DE953929C - Gasturbinenanlage mit einer Hilfs- oder Nachbrennkammer - Google Patents

Gasturbinenanlage mit einer Hilfs- oder Nachbrennkammer

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DE953929C
DE953929C DEM14829A DEM0014829A DE953929C DE 953929 C DE953929 C DE 953929C DE M14829 A DEM14829 A DE M14829A DE M0014829 A DEM0014829 A DE M0014829A DE 953929 C DE953929 C DE 953929C
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Germany
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turbine
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gas turbine
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combustion chamber
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DEM14829A
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Inventor
Albrecht Mann
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MAN AG
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MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02CGAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C3/00Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
    • F02C3/20Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid using a special fuel, oxidant, or dilution fluid to generate the combustion products
    • F02C3/22Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid using a special fuel, oxidant, or dilution fluid to generate the combustion products the fuel or oxidant being gaseous at standard temperature and pressure
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02CGAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/08Heating air supply before combustion, e.g. by exhaust gases

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)

Description

  • Gasturbinenanlage mit einer Hilfs- oder Nachbrennkammer Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenanlage mit innerer Verbrennung und Übertragung der in den Abgasen noch enthaltenen fühlbaren Wärme auf die verdichtete Verbrennungsluft mit einem der Entspannungsturbine nachgeschalteten Wärmeaustauscher.
  • Die Gasturbine kann bekanntlich dann mit noch weitaus besseren Aussichten als bisher in Konkurrenz zur Dampfturbine treten, wenn es gelingt, auch Gase mit geringem Heizwert als Brennstoff zu verwenden. Auf der anderen Seite bedingt aber die Verwendung derartiger Treibmittel mit geringem Heizwert eine Vergrößerung der für ihre Verdichtung installierten Leistung innerhalb der Gesamtanlage. Der Leistungsaufwand für den Gasverdichter kann beispielsweise für Gichtgas ein Drittel bis ein Viertel der Luftverdichterleistung betragen. Aus diesem Grunde ist es nicht mehr möglich, diesen Gasverdichter mit einem Elektromotor evtl. regelbar anzutreiben, sondern er muß unmittelbar von der Gasturbine selbst angetrieben werden. Bei direktem Antrieb ist die Anlage aber nicht mehr regelbar. Soll nämlich eine solche Anlage z. B. über die Normallast hinaus stärker belastet werden, so muß kurzzeitig mehr Brenngas in die Brennkammer eingeführt werden., als dem. jeweils gefahrenen Leistungspunkt entspricht. Eine Vergrößerung der Brenngasmenge ist aber nur möglich durch Drehzahlerhöhung des hierfür vorgesehenen Brenngasverdichters, die die Gasturbine zunächst nicht hergibt. Es wäre natürlich denkbar, daß der Gasverdichter sehr groß ausgelegt wird, so daß er immer eine Überschußgasmenge zur Verfügung stellen kann. Der Nachteil dieser Auslegung besteht in den dann unvermeidlichen Verlusten infolge Abblasens der überschüssigen Gasmenge bei stationärem Betrieb.
  • Bei Gasturbinenanlagen bekannter Bauart wird nun in allgemein üblicher Weise das gasförmige Treibmittel in einer vor der Entspannungsturbine angeordneten Brennkammer bis auf die nötige Eintrittstemperatur erhitzt. Daneben sind aber auch Vorschläge bekanntgeworden, die für den Gastu.rbinenprozeß erforderliche Wärmeenergie indirekt dem Treibmittel zu übertragen, und zwar mittels nachgeschalteten Brennkammern und wesentlich größeren Wärmeaustauscheinrichtungen. Die hierbei verwendeten Wärmeaustauscber müssen aus verhältnismäßig teuren Materialien hergestellt werden, und es ergeben sich auch zusätzliche Wärm@ev.erluste bei der Übertragung.
  • Bekannt ist weiterhin eine Gasturbinenanlage, die einem Druckgasvenbraucher, insbesondere Hochofen, vorgeschaltet ist und bei der sowohl* vor als auch hinter einer die Verdichter antreibenden Gasturbine je eine Brennnikammer vorhanden ist. Die der Turbine nachgeschaltete Brennkammer hat hier die Aufgabe zu erfüllen, das dem Druckgasverbraucher zuzuführende Gas auf die erforderliche Eintrittstemperatur zu erhitzen.
  • Um die eingangs geschilderten Schwierigkeiten und Nachteile bei der Regelung von Gasturbinenanlagen mit innerer Verbrennung und Ausnutzung der in den Abgasen enthaltenen fühlbaren Wärme mir Aufheizung der einer Nutzleistungsturbine vorgeschalteten Brennkammer zuzuführenden Luft und gegebenenfalls auch des Brenngases mit Hilfe eines vor dieser Brennkammer angeordneten Wärmeaustauschers zu beheben, ist auch nach der vorliegenden Erfindung hinter der Nutzleistungsturbine eine weitere Brennkammer angeordnet, in der jedoch unterschiedlich zur bekannten Anordnung zwecks Leistungsregelung bei Belastungszunahme zusätzlieh Brennstoff verbrannt wird. Bei erhöhtem Leistungsbedarf, beispielsweise eines mit der Gasturbine gekuppelten elektrischen Generators, also bei zunehmender Belastung der Nutzleistungsturbine, wird die dieser nachgeschaltete Brennkammer vorübergehend in Betrieb genommen. Durch die hierin stattfindende zusätzliche Brennstoffverbrennung ergibt sich als zwangläufiger Funktionsablauf eine Temperaturerhöhung der Luft und gegebenenfalls auch des Brenngases, die der der Nutzleistungsturbine vorgeschalteten Brennkammer zugeführt werden.
  • Die erfindungsgemäße Verwendung einer hinter der Nutzleistungsturbine' angeordneten Brennkammer bietet gegenüber den bekannten Gasturbinenanlagen den Vorteil, daß der oder die Verdichter nicht auf die größte vorkommende Belastung ausgelegt werden müssen, in welchem Fall sie dann in dem meistgefahrenen Teilleistungsbereich mit einem schlechteren Wirkungsgrad arbeiten, sondern daß diese Maschinen für die Nennleistung ausgelegt und die Belastungsspitzen durch die erfindungsgemäße Temperaturerhöhung aufgefangen werden können.
  • Außerdem wird durch die Erfindung eine bessere Anpassungsfähigkeit der Gesamtanlage an veränderte B@etriiebs,zust2rnd@e erreicht. Der Wärmeaustauscher stellt, besonders wenn er sehr groß ist, eine Art Kessel mit beachtlichem Speichervermögen dar, das sich bekanntlich bei Entlastung der Gasturbinenanlage unangenehm bemerkbar macht. Aber auch beim raschen Hochfahren der Anlage wirkt dieser Speicher hemmend, da er als Verzögerungsglied angesehen werden muß. Durch die Anordnung der Hilfs- oder Nachbrennkammer unmittelbar in der Abgasleitung zwischen der Turbine und dem nachgeschalteten Wärmeaustauscher wird diese unangenehme Verzögerung wesentlich verringert.
  • Wird bei einer Gasturbinenanlage nach der Erfindung für die ,zusätzliche Brennstoffverbrennung Brenngas verwendet, dann bedarf es für die Zulieferung dieses Brennstoffes im allgemeinen keiner zusätzlichen Leistung, da die Brenngase im Anlieferungszustand meist noch einen so hohen Druck besitzen, dafi die Widerstände im Wärmeaustauscher überwunden werden.
  • Weiter bildet für den Anfahrvorgang der Gesamtanlage der mit der Turbinenwelle starr verbundene große Gasverdichter einen ziemlichen Ballast, welcher sich in einer notwendigen Überdimensionierung des Anwurfmotors auswirken muß. Auch in dieser Hinsicht bietet die Hilfs- oder Nachbrennkammer wesentliche Vorteile. Infolge der jetzt gegebenen Möglichkeit, rasch und kurzzeitig die Abgastemperatur heraufsetzen zu können, ist beim Anfahrvorgang eine Entnahme von Brenngas aus dem Brenngasverdichter nicht mehr notwendig, da nunmehr die hierfür benötigte geringe Wärme auf indirektem Wege gedeckt werden kann. Der Brenngasverdichter kann daher mittels der bekannten Schaltmaßnahmen auf minimale Leistungsaufnahme eingestellt werden.
  • In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer Gasturbinenanlage nach der Erfindung im Schema dargestellt. ' Der Verdichter i, welcher entweder starr oder über ein Getriebe mit der Turbine 2 verbunden ist, saugt Luft aus der freien Atmosphäre an und verdichtet sie auf den erforderlichen Prozeßdruck. In einem von den Turbinenabgasen durchströmten Wärmeaustauscher 3 wird die verdichtete Luft und gegebenenfalls auch das Brenngas vorgewärmt. Gleichachsig mit der Turbine 2 ist ein zweiter Verdichter q. angeordnet, in welchem Brenngas bis auf den in der Hauptbrennkammer 5 herrschenden Druck komprimiert wird. Das verdichtete Brenngas wird in der Brennkammer 5 unter erheblichem Luftüberschuß verbrannt. Die heißen Brenngase strömen den Gasturbinen 2 und 6 zu und entspannen sich dort unter Leistungsabgabe. Die Niederdruckturbine 6 treibt den Generator $ an. In der Abgasleitung zwischen der Turbine 6 und dem nachgeschalteten Wärmeaustauscher 3 ist die Hilfs- oder. Nachbrennkammer 7 angeordnet, welche lediglich zu Regelungszwecken kurzzeitig in Betrieb genommen wird. In ihr wird gasförmiger Brennstoff eingeführt und verbrannt, wodurch eine nachträgliche und rasche Erhöhung der Temperatur der Turbinenabgase erreicht wird. Es ist natürlich durchaus möglich, an Stelle des gasförmigen Brennstoffes hierfür auch flüssigen zu verwenden. Die Hilfs-oder Nachbrennkammer 7 wird im Falle der Belastungssteigerung des Generators 8 und damit der Gasturbine 6 selbsttätig in Betrieb genbmmen, und zwar in der Weise, daß ein Regelorgan 9, welches in direkter Abhängigkeit von dem Drehzahlregler io steht, das Ventil i i öffnet. Hierdurch tritt die Hilfsbrennkammer 7 in Tätigkeit. Die Temperatur vor Turbine 2 steigt. Es entsteht eine Überschußleistung, die zur Beschleunigung des Verdichter-Satz-es 1, 4 führt. Durch die nunmehr sich steigernde Drehzahl wird mehr Luft und Gas verdichtet und damit auch mehr Nutzleistung erzeugt. Wenn der neue Betriebspunkt erreicht ist, wird das Ventil i i wieder geschlossen, und die durch den Betrieb der Hilfsbrennkammer 7 erzeugte Übertemperatur vor Turbine 2 geht wieder zurück; der Beschleunigungsvorgang ist beendet. Tritt ein Leistungsabfall ein, so öffnet das Steuerorgan 9 das Überströmventil 12, so daß die Brennkammer 5 weniger Brenngas erhält. Beim Anlassen der Anlage werden die Ventile 14 und 15 geschlossen und Ventil 12 geöffnet, so daß der Brenngasverdichter nur i.m Vakuum mitläuft. Die nötige Wärme wird allein in der Nachbrennkammer 7 erzeugt. Erst bei Belastung der Anlage wird Verdichter ¢ hydraulisch zugeschaltet. In, der Zeichnung erkennt man schließlich noch den An:laßmotor 13, welcher zum Anwerfen der GT-Anlage dient.
  • Die vorgeschlagene Regelungsart beschränkt sich selbstverständlich nicht auf die im Beispiel angeführte Schaltung. So können z. B. die Verdichter 1, 4 auch von der Niederdruckturbine angetrieben werden und die Nutzleistung einer Hochdruckturbine entnommen werden. Für Spitzenlastanlagen können alle Maschinen auf einer Welle sitzen und die Turbinen 2 und 6 zu einer einzigen vereint werden. Endlich kann die Verdichtung auch in mehreren hintereinander geschalteten Luft- und Gasverdichtern erfolgen, die von mehreren Turbinen angetrieben werden.

Claims (3)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i@. Gasturbinenanlage mit innerer Verbrennung und Ausnutzung der in den Abgasen enthaltenen fühlbaren Wärme zur Aufheizung der einer Nutzleistungs.turbine vorgeschalteten Brennkammer zuzuführenden Luft und gegebenenfalls auch des Brenngases mit Hilfe eines vor dieser Brennkammer angeordneten Wärmeaustauschers, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich . bekannter Weise hinter der Nubzleistüngsturbine (6) eine weitere Brennkammer. (7) angeordnet ist, in der zwecks Leistungsregelung bei Belastungszunahme zusätzlich Brennstoff verbrannt wird.
  2. 2. Gasturbinenanlage nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzufuhr zur Hilfs- oder Nachbrennkammer (7) vom Drehzahlregler (9) der Nutzturbine gesteuert wird.
  3. 3. Gasturbinenanlage nach Anspruch i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfs- oder Nachbrennkammer (7) auch beim Anfahren der Gasturbine (2) kurzzeitig in Betrieb genommen wird und daß dabei gleichzeitig der Brenngasverdichter (¢) auf minimale Leistungsaufnahme geschaltet wird. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 640 350; schweizerische Patentschriften Nr. 27i 740, 225 035; britische Patentschriften Nr. 622 411, 61o 973; USA.-Patentschrift Nr. 2 464 861.
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE640350C (de) * 1934-01-21 1936-12-31 Milo Ab Gasturbinenanlage mit Gleichdruckverbrennung des Treibmittels
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CH271740A (de) * 1948-11-23 1950-11-15 Oerlikon Maschf Gasturbinenanlage, die einem Druckgasverbraucher, insbesondere Hochofen, vorgeschaltet ist.

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