DE2819418C2

DE2819418C2 - Gas-Dampfturbinen-Anlage

Info

Publication number: DE2819418C2
Application number: DE2819418A
Authority: DE
Inventors: Charles Dipl.-Ing. Dr. Winterthur Mandrin
Original assignee: Gebrueder Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1978-04-26
Filing date: 1978-05-03
Publication date: 1981-12-03
Also published as: DE2819418A1; NL7902462A; NL179498C; IT1112847B; FR2424412A1; GB2019942A; CA1121606A; GB2019942B; CH632803A5; US4271665A; FR2424412B1; IT7922047A0; CH630702A5

Description

Die Erfindung betrifft eine Gas-Dampfturbinen-Anlage gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Druckgas, das hauptsächlich aus Luft und zum anderen Teil aus Verbrennungsprodukten wie CO2 und Wasserdampf besteht, kommt hauptsächlich für zwei Anwendungen zum Einsatz; bei einer Anwendung als Rohstoff für die chemische Industrie, z. B. für die Ammoniakherstellung, Vergasung von Brennstoffen, Strahlerzeugung, Druckeinspritzung auf öl- und Gasfeldern; bei einer anderen Anwendung in einer Nutzturbine, in der es arbeitsleistend entspannt wird, z. B. zum Antrieb von elektrischen Generatoren. Kompressoren und Pumpen.

Für die Versorgung der chemischen Industrie mit Druckgas sind Luftkompressionsanlagen bekannt, die aus mehreren, hintereinandergeschalteten Kompressoren bestehen, die die Luft von Atmosphärendruck auf bis 4000 kpa komprimieren. Zwischenkühler sind meistens vorgesehen, um zu hohe Temperaturen zu vermeiden und damit die Antriebsleistung zu vermindern. Als Antrieb dienen u, a, Elektromotoren, Dampfturbinen und Gasturbinen, Die thermody na mischen Verluste des Antriebes addieren sich zu den thermodynamisehen Verlusten der Kompressionsvorgänge.

Es sind auch Kraftwerke bekannt, die auf der Basis des offenen Gas-Turbinenprinzips arbeiten. Um einen möglichsi großen Wirkungsgrad zu erreichen, wird der Ericson-Prozeß angestrebt Als Annäherungslösung sind sogenannte mehrwellige Gasturbinenanlagen gebaut worden mit mehreren hintereinandergeschalteten Kompressoren mit jeweiliger Zwischenkühlung und Entspannung in mehreren hintereinandergeschalteten Turbinen, wobei jeder Turbine eine Brennkammer vorgeschaltet ist, um die durch die vorangehende Expansion abgekühlten Gase wieder zu erhitzen. Solche Anlagen sind sehr kompliziert und werden nur für Spezialaufgaben gebaut Ein anderer Weg, den Wirkungsgrad zu erhöhen, basiert auf der Tatsache, daß die drucklosen Abgase noch sehr heiß sind und daß es sich deshalb lohnt, die Wärme als Heizmitte! eines Dampferzeugers zu verwenden und mit dem Dampf eine Dampfturbine für zusätzliche Krafterzeugurig zu speisen. Diese Wärmerückgewinnung hat jedoch den wesentlichen Nachteil, daß die drucklosen Abgase eine sehr geringe Dichte haben und Druckverluste verursachen, die die Gasteibinenleistung wesentlich herabsetzen. Außerdem ist der Wärmeübergang zwischen Abgas und Wärmeaustauscher sehr ungünstig.

Es liegt nun der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Gas-Dampfturbinen-Anlage der eingangs definierten Art zu schaffen, bei der die Wärmerückgewinnung aus den Abgasen unter einem höheren Druck als dem atmosphärischen stattfindet, so daß die Abmessungen des Wärmeaustauschers wesentlich geringer sind und der negative Einfluß des Druckabfalls auf die Turbinenleistung auch geringer ist. Zur Lösung dieser Aufgabe sind erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Gestaltu—.gsmerkmale für die Anlage vorgesehen. Die Merkmale der Unteransprüche betreffen vorteilhafte und förderliche Weiterbildungen.

Es sei hier bemerkt, daß die DE-AS 11 49 573 eine

Anlage der eingangs definierten Art zeigt, deren Zweck es jedoch ist. Leistung an einer Schiffswelle zu erzeugen,

die dem Gaserzeuger entnommen wird.

Was Anspruch 3 betrifft, spielt die Überlegung eine wichtige Rolle, daß ein Gaserzeuger nach Strahltriebwerk-Bauart (DE-Zeitschrift »Energie und Technik«, Heft 2, Februar 19/2, Seite 39) eine kleine, leichte und

id serienmäßig hergestellte, käufliche Einheit ist, die sehr große Mengen Druckgas in Form von Abgas erzeugt. Der Druck des Abgases, das hauptsächlich aus Luft besteht, beträgt etwa 300 bis 350 kpa bei einer Temperatur von etwa 970 K. Die Schaufelung und die Brennkammern sind für hohe Leistungen und Temperaturen geeignet.

In diesem Zusammenhang liegt der Erfindung die weitere Überlegung zugrunde, daß, wenn nun einmal Druckgas erzeugt werden soll, das Abgas des Strahltriebwerkes nicht entspannt und anschließend wieder komprimiert werden soll. Der Abgasdruck, der 3ÖÖ bis 350 kpa beträgt, reicht jedoch für die meisten chemischen Verfahren nicht aus, so daß mindestens eine weitere Kompressionsstufe notwendig ist. Dann treten aber Werkstoffprobleme bei der Kompression auf, da das Abgas eines Strahltriebwerkes sehr heiß, nämlich ca. 973 K ist, und besonders viel heißer ist als das Abgas nach der Nutzturbine einer Gasturbinenanlage, dessen

Temperatur etwa 723 bis 7?3 K beträgt, Pas Abgas muß daher gekühlt werden. Es muß auch sonst gekühlt werden, um Kompressionsarbeit zu sparen, und zwar auf etwa Umgebungstemperatur, Dies bringt den Vorteil, daß die Wärmeaustauschfläcben bei einer Anlage gemäß der Erfindung klein sein können, besonders im Vergleich zur Abkühlung des Abgases bei Umgebungsdruck, Es liegen somit ideale Verhältnisse vor, um Hochdruckdampf mit einer Temperatur von ca. 823 K zu erzeugen, einer Temperatur, die es bekanntlich erlaubt, einen Dampfkreislauf mit einem Wirkungsgrad von ta. 35% zu realisieren. Mit einem Abgas mit einer Temperatur von nur ca. 723 bis 773 K ist die Temperatur des erzeugten Dampfes viel geringer und der Wirkungsgrad des bekannten, mit Abgas beheizten Dampfkreislaufes ist denn auch auf 20 bis 25% beschränkt

Zwei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes sind nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Gas-Dampfturbinen-Anlage gemäß der Erfindung,

F i g. 2 eine gegenüber F i g. 1 abgewandc-.5e Anlage.

Die Gas-Dampfturbinen-Anlage nach Fig. 1 besteht im wesentlichen aus einem Gaserzeuger 20, einem Dampferzeuger 21, einer Waschkolonne 22, einem weiteren Gaserzeuger 23, einem weiteren Dampferzeuger 24, einer weiteren Waschkolonne 25 sowie einer Dampfturbine 41. Der Gaserzeuger 20 weist bekanntlich eine Kompressionsstufe 20a, Brennstoffkammern 206 und eine Expansionsstufe 20c auf, die die Kompressionsstufe antreibt. Beide Gaserzeuger 20 und 23 sind vorzugsweise Gaserzeuger nach Strahltriebwerk-BauarL

Der Gaserzeuger 20 saugt im Überschuß Frischluft von Atmosphärendruck über eine Leitung 30 an. Der Brennstoff für die Brennkammern 206 wird über eine Leitung 31 zugeführt. Das Abgas, das die Expansionsstufe 20c verläßt, bildet das Heizmedium für den Dampferzeuger 21. Das gekühlte Abgas fließt von dort über eine Leitung 32 zur Waschkolonne 22, in dem es durch Berieselung mit Wasser, das unter Druck durch eine Pumpe 33 eingespritzt wird, weiter auf Raumtemperatur abgekühlt wird. Das in der Waschkolonne anfallende warme Wasser wird über eine Leitung 34 abgeführt. Das gekühlte Abgas strömt über eine Leitung 35 zur Kompressionsstufe 23a des zweiten Gaserzeugers 23. Der Brennstoff erreicht die Brennkammern 236 über eine Leitung 36. Das heiße Abgas, das die Expansionsstufe 23c verläßt, strömt über eine Leitung 37 zum zweiten Dampferzeuger 24 und von dort durch die Waschkolonne 25 nach einem Kompressor 26, der das abgekühlte Abgas auf Enddruck komprimiert und über eine Leitung 40 einem (nicht gezeichneten) Verbraucher zuführt. Der Kompressor 26 wird angetrieben durch die Dampfturbine 41, die über eine Leitung 42 mit Dampf vom Dampferzeuger 21 und über eine Leitung 43 mit Dampf vom zweiten Dampferzeuger 24 gespeist wird. Der in der Dampfturbine 41 entspannte Wasserdampf kondensiert in einem über eine Leitung 38 angeschlossenen Kondensator 44. Das Kondenswasser wird von einer Pumpe 45 angesaugt und zum Teil über eine Leitung 47 dem Dampferzeuger 24, zum anderen Teil über eine Leitung 46 dem Dampferzeuger 21 als Speisewasser zugeführt.

Zahlenbeispiel einer Anlage nach Fig.)

Zum Beweis, daß in cY:' Anlage gemäß der Erfindung der angebliche hohe Wirkungsgrad tatsächlich erreicht

65 wird, folgt ein Z&hJenbeispiel einer Anlage mit zwei gleichen Gaserzeugern mit folgenden Betriebsdaten.

Gaserzeuger 20

Frischluft-Ansaugdruck: 100 kPa (atmosphärisch), Luftdurchsatz: 58 kg/s, Ansaugtemperatur: 228 K, Abgasdruck: 315 kPa, Abgastemperatur: 909 K, Brennstoffverbrauch: 35'870 kW, Abgastemperatur nach Waschkolonne 22: 300 K. Wirkungsgrad des Dampfkreislaufes: 35%.

Gaserzeuger 23

Abgas-Ansaugdruck: 315 kPa, Ansaugtemperatur: 906 K, Abgasdurchsatz: 58 kg/s, Abgas-Enddruck in Leitung 40: 11'61OkPa, Brennstoffverbrauch: 35'870 kW.

Berechnungen ergeben, daß bei dem totalen Brennstoffverbrauch von 2 χ 35'87OkW = 71'047 kW dieser nur 64% beträgt von dem einer Kompressionsanlage bekannter Bauart, die durch eine Cisturbine mit 33% Wirkungsgrad angetrieben ist

Es ist möglich, den Dampf einer der beiden Dampferzeuger 21 und 24 für einen anderen Zweck zu verwenden als zum Antrieb der Dampfturbine 4i.

Da der Ansaugdruck des Gaserzeugers 23 höher ist als der atmosphärische, ist dieser Gaserzeuger aus Festigkeitsgründen vorzugsweise von einem Gehäuse 48 umgeben, das ein Gas enthält dessen Druck mindestens dem Ansaugdruck der Kompressionsstufe 23a entspricht Dabei kann das Druckgas in dem Gehäuse 48 eingeschlossen sein, oder dann von dem Abgas in der Ansaugleitung 35 des Gaserzeugers 23 über eine Leitung 35a abgezweigtes Gas sein. In jedem Fall ist das Gehäuse mit einer Kühlvorrichtung 49 zu versehen, um Strahlungsverluste abzuführen.

Bei Anlagen kleinerer Leistung, bei der die erforderliche Leistung des zweiten Gaserzeugers 23 so gering ist, daß dafür kein Gaserzeuger nach Strahltriebwerk-Bauart im Handel erhältlich ist kommt statt dessen eine Gasturbine, aber ohne die übliche Nutzturbine, in Betracht

Ähnlicherweise wie beschrieben, ist es möglich, eine dritte oder noch mehrere Kompressionsstufen mit Gaserzeugern auszurüsten. Jedoch wird vorzugsweise die letzte Stufe ein durch eine Dampftui bine angetriebener Kompressor sein, um den erzeugten Dampf auszunützen.

Die Überlegungen für die beschriebene Anlage nach Fig. 1, die Druckgas für einen Verbraucher liefert, gelten auch, wenn die Anlage zum Erzeugen von mechanischer Energie verwendet wird. Dazu wird die Dampfturbine 41 der Anlage von Fig. 1 nicht für die Abgaskompression (Kompressor 26) eingesetzt, sondern für den Antrieb einer Nutzlast der Anlage. Ein weiterer Nutzlastantrieb kann gebildet v/erden durch einen Gaserzeuger mit angebauter Nutziastturbine. F i g. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer solchen Anlage.

Die Anlage gen '.äß F i g. 2 besteht im wesentlichen aus einem Gaserzeuger 50, einem Dampferzeuger 51, einer Waschkoionne 52, einem zweiten Gaserzeuger 53, einer Nutzturbine 54 mit elektrischem Generrtor 55, einem zweiten Dampferzeuger 56, einer Dampfturbine 57 mit elektrischem Generator 58 und einem Kondensator 64. Auch bei dieser An.kge sind die Gaserzeuger 50 und 53 vorzugsweise Gaserzeuger nach Strahltriebwerk-Bauart.

Der Gaserzeuger 50 saugt Frischluft über eine

Leitung 60 an. Der Brennstoff wird über eine Leitung 61 zugeführt. Das Abgas, das den Gaserzeuger verläßt, bildet das Heizmedium für den Dampferzeuger 51. Das im Dampferzeuger gekühlte Abgas durchströmt die Waschkolonne 52, in der es weiter abgekühlt wird. Das Abgas wird aus der Waschkolonne durch den zweiten Gaserzeuger 53 angesaugt und komprimiert. Über eine Leitung 62 werden die Brennkammern gespeist. Das expandierte Abgas wird unmittelbar der dem Gaserzeuger 53 angebauten Nutzturbine 54 zugeführt, die den elektrischen Generator 55 antreibt. Das in der Nutzturbine entspannte Abgas wird dem Dampfer/enger 56 zugeführt und darin abgekühlt und fließt von dort über eine Leitung 63 durch einen (nicht ge/.eichneten) Kamin ab. Der im Dampferzeuger 56 erzeugte Dampf

fließt zur Dampfturbine 57, die den Generator 58 antreibt. Der entspannte Dampf wird in einem Kondensator 64 kondensiert. Ein Teil des Kondenswasser wird von einer Pumpe 65 dem Dampferzeuger 56 zugeführt. Der im Dampferzeuger 51 erzeugte Hochdruckdampf fließt über eine Leitung 66 ebenfalls zur Dampfturbine 57. Der andere Teil des Kondenswassers im Kondensator 64 wird von einer Pumpe 67 zum Dampferzeuger 51 zurückgeführt.

Auch für diese Anlage gilt das hinsichtlich der Anlage nach Fig. 1 Gesagte, daß bei kleiner Leistung bei Verwendung eines Gaserzeugers nach Strahliriebwerk-Bauart statt des zweiten Gaserzeugers nach Strahltriebwerk-Bauart 53. eine Gasturbine ohne Niitzttirbine gewählt werden kann.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Gas-Dampfturbinen-Anlage mit einem einen Verdichter, eine Brennkammer und eine den Verdichter antreibende Gasturbine aufweisenden Gaserzeuger, dessen Gasturbine mit einem zum Betreiben einer Dampfturbinen-Anlage vorgesehenen Dampferzeuger verbunden ist, dem das Abgas als Heizmedium dient und der über einen Kühler mit einem Kompressor verbunden ist. dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor durch einen weiteren Gaserzeuger (23; 53) der gleichen Bauart gebildet ist, dessen Gasturbine (23c; 53c) direkt oder über eine Nutzleistungsturbine (54) mit einem weiteren Dampferzeuger (24, 56), dem das Abgas als Heizmedium dient, verbunden ist, wobei der erzeugte Dampf ebenfalls zum Betreiben der Dampfturbinen-Anlage vorgesehen ist

2. Gas-B-ampfturbinen-Anlage nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Dampfturbinen-Anlage ein zusätzlicher Kompressor (26) antreibbar ist, wobei das aus dem weiteren Dampferzeuger (24) als Druckgas austretende Abgas dem zusätzlichen Kompressor (26) über einen weiteren Kühler (25) zufühl bar ist

3. Gas-Dampfturbinen-Anlage nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaserzeuger (20,23; 50,53), wie an sich bekannt, solche nach Strahltriebwerk-Bauart sind.

4. Gas-Dampfturbinen-Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Gaserzeuger (23; 52) von einem Gehäuse (48) umgeben ist, das eh. Gas enthält, dessen Druck dem Ansaugdruck dieses Gaser, eugers entspricht.

5. Gas-Dampfturbinen-Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas im Gehäuse (48) von dem Abgas in der Ansaugleitung (35) des weiteren Gaserzeugers (23, 53) abgezweigtes Gas ist.

6. Gas-Dampfturbinen-Anlage nach einem der Ansprüche I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Kühler als Waschkolonne (22, 25;52) ausgebildet ist.