DE972972C - Gasturbinenanlage zur Erzeugung heisser Druckluft - Google Patents

Description

• Gasturbinenanlage zur Erzeugung heißer Druckluft Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenanlage zur Erzeugung heißer Druckluft, bei welcher die gesamte aus dein Kreislauf der Verdichtergruppe hinter dem von den Abgasen der Gasturbine beaufschlagten Luftvorwärmer abgezweigte Nutzluftmenge iln einer Expansionsturbine, die ihre Leistung an die Welle der Verdichtergruppe abgibt, auf den gewünschten Nutzluftdruck entspannt wird. Die Anlage weist zwei verschiedene, auf gleicher Welle angeordnete Turbinen zur Expansion der den Luftvorwärmer verlassenden Treibstoff und der abgezweigten Nutzdruckluft auf. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß die Nutzluftexpansionsturbine als Turbine mit variabler Schluckfähigkeit ausgebildet ist.
• Es sind Gasturbinenanlagen zur Erzeugung heißer Druckluft bekannt, welche die Nutzdruckluft in einem von der Gasturbine thermisch und pneumatisch völlig getrennten Verdichter unabhängig vom Gasturbinenkreislauf erzeugen. In anderen Anlagen wird die Luft in mindestens einem Verdichter auf höheren Druck gebracht, als dem Verbraucherdruck entspricht, hierauf durch indirekte äußere Wärmezufuhr in einem Erhitzer erhitzt und anschließend unter Leistungsabgabe in mindestens einer den Verdichter antreibenden Turbine expandiert. Ferner sind Gasturbinenanlagen bekannt, welche die Abzweigung der Nutzluftmenge hinter dem Luftvorwä,rmer, die Expansion der abgezweigten Nutzluftmenge in einer Expansionsturbine und die Anordnung der Expansionsturbine auf der Welle der Verdichtergruppe sowie die Anordnung zweier verschiedener Turbinen zur Expansion der Treibluft und der Nutzluft aufweisen.
• Gegenüber diesen bekannten Anlagen bietet die erfindungsgemäße Anlage mit ihren zwei verschiedenen Turbinen, wovon die eine eine in einem offenen Kreislauf arbeitende Gasturbine und di:.e andere eine Nutzluftexpansionsturbine mit variabler Schluckfähigkeit ist, verschiedene Vorteile, die nachstehend ausführlich dargelegt werden.
• Die variable Schluckfähigkeit der Expansionsturbine ist für die erfindungsgemäße Anlage von wesentlicher Bedeutung. Nur mit ihrer Hilfe lassen sich gewisse Schwierigkeiten überwinden, die beim Bau einer Gasturbinenanlage zur Erzeugung heißer Druckluft auftreten. Wenn nämlich eine Gasturbine ihre gesamte Nutzleistung in Form von heißer Druckluft abgibt, also z. B. nicht auch noch einen elektrischen Stromerzeuger antreibt, so stellt sich das Problem des Gleichgewichtes zwischen der Leistung abgehenden Gasturbine und dem Leistung aufnehmenden Gebläse ein. Da die von einem Axialgebläse aufgenommene Leistung kaum verändert werden kann, muß normalerweise das Leistungsgleichgewicht von der Gasturbine hergestellt werden. Das kann aber bei Verwendung üblicher Mittel nur geschehen durch Veränderung der Temperatur des Treibmittels am Eimaß der Gasturbine. Praktisch bedingt dies, daß diese Temperatur erheblich unter der maximal zulässigen gewählt werden muß, um allfällige Störungen des Leistungsgleichgewichtes an der Gruppe (z. B. wegen Verschmutzung der Maschinen oder wegen hoher Luftansaugetemperatur) jederzeit durch Erhöhung der Treibmitteltemperatur am Turbineneinlaß abfangen zu können. Diese durch die mangelnde Regelungsmöglichkeit der Expansionsturbine bedingte Temperaturreserve bringt natürlich auch bei Normallast eine wesentliche Verminderung des thermischen Wirkungsgrades der Anlage mit sich.
• Nur die Verwendung einer Expansionsturbine mit variabler Schluckfähigkeit im Luftweg erlaubt den Dauerbetrieb bei der höchstzulässigen Temperatur des Betriebsmittels am Einlaß der Turbine, weil diese Maßnahme es erlaubt, durch Veränderung der dem Prozeß entnommenen Luftmenge jederzeit das erwähnte Leistungsgleichgewicht herzustellen. Eine mit einer solchen Expansionsturbine versehene Anlage zur Erzeugung heißer Druckluft arbeitet denn auch wesentlich wirtschaftlicher als Anlagen bekannter Art.
• Die Zeichnung zeigt in der Form eines Schaltbildes als Ausführungsbeispiel eine einstufige Gasturbinenanlage gemäß der Erfindung.
• Es ist i ein Luftverdichter, z ein Luftvorwärmer, 3 eine Brennkammer und 4 eine Gasturbine. Diese Anlagetei:le sind durch Rohrleitungen in der angeführten Reihenfolge miteinander verbunden; ferner ist der Gasauslaß der Gasturbine mit dem Gaseintritt des Luftvorwärmers durch eine Rohrleitung verbunden.
• Eine weitere Rohrleitung verbindet den Luftauslaß des Luftvorwärmers a mit einer Expansionsturbine 5, die mit einer Einrichtung zur Regelung der sie durchfließenden Luftmenge versehen ist und deshalb als Organ für die Regelung der gesamten aus dem Kreislauf der Verdichtergruppe abgezweigten Nutzluftmenge dient. Diese Regelungsturbine kann z. B. mit verstellbaren Leitschaufeln oder, wie in der Zeichnung dargestellt, mit Düsengruppenventilen 6 versehen sein. Sie gibt ihre Leistung an die Welle der Verdichtergruppe i, ,4 ab. Bei 7 ist ein Anwurfmotor dargestellt.
• Um bei Regelungsvorgängen, bei denen die Schluckfähigkeit der Expansionsturbine 5 stark herabgesetzt wird, ein Pumpen des Verdichters i zu vermeiden, kann eine Umlaufleitung mit einem Regelventil 8 vorgesehen werden, welche Nutzluft in die Verdichterantriebsgasturbine 4 abströmen läßt.
• Die Nutzluft wird als heiße Druckluft, nachdem sie die Epansionsturbine durchströmt hat, der Anlage bei g entnommen. Sie kann als solche in irgendeinem Druckluftverbraucher, z. B. in einem chemischen Werk oder als Hochofenwind, Verwendung finden. Die Regelung der Anlage erfolgt mittels eines Druck- oder Mengenmessers io, der den Regelimpuls gibt für die Betätigung der Düsengruppenventile 6 der Expansionsturbine, des Regelventils 8 der Umlaufleitung und des Brennstoff-Regelventils i i in der Brennstoffzuleitung der Brennkammer.
• Dadurch, daß die Expansionsturbine bei veränderlicher Schluckfähigkeit ihre Leistung an die Welle der Verdichtergruppe abgibt, gelingt es, Unterschiede in der Leistungsabgabe der Gasturbine und der Leistungsaufnahme des Luftverdichters, die sich bei Abweichungen von der Normalleistung einstellen, auszugleichen. Dadurch wird es möglich, bei einem über einen weiten Bereich schwankenden Bedarf an Nutzluft die mit veränderlicher Drehzahl laufende Gasturbine mit der für sie zulässigen Höchsttemperatur der Verbrennungsgase zu betreiben und somit gute Teillastwirkungsgrade der Anlage zu erreichen. Durch Veränderung der Schluckfähigkeit der Expansionsturbine kann schließlich auch die Drehzahl und damit die Fördermenge des Luftverdichters sehr rasch verändert werden, wodurch eine gute Anpassung der Anlage an stark wechselnde Nutzlufterfordernisse, wie sie etwa im Stahlwerkbetrieb auftreten, erreicht wird.
• Gasturbinen mit veränderlicher Schluckfähigkeit, die entweder mit verstellbaren Leitschaufeln oder mit Düsengruppenventilen versehen sind, sind an sich bekannt. Eine solche Turbine ist somit nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung, sondern nur deren Verwendung in Verbindung mit der beschriebenen Anlage.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH: Gasturbinenanlage zur Erzeugung heißer Druckluft, bei welcher die gesamte aus dem Kreislauf der Verdichtergruppe hinter dem von den Abgasen der Gasturbine beaufschlagten Luftvorwärmer abgezweigte Nutzluftmenge in einer Expansionsturbine, die ihre Leistung an die Welle der Verdichtergruppe abgibt, auf den gewünschten Nutzluftdruck entspannt wird, mit zwei verschiedenen, auf gleicher Welle angeordneten Turbinen zur Expansion der den Luftvorwärmer verlassenden Treibluft und der abgezweigten Nutzdruckluft, dadurch gekennzeichnet, daß die Nutzluftexpansionsturbine (5) als Turbine mit variabler Schluckfähigkeit ausgebildet ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 893 594 739 117, 727:250; schweizerische Patentschriften Nr. 255 2I4, 244 430, 244 429; Stahl und Eisen, 1944, Nr. 13, S.:203. In Betracht gezogene ältere Patente: Deutsches Patent Nr. 970 711-