DE870781C

DE870781C - Process for utilizing high gas temperatures in a gas turbine process

Info

Publication number: DE870781C
Application number: DEK6679D
Authority: DE
Inventors: Wolfgang P Dipl-Ing Kritzler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1944-12-15
Filing date: 1944-12-15
Publication date: 1953-03-16

Description

Verfahren zur Ausnützung hoher Gastemperaturen in einem Gasturbinenprozeß Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wandlung von Wärme in Arbeit unter Anwendung eines Arbeitsmittels als Wärmeträger und einer Turbine als Wärmekraftmotor.Process for utilizing high gas temperatures in a gas turbine process The invention relates to a method for converting heat into work using a working medium as a heat transfer medium and a turbine as a heat engine.

Bekannt ist der Vorteil, dein hohe Eintrittstemperaturen des Arbeitsmittels bei allen Wärmekraftprozessen bedingen. Besonders in Verbindung mit ein--r Steigerung des: Druckes kann dadurch eine wesentliche Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades erzielt werden. Die Dauerstandfestigkeit der Turbinenbaustoffe bei höheren: Temperaturen, inisbesondere des Schaufelmaterials, begrenzt zur Zeit die Eintrittstemperatur auf 6oo bis 700° C, wenn man von. der Anwendung einer besonderen Kühlung wegen der damit verbundenen bekannten Erschwernisse absieht. Versuche zur Verwendung keramischer Schaufeln, mit dem Ziel, die Eintrittstemperatur wesentlich über die genannte Grenztemperatur hiniaus zu steigern, haben bis heute noch zu keinem. befriedigenden Erfolg geführt.The advantage is known, the high inlet temperatures of the work medium in all thermal power processes. Especially in connection with an increase des: Pressure can thereby significantly improve the thermal efficiency be achieved. The fatigue strength of the turbine building materials at higher: temperatures, in particular of the blade material, currently limits the inlet temperature 600 to 700 ° C if you go from. the application of a special cooling because of it associated known difficulties. Attempts to use ceramic Shovels, with the aim of keeping the inlet temperature well above the limit temperature mentioned To this day, none of them have to increase beyond this. resulted in satisfactory success.

Bei den bekannten Verfahren, die mit offenem Kreislauf und stetiger Verbrennung arbeiten, findet die Senkung der Feuergastemperatur auf die für die Turbinen zulässige Eintrittstemperatur durch Beimischung von Überschuß,luft statt. Durch diese Verdünnung der Verbrennungsgase wird nicht nur das theoretisch ausnutzbare Wärmegefälle wesentlich vermindert, sondern auch die erforderliche Verdichterarbeit erheblich vergrößert. Bezogen auf die Einheit der verarbeiteten Brennistoffmenge muß ein Vielfaches der theoretischen Luftmenge auf den festgelegtenAnfangsdruck verdichtet werden. Neben anderen nachteiligen Einflüssen ergibt sich dadurch auch ein erheblich gesteigerter innerer Arbeitsumsatz, bedingt durch die Aufbringung der hohen Antriebsleistung für den Verdichter. Das hat zur Folge, daS die Turbine in: ihrer Bemessung für ein Mehrfaches. der abgegebenen. Nubzlei-stung ausgelegt werden muß. Nach bekannten Versuchen: an einer ausgeführten Anlage ergibt sich bei der Nennleistung des untersuchten Aggregates; etwa der g,gfache Luftüberschuß. Dabei können als, Nutzarbeit nur rund 33,7'/o der Turbinenleistung abgegeben werden.In the known processes, which are open-loop and steady The combustion works, the lowering of the temperature of the flue gas takes place for the Turbines allowable inlet temperature by admixing excess air instead. This dilution of the combustion gases not only makes the theoretically utilisable Heat gradient is significantly reduced, but also the required compression work considerably enlarged. In relation to the unit of the processed fuel quantity has to be Multiples of the theoretical amount of air at the specified initial pressure be condensed. In addition to other adverse influences, this also results a significantly increased internal workload, due to the application the high drive power for the compressor. This has the consequence that the turbine in: their dimensioning for a multiple. the submitted. Useful performance designed must become. According to known tests: on a completed system results in the nominal power of the examined unit; about the g-fold excess air. Included only around 33.7% of the turbine output can be given off as useful work.

Bei solchen mit offenem Kreislauf arbeitenden Verfahren besteht des weiteren bekanntlich der Nachteil, daß, feste Brennstoffe nicht verwendbar sind, weil ihre Abgase mit wirtschaftlich tragbaren Mitteln nicht unmittelbar in der Turbine verarbeitet werden können; denn die in diesen Abgasen enthaltenen Aschenteilchen bedingten eine ständige Minderung des Wirkungsgrades dadurch, daß sie auf dem Wege durch die Turbine eine andere Relativgeschwindigkeit annehmen als die Gase und damit auf die Laufschaufeln bremsend wirkten. Der mit der Dauer des Betriebes sehr schnell zunehmende Verschleiß, der Schaufeln durch. die schmirgelnde Wirkung der Aschenteilchen würde zu einer Änderung derSchaufeleimtrittswinkel führen und dadurch eine weitere mit der Betriebsdauer zunehmende Verschsechterung des Wirkungsgrades, bedingen. Die Aschenteilchen lassen sich auch durch die Anwendung besonderer Abscheider nicht gänzlich entfernen.In such open-loop processes, there is further known to have the disadvantage that solid fuels cannot be used, because their exhaust gases are not directly in the turbine by economically viable means can be processed; because the ash particles contained in these exhaust gases caused a constant decrease in efficiency by being on the way assume a different relative speed than the gases due to the turbine and thus had a braking effect on the blades. The very quickly with the duration of the operation increasing wear and tear of the blades. the abrasive effect of the ash particles would lead to a change in the blade penetration angle and thereby another with the operating time increasing deterioration of the degree of efficiency. The ash particles cannot be removed even through the use of special separators remove completely.

Diese Verfahren, bei denen man an die Einhaltung verhültnismäßig niedriger Eintrittstemperaturen gebunden ist, erfordern Turbinen und Verdichter mit sehr hohen thermodynamischen Wirkungsgraden, um überhaupt einen erträglichen Gesamtwirkungsgrad des Verfahrens zu erzielen. Schon eine geringe Minderung des Turbinenwirkungsgrades führt zu dem Grenzfall, bei dem die Turbinenleistung gerade noch auBreicht, um den Arbeitsbedarf des. Verdichters zu decken. Die bisher notwendige Temperaturbegrenzung zwingt also zur Anwendung einer sehr hochwertigen, also auch teueren Turbine, d. h. also einer Turbine mit einer größeren Zahl von Stufen. Die mitgerissenen Aschenteilchen wirken sich aber gerade bei einer solchen Turbine besonders, nachteilig aus. Man könnte nun, rein technisch gesehen, daran denken, dennoch bei den bekannten, mit offenem Kreislauf arbeitenden Verfahren die Abgase vorn festen Brennstoffen zu verwerten, indem man bis zu einem begrenzten Wirkungsgradabfall den Verschleiß der Schaufelar in Kauf nähme, um nach einer verhältnismäßig kurzen: Betriebsdauer dann das Laufzeug zu erneuern; aber gerade bei der erforderlichere teueren hochwertigen Turbine wäre das wirtschaftlich ganz untragbar.These procedures, with which one has to adhere to the compliance, is comparatively lower Inlet temperatures are bound to require turbines and compressors with very high thermodynamic efficiencies in order to achieve a tolerable overall efficiency of the process. Even a slight reduction in turbine efficiency leads to the borderline case in which the turbine power is just enough to achieve the To cover the workload of the compressor. The previously necessary temperature limit thus forces the use of a very high-quality, and therefore also expensive, turbine, i. H. a turbine with a larger number of stages. The ash particles carried away but have a particularly detrimental effect on such a turbine. Man could now, from a purely technical point of view, think of it, nevertheless with the known ones open-cycle processes to recycle the exhaust gases from solid fuels, by reducing the wear and tear of the blades up to a limited drop in efficiency I would accept, after a relatively short: operating period, then the running gear to renew; but it would be precisely with the more expensive, high-quality turbine that is required economically quite unsustainable.

Im Gegensatz dazu wird eis, mit dem Verfahren vorliegender Erfindung wirtschaftlich möglich, auch feste Brennstoffe zur Energieerzeugung in einer einfachen Gasturbine unmittelbar zu verwenden. Gemäß der Erfindung werden in einer Druckkammerfeuerung vorzugsweise feste Brennstoffe verbrannt. Die Erfindung bezieht sich jedoch in gleicher Weise auch auf die Verwendung flüssiger und gasförmiger Brennstoffe. Die obere Temperaturgrenze ist dabei lediglich durch die noch zulässige Beanspruchung der Ofenbaustoffe gegeben. Der günstigste Arbeitsdruck in der Verbrennungskammer ist auch bei diesem Verfahren von den erreichbaren Teilwirkungsgraden der Turbine und des Verdichters abhängig. Aus der Druckkammer, in der die Verbrennung vor sich geht, treten die Verbrennungsgase durch eine Düse aus. Wahlweise kann dabei die Expansion bis auf den Außendruck oder aber einen festgelegten höheren oder niedrigeren Druck erfolgen. Die in der Düse expandierenden Feuergase dienen zunächst als Treibmittel in einem Gasstrahlgebläse. Durch zusätzlich angesaugte Mittel, wie Außenluft oder Abgase, findet eine Vergrößerung des Treibs.trahlvolumens auf ein Vielfaches statt.In contrast, with the method of the present invention economically possible, even solid fuels for power generation in a simple To use gas turbine immediately. According to the invention are in a pressure chamber firing preferably solid fuel burned. However, the invention relates in the same way Way also to the use of liquid and gaseous fuels. The upper temperature limit is only given by the still permissible stress on the furnace building materials. The most favorable working pressure in the combustion chamber is also with this method depends on the achievable partial efficiencies of the turbine and the compressor. The combustion gases emerge from the pressure chamber in which the combustion takes place through a nozzle. Optionally, the expansion up to the external pressure or but a set higher or lower pressure can be applied. The one in the nozzle expanding fire gases are initially used as propellants in a gas jet blower. There is an enlargement through additional sucked-in agents, such as outside air or exhaust gases of the jet volume to a multiple.

In einer nachgeschalteten einfachen Turbine wird der Arbeitswert, den das Gasgemisch hinter dem Gasstrahlgebläse besitzt, einschließlich der Strömungsenergie an den Turbinenläufer übertragen. Je nach der Wahl des Druckgefälles vor und hinter der Turbine wird der Expansionsgrad des ersten Leitschaufelgibters ausgelegt. Findet. dabei die Expansion der Verbrennungsgase aus der Druckkammerfeuerung angenähert auf den. Druck statt, der hinter der Turbine vorherrscht, so erfährt das Arbeitsmittel in dem ersten Leitschaufelgitter vor der Turbine lediglich eine Lenkung ohne Expansion.In a downstream simple turbine, the labor value, that the gas mixture has behind the gas jet fan, including the flow energy transferred to the turbine runner. Depending on the choice of pressure gradient in front of and behind The degree of expansion of the first guide vane feeder is designed for the turbine. Finds. the expansion of the combustion gases from the pressure chamber combustion approximated on the. Instead of pressure that prevails behind the turbine, this is how the working fluid experiences in the first guide vane grid in front of the turbine only a steering without expansion.

Besondere Sorgfalt bedarf bei dem Verfahren vorliegender Erfindung die Ausbildung des Strahlgebläses, weil dessen Wirkungsgrad wesentlich mitbestimmend für den Gesamtwirkungsgrad ist. Zweckmäßigerweise findet dabei ein vielstufiges Strahlgebläse Anwendung.The method of the present invention requires special care the design of the jet fan, because its efficiency has a major influence for the overall efficiency. Appropriately, there is a multi-stage Jet blower application.

Bei demVerfahren vorliegenderErfindung genügt schon die Verwendung einer einfachen Turbine mit einer geringen Anzahl von Geschwindigkeitsstufen, da bei der gleichen Kompressionsarbeit. wie bei den bekannten Verfahren hier eine wesentlich größeres Expansionsgefälle zur Verfügung steht. Entsprechend der geringeren Stufenzahl ist hier die bremsende Wirkung der Aschenteilchen wesentlich geringer als bei einer vielstufigen Turbine. Ein. Verschleiß,, mit dem trotz Einschaltung. einer guten Vorentstaubung und trotz Anwendug von Baustoffen mit großer Oberflächenhärte gerechnet werden muß, wird bewußt in, Kauf genommen. Durch die Wahl eines sehr einfachen: und daher auch billigen Rades stellt der Ersatz des Laufzeuges nach einer bestimmten Betriebszeit keine wirtschaftlich untragbare Belastung des Verfahrens dar. Von vornherein wird bei der Konstruktion auf eine leicht durchzuführende Auswechslung des Läufers Rücksicht genommen. Das ist bei dem Verfahren vorliegender Erfindung mit besonders, einfachen Mitteln möglich, wenn die Auslegung so erfolgt, daß an keiner Stelle der Turbine ein von dem Außendruck abweichender Druck auftritt, weil sich dadurch ein leichtes Gehäuse ergibt. Da bei dem sehr viel höheren theoretischen Wirkungsgrad des Erfindungsverfahrens eine Verschlechterung des. Teilwirkungsgrades der Turbine von geringerem Einfluß auf den Gesamtwirkungsgrad is.t als bei den bekannten Verfahren mit niedrigeren Temperaturen., ergibt sich des weiteren die Möglichkeit, mit dem hierbei zur Anwend .ung gelangenden einfachen: Turbinenläufer wesentlich längere Betriebszeiten, bis zur erforderlichen Auswechslung zu erreichen.In the process of the present invention, the use is sufficient a simple turbine with a small number of speed levels, there with the same compression work. as in the case of the known methods, one essential here larger expansion gradient is available. According to the lower number of stages the braking effect of the ash particles is much less here than with one multi-stage turbine. A. Wear, with that despite being switched on. a good one Pre-dedusting and, despite the use of building materials, expected great surface hardness must be consciously accepted. By choosing a very simple: and therefore also cheap wheel provides the replacement of the running gear after a certain Operating time does not represent an economically unacceptable burden on the process. Right from the start During the construction, the rotor can be easily replaced Considered. In the process of the present invention, this is particularly important simple means possible, if the interpretation is done in such a way that at no point the Turbine a pressure that differs from the external pressure occurs because it causes a light housing results. As with the much higher one theoretical Efficiency of the inventive method a deterioration in the partial efficiency the turbine has less influence on the overall efficiency than the known ones Process with lower temperatures., There is also the possibility of with the simple one used here: turbine rotor essential longer operating times to be achieved until the required replacement.

In der Abb. z ist das Verfahren, in seiner einfachsten Anwendungsform veranschaulicht. In, der Druckfeuerung a wird die Verbrennung durch Regelung des Luftüberschusses. oder Zufühzung von zerstäubtem Wasser so geleitet, daß die Beanspruchung der Ofenbaustoffe unterhalb der zulässigen Grenztemperatur bleibt. In der gekühlten Düse bzw. Düsengruppe expandiert das, Verbrennungsgas auf den Außendruck und dient in einem nachgeschalteten Strahlgebläse c als Treibmittel. Dabei wird ein Teil der durch die Expansion frei gewordenen kinetischen Energie an die im; dem Strahlgebläse c angesaugte Außenluft übergeführt. Die Masse des strömenden Arbeitsmittels wird hierbei auf ein Vielfaches vergrößert. An das Strahlgebläse kann eine Verdichtungsdüse d angeschlossen werden, in der eine teilweise Rückwandlung der kinetischen Energie in Druck erfolgt in Fällen, in denen das im Hinblick auf die Auslegung der Turbine zweckmäßig erscheint. In der Turbine e gibt das Arbeitsmittel seine aus:nutzbare Energie als Arbeit an das Laufrad ab. Mit der Turbine e ist ein Verdichter f und ein Stromerzeuger g oder eine andere Arbeits, maschine gekuppelt. Der Verdichter f hat bei diesem Verfahren lediglich die zur Verbrennung mit geringem Luftüberschuß erforderliche Außenluft auf den Druck der Brennkammer zu verdichten.In Fig. Z the procedure is illustrated in its simplest form of application. In, the pressurized combustion a, the combustion is controlled by the excess air. or the addition of atomized water in such a way that the stress on the furnace building materials remains below the permissible limit temperature. In the cooled nozzle or nozzle group, the combustion gas expands to the external pressure and serves as a propellant in a downstream jet fan c. A part of the kinetic energy released by the expansion is transferred to the im; the outside air drawn in by the jet fan c transferred. The mass of the flowing working medium is increased many times over. A compression nozzle d can be connected to the jet fan, in which a partial conversion of the kinetic energy back into pressure takes place in cases in which this appears expedient with regard to the design of the turbine. In the turbine e, the working medium outputs its usable energy as work to the impeller. A compressor f and a power generator g or another working machine are coupled to the turbine e. In this method, the compressor f only has to compress the outside air required for combustion with a slight excess of air to the pressure of the combustion chamber.

In der Abb. 2 ist eine sinngemäße Abwandlung des Verfahrens unter Vorwärmung der Verbrennungsluft dargestellt, durch die der thermische Wirkungsgrad unter Inkaufnahme zusätzlicher Einrichtungen noch erhöht werden kann. Die Buchstaben a biss g bezeichnen die gleichen Teile wie in Abb. r. Die Abgase der Turbine e werden dabei über einen Vorwärmer i geleitet, indem sie einen Teil der Restwärme an die Verbrennungsluft abgeben. Hinter dem Vorwärmer können die abgekühlten Abgase entweder ins Freie austreten oder zum Strahlgebläse c zurückgeführt werden; in letzterem Fall muß das Strahlgebläse in einer geschlossenen Kammer h arbeiten. Dabei empfiehlt es sich, vor dem Vorwärmer noch. einen Aschenabscheider k in den Abgasstrom zu schalten, um eine Aschenanreicherung in dem umlaufenden Gas zu vermeiden.In Fig. 2, a corresponding modification of the process is under Preheating of the combustion air is shown, through which the thermal efficiency can be increased by accepting additional facilities. The letters a to g designate the same parts as in Fig. r. The exhaust gases from the turbine are e thereby passed through a preheater i by transferring part of the residual heat to the Release combustion air. The cooled exhaust gases can either be downstream of the preheater exit into the open air or be returned to the jet fan c; in the latter In this case, the jet fan must work in a closed chamber h. Here recommends before the preheater. to switch an ash separator k into the exhaust gas flow, in order to avoid an accumulation of ash in the circulating gas.

Abb. 3 zeigt ein weiteres Anwendungsbeispiel des Verfahrens unter noch weiter gesteigertem Aufwand an Einrichtungsteilen; mit dem Ziel, noch höhere Wirkungsgrade zu erreichen. Die Buchstaben a bis k bezeichnen die gleichen Teile wie in Abb. 2. Das: wie in Abb. 2 im Kreislauf zwischen der Turbine e und dem Strahlgebläse c geführte Abgas arbeitet bei diesem Verfahren in einem Druckgebiet, dessen Druckpegel wesentlich von dem: Außendruck abweicht und dessen Höhe mit der Belastung unterschiedlich eingeregelt wird. Das aus dem Krei.sprozeß austretende Arbeitsmittel, das. mengenmäßig der in die Brennkammer zugeführten Luftmenge entspricht, leistet vor dem Austritt in die Außenatmosphäre in einer nachgeschalteten Turbine Z Arbeit. Hinter die Turbine e ist wie beim Abbildungsbeispiel 2 wiederum ein Aschenabscheider k eingeschaltet, der neben der Aufgabe, die nm Kreislauf geführte Abgasmenge von Aschenteilchen zu befreien., auch den Zweck hat, die Gase vor Eintritt in: die Turbine 1. weitestgehend zu reinigen. Die Nachschaltturbine Z treibt den Kompressor f und einen Generator in oder eine Arbeitsmaschine an. Durch Fremdspeisung kann der Generator in zum Anfahren des Systems Anwendung finden. Das im Kreislauf geführte Turbinenabgas gibt einen Teilbetrag seiner Wärme wie im Abbild'unggssbeis:piel2 in dem Wärmeaustauscheri an die der Brennkammer zugeführte Verbrennungsluft ab-. Dadurch, daß das wärmeabgebende Mittel im Abgaskreislaufsystem unter einem höheren Druck steht, ergeben sich in dem Wärmeaustauscher i günstigere Wärmeübertragungsverhältnisse, so daß es möglich ist, mit kleineren Wärmeaustauschern gegenüber dem Anwendungsbeispiel gemäß Abb. 2 auszukommen. Die Leistungsverteilung auf die Turbinen e und l kann durch Regelung des Druckpegels- im Abga-skreislaufsys:tem zwischen Turbine e und Strahlgebläse c eingestellt werden. Blei Auslegung der Maschine m als Gleichstromerzeuger ist es möglich, die Drehzahl der Turbine l so zu variieren, daß der von ihr an, getriebene umlaufende Verdichter jeweils die den Belastungsverhältnissen entsprechende Verbren, nungsluftmenge liefert. Eine weitere Abwandlung des Anwendungsbeispiels 3 besteht darin,, daß Verdichter und Gleichstromgenerator durch die Turbine e angetrieben werden und mit veränderlicher Drehzahl arbeiten, während die Turbine Z als Antriebsmaschiine für einen Drehstromgenerator mit konstanter Umdrehungszahl betrieben, wird.Fig. 3 shows a further application example of the method with an even higher level of equipment parts; with the aim of achieving even higher levels of efficiency. The letters a to k designate the same parts as in Fig. 2. That: As in Fig. 2 in the circuit between the turbine e and the jet fan c exhaust gas works in this process in a pressure area, the pressure level of which differs significantly from the external pressure and the amount of which is regulated differently with the load. The working medium emerging from the cycle, which corresponds in terms of quantity to the amount of air supplied into the combustion chamber, performs work in a downstream turbine Z before it is released into the outside atmosphere. Behind the turbine e, as in example 2, an ash separator k is switched on, which, in addition to the task of removing ash particles from the exhaust gas flow in the cycle, also has the purpose of cleaning the gases as far as possible before entering: the turbine 1. The downstream turbine Z drives the compressor f and a generator in or in a work machine. The generator can be used to start up the system through an external supply. The turbine exhaust gas, which is circulated, gives off part of its heat, as in the illustration example: piel2, in the heat exchanger to the combustion air supplied to the combustion chamber. The fact that the heat emitting agent is under a higher pressure in the exhaust gas circulation system results in more favorable heat transfer conditions in the heat exchanger i, so that it is possible to make do with smaller heat exchangers compared to the application example according to Fig. 2. The power distribution to the turbines e and l can be adjusted by regulating the pressure level in the exhaust gas circulation system between turbine e and jet fan c. Due to the design of the machine m as a direct current generator, it is possible to vary the speed of the turbine l so that the rotating compressor driven by it delivers the amount of combustion air that corresponds to the load conditions. Another modification of application example 3 consists in that the compressor and direct current generator are driven by the turbine e and work at a variable speed, while the turbine Z is operated as a drive machine for a three-phase generator at a constant speed.

Claims

PATENT CLAIMS: r. Process for converting heat into work under Application of a working medium as, heat transfer medium and a turbine as. Thermal engine, characterized in that a subset of the working medium by working and Heat supply is first brought to pressures and temperatures that are substantially above the intended state of entry of the working medium on the turbine, and that then using this additionally created work capacity the the remaining part of the working material is conveyed, both parts are mixed and, this mixture is used to act on the turbine.

2. Procedure according to Claim r, characterized in that a '.gas jet fan for the energy exchange is used between the two partial quantities of the work equipment.

3. Procedure according to claim r, characterized in that the kinetic energy of the stupid Working equipment behind the jet compressor using a specially designed for it designed turbine is made available for work on the shaft. q ..

Procedure; according to claim i, characterized in that when using solid fuels, materials a pre-dedusting of the working fluid in the pressure furnace takes place immediately.

5. The method according to claim i and q., Characterized in that between the turbine and preheater on. Subsequent deduster switched into the flow of the working fluid will.

6. The method according to claim i, characterized in that a subset the working fluid is circulated between the turbine and the jet fan, while the remaining amount does work in a downstream turbine.

7. Procedure according to claim (6, characterized in that for the purpose of power regulation the Pressure level in the circulatory system between the turbine and jet fan is changed. B. The method according to claim 6, characterized in that: the downstream turbine a compressor for the combustion air and a DC machine as a generator drives, whereby it is possible to change the speed of the so that that of her driven compressor the amount corresponding to the load conditions Combustion air supplies. G. Method according to claim 8 with the modification that the compressor for the combustion air and the direct current generator through the main turbine are driven and work with variable speed, while the downstream turbine as a drive machine for a three-phase generator with constant speed is operated.