen und des teilgeschlossenen Prozesses.

Bei einer Gasturbinenanlage des offenen Prozesses (offene Gasturbinenanlage) wird Luft aus dem Freien angesaugt, mit Hilfe eines Verdichters (theoretisch adiabat) verdichtet, anschließend (theoretisch isobar) in einer Brennkammer erhitzt, danach unter Arbeitsleistung (theoretisch adiabat) in einer Turbine entspannt und nach der Arbeitsleistung als Abgas ins Freie ausgeblasen. Die Gasturbinenanlage des geschlossenen Prozesses (geschlossene Gasturbinenanlage) unterscheidet sich von der offenen Gasturbinenanlage dadurch, daß Lufi oder ein anderes Gas in einem geschlossenen Kreislauf geführt wird; notwendigerweise tritt an die Stelle der Brennkammer der offenen Gasturbinenanlage ein Luft- bzw. Gaserhitzer. Die Luft bzw. das andere Gas wird nach der Arbeitsleistung in der Turbine nicht ins Freie ausgeblasen, sondern über einen Rückkühler wieder dem Verdichter zugeführt Die Vorteile einer offenen Gasturbinenanlage sind in der einfachen Schaltung, der direkten Übertragung der Wärme an das Arbeitsmittel, der relativ einfachen Bauweise und der einfachen Regelung durch Änderung der Brennstoffzufuhr lu sehen, während als Nachteile das relativ große Volumen des Arbeitsmittels und die Tatsache, daß praktisch nur flüssige oder gasförmige Brennstoffe verwendet werden können, zu gelten haben. Demgegenüber sind die Vorteile der geschlossenen Gasturbinenanlage vor allem in dem relativ kleinen Volumen des Arbeitsmittels und der Verwendbarkeit fester Brennstoffe zu sehen, während die Nachteile in der Notwendigkeit des Luft- bzw. Gaserhitzers, der komplizierten Schaltung und der Notwendigkeit des Rückkühlers — zumeist wird Kühlwasser benötigt — bestehen.

Bei Gasturbinenanlagen des teilgeschlossenen Prozesses (teilgeschlossene Gasturbinenanlagen) wird versucht, die Vorteile der offenen Gasturbinenanlage mit den Vorteilen der geschlossenen Gasturbinenanlagen zu verbinden, — und deren Nachteile zu vermeiden. Das gelingt auch weitgehend, jedoch ist der Wirkungsgrad und die erreichte spezifische Leistung noch nicht zufriedenstellend, so daß der Erfindung die Aufgabe zugrunde liegt, die teilgeschlossene Gasturbinenanlagen

der eingangs beschriebenen Art insoweit zu verbessern. Im übrigen ist bereits eine teilgeschlossene Gasturbinenanlage bekannt (vgl. die DT-PS 695 838) die ebenfalls aus einem Kreislaufverdichter, einem Wärmetauscher, einer Brennkammer, einer Kreislaufturbine, einem Rückkühler, einem Luftverdichter, einer Abgasturbine und einer Arbeitsmaschine besteht. Jedoch ist bei dieser bekannten teilgeschlossenen Gasturbinenanlage die Schaltung der einzelnen Bauelemente, d. h. die Zuordnung der einzelnen Bauelemente zueinander anders als bei der teilgeschlossenen Gasturbinenanlage, von der die Erfindung ausgeht, bei dieser bekannten teilgeschlossenen Gasturbinenanlage sind nämlich im Gegensatz zu der teilgeschlossenen Gasturbinenanlage, von der die Erfindung ausgeht, die Kreislaufturbine die Brennkammer, der Brennkammer der Wärmetauscher, dem Wärmetauscher der Kreislaufverdichter, dem Kreislaufverdichter eine Wassereinspritzung, der Wassereinspritzung wieder der Wärmetauscher und dem Wärmetauscher die Kreislaufturbine nachgeschaltet.

Soweit bei dieser bekannten teilgeschlossenen Gasturbinenanlage eine Wassereinspritzung vorgesehen ist, dient diese dazu, das im geschlossenen Kreislauf geführte Gas zu reinigen. Die dazu verwendete relativ geringe Menge von eingespritztem Wasser beeinflußt praktisch weder den Wirkungsgrad noch die erreichte spezifische Leistung dieser teilgeschlossenen Gasturbinenanlage.

Die erfindungsgemäße teilgeschlossene Gasturbinenanlage ist dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kreislaufverdichter und zumindest einem Teil des Wärmetauschers eine Wassereinspritzung vorgesehen ist. Ist der Wärmetauscher einstufig ausgeführt, so ist die Wassereinspritzung vor dem Wärmetauscher vorgesehen. Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungs-

gemäßen teilgeschlossenen Gasturbinenanlage ist jedoch dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher mehrstufig ausgeführt ist und die Wassereinspritzung zwischen der ersten und der letzten Stufe des Wärme-

tauschers vorgesehen ist. Dadurch, daß bei der erfindungsgemäßen teilgeschlossenen Gasturbinenanlage eine Wassereinspritzung, wie zuvor erläutert, vorgesehen ist, wird im wesentlichen folgendes erreicht:

Die erfindungsgemäß vorgesehene Wassereinspritzung führt zu einer Reduzierung der Temperatur des dem Wärmetauscher zugeführten Arbeitsmittels, so daß die in dem Arbeitsmittel n?ch Verlassen der Kreislaufturbine noch enthaltene Wärme in dem Wärmetauscher besser ausgenutzt werden kann. Das führt unmittelbar zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades der erfindungsgemäßen teilgeschlossenen Gasturbinenanlagen A* eingangs beschriebenen Art. Die bessere Ausnutzung der in dem Arbeitsmittel nach Verlassen der Kreislaufturbine noch enthaltene Wärme innerhalb des Wärmetauschers führt darüber hinaus dazu, daß der dem Wärmetauscher nachgeschaltete Rückkühler entsprechend kleiner dimensioniert werden kann, daß z. B. weniger Kühlwasser benötigt wird. Im übrigen führt die erfindungsgemäß vorgesehene Wassereinspritzung dazu, daß das Volumen des Arbeitsmittels, das der Kreislaufüirbine zugeführt wird, größer ist, so daß die Arbeitsleistung der Turbine — ohne eine Vergrößerung der Gasturbinenanlage selbst — größer wird, die spezifische Leistung der erfindungsgemäßen teilgeschlossenen Gasturbinenanlage also größer ist als bei bekannten teilgeschlossenen Gasturbinenanlagen.

Die maximal mögliche Menge des einzuspritzenden Wassers, das natürlich verdampfen muß, hängt vor allem von der Temperatur des Arbeitsmittels an dem Punkt des Kreislaufs ab, an dem das Wassereingespritzt wird. Sieht man, wie bei der bereits beschriebenen vorteilhaften Ausführungsform, einen mehrstufigen Wärmetauscher vor, so erreicht man eine entsprechend hohe Temperatur des Arbeitsmittels an dem Punkt, an dem das Wasser eingespritzt wird, dadurch, daß man das Arbeitsmittel nach der Verdichtung im Kreislaufverdichter zunächst durch eine oder mehrere Stufen des Wärmetauschers führt, ehe man die Wassereinspritzung vornimmt.

Im einzelnen gibt es verschiedene Möglichkeiten, die erfindungsgemäße teilgeschlossene Gasturbinenanlagae auszugestalten und weiterzubilden. So besteht insbesondere die Möglichkeit, die Wassereinspritzung mit besonderen Einspritzdüsen oder als besonders gestalteter Verdampfer auszuführen. Das nach dem Kreislaufverdichter dem Arbeitsmittel zuzuführende Wasser kann dem Rückkühler entnommen werden, die Wassereinspritzung kann also mit dem Rückkühler verbunden sein. Auch besteht die Möglichkeit, der Wassereinspritzung einen Wasservorwärmer vorzuschalten, z. B. zwischen dem Rückkühler und der Wassereinspritzung einen solchen Wasservorwärmer vorzusehen.

Dabei kann der Wasservorwärmer dem Wärmetauscher nachgeschaltet sein, so daß auch auf diese Weise noch ein Teil der in dem Arbeitsmittel nach Verlassen des Wärmetauschers enthaltenen Wärme genutzt wird. Der zuletzt beschriebene Wasservorwärmer kann im übrigen räumlich mit dem Rückkühler verbunden sein, also ein gesondertes Aggregat innerhalb des Rückkühlers darstellen. Schließlich wird man zweckmäßigerweise der Wassereinspritzung eine entsprechende Wasserpumpe vorschalten, mit der die Menge und der Druck des einzuspritzenden Wassers festgelegt werden kann.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand einer lediglich Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung ausführlicher erläutert; es zeigt

F i g. 1 eine erste Ausführungsform einer erfindüngsgemäßen teilgeschlossenen Gasturbinenanlage,
. F i g. 2 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen teilgeschlossenen Gasturbinenanlage und

F i g. 3 eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen teilgeschlossenen Gasturbinenanlage.

Die in den Figuren dargestellte teilgeschlossene Gasturbinenanlage besteht in ihrem grundsätzlichen Aufbau aus einem Kreislaufverdichter 1, einem Wärmetauscher 2, einer Brennkammer 3, einer Kreislaufturbine 4, einem Rückkühler 5, einem Luftverdichter 6, einer Abgasturbine 7 und einer Arbeitsmaschine, z. B. einem elektrischen Generator 8; dabei bilden der Kreislaufverdichter 1, der Wärmetauscher 2, die Brennkammer 3, die Kreislautturbine 4, der Wärmetauscher und der Rückkühler 5 in dieser Reihenfolge den geschlossenen Teil der Gasturbinenanlage.

Wie die Figuren zeigten, ist zwischen dem Kreislaufverdichter 1 und zumindest einem Teil des Wärmetauschers 2 eine Wassereinspritzung 9 vorgesehen.

Im Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 ist der Wärmetauscher 2 einstufig ausgeführt und ist die Wasse-einsprhzung 9 folglich zwischen dem Kreislaufverdichter 1 und dem Wärme^usr*--er "* vorgesehen. Das gleiche gilt für die Ausführungsform nach F i g. 2, die sich insoweit von der Ausführungsform nach F i g. 1 unterscheidet, als sowohl in den Kreislaufstrom als auch in den Luftstrom, nach entsprechender Verdichtung in dem als Zweistromverdichter ausgebildeten Kreislaufverdichter 1, Wasser eingespritzt wird, also zwei Wassereinspritzungen 9 vorgesehen sind. Bei der Ausführungsform nach F i g. 3 ist der Wärmetauscher 2 mehrstufig, nämlich mit Stufen 2a, 2b und 2q ausgeführt und ist die Wassereinspritzung 9 zwischen der ersten Stufe 2a und der letzten Stufe 2c, konkret zwischen der ersten Stufe 2a und der zweiten Stufe 2b des Wärmetauschers 2 vorgesehen. Im übrigen weist die Wassereinspritzung 9 Einspritzdüsen auf oder ist die Wassereinspritzung 9 als besonders gestalteter Verdampfer ausgeführt, was in den Figuren jedoch nicht dargestellt ist.

Die F i g. 1 und 2 zeigen, daß die Wassereinspritzung 9 mit dem Rückkühler 5 verbunden ist, daß also das einzuspritzende Wasser dem Rückkühler 5 entnommen wird. Außerdem ist bei diesen Ausführungsformen dargestellt, daß der Wassereinsprit2ung 9 ein Wasservorwärmer 10 vorgeschaltet ist, der dem Wärmetauscher 2 nachgeschaltet ist und im Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 räumlich mit dem Rückkühler 5 verbunden ist.

Schließlich zeigen die F i g. 1 und 2 Ausführungsformen der erfindungsgemäßen teilgeschlossenen Gasturbinenanlage, bei denen der Wassereinspritzung 9 eine Wasserpumpe 11 vorgeschaltet ist. Die Wasserpumpe 11 ist jeweils zwischen dem Rückkühler 5 und dem Wasservorwärmer 10 vorgesehen. Darüber hinaus ist bei diesen beiden Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen teilgeschlossenen Gasturbinenanlage eine weitere Wasserpumpe 12 vorgesehen, die der Wassereinspritzung 9 Wasser aus einem Wasservorratsbehälter 13 zuführen kann.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Teilgeschlossene Gasturbinenanlage, bestehend aus einem Kreislaufverdichter, einem Wärmetauscher, einer Brennkammer, einer Kreislaufturbine, einem Rückkühler, einem Luftverdichter, einer Abgasturbine und einer Arbeitsmaschine, z. B. einem elektrischen Generator, wobei der Kreislaufverdichter, der Wärmetauscher, die Brennkammer, die Kreislaufturbine, der Wärmetauscher und der Rückkühler in dieser Reihenfolge den geschlossenen Teil der Gasturbinenanlage bilden, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kreislaufverdichter (i) und zumindest einem Teil des Wärmetauschers (2) eine Wassereinspritzung (9) vorgesehen ist.

2. Teilgeschlossene Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (2) mehrstufig ausgeführt ist und die Wassereinspritzung (9) zwischen der ersten Stufe (2a) und der letzten Stufe (2c) des Wärmetauschers (2) vorgesehen ist.

3. Teilgeschlossene Gasturbinenanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wassereinspritzung (9) mit der Gasseite des Rückkühlers (5) verbunden ist.

4. Teilgeschlossene Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wassereinspritzung (9) ein Wasservorwärmer (10) vorgeschaltet ist.

5. Teilgeschlossene Gasturbinenanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasservorwärmer (10) dem Wärmetauscher (2) abgasseitig nachgeschaltet ist.

6. Teilgeschlossene Gasturbinenanlage nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasservorwärmer (10) räumlich mit dem Rückkühler (5) verbunden ist.