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Heißluftturbinenanlage mit geschlossenem Kreislauf zum gleichzeitigen
Antrieb mehrerer verschiedenartiger Maschinen Die Erfindung geht von der Tatsache
aus, daß die bereits mehrfach erfolgreich ausgeführte Heißluftturbine mit geschlossenem
Kreislauf für eine Verwendung in Hüttenwerksbetrieben an sich sehr geeignet ist,
weil die zugehörigen Lufterhitzer keine besonderen Ansprüche an die Reinheit des
dort im allgemeinen reichlich anfallenden und bisher vielfach nur teilweise, zuweilen
sogar überhaupt nicht verwerteten Gichtgase stellen. Jedenfalls ist die verfügbare
Gichtgasmenge normalerweise so groß, daß eine diesen Treibstoff ausnutzende Kraftmaschine
nicht nur zur Winderzeugung, sondern außerdem zum Antrieb eines auf das elektrische
Netz arbeitenden Generators dienen kann.
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Es ist ein dahingehender, noch nicht zum Stande der Technik gehörender
Vorschlag gemacht worden, der sich auf eine Heißluftturbinenanlage mit geschlossenem
oder offenem Kreislauf in Einwellenbauart bezieht, wobei ein Stromerzeuger und ein
Hochofengebläse von der Turbine gemeinsam mit konstanter Drehzahl angetrieben werden.
Bei dieser Anlage ist der Generator zwischen der Turbine und dem Gebläse angeordnet,
so daß er zwar wahlweise nur mit der Turbine oder - als Motor geschaltet und dann
selbst als Antriebsmaschine
dienend - nur mit dem Gebläse gekuppelt
sein kann. Die Ausnutzung der Antriebsleistung der Turbine für das Gebläse ist jedoch
bei einer solchen Anordnung nur in der Weise möglich, daß der Generator dann als
notwendiges Verbindungsglied leer mitläuft. Auch kann die Fördermenge des Gebläses
wegen der konstanten Drehzahl dem jeweiligen Bedarf nur durch besondere Einrichtungen,
wie Saugdrosselung oder verstellbare Schaufeln, angepaßt werden.
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Man ist nun darüber hinaus bestrebt, für Heißluftturbinenanlagen,
speziell- mit geschlossenem Kreislauf, zur gleichzeitigen Wind- und Stromerzeugung
eine Schaltung zu schaffen, bei der sowohl das Hochofengebläse den jeweiligen Betriebsverhältnissen
hinsichtlich Förderdruck und Fördermenge angepaßt, als auch das Gichtgas immer vollständig
und wirtschaftlich in bestmöglicher Weise ausgenutzt werden kann. Dabei, soll die
Nutzleistung der Turbinenanlage in erster Linie zur Winderzeugung dienen, während
die Stromerzeugung nur als zusätzlich zu betrachten und nicht unbedingt erforderlich
ist, falls die dargebotene Gichtgasmenge dafür nicht ausreicht.
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In diesem Sinne bezieht sich die Erfindung auf eine Heißluftturbinenanlage
mit geschlossenem Kreislauf in Zweiwellenbauart, wobei die Hochdruckturbine mit
konstanter Drehzahl und die nachgeschaltete Niederdruckturbine mit veränderlicher
Drehzahl betrieben wird. Eine solche Ausführung, bei der das gegenseitige Leistungsverhältnis
der einen, zum Antrieb des oder der Kreislaufverdichter und der anderen, zum Antrieb
eines Nutzleistungsempfängers, wie z. B. eines Hochofengebläses, dienenden Turbine
immer gleich ist, eignet sich nur unter der Voraussetzung, daß das Gichtgas od.
dgl. in beliebiger, also entsprechend dem jeweiligen Leistungsbedarf des Gebläses
größerer oder geringerer Menge entnommen werden kann. Es ergeben sich dagegen gewisse
Schwierigkeiten, wenn eine vorwiegend konstante Brennstoffmenge, z. B. in Form von
Gichtgas, verbraucht werden muß, wie es praktisch vielfach vorkommt. Dann ist bei
einer unveränderbaren Hintereinanderschaltung der Hochdruckturbine und der Niederdruckturbine
eine vollständige Ausnutzung der Gasmenge ohne Abfackeln oder Abblasen nur bei Höchstlast
des Gebläses möglich.
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Die zuletzt erwähnten Verhältnisse stellen ein bisher nicht gelöstes
Grundproblem dar, zu dessen Berücksichtigung dafür gesorgt werden muß, daß das gegenseitige
Leistungsverhältnis der beiden auf getrennten Wellen angeordneten Turbinen verändert
werden kann. Ein geeignetes Mittel zu diesem Zweck sind Umgehungsleitungen, die
an sich bekannt und auch bei einer derartigen Turbinenanlage schon angewendet worden
sind. Dabei hat man aber teils nur die bzw. jede Nutzleistungsturbine mit einer
Umgehungsleitung versehen, teils die eine Turbine nur mit einem Kreislaufverdichter
gekuppelt und nur die andere Turbine mit einem Nutzleistungsempfänger, z. B. einem
Hochofengebläse, gekuppelt. Auch in diesen Fällen kann also trotz der Schaltungsmöglichkeiten
zwischen den verschiedenen Turbinen eine bestimmte, normalerweise konstante Brennstoffmenge
nicht immer vollständig und mixt bestem Wirkungsgrad in der Turbinenanlage verwertet
werden, weil der erforderliche Leistungsanteil der mit dem Kreislaufverdichter gekuppelten
Turbine von Verhältnissen innerhalb der Anlage abhängig ist, während der erforderliche
Leistungsanteil der anderen Turbine von Verhältnissen außerhalb der Anlage abhängig
ist.
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Schließlich ist eine Gas-Dampf-Turbinenanlage bekannt, bei der sowohl
die Hochdruckturbine als auch die Niederdruckturbine mit je einer Umgehungsleitung
ausgerüstet ist. Jene Anlage unterscheidet sich jedoch ebenfalls wesentlich von
den dieser Erfindung zugrunde liegenden Verhältnissen, und zwar nicht nur durch
das offene System, also das Fehlen eines geschlossenen Kreislaufes für das Arbeitsmittel,
sondern auch durch die antriebsmäßige Verteilung der beiden hintereinandergeschalteten
Verdichter für die Verbrennungsluft auf die beiden Turbinen und das Vorhandensein
nur eines Generators als einzigen Nutzleistungsempfänger.
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Die Erfindung geht nun zur Lösung der gestellten Aufgabe in der Ausbildung
einer Zweiwellen-Heißluftturbinenanlage mit geschlossenem Kreislauf und mit Umgehungsleitungen
versehenen Turbinen, von denen die Hochdruckturbine mit gleichbleibender und die
Niederdruckturbine mit veränderlicher Drehzahl betrieben werden, noch weiter. Sie
besteht, ausgehend von und in Verbindung mit den vorgenannten Einzelheiten zur immer
vollständigen Verwertung einer vorwiegend konstanten Brennstoffmenge, z. B. von
Gichtgas in Hüttenwerksbetrieben, im gleichzeitigen Vorhandensein auch noch folgender
Merkmale: a) -die Hochdruckturbine dient zum Antrieb des Kreislaufverdichters und
zur Abgabe anderweitig nicht benötigter Nutzleistung an einen- abschaltbaren Generator;
b) die Niederdruckturbine dient zum Antrieb des Hauptnutzleistungsempfängers in
Form eines Hochofengebläses.
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Die beiden vorgenannten Merkmale sind, wie bereits oben erwähnt, bei
einer derartigen Heißluftturbinenanlage an sich bekannt, jedoch hatte man seinerzeit
offenbar gerade dafür noch nicht die praktische Bedeutung der Bypaßregelung erkannt.
Demgemäß werden diese Merkmale hiermit weder einzeln noch zusammen, sondern nur
im Zusammenhang mit allen anderen Merkmalen des Hauptanspruches unter Schutz gestellt.
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Weiterhin sind die Umgehungsleitungen der beiden Turbinen zweckmäßig
so bemessen und werden in ihren Durchtrittsquerschnitten so geregelt, daß bei ausnahmsweise
auch einmal vorkommendem Anfall einer verhältnismäßig geringen Gichtgasmenge mindestens
die Winderzeugung möglich ist. Die Umgehungsleitung der Hochdruckturbine kann ferner
zulaufseitig vor dem Lufterhitzer, nach demselben oder auch unmittelbar an
denselben
angeschlossen sein; das in ihr angeordnete Regelorgan ist gegebenenfalls in an sich
bekannter Weise mit einem Kühlmantel oder einem vorgeschalteten Kühler zu versehen.
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Nähere Einzelheiten der Erfindung und der mit dieser erzielten Vorteile
ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung, in welcher mehrere Entwicklungsstufen
an Hand entsprechender schematischer bzw. diagrammartiger Darstellungen in der Zeichnung
als Ausführungsbeispiele baulich und wirkungsmäßig erläutert sind. Es zeigt Abb.
i eine einzelne Heißluftturbine mit den üblichen Einrichtungen für den geschlossenen
Kreislauf als Antriebsaggregat für ein Gebläse und einen Generator, Abb. a eine
im Prinzip gleichartige Anlage mit zwei auf getrennten Wellen angeordneten, hintereinandergeschalteten
Turbinen, Abb.3 eine der vorhergehenden entsprechende Anlage mit zusätzlichen Regeleinrichtungen
gemäß der Erfindung, Abb. q. ein Schaubild für das Verhältnis der Leistungsabgabe
der Hochdruckturbine zur Leistungsaufnahme der zugehörigen Kreislaufverdichter,
bezogen auf eine bestimmte umlaufende Arbeitsmittelmenge in Abhängigkeit vom Gesamtdruckgefälle
der Anlage, Abb. 5 den- Verlauf der Verdichterkennlinie bei konstanter Drehzahl,
Abb. 6 den Einfluß von Änderungen des Gesamtdruckgefälles auf den Wirkungsgrad einer
mit ihrem normalen Betriebspunkt für den maximalen Wirkungsgrad ausgelegten Anlage.
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Bei der Anlage gemäß Abb. i ist eine Heißluftturbine T gleichachsig
auf einer gemeinsamen Welle einerseits mit den beiden zur Wiederverdichtung des
aus der Turbine austretenden, umlaufenden Arbeitsmittels dienenden Verdichter Nh
und HV, andererseits mit einem Hochofengebläse H unmittelbar gekuppelt. Außerdem
wird von der gleichen Turbine über ein hinter dem Gebläse angeordnetes Zahnradgetriebe
Z noch ein elektrischer Generator G angetrieben. Zu der Turbinenanlage gehören ferner
in der für eine solche Anlage üblichen Weise ein der Turbine vorgeschalteter Lufterhitzer
LE, ein einerseits dem Lufterhitzer vorgeschalteter, andererseits der Turbine nachgeschalteter
Wärmeaustauscher WA sowie zwei Kühler, von denen der eine als Vorkühler VK
in der Zuleitung des Niederdruckv erdichters und der andere als Zwischenkühler ZK
in der Übertrittsleitung vom Niederdruck- zum Hochdruckverdichter angeordnet ist.
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Bei dieser Anlage laufen die Turbinenwelle und dementsprechend auch
die Generatorwelle wegen der erforderlichen Gleichhaltung der Netzfrequenz mit konstanten
Drehzahlen. Die Leistungsregelung erfolgt in der für einen solchen geschlossenen
Kreislauf üblichen Weise durch Entnahme bzw. Zufuhr von Arbeitsmittel an einer beliebigen
Stelle, vorzugsweise aber im Hochdruckbereich. Dadurch ändern sich die Absolutdrücke
im Kreislauf, während das Verhältnis zwischen dem höchsten Druck P1 unmittelbar
hinter dem Hochdruckverdichter HV und dem niedrigsten Druck P2 unmittelbar vor dem
Nie.derdruckverdichter NTI konstant bleibt (sogenannteDruckpegelregelung). Bei gleichbleibender
Gichtgasmenge, die im Lufterhitzer verbrannt wird und dadurch die als Kreislaufarbeitsmittel
verwendete Luft nach vorhergehender Verdichtung und Vorwärmung weiter bis auf die
zur Wiederverwendung in der Turbine erforderliche Temperatur bringt, bleibt auch
die gesamte Nutzleistung der Turbine konstant, die teils vom Gebläse und teils vom
Generator aufgenommen wird. Wenn also die* Leistungsaufnahme des Gebläses infolge
der jeweils vorliegenden Betriebsverhältnisse schwankt, so ändert sich entsprechend
in umgekehrten Sinne auch die Leistungsaufnahme des Generators.
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Der Betrieb des Hochofengebläses mit konstanter, für die Höchstlast
zu bemessender Drehzahl ist nun aber unwirtschaftlich, wenn, wie es in der Praxis
der Fall ist, Winddruck oder/und Windmengg geändert werden müssen. Sowohl für den
Normalpunkt als auch für alle noch mehr unterhalb der Höchstlast liegenden Teillastpunkte
muß dann nämlich das Gebläse entweder mit saugseitiger Drosselung oder mit druckseitiger
Abblasung arbeiten; beides stellt einen Verlust dar. Außerdem ist nur eine sehr
geringe Reserve für ausnahmsweise, z. B. beim sogenannten Hängen eines Hochofens,
aufzubringende weitere Drucksteigerungen vorhanden, da man, um die Verluste in Grenzen
zu halten, bestrebt sein wird, den Höchstlastpunkt nicht viel vom Normalpunkt wegzulegen.
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Die vorerwähnten Mängel werden unter gewissen Voraussetzungen mit
der aus Abb. a ersichtlichen Anlage vermieden. In diesem Fall besteht die Antriebsmaschinenanlage
aus zwei hintereinandergeschalteten, aber auf getrennten Wellen angeordneten Heißluftturbinen,
von denen die Hochdruckturbine HT auf der einen Seite wieder die beiden Kreislaufverdichter
Nh und HV, auf der anderen Seite aber nur den Generator G antreibt, während
das Hochofengeblixse H an die Niederdruckturbine NT gekuppelt ist. Lufterhitzer
LE, Wärmeaustauscher WA sowie die beiden Kühler VK und ZK sind entsprechend angeordnet
wie bei der ersten Ausführung.
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Im übrigen ist bezüglich der Ausführung nach Abb. a noch folgendes
zu sagen: Der Druckpegel des geschlossenen Kreislaufes wird nach dem Leistungsbedarf
des Hochofengebläses reguliert. Proportional diesem Leistungsbedarf wird das einen
geschlossenen Kreislauf ausführende Arbeitsmittelgewicht verändert. Da die Kreislaufverdichtergruppe
mit konstanter Drehzahl umläuft und die Volumen am Verdichtereintritt konstant sind
(es werden keine Querschnittsveränderungen im Kreislauf vorgenommen), arbeitet die
Anlage mit praktisch konstantem Gesamtdruckverhältnis. Die Gefälle - von Hochdruck-
und Niederdruckturbine werden aufgeteilt nach der Auslegungsleistung des Hochofenge#bläses
und einer bestimmten Generator-
Leistung. Dieses Leistungsverhältnis
bleibt auch bestehen, wenn der Druckpegel bzw. das umlaufende Arbeitsmittelgewicht
im Zuge der Regelung des Hochofengebläses, verändert wird. Die zu verbrennende Gichtgasmenge
ist also unmittelbar eine Funktion der geforderten Hochofenleistung.
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Kann das Gichtgas in beliebiger Menge einem Rohrnetz entnommen werden,
dann arbeitet diese Art der Zweiwellenanordnung ohne die Drossel-bzw. Abblasverluste
der oben beschriebenen Einwellenanordnung. Ist die abzunehmende Gichtgasmenge aber
konstant, dann kann sie nur bei Höchstlast des Hochofengebläses voll ausgenutzt
werden. Bei allen Teillasten und auch bei Normallast des Gebläses besteht ein mehr
oder weniger großer, nicht verwertbarer Gasüberschuß, der z. B. abgefackelt werden
muß. Das beider Einwellenanordnung geschilderte Wechszlspiel zwischen Gebläse-und
Generatorleistung, das eine konstante Gichtgasmenge zu verarbeiten gestattet, besteht
hier nämlich nicht. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß infolge der festen
Koppelung der Antriebsleistungen für den Generator und das Gebläse eine gering anfallende
Gichtgasmenge nicht ausschließlich zur Winderzeugung verwendet werden kann.
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Wenn die Generatorleistung niedriger als die Gebläseleistung ist,
was jedoch nur selten zutrifft, kann man sich allerdings dadurch helfen, daß man
den Generator unter Verzicht auf seine Leistung von der Hochdruckturbine abschaltet.
Die letztere stellt sich dann auf eine entsprechend höhere Drehzahl ein, bei der
die Leistungsaufnahme der Kreislaufverdichter gleich der gesamtenLeistungsabgabe
der -Hochdruckturbine ist. Dabei ergibt sich ein neues, aber wieder festes Druckverhältnis,
das nicht weit vom Ausiegungsdruckverhältnis liegen wird, da die Verdichterleistung
verhältnismäßig schnell ansteigt. Diese Zusammenhänge sind in Abb. q. veranschaulickt.
Auf der Ordinate ist die Leistung je Gewichtseinheit umlaufendes Arbeitsmittel N/G
für Hochdruckturbine und Verdichter aufgetragen. Man sieht, daß mit sich änderndem
Gesamtdruckverhältnis P1/P2 der Anlage die Verdichterleistung V stärker anwächst
bzw. fällt als die Leistung HT der Hochdruckturbine und unterhalb eines bestimmten
Druckverhältnisses die Hochdruckturbine mehr Leistung abgibt, als die- Verdichter
in Anspruch nehmen. Im einen Falle wird die Hochdruckturbine verzögert, im anderen
Falle wird sie beschleunigt. Bei allen Belastungsverhältnissen der Niederdruckturbine
stellt sich demnach das gleiche feste Gesarntdruckverhältnis und eine bestimmte
Drehzahl der Hochdruckturbine ein.
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Da nach vorstehendem auch die Ausführutig gemäß Abb. a trotz verschiedener
Vorteile gegenüber der zuerst behandelten Einwellenbauart noch nicht in jeder Hinsicht
zufriedenstellt, geht die Erfindung mit der Ausführung gemäß Abb. 3 noch einen Schritt
weiter. Hier sind im Vergleich zu der sonst übereinstimmenden anderen Anlage in
Zweiwellenbauart zusätzlich noch für beide Turbinen Um-. gehungsleitungen d bzw.
b vorgesehen; die ein in Abhängigkeit von dem jeweiligen Druckzustand in der Förderleitung
des Hochofengebläses z. B. mittels öldrucksteuerung betätigtes Ventil od. dgl. enthalten
und damit eine sogenannte, in anderem Zusammenhang an sich bekannte Bypaßregelung
ermöglichen. Für die Hochdruckturbine HT können an Stelle oder gemeinsam mit der
Leitung ca die oder eine der entsprechenden Leitungen a' bzw. a" vorgesehen sein,
so daß die regelbare Anzapfung der Zuleitung dieser Turbine, gegebenenfalls wahlweise,
hinter, in oder vor dem Lufterhitzer LE erfolgt.
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Bei Normalbelastung des Hochofengebläses arbeitet die Anlage nach
Abb.3 ohne Inanspruchnahme eines Bypasses; sie läuft dann mit dem bestmöglichen
Wirkungsgrad, was bei der Einwellenanordnung nach Abb. i in diesem am häufigsten
vorkommenden Betriebspunkt nicht der Fall ist. Da -die aufzumehrnenden Leistungen
eines Hochofengebläses einerseits bei Höchstlast und andererseit. bei Tiefstlast
nicht stark vom Normalpunkt abweichen, können diese Zustände ohne nennenswerten
Wirkungsgradabfall im Bypaßbetrieb bewältigt werden. Fällt die Leistung des Hochofengebläses
unter die Normalleistung, dann öffnet der Bypaß b; steigt die Leistung des Hochofengebläses
über die Normalleistung, dann öffnet der Bypaß a. Da eine Veränderung der Querschnitte
andere Drosselkurven der Turbinen bedingt, die Drehzahl der Hochdruckturbine aber
infolge der Netzfrequenz konstant bleibt, so ändert sich das Gesamtdruckverhältnis
in der Anlage geringfügig. Diese Zusammenhänge sind in dem Diagramm nach Abb. 5
veranschaulicht, in welchem als Ordinate das jeweilige Gesamtdruckverhältnis Pl/P2
der Anlage und als Abszisse das umlaufende Arbeitsmittelvolumen V aufgetragen ist.
Für den Normalpunkt einerseits und die Bypaßregelung der Hochdruck-bzw. der Niederdruckturbine
andererseits ergeben sich verschiedene Drosselkurven des Kreislaufs, welche die
Kennlinie der Kreislaufverdichter für die an die Netzfrequenz gebundene konstante
Drehzahl in den Punkten N, d und b schneiden. Legt man nun nach Abb.
6 den Normalpunkt N in den Bestpunkt der vom Druckverhältnis abhängigen Wirkungsgradlinie,
dann ändert sich der Wirkungsgrad auch bei Bypaßbetrieb nur ganz unwesentlich, wie
dort die entsprechenden Regelpunkte a bzw. b
erkennen lassen.
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Die zuletzt vorgeschlagene Art der Regulierung erlaubt also, eine
konstant dargebotene Gichtgasmenge bei veränderlicher Windmenge und veränderlichem
Winddruck in wirtschaftlich bestmöglicher Weise auszunutzen, indem. die Summe von
Gebläseleistung und Generatorleistung praktisch konstant ist. Außerdem bewirkt der
Bypaßbetrieb das sofortige Anpassen an die Leistungsschwankungen des Hochöfengebläses
und eine beliebige Aufteilung von Generator- und Gebläseleistung. Bei einer im Hüttenbetrieb
durch anderweitige Gasbedarfsspitzen zeitweilig verursachten verringerten Gichtgasanfall
für die Heißluftturbinenanlage kann der Bypaßbetrieb so eingestellt werden, daß
die verfügbare Gichtgasmenge dann ganz oder
nahezu ausschließlich
zur Winderzeugung herangezogen wird.
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Der Erfindungsgedanke läßt sich unter ähnlichen Voraussetzungen grundsätzlich
auch dann anwenden, wenn die betreffende Heißluftturbinenanlage mit einem anderen
Brennstoff als Gichtgas betrieben wird und die Nutzleistung der Hochdruck- bzw.
der Niederdruckturbine an andersartige Maschinen als einen Generator und eir Hochofengeblä
e abgegeben wird.