DEST007221MA - - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

Tag der Anmeldung: 29. Oktober 1953 BekanntgemacHt am 23. August 1956

DEUTSCHES PATENTAMT

Die Erfindung betrifft die Gesamtanordnung von Gasturbinen-Anlagen insbesondere hinsichtlich der der Wärmewirtschaftlichkeit dienenden Wärmeaustauscheinrichtungen.

Die Wirtschaftlichkeit von Gasturbinen hängt weitgehend davon ab, ob die in den entspannten Treibgasen der Turbine noch enthaltene fühlbare Wärme nutzbringend verwertet wird und ob die Wärmezufuhr von außen mit Hilfe minderwertiger Brennstoffe durchgeführt werden kann.

Ein bekanntes Mittel zur Erleichterung des Wärmeaustausches der Turbinentreibgase untereinander und insbesondere mit den Feuergasen besteht darin, die Wärmeaufnahme der verdichteten Turbinentreibgase nicht unmittelbar von der äußeren Wärmequelle her, sondern unter Vermittlung eines Regenerativwärmeaustauschers vorzunehmen, der mit einem flüssigen, im Kreis Umlaufenden Wärmeträger, insbesondere bei möglichst niederen Temperaturen flüssigen, hochsiedenden Metallen, z.B. Natrium, arbeitet. Es wurde beispielsweise vorgeschlagen, das Natrium vorübergehend unmittelbar mit dem Treibgas der Turbinen zu mischen, um die Wärmeübertragung zwischen Natrium und Gas zu erleichtern; hierzu war aber notwendig, die Umwälzpumpe für das ' umlaufende Metall ' bei

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hohem Druck, insbesondere aber unter hohen Temperaturen, arbeiten zu lassen, was selbstverständ-. lieh die Betriebssicherheit entscheidend in Frage stellt bzw. die Anschaffungs- und Betriebskosten wesentlich erhöht.

Für den ebenfalls bereits erörterten natürlichen Umlauf des flüssigen Wärmeträgers mit Hilfe der Thermo-Siphon-Wirkung bestehen derzeit praktisch keine Aussichten auf wirtschaftliche Verwertung, da die erforderlichen großen Strömungsquerschnitte im Metallkreislauf sehr große Flüssigkeitsmengen bedingen, wodurch der Anschaffungspreis über jede diskutable Höhe ansteigt. Darüber hinaus werden die Strömungsquerschnitte in den Wärmeaustauschern für das Arbeitsgas der Turbinen zu klein, so daß mit dem steigenden Druckverlust der Wirkungsgrad der Gaskraftanlage unerträglich absinkt.

Die Erfindung betrifft ein Arbeitsverfahren für den Wärmeaustausch des Arbeitsmittels von Gasturbinen mittels eines verschiedene Oberflächenwärmeaustauscher im geschlossenen Kreis durchströmenden flüssigen Wärmeträgers und besteht darin, daß dieser Wärmeaustausch vorwiegend auf den höchsten Temperaturbereich des Wärmeträgers beschränkt ist und der Druck desselben dabei so niedrig wie technisch möglich (nämlich zur Überwindung der Strömungswiderstände im geschlossenen Kreislauf) gehalten wird, wobei dieser Wärmeträger in einer Dampfkesselfeuerung auf die höchste Temperatur erhitzt, der Umwälzpumpe selbst aber erst nach Abkühlung auf eine Temperatur zugeleitet wird, die etwa dem Mittel aus den Gasendtemperaturen in der Turbinen- und der Verdichterendstufe entspricht. Der Sinn dieses Vorschlags liegt darin, die für die hohe Temperatur erforderlichen Wärmeaustauschwände neben der unvermeidlich hohen Temperaturbeanspruchung nicht auch noch zusätzlich durch den Innendruck des zu erhitzenden bzw. wärmeabgebenden Wärmeträgers zu belasten, die an sich teure Anlage.dieser Regenerativaustauscher auf das notwendigste Maß zu beschränken und gleichzeitig durch die Kombination der Wärmeträgerfeuerung mit der eines Dampfkessels die bereits bekannten Vorteile hinsichtlich des möglichen Schutzes der Wärmeträgerheizflächen einerseits und der besseren Rauchgaswärmeausnutzung bei niederen Temperaturen andererseits nutzbar zu machen. Darüber hinaus werden die Betriebssicherheit und die Anlagekosten der für den Wärmeträger erforderlichen Umwälzpumpe auf das nach Möglichkeit geringste Maß beschränkt. An sich ist die gemeinsame Erhitzung sowohl der Treibgase von Gasturbinen als auch des Wassers bzw. Dampfes für den Betrieb von Dampfturbinen in einer gemeinsamen Dampfkesselfeuerung bereits bekannt und in den verschiedensten Kombinationen vorgeschlagen worden. Sie ist jedoch für sich allein nicht Gegenstand der Er-

findung. .

• Um die höchste erforderliche Temperatur des Wärmeträgers zu beschränken und doch an verschiedenen Stellen eine hohe Erhitzung der Türbinentreibgase (sowohl vor der Hochdruck- als Γ' auch vor der Niederdruckstufe) zu erreichen und um andererseits auch vorübergehend besonders niedrige Temperaturen der die Umwälzpumpe passierenden Wärmeträgermengen zu verwirklichen, wird weiter vorgeschlagen, die im Kreis umlaufenden Wärmeträgermengen vorübergehend, in zwei verschiedene Teilströme zu zerlegen, deren Druck bzw. Temperatur verschieden beeinflußt wird.

Die Schaltung des Wärmeträgerkreislaufs ge-. schieht grundsätzlich so, daß der hochaufgeheizte Wärmeträger die hochverdichteten Turbinentreibgase — vorzugsweise im Gegenstrom — bis zur erforderlichen Höchsttemperatur erhitzt, wobei im höchsten Temperaturgebiet gegebenenfalls Teilmengen streckenweise abgezweigt werden können, um die Zwischenerhitzung von bereits teilentspannten Treibgasen zwischen zwei Turbinenstufen vorzunehmen. Diese abgezweigten Wärmeträgerteilmengen werden dann der Wärmeträgerhauptmenge an einer Stelle wieder zugeführt, an der die Temperatur des Hauptstroms etwa der des Teilstroms entspricht. Danach kann der Wärmeträger die Gesamtvorwärmung der den. Verdichter verlassenden Treibgase übernehmen, wobei er sich selbst auf eine Temperatur, abkühlt, die seinen unmittelbaren Eintritt in die erforderliche Umwälzpumpe gestattet.

Nach Austritt aus der Umwälzpumpe kann der Wärmeträger wieder einen, erheblichen Teil des Wärmeinhalts der aus der Gasturbine mit verhältnismäßig hoher Temperatur austretenden Treibgase aufnehmen, um dann ■— selbst schon wieder merklich aufgeheizt ■— der äußeren Wärmequelle zur Hochaufheizung zugeführt zu werden, womit sein Kreislauf geschlossen ist. Diese Anordnung ersetzt zugleich den allgemein bekannten Direktwärmeaustauscher zwischen den in der Turbine entspannten, noch heißen und den den Verdichter verlassenden kühlen Treibgasen.

Da als Wärmeträger bisher nur Stoffe als geeignet bekannt sind, deren Erstarrungspunkt verhältnismäßig hoch liegt (bei Natrium etwa ioo° C), so muß mit Rücksicht auf die Betriebstemperatur der Verdichteranlage und insbesondere auf die Wirtschaftlichkeit der Gesamtanlage eine weitere Abkühlung der Turbinentreibgase, d. h. also nach der bereits genannten Vorkühlung durch den umlaufenden Wärmeträger, vorgesehen werden. Hierzu können vorteilhafterweise die Verbrennungsluft, das Brenngas oder die Kohletrocknungsluft für die als äußere Wärmequelle dienende Feuerung der Gasturbinenanlage verwendet werden. Hierdurch wird auch die Verfeuerung minderwertiger Brennstoffe, insbesondere Schlamm usw., erleichtert.

Für die niederste Temperaturstufe kann, als Kühlmittel beispielsweise Wasser einer Heizungsanlage, Kesselspeisewasser oder: Türbinenkondensat verwendet werden. Die letztgenannten Kühlmittel können auch für die Kühlung der gesamten Treibgasverdichtungsänlage verwendet werden, insbesondere für die Zwischenkühlung der Treibgase zwischen zwei Verdichterstufe!!.' Die .genannten

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Kühlwasserarten können natürlich auch zur un-' mittelbaren Gehäusekühlung der Treibgasverdichter bzw. Kompressoren herangezogen werden.

Bei der Schaltung gemäß der Erfindung ergibt sich der besondere Vorteil, daß beispielsweise zur Abschirmung der unmittelbaren Flammenstrahlung Rohre des Dampferzeugers vor die hinsichtlich Temperatur und Druck höchstbeanspruchten Heizflächenteile für den umlaufenden Wärmeträger

ίο oder gegebenenfalls in an sich bekannter Weise vor die Heizflächenteile für die unmittelbar zu beheizenden Turbinentreibgase selbst angeordnet werden können.

Bei Anlagen mit offenem oder mit teilweise offenem Kreislauf der Treibgase können diese so eingestellt werden, daß sie mit Sauerstoffüberschuß aus der Turbine austreten und nur so weit entspannt und abgekühlt werden, daß sie noch als Verbrennungsluft für die Feuerung der Gesamtanlage Verwendung finden.

Für Anlagen, bei dei.en die Abkühlung des gesamten umlaufenden Wärmeträgers durch die verdichteten Turbinentreibgase unter Umständen nicht weit genug betrieben werden kann, besteht die Möglichkeit, nur einen Teil des hochaufgeheizten Wärmeträgers zur Gesamtaufwärmung der kühlen, hochverdichteten Treibgase zu verwenden und nur diesen Teil durch die Umwälzpumpe zu leiten, wobei der restliche Teil des umlaufenden Wärmeträgers nach 'der Wärmeabgabe mit höherer Temperatur durch Injektorwirkung von der aus der Umwälzpumpe austretenden Wärmeträgerteilmenge wieder in den Kreislauf aufgenommen wird.
Die Zwischenerhitzung der Turbinentreibgase zwischen zwei Turbinenstufen kann vorteilhaft mit besonders geringem gasseitigem Druckverlust durchgeführt werden, wenn der. von dem Wärmeträger durchflossene Heizkörper unmittelbar in den Verbindungskanal zwischen den beiden Turbinenstufen eingebaut wird. Hierbei wird dieser Kanal vorzugsweise etwa ringförmige Gestalt haben und gewissermaßen in das Turbinengehäuse einbezogen sein. Zur weiteren Verringerung des Druckverlustes können auch die Turbinenleitschaufeln selbst als Heizfläche für die Treibgase dienen, wenn sie geeignete innere Bohrungen bzw. Hohlräume besitzen, durch die der flüssige Wärmeträger hindurchströmt.

Wie bei anderen Wärmeaustauschern zwischen Gasen und Flüssigkeiten an sich bekannt, werden die in den Regenerativkreislauf eingeschalteten Wärmeaustauscher zweckmäßig so gestaltet, daß die Strömungskanäle für den Wärmeträger möglichst geringen Querschnitt bei gleichzeitig mögliehst geringem Strömungswiderstand besitzen, während die gasberührten Flächen durch aufgesetzte Rippen, Nadeln od. dgl. vergrößert, sind. Zur Verringerung des inneren Strömungsquerschnittes kommt vorzugsweise ein flachovaler oder schlitzförmiger Querschnitt in Frage. Natürlich ist durch genauere Rechnung von Fall zu Fall die geeignete

. Anordnung und Bemessung sowohl der inneren Strömungsquerschnitte als auch der äußeren, gasberührten Oberflächen nach bekannten fachmännischen Methoden festzustellen.

Für zwei räumlich unmittelbar nebeneinanderlaufende Leitungen des Wärmeträgers mit nicht zu unterschiedlicher Temperatur läßt sich eine Verringerung des Bedarfs an Isoliermaterial dadurch erreichen, daß die beiden Rohrleitungen mit einer geringen Isolierschicht zwischeneinander von einer gemeinsamen Isolierhülle gegen die Atmosphäre abgeschirmt sind. Hierbei können die beiden Rohrleitungen gegebenenfalls flachgequetscht sein und derartig zueinander angeordnet, daß ihre Querschnitte annähernd einem möglichst kleinen Kreis einbeschrieben sind.

Für den Betrieb des Regenerativsystems mit dem flüssigen Wärmeträger ist es — insbesondere für Natrium mit einem Erstarrungspunkt bei etwa ioo° C — ratsam, den gesamten Kreislauf bei der Außerbetriebnahme leerzupumpen und seinen Inhalt in einem beispielsweise mittels Dampf beheizbaren Behälter zu sammeln.

Es ist weiterhin zu empfehlen, auch die Umwälzpumpe beheizbar zu gestalten und beispiels- ■ weise in einem gemeinsamen Gehäuse mit dem vorgenannten Behälter zu einem Aggregat zusammenzufassen, wobei der Behälter.gewissermaßen in die Kurzschluß- bzw. Rücklaufleitung der Pumpe eingeschaltet ist.

In der Zeichnung ist das Schaltbild für eine der Erfindung entsprechende Anlage dargestellt: In der Feuerung 1 wird die Wärme entbunden und zunächst auf die Heizflächen 2 übertragen, die zur Hochaufheizung des umlaufenden Wärmeträgers dienen. Der Wärmeträger gelangt mit hoher Temperatur von beispielsweise 8oo° C zu den Wärmeaustauschern 3 und 4 für die in die erste Stufe 8 bzw. in die zweite Stufe 9 der Gasturbine eintretenden Treibgase. Diese beiden Wärmeaustauscher 3 und 4 sind einander wärmeträgerseitig parallel geschaltet und entlassen den gemeinsamen Wärmeträger in den Wärmeaustauscher 5, der die die letzte Verdichterstufe 12 verlassenden hochverdichteten Treibgase auf eine mittlere Temperatur von rund 400⁰ C vorerhitzt. Aus dem Wärmeaustauscher 5 gelangt der Wärmeträger abgekühlt in die Umwälzpumpe 6, die denselben in den Wärmeaustauscher 7 drückt, wo er durch die aus der no zweiten Turbinenstufe 9 mit rund 500⁰ C austretenden entspannten Treibgase wieder auf eine Temperatur von annähernd 480⁰ C vorgewärmt wird. Mit dieser Temperatur tritt der flüssige Wärmeträger wieder zur Hochaufheizung in die Heizflächen 2 ein.

Der Kreislauf der Turbinentreibgase ist folgender: In den drei Verdichterstufen 10, 11, 12 werden die kühlen Treibgase unter Zwischenkühlung in den mit Kühlwasser — beispielsweise Umlauf- ^t2° wasser einer Fernheizung, Kesselspeisewasser, Turbinenkondensat od. dgl. — durchflossenen Kühlern 15 und 16 bzw. 17 und 18 auf einen hohen Druck von beispielsweise 50 at verdichtet, im Wärmeaustauscher 5 auf eine Zwischentemperatur von rund 400⁰ C und im Wärmeaustauscher 3 auf

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die Turbineneintrittstemperatur von beispielsweise 750⁰ C erhitzt. In der ersten Stufe der Turbine werden sie auf einen mittleren Druck und eine zwangläufig tiefere Temperatur von annähernd 500⁰ G entspannt. Anschließend werden sie im Wärmeaustauscher 4 wieder auf etwa 700⁰ G er-

■"■' hitzt und in der letzten Turbinenstufe 9 auf den niedersten Druck und wiederum rund 500⁰ C entspannt bzw. abgekühlt. Anschließend treten die Treibgase nacheinander in die Wärmeaustauscher 7, 13 und 14 ein, um alsdann mit einer Niedertemperatur von beispielsweise 30⁰ C wieder in den Verdichter zu gelangen. Im vorliegenden Beispiel wird der Wärmeaustauscher 7 vom umlaufenden Wärmeträger als Kühlmittel durchflossen, während im Wärmeaustauscher 13 ein in der Feuerung 1 zu verbrennendes Brenngas und im Wärmeaustauscher 14 die für die in der Kohlenaufbereitungsanlage 26 benötigte Kohlentrocknungsluft vorgewärmt wird.

Durch die Leitung α gelangt aus der Kohlenaufbereitungsanlage 26 beispielsweise ein Kohlenstaub-Luft-Gemisch in die Feuerung 1, während die Kohle durch die Leitung b in diese Anlage gelangt.

Die genannten Werte für Temperaturen und Drücke sind nicht für die Erfindung verbindlich, sondern dienen nur der Veranschaulichung.

In Abweichung von der vorbeschriebenen Anlage ist mit gestrichelten Linien noch eine andere Schaltung mit teils geschlossenem und teils offenem Treibgaskreislauf angedeutet. Hierbei wird aus der ersten Turbinenstufe 8 ein Teil der Treibgase mittels des Kanals d unmittelbar in die Wärmeaustauscher 7, 13, 14 und anschließend in den Verdichter 10, 11, 12 mit den Zwischenkühlern 15 bis 18 abgegeben, während der restliche Teil der Treibgase wie zuvor bis auf den Niederdruck in der zweiten Turbinenstufe 9 entspannt wird, anschließend aber mit einem ausreichenden Luftgehalt durch den Kanal e in die Brennstoffaufbereitungsanlage 26 gelangt. Die in die Aufbereitungsanlage eintretende und dem Kreislauf somit verlorengehende Treibgasmenge wird mittels des Hilfsverdichters 19 durch von außen her angesaugte Frischgase ersetzt und zwischen, der Verdichterendstufe 12 und dem Wärmeaustauscher 5 in den Treibgaskreislauf eingeschleust.

Die gezeichnete Vorkühlung der entspannten Treibgase im Wärmeaustauscher 7 muß nicht unbedingt mit Hilfe des umlaufenden Wärmeträgers geschehen, vielmehr kann die frei werdende Wärme unmittelbar beispielsweise an die Verbrennungsluft oder andere in der Feuerung 1 benötigte Luftoder Gasmengen übertragen werden. Ebenso kann natürlich · die bekannte unmittelbare Wärmerückgewinnung innerhalb des Treibgaskreislaufs durch Zusammenfassung der Wärmeaustauscher 5 und 7 durchgeführt werden. In diesem Falle tritt der aus der Umwälzpumpe 6 austretende flüssige Wärmeträger mit einer geringeren Temperatur durch die ■Kurzschlußleitung c in die Gesamtfeuerunganlage ein, um vorerst in einer nicht gezeichneten Heizfläche durch die Feuerungsabgase vorgewärmt zu werden und dann- erst wieder in den Heizflächen 2 auf die höchste Temperatur zu gelangen. Dann könnte gegebenenfalls auch eine der eingezeichneten Nachschaltheizflächen 22, 23, oder 24 wegfallen.

Die schematisch als Feuerraümkühlelement 20 eingetragene Heizfläche soll der' Dampferzeugung dienen und das entstehende Dampfwassefgemisch in die Kesseltrommel 21 entlassen. Das erforderliche Speisewasser' wird in der Nachschaltheizfläche22 vorgewärmt und ebenfalls in die Kesseltrommel2i gedrückt, die ihrerseits den Sattdampf in den beispielsweise gesondert befeuerten Überhitzer 25 abgibt. Die, Temperatur des den Überhitzer 25 verlassenden Heißdampfes kann nach Belieben geregelt werden, um mit der jeweils erforderlichen bzw. gewünschten Temperatur in das vorhandene, beispielsweise Dampfturbinen und andere Verbraucher speisende Dampfnetz einzutreten. Im gezeichneten Schema tritt die Verbrennungsluft bzw. ein Teil derselben von außen in den Tieftemperaturluftvorwärmer 23 ein und gelangt mit einer mittleren Temperatur in den Hochtemperaturerhitzer 24, der sie seinerseits der Feuerung 1 zuführt. In an sich bekannter Weise ist rauchgasseitig zwischen die beiden Luftvorwärmergruppen und 24 ein Speisewasservorwärmer 22 geschaltet. -

Claims (9)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   ι. Arbeitsverfahren für den Wärmeaustausch des Arbeitsmittels von Gasturbokraftwerken mittels eines verschiedene Oberflächenwärme- ^5 austauscher im geschlossenen Kreis durchströmenden flüssigen Wärmeträgers, dadurch gekennzeichnet, daß der vorwiegend im höchsten Temperaturbereich verwendete Wärmeträger im Zwangumlauf bei niederem Druck umgepumpt, in einer Dampfkesselfeuerung hocherhitzt und der Umwälzpumpe erst nach Abkühlung auf eine Temperatur zugeleitet wird, die angenähert dem Mittel aus den Gasaustrittstemperaturen an der Turbinen- und der Verdichterendstufe entspricht.
2. 2. Arbeitsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Umlaufwärmeträger in zwei verschiedene Teilströme zerlegt ist, deren Druck bzw. Temperatur verschieden beeinflußt wird.
3. 3. Arbeitsverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der die Umwälzpumpe passierende Teilstrom beispielsweise durch die den Verdichter verlassenden Tür- ¹¹S binentreibgase besonders stark abgekühlt und anschließend in der Pumpe auf höheren Druck gebracht wird und danach den anderen Teilstrom mittels Injektorwirkung wieder in sich und somit in den Flüssigkeitskreislauf aufnimmt.
4. 4. Wärmeaustauschvorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Wärmeträger durchflossene Heizkörper für die Zwischenerhitzung der Treibgase in den

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   vorzugsweise ringförmigen, dem Turbinengehäuse eingeordneten Verbindungskanal zwischen den beiden Turbinenstufen eingebaut ist und gegebenenfalls die Turbinenleitschaufeln selbst darstellt.
5. 5. Wärmeaustauschvorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungskanäle für den flüssigen Wärmeträger in den Wärmeaustauschern des Regenerativkreislaufs in an sich bekannter Weise mit möglichst geringem, beispielsweise flachovalem Querschnitt und zugleich möglichst geringem Strömungswiderstand ausgelegt sind, während die gasberührten Wärmeübertragungsflächen gegebenenfalls mit Rippen, Nadeln od. dgl. besetzt sind.
6. 6. Wärmeaustauschvorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nebeneinander verlaufende Hin- und Rückleitungen des Wärmeträgers durch eine gemeinsame Isolierhülle gegen die Außenluft abgeschirmt und — gegebenenfalls im Querschnitt flachgequetscht — derart zueinander angeordnet sind, daß der Bedarf an Isoliermaterial möglichst gering wird.
7. 7· Wärmeaustauschvorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen von (vorzugsweise dem Dampfkesselsystem entnommenem) Dampf beheizten Auffangbehälter für den umlaufenden flüssigen Wärmeträger.
8. 8. Wärmeaustauschvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter mit der Umwälzpumpe möglichst eng zusammengebaut und in deren Kurzschluß- bzw. Rückführleitung eingeschaltet ist, so daß er gemeinsam mit derselben beheizt wenden kann.
9. 9. Wärmeaustauschvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Treibgase der Turbine in an sich bekannter Weise — insbesondere im niederen Temperaturgebiet—durch die Dampfkesselfeuerung unmittelbar erhitzt werden, wobei Teile der Dampferzeügerheizflächen zum Schutz der höchstbeanspruchten Treibgasheizflächen Verwendung finden.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Deutsche Patentschriften Nr. 917 284, 881 588, 795,815 868;

   schweizerische Patentschrift Nr. 227 854;
   britische Patentschrift Nr. 678 674.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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