-
Verfahren zum Betrieb einer Heißluftturbinenanlage mit Abwärmeverwertung
Bei einer nach dem höchsten Wärmebedarf ausgelegten, mit geschlossenem Kreislauf
arbeitenden Heißluftturbinenanlage mit Abwärmeverwertung kann die Nutzwärmeabgabe
einmal dadurch geregelt werden, daß bei Wärmeteillasten ein der kleineren Wärmelast
entsprechender niedrigerer Druckpegel gefahren wird. Entsprechend dem niedrigeren
Druckpegel geht der Luftdurchsatz und also auch die effektive mechanische Leistung,
die von der Anlage abgegeben wird, zurück. Dieses Regelverfahren kann sich nur dann
günstig auswirken, wenn die Anlage für einen konstanten Wärmebedarf gefahren wird,
d. h. für eine Nutzwärmecharakteristik mit flachem Verlauf.
-
Die Nutzwärmeabgabe kann andererseits bei der vorgenannten Anlage
dadurch geregelt werden, daß die Frischwasserkühler eine Größe besitzen, die es
gestattet, alle nicht nutzbar verwertete Abwärme abführen zu können. Dadurch besteht
die Möglichkeit, die Anlage auch bei Teillasten auszufahren. Aus Gründen der guten
Ausnutzung einer Heißluftturbinenanlage mit Abwärmeverwertung ist es jedoch zweckmäßig,
den Auslegepunkt auf eine der Belastungscharakteristik entsprechende mittlere Wärmelast
zu legen und den über dieser Wärmelast liegenden Bedarf durch geeignete technische
Maßnahmen zu decken.
-
Die höchste Wärmelast könnte nun hierbei z. B. durch Speicher, durch
elektrische Zusatzbeheizung, durch teilweise bzw. gänzliche Verwendung der Wärme,
die bei Normalbetrieb regenerativ im Luftkreislauf ausgetauscht wird (im Diagramm
JK nach DE), gedeckt werden. Diese Möglichkeiten ergeben aber eine umfangreiche
komplizierte Anlage und können außerdem mit den Nachteilen verbunden sein, daß ein
starker Rückgang der verfügbaren mechanischen Leistung eintritt, wenn diese über
einen Generator für die zusätzliche elektrische Beheizung verwendet wird, oder daß
Beipässe für die eine Gasseite im Regenerativaustauscher erforderlich
-sind,
die eine komplizierte Ausführung und evtl. eine ' Erhöhung .des Druckverlustes auch
für die Bestlast bedeuten können. Gleichzeitig können hierbei auch für den Gaserhitzer
nachteilige Belastungsverschiebungen auftreten, insbesondere wenn dieser von einer
Wärmequelle eine zwei- oder mehrmalige Erhitzung des Arbeitsmittels durchführen
soll.
-
Demgegenüber soll erfindungsgemäß ein Verfahren treten, welches gestattet,
die Anlage mit einem höheren Temperaturniveau im unteren Teil des Kreislaufes zu
fahren durch verringerte oder gänzlich abgeschaltete Frischwasserkühlung. Die verringerte
Kühlung der Luft kann durch Kühlwasserdrosselung erreicht werden. Die Wärmeabgabe
für Nutzzwecke kann hierdurch in gewissen Grenzen bei praktisch konstanter oder,
wenn notwendig, veränderlicher Lufterhitzerbelastung geregelt werden.
-
An Hand des Diagramms soll das Verfahren näher erläutert werden. Darin
bedeutet: Punkt A Ansaugen der Luft bzw. des Arbeitsmittels, Strecke AB Verdichtung
(Niederdruck), BC' Abkühlen der Luft mit Wärmeausnutzung, z. B. für Heizzwecke,
CC Abkühlen der Luft durch Frischwasser, CD nochmalige Verdichtung
der Luft (Hochdruck), DE Wärmezufuhr im Regenerativaustausch (IK nach
DE), EF Wärmezufuhr im Lufterhitzer, FG Expansion (Hochdruck),
GH nochmalige Erhitzung der Luft (Zwischenerhitzung, Niederdruck),
HI Expansion (Niederdruck), IK Wärmeabgabe im Regenerativverfahren (IK nach
DE), KA' Rückkühlung der Luft mit Wärmeabgabe für Nutzzwecke, A'A weitere
Rückkühlung der Luft durch Frischwasser.
-
Das Diagramm A' B' C' D' E F G H I K' A' zeigt den Betrieb
ohne Frischwasserkühlung. Das Diagramm A" B" C" D" E F G H I K" A" zeigt
den Betrieb mit gedrosselter Frischwasserkühlung.
-
Bei dieser Betriebsart mit einer Erhöhung des unteren Kreislauftemperaturniveaus
wird die ausnutzbare Abwärmemenge vergrößert, und zwar zum Teil auf Kosten der mechanischen-Leistung,
da jetzt die Differenzen der. Wärmegefälle der Turbinen und Verdichter kleiner werden.
Die Erhöhung der Nutzwärmeabgabe ist jedoch größer, als es dem Äquivalent der Verminderung
der mechanischen Leistung entspricht, und zwar dadurch bedingt, daß entsprechend
dem höheren Temperaturniveau der Anlagenabwärme, z. B. bei konstanten Vor- und Rücklauftemperaturen
des Nutzwärmeträgers, ein größererTeil derAnlagenabwärme, imGrenzfall die gesamteAbwärme,
nutzbar verwendet werden kann. Die konstanten Vor- und Rücklauftemperaturen des
Nutzwärmeträgers wurden nur der Einfachheit halber vorausgesetzt. Die Möglichkeit
einer höheren Nutzwärmeabgabe besteht hier jedoch auch bei geänderten Vor- und Rücklauftemper
aturen des Nutzwärmeträgers. Diese Feststellung scheint zunächst den Hauptsätzen
der Thermodynamik zu widersprechen. Dem ist jedoch nicht so; denn gerade diesen
Hauptsätzen entsprechend mulß bei gleicher, im Lufterhitzer zugeführter Wärmemenge
(in beiden Fällen entsprechend der Fläche unter EF und GH) die Summe aus
abgegebener Leistung (unter Einschluß der Verluste) und der insgesamt abgeführten
Wärmemenge in beiden Fällen gleich sein. Das bedeutet wiederum, daß die Summe aus
abgegebener Leistung und nutzbar verwendeter Ab-
wärme bei der Betriebsart
mit einer Erhöhung des unteren Kreislauftemperaturniveaus gegenüber dem Normallastbetrieb
um die Flächen unter CC' und AA' größer sein muß als bei dem Normalbetrieb. (Hierbei
ist zunächst vorausgesetzt, daß das untere Kreislauftemperaturniveau so weit erhöht
wird, daß die gesamte Anlagenabwärme ausgenutzt werden kann.) Diese Betriebsart
zur Deckung eines höheren als der Normallast der Anlage entsprechenden Wärmebedarfs
weist also folgende Vorteile auf: r. Gute Ausnutzung des investierten Kapitals,
2. gleiche Gaserhitzerbelastung im ganzen Bereich zwischen Wärmenormallast und Wärmespitzenlast,
3. relativ geringe Einbuße an mechanischer Nutzleistung bei Deckung erhöhten Wärmebedarfs,
.4. verhältnismäßig einfache Anlage ohne umfangreiche Zusatzeinrichtungen für Wärmespitzendeckung,
wie z. B. Speicher usw., 5. einfache Regelung der Wärmeabgabe im Bereich zwischen
Normallast und höchster Heizwärmelast.
-
Der Betrieb der genannten Gasturbinenanlage bei erhöhtem Wärmebedarf
nach dem aufgezeichneten Diagramm, also bei Wahrung des gleichen oberen Kreislaufdruckniveaus
wie bei Normallast, wäre zunächst nur bei veränderlicher Drehzahl der Verdichter
oder Zuschaltung eines Zusatzverdichters möglich. DieAnlage kann jedochauch bei
konstanter Drehzahl ausgefahren werden; sodann ändert sich das Druckverhältnis der
Anlage, das ordnungsgemäße Arbeiten der Verdichter wird durch die Änderung der Temperatur
in den Saugstutzen in relativ weiten Grenzen nicht gefährdet, und die genannten
Vorteile bleiben sinngemäß gewahrt.
-
Die Anlage kann auch mit ein- oder mehrstufiger Verdichtung mit Zwischenkühlung
und auch mit mehrstufiger Entspannung mit oder ohne Zwischenerhitzung arbeiten.
-
Die erklärten und beschriebenen Verfahren können naturgemäß mit gleichem
Nutzen auch bei Gasturbinenanlagen Anwendung finden.