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Gastulbinenanlage mit Druckvergaser Die Hrtuidung betrittt eine Gasturbinenanlage
mit Verwendung fester Brennstoffe durch Vergasung derselben, insbesondere in einem
Druckvergaser. 1)a die festen Brennstoffe stärker aschehaltig sind als flüssige,
ist die Verfeuerung in Druckkammern bis jetzt nicht möglich. Die Beseitigung des
Staubgehaltes ist bei Verbrennungsgasen ganz bedeutend schwieriger als z. B. bei
Brenngasen. Der aussichtsreichste Weg zur Verwendung fester Brennstoffe im Gasturbinenbetrieb
ist bis heute die Vergasung, insbesondere die Druckvergasung. Zur Durchführung der
Druckvergasung ist außer Luft auch Wasserdampf erforderlich. Die Beschaffung dieses
Wasserdampfes bereitet nun normalerweise gewisse Schwierigkeiten. Es widerstrebt
jedem Kraftwerkserbauer, bei einerGasturbinenanlage für einen untergeordneten Zweck
noch einen besonderen Dampfkessel vorzusehen. Die Anreicherung der Vergasungsluft
mit dem erforderlichen Wasseranteil kann auch durch die Abwärme der Gasturbine vorgenommen
werden, wobei dann ein besonderer Dampfkessel erübrigt wird. Man kann dies aber
nur auf Kosten der Luftvorwärmung tun. Außerdem ist der Wärmeaustauscher mit der
Wassereinspritzung nicht gerade ein einfaches Bauteil.
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Nach der Erfindung wird nun dadurch eine wirtschaftliche Gasturbinenanlage
mit Verwendung fester Brennstoffe geschaffen, daß bei Anwendung einer an sich bekannten
Flüssigkeitskühlung von
Schaufeln und Läufer die von den gekühlten
Bauteilen abgeführte Wärmemenge ganz oder teilweise an die Vergasungsluft vor dem
Druckvergaser und/oder an das Druckgas nach dem Druckvergaser abgegeben wird.
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Die Wärmeabgabe geschieht eht%veder in einem Wärmetauscher, der einerseits
vom Turbinenkühlmittel und andererseits von der Vergasungsluft bzw. dem Druckgas
beaufschlagt wird. In die so erwärmte Vergasungsluft wird dann Wasser zur Erhöhung
des Wasserdampfgehaltes der Vergasungsluft eingespritzt. Es kann aber die Wärmeabgabe
an die Vergasungsluft auch unmittelbar durch Einführung des Wasserdampfes erfolgen,
der sich in der Kühlanlage der Turbine bildet. Für diesen Fall ist es notwendig,
daß Wasser als Turbinenkühlmittel verwendet wird.
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Da für die Läufer- und Schaufelkühlung unbedingt reines Wasser verwendet
werden muß, ist dafür Sorge zu tragen, daß das für die Kühlung verwendete Wasser
vor seiner Einführung in die Kühlräume entsprechend gereinigt wird. Dies geschielit
dadurch, daß man das Kühlwasser destilliert, wobei die Destillationsanlage zweckmäßig
hinter dem Wärmeaustauscher der Gasturbinenanlage geschaltet wird. Die Destillationsanlage
kann jedoch auch an irgendeiner anderen geeigneten Stelle angeordnet werden.
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Die der Gasturbine durch das Kühlmittel entzogene Wärine kann auch
noch in anderer Richtung dein Gesamtprozeß wieder nutzbar gemacht werden.
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Bei der Verwendung eines Druckvergasers hat man oft zwei verschiedene
Druckniveaus in der Gasturbinenanlage. Um eine möglichst hohe Durchsatzleistung
des Generators zu erhalten, d. 1i. um bei einer bestimmten Anlage mit einer Mindestzahl
von Druckvergasern auszukommen, hält man den Druck im Druckvergaser möglichst. hoch,
da die Durchsatzleistung mit der Wurzel aus dem Druck zunimmt. In der Praxis hat
sich ein Druck von etwa 20 bis 25 atü als zweckmäßig erwiesen. In vielen Fällen
wird der Druck in der Gasturbine auf etwa der gleichen Höhe gehalten wie im Druckvergaser.
Es gibt aber auch Anlagen, bei denen es zweckmäßig ist, den Druck in der Gasturbine
niedriger zu halten. Besonders ist dies bei kleinen Anlagen der Fall. Der hohe Druck,
wie er im Druckvergaser herrscht, bedingt nämlich bei der Gasturhinenanlage eine
Unterteilung der Turbinen. 11an erhält daher mehrere Turbinen bei ein und derselben
Anlage, was man besonders bei kleinen Anlagen wegen des durch die Kühlung komplizierten
Läufers gern vermeidet. Bei solchen Anlagen ordnet man zwischen dem Druckvergaser
und der Gasturbine eine Entspannungsturbine an, in der (las den Druckvergaser verlassende
Gas vom Druck des Druckvergasers auf den in der Brennkammer herrschenden Druck entspannt
wird.
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Die Entspannungsturbine treibt einen Verdichter an, der die für den
Druckvergaser bestimmte Luftmenge vom Enddruck des Hauptverdichters auf den für
die Druckvergasung erforderlichen Druck verdichtet. Bei Anordnung einer Nebenproduktenanlage
oder einer Naßwäsche hinter dem Druckvergaser tritt das Gas mit einer niedrigen
Temperatur in die Entspannungsturbine ein. Um die Gefahr der Eisbildung in der Turbine
zu verhindern, muß man das Gas vorher erwärmen. In Weiterbildung der Erfindung wird
nun die dem Turbinenläufer und den Schaufeln durch das Kühlmittel entzogene Wärme
zur Aufheizung des in die Entspannungsturbine eintretenden Gases benutzt. Zweckmäßig
wird man auch das die Entspannungsturbine verlassende Gas möglichst weit erwärmen,
bevor es in die Brennkammer eintritt. Man kann hierfür die Abwärme der Gasturbine
verwenden oder aber erfindungsgemäß auch die mit dem Kühlmittel der Turbine entzogene
Wärme.
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In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele einer Gasturbinenanlage
in schematischer Weise dargestellt, und zwar zeigt Abb. i eine Gasturbinenanlage
mit Druckvergaser, bei der die Kühlflüssigkeit, die aus dem Turbinenläufer austritt,
ihre Wärme in einem Wärmeaustauscher an die für den Druckvergaser bestimmte Luft
abgibt, Abb. 2 eine Gasturbinenanlage, bei der der aus dem Turbinenläufer austretende
Wasserdampf der Vergaserluft beigemischt wird, Abb.3 eine Gasturbinenanlage mit
Druckvergaser und Entspannungsturbine, bei der die aus dem Turbinenläufer austretende
Kühlflüssigkeit die Wärme an das aus dem Druckvergaser kommende Brenngas vor dem
Eintritt in die Entspannungsturbine abgibt.
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Bei der Anlage nach der Abb. i saugt der Verdichter i bei 2 aus der
Atmosphäre Luft an, verdichtet sie und drückt sie über die Leitung 3 in den Wärmeaustauscher
.I. Hier wird sie durch die Abgase der Turbine vorgewärmt und über die Leitung 5
zur Brennkammer 6 geführt. In der Brennkammer 6 wird Gas verbrannt und das entstehende
Verbrennungsgas durch die Leitung 7 zur Turbine 8 geführt. Die Turbine 8 ist mit
dem Verdichter i gekuppelt. Außerdem treibt sie noch eine Arbeitsmaschine, z. B.
einen elektrischen Stromerzeuger 9, an. Die in der Turbine bis auf etwa den Atmosphärendruck
ausgedehnten Verbrennungsgase verlassen dieselbe durch die Leitung io, durch welche
sie in den Wärmeatistauscher .I eintreten. Nach Durchströmen des Wärmeaustauschers
werden sie durch die Leitung i i in die Atmosphäre entlassen. Das Brenngas wird
in dem Druckvergaser 12 erzeugt. Der Brennstoff wird oben durch die Schleuse 13
eingeschleust. Die Asche verläßt durch die am unteren Ende vorgesehene Aschenschleuse
14 den Druckvergaser. Das erzeugte Brenngas wird am oberen Ende durch die Leitung
15 abgenommen und einer Wäsche, Kondensationsanlage und Nehenproduktenanlage 16
zugeleitet. Von hier werden die gereinigten und gekühlten Brenngase durch die Leitung
17 der Brennkammer 6 zugeleitet. Von der Luftleitung 3 wird ein kleiner Teil der
Luft durch die Leitung 18 abgezweigt und einem kleinen Verdichter i9 zugeleitet,
in dem die Luft um so viel weiterverdichtet
wird, Ilaß die im Druckvergaser
und in den anschließenden Apparaturen auftretenden Druckverluste gedeckt werden.
Nach Verlassen des Verdichters 19 strömt dieser Teil der Luft durch die Leitung
20 zu einem Wärmeaustauscher 21. In dem Wärmeatistatischer 21 wird die mit der Kühlflüssigkeit
aus der Turbine 8 abgeführte Wärmemenge an die Vergasungsluft übertragen. Zu diesem
Zweck strömt die Kühlflüssigkeit aus dein freien Wellenende 25 des Turbinenläufers
durch die Leitung 22 zum Wärmeaustauscher 21. Nachdem sie ihre Wärme abgegeben hat,
wird sie durch die Leitung 23 dem Turbinenläufer wieder zugeführt, und zwar an der
Stelle 2.I. In dem Wärmeaustauscher 21 wird gleichzeitig die Luft mit dem erforderlichen
Wassergehalt gesättigt. Zu diesem "Zweck wird @\"a:ser durch eine Leitung 26 dem
Wärrneaustauscher zugeführt. Zweckmäßigerweise entnimmt man dieses Wasser der Kondensationsanlage
16 des Druckvergasers.
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In der Abb. 2 stellt 1 wiederum den Verdichter dar, der bei 2 die
Luft ansaugt und sie über die Leitung 3. den Wärineaustauscher .I, die Leitung 5
zur Brennkammer 6 führt. Von der Brennkammer 6 werden die Verbrennungsgase durch
die Leitung 7 zur Turbine 8 geleitet, die den Verdichter 1 und beispielsweise den
elektrischen Stromerzeuger 9 antreibt. Die in der Turbine entspannten Verbrennungsgase
werden durch die Leitung to dem Wärmeatistatischer .I zugeführt und verlassen diesen
durch die Leitung i i, welche die Abgase in einen zweiten Wärmeaustauscher
30 führt. Diesen verlassen sie durch die Leitung 31. 12 stellt wieder den
Druckvergaser dar und 13 die Brennstoffeir-und 14 die Ascheausschleusung. Die Brenngase
strömen über die Leitung 15, die Wäsche, Kondensations- und Nebenproduktenanlage
16, die Leitung 17 zur Brennkammer 6. Die für den Druckvergaser bestimmte Luft wird
wiederum durch die Leitung 1s von der Leitung3 abgezweigt und in (lern Zusatzverdichter
19 auf den erforderlichen Druck gebracht. Durch die Leitung 2o wird dann diese verdichtete
Vergaserluft in den Druckvergaser 12 eingeführt. Der in (lern Turbinenläufer entstehendeKühldanipf
wird an dem freienEnde25 des Turbinenläufers abgezapft und durch die Leitung 22
der I.uftleittltlg 20 beigemischt. Das Frischwasser für die Kühlung des Turhinenläufers
wird bei 32 einem Behälter entnommen und über die Rohrbündel 33. tlie Rohrleitung
34, den Wärmeaustausclter 30. <las Rohrsystem 35, die Rohrleitung 36 zur I?ititrittsstelle
2.4 des Turbinenläufers geführt. In dein Wärmeaustauscher 30 wird (las Wasser
durch Abgase der Turbine verdampft. In (lein IZohrsvstell' 35 wird der Wasserdampf
niellergescltlagen. indem er seine Wärme an das itn IZoltrsvstetn 3; fliehende Frischwasser
abgibt.
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Bei der Anlage nach der Abh. 3 wird das aus der \.el>eiil)rocltikteiiatilage
16 kommende Reingas über die Leitung 17 einem Wärmeaustauscher 4o zugeleitet. Von
hier tritt es durch die Leitung 41 in die 1?litsltannungsttirl>ine -42. Hier wird
das Brenngas \-()ii <lernl)rticktilveati desDruckvergasers auf etwa den in der
Brennkammer herrschenden Druck entspannt und über die Leitung 43 einem weiteren
Wärmeaustauscher 44 zugeleitet. Nach möglichst weitgehender Erwärmung tritt es dann
durch die Leitung 45 in die Brennkammer 6 ein. Der Wärmeaustauscher 4o wird durch
das den Turbinenläufer bei 25 verlassende Kühlmittel beaufschlagt. Das Kühlmittel
tritt durch die Leitung 46 in den Wärmeaustauscher ein und verläBt ihn über die
Leitung 47, durch die es der Eintrittsstelle 24 dem Turbinenläufer wieder zugeführt
wird. Der Wärmeaustauscher 44 wird durch die Abgase der Turbine 8 beaufschlagt.
Die Abgase strömen nach Austritt aus dem Wärmeaustauscher4 über die Leitung 48 in
den Wärmeaustauscher 44, verlassen diesen durch die Leitung 49, durchströmen dann
den Wärmeaustauscher 50 und treten durch die Leiturig 51 ins Freie aus. Der
für den Druckvergaser bestimmte Teil der Luft wird der Leitung 3 entnommen und über
die Leitung 52 einem mit Wasser beaufschlagten Rückkühler 53 zugeführt. Von hier
strömt die rückgekühlte Luft durch die Leitung 54 zu dem Verdichter 55, wird hier
vom Enddruck des Verdichters 1 auf den für den Druckvergaser erforderlichen Druck
verdichtet und strömt über die Leitung 56 dem Wärmeaustauscher 50 zu. Von
hier wird sie dann über die Leitung 57 dem Druckvergaser 12 zugeführt. Der Verdichter
55 wird durch die Expansionsturbine 42 angetrieben. Die drei in der Abbildung hintereinandergeschalteten
Wärmeaustauscher.1, 44, 5o können auch parallel geschaltet werden. Desgleichen kann
auch der Wärmeaustauscher 44 oder 5o an Stelle des Wärmeaustauschers 40 von dem
Kühlmittel des Turbinenläufers beaufschlagt wenden. Je nach Wärmebedarf und Wärmeanfall
können auch mehrere der erwähnten Wärmeaustauscher von dem Kühlmittel des Turbinenläufers
beaufschlagt werden bzw. ein Wärmeaustauscher nur teilweise.