DE957702C - Gasturbinenanlage zur Erzeugung eines kontinuierlichen Heiß-Druckluftstromes - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 7. FEBRUAR 1957

P12082 Ia/4Of

ist in Anspruch genommen

Die Erfindung betrifft Gasturbinenanlagen für die Erzeugung eines kontinuierlichen Heiß-Druckluftstromes bzw. Heißwindes, die sich zusammensetzen aus einer Dreh- oder StrÖmungsverdichtereinrichtung, deren Ausgangsstrom strömungsabwärts derselben in verschiedene Teilströme aufgeteilt wird, aus einem kontinuierlich betriebenen indirekten Luftwärmer, durch welchen hindurch der eine Luftstrom hindurchgeschickt wird, um dadurch den Heiß-Druckluftstrom zu Jrzeugen, aus einer Wärmequelle für den Luftwärmer, aus wenigstens einer Brennkammer, welche durch einen anderen Teilstrom mit Brennluft versorgt wird, und aus einer Gasturbine, durch welche hindurch die Verbrennungsgase von der Brennkammer entspannt werden, um dadurch ein Antriebsdrehmoment für die Verdichtereinrichtung zu erzeugen.

Es ist bekannt, Gasturbinenanlagen ähnlich der obigen Bauart für die Zuführung bzw. Lieferung von heißer Druckluft nach einem Hochofen zu verwenden. Einer dieser bekannten Vorschläge betrifft eine Anlage zur Erzeugung erhitzter Druckluft, wobei der eine Druckluftstrom, der von'einem Verdichter entnommen wird, über einen Regenerativerhitzer, beispielsweise einen Cowper-Ofen oder -Winderhitzer, einem Hochofen zugeführt

wird, während der restliche Teil des Verdichterausgangs durch einen indirekten Erhitzer hindurchströmt und in einer Turbine, die den Verdichter antreibt, entspannt wird. Bei der in der schweizerischen Patentschrift 243 686 dargestellten Anlage ist die Wärmequelle für die Blasluft von derjenigen für den Turbinenerhitzer getrennt bzw. entfernt angeordnet. Gemäß einem anderen bekannten Vorschlag wird der Ausgang von einem Verdichter in zwei Ströme unterteilt, wobei ein Strom als Blasluft bzw. für das Blasen eines Hochofens verwendet und in Cowper-Winderhitzern erhitzt wird, während der andere Strom nach einer Brennkammer geführt wird, welche heiße Gase nach einer ■ Gasturbine liefert, die den Verdichter antreibt. Wiederum ist dort die Wärmequelle für die Hochofenluft getrennt von der Wärmequelle für die Gasturbine angeordnet. Unterschiedlich von diesen bekannten Anlagen besteht die Erfindung darin, daß zwei Brennkammern vorgesehen sind, welche beide Verbrennungsgase für die Gasturbine liefern, und daß nur die erste heiße Gase für die Erwärmung der Luft, welche den Luftwärmer durchströmt, liefert.

Der durch die Erfindung erzielte technische Fortschritt wird in. erster Linie darin gesehen, daß durch die vorbeschriebene Verwendung von zwei Brennkammern eine besonders große Steigerung der Anpassungsfähigkeit einer Gasturbinenanlage an die in der Praxis auftretenden Betriebsbedingungen erreicht wird. Dient beispielsweise die Gasturbinenanlage dem Betrieb eines Hoch- oder Schmelzofens, so wird erfindungsgemäß sichergestellt, daß die Verbrennungstemperatur der Gasturbinenanlage unabhängig von der Hochofentemperatur ist.

In Weiterentwicklung der Erfindung wird vor-. geschlagen, die erste Brennkammer, den Luftwärmer und die zweite Brennkammer in Reihe hintereinander anzuordnen. Die zweite Brennkammer kann eine unmittelbare Luftzufuhr von der Verdichtereinrichtung her über einen weiteren Strom übermittelt erhalten.

Die Erfindung soll nunmehr an Hand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung ausführlicher beschrieben werden, und zwar zeigt

Fig. ι eine Gasturbinenanlage in schaubildlicher Darstellung, durch welche heiße Luft bzw. Heißwind mit einem Druck von mehreren Atmosphären erzeugt wird, welche bzw. welcher unter anderem bei bestimmten industriellen chemischen Verfahren zur Anwendung kommen kann,

Fig. 2 ebenfalls eine Gasturbinenanlage, die· sich von derjenigen nach Fig. 1 dadurch unterscheidet, daß eine Zumischung von Luft in der Gasturbinenanlage erfolgt, während

Fig. 3 ein Schaubild ähnlich demjenigen nach Fig. 2 wiedergibt, wobei jedoch die zweite Brennkammer an eine andere Stelle gerückt ist.

Die schaubildlich in Fig. 1 gezeigte Anlage kann unter anderem in beträchtlichem Ausmaß Anwendung bei gewissen chemischen Verfahren finden, wo heiße verdichtete Luft innerhalb eines verhältnismäßig kleinen Druckbereichs von beispielsweise 4 bis 5 Atm. benötigt wird. Diese Anlage besitzt einen Luftverdichter und einen Gasverdichter zusammen mit einer Turbine, und zwar alles auf einer Welle.

Die Drücke sind auf beiden Seiten der Luftwärmerrohre ungefähr gleich stark. Aus diesem Grund können wesentlich billigere.Werkstoffe für die Luftwärmerrohre zur Anwendung kommen, da eine erheblich geringere Beanspruchung auftritt. Meist können bei den üblichen, nun zur Anwendung kommenden Temperaturen gewöhnliche Stahlrohre aus nicht rostendem Stahl im Luftwärmer der Anlage nach Fig. 1 zur Anwendung kommen.

Es ist bekannt, daß die Wärmezufuhr mittels einer Brennkammer bei Gasturbinenanlagen leicht dadurch verändert werden kann, daß die Brennstoffördermenge geregelt wird. Eine derartige Regelung kommt auch bei der vorbeschriebenen Anlage zur Anwendung.

Im Schaubild nach Fig. 1 strömt Atmosphärenluft, welche durch den Dreh- oder Strömungskompressor 1 verdichtet wird, zunächst durch, die Wärmeaufnahmeseite eines Wärmeaustauschers 2. Strömungsabwärts davon wird die Luft in zwei Teilströme aufgeteilt, von denen der eine durch die Leitung 3 hindurchfließt. Der andere Teilstrom fließt durch die Leitung 5, um Brennluft für die Brennkammer 6 zu liefern. Der erste Teilstrom erfährt eine Erwärmung in der Rohranlage eines Luftwärmers 7 mit mittelbarer Erwärmung, d. h. bei dem das zu erwärmende Arbeitsmittel getrennt von dem wärmeabgebenden Medium geführt wird. Der Luftwärmer besteht vorzugsweise aus einer Rohrschlange oder einer Rohrschlangenanlage in einem Gehäuse, wobei die zu erwärmende Luft die Rohre durchströmt und Wärme dadurch übermittelt erhält, daß Brennstoff im Gehäuse, jedoch außerhalb der Rohre verbrannt wird. Derartige Luftwärmer werden beispielsweise in Gasturbinenanlagen mit geschlossenem Kreislauf verwendet. Die erhitzte Luft wird dabei auf die Temperatur gebracht, welche für den Heißwind benötigt wird, der dem Hochofen od. dgl. über die Rohrleitung 8 zuströmt.

Die Luft des zweiten Teilstromes, der an der Gabelung am Verdichterausgang entsteht, wird zur unmittelbaren Verbrennung von Brennstoff in der Brennkammer 6 benutzt, und die so erzeugten heißen Verbrennungsgase werden durch den Luftwärmer 7 und die zweite Brennkammer 10 hindurch einer Gasturbine 11, die auf der gleichen Welle wie der Luftkompressor 1 sitzt, übermittelt. Die Abgase der Gasturbine 11 werden im Wärmeaustauscher 2 zur Vorwärmung der Gesamtluftfördermenge des Verdichters 1 benutzt.

Die Anlage verbraucht Hochofengas vom Hochofen her, welches nach erfolgter Reinigung dem Strömungsgasverdichter 9 zugeführt und von diesem verdichtet wird, um dann in die Brennkammern 6 und 10 zu gelangen und darin verbrannt zu werden. Die verdichtete Luft strömt, bevor sie in verschiedene Ströme aufgeteilt wird, durch die

Wärmeaufnahmeseite des Wärmeaustauschers 2, daraufhin wird sie auf die beiden Rohrleitungen 3 und 5 aufgeteilt.

Aus Fig. ι ist ersichtlich, daß die Verbrennungs ■ gase aus der Brennkammer 6 als Wärmequelle für den Luftwärmer 7 dienen. Diese Gase stehen unter erhöhtem Druck und weisen eine höhere Temperatur auf, so daß der Luftwärmer mit Überdruck arbeitet. Er kann daher außerordentlich klein bemessen werden. Auch hier, ist eine zusätzliche Brennkammer 10 strömungsabwärts und in Reihe mit der Brennkammer 6 und dem Luftwärmer 7 vorgesehen.

Ein Luftüberschuß über diejenige Menge hinaus, welche für die Verbrennung benötigt wird, wird in die Kammer 6 gefördert, so daß weiterer gasförmiger Brennstoff, der der Kammer 10 zugeführt wird, darin verbrannt wird. Die heißen Gase sowohl aus dieser Kammer als auch aus der Kammer 6 expandieren in der Turbine 11, und die Abgase von dieser Turbine durchströmen den Wärmeaustauscher 2.

Um eine Verbesserung bei Teillast der Anlage zu erzielen, ist gemäß Fig. 2 eine Nebenleitung 12 vorgesehen. Durch diese kann ein weiterer Teilstrom vom Luftverdichterausgang abgezweigt und entweder der Brennkammer 10 oder strömungsabwärts davon der Treibgasleitung zur Gasturbine n zugeführt werden. Die letztere Anordnung ist in Fig. 2 dargestellt. Der Nebenschlußstrom wird über das Ventil 13 eingeregelt, so daß der Strom von Verdünnungs- oder Mischluft durch diese Verbindung hindurch größer oder kleiner gemacht werden kann.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist insoweit etwas abgewandelt worden, als die zweite Brennkammer, hier mit io_a bezeichnet, aus dem direkten Strömungsweg der Gase herausgenommen worden ist, welche die Brennkammer 6 verlassen, den Luftwärmer 7 durchströmen und in die Turbine 11 gelangen. Statt dessen ist sie so angeordnet, daß sie eine eigene Zulieferung von reiner Brennluft aufweist, welche ihr über die Nebenleitung 12 übermittelt wird. Die Verbrennungsgase und der etwaige Luftül>erschuß werden dem Einlaß der Gasturbine ii, wie zuvor, zugeführt.

Eine Anlage gemäß entweder Fig. 2 oder Fig. 3 kann so betrieben werden, daß die Verbindung 12 weit offen gehalten wird und daß die Brennkammer 10 oder io_a nicht in Betrieb ist, wenn die Anlage mit Teillast betrieben wird, wenn aber die Temperatur des Heißwindes auf einem hohen Wert, beispielsweise 650⁰ C, gehalten werden soll. Wenn Mischluft auf diese Weise nicht den Gasen übermittelt wird, welche in die Turbine n eintreten, dann sind die Gase, welche die Brennkammer 6 verlassen, auf einer höheren Temperatur, als sie von der Turbine 11 benötigt wird. Die Mischluft setzt die Temperatur der Gase herab, welche in die Turbine 11 gefördert werden, und zwar auf einen Wert, der ohne weiteres mittels des Ventils 13 eingeregelt werden kann. Bei Vollast sind beide Brennkammern 6 und 10 bzw. ίο_λ gleichzeitig in Betrieb.

In jedem Fall wird eine zusätzliche Anpassungsfähigkeit bzw. Regelmöglichkeit erreicht, weil die Temperatur der Kammer 10 oder io_a unabhängig von derjenigen der Kammer 6 gemacht wird. Darüber hinaus ist bei Teillast kein Gleichgewichtszustand zwischen den Strömungsmengen von Gas und Luft im Luftwärmer 7 vorhanden, welcher aber durch den geregelten bzw. gesteuerten Luftstrom durch die Verbindung 12 hindurch wiederhergestellt werden kann. Ein zusätzlicher Vorteil, wel-· ' eher bei Teillast in Erscheinung tritt, ,besteht darin, daß dann, wenn Luft vom Lufterwärmer abgezweigt wird, die Verdichterverluste auf der Gasseite des Vorwärmers verringert werden, so daß der thermische Wirkungsgrad der Anlage auf einem höheren Wert gehalten werden kann, als dies sonst der Fall sein würde.

Verglichen mit vorbekannten Anlagen, haben die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ausfübrungsformen beträchtliche Vorzüge. Beispielsweise braucht , nur die erforderliche Luftmenge durch den Luftwärmer hindurchgeschickt zu werden, und in beiden Fällen steht der Luftwärmer unter Überdruck. Dadurch werden die Abmessungen des Luftwärmers im Vergleich zu anderen Ausführungsformen beträchtlich herabgesetzt. Die Anwendung eines Luftwärmers mit einem Druck oberhalb des Atmosphärendrucks macht alle Hilfseinrichtungen zum Fördern des Brenngemisches überflüssig. Bei beiden Ausführungsformen wird die Gasturbine durch die Verbrennungsgase angetrieben, welche unmittelbar über den Wärmeaustauscher zum Auspuffende hinströmen. Die Verbrennungsgase haben keinerlei Verbindung mit dem Nutzluftstrom, so daß ihre Höchsttemperatur vollständig unabhängig vom Aufbau des Luftwärmers ist. Die Nutzluftmenge, welche durch die Leitung 8 der Anlage entnommen wird, ist ungefähr gleich der Abgasmenge, so daß ein höherer thermischer Wirkungsgrad, als er bisher möglich war, erreicht wird'.

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   i. Gasturbinenanlage für die Erzeugung eines kontinuierlichen Heiß-Druckluftstromes bzw. Heißwindes, bestehend aus einer Drehoder Strömungsverdichtereinrichtung, deren Ausgangsstrom strömungsabwärts derselben in verschiedene Teilströme aufgeteilt wird, aus einem kontinuierlich betriebenen indirekten Luftwärmer, durch welchen hindurch der eine Luftstrom hindurchgeschickt wird, um dadurch den Heiß-Druckluftstrom zu erzeugen, aus einer Wärmequelle für den Luftwärmer, aus wenigstens einer Brennkammer, welche durch einen anderen Teilstrom mit Brennluft versorgt wird, und aus einer Gasturbine, durch welche hindurch die Vefbrennungsgase von der Brennkammer entspannt werden, um dadurch ,ein Antriebsdrehmoment für die Verdichtereinrichtung zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Brennkammern vorgesehen sind, welche beide Verbrennungsgase für die Gas-

   turbine liefern, und daß nur die erste heiße Gase für die Erwärmung der Luft, welche den Luftwärmer durchströmt, liefert.

   2,. Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Brennkammer, der Luftwärmer und die zweite Brennkammer in Reihe hintereinander angeordnet sind.

   3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Brennkammer eine unmittelbare Luftzufuhr von der Verdichtereinrichtung her über einen weiteren Strom übermittelt erhält.

   In Betracht gezogene Druckschriften: Schweizerische Patentschriften Nr. 271 740, 430, 243 686;

   Technische Mitteilungen, Bd. 44 (1951), Nr. 6,

   S. 208.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.

   ) 609 579/266 8.56 (609 782 1. 57)