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Vorrichtung zur Regelung der Gasversorgung einer Gasturbinenanlage
mit Druckgaserzeuger Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenanlage, die mit einem
Druckgaserzeuger für feste Brennstoffe gekuppelt ist. Für Zwecke der Energieerzeugung
wird die Gasturbine erst richtig wertvoll, wenn von der Kohle als Brennstoff ausgegangen
tverden kann. Die Zusammenfassung einer Vergasungseinriclitung von Kohle miter Druck
mit einer Gasturbine ist eine aussichtsreiche Lösung dieses Problems. welches auch
die Gewin1iting von Wert:toften aus der Kohle gestattet.
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Je nach der verlangten Güte und dem erlaubten Aufwand der Gasturbine
liegt der obere Druck des Kreisprozesses verschieden hoch. Die Anwendung des Verfahrens
der Druckgaserzeugung hat den Vorteil, dali (las Brenngas schon mit einem gleich
großen oder h <filieren Druck zur Verfügung steht und daß für die Verdichtung
der Vergasungsluft weniger Arbeit aufgewendet werden muß als für die Verdichtung
des Brenergases beim Vorhandensein einer anderen Gaslieferquelle von atmosphärischem
Druck. Aus Gründen des Bauaufwandes iür eine bestimmte Gaserzeugung und mit Rücksicht
auf einen günstigen Ablauf der Vergasungsreaktionen des Wassergasprozesses ist ein
Betriebsdruck im Gaserzeugungsgefäß von 2o bis 3o Atin. z«-eckmäßig.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der Zusammenschaltung
von Gaserzeuger und Gasturbine eine schnelle Anpassung der Gaslieferung des Gaserzeugers
an den Gasbedarf der Gasturbine
bei schnellen Lastwechseln zu erreichen.
Besonders geeignet erscheint hierfür die an sich bekannte Schaltung mit einem größeren
Druckunterschied zwischen dem Gaserzeugerbetriebsdruck und dem in sehr vielen Fällen
günstigen Prozeßdruck des Gasturbinenkreislaufes im Auslegezustand. Hierbei ist
für die aus dem Verbrennungsluftnetz der Gasturbine entnommene Vergasungsluft ein
Zwischenverdichter vorgesehen, dessen Leistungsbedarf voll oder teilweise .durch
eine Entspannungsturbine gedeckt wird, welche durch die Entspannung des erzeugten
Brenngases vom Gaserzeugerdruck auf dem Druck der Gasturbinenbrennkammern betrieben
wird. Diese bekannte Schaltung genügt aber nicht zur Lösung der Aufgabe einer schnellen
Anpassung der Gaslieferung an den Gasbedarf.
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1?rfiidungsgemäß wird die Aufgabe in der Weise gelöst, daß zusätzlich
zum Antrieb des Verdichters für die aus dem Verbrennungsluftnetz entnommene Vergasungsluft
eine Dampfturbine vorgesehen ist, die mit dein Dampf aus dem Kühlsystem des Gaserzeugers
betrieben wird, wobei der Dampfdurchsatz bei Lastwechsel der Gesamtanlage vorübergehend
selbsttätig verändert wird. Soll ein vorhandener Beharrungszustand der Gaserzeugung
bei einer schnell erfolgenden Laständerung auf die Verhältnisse einer anderen Gaslieferung
übergeführt werden, ohne daß Verluste an Gas oder Verzögerungen der Lasteinstellung
auftreten sollen, so verlangt dies eine rasche Anpassungsfähigkeit der Drehzahl
der erwähnten Aufladegruppe, welche die Druckspiegel der Gasquelle und .der Gasverbrauchstelle
verbindet, d. h. der erwünschte schnelle Übergang von einer Laststufe zur anderen
ist nur durch die möglichst augenblickliche Bereitstellung einer zugeordneten Menge
Vergasungsluft mölich. Dies besorgt aus denBetriebSVerhältnlSSen des' Kühlmantels
des Gaserzeugers und einer angeschlossenen Ausdampftrommel in Verbindung mit einem
Drucktransformator ziemlich selbsttätig die erfindungsgemäß angekuppelte Dampfturbine.
Der Druckumwandler bewirkt durch seinen Differentialkolben eine verstärkte Weitergabe
der Druckänderung im Gasraum des Gaserzeugers, bedingt durch erhöhten oder verminderten
Gasbedarf, gegenüber dem eben verlassenen Beharrungszustand, an die Ausdampftrommel
des Kühlsystems, wodurch entsprechend den bekannten Eigenarten eines kuths-Speichers
mehr oder weniger Dampf für die Dampfturbine auf dem Aufladewellensatz bereitgestellt
wird.
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Die möglichst weitgehende Unberührtheit des Gaserzeugerreaktionsdruckes
von den Schwankungen des Prozeßdruckes der Gasturbinenanlage, deren Durchsatz und
Leistungen nach dem Gleichdruckprinzip gesteuert werden, wirkt sich auf den Gesamtverbrauch
von Kohle günstig aus, so daß z. B. das nutzlose Abblasen von überschußgas durch
die gewählten Einrichtungen der Dampfspeicherung vermieden wird. Aus dem sehr veränderlichen
Ansaugedruck der Vergasungsluft entsprechend dem von der Last der Gasturbine bedingten
Gleichdruck ergeben sich für den Verdichter Betriebsbedingungen, die eine beachtliche
Unabhängigkeit des Fördervolumens vom Druckverhältnis verlangen, was eigentlich
nur bei Schraubenverdichtern oder Vielzellenverdichtern der Fall ist. Ebenso sollen
die Entspannungsturbinen für das Brenngas auf der Welle der Aufladegruppe für die
Verarbeitung sehr unterschiedlicher Gefälle geeignet sein, wofür die Radialbauart
günstige Voraussetzungen liefert.
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In Weiterausbildung der Erfindung ist es zweckmäßig, den Dampf aus
dem Kühlsvstem ,des Gaserzeugers nach der Entspannung in der Dampfturbine der zusätzlich
für den Gaserzeuger bestimmten Luftverdichtergruppe (Aufladegruppe) zur Bauteilkühlung
der Schaufelbefestigungszone der ersten mit höherer Temperatur betriebenen Laufkränze
einer oder mehrerer Teilturbinen der Gasturbinenkraftanlage heranzuziehen. Dadurch
werden sonst wenig günstig ausnutzbare Abzweigungen aus dem Gaserzeugerbetrieb zur
Erhöhung der Lebensdauer hochbeanspruchter Bauteile verwertet bzw. die therinod_vnamische
Güte des Gesamtprozesses durch die so zulässig gewordene höhere Eintrittstemperatur
verbessert. Außer der Kühlwirkung fürdienachfolgendenTurb» nenstufen, die durch
die Erhaltung kälterer Strähnen im .,#,rbeitsmittel im Bereich der Schaufelungsfußkreise
erreicht werden kann, entsteht bei der weiteren Entspannung zusammen mit den Verbrennungsgasen
der Gasturbine zusätzliche Leistung. Um in Zusammenarbeit mit der Gasturbine genügend
Dampf aus dem Kühlmantel des Gaserzeugers bereitzustellen, ist es für die Gesamtbilanz
nicht schädlich, möglichst weitgehend auf die Innenausmauerung des Gaserzeugungsraumes
zu verzichten oder sie auf ein Kleinstmaß zu beschränken. Eine solche Gestaltung
beseitigt bekanntlich auch weitgehend Störungen des Gaserzeugerreaktionsablaufes
durch Schlackenbrücken usw.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer Gasturbinenanlage
nach der Erfindung dargestellt, die mit einem Druckgaserzeuger gekuppelt ist, und
zwar zeigt Fig. i ein Schaltschema der Anlage und Fig. 2 einen Schnitt durch einen
Teil der Gasturbinenbeschaufelung mit der zusätzlichen Schaufelkühlung.
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Die zweiwellig angenommene Gasturi» nenanlage besteht aus den Verdichtern
i und 2 mit dem Zwischenkühler 3, die durch die Teilturbinen und 5 angetrieben werden.
Die Nutzleistung wird am Generator 6 abgenommen. Sein augenblicklicher Leistungszustand
sei durch die Muffenstellung des angetriebenen Fliehkraftreglers 7 symbolisch dargestellt.
Die Abgaswärme wird in den Wärmetauschern 8 und 9 für die Vorwärmung der Verbrennungsluft
und des Wassers ausgenutzt, wobei letzteres nach weiterer Erhitzung als Dampf in
den Gaserzeuger eingeblasen wird. Zur Versorgung der Brennkammern io und m vor den
Teilturbinen 4 und 5 wird Brenngas unter entsprechend abgesenktem Druck aus dein
Gaserzeuger bereitgestellt, dessen wesentliche Bauelemente der lZeaktionsraum
12,
der KiihlinatitL@ 13 mit dem daran angeschlossenen Ausgleichgefäß 14, die Kohlenschleuse
15, der Aschenabstich 16 und der Waschturm 17 sind. Das Gas fällt mit dem Gaserzeugerdruck
von 20 bis 30 Atln. an und wird nach Durchgang durch einen kleinen Speicher
i8, der mit einem Drucktransformator gekuppelt ist, nach weiterer Aufwärniuiig am
Schlackenabstich 16 auf den jeweil von der Last abhängigen Prozeßdruck entspannt.
Dazu dienen die beiden Entspannungsturbinen 19 und 20, welche die in den beiden
l@remikainniern io und ..i i zu verbrennenden Teilgasmengen zur :\rbeitsleistung
für den Antrieb des Verdichter: 21 heranziehen, mit welchem die vom Verbrennungsluftnetz
abgezweigte Vergasungsluftmenge des Gaserzeugers vom niedrigeren Druckniveati des
Gasturbinenkreislaufes (ebenfalls abhängig von der Last) auf das möglichst gleichbleibend
hohe Druckniveau des Gaserzeugervorganges gebracht wird. Dieser Luftanteil wird
zweckmäßig vorher durch einen Zwischenkühler 212 geschickt, um den Leistungsbedarf
der Aufladegrul>pe so klein wie möglich zu halten.
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Bei Leistungsänderung wird vom Regler 7 mit bekannten -Mitteln an
die Drosselklappen 23 und 24 iii der Gaszufuhr zu den Brennkammern iio und i i je
ein Impuls weitergegeben, und zwar bei erforderlichem Lastanstieg in Richtung Öffnen
und umgekehrt bei gewiinschter Lastabnahme in Richtung Schließen. Auf diesen veränderten
Gasbedarf soll sich der Gaserzeuger möglichst rasch umstellen, um einerseits keiner:
unnützen Gasverlust zu haben (=\1)1>lasen), andererseits aber auch die geforderte
Lasterhöhung ohne Verzögerung erfüllen zu können. Eine plötzliche Lastsenkung angenommen,
bedeutet durch die \oin Regler eingeleitete Drosselung der Brennstottzuftihr zu
deti Brennkammern im ersten :\ugenblick einen Gasüberchuß im Gaserzeuger, so (lall
der Druck 1t11 Speichergefäß 18 zunächst ansteigt. Nun ist der über (las Gewicht
25 aufgehängte Kolbenbodenabschluß 26 dieses Speicherraume: 18 auf einen Teilbereich
seiner Unterseite vom Druck im Kühlmantel 13 oder in der Ausdampftroniniel 14 beeufschlagt
und im verflossenen Beharrungszustand bei gleichem Druck im Gleichgewiclit gewesen:
durch den momentanen Druckanstieg im 1Zauni i 8 entsteht durch eine hydraulische
(')ersetzung im Raum unterhalb des Kolbens 26 eitle größere Druckänderung, die sich
auf den lillialt des :\usgleichgefäßes 14 überträgt. Nach den bekannten Gesetzmäßigkeiten
des Dampfspeichers, an dessen besondere Anforderungen dieses 13atiteil noch besser
angepaßt werden kann, entsteht dort wenigerDampf. DiezurUnterstützung des :\iitriebs
der Aufladegruppe (21 -E- 119 -f- 20) vorgesehene kleine Dampfturbine 27 erhält
weniger Dampf uti(1 miterstützt die Verzögerung der Verdichterdrehzahl von -21,
die auch von seiten der Entspatitiutlgsturbinen i9 und 2o durch den erhölltell \\-i(lerstan(1
im _\l)fluß (Drosselstellen 23 und =d wurden zugedreht) eingeleitet wurde. Man kann
auch (huch übertragene Bewegungen an eingel@auten t)i-()sselstellell 28 in der Dampfleitung
von 14 nach 27 diese eingeleitete Wirkung verstärken, außerdem kann man eine unterhalb
des Drucktransformators 18 angeordnete Beheizung 29 durch eine Ringflamme zusätzlich
durch eine an den Regler 7 angeschlossene Drosselklappe 30 beeinflussen.
Im vorliegenden Regelungsfalle bedeutet dies, durch Verstärkung der Wärmezufuhr
den vorhandenen Druckanstieg im Gefäß .i4 weiterzuheben und eine Weitere Verminderung
des Ausdampfens zu erreichen. Im Anschluß an die Drosselung derBrenngaszufuhr wird
das obere Druckniveau des Gasturbinenkreislaufes absinken, und das zu überwindende
Druckverhältnis des Verdichters zi für die Vergasungsluft wird laufend größer. Das
Entspannungsdruckverhältnis der Turbinen I<9 und 20 wird in gewissem Maße zwar
auch größer, aber durch die nachlaufende Nachstellung der Drosseleinrichtung 23
und 24. geschieht dies mit einer gewissen Verzögerung.
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Der umgekehrte Fall der plötzlichen Laststeigerung verlangt das Öffnen
der Zumeßeinrichtungen für (las Breinigas vor den Brennkammern. Der im Reaktionsraum
12 und im Speicherraum 18 auftretende augenblickliche Gasmangel bedingt eine Druckabnahme,
die sich übersetzt auf das Ausdampfgefäl3 14 auswirkt, dort eine größere Ausdampfung
auslöst und der Dampfturbine 27 auf der Aufladegruppenwelle mehr Treibmittel liefert.
Alle übrigen Wirkungen laufen sinngemäß in entgegengesetzter Richtung ab.
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Zur Deckung des Eigendampfbedarfes wird, ausgehend von der Speisepumpe
31, zweckmäßig ein Teil der Abwärme der entspannten Abgase im Wärmetauscher 9 aufgenommen,
das heiße Abwasser desWaschturms 17 beigemischt undschließlich alles zusammen in
einer Heizung mit Verbrennung des bei :17 ausgeschiedenen Teers oder des Abfallgases
aus der Kohlenschleuse weitererhitzt.
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Bei der Brenngasversorgung durch Druckgaserzeu-rung aus festen Brennstoffen
für größere Leistungen mit einem entsprechenden sehrniedrigen Brennstoffverbrauch
ist ein höherer Prozeßdruck der Gasturbinenanlage zweckmäßig, da eine immer weitgehendere
Unterteilung des Arbeitsmitteldurchlaufes mit Zwischenkühlungen während der Verdichtung
und Zwischenüberhitzungen während der Expansion als Hilfsmittel zur Annäherung an
isotherme Zustandsänderungen angewandt werden muß. Dies führt zu Auslegungen, in
welchen der Drucksprung zwischen Gasturbine und Gaserzeuger im Vollastpunkt praktisch
auf die Überbrückung des Druckverlustes des Gaserzeugungsprozesses zusammenschrumpft;
in diesem Fall wird der dazu nötige Verdichter nur mehr durch eine Dampfturbine
Lind einen Hilfselektromotor angetrieben. Letzterer dient auch zum Anfahren und
Hochfahren des Gaserzeugers. Wegen des Bedarfs an Dampf für die Druckgaserzeugung,
der die Anordnun<- eine: Wasservorwärmers neben dem Verlirennun;;sluftvortvärmer
am Ende der Gasturbine notwendig macht, hat man die Möglichkeit, auch hei hohen
I'rozeßdrücken und den mit heutigen
Mitteln tragbaren Eintrittstemperaturen
des Treibgases vor den Turbinen optimale Verhältnisse einzustellen.
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Die Anordnung mehrerer Druckgaserzeugergefäße für den erforderlichen
Gasbedarf macht trotzdem nur die Aufstellung von einem Drucktransformator und einem
als Dampfspeicher ausgebildeten Ausgleichgefäß der Kühlmäntel des Gaserzeugers notwendig.
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Die Verwertung des Abdampfes der Dampfturbine 27 zur Bauteilkühlung
der ersten besonders heißen Stufe einer nachgeschalteten Teilturbine ist aus der
Fig. 2 zu ersehen. Vom Läufer 40 sind zwei Laufkränze 41 und 42 dargestellt, die
das Treibmittel aus den Leitkränzen 43 und 44 zugeteilt erhalten. Am Leitschaufelträger
45 ist innerhalb des Leitkranzes 43 die Ringkammer 46 angeordnet, in welche der
Abdampf eingeführt wird, um durch Bohrungen 47 unter Expansion in den Spaltraum
auszuströmen. Die Stirnseite des Laufkranzes hat rippenartige Vorsprünge 48, welche
zur Verbesserung der Wärmeübertragung dienen. Die Ringkammer 46 besitzt außerdem
ringartige Vorsprünge 49, mittels deren auch durch Strahlung vom heißen Laufkranz
her Wärme aufgenommen werden kann.