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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.