DEP0007757MA - - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

Tag der Anmeldung: 31. Mai 1952 B'ekanntgemacht am 4. Oktober 1956

DEUTSCHES PATENTAMT

Die Erfindung betrifft Gasturbinenanlagen! zur Erzeugung eines kontinuierlichen Heißdruckluftstromes. . ..,

Ein Hauptanwendungsgebiet solcher Anlagen. ist die Heißwindbelieferung von Hochöfen oder sonstigen Schmelzöfen; doch kommen auch andere Anwendungsgebiete in Betracht, beispielsweise chemische Verfahren, bei denen eine kontinuierliche Förderung von heißer Druckluft benötigt wird.

ίο Ein moderner Hochofen muß kontinuierlich mehrere Jahre lang in Betrieb sein und kann nahezu 45 kg/sec erhitzter Luft, beispielsweise von 650° C und mit einem Druck von etwa 2 kg/cm², verbrauchen. Zur Zeit ist es durchaus üblich, in Stahlwerken nahezu die Hälfte des Hochofengases für den Antrieb der Gebläse und für das Erwärmen der Luft zu benutzen. Der Grundibrennstoff für derartige. Werke ist Koks, so daß selbst eine kleine Verbesserung des Wirkungsgrades der Gebläseanlagen eine erhebliehe Einsparung an Koks zur Folge hat. In den modernen Stahlwerken besteht die Gebläseanlage aus Zentrifugalgebläsen, welche über Dampfturbinen angetrieben werden', während die Luftvorwärmung in großen Regeneraitiverhitzern, bekannt als Cowperwinderhitzer, vor sich geht.

Die Hilfsanlage besteht daher oft aus a) drei Regenerativwinderhitzern, . von denen zwei normalerweise in Betrieb sind ^: und ,einer als Reserve dient, und zwar je mit Gebläsen und Umschalt-

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ventilen, b) zwei Dampfkesseln, einer in Betrieb und einer als Reserve, c) einem Kondensatordampfturbogebläse, d) einem Kühlturm, wenn keine ausreichende Wasserbelieferung zur Verfügung steht. Der in den letzten Jahren erfolgte Fortschritt im Bau von Gasturbinen veranlaßt, den Ersatz von solchen Hochofenwindgebläseeinrichtungen durch Gasturbinenanlagen zu betrachten. Es sind Vorschläge bekanntgeworden, die Zentrifugadgeblase von einer Gasturbine statt einer Dampfturbine antreiben, zu lassen, ferner Brenngase, nachdem sie etwas in einer Gasturbine entspannt worden sind, als Heißwind auszunutzen und schließlich einen Luftiverdichter in einer Zwischenstufe anzuzapfen öder den Ausgang eines Luftverdichters zu unterteilen, uim einen Luftstrom zu erzeugen, welcher später als Heißwind zur Anwendung kommt. Derartige Vorschläge haben die Cowperwinderhiitzer beibehalten, wenn auch andererseiits verschiedene abweichende Erhitzerausführungsiformen vorgeschlagen und bekannt wurden. Die meisten bekannten Vorschläge betrafen verwickelte Arbeitskreisläufe mit Zweiwellenanlagen. Um wirtschaftlich zu sein, erscheint es jedocherforderlich, daß Gasturbinenanlagen für die Belieferung eines Hochofens mit Wind nicht nur die Regenerativerhitzer entbehrlich machen müssen, sondern daß sie eine ebenso gute Liefercharakiteristik aufweisen müssen wie die jetzt benützten, von Dampfturbinen angetriebenen Gebläse. Sie müssen ferner ein gutes Teillastverhalten haben, anpassungsfähig im Betrieb und schließlich so einfach wie möglich sein. Erfindungsgemäß setzt sich eine Gasturbinenanlage für die Erzeugung eines kontinuierlichen Heißdruckluftstromes, z. B. eines Hochofenheißwindes, zusammen aus einer Strömungsverdichtereinrichtung, deren Fördermenge stromabwärts derselben in verschiedene Ströme aufgeteilt wird, aus einem kontinuierlich betriebenen indirekten, Luftwärmer zur Erhitzung des einen Teilluftstromes, der als heiße Nutzdruckluft der Anlage entnommen wird, aus einer Wärmequelle für den Luftwärmer, aus wenigstens einer Brennkammer, welche durch den anderen Teilluftstrom mit Brennluft versorgt wird, und aus einer Gasturbine, in weither die Verbrennungsgase der Brennkammer entspannt werden und welche die Verdichter antreibt. Die Anlage ist in erster Linie durch eine Lufttiurbine gekennzeichnet, im welcher die Nutzdruckluft auf einen beträchtlich unter dem. Druck der Verbrennungsluft liegenden Druck entspannt wird.

Die Luftturbine kann auch zum Verdichterantrieb herangezogen werden und wird vorzugsweise im* Arbeitskreislauf stromaufwärts des Luftwärmers angeordnet.

Eine zweite Brennkammer, welche Verbrennungsgase für die Turbine 'liefert, ist vorgesehen. Von den beiden Brennkammern erzeugt die erste ebenfalls Heißgase für die Erwärmung der Nutzdruckluft im Luftwärmer. Die erste Brennkammer, der Luftwärmer und die zweite Brennkammer sind in Reihe hintereinandergeschaltet. Alternativ kann die zweite Brennkammer unmittelbare Luft von der Verdichtereinrichtung her über eine weitere-Leitung erhalten.

In der schweizerfischen Patentschrift 244 430 ist die Verwendung einer Gasturbinenanlage zum Antrieb eines Verdichters beschrieben, der einen nicht unterteilten Ausgang aufweist. Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich von der bekannten Anlage, deren Verdichterfördermenge nicht unterteilt wird, dadurch, daß die Fördermenge in Teilströme zerlegt wird, und bringt außerdem einen technischen Fortschritt: mit sich, da bei der in der schweizerischen Patentschrift 244 430 gezeigten. Anlage die Heißwindmenge nicht innerhalb eines großen Bereiches geändert werden kann. Die untere - Grenze des Heißwinddruckes ist abhängig von der Leerlauf drehzahl des Verdichter-Turbinen-Satzes. Dieser Druck muß außerdem größer als. der atmosphärische Druck sein, da die Entnahme für den Hochofen bei einem Druck erfolgt, der höher als. derjenige der Brennluft ist. Die obere Grenze des Heißwinddruckes liegt beträchtlich unterhalb des Förderdruckes: des Verdichters. Weiterhin zeigt die schweizerische Patentschrift 244 430 einen Entnahmeverdichter. Die Entfiahmeluft wird durch einen Erhitzer hinh durch und von dort nach dem Hochofen geführt, wobei keine Luftturbine im Entnahmeluftstrom vorgesehen ist. Hierdurch unterscheidet sich die Erfindung von dieser bekannten Anlage und bringt außerdem einen wesentlichen technischen Fortschritt mit sieb, da die Anpassungsfähigkeit bzw. Regelmöglichkeit im Betrieb erfindungsgemäß erheblieh größer ist als bei der bekannten Anlage. Bei einer Ausführungsform nach der schweizerischen Patentschrift 244 430 muß der Druck des Heißwindes stets gleich dem Förderdruck des Verdichters- sein, welcher Druck kleinen Druckverlusten in der Erhitzerschlange 16 ausgesetzt ist, und daher kann dort kein Druckheißwind erzeugt werden, der über einen großen Bereich hinweg veränderlich ist;, da der Verdichter-Turbinen-Satz bei einer bestimmten Mindestdrehzahl arbeiten muß, unterhalb welcher der Satz nicht mehr in Betrieb gehalten werden kann und oberhalb welcher ein schlechter Wirkungsgrad erzielt wird.

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

Fig. ι ein Kreislaufschaltbild einer Gasturbinenanlage mit einem Luftwärmer, der eine Niederdruckfeuerung hat, ,

Fig. 2 ein Schaltbild ähnlich demjenigen nach Fig. i, jedoch mit einem kleineren Luftwärmer,

Fig. 3 ebenfalls eine Gasturbinenanlage, die sich von denjenigen nach den Fig. 1 und 2 dadurch unterscheidet, daß zwei Brennkammern und ein mit im Feuerungs- bzw. Heißgasteil mit Überdruck arbeitender Luftwärmer vorgesehen sind und daß eine Zumischung von Luft in der Gasturbinenanlage erfolgt, während

Fig. 4 ein Schaltbild ähnlich demjenigen nach Fig. 3 wiedergibt, wobei jedoch die zweite Btrenn-r kammer an eine andere Stelle gerückt ist.

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■ Im Schaltbild nach Fig. I₁ strömt Atmosphärenluft, welche durch dem Strömungskompressor ι verdichtet wird, zumachst durch die Wärmeaufnahmeseite eines Wärmeaustauschers 2. St.romungsabwärts davon wird die Luft in zwei Teilströme auf geteilt,· von denen der eine durch die Leitungen 3 hindurchfließt, bevor -er in der Turbine 4 entspannt wird. Der andere Teilstrom fließt durch die Leitung 5 als Brennluft zur Brenn-

kammer 6. Der erste Teilstrom wird in der Rufanlage eines Luftwärmers 7 mittelbar erwärmt, das zu erwärmende Arbeitsmittel wird getrennt vom .Heißgasstrom geführt. Der Luftwärmer besteht vorzugsweise aus einer Rohrschlange oder einer Rohrschlangenanlage in einem Gehäuse, durch die die zu erwärmende Luft strömt und dabei Wärme aufnimmt, dadurch, daß Brennstoff im Gehäuse, jedoch außerhalb der Rohre verbrannt wird. Derartige Luftwärmer werden beispielsweise bei geschlossenen Gasturbinenanlagen- verwendet. Die erhitzte Luft liefert bei ihrer Entspannung in der Turbine 4 Nutzleistung für den Antrieb des Verdichters" 1. Die aus der Turbine abströmende Luft wird in einer Rohranlage des gleichen oder eines weiteren Lufterwärmers ebenfalls mittelbar auf die Temperatur wiedererwärmt, welche für den Heißwind benötigt wird, der demHochofen od. dgl. über die Rohrleitung 8 zuströmt.

Der zweite Teilluftstrom, der an, der Gabelung am Verdichterausgang abgezweigt ist, wird als Verbrennungsluft für die Brennkammer 6 benutzt, , deren Verbrennungsgase eine Gasturbine 11 beaufschlagen, die auf der gleichen Welle wie der Luftkompressor-Lüftiturbinen-Satz 1, 4 sitzt. Die Abgase der Gasturbine 11 werden über eine Rohrleitung der Feuerung im Gehäuse des Luftwärmers zugeführt, wo sie Wärme abgeben. Der gegebenenfalls vorhandene Sauerstoff oder Luft gehalt der Abgase kann dann die Verbrennung unterstützen oder fördern.

Die Anlage verbraucht Gichtgas vom Hochofen, welches nach erfolgter Reinigung dem Strömungsgasverdichter 9 zugeführt und von diesem verdichtet wird, um, dann in die Brennkammer 6 zu gelangen und darin verbrannt zu werden. Ein besonderer Teilstrom des Gichtgases wird dem Luftwärmergehäuse bei 19 zugeführt, wobei Friscbluft zur Unterstützung oder Aufrechterhaltung der Verbrennung bei 20 zugeliefert wird. Die Rauchgase des Luftwärmers werden über die Rohrleitung 17 der Heiß seite 18 des Wärmeaustauschers 2 zugeführt, in welchem sie die Gesamtluftfördermenge des Verdichters 1 vorwärmen.
Die Abmessungen des Luftwärmers können dadurch beträchtlich herabgesetzt werden, daß derjenige Teil fortgelassen wird, in welchem die Nutzdruckluft vor der Entspannung in der Turbine 4 erhitzt wird. Die Gesamtfördermenge des Verdichters strömt vor ihrer Aufteilung in' ver-

,60 schiedene Teilströme durch die Wärmeaufnahmeseite des Wärmeaustauschers 2. Danach wird sie sofort auf die beiden Rohrleitungsanlagen 3 und 5 aufgeteilt. Der eine Teil des Luftwärmers ist dann nicht' mehr erforderlich. Doch hat selbst dann ein Luftwärmer, der mit Atmosphärendruck im Feuerüngsteil arbeitet, stets einen großen Raumbedarf und wird damit teuer in; der Herstellung und in der Errichtung; Dieser Nachteil fällt bei dem abgeänderten Anlageausführungsformen gemäß den Fig. 3 und 4 fort.

Aus Fig. 3¹ ist ersichtlich, daß der Hauptaufbau der vorbeschriebenen Anlageausführungsform zwar beibehalten wurde, daß aber die Verbrennungsgase der Brennkammer 6 nun als Wärmequelle für den Luftwärmer 7 dienen. Diese Gase stehen unter erhöhtem¹ Druck und weisen eine höhere Temperatur auf, so daß der Luftwärmer auch im Feuerungsteil mit Überdruck arbeitet. Er kann daher bedeutend kleiner als bei den vorerwähnten Ausführungsbeispielen sein. Eine zusätzliche Brennkammer 10 ist s'trömungsabwärts 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 indie Kammer 6 gefördert, so daß weiterer gasförmiger Brennstoff, der der Kammer ι ο zugeführt wird, darin verbrannt wird. Die heißen Gase sowohl aus dieser Kammer als auch aus der Kammer 6 expandieren in der Turbine 11. Die Abgase dieser Turbine durchströmen den Wärmeaustauscher 2.

Um eine Verbesserung bei Teillast der Anlage zu erzielen, ist eine Nebenleitung 12 vorgesehen. Durch diese kann ein weiterer Teilluftstrom vom Luftverdichterausgang abgezweigt und entweder der . Brennkammer 10 oder sofort strömungsabwärts davon der Treibgas leitung der Gasturbine 11 zugeführt werden. Die letztere Anordnung ist dargestellt. Der Ne'benschlußstrom wird durch das Ventil 13' eingeregelt, so daß die Menge der Verdünnungs- oder Mischluft durch diese Verbindung hindurch größer oder kleiner gemacht werden kann.

Das Ausiführungsbeispiel nach Fig. 4 ist insoweit etwas abgewandelt worden, als die zweite Brennkammer, hier mit io_a bezeichnet, aus dem direkten Strömungsweg der Gase von der Brennr kammer 6 über den Luftwärmer 7 zur Turbine 11 herausgenommen und statt dessen in der Neben^ leitung 12 angeordnet ist. Die Brenngase und der etwaige Luftüfoerschuß werden dem Einlaß der Gasturbine 11 wie zuvor übermittelt.

Eine Anlage gemäß entweder Fig. 3 oder¹ Fig. 4 kann so betrieben werden, daß die Verbindung 12 weit offengehalten wird und daß die Brenkammer

10 oder io_fl 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 dem Treibgas der Turbine 11 zugemischt wird, dann sind die Gase, welche die Brennkammer 6 verlassen, auf einer höheren Temperatur, als- sie von der Turbine

11 benötigt werden. Die Mischluft setzt die Temperatur der Gase heraSb, welche die Turbine 11 beaufschlagen, und zwar auf einen Wert, der ohne

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weiteres mittels des Ventils 13 eingeregelt werden kann. Bei Vollast sind beide Brennkammern; 6 und io^: bzw. io_fl gleichzeitig in Betrieb.

In jedem Falle wird eine zusätzliche Anpassungsfähigkeit bzw. Regelmögliehkeit erreicht, weil die Temperatur ,der Kammer 10 oder io_ß

' · unabhängig von -derjenigen der Kammer 6 gemacht wird. Darüber hinaus ist bei Teillast kein Mengengleichgewicht zwischen Gas und Luft im Luftwärmer 7 vorhanden, welches durch dem geregelten bzw. gesteuerten Luftstrom, durch die Verbindung 12 hindurch wiederhergestellt werden kann. Ein zusätzlicher Vorteil, welcher bei Teillast in Erscheinung· tritt, besteht darin, daß dann, wenn Luft vom Luiftwärmer 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, wie dies sonst der Fall sein würde.

Eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrades der Anlage gemäß den Fig. 3 und 4 kann dadurch erreicht werden, daß die Luftzuführungsleitung 3 über eine besondere Erwärmerspule oder -schlange im Luftwärmer vor dem Einlaß in die Luftturbine 4 geführt wird.

Durch die Anordnung zweier Turbinen 4 und 11 wird eine erhebliche Verbesserung insofern erreicht, als der Arbeitsdruck der Gasturbine 11 praktisch Unabhängig ist von dem Druck, welcher für die verdichtete Luft in der Entnahmeleitung 8 benötigt wird. Daher ist es möglich, die Anlage mit einem niedrigen Heißwi-nddruck in diesem Stutzeni 8 zu betreiben, und die Gasturbine 11 kann ebenfalls mit einem, optimalen Druckverhältnis betrieben werden.

Verglichen mit vorbekannten Anlagen haben beide Ausführungsformen gemäß den Fig. 3 und 4 beträchtliche Vorzüge. Beispielsweise braucht nur die erforderliche Luftför.dermenge durch den Luftwärmer hindurchgeschickt zu werden, und in beiden Fällen steht auch die Feuerungs- bzw. Heizseite des Luftwärmers unter Überdruck. Dadurch werden- die Abmessungen des Luftwärmers im Vergleich zu anderen Ausführungsformen beträchtlich herabgesetzt. Dadurch, daß ein Luftwärmer mit Überdruck auf der Feuerungs- oder Heizseite angewendet wird, werden alle Förderanlagen für das Fördern des Brenngemisches überflüssig. Bei beiden Ausfü'hrungsformen wird die Gasturbine unmittelbar durch die Verbrennungsgase angetrieben, und ihre Abgase strömen unmittelbar über den Wärmeaustauscher zum Auspuffende. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 und 4 kann die Höchsttemperatur vor der Turbine 11 mittels der Brennkammern von 10 oder io_a unabhängig von. der Temperatur der den Luftwärmer beaufschlagenden Heißgase eingestellt werden. Die Nutzdruckluftmenge, welche durch den Stutzen 8 abströmt, ist ungefähr gleich der Abgasmenge, so da,ß ein höherer therimischer Wirkungsgrad, als er bisher möglich war, erreicht wird.

Die Wärmezufuhr zur Brennkammer von Gasturbinenanlagen kann leicht durch Regelung der Brennstoffmenge geändert werden. Eine derartige Regelung wird auch bei der vorbeschriebenen Anlage angewendet.

Claims (6)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Gasturbinenanlage für -die Erzeugung eines kontinuierlichen Heißdruckluftstromes, z. B. eines Hochofenheißwindes, bestehend aus einer Strömungsverdichtereinrichtung, deren Fördermenge. strömungsäbwärts derselben in verschiedene Teilströme aufgeteilt wird, aus einem kontinuierlich betriebenen indirekten Luft wärmer zur Erhitzung des einen Teilluftstromes, der als heiße Nutzdruckluft der Anlage entnommen wird, aus einer Wärmequelle für den Luftwärmer, aus wenigstens einer Brennkammer, welche durch den anderen Teil-, luftstrom mit Brennluft versorgt- wird, und aus einer Gasturbine, in welcher hindurch die Verbrennungsgase der Brennkammer entspannt werden und welche die Verdichter antreibt, gekennzeichnet durch eine Luftturbine, in welcher die Nutzdruckluft auf einen beträchtlich unter dem. Druck der Verbrennungsluft liegenden Druck entspannt wird.

2. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftturbine zum Verdichterantrieb herangezogen wird.

3. Gasturbinenanlage nach Anspruch- 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftturbine strömungsaufwärts des Luftwärmers angeordnet ist.

4. Gasturbinenanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Brennkammern vorgesehen sind, welche beide Verbren-nungsgase für die Gasturbine liefern, und daß nur die erste heiße Gase zur Beheizung des Luftwärmers liefert.

5. Gasturbinenanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß -die erste Brennkammer, der Luftwärmer und die zweite Brennkammer in Reihe hintereinander angeordnet sind.

6. Gasturbinenanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in die zweite Brennkammer eine unmittelbare Luftzufuhrleitung von der Verdichtereinrichtung einmündet.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Schweizerische Patentschriften Nr. 271 740,

244430,243686;

Brown Boveri Mitteilungen, 1943, S. 369, 370-,

und 1941, S. 242, 243;

Stahl und Eisen, Bd. 61, 1941, Nr. 19, S. 465

bis-473.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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