-
Verfahren zum Betrieb einer industriellen Anlage, in der eine Luftzufuhr
benötigt wird und heiße Abgase anfallen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum
Betrieb einer industriellen Anlage, in der eine Luftzufuhr benötigt wird und heiße
Abgase anfallen, wobei die in diesen enthaltene Abwärme zur Erhitzung eines gasförmigen
Arbeitsmittels dient, das hernach sich in einer Turbine entspannt. Die Abgase können
hierbei von einem Ofen oder einer Feuerung anfallen, wobei die Luftzufuhr für den
Verbrennungsprozeß benötigt wird.
-
:Ulan hat bereits die Eintrittstemperatur des Arbeitsmittels in die
Turbine und damit auch die Temperatur des die Turbine verlassenden Arbeitsmittels
bei veränderlicher Belastung der industriellen Anlage durch Beeinflussung einer
zusätzlichen, das-Arbeitsmittel vor dem Eintritt in die Turbine erhitzenden Feuerung
geregelt. Bei dieser bekannten Anlage handelt es sich um eine offene Gasturbinenan:lage,
in der die Abwärme der industriellen Anlage ausgenutzt wird und das die Turbine
nach der Entspannung verlassende Arbeitsmittel dieser offenen Gasturbinenanlage
unmittelbar als Verbrennungsluft für den Kessel bzw. die industrielle Anlage verwendet
wird. Diese Anlage erlaubt keine genügend wirtschaftliche Anpassung an, unterschiedliche
Betriebsverhältnisse der industriellen Anlage.
-
Der Zweck der Erfindung ist es nun, eine weitere Vrrbesserung der
Wirtschaftlichkeit einer solchen Anlage bei gleichzeitiger Regelbarkeit der Temperatur
der für den Verbrennungsprozeß zugeführten Luft zu erreichen. Die Erfindung benutzt
unterschiedlich zu der vorbekannten Anlage zum
Betrieb der industriellen
Anlage eine geschlossene Gasturbinenanlage, wobei das die Turbine nach der Entspannung
verlassende und einen geschlossenen Arbeitskreislauf beschreibende Arbeitsmittel
Wärme in einen Wärmeaustauscher an die in. der industriellen Anlage benötigte Luft
überträgt. Hierdurch wird erreicht, daß die umlaufende Arbeitsmittelmenge von der
Menge der der industriellen Anlage zugeführten Verbrennungsluft unabhängig ist und
durch die bei diesen geschlossenen Gasturbinenanlagen mögliche einfache Druckpegelregelung
mit dem gegenüber den offenen Anlagen besseren Teillastwirkungsgrad eine bessere
und wirtschaftlichere Anpassung an unterschiedliche Betriebsverhältnisse der industriellen
Anlage erzielt werden kann. Die erfindungsgemäße Anlage läßt sich somit besser an
verschiedene Verhältnisse bezüglich anfallender Abwärme, Energiebedarf der Gasturbinenanlage
und Menge der aufzuwärmenden Verbrennungsluft anpassen..
-
Die Zeichnung zeigt in vereinfachter Darstellungsweise einige beispielsweise
Ausführungsformen von Anlagen zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, an
Hand welcher auch das Verfahren beispielsweise erläutert wird. Es zeigt Fig. i eine
Anlage, bei welcher das die Turbine verlassende Arbeitsmittel außerdem einen Teil
seiner Wärme noch gleichzeitig an Luft abgeben kann, die außerhalb der industriellen
Anlage benötigt wird, Fig. z eine Anlage, bei welcher das gesamte die Turbine verlassende
Arbeitsmittel auch Wärme an das verdichtete Arbeitsmittel des Kreislaufes abgibt,
Fig. 3 eine Anlage, bei der nur ein Teil des die Turbine verlassenden Arbeitsmittels
auch Wärme an das verdichtete Arbeitsmittel des Arbeitskreislaufes abgibt und Fig.
4. eine Anlage, bei der ein Teil des die Turbine -verlassenden Arbeitsmittels auch
Wärme an einen Teil des verdichteten Arbeitsmittels des Arbeitskreislaufes abgibt.
-
In Fig. i bezeichnet i einen Ofen, der eine Zufuhr von Luft benötigt,
die durch ein von einem Motor z angetriebenes Gebläse 3 geliefert wird und zur Verbrennung
von durch eine Leitung 4 dem Ofen zugeführtem Brennstoff dient. Heiße Abgase, die
den Ofen i durch eine Leitung 5 verlassen, geben die Abwärme in- einem Erhitzer
6 an ein gasförmiges Arbeitsmittel ab, welches einen Arbeitskreislauf beschreibt,
wobei es sich nach der Erhitzung in einer Turbine 7 entspannt, darauf einen Wärmeaustauscher
8 durchläuft und nach Verdichtung in einem Verdichter 9 wieder in den Erhitzer 6
gelangt, womit der Kreislauf durchlaufen ist. Der überschuß der Leistung der Turbine
7 über die vom Verdichter 9 aufgenommene Leistung wird als Nutzleistung an einen
elektrischen Stromerzeuger io abgegeben. Durch den Wärmeaustauscher 8 strömt auch
die von :dem Gebläse 3 geförderte, vom Ofen i benötigte Frischluft, -und zwar im
Gegenstrom zum Arbeitsmittel- des Arbeitskreislaufes, wie dies durch in die Figur
eingetragene Pfeile angedeutet ist. Das die Turbine 7 verlassende Arbeitsmittel
gibt somit Wärme an die im Ofen i benötigte Luft ab.
-
Je nach der Belastung des Ofens i kann die von ihm benötigte Luftmenge,
die durch das Gebläse 3 zu liefern ist, sich verändern. Damit verändert sich aber
auch die Wärmemenge, die im Wärmeaustauscher 8 von dem die Turbine 7 verlassenden
Arbeitsmittel an die vom Ofen i benötigte Luft abzugeben ist, um eine vorgegebene
Temperatur dieser Luft zu erreichen.
-
Die an die von der industriellen Wärmeanlage benötigte Luft abgegebene
Wärmemenge wird nun dadurch geregelt, daß eine zusätzliche, das Arbeitsmittel vor
dem Eintritt 'in die Turbine erhitzende Feuerung 15 vorgesehen ist und daß die Eintrittstemperatur
des Arbeitsmittels in die Turbine und damit auch die Temperatur des die Turbine
verlassenden Arbeitsmittels bei veränderlicher Belastung .der industriellen Wärmeanlage
durch Beeinflussung dieser Feuerung geregelt wird. Diese Feuerung kann durch einen
von der Veränderung der Temperatur der an einer Stelle 16 zum Ofen i strömenden
Luft ausgehenden, an einer Stelle 17 auf die Brennstoffzufuhr einwirkenden Regelimpuls
beeinflußt werden.
-
Falls die durch das Gebläse 3 von der Atmosphäre geförderte Luft relativ
tiefe Temperatur hat, wird auch das Arbeitsmittel aus dem Wärmeausta.uscher 8 mit
tiefer Temperatur austreten, und es kann dann zweckmäßig unmittelbar dem Verdichter
9 zugeführt werden. Bei etwas höherer Temperatur der durch das Gebläse 3 geförderten
Luft wird die Austrittstemperatur des Arbeitsmittels aus dem Wärmeaustauscher 8
auch höher sein, und es ist dann vorteilhaft, das die Turbine 7 verlassende Arbeitsmittel
nach Abgabe von Wärme an die in der industriellen Wärmeanlage benötigte Luft vor
der Wiederverdichtung in einem in Fig. i dargestellten Kühler 18 durch an einer
Stelle i9 zufließendes Kühlwasser noch weiter zu kühlen. Damit wird die vom Verdichter
9 aufgezehrte Verdichtungsleistung vermindert und somit die an den Nutzleistungsempfänger
io abgegebene Leistung erhöht.
-
Falls noch ein weiterer Bedarf an heißer Luft als z. B. nur in einem
Ofen i vorliegt, so kann das die Turbine verlassende Arbeitsmittel einen Teil seiner
Wärme noch gleichzeitig an Luft abgeben, die außerhalb der industriellen Anlage
für andere Zwecke als für die Verwendung im Ofen i, dessen Abwärme im Arbeitskreislauf
ausgenützt wird, benötigt wird. Solche Luft kann beispielsweise durch eine in Fig.
i . eingetragene, mit einem Absperrorgan 2o versehene Leitung von der durch das
Gebläse 3 geförderten und im Wärmeaustauscher 8 erwärmten Luft abgezweigt werden.
Bei der Anordnung nach Fig. i wird die für andere Zwecke benötigte Luft erst nach
voller Erwärmung im Wärmeaustauscher abgezweigt. Falls aber für die abgezweigte
Luft eine geringere Temperatur verlangt wird als für die von der industriellen Wärmeanlage
benötigte
Luft, so kann die erstgenannte Luft auch schon nach teilweiser Erwärmung im Wärmeaustauscher
8 abgezweigt werden.
-
Es kann vorkommen, daß für die Erwärmung der in der industriellen
Anlage benötigten Luft und von allfällig noch anderswo benötigter Luft eine geringere
Wärmemenge erforderlich ist als jene, die in dem die Turbine verlassenden Arbeitsmittel
zur Verfügung steht. Dann wird das Arbeitsmittel des Kreislaufes durch die vorzuwärmende
Luft nur ungenügend abgekühlt, so daß entweder eine erhöhte Leistung verbraucht
wird, um das entspannte Arbeitsmittel wieder zu verdichten und die verbleibende
Nutzleistung sich entsprechend vermindert oder eine verhältnismäßig große Wärmemenge
vor der Verdichtung in einem Kühler ungenützt weggeführt werden muß.
-
Eine weitere Verbesserung der Wirtschaftlichkeit wird dann dadurch
erreicht, daß das die Turbine verlassende Arbeitsmittel auch Wärme an verdichtetes
Arbeitsmittel des Arbeitskreislaufes abgibt.
-
Dieses Verfahren kann dabei in der Weise ausgeübt werden, daß das
gesamte die Turbine verlassende Arbeitsmittel in aufeinanderfolgender Weise Wärme
an die in der industriellen Anlage benötigte Luft und an verdichtetes Arbeitsmittel
des Arbeitskreislaufes abgibt. Es ist hierbei an sich unerheblich, ob die Wärmeabgabe
an die in der industriellen Anlage benötigte Luft der Wärmeabgabe an verdichtetes
Arbeitsmittel des Arbeitskreislaufes vorangeht oder nachfolgt oder ob beide Wärmeabgaben
in wechselnder Folge verlaufen. Zweckmäßigerweise gibt dabei das die Turbine verlassende
Arbeitsmittel nach dem Austritt aus der Turbine nacheinander Wärme an die in der
industriellen Anlage benötigte Luft, darauf an verdichtetes Arbeitsmittel des Arbeitskreislaufes
und danach wieder an die in der industriellen Anlage benötigte Luft ab. Bei einem
solchen Verfahren hat man den Vorteil, daß einerseits die in der industriellen Anlage
benötigte Luft nahezu bis zur Austrittstemperatur des Arbeitsmittels aus der Turbine
vorgewärmt werden kann und andererseits dieses Arbeitsmittel auf- eine möglichst
tiefe Temperatur abgekühlt wird, so daß es unter Umständen möglich ist, auf eine
weitere Vorkühlurng des Arbeitsmittels vor dessen Verdichtung. zu verzichten.
-
Eine andere Ausübungsweise des Verfahrens, bei dem das die Turbine
verlassende Arbeitsmittel auch Wärme an verdichtetes Arbeitsmittel. des Arbeitskreislaufes
abgibt, besteht darin, daß nur ein Teil des die Turbine verlassenden Arbeitsmittels
diese Wärme abgibt. Zweckmäßigerweise wird dabei dieser Teil des die Turbine verlassenden
Arbeitsmittels dem restlichen Teil vor dessen vollständiger Abkühlung durch die
in der industriellen Anlage benötigte Luft wieder beigemengt.
-
Der Teil des die Turbine verlassenden Arbeitsmittels, welcher Wärme
an verdichtetes Arbeitsmittel des Arbeitskreislaufes abgibt, kann diese Wärme an
das gesamte verdichtete Arbeitsmittel abgeben. Um verdichtetes Arbeitsmittel auf
eine möglichst hohe Temperatur zu erwärmen, ist es aber zweckmäßig, so zu verfahren,
daß das verdichtete Arbeitsmittel des Arbeitskreisfaufes, an das ein Teil des die
Turbine verlassenden Arbeitsmittels Wärme abgibt, nur einen Teil der gesamten verdichteten
Arbeitsmittelmenge beträgt. Des weiteren ist es von Vorteil, daß "der Teil der verdichteten
Arbeitsmittelmenge, an welchen von einem Teil des die Turbine verlassenden Arbeitsmittels
Wärme abgegeben wurde, erst wieder der restlichen verdichteten Arbeitsmittelmenge
beigemengt wird, bevor diese vollständig durch die Abwärme der in der industriellen
Anlage anfallenden heißen Abgase vorgewärmt wurde.
-
In den Fig. 22,3 und q., welche beispielsweise Ausführungsformen
von Anlagen darstellen, bei welchen das die Turbine verlassende Arbeitsmittel auch
Wärme an verdichtetes Arbeitsmittel des Arbeitskreislaufes abgibt, bezeichnet 21
einen Ofen. der Luft benötigt, die durch eine Leitung 22 ZU-geführt wird. Mit 23
ist eine Leitung bezeichnet, durch welche Brennstoff zugeführt wird. Heiße Abgase
verlassen den Ofen durch eine Leitung 24 und geben die Abwärme in einem Erhitzer
25 an gasförmiges Arbeitsmittel ab, welches einen Arbeitskreislauf beschreibt, wobei
es sich nach der Erhitzung sowohl durch die heißen Abgase mittels des Erhitzers
25 als auch durch die Zusatzfeuerung i $ in einer Turbine 26 entspannt. In einem
Verdichter 27 wird das entspannte Arbeitsmittel des Arbeitskreislaufes wieder verdichtet@DerLeistungsüberschuß
der Turbine 26 über die Leistungsaufnahme des Verdichters 27 wird als Nutzleistung
an einen elektrischen Stromerzeuger 28 abgegeben. Bei der in Fig.2 dargestellten
Anlage durchläuft das die Turbine 26 verlassende Arbeitsmittel einen Wärmeaustauscher
29, wobei es Wärme an die in der industriellen Anlage benötigte Luft abgibt, und
gelangt hernach in einen Wärmeaustauscher 30, in welchem es Wärme an in einer Leitung
31 zuströmendes verdichtetes Arbeitsmittel des Kreislaufes abgibt. Hernach
gelangt das die Turbinie verlassende Arbeitsmittel in einen Wärmeaustauscher 32,
in welchem es nochmals Wärme an die in der industriellen Anlage benötigte Luft abgibt.
Das die Turbine 26 verlassende Arbeitsmittel gibt somit in aufeinanderfolgender
Weise Wärme an die in der industriellen Anlage benötigte Luft und an verdichtetes
Arbeitsmittel des Arbeitskreislaufes ab, und zwar in der Weise, daß es nach dem
Austritt aus der Turbine nacheinander Wärme an die in der industriellen Anlage benötigte
Luft, darauf ein verdichtetes Arbeitsmittel des Arbeitskreislaufes und danach wieder
an die in der industriellen Anlage benötigte Luft abgibt.
-
Bei der in Fig. 3 dargestellten Anlage wird von dem die Turbine 26
verlassenden Arbeitsmittel ein Teil abgezweigt und durch eine Leitung 33 einem Wärmeaustäuscher
34 zugeführt, in dem dieser Teil des Arbeitsmittels Wärme an das durch die Leitung
3 1 zuströmende verdichtete Arbeitsmittel abgibt. Der andere Teil des die
Turbine verlassenden
Arbeitsmittels gibt in einem Wärmeaustauscher
35 Wärme an die in der industriellen Anlage benötigte Luft ab. Der Wärme an das
verdichtete Arbeitsmittel abgebende Teil des die Turbine 26 verlassenden Arbeitsmittels
wird an einer Stelle 36 dem Teil des die Turbine verlassenden Arbeitsmittels, welcher
Wärme an die in der industriellen Anlage benötigte Luft abgibt, vor dem Austritt
aus dem Wärmeaustauscher 35 wieder beigemengt. Es gibt somit nur ein Teil des die
Turbine verlassenden Arbeitsmittels Wärme an verdichtetes Arbeitsmittel des Arbeitskreislaufes
ab, und dieser Teil wird ferner dem restlichen Teil vor dessen vollständiger Abkühlung
durch die in der industriellen Anlage benötigte Luft wieder beigemengt.
-
Bei der in Fig.4 dargestellten Anlage wird wiederum "von dem die Turbine
26 verlassenden Arbeitsmittel durch eine Leitung 37 ein Teil abgezweigt, welcher
in einem Wärmeaustauscher 38 Wärme an verdichtetes Arbeitsmittel des Arbeitskreislaufes
abgibt und an einer Stelle 39 wieder dem restlichen Teil des die Turbine verlassenden
Arbeitsmittels beigemengt wird, nadhdem dieser in einem Wärmeaustauscher 40 Wärme
an die von der industriellen Anlage benötigte Luft abgegeben hat. Mit 41 ist ferner
ein Kühler bezeichnet, in welchem das entspannte Arbeitsmittel vor Eintritt in den
Verdichter 27 noch weiter gekühlt wird. Das durch den Wärmeaustauscher 38 strömende
verdichtete Arbeitsmittel wird von der gesamten den Verdichter 27 verlassenden verdichteten
Arbeitsmittelmenge an einer Stelle 4:2 abgezweigt und mit dem übrigen Teil an einer
im Erhitzer 25 gelegenen Stelle 43 wieder beigemengt. Das verdichtete Arbeitsmittel
des Arbeitskreislaufes, an das ein Teil des die Turbine verlassenden Arbeitsmittels
Wärme abgibt, beträgt somit nur einen Teil der gesamten verdichteten Arbeitsmittelmengc,
und ferner wird dieser Teil der verdichteten Arbeitsmittelmenge erst wieder 'der
restlichen verdichteten Arbeitsmittelmenge beigemengt, bevor diese vollständig durch
Abwärme der in der industriellen Anlage anfallenden heißen Abgase vorgewärmt wurde.
.
-
In Anlagen, bei denen Abwärme aus festen Rückständen, wie Hochofenschlacken,
oder aus festen Gütern, wie Glühkoks, Masseln u.. dgl., anfällt, kann die in der
industriellen Anlage benötigte Luft zur Kühlung eines solchen Stückgutes verwendet
werden. Bei Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gibt dann zweckmäßigerweisedas
die Turbine verlassende Arbeitsmittel Wärme an die in der industriellen Anlage benötigte
Luft ab, nachdem diese Luft zuvor zur Kühlung eines Stückgutes verwendet worden
ist. Die Wärmeübertragung vom Stückgut zu der in der industriellen Anlage benötigten
Luft kann dabei unmittelbar oder, insbesondere wenn eine chemische Reaktion zwischen
der Luft und dem Stückgut verhindert werden soll, mittelbar durch ein inertes Gas
als Zwischenwärmeträger erfolgen.
-
Eine Einrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens ist beispielsweise
im Zusammenhang mit einer Anlage, bei der das die Turbine verlassende Arbeitsmittel
auch Wärme an verdichtetes Arbeitsmittel des Arbeitskreislaufes, abgibt, in Fig.
-. dargestellt. Mit 44 ist hier ein Wärmeaustauschapparat bezeichnet, bei dem heißes
Stückgut an einer Stelle 45 eintritt und an einer Stelle 46 wieder austritt. Es
kühlt sich im Wärmeaustauschapparat 4.,4 ab, indem es seine Wärme an die durch die
Leitung 22 dem Ofen 21 zuströmende Luft vor deren Eintritt in den Wärmeaustauscher
4o abgibt. Das die Turbine 26 verlassende Arbeitsmittel gibt somit im Wärmeaustauscher
4o Wärme an die in der industriellen Anlage benötigte Luft ab, nachdem diese Luft
zuvor im Wärmeaustauschapparat 44 zur Kühlung eines Stückgutes verwendet worden
ist.