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Gas-Dampfkraftanlage Wo flüssige oder gasförmige Brennstoffe zur industriellen
Dampferzeugung eingesetzt werden sollen, besteht die Aufgabe, zu prüfen, ob der
Brennstoff unmittelbar und ohne besondere Maßnahmen in der Kesselfeuerung auszunutzen
ist oder die Kombination einer Verbrennungsturbine mit der Kesselfeuerung größere
Wirtschaftlichkeit erbringt.
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Es sind Vorschläge gemacht worden, die Abgase von Verbrennungsturbinen
in Kesselfeuerungen einzuleiten, um dort ihre fühlbare Wärme und den in ihnen enthaltenen
großen Luftüberschuß zur Verbrennung mit beliebigen Brennstoffen zu verwenden. Der
Gesamtwirkungsgrad der Umwandlung der Brennstoffenergie für Kraft- und Wärmezwecke
kann bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad der Verbrennungsturbine und des Kessels
durch eine solche Kombination über denjenigen hinaus gesteigert werden, der bei
unmittelbarer Verwendung des flüssigen oder gasförmigen Brennstoffes in der Kesselfeuerung
allein möglich wäre.
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Besondere Anforderungen an die Regelfähigkeit der Kombination der
Verbrennungsturbine mit dem Kessel werden dann auftreten, wenn z. B. in einem Industrieheizkraftwerk
an die Anlage die Forderung gestellt wird, einerseits einem stark schwankenden Brennstoffangebot
und andererseits stark schwankendem Leistungsbedarf zu folgen, wobei diese Schwankungen
zeitlich nicht immer zusammenfallen.
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Da im allgemeinen Verbrennungsturbinen zur Einhaltung einer werkstoffmäßig
bedingten Höchsttemperatur beim Eintritt in die Turbine mit verhältnismäßig hohen
Luftüberschüssen in der Turbinenbrennkammer gefahren werden müssen, ist bei Vorschaltung
einer solchen Turbine vor den Kessel die Bemessung der Kesselfeuerung an die im
Turbinenabgas
enthaltene große Luftüberschußmenge gebunden. Hierdurch
ist die Regelfähigkeit der Kesselfeuerung und damit der Kesselleistung begrenzt.
Man muß nämlich für die Unterbringung der im Turbinenabgas enthaltenen Luftmenge
eine verhältnismäßig große Mindestbrennstoffmenge in die Kesselfeuerung einsetzen;
eine Regulierung der Feuerung unter diesen Wert würde mit Luftüberschuß im Abgas
am Kesselaustritt, also mit Wirkungsgradverlust, verbunden sein. Wegen des schnell
abfallenden Wirkungsgrades der Verbrennungsturbine bei Teillast ist es nicht vorteilhaft,
bei Regelung der Gesamtanlage die Verbrennungsturbine in weiten Grenzen zu regeln.
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Will man unter diesen Voraussetzungen die Turbinenabgase in der Kesselfeuerung
voll ausnutzen, so ist entweder die Verbrennungsturbine im Verhältnis zur Kesselleistung
so klein zu wählen, daß die in ihren Abgasen enthaltene Luftüberschußmenge der Mindestleistung
der Kesselfeuerung entspricht. Je kleiner aber der Anteil der Turbinenleistung an
der Gesamtleistung der Anlage ist, um so mehr verzichtet man dann anteilig auf den
Erfolg der Kombination der Verbrennungsturbine mit der Kesselanlage. Oder man zweigt
einen Teilstrom der Turbinenabgase vor ihrem Eintritt in die Kesselfeuerung ab,
um ihn zur Beheizung von Wärmetauschern für Heiz; oder beliebige andere Zwecke zu
verwerten. Das setzt aber das dauernde Vorhandensein solcher Verwertungsmöglichkeiten
für den Teilabgasstrom voraus und bedeutet eine KompEzierung bzw. eine Minderung
der Einheitlichkeit der Anlage.
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Erfindungsgemäß ist eine Verbrennungsturbine mit dem aufgegliederten
Zwangumlauf- oder -durchlaufkessel zusammengefaßt. Bekanntlich gestatten Kessel
dieser Bauarten, besonders Zwangumlaufkessel, die Abzweigung von Teilheizflächen,
sogenannter Kühlkörper, die vom Hauptkessel örtlich getrennt angeordnet werden können
und von einem Teilstrom des um- oder durchlaufenden Kesselwassers, Dampf-Wasser-Gemisches
oder Dampfes beaufschlagt werden.
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Erfindungsgemäß werden die Verbrennungsgase in der Turbinenbrennkammer
durch eine Teilheizfläche (Kühlkörper) mindestens eines Zwangumlauf-oder -durchlaufkessels
gekühlt. Das Brennstoff-Luft-Verhältnis soll so gewählt werden, daß die Temperatur
der Brenngase ohne Anwendung der Kühlung oberhalb der höchstzulässigen Turbineneintrittstemperatur
liegen würde. Nach der Kühlung auf die für die Turbine gewünschte Eintrittstemperatur
werden die Verbrennungsgase zur Leistungsabgabe in die Turbine und hiernach in die
Feuerung des Zwangumlauf- bzw. -durchlaufkessels (oder in mehrere dieser Kessel)
eingeführt. Dort tragen sie unter Abgabe ihrer fühlbaren Wärme und Verbrauch des
in ihnen enthaltenen Luftüberschusses zur Verbrennung beliebiger Brennstoffe bei,
je nach Erfordernis auch unter direkter Zuführung weiterer Verbrennungsluft in die
Feuerung.
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Man erhält eine in weiteren Grenzen wirtschaftlich regelbare Anlage
bei freierer Wahl des Verbrennungsturbinenanteils an der Gesamtleistung unter Vermeidung
bisheriger Nachteile. Bemißt man beispielsweise dabei gleichzeitig die in die Turbinenbrennkammer
einzusetzende Brennstoffmenge und die-Verbrennungsluft so, daß die von der Verbrennungsturbine
gewünschte Leistung und im Abgas die für die Mindestleistung der Kesselfeuerung
benötigte Mindestsauerstoffmenge erhalten werden, so folgt daraus die Möglichkeit,
unabhängig von der Turbinenleistung die Kesselfeuerung auf jede gewünschte Leistung
bis zur vorgesehenen Mindestleistung zu regeln, ohne dabei Luftüberschuß und damit
Abgasverlust am Kesselaustritt zu erhalten.
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Über die oben aufgeführten Überlegungen hinaus vereinigt die neuartige
Kombination eine Reihe weiterer wirtschaftlicher, regeltechnischer und konstruktiver,
aus nachstehendem ersichtlicher Möglichkeiten gegenüber bekannten Ausführungen.
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In den Fig. i bis ¢ sind als Beispiele die Schaltbilder eines Heizkraftwerkes
für ein Hochofenwerk mit Kokerei dargestellt, welche die besondere Bedeutung der
Erfindung für ein Industriekraftwerk deutlich machen: In die erste Brennkammer i
der zweistufigen Verbrennungsturbine 2, q. wird das als Abfallbrennstoff gewonnene
Gicht- und Koksofengas oder ein Gemisch von beiden eingeführt und mit einem nach
den Bedürfnissen der Kesselfeuerung bestimmten Luftüberschuß verbrannt; die Verbrennungsgase
werden durch den vomVerdampfer eines Zwangumlaufkessels im Nebenschluß abgezweigten
Kühlkörper 8 gekühlt, nach Leistungsabgabe im Hochdruckteil 2 der Turbine in der
Brennkammer 3 nochmals aufgeheizt und nach Leistungsabgabe im Niederdruckteil q.
der Turbine in die Feuerung 9 des Zwangumlaufkessels eingeführt, wo gleichzeitig
Gas 1o und/oder Kohlenstaub 1i je nach Bedürfnis auch mit Frischluftanteilen eingeführt
werden.
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stellt ein zweistufiges Luftgebläse dar, das aus seiner ersten Stufe
über Luftvorwärmer 27 die Kesselfeuerung 9 und aus seiner zweiten Stufe über
Luftvorwärmer 25 die Turbinenbrennkammer i mit den jeweils benötigten Frischluftmengen
versorgt. Das zweistufige Gasgebläse 6 versorgt aus seiner ersten Stufe die zweite
Turbinenbrennkammer 3 und aus seiner zweiten Stufe über Gasvorwärmer 26 die erste
Turbinenbrennkammer i mit den dort benötigten Gasmengen. Der Generator 7 zur Stromerzeugung
nimmt die über den Leistungsbedarf von 5 und 6 überschüssige Leistung der Verbrennungsturbine
auf. Die übrigen Teile des Kessels mit Verdampfer 12 und 13, von dem der obengenannte
Teilverdampfer 8 abgezweigt ist, mit Umwälzpumpe 14., Abscheidetrommel 15, Überhitzer
16 und Speisewasservorwärmer 17 stellen normale Zwangumlaufbauart dar. Der restliche
Teil der Anlage ist allgemein üblicher Art. Er zeigt die vom Heißdampf aus dem Zwangumlaufkessel
angetriebene Dampfentnahmeturbine 18 als Antrieb eines Generators 19 zur Stromerzeugung
mit einer gesteuerten und einer ungesteuerten Dampfentnahme für die Kokerei 2o bzw.
21 und den dazu parallel
geschalteten Reduzierstationen 28 und 29
und die Speisewasseraufwärmung 22 des von Pumpe 23 geförderten Kondensators aus
Kondensator 2.4. Je höher die. Temperatur des durch Dampf vorgewärmten Speisewassers
vor Eintritt in den Speisewasservorwärmer 17 getrieben wird, um so wertvoller sind
für die Wirtschaftlichkeit des Kessels die in Fig. r als dem Speisewasservorwärmer
17 nachgeschaltete Heizflächen innerhalb des Kessels angeordneten Vorwärmer 25 und
26 für die zum Betrieb der Verbrennungsturbine erforderlichen Luft- und Gasmengen.
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Aus den Fig. 2 bis q. ist ersichtlich, daß mit den gezeigten Beispielen
die Schaltmöglichkeiten nicht erschöpft sind. So stellen Fig. 2 und 3 lediglich
andere, an sich bekannte Schaltungen des Luftvorwärmers 25 und/oder Gasvorwärmer
26 im Abgasstrom zwischen Verbrennungsturbine und Kesselfeuerung dar. Fig. q. zeigt
eine weitere Abwandlung des Zwangumlaufkessels, von dem ein zweiter Kühlkörper 3o
abgezweigt ist und möglichst nahe hinter der Verbrennungsturbine q. im Abgasstrom
liegt. Die Schaltungen nach Fig. 2 bis q. setzen die Strahlungs- und Leitungsverluste
in der Abgasleitung zwischen Verbrennungsturbine und Kesselfeuerung herab und haben
Bedeutung, wenn die räumliche Entfernung zwischen Verbrennungsturbine und Kesselfeuerung
größer ist, als bei Fig. z vorausgesetzt wurde.
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Das Verfahren und die beispielsweise in Fig. 2 bis q. dargestellten
Schaltungen sind auch dann anwendbar, wenn ausschließlich oder zum überwiegenden
Teil flüssiger oder gasförmiger Brennstoff zur Verfügung steht, die Anlage ausschlaggebend
als Verbrennungsturbinenkraftwerk zu betrachten ist und demnach dem Kessel nur die
Bedeutung einer Abhitzeanlage zufällt. So kann beispielsweise bei mehrstufiger Verbrennungsturbine
der größere Teil des in die erste Verbrennungskammer eingesetzten Luftüberschusses
bei der mehrstufigen Zwischenaufheizung in den Turbinenbrennkammern und schließlich
der in denTurbinenabgasen verbleibende Rest des Luftüberschusses bei der Aufheizung
der Abgase nach deren Eintritt in den Abhitzekessel verbraucht werden. Als besonderer
Vorteil einer solchen Betriebsweise für den Abhitzekessel ist hervorzuheben, daß
durch die Aufheizung der Abgase im Abhitzekessel ein für die Überhitzung auch von
Hochdruckdampf ausreichendes Temperaturgefälle geschaffen und am Kesselaustritt
eine normale Abgaseanalyse, d. h. normaler Abgasverlust, erreicht wird.
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Abweichend von den dargestellten Beispielen können Kühlkörper nicht
nur in einer, sondern auch in mehreren Turbinenbrennkamrriern einer Verbrennungsturbine
angeordnet werden. Zudem sind die Kühlkörper nicht nur als Verdampferteile, sondern
auch als vom Kühlmittel im Zwangumlauf oder -durchlauf durchströmte Überhitzer oder
Vorwärmer ausführbar.
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WirtschaftlicheVorteile für den Energiehaushalt eines Indwstriewerkes
gehen aus folgendem Beispiel hervor: Die Leistung der Verbrennungsturbine kann entsprechend
der mindestens zur Verfügung stehenden Abfallgasmenge bemessen und die Kesselfeuerung
so eingerichtet werden, daß sie bei stark schwankendem Gasanfall in bekannter Weise
überschüssiges Abfallgas und als Ausgleich festen Brennstoff, z. B. Kohlenstaub,
aufnehmen kann. Tritt allgemeiner Brennstoffmangel und damit Minderbeschäftigung
des Werkes ein, so ist von besonderer Bedeutung, daß die Erfindung es ermöglicht,
die Kesselleistung und damit den Bedarf an Gas bzw. Kohlenstaub als Ersatz für fehlendes
Gas in wirtschaftlichen Grenzen weitgehend herabzusetzen. Die wirtschaftliche Kesselmindestleistung
ist bestimmt durch die Verdampfungsleistung des in der Turbinenbrennkammer angeordneten
Kühlkörpers und der aus dem erfindungsgemäß eingeschränkten Luftüberschuß im Turbinenabgas
folgenden Mindestleistung der Kesselfeuerung. Wird mit dieser Kesselmindestleistung
der Mindestdampfbedarf abgedeckt, so geht daraus die vielfache Regelfähigkeit und
Krisenfestigkeit der vorgeschlagenen Kombination deutlich hervor.
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Aus den durch die Erfindung sich ergebenden Regelmöglichkeiten ist
neben den bekannten aus dem dem Zwangumlauf- oder -durchlaufverfahren Folgenden
eine weitere hervorzuheben: Zum Beispiel kann bei durch wechselnden Heizwert des
in die Brennkammer eingesetzten Brennstoffes infolge wechselnder Gaszusammensetzung
oder ähnlich verursachter Schwankungen der in der Brennkammer sich einstellenden
Verbrennungstemperatur stets die gewünschte Höchsttemperatur der Verbrennungsgase
am Turbineneintritt konstant eingeregelt werden, und zwar durch einfache Regelung
des durch den in der Brennkammer angeordneten Kühlkörper gehenden Kühlmittels bezüglich
seiner Menge und/oder Temperatur. Zum Beispiel läßt sich etwa ein Thermostat am
Turbineneintritt als Impulsgeber für eine im Kühlmittelstrom angeordnete Drosselregulierung
anordnen.
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Das in dem Schaltplan dargestellte, aus Brennkammer mit Kesselheizfläche
und Verbrennungsturbine mit Gas- und Luftgebläse für sich allein betrachtete Aggregat
kann als eine Abwandlung einer bekannten Anlage betrachtet werden, bei der der Brennstoff
mit dem für die Wirtschaftlichkeit einer Kesselfeuerung kleinstmöglichen Luftüberschuß
verbrannt wird, woraus je Brennstoffeinheit das kleinstmögliche Durchsatzgewicht
für Feuerung und Abgasturbine folgt. Dementsprechend reicht die Leistung der Abgasturbine
nur zum Antrieb der Fördergebläse für die Druckfeuerung, nicht aber zur Abgabe von
Überschußleistung aus. Stellt man diesem untersten Grenzfall die Verbrennungsturbine
mit maximalem Durchsatzgewicht je Brennstoffeinheit und demnach mit verhältnismäßig
größter Überschußleistung gegenüber, nämlich die Turbine mit einem der zulässigen
Turbinenhöchsteintrittstemperatur zugeordneten Luftüberschuß, so geht daraus klar
hervor, daß die Erfindung für den gesamten zwischen diesen beiden Grenzfällen liegenden
Bereich Anwendung finden kann. Nach Maßgabe
des Brennstoff-Luft-Verhältnisses
in der ersten Brennkammer wird von der Verbrennungsturbine Überschußleistung erzielt.
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Während der Betrieb des Zwanglaufkessels mit Überdruckfeuerung den
ausschließlichen Einsatz von flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen mit Rücksicht
auf die Abgasturbine voraussetzt, ergibt erst die erfindungsgemäße Zusammenfassung
mit dem gesondert gefeuerten Kessel ein Aggregat, das in seiner Gesamtheit einen
teilweisen Ersatz des flüssigen oder gasförmigen Brennstoffes durch feste Brennstoffe
und damit weitere Regelmöglichkeiten bei wechselndem Brennstoffangebot gestattet.
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Der gleiche, letztgenannte Vorteil der Erfindung gilt auch gegenüber
einer Gas-Dampfkraftanlage, die in einem Brennkammerkessel feuerungsseitig das Antriebsmittel
für eine Verbrennungsturbine und kesselseitig den Dampf für eine Dampfturbine erzeugt,
da auch hier zum Betrieb der Anlage mit Rücksicht auf die Verbrennungsturbine nur
flüssiger oder gasförmiger Brennstoff ohne Ausweichmöglichkeiten auf feste Brennstoffe
eingesetzt werden muß. ' _