DE849039C

DE849039C - Gas turbine plant working with constant pressure combustion

Info

Publication number: DE849039C
Application number: DES9806D
Authority: DE
Inventors: Herbert Dr-Ing Melan
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1944-01-08
Filing date: 1944-01-08
Publication date: 1952-09-11

Description

Mit Gleichdruckverbrennung arbeitende Gasturbinenanlage 13ei der mit hleichdruckverbrennung arbeitenden (iasturbinenanlage sind zwei Leistungsbeträge aufzubringen, niimlich einmal für die Erzeuger der Nutzleistung und zweitens für die Bereitstellung ([er Verdichterleistung. Beim offenen Heißgasprozeß ist die Verdichterleistung erfahrungsgemäß etwa doppelt so groll wie die Nutzleistung, und zwar deshalli,weil die mit etwa i5oo°C anfallenden heißen 13reiiiigase durch Zuinischung entsprechend großer 1_uftmeiigen auf etwa 5oo'-' C gekühlt werden müssen, ehe sie in der Gasturbine verarbeitet «erden können. Für die Bereitstellung der beiden Energiemengen hilft es eine große Reihe von Vorschlägen, die sich in zwei Hauptklassen einteilen lassen. Bei der einen Klasse wird sowohl Nutzleistung wie Verdichterleistung von der gleichen Turbine erzeugt, die dann wegen der vorstehend wiedergegebenen Zusammenhänge etwa das Dreifache der nach außen abgegebenen Nutzleistung erzeugen muß. Bei der anderen Klasse werden Verdichterturbine und Nutzleistungsturbine getrennt. Wie die Turbinen dabei geschaltet werden, ob hintereinander oder parallel, ist in diesem Zusammenhang unerheblich. Jedenfalls werden die Turbinen dann so ausgelegt, wie es ihrem Aufgabenhereich am besten entspricht. Insbesondere wird die Verdichterturbine schneller laufen müssen als die Nutzleistungsturbine, da deren Drehzahl wegen des Stromerzeugers im allgemeinen 3000 min-' nicht überschreiten wird, während für den Verdichter höhere Drehzahlen benötigt werden. Aus diesen Cberlegungen kommt man dann im allgemeinen auch dazu, die Verdichterturbine als Hochdruckturbine der Nutzleistungsturb ne vorzuschalten. Wie die Schalturig aber auch sei, man muß immer mit 1>estimmten, kaum beeinflußbaren Maschinengrößen rechnen, die sich aus der Dichte des Arbeitsgases und der Luft bestimmen.In the gas turbine system working with constant pressure combustion, two amounts of output have to be raised, namely once for the generator of the useful output and secondly for the provision of the compressor output deshalli, because the hot thirteen gases produced at about 150 ° C have to be cooled to about 500 ° C by admixing correspondingly large amounts of air before they can be processed in the gas turbine Proposals that can be divided into two main classes: In one class, both the useful output and the compressor output are generated by the same turbine, which, due to the above-mentioned relationships, must then generate about three times the useful output emitted to the outside In the 1st class, the compressor turbine and the power turbine are separated. How the turbines are switched, whether one behind the other or in parallel, is irrelevant in this context. In any case, the turbines are then designed in the way that best suits their area of responsibility. In particular, the compressor turbine will have to run faster than the power turbine, since its speed will generally not exceed 3000 rpm because of the power generator, while higher speeds are required for the compressor. From these considerations, one then generally comes to connecting the compressor turbine as a high-pressure turbine upstream of the utility turbine. Whatever the circuit, one always has to reckon with certain machine parameters that can hardly be influenced and that are determined by the density of the working gas and the air.

Etwas andere Verhältnisse ergeben sich beim halb geschlossenen Prozeß. Bei ihm führt der größte Teil der Arbeitsluft einen Kreislauf unter Überdruck zwischen Verdichter, Erhitzer und Turbine aus, und nur ein Teil dieser Luft wird als Brennluft für den Erhitzer abgezweigt. Die den Erhitzer verlassenden Brenngase sind dann das Arbeitsgas einer Turbine, die entweder Nutzleistungsturbine oder Verdichterturbine sein kann. Die hohe Dichte des Arbeitsmittels im geschlossenen Teil des Kreislaufes führt zu entsprechend geringen Maschinengrößen.Somewhat different conditions arise in the semi-closed process. With him, most of the working air leads a circuit under overpressure between Compressor, heater and turbine, and only part of this air is used as combustion air branched off for the heater. The fuel gases leaving the heater are then that Working gas of a turbine, which is either a power turbine or a compressor turbine can be. The high density of the working medium in the closed part of the circuit leads to correspondingly small machine sizes.

Die Erfindung geht in der Aufteilung der Maschinen einer mit Gleichdruckverbrennung arbeitenden Gasturbinenanlage noch einen Schritt weiter, in dem zwei wirkungsmäßig voneinander unabhängige Kreisläufe vorgesehen werden, ein offener Gaskreislauf zur Erzeugung der Nutzleistung und ein geschlossener Luftkreislauf zur Deckung der Verdichterleistung des offenen Gasprozesses.The invention is based on the division of the machines with constant pressure combustion working gas turbine system one step further, in which two effective independent circuits are provided, an open gas circuit for Generation of the useful output and a closed air circuit to cover the compressor output of the open gas process.

Wie eben gesagt wurde, daß die beiden Kreisläufe wirkungsmäßig voneinander unabhängig sein sollen, so soll damit nicht gesagt sein, daß sie nicht in irgendeiner Weise gekuppelt sein könnten. So wäre z. B. eine Wärmekupplung, etwa über Kühler oder Rekuperatoren, denkbar. ;Das würde jedoch nichts an der Tatsache ändern, daß hinsichtlich der Verwendungszwecke der beiden Prozesse Unabhängigkeit besteht. Der eine Kreislauf soll, wie gesagt, nur die Verdichterleistung des Nutzkreislaufes decken, es sei denn, daß zeitweise eine gewisse Überschußenergie zur Verfügung steht, die man der Nutz= leistung hinzufügen kann. Das aber sind Möglichkeiten, die letzten Endes bei jeder Gasturbinenanlage mit Gleichdruckverbrennung bestehen.As has just been said, the two cycles functionally from one another should be independent, that is not to say that they are not in any Way could be coupled. So z. B. a thermal coupling, such as a cooler or recuperators, conceivable. ; That wouldn't change the fact that there is independence with regard to the intended use of the two processes. Of the As I said, a circuit should only use the compressor output of the useful circuit cover, unless a certain excess energy is temporarily available, that can be added to the useful power. But these are possibilities, the last In the end, exist in every gas turbine system with constant pressure combustion.

Der Vorteil eines Anlagenaufbaues gemäß der Erfindung liegt im folgenden: Da der offene Gasprozeß nur zur Erzeugung der Nutzleistung dient, ist auch die für ihn erforderliche Luftmenge nur für diese Leistung zu bemessen. Geht man wieder von der Tatsache aus, daß bei Deckung sowohl von Nutzleistung wie von Verdichterleistung durch die Gasturbine etwa die dreifache Leistung erzeugt werden soll, so beträgt bei Erzeugung der Nutzleistung allein der Luftbedarf nur noch ein Drittel. Der Verdichter wird also entsprechend klein, ebenso wie die Turbine. Nun liegen die Dinge allerdings nicht so, daß man lediglich durch Schaltungsänderung Leistung sparen könnte. Die Leistungsbilanz bleibt die gleiche. Aber im geschlossenen Kreislauf mit der wesentlich größeren Dichte des Arbeitsmittels werden jetzt Turbine und Verdichter wesentlich kleiner. Man kann annehmen, daß der Verdichter des geschlossenen Kreislaufes nicht größer wird als der des offenen Kreislaufes und auch die ihn antreibende Turbine etwa nur die Abmessungen der Nutzleistungsturbine einnimmt. Man wird also auf diese `'eise zwei Verdichter- und Turbineneinheiten etwa gleicher Abmessungen erhalten. Man könnte daran denken, die bereits erwähnte W;irinekupplung der beiden Prozesse noch weiterzutreiben und ihnen einen gemeinsamen Erhitzer zu geben, etwa in der Weise, wie es in der schweizerischen Patentschrift 227 232 beschrieben ist. Hieraus würde sich jedoch folgende Schwierigkeit ergeben: Bei Belastungsänderungen der Anlage muß die Brennstoffmenge der neuen Last angepaßt werden. Es ist nicht zu erwarten, daß die Charakteristiken der beiden Prozesse derart übereinstimmen, daß die Regelbedingungen identisch wären. Vielmehr wird man die Energiezufuhr zum offenen Prozeß nach dem einen, die zum geschlossenen Prozeß nach dem anderen Gesetz regeln müssen. Das ist aber nur mit getrennten Erhitzern möglich. Ferner spricht für getrennte Erhitzer die Überlegung, daß man dann mit verschiedenen Brennstoffen fahren kann, z. B. mit Gas aus einer Vergasungsanlage im offenen, mit festen Brennstoffen im geschlossenen Prozeß.The advantage of a system structure according to the invention is as follows: Since the open gas process is only used to generate useful power, it is also for to measure the required air volume only for this performance. One goes again based on the fact that when both useful power and compressor power are covered about three times the power is to be generated by the gas turbine, then amounts to when generating the useful output, the air requirement alone is only a third. The compressor is therefore correspondingly small, as is the turbine. But things are now not in such a way that one could save power simply by changing the circuit. the Current account balance remains the same. But in a closed cycle with the essential Turbine and compressor are now essential to greater density of the working medium smaller. One can assume that the closed circuit compressor is not becomes larger than that of the open circuit and also the turbine that drives it only takes up the dimensions of the power turbine. So you will be on this There are also two compressor and turbine units of roughly the same dimensions. One could think of the already mentioned wire coupling of the two processes and to give them a common heater, for example in the Way as described in Swiss patent specification 227 232. From this However, the following difficulty would arise: If the load on the system changes the amount of fuel must be adapted to the new load. It is not to be expected, that the characteristics of the two processes agree so that the control conditions would be identical. Rather, one becomes the energy supply to the open process after the one who must regulate the closed process according to the other law. That is but only possible with separate heaters. Furthermore, speaks in favor of separate heaters the consideration that you can then drive with different fuels, z. B. with Gas from a gasification plant in the open, with solid fuel in the closed Process.

Die grundsätzliche Schaltung einer Anlage gemäß der Erfindung ist in der Figur dargestellt. Die Nutzleistungsturbine i zum Antrieb des Stromerzeugers 2 wird mit Brenngas aus dem Erhitzer 3 betrieben. ,4 ist die Brennstoffleitung, 5 die Luftleitung. Die über die Leitung 5 dem Erhitzer 3 zuströmende Luft wird von einem Verdichter 6 gefördert, und zwar zunächst über den Rekuperator 7, in dem sie die Abwärme des Treibgases der Turbine i aufnimmt.The basic circuit of a system according to the invention is shown in the figure. The power turbine i to drive the power generator 2 is operated with fuel gas from the heater 3. , 4 is the fuel line, 5 the air duct. The air flowing through the line 5 to the heater 3 is from a compressor 6 promoted, initially via the recuperator 7 in which they the waste heat of the propellant gas from the turbine i absorbs.

Zum Antrieb des Verdichters 6, der also dem offenen Heißgasprozeß der Nutzleistungsturbine zugeordnet ist, dient die Gasturbine B. Diese ist in einen geschlossenen Prozeß eingeschaltet. Die über die Leitung 9 dem Erhitzer io zuströmende verdichtete Luft wird hierin erhitzt und leistet dann in der Turbine 8 Arbeit. Die Abluft gelangt zunächst zum Rekuperator i i und wird nach Kühlung in einem Kühler 12 dem Verdichter 13 zugeleitet, der sie über den Rekuperator i i in die Leitung 9 drückt.To drive the compressor 6, which is the open hot gas process is assigned to the power turbine, the gas turbine B. This is in a closed process switched on. The flowing through line 9 to the heater io Compressed air is heated here and then does work in the turbine 8. the Exhaust air first reaches the recuperator i i and is cooled in a cooler 12 fed to the compressor 13, which it via the recuperator i i into the line 9 presses.

Die drei Maschinen 6, 8 und 13 bilden einen Maschinensatz, was durch das Bezugszeichen a angedeutet ist.The three machines 6, 8 and 13 form a machine set what by the reference character a is indicated.

Das Schaltbild in dieser Darstellung läßt deutlich die beiden getrennten Kreise erkennen, nämlich den geschlossenen, unter Überdruck laufenden Heißluftprozeß zur Erzeugung der `"erdichterleistung und den offenen Heißgasprozeß zur Erzeugung der Nutzleistung.The circuit diagram in this illustration clearly shows the two separate Recognize circles, namely the closed hot air process running under overpressure for the generation of the compressor performance and the open hot gas process for the generation the useful power.

Claims

PATENT CLAIM: Gas turbine system working with constant pressure combustion in which the useful power is generated in an open hot gas process and the turbine of this process only generates the useful power, characterized in that a separate, closed hot air process operating under positive pressure is provided to generate the compressor power required for the open gas process is.