NO300235B1 - Anordning ved kraftaggregater - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en anordning ved kraftaggregater med en gassgenerator som leverer en avgass til drift av en turbininnretning med minst én første turbin, og en kompressorinnretning med minst én første kompressor, som leverer luft til gassgeneratoren, hvor gassgeneratoren omfatter en diesel-fristempelinnretning med minst én sylinder, hvori det er anordnet to stempler som sammen med sylinderen avgrenser respektive sylinderendekamre, og som styrt av en synkroniseringsinnretning er innrettet til hovedsakelig synkron frem- og tilbakebevegelse i innbyrdes motfase i sylinderen.

Stempelgassgeneratorer av den ovennevnte type kan levere gass med meget stort energiinnhold, og muliggjøre en stor termisk virkningsgrad av kraftaggregatet.

Nyutvikling av turbomaskiner såsom gassturbiner som drives av avgassene fra gassgeneratoren, og eventuelle turbokompressorer som leverer komprimert luft til fristempelinnretningen, er svært kostbar. For at aggregater av den ovennevnte type ikke skal bli for kostbare, er konstruktører derfor henvist til å benytte turbomaskiner som allerede finnes på markedet, men som bare unntaksvis er av en slik størrelse og konstruksjon at de optimalt er tilpasset det aktuelle behov. Selv om fristempelinnretningen kan være konstruert for tilpasning til dette behov, har således et kraftaggregat som er oppbygget av disse bestanddeler, sjelden den virkningsgrad, som kunne ha blitt oppnådd dersom alle aggregatets komponenter hadde vært optimalt tilpasset hverandre og behovet.

I tillegg blir restvarmen fra gassturbinene ikke optimalt utnyttet for en ytterligere økning av virkningsgraden.

I US 4 481 772 er det vist et kraftverkanlegg hvor luft blir komprimert i en stempel-kompressordel av en fristempelinnretning. I en varmeveksler blir denne luft oppvarmet ved hjelp av gass som strømmer ut fra en turbin før denne luft tilføres turbinen sammen med avgass fra fristempelinnretningen. På grunn av at luften tilføres turbinen fra en stempelkompressor, pulserer den i sterk grad, noe som er uheldig for driften av turbinen idet dennes virkningsgrad blir redusert.

Videre er den innbyrdes bevegelse av stemplene av nåværende gassgeneratorer styrt av en hovedsakelig mekanisk innretning som forbinder stemplene med hverandre og styrer disses motfasebevegelse på en slik måte at posisjoner av det ene stempel i forhold til sylinderen til enhver tid tilsvarer respektive posisjoner av det annet stempel i forhold til sylinderen. Da åpning og lukking av innløps- og utløpsportene i sylinderen er styrt av de respektive stempler, er oppnåelse av en god virkningsgrad for gassgeneratoren derfor mulig bare ved en viss, ønsket driftstilstand for gassgeneratoren. Ved andre driftstilstander, f.eks. ved andre stempelfrekvenser, gassgeneratorbelast-ninger etc. blir virkningsgraden redusert.

Således er det i EP 0 007 874 vist et fristempelaggregat med en fristempelinnretning, hvor en mekanisme besøger en synkronisering av stempler av aggregatet. I tillegg har denne fristempelinnretning en stempelkompressor som leverer pulserende luft som drivmedium direkte til en turbin.

Hensikten med oppfinnelsen er å skaffe en anordning av den innledningsvis nevnte type som muliggjør en optimalisering av kraftaggregatets virkningsgrad.

Det karakteristiske ved anordningen ifølge oppfinnelsen fremgår av de i kravet angitte, kjennetegnende trekk.

Oppfinnelsen vil i det følgende bli beskrevet nærmere under henvisning til tegningen hvor fig. 1, 2 og 3 er skjematiske blokkdiagrammer som viser bestanddeler av tre respektive utførelsesformer for anordningen ifølge oppfinnelsen.

For ordens skyld skal oppbygningen og virkemåten for den i og for seg kjente fristempel-gassgenerator som er vist på fig. 1,2 og 3, beskrives først.

Denne gassgenerator 1, 31 resp. 71 omfatter en sylinder 2, hvori to stempler 3,4 er fritt bevegelige mot og bort fra hverandre, idet de er styrt av en synkroniseringsinnretning (ikke vist) som tvinger dem til bevegelse i innbyrdes motfase. Stemplene avgrenser mellom seg et forbrenningskammer 5 som kan tilføres komprimert luft via en innløpsmanifold eller luftinntak 6, som er tildannet rundt sylinderen 2 og kommuniserer med en eller flere innløpsporter (ikke vist) i denne. Drivstoff kan tilføres forbrenningskammeret 5 via en drivstoffdyse 7 som angitt med pilen F. Eksos blir ført bort fra forbrenningskammeret 5 via en utløpsmanifold 8 som er tildannet rundt sylinderen 2, og som kommuniserer med en eller flere utløpsporter (ikke vist) i denne. Det ene stempel 3 er innrettet til å åpne eller lukke innløpsporten, og det annet stempel 4 er innrettet til å åpne eller lukke utløpsporten, idet denne åpning eller lukking inntreffer når stemplene passerer portene. Videre avgrenser hvert stempel og den respektive, tilstøtende endebunn av sylinderen lukkede endekamre 9,10, hvor den luft som er innestengt i disse, blir komprimert progressivt når stemplene blir beveget bort fra hverandre, slik at denne luft da i tiltagende grad søker å presse stemplene mot hverandre.

Under en oppstart av gassgeneratoren blir innledningsvis luft tilført sylinderen 2 via innløpsmanifolden 6, hvorved stemplene blir brakt til en stilling, hvori deres innbyrdes avstand er størst mulig, hvoretter stemplene 3,4 ved hjelp av en startinnretning (ikke vist) blir beveget kraftig mot hverandre. Derved blir forbrenningsrommets forbindelse med manifoldene 6,8 brutt og luften i forbrenningskammeret 5 komprimert. Deretter blir drivstoff ført inn forbrenningskammeret 5 via drivstoffdysen 7. Når drivstoff/luft-blandin-gen i forbrenningskammeret 5 har blitt komprimert så meget at temperaturen på denne blanding har nådd selvtenningstemperaturen, inntreffer det en antennelse av blandin-gen. Det derved økede trykk på den forbrente blanding i forbrenningskammeret 5 tvinger stemplene 3,4 bort fra hverandre, slik at utløpsporten blir åpnet og eksos blir sluppet ut. Etter åpning også av innløpsporten, blir ny komprimert luft tilført forbrenn-ingsrommet, hvorved restene av eksosen blir presset ut av sylinderen 2. Ved denne stempelbevegelse blir luften i de lukkede endekamre komprimert i tiltagende grad slik at stemplene blir retardert. Etter at stemplene har blitt brakt til stillstand, blir de på ny beveget mot hverandre på grunn den kraft som blir utøvet mot stemplene av den komprimerte luft i de avstengte endekamre, hvoretter gassgeneratorens syklus automatisk gjentas fortløpende. En innbyrdes tilpassing av massen av de bevegede bestanddeler og de fluidkrefter som utøves mot stemplene, sikrer det fortsatte løp av gassgeneratoren og fastlegger stemplenes slagfrekvens.

Ifølge oppfinnelsen kan synkroniseringsinnretningen omfatte en elektronikkinnretning 19 som via en reguleringsanordning 22 styrer lufttrykket individuelt i endekamrene 9,10. I tillegg til at den på en meget enkel måte sikrer en nøyaktig innbyrdes synkronisering av stemplenes motfasebevegelse, kan den ved egnet konstruksjon, likeledes meget enkelt også muligjøre variasjon av den innbyrdes faseforskyvning av stemplene 3,4 under disses bevegelse, avhengig av gassgeneratorens driftsbetingelser, noe som øker dens virkningsgrad. Konstruksjonen av en slik elektronikkinnretning og reguleringsanordning vil kunne være innlysende for en fagmann når hensikten med disse er slik det her er angitt.

Som det fremgår av fig. 1 som viser et første utførelseseksempel på en anordning ifølge oppfinnelsen, blir forkomprimert luft tilført innløpsmanifolden 6 fra en første, annen og tredje kompressor 11,12 resp.13 som hver er drevet av en motor 14,15 resp. 16 f.eks. en elektromotor som kan tilføres elektrisk strøm via ledninger 25. Mellom den første og den annen kompressor 11 resp.12 og mellom den annen og den tredje kompresor 12 resp. 13 er det innkoblet en første resp. annen mellomkjøler 17 resp. 18, som blir tilført et egnet kjølemiddel, som angitt med pilene A, for avkjøling av den luft, som tilføres fra den oppstrømsliggende kompressor. Omdreiningshastigheten for hver av motorene 14,15,16 kan varieres. Derved kan kompressorenes drifts-parametre varieres, slik at kompressorene kan bli tilpasset innbyrdes og til gassgeneratoren, noe som øker den samlede virkningsgrad. Ved hjelp av mellomkjølerne 17,18 blir det tilstrebet en isoterm kompresjon, noe som øker virkningsgraden ytterligere.

Avløpsgassen fra gassgeneratoren 1 blir tilført en første turbin 20 som driver f.eks. en generator 21 for generering av elektrisk strøm, som i sin tur kan bli levert til en strømforbruker. Istedet for at turbinen 20 er innrettet til å levere energi til en slik forbruker, f.eks. en elektrisk motor til drift av en skipspropell, kan den selvsagt være innrettet til å drive denne direkte mekanisk, eventuelt via en veksel. Fig. 2 viser et annet utførelseseksempel på en anordning ifølge oppfinnelsen, idet dette utførelseseksempel likner det som er vist på fig. 1, men en gassgenerator 31 får her tilført komprimert luft bare fra én kompressor 32. Denne kompressor 32 er drevet av en første gassturbin 33 via en drivaksel 37. Gassturbinen 33 driver en elektrisk generator 40. Den gass som strømmer ut fra turbinen 33 har et trykk som tilnærmet tilsvarer trykket på den omgivende luft. Gassen har imidlertid en temperatur som er meget større enn temperaturen på omgivelsesluften. For utnyttelse av den restvarme som således finnes i gassen, blir gassen ført til en varmeveksler 38 for oppvarming av komprimert luft fra en fjerde, femte og sjette kompressor 34,35 resp. 36, idet denne luft blir ført videre til en annen turbin 39. Denne annen turbin 39 driver i sin tur en strømgenerator 41 som kan levere strøm til en forbruker, Via en drivaksel 45 driver den annen turbin 39 også kompressorene 34 - 36. Mellom den fjerde og femte kompressor 34 resp. 35 kompressorer og mellom den femte og sjette kompressor 35 resp. 36 er det innkoblet en tredje resp. en fjerde mellomkjøler 42 resp. 43. Fig. 3 viser et tredje utførelseseksempel på en anordning ifølge oppfinnelsen, idet dette likner den anordning som er vist på fig. 1 og 2. Varme avgasser leveres her fra en gassgenerator 71. Ved den anordning som er vist på fig. 3 er det imidlertid mellom en høytrykksturbin 50 som driver en strømgenerator 51, og en varmeveksler 52 innkoblet en lavtrykksturbin 53, som driver en strømgenerator 54. Varmeveksleren 52 blir tilført komprimert luft fra en syvende og åttende kompressor 57 resp. 58 enten direkte eller via en niende kompressor 59. Inn- eller utkobling av den niende kompressor 59 kan bli foretatt ved hjelp av en omføringsventil 56.

Den syvende, åttende og niende kompressor 57, 58 resp. 59 blir drevet av respektive motorer 65, 66 resp. 67 med variabelt turtall.

Den komprimerte luft som blir levert av den syvende og åttende kompressor 57 resp. 58 og eventuelt den niende kompressor 59, blir oppvarmet av varmeveksleren 52 og tilført en turbin 63, som i sin tur driver en strømgenerator 64.

En tiende kompressor 60 er seriekoblet med den syvende og den åttende kompressor 57 resp. 58, idet disse tre kompressorer 57,58,60 sammen leverer komprimert innløpsluft til gassgeneratoren. Den tiende kompressor 60 er drevet av en motor 67 med variabelt turtall.

Mellom de syvende og den åttende kompressor 57 resp. 58 og mellom den åttende og den tiende kompressor 58 resp. 60 er det anordnet mellomkjølere 61 resp. 62. Innløpsledningen for den niende kompressor 59 er tilkoblet nedstrømssiden av mellomkjøleren 62.

Istedenfor at gassturbinene har separate utgangsaksler, kan de ha en felles utgangs-aksel (ikke vist), som er drevet av turbinene via f.eks. en eller flere veksler, og som i sin tur driver en eller flere strømgeneratorer. Dersom det er anordnet separate utgangsaksler, kan imidlertid turbinenes turtall fordelaktig varieres innbyrdes, slik at hver turbins virkningsgrad og dermed den samlede virkningsgrad for aggregatet lettere kan bli optimalisert.

Et stort antall kombinasjoner av kompressorer med mellomkjøling er således mulig, særlig når restvarmen i avgassen fra turbinen(e) utnyttes. Det kan også vise seg å være hensiktssmesig at kompresjonen utføres f.eks. delvis ved hjelp av kompressorer av andre typer såsom stempelkompressorer.

Kraftaggregatet ifølge oppfinnelsen utnytter dieselprosessens evne til effektivt å arbeide under store trykk og temperaturer og turbomaskinenes evne til å håndtere store volumer. Ifølge oppfinnelsen foretas denne utnyttelse ikke bare i forbindelse med ekspansjonen av gassene, men også under kompresjonen ved at f.eks. den første kompresjon utføres ved hjelp av turbokompressorer.

Istedenfor utnyttelse av varmeenergien i utløpsgassene fra turbinen(e) til oppvarming av luft fra kompressorer, kart de utnyttes til oppvarming av en dampkjele (ikke vist). Damp fra denne kjele kan bli tilført en dampturbin som i sin tur kan drive en strøm-generator.

Det er ovenfor angitt at det mellom de to kompressorer som er beliggende umiddelbart oppstrøms i forhold til varmeveksleren, er anordnet en omføringsventil. Det skal imidlertid forstås at det kan være anordnet omføringsventiler også mellom andre kompressorer av anordningen ifølge oppfinnelsen.

Ved anordningen ifølge oppfinnelsen, kan hovedbestanddeler av et kraftaggregat av den innledningsvis nevnte type tilpasses driftsbetingelsene av gassgeneratoren under aggregatets drift, slik at aggregatets samlede virkningsgrad blir optimal.

Claims (4)

1. Anordning ved kraftaggregater, med en gassgenerator (1;31;71) som leverer en avgass til drift av en turbininnretning med minst én første turbin (20;33;50), og en kompressorinnretning med minst én første kompressor (11,12,13;32;57,58,60), som leverer luft til gassgeneratoren (1;31;71), hvor gassgeneratoren (1;31;71) omfatter en diesel-fristempelinnretning med minst én sylinder (2), hvori det er anordnet to stempler (3,4) som sammen med sylinderen (2) avgrenser respektive sylinderendekamre (9,10), og som styrt av en synkroniseringsinnretning er innrettet til hovedsakelig synkron frem- og tilbakebevegelse i innbyrdes motfase i sylinderen (2), karakterisert ved at - den første kompressor resp. hver av de første kompressorer (11,12,13;32;57,58,60) blir drevet av en separat drivmotor (14,15,16;65,66,67) med variabelt turtall, - den første kompressor (57,58) og/eller minst én annen kompressor (34,35,36;59) av kompressorinnretningen leverer luft som det eneste driv-fluidum til minst én annen turbin (39;63) av turbininnretningen via en varmeveksler (38,52) til oppvarming av denne luft fra kompressoren (34,35,36;57,58,59) ved hjelp av avgassen fra gassgeneratoren (1,37,71).

2. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at i det minste de kompressorer (34,35,36;57,58;59) som leverer luft til drift av den annen turbin (39;63) er turb okompr es s or er.

3. Anordning ifølge krav 1 eller 2, hvor synkroniseringsinnretningen omfatter en elektronikkinnretning (19), karakterisert ved at elektronikkinnretningen (19) er innrettet til å bevirke variasjon av den innbyrdes faseforskyvning av stemplene (3,4).

4. Anordning ifølge krav 3, karakterisert ved at elektronikkinnretningen (19) er innrettet til styring av lufttrykket i endekamrene (9,10) via en reguleringsinnretning (22).