DE803501C - Gas-Dampf-Turbinenanlage mit Dampferzeuger sowie mit Nutzleistungs-und Verdichterantriebs-Gasturbinen - Google Patents

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 2. APRIL 1951

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Es sind Dampferzeuger mit aufgeladenem Brennraum bekannt, bei welchen die Aufladung hauptsächlich der Verkleinerung aller Wärmeübergangsflächen und damit auch der Verkleinerung der äußeren Abmessungen der Anlage dient. Bei diesen Dampferzeugern wird mit einem Verdichter Druckluft erzeugt, welche zur Verbrennung von Brennstoff in einem Brennraum verwendet wird. Die so erhaltenen Verbrennungsgase durchströmen dann die Wärmeaustauschflächen mit großer Geschwindigkeit. Nachdem diese Gase den größten Teil ihrer Wärme und auch einen beträchtlichen Teil ihres Druckes verloren haben, gehen sie zur Gasturbine, die den obenerwähnten Verdichter antreibt. Den

j Verbrennungsgasen wird dabei so viel Energie entzogen, daß die Gasturbine den Verdichter in der Regel gerade noch anzutreiben vermag; fehlende Verdichterleistung wird von einer zusätzlichen Kraftmaschine, etwa einem Elektromotor oder einer Dampfturbine, aufgebracht. Bei einem solchen Dampferzeuger wird also die Druckenergie der

j Verbrennungsgase absichtlich dazu verwendet, diesen eine hohe Strömungsgeschwindigkeit zu erteilen und dadurch einen hohen Wärmeübergang

\ vom strömenden Gas zu den Wärmeaustauschflächen

¹ zu erhalten.

Nun ist aber dieser Wärmeübergang nicht allein von der Gasgeschwindigkeit, sondern auch vom Gasdruck bzw. von der Dichte des Gases abhängig. Verhältnismäßig kleine Abmessungen der Wärme-Übergangsflächen können auch dadurch erzielt werden, daß sie in ihrer ganzen Ausdehnung unter Druck gehalten werden, wobei die Verbrennungsgase nicht mit gesteigerter Geschwindigkeit' an ihnen vorbeigeführt werden müssen. Diese Überlegungen weisen ίο den Weg zum Entwurf eines wärmewirtschaftlich guten und mit verhältnismäßig geringen Kosten herstellbaren, einen geringen Raum einnehmenden Dampferzeugers für eine Wärmekraftanlage mit hohem Wirkungsgrad, in welcher die im Brennstoff enthaltene Energie mit Hilfe von Gas- und Dampfturbinen in Nutzenergie umgewandelt wird.

In einem zu einer solchen Wärmekraftanlage gehörenden Dampferzeuger wird die von einem Verdichter der Verbrennungsluft mitgeteilte Druckenergie nicht zur Erzeugung hoher Gasgeschwindigkeiten verwendet, sondern sie wird größtenteils von einer am Gasauslaß des Dampferzeugers angeordneten Nutzleistungsgasturbine in Nutzenergie umgewandelt. Zu diesem Zweck werden die Druckabfalle im Dampferzeuger dadurch niedrig gehalten, daß jede unnötige Umlenkung des Gasstromes vermieden wird. Dies wird dadurch ermöglicht, daß der Brennraum und alle im Dampferzeuger unterzubringenden Wärmeaustauschflächen in gerader Flucht angeordnet und in ein doppelwandiges Gehäuse verlegt werden, wobei der Ringraum zwischen den Gehäusewandungen zur Zuführung der Verbrennungsluft dient. Der Brennraum wird mit einer Rohrauskleidung versehen, die als Strahlungsverdämpfer wirkt. An den sich an den Brennraum anschließenden Verdampfer- und Uberhitzerflächen wird die Wärme durch Konvektion übertragen.

Alle Wärmeaustauschflächen des Dampferzeugers werden dadurch unter Druck gehalten, daß sie zwischen dem Luftverdichter und der am Austritt aus dem Dampferzeuger angeordneten Gasturbine eingeschaltet sind. Der Luftverdichter liefert hierbei die Verbrennungsluft unter dem notwendigen Druck, und die Gasturbine sorgt dafür, daß der Druck im Dampferzeuger erhalten bleibt, und sie nützt das am Gasaustritt aus dem Dampferzeuger vorhandene Druckgefälle aus, wobei sie nicht mehr bloß den Ladeverdichter antreibt, sondern auch, beispielsweise über einen Stromerzeuger, Nutzenergie nach außen abgibt.

Der im Dampferzeuger gewonnene Dampf wird beispielsweise in einer Dampfturbine ausgenutzt. Im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit der Anlage ist es vorteilhaft, sowohl mit der Gastemperatur am Einlaß der Gasturbine, also auch am Auslaß des Dampferzeugers, wie auch mit der Frischdampftemperatur am Einlaß der Dampfturbine bis nahe an die durch die Warmfestigkeit der Baumaterialien gegebene Grenze zu gehen. Man erhält auf diese Weise hohe Brennstoffausnutzungsgrade, doch wird es dann auch unumgänglich nötig, sowohl die Gastemperatur wie auch die Dampftemperatur genau zu regeln und jede Überschreitung der Betriebstemperaturen, die der Gasturbine und der Dampfturbine gefährlich werden könnte, zu verhindern.

Um bei einer gegebenen Gastemperatur vor Turbine'eine möglichst hohe Frischdampf temperatur erreichen zu können, wobei aber zwischen der Gastemperatur im Überhitzer und der Frischdampftemperatur noch ein zur wirtschaftlichen Wärmeübertragung genügend großer Temperatursprung vorhanden ist, werden die Wärmeaustauschflächen so angeordnet, daß die Verdampferflächen aufgeteilt . und zwischen zwei Verdampfer der Überhitzer eingelegt wird. Die heißen Verbrennungsgase durchströmen also nach dem Austritt aus dem Brennraum zuerst einen Verdampfer, dann den Überhitzer und nachher den im Sinne der Gasströmung nachgeschalteten Verdampfer, worauf sie zur Gasturbine abfließen. Diese Anordnung ermöglicht es, die Frischdampftemperatur beispielsweise gleich hoch zu halten wie die Gastemperatur am Eintritt der Gasturbine.

Gernäß vorstehendem bezieht sich die Erfindung auf eine Gas-Dampf-Turbinenanlage mit Dampferzeuger, in welchem die Verbrennungsgase unter Druck stehen, sowie mit Nutzleistungs- und Verdichterantriebs-Gasturbinen und ist dadurch gekennzeichnet, daß im Dampferzeuger, im Innern eines doppelwandigen Gehäuses, im Sinne der Gasströmung hintereinandergeschaltet ein Brennraum, ein Verdampfer, ein Überhitzer und ein nachgeschalteter Verdampfer zwecks Vermeidung von Druckverlusten in gerader Flucht angeordnet sind und daß die Druckenergie der Verbrennungsgase in mindestens einer den erwähnten Wärmeaustauschern nachgeschalteten Nutzleistungsgasturbine ausgenutzt wird, wobei die Gastemperatur am Austritt aus dem Dampferzeuger mit Hilfe des erwähnten nachgeschalteten Verdampfers geregelt wird.

Um die Gastemperatur am Gasauslaß des Dampferzeugers regeln zu können, wird der im Sinne der Gasströmung .nachgeschaltete Verdampfer zweckmäßig mit einem Gasdurchgang mit Drosselklappe versehen. Um die Regelung der Gastemperatur um einen gegebenen Mittelwert zu ermöglichen, wird dieser Verdampfer mit Vorteil etwas zu groß ausgelegt, so daß bei geschlossener Drosselklappe die Gastemperatur am Austritt aus dem Dampferzeuger zu tief ist.

Die Regelung der Gastemperatur vor dem Überhitzer und damit auch diejenige der Frischdampftemperatur wird zweckmäßigerweise dadurch ermöglicht, daß auch der im Sinne der Gasströmung vorgeschaltete Verdampfer mit einem Gasdurchgang mit Drosselklappe versehen wird. Auch dieser Verdampfer kann etwas zu groß ausgelegt sein, so daß bei geschlossener Drosselklappe die Gastemperatur vor dem Überhitzer zu tief ist.

Um die von einer Gasturbine erzeugte Nutzleistung über einen Wechselstromerzeuger an ein Wechselstromnetz abgeben zu können und um gleichzeitig die vom Ladeverdichter geförderte Luftmenge in einfacher Weise regeln zu können, ist es vorteilhaft, dem Dampferzeuger zwei Gasturbinen nachzuschalten, von denen eine, die einen Stromerzeuger

antreibt, mit gleichbleibender Drehzahl läuft, während die andere, die einen Ladeverdichter antreibt, mit veränderlicher Drehzahl läuft. Die Anordnung wird zweckmäßig auch so getroffen, daß die Gas-S turbine, die einen Stromerzeuger antreibt, zusätzlich auch noch einen Verdichter antreibt und daß dann sowohl die Gasturbinen wie auch die Verdichter in Serie geschaltet sind. Bei dieser Anordnung ist es dann auch noch vorteilhaft, wenn der ίο mit einem Verdichter gekuppelte Stromerzeuger von der gasseitig vorgeschalteten Gasturbine angetrieben wird.

Um zu verhindern, daß die Maschinengruppen eine festgelegte Höchstdrehzahl überschreiten können, werden die Gasturbinen zweckmäßig mit Drehzahlgrenzreglern versehen, die Umgehungsventile in den Gasleitungen steuern, so daß ein Teil der Verbrennungsgase um die Gasturbinen herumgeleitet werden kann. Der Drehzahlgrenz«regler derjenigen Gasturbine, welche den Nutzleistungsstromerzeuger antreibt, kann auch zu dessen Parallelschalten verwendet werden.

Mit Vorteil werden sowohl die Nutzleistungsgruppe wie auch die reine Verdichtergruppe je mit einem Anwurfmotor versehen. Dabei ist es zweckmäßig, für die Nutzleistungsgruppe einen Wechselstrommotor und für die Verdichtergruppe einen Gleichstrommotor zu wählen.

Die Zeichnung zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Wärmekraftanlage gemäß der Erfindung. In der einzigen Figur dieser Zeichnung stellt ι einen Verdichter dar, der mit veränderlicher Drehzahl läuft und Luft aus der Atmosphäre ansaugt und auf einen Zwischendruck verdichtet. Die Weiterverdichtung der Luft erfolgt im Verdichter 2, der mit gleichbleibender Drehzahl läuft. Von hier gelangt die verdichtete Luft in den Ringraum 3 des doppelwandigen Gehäuses des Dampferzeugers, in welchem sie nach oben strömt, wobei sie noch weiter erwärmt wird, indem sie die innere Wand des Dampferzeugergehäuses kühlt. Durch den Brenner mit der Brennstoffdüse 4 gelangt die Luft in den Brennraum 5, wo heiße Verbrennungsgase durch Verbrennen von Brennstoff in ihr erzeugt werden. Diese durchströmen der Reihe nach den Verdampfer 6, den Überhitzer 7 und den nachgeschalteten Verdampfer 8 und gelangen dann zur Gasturbine 9, die außer dem Verdichter 2 über das Getriebe 10 auch noch den Nutzleistungsstromerzeuger 11 antreibt und in welcher die für Nutzleistung zur Verfügung stehende Energie der Verbrennungsgase in solche umgesetzt wird. Von der Gasturbine 9 gelangen die Verbrennungsgase zur Gasturbine 12, die nur den Ladeverdichter 1 antreibt und zwecks Regelung der Luftmenge bzw. der Leistung des Dampferzeugers mit veränderlicher Drehzahl läuft. Nach ihrem Austritt aus der Gasturbine 12 durchströmen die Verbrennungsgase noch den Speisewasservorwärmer 13, aus welchem sie dann ins Freie entweichen. Die Motoren 14 und 15 dienen zum Anwerfen der Maschinengruppen. Zweckmäßig wird der Motor 14 ein Gleichstrommotor und der Motor 15 ein Wechselstrommotor [ sein, weil ersterer auch bei Änderungen der Belastung des Dampferzeugers eingreifen und dementsprechend auch bei jeder Drehzahl der Gruppe 1, 12 Leistung abgeben muß, während der Motor 15 nur zum Anfahren der zugehörigen Maschinengruppe dient.

Im Kreislauf des Wassers bzw. des Dampfes wird ersteres in einer nicht dargestellten Speisepumpe auf den Druck des Dampferzeugers gebracht und bei 16 dem Speisewasservorwärmer 13 zugeleitet. Nach Verlassen des letzteren gelangt das Wasser in die Ausdampf trommel 17. Durch die Umwälzpumpe 18 wird es dem im Sinne der Gasströmung nachgeschalteten Verdampfer 8 und nachher dem Verdampfer 6 zugeführt. Das hier entstandene Gemisch von Wasser und Dampf gelangt, nachdem es in der Rohrauskleidung des Brennraumes 5 weitere Wärme aufgenommen hat, in die Ausdampftrommel 17, aus welcher der Sattdampf in den Überhitzer 7 geleitet wird, den es bei 19 verläßt, um dem Dampfverbraucher, beispielsweise einer Dampfturbine, zugeführt zu werden.

Selbstverständlich könnte die Anlage auch mit einem Zwischenkühler zwischen den Verdichtern 1 und 2 und mit einem Luftvorwärmer an Stelle des Speisewasservorwärmers 13 versehen sein, wobei die Speisewasservorwärmung auch durch Anzapfdampf aus einer Dampfturbine erfolgen könnte. Sehr vorteilhaft wäre auch eine Anlage, in der sowohl ein Luftvorwärmer wie auch ein Speisewasservorwärmer verwendet werden. Solche den thermischen Wirkungsgrad der Gesamtlage verbessernde Kombinationen von Apparaten sind, weil an sich bekannt und nicht Gegenstand der Erfindung, nicht dargestellt.

Die Regelung des Dampferzeugers in Abhängigkeit von seiner Belastung erfolgt in bekannter Weise vom Frischdampfdruck oder von der Frischdampfmenge aus, wobei nur die Drehzahl der Ladegruppe 1,12 verändert wird, während die Nutzleistungsgruppe über den Stromerzeuger 11 mit dem Netz verbunden ist und deshalb bei allen Belastungen mit praktisch gleichbleibender Drehzahl, entsprechend der Netzfrequenz, läuft. Die zwei zusätzlichen Einrichtungen für die Regelung der Frischdampftemperatur und der Gastemperatur am Gasauslaß des Dampferzeugers arbeiten wie nachstehend beschrieben. Zwecks Regelung der Frischdampftemperatur ist in der Mittelachse des Verdampfers 6 ein Rohr 20 mit einer Klappe 21 angebracht. Diese Klappe wird dr.rch den von Drucköl betriebenen Servomotor 22 vom Thermostaten 23 aus gesteuert. Eine Ölpumpe 24 mit Druckhalteventil 25 versorgt die Ölsteuerung mit Drucköl. Durch die Blenden 26 wird für eine Zulauf drosselung zu den einzelnen Steuerorganen gesorgt.

Das Rohr 20 im Verdampfer 6 erhält nur eine Wandkühlung, weshalb die Temperatur des Gases, das durch dieses Rohr strömt, höher ist als die Temperatur desjenigen, das durch den Verdampfer 6 hindurchströmt. Durch Öffnen rnd Schließen der Klappe 21 kann man also die r'ttlere Temperatur der Verbrennungsgase vor den; Überhitzer 7 und

damit auch die Frischdampftemperatur regeln. Damit die Regelung um den gegebenen Mittelwert möglich sei, wird der Verdampfer 6 etwas zu groß gemacht, so daß bei normaler Belastung des Dampferzeugers die Klappe 21 etwa halb geöffnet ist. Steigt aus irgendeinem Grunde die Frischdampftemperatur, so senkt der Thermostat 23 den Steueröldruck am Servomotor 22 und schließt damit die Klappe 21 etwas; dadurch sinkt die Gastemperatur vor dem Überhitzer 7, weil ein größerer Teil des Gases den Verdampfer 6 durchströmen muß und weniger Gas durch Rohr 20 strömt. Damit sinkt auch die Frischdampftemperatur.

In gleicher Weise wirkt die Einrichtung zur Regelung der Gastemperatur am Gasauslaß des Dampferzeugers und zugleich am Einlaß zur Gasturbine 9. Auch hier wird durch das zentrale Rohr 27 der nachgeschaltete Verdampfer 8 umgangen. Dieser wird ebenfalls etwas zu groß ausgelegt, so daß bei geschlossener Klappe 28 die Gastemperatur am Einlaß zur Gasturbine 9 zu tief ist. Der Thermostat 29 steuert den Steueröldruck am Servomotor 30, und dieser öffnet Oder schließt die Klappe 28. Auch hier bedeutet 26 eine Zulaufblende in der Steuerölleitung.

Die zur Sicherung der Maschinengruppen vorgesehenen Drehzahlgrenzregler sind bei 31 und 35 dargestellt. Würde etwa der Stromerzeuger 11 vom Xetz abgeschaltet, so würde die Nutzleistungsgruppe 2, 9, 10, 11, 15 durchgehen. Dies wird vom Regler 31 verhindert, indem er den Kolben 32 nach rechts verschiebt und damit den ölablaufschlitz 33 öffnet. Dadurch wird der Steueröldruck im Umleitungsventil 34 gesenkt, und dieses öffnet sich so weit, bis die um die Turbine 9 herumströmende Gasmenge so groß ist, daß zwischen Turbine 9 und Verdichter 2 Leistungsgleichgewicht herrscht und die Drehzahl dieser Gruppe nicht mehr weiter ansteigen kann. Die beschriebene Einrichtung kann auch zum Parallelschalten des Stromerzeugers 11 benutzt werden. In gleicher Weise wirkt der Drehzahlgrenzregler 35 der Ladegruppe 1,12, 14, durch welchen der Kolben 36 betätigt und der Schlitz 37 geöffnet wird, was zur öffnung des Umleitungsventils 38 führt. Diese Grenzregler sind auch notwendig für den Fall, daß ein Rohrleitungsbruch im Dampferzeuger die beiden Gasturbinengruppen zum Durchgehen bringen würde.

Claims (12)

1. Patentansprüche:

   i. Gas-Dampf-Turbinenanlage mit Dampferzeuger, in welchem die Verbrennungsgase unter Druck stehen, sowie mit Nutzleistungs- und Verdichterantriebs-Gasturbinen, dadurch gekennzeichnet, daß im Dampferzeuger, im Innern eines doppelwandigen Gehäuses, im Sinne der Gasströmung hintereinandergeschaltet ein Brennraum, ein Verdampfer, ein Überhitzer und ein nachgeschalteter Verdampfer zwecks Vermeidung von Druckverlusten in gerader Flucht angeordnet sind und daß die Druckenergie der Verbrennungsgase in mindestens einer den erwähnten Wärmeaustauschern nachgeschalteten Nutzleistungsgasturbine ausgenutzt wird, wobei die Gastemperatur am Austritt aus dem Dampferzeuger mit Hilfe des erwähnten nachgeschalteten Verdampfers geregelt wird.
2. 2. Gas-Dampf-Turbinenanlage gemäß Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der im Sinne der Gasströmung nachgeschaltete Verdampfer einen Gasdurchgang hat, der mit einer Drosselklappe versehen ist, wodurch die Gastemperatur am Gasauslaß des Dampferzeugers geregelt werden kann.
3. 3. Gas-Dampf-Turbinenanlage gemäß Ansprüchen ι und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der im Sinne der Gasströmung nachgeschaltete Verdampfer etwas zu groß ausgelegt ist, so daß bei geschlossener Drosselklappe die Gastemperatur am Austritt aus dem Dampferzeuger zu tief ist.
4. 4. Gas-Dampf-Turbinenanlage gemäß Ansprüchen ι bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der im Sinne der Gasströmung vorgeschaltete Verdampfer einen Gasdurchgang hat, der mit einer Drosselklappe versehen ist, wodurch die Gastemperatur vor dem Überhitzer und damit auch die Frischdampftemperatur geregelt werden kann.
5. 5. Gas-Dampf-Turbinenanlage gemäß Ansprüchen ι bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der im Sinne der Gasströmung vorgeschaltete Verdampfer etwas zu groß ausgelegt ist, so daß bei geschlossener Drosselklappe die Gastemperatur vor dem Überhitzer zu tief ist.
6. 6. Gas-Dampf-Turbinenanlage gemäß Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß dem Dampferzeuger zwei Gasturbinen nachgeschaltet sind, von denen eine, die einen Stromerzeuger antreibt, mit gleichbleibender Drehzahl läuft, während die andere, die einen Ladeverdichter antreibt, mit veränderlicher Drehzahl läuft.
7. 7. Gas-Dampf-Turbinenanlage gemäß Ansprüchen ι und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasturbine, die einen Stromerzeuger antreibt, zusätzlich auch noch einen Verdichter antreibt und daß sowohl die Gasturbinen wie auch die Verdichter in Serie geschaltet sind.
8. 8. Gas-Dampf-Turbinenanlage gemäß An- ¹¹Q Sprüchen 1, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der mit einem Verdichter auf gleicher Welle sitzende Stromerzeuger von der gasseitig vorgeschalteten Gasturbine angetrieben wird.
9. 9. Gas-Dampf-Turbinenanlage gemäß An-Sprüchen 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasturbinen mit Drehzahlgrenzreglern versehen sind, die Umgehungsventile in den Gasleitungen steuern, so daß ein Teil der Verbrennungsgase um die Gasturbinen herumgeleitet werden kann.
10. 10. Gas-Dampf-Turbinenanlage gemäß Ansprüchen i, 6 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehzahlgrenzregler der Gasturbine, die den Stromerzeuger antreibt, zu dessen 1Ϊ5 Parallelschalten verwendet wird.
11. ii. Gas-Dampf-Turbineiianlage gemäß Ansprüchen ι und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Nutzleistungsgruppe sowie die reine Verdichtergruppe je mit einem Anwurfmotor versehen sind.
12. 12. Gas-Dampf-Turbinenanlage gemäß Ansprüchen ι und ii, dadurch gekennzeichnet, daß der Anwurfmotor der Nutzleistungsgruppe ein Wechselstrommotor und derjenige der Verdichtergruppe ein Gleichstrommotor ist.

    Hierzu ι Blatt Zeichnungen

    3700 3.