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Vereinigte Dampfkraft- und GasturbinenanIage mit Druckfeuerung In
dem Bestreben, Dampfkraftanlagen möglichst wirtschaftlich, billig und klein zu bauen,
ist die Druckfeuerung entwickelt worden, bei der die Verbrennung des Brennstoffes
im Dampferzeuger nicht bei Atmosphärendruck, sondern bei Überdruck geschieht. Der
erste Teil des Druckgefälles der heißen Verbrennungsgase wird normalerweise zur
Erzeugung einer möglichst großen Rauchgasgeschwindigkeit verwendet, während das
Restgefälle in einer Gasturbine ausgenutzt wird, die die Leistung des erforderlichen
Luftverdichters aufbringt und gegebenenfalls noch mechanische Arbeit nach außen
abgibt.
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Die Forderung nach guter Ausnutzung der Brennstoffenergie und gutem
wirtschaftlichem Wirkungsgrad der Gesamtanlage setzt voraus, daß die Abgase der
Gasturbine möglichst tief gekühlt werden und die Wärmeenergie dieser Abgase in irgendeiner
Form dem Kreisprozeß wieder zugeführt wird. Ursprünglich kamen hierfür vor allem
Wasserv orwärmer in Frage, die das Speisewasser gegebenenfalls bis zum Siedepunkt
vorwärmen. ' Heute sind hierfür bei normalen Kesselanlagen vor allem Luftvorwär-'
mer gebräuchlich, die die Verbrennungsluft auf 20o° bis 5oo° C vorwärmen und den
Wärmeinhalt der Abgase wieder dem Kessel zuführen. Diese Entwicklung ist vor allem
auch durch die Vorteile bedingt, die eine vielstufige und hohe Speisewasserv orwärmung
durch Anzapfdampf mit sich bringt, da bei dieser die hohe Abkühlung der Rauchgase
durch kaltes Speisewasser nicht mehr möglich ist.
Bei Druckfeuerungen
ist die Möglichkeit der Rauchgaskühlung im allgemeinen überhaupt nicht gegeben.
Die Speisewasservorwärmung muß aus Wirtschaftlichkeitsgründen bereits so hoch getrieben
werden, daß ein hinreichendes Temperaturgefälle zur wirksamen Abkühlung der Abgase
nicht mehr zur V erfügung steht. Praktisch das gleiche gilt aber auch für die Luftvorwärmung,
da die Verbrennungsluft bei ihrer Verdichtung im Luftverdichter auf mehrere Atmosphären
bereits eine solche Temperatursteigerung erfahren hat, daß auch hier das Temperaturgefälle
nicht ausreicht, um die Abgase in dein gewünschten Maße durch Luftvorwärmung abzukühlen.
Gerade die hohe Speiseivasservorwärmung und gute Abkühlung der Rauchgase sind aber
heute diejenigen Mittel, die eine beträchtliche Steigerung der Wirtschaftlichkeit
finit sich bringen und bei hochwertigen Anlagen daher auch in weitem Maße angewendet
werden müssen. Es beträgt zum Beispiel der Wärmeverlust in den Kesselabgasen, bezogen
auf die geführte Wärme bei einem Luftüberschuß von iA, bei aoo" Abgastemperatur
9 "%o, bei ioo' Abgastemperatur 4.,5 °lo, während die Ersparnis im Wärmeverbrauch
durch Anzapfvorwärmung bei einer Vorwärmtemperatur Von 200° 8 o/o, bei einer Vorwärmung
auf ioo' Speisewassertemperatur dagegen nur noch 5 "/m beträgt.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine vereinigte Dampfkraft- und Gasturbinenanlage
mit Druckfeuerung, mehrstufiger Speisewasservorwärmung und Vorwärrnung der Verbrennungsluft
des Dampferzeugers. - Das erfinderische Neue besteht darin, daß die Verbrennungsluft
des Dampferzeugers während der Verdichtung und/oder nach der Verdichtung durch Speisewasser
der Dampfkraftanlage, das dadurch ganz oder teilweise in einer ersten V orwärnistufe
vorgewärmt wird, erst abgekühlt wird, während die weitere Speisewasservorwärmung
durch Anzapf- oder Frischdampf aus der Dampfkraftanlage erfolgt und die Verbrennungsluft
anschließend an die Abkühlung durch das Speisewasser durch Abgase der Kesselanlage
oder der Gasturbine wieder erwärmt wird.
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Bei Anlagen zur Abwärmeverwertung ist es bekannt, Luft als Energieträger
zu verwenden und sie nach Abkühlung durch Speisewasser und nach Verdichtung durch
Abgase zu erwärmen; jedoch besteht hierbei kein innerer Zusammenhang zwischen der
Dampfkraftanlage und der Abgasenergieerzeugungsanlage, vielmehr ist hierbei die
in der Luft abzuführende Wärmemenge lediglich die zur Erzielung einer Arbeitsleistung
der Turbine erforderliche Verlustwärme des Luftkreislaufes. Demgegenüber gibt die
erfindungsgemäße Art der Speisewasserv orwärmung für eine vereinigte Dampfkraft-
und Gasturbinenanlage die Möglichkeit, die aus Wirtschaftlichkeitsgründen erwünschte
Höhe der \-orwärinung des Speisewassers beizubehalten, und läßt auch gleichzeitig
die Möglichkeit zu, die Abgase der Gasturbine und der Kesselanlage in dem angestrebten
Ausmaß abzukühlen. Wird die verdichtete Verbrennungsluft zur Speisewasservorwärmung
herangezogen, so kann diese Abkühlung der Abgase ganz oder teilweise über den Luftvorwärmer
erfolgen. Die Verbrennungsluft wird dabei also entgegen den bekannten Verfahren
in scheinbar widersprechender Weise abgekühlt, um dann wieder erwärmt zu werden.
Es werden aber damit sowohl für die Verbrennungsluft als auch die Abgase der Gasturbine
und der Kesselanlage überall wirksame Temperaturunterschiede geschaffen, die den
Bau von wirtschaftlichen Wärmeaustauschern bei erträglichem Heizflächenaufwand ermöglichen
und es gestatten, die Abwärme nutzbar nicht irgendwie nach außen, sondern dem Kreisprozeß
der Energieerzeugung wieder zuzuführen.
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DieVorteile der Erfindung bestehen also in i. günstigem Wärnieübertragungswirkungsgrad
bei kleinen Heizflächen, 2. hohem Kesselwirkungsgrad infolge tiefer Abgastemperaturen,
3. hoher Speisewassertemperatur infolge hoher Vorwärinung des Speisewassers.
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Bei Speisewasservorwärmung durch die verdichtete Verbrennungsluft
kann man so vorgehen, daß man das kalte Speisewasser schon während der Verdichtung
der Verbrennungsluft mit dieser in Wärmeaustausch bringt. Dies kann einfach in der
Weise geschehen, daß das Kondensat der Daniplraftanlage durch das Gehäuse oder durch
Zwischenkühler des Luftverdichters geführt wird. Die Verbrennungsluft wird dann
schon während des Verdichtungsvorganges abgekühlt. Die Abkühlung hat dabei eine
Volumenverniinderung während des Verdichtungsvorganges zur Folge, wodurch die zur
Verdichtung notwendige Arbeit sich der isothermischen nähert und geringer wird.
Der Luftverdieliter und dessen Antrieb können daher kleiner gehalten werden.
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Besondere Bedeutung bekommt die Erfindung nicht nur bei normalen druckgefeuerten
Kesselanlagen, bei denen die Gasturbinenleistung lediglich die erforderliche Verdichtungsarbeit
aufbringt, sondern vor allem bei solchen Anlagen, bei denen die Gesamtnutzarbeit
nicht aus dem Dampfprozeß, sondern bereits zu einem großen Teil aus dein Gasturbinenprozeß
gewönnen wird. Bei derartigen
Anlagen wird die Verbrennung unter
einem größeren Luftüberschuß durchgeführt, so daß die Gasturbinenarbeit wesentlich
ansteigt und von der Gasturbine Überschußarbeit nach außen abgegeben werden kann.
Bei der stark vergrößerten Luft- und Abgasmenge gewinnen die Verdichtungsarbeit
und die Abgasverluste, die durch die Erfindung verringert werden können, hierbei
erhöhte Bedeutung. Es ist damit leicht möglich, die Verschiebung der Gewinnung der
Energie aus dem Dampfkreislauf nach dem Gasturbinenkreislauf vorzunehmen und damit
die Gesamtwirkungsgrade zu erreichen, die die Wirkungsgrade reiner Dampfturbinen-
oder reiner Gasturbinenprozesse übertreffen.
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Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematischer
Darstellung.
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Der im Dampferzeuger io gewonnene Dampf wird durch die Leitung i i
einem Überhitzer 12 zugeführt und strömt von diesem durch die Leitung 13 zur Dampfturbine
14. Nach erfolgter Arbeitsleistung verläßt der Dampf die Turbine 14 und gelangt
durch die Abdampfleitung 15 zum Kondensator 16.
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Das in dem Kondensator anfallende Kondensat wird mittels der Pumpe
17 durch die Leitung 18 in das Gehäuse des Verdichters ig für die Verbrennungsluft
und/oder des Zwischenkühlers für die verdichtete Luft gedrückt. Das so vorgewärmte
Speisewasser strömt dann durch die Leitung 2o zu den beiden Oberflächenvorwärmern
21 und 22 und von diesen zu dem Mischvorwärmer 23. Die Vorwärmer 2i und 22 und 23
werden mit Anzapfdampf der Dampfturbine 14 beheizt, der durch die Leitungen 24,
25 und 26 herangeführt wird. Von dem mit dem Mischvorwärmer 23 verbundenen Heißdampfspeicher
wird das Speisewasser mittels der Pumpe 27 durch die Leitung 28 einem weiteren abgasbeheizten
Oberflächenvorwärmer 29 zugeleitet. Von dieser Endstufe der Vorwärmung strömt das
Wasser durch die Leitung 30 zum Dampferzeuger io.
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Der Dampferzeuger io soll eine Ölfeuerung besitzen, der das 01 mittels
der Pumpe 31 zugeführt wird.
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Die zur Verbrennung im Dampferzeuger notwendige Verbrennungsluft.
wird von dem Luftverdichter ig angesaugt und im Verdichter auf den gewünschten Verbrennungsdruck
verdichtet. Die verdichtete Verbrennungsluft strömt durch die Leitung 32 zu einem
Luftvorwärmer 33 und von diesem durch die Leitung 34 zum Dampferzeuger io. Die aus
dem Dampferzeuger io austretenden Rauchgase werden durch die Leitung 35 dem Überhitzer
12 und von diesem durch die Leitung 36 der Gasturbine 37 zugeführt. Die Abgase der
Gasturbine 37 strömen durch die Leitung 38 dem Speisewasservorwärmer 29 zu und ver-,
lassen diesen durch die Leitung 39, um durch den Luftvorwärmer 33 und die
Leitung 4o nach außen abgeführt zu werden.
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In Übereinstimmung mit der Erfindung wird bei der dargestellten Anlage
die Verbrennungsluft schon während des Verdichtungsvorganges im Verdichter ig durch
das Kondensat der Dampfturbine 14 abgekühlt. Infolge dieser Abkühlung ist die Temperatur
der Verbrennungsluft so niedrig, daß in dem Luftvorwärmer 33 ein hinreichendes Temperaturgefälle
zur Abkühlung der die Gasturbine verlassenden Abgase vorhanden ist. Das Speisewasser
erfährt eine hochwertige Vorwärmung im Luftverdichter ig, in den drei mit Anzapfdampf
beheizten Vorwärmern 21, 22 und 23 und schließlich in dem mit den Abgasen der Gasturbine
37 beheizten Vorwärmer 29.
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In an sich bekannter Weise kann die weitere Vorwärmung im Anschluß
an die Vorwärmung durch Anzapfung in der Kesselanlage selbst bis zur Siedetemperatur
oder in einem Verdampfungsvorwärmer bis zur Teilverdampfung erfolgen.
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Das Speisewasser wird also in hohem Maße vorgewärmt. Trotzdem kann
eine weitgehende Abkühlung der Abgase der Gasturbine durch den Wärmeaustausch dieser
Abgase in dem Speisewasservorwärmer 29 einerseits und in dem Luftvorwärmer 33 andererseits
erzielt werden.
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In welcher Weise der Luftverdichter ig angetrieben wird, ist für den
Erfindungsgedanken nicht von ausschlaggebender Bedeutung. Der Antrieb kann in üblicher
Weise von der Gasturbine 37 erfolgen.