DE826804C - Gasdampfturbinenanlage zur gemeinsamen Erzeugung von Waerme und mechanischer Energiemit zugehoeriger Steuerung - Google Patents

Gasdampfturbinenanlage zur gemeinsamen Erzeugung von Waerme und mechanischer Energiemit zugehoeriger Steuerung

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DE826804C DEP29254D DEP0029254D DE826804C DE 826804 C DE826804 C DE 826804C DE P29254 D DEP29254 D DE P29254D DE P0029254 D DEP0029254 D DE P0029254D DE 826804 C DE826804 C DE 826804C
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Description

Es ist bekannt, die Auspuffgase von Gasturbinen in einem Dampferzeuger zu verwenden, dessen gelieferter Dampf beispielsweise zu Heizungszwecken benutzt werden kann. Ein solcher Dampf kann gleicherweise unter Druck erzeugt werden und sich' dann zunächst in einer Gegendruckdampfturbine entspannen, wo er eine gewisse zusätzliche mechanische Energiemenge erzeugt und dann noch zur Heizung benutzt werden kann.
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung dieser Art, in der die größtmögliche Energie erzeugt wird, die für eine bestimmte abzugebende Heizwärme gegeben ist, um in der Anlage den größtmöglichen Wirkungsgrad zu erreichen, wobei den aktuellen Möglichkeiten von Gasturbinen Rechnung getragen ist (Temperaturen, die mit dem mechanischen Verhalten der Geräte verträglich sind, und einzelne Wirkungsgrade der Maschinen). Sie betrifft Γη gleicher Weise Einrichtungen zur Erzielung eines Betriebes unter den bestmöglichen Bedingungen im ao Falle von Ausgleichsfehlern des Energie- oder des Heizdampfbedarfs, und sie bezieht sich schließlich auf die Regelung der Anlage in den verschiedenen ins Auge gefaßten Fällen.
Nach der Erfindung ist im Dampferzeuger ein Hilfsbrenner angeordnet, der einen Überschuß an Dampf liefern kann. Des weiteren ist eine Einrichtung vorgesehen, die außerordentlichen Energiebedarf im Verhältnis zu dem des Heizdampfes befriedigen kann. Diese Einrichtung besteht aus einem
Wärmeaustauscher, der parallel mit dem Dampferzeuger geschaltet ist, um die abgegebenen Luftmengen aus dem Luftkompressor mittels der Turbinenabgase zu erwärmen, und aus Reglervorrichtungen zur Verteilung der Luft- und Abgasmengen.
Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielsweise veranschaulicht, die den Grundgedanken der Erfindung zum Ausdruck bringen, so daß in Einzelheiten, ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen, Änderungen möglich sind.
Abb. ι zeigt das Grundschema einer Ausführungsform einer Gasdampfturbinengruppe als Antrieb, die nach der Erfindung mit einem Sekundärkreis zur Erzeugung von Heizdampf verbunden ist; Abb. 2 zeigt den Kreislauf des verwendeten Grundgedankens;
Abb. 3 zeigt eine Einrichtung, um unter den möglichst günstigsten Bedingungen den Überschuß-
ao bedarf an Energie oder Heizdampf zu befriedigen.
In der Ausführungsform nach Abb. 1 besteht die
Gruppe im wesentlichen aus einem Kompressor C, einer Gleichdruckverbrennungskammer Ch1, einer Hochdruckgasturbine T1 zum Antrieb des Kompressors C, einer zweiten Gleichdruckverbrennungskammer CZi2, die die aus der Turbine T1 austretenden Gase überhitzt, und aus einer Nutzleistungsgasturbine T2, die einen Energieverbraucher, z. B. eine Wechselstrommaschine oder einen Generator, antreibt. Die Austrittsgase der Nutzleistungsturbine T2 strömen durch einen Dampferzeuger G, der das bei G1 eintretende Wasser verdampft. Der erzeugte Dampf kann entsprechend den Eigenschaften der aus der Nutzleistungsturbine T2 austretenden Gase
3, einen mehr oder weniger erhöhten Druck und eine mehr oder weniger erhöhte Temperatur besitzen, und kann auch überhitzt sein.
Die Luftverdichtung in den Stufen des Kompressors C erfolgt ohne Abkühlung. Würde ein
4„ solcher Vorgang vorhanden sein, so würde er tatsächlich einen Wärmeverlust an der Kühlquelle hervorrufen, der die Gesamtleistung vermindern würde.
Im Beispiel ist der Kompressor als Einheit dargestellt. Er kann aber auch aus mehreren von getrennten Turbinen angetriebenen Teilen bestehen mit im Maximum ebensoviel eingeschalteten Zwischenbrennkammern.
Der dargestellte Gasturbinenkreis enthält im
-0 Verlauf der Entspannung eine Zwischenbrennkammer Ch2, um am Austritt genügend erhitzte Gase zwecks Erzeugung von Dampf mit bestimmter Rückerhitzung und gleichzeitiger größtmöglicher Steigerung der durch die Gasturbine erzeugten Energiemenge zu erhalten.
Im Beispiel ist die Nutzleistungsturbine T2 als Einheit dargestellt. Sie kann aber auch aus mehreren Teilen bestehen und im Maximum ebenso viele eingeschaltete Zwischenbrennkammern besitzen.
Die beiden in Abb. 1 dargestellten Turbinenteile T1 und T2 sitzen auf verschiedenen Wellen. Sie können auf einer oder mehreren Wellen in Kombination mit den Teilen in Reihe oder parallel angeordnet sein und können eine oder mehrere zwischengeschaltete Brennkammern besitzen. '·
Der in dem Dampferzeuger G erzeugte Dampf wird zu einer Gegendruckdampfturbine Tcp geleitet, die entweder ein unabhängiges Gerät treibt oder die etwa unmittelbar oder über ein Zwischengelege mit der Nutzleistungsgasturbine T2 gekuppelt ist. Der am Austritt der Gegendruckturbine Tcp entweichende Dampf wird über die Leitung E zur weiteren Verwendung für Heizbedarf weitergeleitet.
Die Entwicklung des Gasdampfkreises im Entropiediagramm TS der Abb. 2 verläuft folgendermaßen: Von 1-2 Verdichtung der Verbrennungsluft ohne Kühlung im Kompressor C, von 2-3 Verbrennung unter konstantem Druck in der Verbrennungskammer CZi1, von 3-4 Entspannung in der Hochdruckgasturbine T1, von 4-5 Zwischenerhitzung der Gase in der Verbrennungskammer Ch2, von 5-6 Entspannung in der Nutzleistungsgasturbine T2, von 6-7 Ausnutzung eines Teiles der restlichen Gaswärme zum Verdampfen oder Überhitzen des Wasserdampfes, von 7-8 Ausnutzung der restlichen Gaswärme für die Wasserheizung bis zur Verdampfungstemperatur, von 8-1 Vernichtung der restlichen Gaswärme am kalten Ende.
In der Dampfphase verläuft der Kreislauf folgendermaßen: Von 9-10Wassererhitzung bis zur Verdampfungstemperatur, von 10-11 Verdampfung bei konstanter Temperatur und Überhitzung des Wasserdampfes, von 11-12 Dampfentspannung in der Gegendruckturbine Tcp bis zu dem im Heizkreislauf E verwendeten Druck.
Ist ein Heizdampfüberschuß erforderlich, so muß dem Dampferzeuger G ein Wärmezuschuß zugeführt werden. Zu diesem Zweck wird eine zusätzliche Brennstoffzugabe in diesem Dampferzeuger verbrannt, z. B. mittels eines Hilfsbrenners A (Abb. 3). Hierbei ist eine zusätzliche Zufuhr von Verbrennungsluft nicht erforderlich, da die Verbrennung in den Verbrennungskammern CZt1 und Ch2 immer mit großem Luftüberschuß derart erfolgt, daß die den Dampferzeuger durchziehenden Gase Luft enthalten.
Soll die Anlage einen überschüssigen Energiebedarf im Verhältnis zum Heizdampfbedarf befriedigen, so kann man a) nach einem ersten Verfahrensvorschlag, wie oben erwähnt, in dem Dampferzeuger G einen Hilfsbrenner und eine Abzapfdampfturbine verwenden, in der sich der in dem Dampferzeuger erzeugte Dampfüberschuß bis zu einem Kondensator entspannt; b) oder aber man kann die Verwendung eines Hilfsbrenners durch Erhöhung der durch die Gasgruppe erzeugten Gasmenge vermeiden.
Diese beiden Ausführungsarten führen zur Verwendung einer Abzapf turbine und bedingen zwangsweise das Vorhandensein aller üblichen zusätzlichen Vorrichtungen für die Kondensation in Dampfkreisen.
Nach der Erfindung kann die Kondensations- la5 einrichtung vermieden werden. In Wirklichkeit
wird der gesamte Energieüberschuß im Gaskreis erzeugt (Abb. 3). Um die höchstmögliche Leistung zu erreichen, streichen die überschüssigen Gase nicht durch den Dampferzeuger, sondern sie werden zur Erhitzung der vorher verdichteten Luft verwendet, und zwar mittels eines Wärmeaustauschers R, der von einer mehr oder weniger großen Menge Verbrennungsluft durchflossen wird, die dem Kompressor C entnommen ist. Diese so erhitzte Luft wird dann unmittelbar vor der Verbrennungskammer Ch1 mit der Primärluft aus dem Kompressor C gemischt oder als Sekundärluft in der gleichen Verbrennungskammer verwendet. Um die Leitungsverluste zu überwinden und die Gas- und Luftmengen zu regeln, die den Wärmeaustauscher R und den Dampferzeuger G durchstreichen müssen, genügt die Anordnung eines Umlaufventilators in jedem Kreis, d. h. (Abb. 3) eines Ventilators V1 im Gaskreis des Wärmeaus-
ao tauschers R, eines Ventilators V2 im Luftkreis des gleichen Wärmeaustauschers R und eines Ventilators V3 im Abgaskreis des Dampferzeugers G.
Die Regelung der verschiedenen oben beschriebenen Einrichtungen geschieht folgendermaßen:
i. Regelung der kombinierten Gruppe, wobei die von der Turbine T2 angetriebene Wechselstrommaschine mit den anderen synchron laufenden Maschinen parallelgekuppelt ist, die insgesamt das Hauptverteilungsnetz speisen (Abb. 1).
a) Die Dampfmenge wäre, wie in allen Einrichtungen mit Gegendruck, im Falle der Schaltung der Wechselstrommaschine auf ein Netz durch ein Ventil V zu regeln, das von einem Druckregler rx in der Heizleitung abhängig ist (Regelung 1), wobei der Drehzahlregler für die Turbine nur zum Anfahren der Gruppe dient.
b) die Regelung der dem Dampferzeuger G zur Aufrechterhaltung des erforderlichen Dampfgewichtes zugeführten Gasmenge erfolgt in analoger Weise wie bei einem gewöhnlichen Heizkessel, nur daß, anstatt den Hilfsbrenner des Dampferzeugers oder die Zufuhr des Brennstoffes selbst zu diesem Brenner zu beeinflussen, die Regelung durch gleichzeitige Einwirkung auf die Brenner der Verbrennungskammern CZi1 und Ch2 erfolgt (Regelung 2).
Diese Regelung der Brenner der Kammern CZi1 und Ch9 bestimmt gleichzeitig die Abgasmenge und deren Temperatur beim Eintritt in den Dampferzeuger. Man kann indessen auch sagen, daß die Regelung des Brenners derVerbrennungskammer Ch1 außerdem auf die Geschwindigkeitsänderung des Kompressors C und damit auf die Gasmenge einwirkt, während die Regelung des Brenners der Kammer Ch2 mehr auf die Temperatur der Abgase der Gasgruppe wirkt.
Die Regelung der beiden Brenner kann derart kombiniert werden, daß unter Aufrechterhaltung der Gastemperatur beim Eintritt in den Dampferzeuger die Gasmenge veränderlich gehalten wird, was wiederum die Überhitzungstemperatur des Dampfes ziemlich konstant halten läßt.
Bei der Ausführungsform nach Abb. 1 benutzt man die Veränderlichkeit des Dampfdruckes am Ausgang des Dampferzeugers G, um auf die Brennstoffzufuhr zu den Brennern der Kammern CA1 und CZt2 einzuwirken. Zu diesem Zweck beeinflußt ein Manometer rp das Reglerventil S1, das in den Brennstoffsammler am Eingang an den Brennern eingeschaltet ist, deren Düsenöffnungen so gewählt sind, daß z. B. ein bestimmtes Verhältnis zwischen den Brennleistungen dieser beiden Brenner aufrechterhalten wird.
Der Einfachheit halber könnte man vorschlagen, gleichzeitig auf den Brenner der Verbrennungskammer Ch1 von den üblichen Heizreglern aus einzuwirken und die Temperatur des überhitzten Dampfes durch Einwirkung auf den Brenner der Verbrennungskammer CZt2 über einen im Dampferzeuger angeordneten Thermostaten konstant zu halten.
Abweichend davon könnte man in gleicher Weise mit einem Thermostaten auf die Brennstoffmenge in der Verbrennungskammer Ch2 einwirken und hierdurch eine konstante Temperatur beim Eintritt in die Nutzleistungsturbine T2 aufrechterhalten und eine leichte Änderung der Überhitzung zulassen.
2. Regelung der kombinierten Gruppe mit selbständigem Arbeitsgang und bei Überschuß an Dampfbedarf (Abb. 3).
In diesem Fall wird die Heizdampfmenge durch die üblichen bekannten Einrichtungen durch den Druck in der Heizleitung E geregelt (Regelung 1). Die durch diese Regelung erzielte Änderung der Dampfmenge beeinflußt auch die Drehzahlen der Turbinenwellen, die durch eine drehzahlabhängige Regelung r2 auf den gewünschten Wert gebracht wird (bekanntes Verfahren), die ihrerseits auf das Einspritzen des Brennstoffes in die beiden Verbrennungskammern Ch1 und CZt2 einwirkt und so die Gasmenge beeinflußt.
Um die zusätzlichen Dampfmengen zu erhalten, läßt man, wie oben beschrieben, zusätzlichen Brennstoff in den Dampferzeuger durch einen Hilfsbrenner A ein. Die Regelung dieser Brennstoffzufuhr (Regelung 3) richtet sich nach der Änderung der die Gegendruckdampfturbine Tcp durchstreichenden Dampf mengen. Sie kann durch einen Mengenmesser r3, z.B. eineVenturiröhre, vor dieser Turbine gesteuert werden.
3. Regelung der kombinierten Gruppe mit selbständigem Arbeitsgang und mit Energieüberschußbedarf (Abb. 3).
In diesem Sonderfall, unter Fortbestand der Regelungen 1 und 2, wird im Betrieb die Regelung 3 durch die Regelung 3' ersetzt. Diese stützt sich, wie die Regelung 3, auf die Mengenänderung der die Gegendruckdampfturbine Tcp durchstreichenden Menge. Sie wirkt aber entweder auf die Drehzahl iao oder auf die Leistung der drei Hilfsventilatoren V1, V2, V3 ein, um einerseits die den Wärmeaustauscher R durchstreichenden Luft- und Abgasmengen und andererseits die den Dampferzeuger G durchstreichenden Abgasmengen zu regeln. In der Zeichnung ist eine Einrichtung dargestellt, in der
die von der Venturiröhre erhaltenen Drucke unterschiedlich auf die Kolben einwirken, die die Ventile für die Leistungsregelung der drei Ventilatoren steuern.
5

Claims (5)

PATENTANSPRÜCHE:
1. Gasdampfturbinenanlage zur gemeinsamen Erzeugung von Wärme und mechanischer
ίο Energie, bestehend aus einer ein- oder mehrstufigen Gasturbinenanlage mit mindestens einer regulierbaren Gleichdruckverbrennungseinrichtung zur Erwärmung der Gase und einem wenigstens teilweise durch die heißen
Turbinenabgase erwärmten Dampferzeuger (G), dadurch gekennzeichnet, daß der Dampferzeuger (G) eine Gegendruckdampfturbine (Tcp) zur Erzeugung von mechanischer Energie und von entspanntem Heizdampf speist, wobei ein Regler (rv Regelung 1) unter dem Dampfdruck am Auslaß der Gegendruckturbine zur Regelung der zur Dampfturbine geleiteten Dampfmenge und eine weitere Reglervorrichtung (Regelung 2) unter dem Einfluß der Gegendruckdampfturbine zur Regelung der von der Verbrennungseinrichtung verbrauchten Brennstoffmenge vorgesehen ist.
2. Gasdampfturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor der oder den Gasturbinen eine oder mehrere Verbrennungskammern (CA1, CA2) angeordnet sind, deren Brennstoffmengen durch die durch die Gegendruckdampfturbine beeinflußte Reglervorrichtung (Regelung 2) geregelt werden.
3· Gasdampfturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Dampferzeuger ein Hilfsbrenner (A) angeordnet ist, welcher durch die vom Dampfdruck vor dem Regler (rt) der Gegendruckdampfturbine beeinflußten Reglervorrichtung (Regelung 3) geregelt wird.
4. Gasdampfturbinenanlage nach den Ansprüchen ι bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Dampfturbine beeinflußte Reglervorrichtung einerseits aus einem auf die Brennstoffmenge der vor der oder den Gasturbinen liegenden Brennkammer (Ch1, Ch2) wirkenden drehzahlabhängigen Regler (r2, Regelung 2), andererseits aus einem Mengenmesser (r3) der zur Gegendruckdampfturbine zugeführten Dampfmenge besteht, der auf die vom Hilfsbrenner (A) des Dampferzeugers verbrauchte Brennstoffmenge wirkt (Regelung 3).
5. Gasdampfturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wärmeaustauscher (R) zur Erwärmung der verdichteten Brennluft für die Gasturbinenanlage durch die Abgase der Gasturbine angeordnet ist, wobei der Mengenmesser (r3) die vom Hilfsbrenner (A) verbrauchte Brennstoffmenge sowie die Verteilung der Abgasmengen zwischen dem Dampferzeuger (G) und dem Wärmeaustauscher (R, Regelung 3') und die durch den Wärmeaustauscher (R) fließende Luftmenge regelt.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
1 2652 12.51
DEP29254D 1946-09-03 1949-01-01 Gasdampfturbinenanlage zur gemeinsamen Erzeugung von Waerme und mechanischer Energiemit zugehoeriger Steuerung Expired DE826804C (de)

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