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Verfahren zum Betrieb einer Gasturbinenanlage mit Nutzleistungsturbine
und nachgeschalteter Abgasturbine und Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb einer Gasturbinenanlage,
in welcher Arbeitsmittel in mindestens einem Verdichter verdichtet, dann erhitzt,
weiter mindestens in einer Turbine entspannt und wieder zum Verdichter zurückgeführt
wird, wobei diesem Kreislauf des Arbeitsmittels ständig eine Teilmenge entnommen
und in einer Nutzleistungshirbine und einer nachgeschalteten Abgasturbine entspannt
wird, während ein von der Abgasturbine angetriebener Verdichter frisches Arbeitsmittel
als Ersatz dem Kreislauf wieder zuführt, und auf eine Einrichtung zurAusfiihrung
des Verfahrens. Eine Umführung von Arbeitsmittel um die Nutzleistungsturbine ist
notwendig, um bei kurzzeitiger Verminderung oder bei Unterbrechung der Nutzleistung
den Betrieb der übrigen Anlage in einem Maß aufrechterhalten zu können, um bei Steigerung
der Belastung die Abgabe von Nutzleistung ohne Verzögerung wieder aufnehmen bzw.
verstärken zu können. Wird das Arbeitsmittel durch eine Umgehungsleitung um die
N utzleistungsturbine umgeführt, so erhält die Abgasturhine Arbeitsmittel von wesentlich
höherer Temperatur als im Normalbetrieb, weil eine arbeitleistendeEntspannung fehlt.
Dies ergäbe die Notwendigkeit, die Abgasturbine
ebenso wie die Nutzleistungsturbine
aus hochhitzebeständigem Baustoff herzustellen, um die mechanischem Beanspruchungen
wie bei der Nutzleistungsturbine innerhalb niedriger Grenzen zu halten. Zur \,'errneidung
des geschilderten Nachteils wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, während derVerminderung
oder Unterbrechung der .Nutzleistung in einer die Nutzleistungsturbine.umgehenden
und in dieAbgasturbine führenden Leitung dem umgeführten Teil des Arbeitsmittels
Luft von niedrigerer Temperatur beizumischen. Die Einrichtung zur Ausführung des
Verfahrens nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß in einer die Nutzleistungsturbine
umgehenden und in die Abgasturbine führenden Leitung eine Mischvorrichtung angeordnet
ist, in welcher dein umgeführten Teil des Arbeitsmittels Luft @ an geringerer Temperatur
beigemischt werden katrn. ' i)urch eine Zufuhrvorrichtung kann der Mischvorrichtung
Luft aus dem Arbeitsmittelkreislauf der 1tilage zugeführt werden. Diese Zufuhrvorriclitutig
wird zweckmäßig am _Austritt aus (lern Kreislaufverclicliter an den Kreislauf angeschlossen.
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Nachstehend ist ein Ausführungsbeispiel der EitirIchtung zur Ausführung
des.`'erfalirens nach der Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben, und l;leichzeitig
wird das Verfahren gemäß der Erfindung beispielsweise erläutert.
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Der Verdichter i verdichtet das aus der Leitung 2 zuströmende Arbeitsmittel,
wobei im Kühler 3 eine Zwischenkühlung erfolgt, und fördert es in verdichtetem Zustand
teilweise durch die Leitung 4 in einen 1\'ärnreaustauscher 5 und teilweise durch
die Leitung 6 in einen Wärmeaustauscher 7. Das im Wärmeaustauscher 5 vorgewärmte
Arbeitsmittel strömt durch die Leitung 8 in den das Rohrsystem g des Gaserhitzers
io umgebenden Raum. Das erhitzte Arbeitsmittel strömt darin durch die Leitung 11
in die Turbine 12 weiter und gelangt nach Entspannung durch die Leitung 13 in das
Rohrsystem 14 des Wärmeaustauschers 5. Hier wird ein Teil der im entspannten Arbeitsmittel
noch enthaltenen Wärme an das durch die Leitung 4 aus dem Verdichter i ankommende
Arbeitsmittel übertragen. In einem Kühler 15 wird ein weiterer Teil der Restwärme
dein Arbeitsmittel entzogen. In gekühltem Zustand gelangt das Arbeitsmittel durch
die Leitung 2 wieder in den Verdichter i zurück, wo es den beschriebenen Kreislauf
von neuem beginnt.
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Der durch die Leitung 6 dem Kreislauf entzogene Teil des Arbeitsmittels
gelangt durch den @Värrneaustauscher 7 und die Leitung 16 als Verbrennungsluft zum
Brenner 17 des Gaserhitzers io. Das Verbrennungsgas strömt durch das Rohrsystem
9 und gibt dabei einen Teil seiner Wärme an das aus der Leitung 8 ankommende Arbeitsmittel
ab. Mit verminderter Temperatur strömt das Verbrennungsgas durch die Leitung 18
in die Nutzleistungsturbine ig. Die Abgasleitung 2o besitzt eine aus zwei Durchfluborganen
21 und 22 bestehende Umschaltvorrichtung, mit deren Hilfe das Abgas der Nutzleistungsturbine
ig nach Bedarf das eine Mal dem Wärmeaustauscher 7 und das andere Mal derAbgasturbine
23 zugeführt werden kann. Das Abgas gelangt also entweder durch den das Rohrsystem
24 des Wärmeaustauschers 7 umgehenden Raum oder durch die Abgasturbine 23 in die
Ableitung 25.
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Als Ersatz für das dem Kreislauf entnommene Arbeitsmittel wird durch
die Leitung 26 Luft der Anlage zugeführt. Diese Luft kann je nach der Einstellung
der aus den Durchflußorganen 27 und 28 bestehenden Umschaltvorrichtung entweder
durch die Leitung 29 unmittelbar der Atmosphäre entzogen oder durch die Leitung
30 in vorverdichtetem Zustand durch den Verdichter 31 zugeführt werden. Der.
Verdichter 31 erhält die Luft seinerseits durch die Leitung 32 aus der Atmosphäre.
Während der Verdichtung im Verdichter 31 findet in einem Kühler 33 eine Zwischenkühlung
statt.
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Die durch reine Luft beaufschlagte Turbine 12 treibt den Kreislaufverdichter
i. Mit dem aus der Turbine 12 und dem Verdichter i bestehenden Aggregat ist außerdem
eine elektrische Maschine 34 gekuppelt, mit deren Hilfe die Anlage in Betrieb gesetzt,
während des Betriebes ein Energiemangel ersetzt oder überschüssige Energie abgeführt
werden kann. Die Nutzleistung der Turbine ig wird über das Getriebe 35 und die Welle
36 auf den Schiffspropeller 37 übertragen. Durch die :lbgasturbine 23 wird der `eidichter
31 angetrieben.
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Zur raschen Verminderung oder zur vollständigen Unterbrechung der
Nutzleistung ist die Nutzleistungsturbine ig mit einer Umgehungsleitung 38 ausgerüstet,
durch welche Arbeitsmittel aus der Leitung 18 unmittelbar in die Leitung 2o geführt
werden kann. Von dem durch die Leitung 38 um die Turbine ig umzuführenden Arbeitsmittel
kann ein Teil durch die Leitung 39 aus der Anlage unmittelbar in die Ableitung 25
geführt werden. Dem nicht abgeführten Rest wird durch die Leitung 4o Kühlluft aus
der Förderleitung 6 des Verdichters i in der Mischkammer 41 beigemischt. In der
Leitung 18 ist ein Durchflußorgan 42, in der Leitung 38 ein Durchflußorgan 43 und
in der Leitung 39 ein Durchflußorgan 44 angeordnet. Mit Hilfe dieser Durchflußorgane
kann einerseits die Menge des um die Nutzleistungsturbine ig umströmenden Arbeitsmittels
und andererseits die Menge des durch die Leitung 39 aus der Anlage abgeführten Arbeitsmittels
bestimmt werden. Mit Hilfe des Durchflußorgans 45 in der Leitung 4o wird endlich
die Menge der dem umgeführten Arbeitsmittel zur Kühlung beizumischenden Luft festgelegt.
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Die dargestellte Anlage eignet sich besonders zum Antrieb von Kriegsschiffen.
Die einzelnen Maschinen und Wärmeaustauscher sind so ausgelegt, daß bei einer für
die Marschfahrt bestimmten Leistung ein höchster Wirkungsgrad erzielt wird. Das
Durchflußorgan 21 ist darin geöffnet, die Durchflußorgane 22 und 28 sind geschlossen,
und das Durchflußorgan 27 ist geöffnet.
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Das Abgas der Nutzleistungsturbine ig strömt durch den das Röhrsysteni
2.1 umgebenden Raum des Wärmeaustauschers 7 in die Abgasleitung 25. Dadurch wird
die für den Gaserhitzer io bestimmte Verbrennungsluft vorgewärmt und damit die Restwärme
des
ans der :Nillage abströinenclen Arbeitsinittelsweitgehend wieder Die zum Ersatz
für diese abgeführte Arbeitsmittelmenge in den Kreislauf frisch ciiizuführende Luft
wird utimittelllar durch die l.eittttlgelt 29 und 20 in die Atllageeitigefiihrt.
1)1e Anlage arbeitet so mit niedrigem Druckniveau des Kreislauf, für welches die
Schaufe1form u11<1 die Durchgaiigs(luerschnitte der Strötnunigsmaschinen ausgelegt
sind, so daß ein bestmöglicher \\'irkttngsgra(l sichergestellt ist.
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Zur Frhohung der Leistung Werden die Durchflußorgane 21, 22 und 27,
28 umgestellt, wie in der Zeichnung gezeigt. 1)1e :V)gase der Nutzleistungsturbine
icg ströineil dann durch die Abgasturbine 23 in die .\1>gasleitttng 25. Die _\llgasturbiile
treibt den Verdichter 31, welcher durch die Leitung 32 Luft aus der Atmosphäre ansaugt
und diese je nach Bedarf mehr oder weniger stark verdichtet durch die Leitttlig
30 in den Kreislauf entführt. Das Druckniveau im Kreislauf lvird so eiitspreclietid
gehoben. Auf diese Weise lädt sich die Nutzleistung der Anlage auf eile Mehrfaches,
z. 1i. (Den 5- bis tofachen Wert, steigern, 1v(111(#1 noch amiehmbare Wirkungsgrade,
erzielt werden können.
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Soll die Algahc voll \utzleistutig durch die Turhitie i(g vermindert
oder unterbrochen werden, so wird (las Durchflußorgal143 mehr oder Weniger stark
geö fttict und der Durchfluß(luerschnitt des Durchflußorgans :12 vermindert, bzw.
es' wird ganz geschlossen. Ein Teil oder alles durch die Leitung 18 aus dein Gaserhitzer
to ankommende Arbeitsmittel tr , iiii durch die Uingehiiiigsleitung
38 zutn s Ömt da t' 'heil 111 (lic IXltt111I 20 1111d zum andern Teil Tiber das
mehr ()([er weniger stark geöttnete Durchflußorgan 44 unmittelbar in (Die Ableitung
25. Gleichzeitig wird auch (las Durchflußorgan 45 geöffnet, so claß atis dein \'cr(licliter
i Luft in die Mischkarnner41 gelangt. Der 1)tircliflußdtterschnitt der Organe .1-bis
.15 wird so gewählt, (laß einerseits die Turbine ig die verlangte verminderte Leistung
noch abgibt und ;in(lererseits (las in (Die Leitung 20 umgeführte Arbeitsmittel
auf eine Teml)cratur gekühlt ist, bei der Schäden iii (Der "\I)gastttrlliiie 23
ausgeschlossen sind. Sowohl die l.(@ittlllg 22 als auch (Die Turl»lte 23 köntien
(tann ans einem liatistott hergestellt werden, welcher nicht 1>Eson(lcrs für hohe
Temperatur geeignet sein muß. Nur (Die Leitung 3(9, welche einen geringen ()tiersclinitt
ailfweist tmd ein einfaches, nicht umfangreiches Element darstellt, muß aus hochhitzebeständigem
Baustotf hergestellt sein.
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Das Verfahren kann für jedeArt vonGasturbinenanlagett verwendet werden,
bei denen eine Turbine zum Antrieb einer oder mehrerer Hilfsmaschinen hinter eitle
Nutzleistungsturbine geschaltet ist.