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Dampferzeuger mit einer unter hohem Druck arbeitenden Feuerung Es
sind Dampferzeuger bekannt, bei welchen das Brennstoff-Luft-Gemisch in druckfesten
Brennkammern unter hohem gleichbleibendem Druck verbrannt wird. Luft und Brennstoff
werden hierzu durch Verdichter auf -den erforderlichen Druck gebracht. Der Antrieb
dieser Verdichter erfolgt durch Gasturbinen, deren Treibmittel die Heizgase des
Dampferzeugers selbst sind. Man hat diese Gasturbine meist am Ende des Heizgasstromes
angeordnet, die Gasturbine also mit Abgasen betrieben, die bereits auf nedrige Temperatur
abgekühlt sind. Eine Gefährdung des Gasturbinenrades und der Beschauflung besteht
dann, nicht mehr, dagegen kann die Leistung dieser Gasturbine nur gering sein, so
daß zum Antrieb des Verdichtews noch eine weitere Kraftmaschine, z. B. ein Elektromotor
oder eine Dampfturbine, erforderlich wird. Haben die Abgase zur Vermeidung größerer
Abgasverluste die übliche niedrige Temperatur und handelt es sich um eine Abgasturbine
gewöhnlicher Bauart, so muß die Leistung dieses Zusatzmotors sogar wesentlich größer
sein als die Leistung der Gasturbine. Da die Energie des Zusatzmotors besonders,
erzeugt werden muß, ergeben sich beträchtliche Verluste, die den Wirkungsgrad dieser
Dampferzeugungsanlage herabdrücken. Man hat aus diesem Grunde vorgeschlagen, die
Gasturbine nicht an das Ende des Heizgasstromes, sondern an eine Stelle desselben
zu setzen, an der die Temperaturen noch so hoch sind, daß die aus den Gasen erhältliche
Turbinenleistung ausreicht, um die Antriebsleistung für den Verdichter und etwaiger
weiterer für den Kesselbetrieb erforderlicher Hilfsmaschinen, schinen, wie Wasserumwälzpumpe,
Brennstoffpumpe o. dgl., aufzubringen. Diese Dampferzeuger erhalten also nach der
Gasturbine noch Wärmeaustauschflächen, z. B. einen Speisewasservorwä.rmer. Die nun
in der Gasturbine zur Anwendung gelangenden Temperaturen sind hoch und erschweren
die Herstellung und Betriebssicherheit der Gasturbine, so daß es für die Anwendung
der druckgefeuerten Dampferzeuger erforderlich ist, diese hohen Temperaturen etwas
zu ermäßigen.
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Zu diesem Zweck wird durch die Erfindung nun der Vorschlag gemacht,
der Gasturbine nur eitlen Teil der für die Verdichtung erforderlichen Leistung zu
übertragen und den Rest der Leistung von einer Hilfsmaschine liefern zu lassen.
Es kann dann entsprechend der niedrigeren Leistung, die nun die Gasturbine aufzubringen
hat, die Gasturbine an einer Stelle im Gasstrom angeordnet werden, an der die Temperatur
der Treibgase niedriger ist, es kann aber auch, wenn nötig, das Druckverhältnis,
das der Verdichter liefern soll, wesentlich über dem Druckverhältnis gehalten werden;
das in der Gasturbine verarbeitet wird. Da die Leistung einer Gasturbine ungefähr
mit der absoluten Temperatur der Treibgase zu- oder abnimmt,
so
kann diese Temperatur also fast in gleichem Verhältnis vermindert werden, wie die
Leistung der Hilfsmaschine zunimmt. Erforderte z. B. der Antrieb des Verdichters
eine Gastemperatur von 630 oder 9o3° C abs., so kann diese Temperatur auf
400 oder 673°C abs. vermindert werden, wenn die Hilfsmaschine nur ein. Viertel der
Verdichterantriebsleistung übernimmt. Bei 400'C Gastemperatur kann .aber für das
Rad und die Büschauflung gewöhnlicher hitzebeständiger Stahl verwendet und für das
Turbinengehäuse auf jede Kühlung verzichtet werden. Trotz dieser verhältnismäßig
großen Temperaturerniedrigung ist die erforderliche Zusatzleistung, vor allem im
Vergleich mit der Zusatzleistung bei Gasturbinen, die am Ende der H.eizfl.ächen
angeordnet sind, gering, so daß durch den Zusatzmotor, falls er z. B. ein Elektromotor
ist, keine nennenswerte Wirkungsgradverschlechterung der Kesselanlage eintritt.
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Soll jedoch durch den Zusatzmotor überhaupt keine Wirkungsgradverschlechterung
eintreten, so ist der Hilfsantrieb so zu gestalten, daß keine Wärme, die für ihn
aufgewendet wird, für die Dampferzeugung verlorengeht. Hierfür sind verschiedene
Betriebsweisen möglich, die ebenfalls Gegenstand vorliegender Erfindung bilden und
durch die folgenden -Ausführungsbeispiele erklärt werden sollen.
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Abb. i zeigt eine Anlage gemäß der Erfindung. Als Dampferzeuger ist
ein Dampferzeuger angenommen, wie er z. B. in den Patenten 557 597 und 559 o69 beschrieben
ist, Er -besteht aus der Brennkammer i, an deren Wände sich die Wasserrohre befinden,
die von den Heizrohren durchsetzt werden, und in denen die Verdampfung des Wassers
stattfindet. .Die Heizgase sammeln sich im Kanal a und strömen von hier durch Rohr
3, das den überhitzer enthält. Dieses Rohr mündet in den rechteckigen Kanal q.,
der zur Gasturbine 5 führt. Nach ihrer Arbeitsleistung in der Gasturbiire gelangen
die Heizgase durch der, rechteckigen Kanal 6 zudem (in der Zeichnung) hinter dem
Rohr 3 stehenden, .einen Wasservorwärmer enthaltenden Rohr 7 und von hier ins Freie.
Die Gasturbine 5 treibt den Verdichter 8 und eine Umwälzpumpe 9 an und wird erfindungsgemäß
durch die Hilfsmaschine io hierin unterstützt. Durch die Umwälzpumpe 9 wird das
zu verdampfende Wasser im überschuß an den Heizflächen vorbeibewegt. Verdampftes
und nichtverdampftes Wasser gelangen durch Rohr 12 in. den Abscheider 13, wo durch
Schleuderwirkung das Wasser vom Dampf getrennt wird. Der Dampf strömt durch Leitung
14 in den -überhitzer, während das Wasser durch Leitung 15 wieder zur Pumpe zurückfließt.
Das Speisewasser kann an irgendeiner geeigneten Stelle aus dem Rauchgaswasservorwärmer
in den Umwälzpumpenkreisläuf gebracht werden, der Brennsto=f, in vorliegendem Beispiel
flüssiger Brennstoff, wird bei 16 eingeführt, wo auch das Druckrohr 17 des Verdichters
8 einmündet.
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Als Hilfsmaschine zur Unterstützung der Gasturbine ist in an. sich
bekannter Weise eine Dampfturbine io angenommen. In dem üblichen. Bestreben, keine
Wärme verlorengehen zu lassen, wird' diese Dampfturbine mit Vorteil als Gegendruckturbine
ausgeführt und ihr Abdampf, wie bekannt, zur Vorwärmung des Speisewassers verwendet.
Als Kondensator dieser Turbine dient dann ein Mischvorwärmer 18, in den bei i9 das
kalte Speisewasser eintritt und b.ei 2o vorgewärmt austritt, um im Rauchgasvorwärmer
7 noch weiter erwärmt zu werden. Dä -die zur Verdichtungsarbeit aufgewendete Dampfwärme
in Form von Verdichtungs- und Reibungswärme mit der Luft in die Brennkammer, die
Abwärme des Dampfes aber in das Speisewasser übergeht, so ist der Antrieb durch
die Hilfsturbine, abgesehen von den kleinen Lager-, Undichtigkeits- und Strahlungsverlusten,
mit keinem besonderen Wärmeaufwand verbunden.
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Eine weitere wirtschaftliche Betriebsweise ergibt sich für die Hilfsdampfturbine,
wenn diese als Vorschaltmaschine für die B.etriebsdampfturbin.en ausgebildet wird.
Die verhältnismäßig geringe Leistung der Hilfsturbine kann vorteilhaft dadurch erbalten
werden, daß man den Kesseldruck etwas Über den verlangten Betriebsdampfdruck ,erhöht
und diesen Druckunterschied zur Arbeitsleistung in der Hilfsturbine verwendet. Es
ist nämlich zu berücksichtigen, daß es bei druckgefeuerten Dampferzeugern infolge
der im Verhältnis zur gesamten Kesselanlage kleinen Heizflächen und Wasserräume
ohne Bedeutung ist, wenn der Kesseldruck -einige Atmosphären höher gehalten wird
als der Betriebsdampfdruck. Es unterscheidet sich die Anwendung dieser Vorschaltmas.chine
von den bei Grenzdampferzeugungsanlagen bekannten Anwendungen, der Vorschaltturbinen
darin, daß eine geringe Druckerhöhung eingeführt wird, während bei den Grenzdampfanlagen
ein zu hoher Kesseldruck entspannt werden muß, um den Dampf in der gewöhnlichen
Maschinen verwenden zu können. Diese Vors.chaltmaschinen sind dann selbständige
Kraftmaschinen, die Nutzarbeit liefern oder, falls sie zum Antrieb irgendeiner Hilfsmascbine
dienen, wegen ihrer verhältnismäßig großen Leistung nebenbei noch Nutzarbeit abgeben
müssen.
Da bei Verwendung sämtlichen. Dampfes das in der Hilfsturbine
zu verarbeitende Gefälle nur klein ist, genügt als Hilfsturbine :ein Rad von mäßiger
Umfangsgeschwindigkeit. Wichtig ist hier eine gute Ausbildung der Stopfbüchse. Abb.2
zeigt eine solche Turbine mit ihren Anschlüssen. 21 ist die Vorschaltturbine, bei
22 tritt der Dampf, der aus dem Überhitzer kommt, ein, 23 ist der Anschluß der Gebrauchsdampfleitung.
Die Regelung dieser Vorschaltturbine kann auf sehr einfache Weisse dadurch erfolgen,
daß man sie für nur einen Teil der Dampfmenge baut und man bei Belastungsänderungen
mehr oder weniger Dampf durch eine Umgehungsleitung 24 und ein gesteuertes Ventil
25 überströmen läßt.
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Alle in Nutzarbeit (Verdichtungsarbeit) umgesetzte Wärme gelangt mit
der verdichteten Luft in den Kessel. Alle inneren Verluste des Dampfes bleiben dagegen
im Dampf zurück. Da diese Hilfsturbine zum Dampferzeuger gehört und diese auch räumlich
mit ihm verbunden ist, so ist die Entspannung des Dampfes innerhalb dieser Turbine
auch als eine innere Betriebsmaßnahme des Kessels zu betrachten.
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Um der Hilfsturbine einen größeren Regelbereich zu geben, können zweclmäßigerweise
neben der Gegendruck- oder der Vorschaltturbine noch ein oder mehrere Turbinenstufen
angeschlossen werden, die auf einen niedrigeren Gegendruck, z. B. Atmosphärendruck,
oder das Vakuum der Betriebsturbinen arbeiten. Diese zusätzliche Turbine dient vor
allem dazu, auch bei kleinen Belastungen, bei denen die Drehzahl des Verdichters
niedrig ist, den durch die niedrigere Drehzahl verursachten Leistungsmangel der
Hilfsturbine auszugleichen. Bei höheren Belastungen und Drehzahlen würde die zusätzliche
Turbine im Vakuum meist leer mitlaufen.
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Der Leistungsabfall der Turbine bei kleinen Drehzahlen des Verdichters
kann auch dadurch verhütet werden, da.ß man die Turbine mit annähernd gleichbleibender
Drehzahl laufen läßt und ihre Antriebsleistung durch ein Weehselgetriehe auf den
Verdichter überträgt. Als solches Wechselgetriebe können z. B. hydraulische Vorrichtungen,
gegebenenfalls auch elektrische Kupplungen. Verwendung finden. Die Einstellung dieses
Getriebes, ebenso wie die Leistungsregelung der Hilfsturbine erfolgt durch besondere
Regelvorrichtungen, die z. B. vom Dampfdruck oder von der Temperatur der Heizgase
beeinflußt werden. An Stelle einer Dampfturbine kann als Hilfsmaschine auch eine
Gasturbine Anwendung finden. Diese Gasturbine wird als selbständige Maschine betrieben;
d. h. sie hat ihre eigene Brenmkammer. Ihre heißen Gase dienen nicht zur Dampferzeugung,
sondern zur Erzeugung mechanischer Arbeit. Die Wirtschaftlichkeit dieses Antriebes
kann. ebenfalls eine hohe sein, wenn sämtliche AbxvÜrmen dem Wärmekreislauf des
Dampferzeugers zugeführt werden. Auch zur Lieferung des verdichteten Treibmittels
dieser Gasturbine können die Einrichtungen des Dampferzeugers mit verwendet werden.
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In jedem Fall soll die Hilfsmaschine auch unabhängig vom Dampferzeuger
betriebsfähig sein, so daß sie z. B. mit Fremddampf zum Anlassen des Kessels dienen
kann.