DEP0035605DA - Dampf-Luft-Wärmekraftanlage mit hoher Luftverhältniszahl des Verbrennungsprozesses - Google Patents

Description

Der thermische Wirkungsgrad von Dampfkraftanlagen kann wesentlich verbessert werden, wenn sie mit Luftturbinenanlagen kombiniert werden, wobei die Abwärme des Luftprozesses der für beide Wärmekraftanlagen gemeinsam oder auch getrennten Feuerung dadurch zugeführt wird, daß die Abluft des Luftprozesses ganz oder teilweise als Verbrennungsluft verwendet wird. Bei einer für beide Wärmekraftanlagen gemeinsamen Feuerung ist es hierbei möglich, die eigentliche Hauptbrennkammer wirksam durch die Verdampfungsheizflächen für den Wasserdampfprozeß zu kühlen und die Kreislaufwärme für den Luftprozeß in den Nachheizflächen oder in einer Nebenbrennkammer zu übertragen. Insbesondere in Verbindung mit der Kohlenstaubfeuerung ergeben sich durch diese Kombination wesentliche Vorteile in Bezug auf den thermischen Gesamtwirkungsgrad und die Höhe der Anlagekosten. Bei der Verfeuerung von flüssigen und gasförmigen Brennstoffen kann die Verbrennung ohne besondere Schwierigkeiten unter Überdruck durchgeführt werden, wodurch sich die Vorteile noch weiter erhöhen.

Im allgemeinen wird die Erhitzung der Luft im unteren und bisher üblichen Temperaturgebiet durch am Kesselende angeordnete Heizflächen erfolgen, um die Abgaswärme weitgehend auszunutzen. Die Erhitzung der Luft von etwa 400 auf 700°C muß in ein Rauchgasgebiet höherer Temperatur gelegt werden, um eine genügend große Temperaturdifferenz für die Wärmeübertragung zu schaffen. In besonderen Fällen ergeben sich betriebliche Vorteile, insbesondere bei Störungsfällen, wenn die Enderhitzung der Luft in einer besonderen Nebenbrennkammer vorgenommen wird, deren Feuerungsleistung getrennt geregelt wird. Sofern in diesem Falle die Rauchgase nur zur Enderhitzung der Luft verwendet werden, ist die Abgastemperatur der Nebenbrennkammer eine recht hohe, und es empfiehlt sich daher in diesem Falle, die Abgase der Hauptbrennkammer zuzuführen und dort weiter auszunutzen. Die Einführung dieser Abgase kann dabei im Feuerraum oder auch an einer Stelle gleicher Rauchgastemperatur erfolgen.

Die Verdichtung der Arbeitsluft der Luftturbinenanlage wird vorteilhaft in mehreren Stufen unter Zwischenkühlung durchgeführt, während die Entspannung, insbesondere bei höheren Gesamtdruckverhältnissen, auch unter nochmaliger Zwischenerhitzung der Arbeitsluft erfolgen kann.

Die Leistung der Luftturbinenanlage hängt bei festgelegter Stufenzahl der Verdichtung und Entspannung vorwiegend von der durchgesetzten Luftmenge ab. Die Leistung der Dampfturbinenanlage sind also in erster Linie dadurch miteinander gekoppelt, daß die Luftmenge so bemessen wird, daß sie zur Verbrennung der für beide Wärmekraftmaschinen erforderlichen Brennstoffmengen gerade ausreicht. Für eine moderne Dampfturbinenanlage und eine Luftturbinenanlage mit dreistufiger Verdichtung und zweistufiger Entspannung ergibt sich damit bei üblicher Verbrennung eine Leistung der Luftturbinenanlage von etwa 30 - 35% der Dampfturbinenanlage.

Erfindungsgemäß wird nur die Leistung der Luftturbinenanlage dadurch wesentlich gesteigert, daß die Verbrennung nicht mit der normalen Luftverhältniszahl (auch Luftüberschußzahl genannt) durchgeführt wird, sondern mit einer Luftverhältniszahl, die wesentlich höher liegt als die übliche. Normalerweise legt man bei Feuerungen für die verschiedensten Zwecke den größten Wert darauf, die Luftverhältniszahl möglichst klein zu halten, die Verbrennung also mit der für sie gerade erforderlichen Luftmenge durchzuführen, um nämlich den Abgasverlust durch die fühlbare Wärme der Verbrennungsgase möglichst klein zu halten. Die genaue Untersuchung der hier vorliegenden Verhältnisse zeigt nun, daß bei der Kupplung der beiden Wärmekraftanlagen über die Verbrennungsluftmenge der Gesamtwärmeverbrauch mit steigender Luftverhältniszahl auch unter Inkaufnahme eines höheren Abgasverlustes durch eine hohe Luftverhältniszahl angenähert konstant bleibt, in gewissen Fällen sogar abstimmt. Zur Erhöhung des Leistungsanteiles der Luftturbinenanlage unter Beibehaltung eines gleichgroßen thermischen Wirkungsgrades wird also im besonderen die Anlage mit einer Luftverhältniszahl am Ende der Heizfläche gefahren, die größer ist als 1,5 oder, anders ausgedrückt, mit einem CO(sub)2-Gehalt, der kleiner ist als 12%. Bei kleinen Gesamtdruckverhältnissen der Verdichtung steigt der Gesamtwärmeverbrauch mit steigender Luftverhältniszahl leicht an, während insbesondere bei Gesamtdruckverhältnissen von über 5 der Wärmeverbrauch der beiden Anlagen konstant bleibt oder gar geringfügig abnimmt. Die Erhöhung der Luftverhältniszahl läßt sich allerdings nicht auf beliebige Werte steigern und im allgemeinen tritt bei Luftverhältniszahlen von größer als 3 eine starke Zunahme des Abgasverlustes ein, die nicht mehr ausgeglichen werden kann, sodaß bei diesen Werten der Gesamtwärmeverbrauch rasch ansteigt. Das Verhalten eines in einem gewissen Bereich des Luftverhältnisses gleichbleibenden thermischen Wirkungsgrades tritt insbesondere bei höheren Gesamtdruckverhältnissen der Luftturbinenanlage auf, sodaß es also besonders vorteilhaft ist, größere Gesamtdruckverhältnisse als 5 zu wählen.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der der Erfindung zugrundeliegenden Erkenntnis liegt darin, daß es in Bezug auf die Regelung derartiger Anlagen möglich ist, günstige Teillastungswirkungsgrade zu erzielen. Da bei einer Auslegung gemäß den obigen Richtlinien der thermische Gesamtwirkungsgrad weitgehend unabhängig von der gewählten Luftverhältniszahl ist, wird zweckmäßig die Luftturbinenanlage bei Teillast mit einer gleichbleibenden Luftmenge betrieben, also mit einer veränderlichen Luftverhältniszahl der Verbrennung. Es wird hierdurch erreicht, daß die Verdichter und die Luftturbinen stets im günstigsten Punkt ihrer Charakteristik arbeiten können, sodaß ihr hoher Wirkungsgrad erhalten bleibt.

Die Teillast wird im Bereich der Laständerung vorwiegend durch die Dampfturbinenanlage ausgefahren, wobei es sich günstig auswirkt, wenn dampfseitig mehrere Dampferzeuger parallel geschaltet werden, während eine Luftturbinenanlage je einer gemeinsamen Feuerungsanlage zugeordnet ist. Die Luftverhältniszahl für die Verbrennung kann hierbei in den Grenzen zwischen 1.3 und 3 geändert werden. Der praktisch für die Zwecke der Regelung verwendete Bereich wird jedoch im allgemeinen wesentlich kleiner sein können.

Besonders vorteilhaft ist die Anwendung der Auslegung und Regelung nach den obigen Grundsätzen bei der Verfeuerung von Kohlenstaub, da hierbei die verhältnismäßig hohe Temperatur der Verbrennungsluft wirksam zur Steigerung der Mahltrocknung und der Verbrennungsleistung auch stark wasserhaltiger Brennstoffe ausgenutzt werden kann.

In den Fällen, in denen mit einer sehr hohen Luftverhältniszahl gearbeitet wird, ist unter Umständen die Aufrechterhaltung eienr einwandfreien Zündung des Brennstoffes in Frage gestellt, und es empfiehlt sich daher hier, die eigentlichen Verbrennung in der Brennkammer unter einem geringen Luftüberschuß durchzuführen, um eine hohe Verbrennungstemperatur beizubehalten. Die restliche Luft wird in diesem Falle entweder als Zweitluft oder Drittluft zugeführt oder aber auch erst am Ende der eigentlichen Verbrennung als reine Mischluft mit den Rauchgasen vermischt.

In den Fällen, in denen die gesamte an die Arbeitsluft des Luftturbinenprozesses zu übertragende Wärmemenge in den Nachheizflächen einer gemeinsamen Feuerung übertragen wird und der Feuerraum selbst nur mit Verdampfungsheizflächen für den Dampfprozeß ausgekleidet ist, ergibt sich bei Verbrennung mit der normalen geringen Luftverhältniszahl, daß die Eintrittstemperatur in die Berührungsheizfläche zwangsläufig eine sehr hohe ist. Eine hohe Rauchgaseintrittstemperatur in die Berührungsheizfläche ist aber insbesondere bei aschehaltigen Brenn- stoffen sehr unerwünscht, um die Verschlackung der Heizflächen mit Rücksicht auf den in diesem Bereich liegenden Schlackenerweichungspunkt zu vermeiden. Wird dagegen gemäss der Erfindung die Feuerung mit einer höheren Luftverhältniszahl betrieben, so sinken die theoretische Verbrennungstemperatur und die Eintrittstemperatur der Rauchgase in die Berührungsheizfläche stark ab, und es lässt sich hierdurch auch in diesen Fällen die Verschmutzungsgefahr beherrschen.

In der Zeichung zeigt Abb. 1 die Hauptwerte einer Dampfturbinenanlage in Verbindung mit einer Luftturbinenanlage in Abhängigkeit von der Luftverhältniszahl und zwar unter der Voraussetzung einer konstant bleibenden Dampferzeugung von 125 t/h bei 80 atü und 500°C Heizdampftemperatur. Die Luftturbinenanlage besteht aus einem dreistufigen Verdichter und eienr Heissluftturbine für 700°C mit zweistufiger Entspannung unter Zwischenerhitzung.

Aus dem oberen Kurvenbild der Abb. 1 geht hervor, dass die Nutzleistung der Dampfkraftanlage - Kurve a - gemäss der Voraussetzung konstant bleibt, während die Nutzleistung der Luftturbinenanlage - Kurve b - mit der Luftverhältniszahl stark ansteigt. Der im mittleren Kurvenbild dargestellte Kesselwirkungsgrad fällt nach bekannter Beziehungen mit der Luftverhältniszahl. Aus diesem Grunde steigt auch der im unteren Kurvenbild dargestellte spezifische Wärmeverbrauch der Dampfkraftanlage allein - Kurve c - beachtlich an. Der spezifische Wärmeverbrauch der Luftturbinenanlage allein - Kurve d -, bezogen auf zusätzlich verfeuerte Kohle und Generatorklemmen, ist ein äusserst günstiger, er steigt gleichfalls mit der Luftverhältniszahl an. Da jedoch gleichzeitig der Leistungsanteil der Luftturbine ansteigt, nimmt der Gesamtwärmeverbrauch beider Anlagen zusammen mit der Luftverhältniszahl leicht ab - Kurve e - und steigt erst bei sehr grossen Luftverhältniszahlen von mehr als 3 stark an.

In Abb. 2 sind die Rauchgastemperaturen zwischen den einzelnen Heizflächen des Dampferzeugers für Steinkohle mit einem unteren Heizwert von 5000 cal/kg eingetragen, wobei der Feuerraum selbst lediglich mit Verdampfungsheizflächen für den Wasserdampfprozess ausgekleidet ist. Die Kurve f gibt dabei den Ver- lauf der theoretischen Verbrennungstemperatur wieder, die Kurve g den Temperaturverlauf am Verdampferende bzw. Eintritt in die Berührungsheizfläche, die Kurve h den Temperaturverlauf am Ende des Speisewasservorwärmers und die Kurve i schliesslich den Verlauf der Abgastemperatur.

Man sieht, dass mit zunehmender Luftverhältniszahl die Temperatur der Rauchgase bei Eintritt in die Verdampfungsheizfläche stark abfällt. Man hat es daher bei schwierig zu verfeuernden Brennstoffen ind der Hand, durch Wahl der Luftverhältniszahl die Eintrittstemperatur der Rauchgase in die Berührungsheizfläche so niedrig zu wählen, dass sie mit Sicherheit unterhalb der Schlackenerweichungstemperatur liegt und damit die Verschmutzungen der Heizflächen vermieden werden.

Claims (12)

1. Aus einer Dampfturbinenanlage und einer Luftturbinenanlage bestehende Dampf- und Luft-Wärmekraftanlage, bei der die Heissluft der Luftturbinenanlage nach Entspannung in einer Luftturbine ganz oder teilweise als Verbrennungsluft der Dampfturbinenanlage und/oder der Luftturbinenanlage zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Feuerung der Dampfturbinenanlage und/oder Luftturbinenanlage ganz oder teilweise zur Verbrennung mit einer hohen Luftverhältniszahl eingerichtet ist.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Dampfturbinenanlage und die Luftturbinenanlage eine gemeinsame Brennkammer vorgesehen ist.

3. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsame Brennkammer vorwiegend mit den Heizflächen für die Dampfturbinenanlage ausgekleidet ist, während die für die Luftturbinenanlage erforderliche Wärmemenge vorwiegend in der Kammer nachgeschalteten Nachheizflächen übertragen wird.

4. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Feuerung für die Verfeuerung von Kohlenstaub eingerichtet ist.

5. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der gemeinsamen Brennkammer eine Luftturbinenanlage fest zugeordnet ist, während die Dampferzeuger mehrerer Brennkammern parallel geschaltet sind.

6. Verfahren zum Betrieb einer Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die teilweise oder auch vollständige Erhitzung der Luft auf die Endtemperatur in einer getrennten Nebenbrennkammer erfolgt, deren Abgase der Hauptbrennkammer im Feuerraume oder auch den Rauchgasen der Hauptbrennkammer an der Stelle gleicher Gastemperatur zugeführt werden können.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftverhältniszahl grösser als 1.5 oder der CO(sub)2-Gehalt der Verbrennungsgase kleiner als 12% ist.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gesamtdruckverhältnis der Luftturbinenanlage grösser als 5 ist.

9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb eines bestimmten Bereiches der durch die Dampfturbinenanlage und die Luftturbinenanlage erzeugten Gesamtleistung die durch die Luftturbinenanlage durchgesetzte Luftmenge angenähert konstant bleibt und die Leistungsänderung innerhalb dieses Bereiches vorwiegend durch die Dampfturbinenanlage ausgefahren wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftverhältniszahl im Bereich zwischen 1.3 und 3 geändert wird.

11. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die eigentliche Verbrennung unter einer geringen Luftverhältniszahl durchgeführt wird, während die weitere Luftmenge als Zweitluft und als Drittluft zugeführt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Feuerung für flüssige oder gasförmige Brennstoffe vorgesehen ist und die Verbrennung unter einem Überdruck von mindestens einigen Atmosphären durchgeführt wird.