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Gasturbinenanlage mit teilgeschlossenem Kreislauf Die rrtindung bezieht
sich auf eine Gasturbinenanlage, bei der ein Teil des Arbeitsmittels unter Verdichtung
in mindestens einem Verdichter und Entspannung in mindestens einer Turbine in einem
Kreislauf umströmt, aus welchem ständig eine Teilmenge von Arbeitsmittel unter Entspannung
in mindestens einer Turbine entnommen wird und in welchen als Ersatz für die Entnahme
durch mindestens einen Verdichter Arbeitsmittel wieder eingeführt wird. Sie ist
dadurch gekennzeichnet, daB die Verdichter der Anlage durch mindestens eine Turbine
getrieben \\-erden, welche durch den aus dem Kreislauf entnommenen Teil des Arbeitsmittels
beaufschlagt ist, wahrend die Nutzleistung von einer Turbine erzeugt wird, welche
durch das im Kreislauf umströmende Arbeitsmittel beaufschlagt ist. Der Kreislaufverdichter
und der die Ersatzmenge fördernde Verdichter können je durch eine Turbine angetrieben
werden, wobei z. B. die den Kreislaufverdichter antreibende Turbine vor die Turbine
geschaltet ist, welche den die Ersatzmenge fördernden Verdichter antreibt. Das im
Kreislauf umströmende Arbeitsmittel kann durch einen Niederdruck- und einen Hochdruckverdichter
verdichtet werden, welche gemeinsam von einer Turbine angetrieben sind.
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Die Erfindung ist nachstehend an Hand des in der Zeichnung vereinfacht
dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Die durch die Verdichter i und a unter Zwischenkühlung im Kühler 3
verdichtete Luft wird zum einem Teil durch eine Leitung 4 dem Wärmeaustauscher 5
und zum anderen Teil durch eine Leitung
6 dem Wärmeaustauscher
7 zugeführt, wobei die Verteilung der Luftmengen durch das in der Leitung 6 angeordnete
Durchflußorgan 8 den Betriebserfordernissen angepaßt «-erden kann. Nach Verlassen
der als Vorwärmer zur Wirkung kommenden Wärmeaustauscher vereinigen sich die beiden
Teilmengen der Luft an der Stelle 9 und werden gleich wieder in zwei Teile aufgeteilt.
Der eine Teil strömt durch die Leitung io in den die Rohre i i des Gaserhitzers
12 umgebenden Raum. In erhitztem Zustand gelangt dann die verdichtete Luft durch
die Leitung 13 in die Turbine 14, wo sie unter Entspannung und Abkühlung einen Teil
ihrer Energie an den Läufer abgibt. Die entspannte Luft strömt durch die Leitung
15 in den Wärmeaustauscher 5 weiter, in welchem sie beim Durchströmen der Rohre
16 die durch die Leitung 4 zugeführte Teilmenge der verdichteten Luft vorwärmt.
Nach Austritt aus dem Wärmeaustauscher 5 wird in einem Kühler 17 der Luft noch ein
weiterer Teil ihrer Restwärme entzogen. Die nunmehr gekühlte Luft strömt durch die
Leitung 18 in den Verdichter i zurück, um hier den Kreislauf von neuem zu beginnen.
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Dem beschriebenen Luftkreislauf wird an der Stelle 9 ständig eine
Teilmenge entnommen und durch die Leitung ig in den Brennraum 2o des Gaserhitzers
12 geführt. Hier dient sie zur Verbrennung des durch den Brenner 21 zerstäubten
Brennstoffes. Das Verbrennungsgas strömt durch die Wärmeaustauschrohre i i, wobei
die im Kreislauf umströmende Luft erhitzt wird. Nach Abgabe eines Teils seiner Wärme
strömt das Verbrennungsgas durch die Leitung 22 in die Turbine 23 und aus dieser
in die Turbine 24 weiter. Das so entspannte Verbrennungsgas gelangt schließlich
in die Rohre 25 des Wärmeaustauschers 7 und anschließend durch die Leitung 26 in
nicht gezeichnete weitere Verbrauchsstellen, z. B. in Abwärmeverwerter, oder unmittelbar
ins Freie. Im Wärmeaustauscher 7 wird ein Teil der Restwärme des Verbrennungsgases
an die durch die Leitung 6 zugeführte Teilmenge der im Kreislauf umströmenden Luft
abgegeben.
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Als Ersatz für den dem Kreislauf an der Stelle 9 entnommenen Teil
des Arbeitsmittels wird durch den. Verdichter,27 Luft aus der Atmosphäre entnommen,
verdichtet und durch die Leitung 28 in die den Wärmeaustauscher 5 mit dem Kühler
17 verbindende Leitung 29 eingeführt. Beim Betrieb mit normaler Last wird durch
den Verdichter 27 die Luft auf etwa 3 atü verdichtet, mit welchem Druck sie dem
Niederdruckverdichter i zuströmt. Am Austritt aus dem Hochdruckverdichter 2 ist
die Luft des Kreislaufes auf einen Enddruck von ungefähr 12 atü verdichtet. In der
Turbine 14 wird die Luft wieder unter Arbeitsleistung auf den Druck von 3 atü entspannt.
Zur Veränderung der Leistung wird beispielsweise durch Verändern der Drehzahl der
Turbine 24 das Verdichtungsverhältnis des Verdichters 27 verändert. Bei Leerlauf
wird er die Luft ungefähr auf 0,2 atü verdichten, bei höchster Überlast ungefähr
auf 3,5 atü oder noch höher. Der Höchstdruck im Kreislauf stellt sich dann am Austritt
aus dem Hochdruckverdichter 2 auf 3 atü bei Leerlauf, auf 16 atü bei Überlast. Das
Verdichtungsverhältnis im Kreislauf wird somit bei Veränderung der Leistung auch
verändert, und zwar ist es bei niedriger Leistung wesentlich kleiner als bei großer
Leistung. Durch die Veränderung des Verdichtungsverhältnisses im Kreislauf läßt
sich der Regelbereich ohne Inkaufnahme wirtschaftlicher Nachteile bedeutend erweitern.
Kann auf besonders hohe Wirkungsgrade verzichtet werden, so kann die Leistung der
Anlage noch weiter gesteigert werden, indem der Druck der Ersatzluft schon bei Normallast
z. B. auf 4 bis 5 atü erhöht wird. Der höchste Druck im Kreislauf bei Normallast
wird dann auf 2o atü und noch höher ansteigen.
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Die durch die Luft des Kreislaufes beaufschlagte Turbine 14 erzeugt
die Nutzleistung. Sie treibt einen elektrischen Stromerzeuger 30, welcher seine
Leistung z. B. in ein bestehendes Netz abführt. Die zuerst vom-Abgas des Gaserhitzers
beaufschlagte Turbine 23 treibt den Niederdruckverdichter i und den Hochdruckverdichter
2 des Kreislaufes. Mit der aus den Verdichtern i und 2 und der Turbine 23 bestehenden
Maschinengruppe ist noch eine elektrische Hilfsmaschine 31 gekuppelt, welche nach
Bedarf als Motor oder als Generator zur Wirkung kommen kann. Sie dient einerseits
zum Anlassen der Anlage und anderseits zum Ausgleich eines Leistungsmangels oder
eines Leistungsüberschusses an der
Turbine 23. Die durch das Abgas der Turbine
23 beaufschlagte Turbine 24 treibt den die Ersatzluft in den Kreislauf einführenden
Verdichter 27. Die Leistung zum Antrieb sämtlicher Verdichter der Anlage wird also
nur durch den dem Kreislauf entnommenen Teil des Arbeitsmittels und die Nutzleistung
nur durch den im Kreislauf umströmenden Teil des Arbeitsmittels erzeugt.
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Wenn auf besonders hohe Wirkungsgrade verzichtet werden kann, könnte
der Wärmeaustauscher, welcher von dem dem Kreislauf entnommenen Arbeitsmittel durchströmt
wird, weggelassen werden. Das entnommene Arbeitsmittel würde dann aus der zuletzt
beaufschlagten Turbine unmittelbar ins Freie oder zu nicht gezeichneten Abwärmeverwertern
strömen. Zur Verdichtung des im Kreislauf umströmenden Arbeitsmittels könnte auch
nur ein Verdichter verwendet werden, an welchen gegebenenfalls noch ein Zwischenkühler
angeschlossen werden könnte. In besonderen Fällen ließen sich zur
weiteren
Vereinfachung auch alle Verdichter durch eine einzige Turbine antreiben. Der einfachste
Fall entstünde dann, wenn ein Verdichter für das im Kreislauf umströmende Arbeitsmittel
und ein Verdichter für das als Ersatz dem Kreislauf zuführende Arbeitsmittel gemeinsam
von einer Turbine angetrieben würden. Werden umgekehrt besonders hohe Wirkungsgrade
angestrebt, so könnte zwischen den beiden Turbinen, welche von dem dem Kreislauf
entnommenen Arbeitsmittel beaufschlagt sind, noch ein Zwischenerhitzer eingeschaltet
werden. Schließlich könnte noch eine Hilfsturbine vorgesehen sein, welche Hilfsmaschinen
zu treiben hat und entweder
vom Arbeitsmittel des Kreislaufes oder
von dem dem Kreislauf entnommenen Arbeitsmittel beaufschlagt ist.