SE508243C2 - Gasturbincykel med extern värmetillförsel - Google Patents

Description

508 243 10 l5 20 25 30 35 sor, gasvärmare, turbin, kylare och åter till kompres- Isorn. Vid värmning med fossila bränslen utförs gasvär- maren (luftpannan) med tuber, genom vilka arbetsgasen passerar under upphettning. Eftersom arbetsmediet inte kommer i direktkontakt med förbränningsgaserna kan bil- liga bränslen användas utan risk för nedsmutsning av turbin och värmeväxlare. Gasvärmaren blir å andra sidan stor och dyrbar, och risken är stor för lokal överhett- ning av tuberna. Värmeväxlaren, i vilken värme tillförs till den slutna cykeln, är en kritisk komponent. Arbets- mediet når sin högsta nivå både i tryck och i temperatur vid passagen genom värmeväxlaren. Strävan efter att uppnå höga temperaturer (högre än l0O0°C) gör att tubvärmeväx- lare av olika material blir mindre tillförlitliga.

En fördel med den slutna gasturbinen är att gas- trycket före kompressorn kan göras högre än atmosfärs- trycket, varvid samtliga tryck inuti maskinen, och även maskineffekten, stiger i samma proportion. Gasturbinens verkningsgrad är dock tämligen oberoende av storleken på begynnelsetrycket, varför man genom att variera detta kan reglera gasturbinen med god ekonomi. Ändamålet med uppfinningen är att åstadkomma en gasturbincykel med värmetillförsel från externa, alter- nativa energikällor.

Ytterligare ett ändamål med uppfinningen är att åstadkomma en gasturbincykel som kan ta tillvara över- skottsvärme, restvärme och liknande från energikrävande industriella processer.

Dessa ändamål uppnås enligt uppfinningen med en gas- turbincykel enligt det inledande stycket, som känneteck- nas av att den externa värmetillförseln innefattar stegen att åstadkomma ett flertal i huvudsak lika stora, sepa- rata fyllnadskroppar av ett material med god hàllfasthet vid hög temperatur och med god värmeledningsförmàga; att värma fyllnadskropparna i en från gasturbinkretsen åt- skild värmeanordning; att transportera de värmda fyll- nadskropparna från värmeanordningen till det första 10 15 20 25 30 35 508 243 värmeväxlaraggregatet; att införa fyllnadskropparna i det första värmeväxlaraggregatet och bringa dessa i direkt kontakt med arbetsgasen för överföring av värme från fyllnadskropparna till arbetsgasen; och att avlägsna de i föregående steget kylda fyllnadskropparna från det första värmeväxlaraggregatet.

Vidareutvecklingar av uppfinningen framgår av de särdrag som anges i underkraven.

En föredragen utföringsform av uppfinningen kommer nu att beskrivas i exemplifierande syfte och med hänvis- ning till den bifogade ritningen, på vilken: Fig l översiktligt visar de olika komponenter som ingår i en gasturbinkrets, vilken är lämpad att arbeta i en cykel enligt föreliggande uppfinning; Fig 2 schematiskt visar en ugn för upphettning av fyllnadskroppar, som ingår i gasturbinkretsen enligt fig 1; _ Fig 3 illustrerar en första utföringsform av gastur- binkretsens första värmeväxlaraggregat; Fig 4 illustrerar en andra utföringsform av gastur- binkretsens första värmeväxlaraggregat; och Fig 5 visar en praktisk tillämpning av arbetscykeln för en gasturbinkrets enligt uppfinningen.

Med hänvisning till fig l visas den principiella uppbyggnaden av en sluten gasturbinkrets eller -system. I en ugn eller panna 1 värmes ett medium 2 som transpor- teras till ett första värmeväxlaraggregat 3. I detta avger nämnda medium 2 en del av sin värme till arbets- gasen 4 i den slutna gasturbinkretsen 5. Till skillnad mot s.k. öppna gasturbinsystem i vilka förbränningsgaser ledes till turbinen för att driva denna utgöres arbets- gasen i det s.k. slutna gasturbinsystemet av en cirku- lerande gas med extern värmetillförsel från en externt anordnad värmekälla, dvs ugnen l. Arbetsgasen 4 är före- trädesvis en inertgas eller en ädelgas, C02, He, H2, 3 strömmar arbetsgasen till en turbin 6 som exempelvis såsom exempelvis N2 etc. Från det första värmeväxlaraggregatet 508 243 10 15 20 25 30 35 driver en generator 7, därefter till ett andra värme- växlaraggregat 8 och sedan till en kompressor 9, vilken drivs av turbinen 6, och slutligen återföres arbetsgasen 4 till det första vämeväxlaraggregatet 3 för nästa arbetscykel. Detta är känd teknik.

Det nya hos uppfinningen är att den externa värme- tillförseln från ugnen 1 till kretsen 5 via värmeväxlar- aggregatet 3 ej sker med hjälp av förbränningsgaser från ugnen, såsom är vedertaget, utan med hjälp av fasta krop- par eller fyllnadskroppar 2, företrädesvis av i huvudsak samma storlek och form, varvid klotformen är den opti- mala. Värmeväxlingen sker genom att fyllnadskropparna bringas i direktkontakt med arbetsgasen, såsom kommer att förklaras närmare nedan. Fyllnadskropparna bör uppvisa god värmeledningsförmåga och god hållfasthet vid hög tem- peratur. Exempel pà lämpliga material för fyllnadskrop- _parna är karbid, fiberarmerat keramiskt material, s.k. högtemperaturmetaller, pellets från järnverkens sinter- ugnar och liknande.

Såsom angivits ovan värmes fyllnadskropparna i en ugn 1, exempelvis en sådan som schematiskt visas i fig 2.

Ugnen kan eldas med förgasad svartlut, biobränsle, pyro- lysgas från avfall och slam etc. Fyllnadskropparna 2 bringas att i ett kontinuerligt förlopp passera genom ugnen på en rost ll och omsvepas av de varma förbrän- ningsgaserna 12. Restvärme från gaserna 12 kan med hjälp av en värmeväxlare 13 utnyttjas för förvärmning av för- bränningsluften.

Detta förfarande kan ge en praktisk möjlighet för värmeutnyttjning vid svartlutförgasning. De korrosiva produkterna, som eventuellt finns kvar i svartlutgasen blir mindre skadliga då överföringen av dessa till gasturbinen blir begränsad. (Endast medryckning på fyllnadskropparnas yta). Dessutom finns det inget syre i gasturbinens arbetsmedium.

Det är även möjligt att värma fyllnadskropparna i en i sig känd solugn, i vilken solstràlarna koncentreras med 10 15 20 25 30 35 sin värme, 508 243 hjälp av speglar. Magasinering av varma fyllnadskroppar till solfattiga stunder är tänkbart. Även varma pellets från järnverkens sinterugnar kan användas som fyllnadskroppar.

Mald järnmalm förädlas i sinterverk till knytnävs- stora sinterkulor för att senare tillföras masugnen. De färdiga sinterkulorna håller en temperatur kring l0O0° C och kyls f.n. med luft, varvid värmen går förlorad till omgivningen. Restvärmen i sinter vid ett medelstort sin- terverk utgör cza 250 GWh/àr. Det är möjligt att utnyttja sinterkulorna som fyllnadskroppar (efter föregående sepa- rering av stoft) för värmetillförsel till gasturbin- cykeln. En intressant möjlighet öppnas för restvärmeut- nyttjning från industrin.

De varma fyllnadskropparna transporteras till det första värmeväxlaraggregatet 3, där de avger en del av varefter de i förekommande fall àterföres ugnen l för återupphettning. Den tempertur som arbet:- gasen 4 kan komma upp till blir beroende av värmevax_ rens mekaniska tålighet och fyllnadskropparnas tem;»~ turbegränsningar.

Det hänvisas nu till fig 3, som illustrerar en första utföringsform av det första värmeväxlaraggreça' 3. Värmeväxlaraggregatet innefattar en behållare 14 nar ett inlopp 15 för upphettade fyllnadskroppar 2 och ett utlopp 16 för svalnade fyllnadskroppar. Behållaren 14 uppvisar även ett inlopp 17 för arbetsgasen 4 som skall värmas och ett utlopp 18 för de värmda arbetsgasen, se även fig l. Fyllnadskropparna 2 transporteras på något lämpligt, känt sätt från ugnen l till värmeväxlaraggre- gatet l4 och införes i detta via en första roterande cellmatare eller slussanordning 19. De värmda fyllnads- kropparna bringas att kontinuerligt strömma genom värme- växlaraggregatet med hjälp av tyngdkraften och före- trädesvis uppburna på en spiralformad gallerkonstruktion, eller en konstruktion med lutande steg 21, såsom schema- tiskt illustrerats i figuren. Via en andra roterande 508 245 10 15 20 25 30 35 cellmatare eller slussanordning 20 avlägsnas de av- svalnade fyllnadskropparna. Fyllnadskropparnas strömning genom värmeväxlaraggregatet kan naturligtvis även åstad- kommas tvångsmässigt eller forcerat med hjälp av något lämpligt, känt mekaniskt organ. På sin väg genom värme- växlaraggregatet omspolas fyllnadskropparna av arbets- gasen 4, som strömmar genom detta och som uppvärmes av de varma fyllnadskropparna.

Fig 4 illustrerar schematiskt en andra utföringsform av det första värmeväxlaraggregatet 3, i vilket de värmda fyllnadskropparna 2 intermittent eller som en sammanhål- len sats 22 införes i aggregatet och intermittent eller som en sammanhållen sats 23 avsvalnade uttages ur aggre- gatet. In- och utmatningen av fyllnadskropparna till respektive från värmeväxlaraggregatet sker med hjälp av en kassett eller cylindrisk skiva 24 med sektorformade _urtag för satserna 22 och 23, som roterar i pilens 25 riktning.

Två exempel på värmeväxlaraggregat har presenterats med kontinuerlig respektive intermittent genomströmning, men det är naturligtvis möjligt att modifiera och/eller kombinera dessa då så önskas. Värmeväxlaraggregatet lig- ger på den trycknivå som gasturbincykeln kräver. Tryck- hållningen säkerställes genom tillförsel av färsk arbets- gas från ett förråd 26 till gasturbinkretsen 5 för att kompensera för den arbetsgas som går förlorad vid sluss- anordningarna 19 och 20.

Användningen av fyllnadskroppar i den slutna gas- turbincykelns värmetillförsel erbjuder en möjlighet att utnyttja primärenergier vilka svårligen kan utnyttjas i en öppen cykel. Extern svartluftförgasning minskar ris- kerna för turbinkorrosion avsevärt. Förgasningen kan ske vid atmosfärstryck, vilket utgör en fördel. Möjligheten att utnyttja solvärme för gasturbindrift är av intresse.

Ojämnheter i solinstràlningen kan utjämnas med inrättan- det av ett magasin för varma fyllnadskroppar. Järn- och stàlindustrins produktion av kulsinter omsätter stora 10 15 20 25 30 508 243 energiflöden. Utnyttjandet av sinterkulorna som fyllnads- kroppar för värmetillförseln i gasturbincykeln är lockan- de. Någon regenerering av sinterkulorna behöver inte ske, då de ändå skulle kylas i den ordinarie processen.

En praktisk tillämpning av arbetscykeln enligt upp- finningen för en gasturbincykel för elproduktion har visats i fig 5. Efter det att arbetsgasen 4 på ovan be- skrivet sätt uppvärmts i det första värmeväxlaraggregatet 3 strömmar den till en turbin 6, som driver en kompressor 9 och en generator 7. Därefter strömmar arbetsgasen till ett andra värmeväxlaraggregat eller rekuperator 8 där den kyls, eventuellt efter att ha passerat genom en andra turbin 27, som driver en andra kompressor 28 och en andra generator 29, såsom visats i fig 5. När arbetsgasen kylts i värmeväxlaraggregatet 8 och i efterföljande värmeväx- laraggregat 31, 32 komprimeras den i kompressorn 28, _kyles i värmeväxlaraggregatet eller mellankylaren 33, komprimeras i kompressorn 9, värmes i värmeväxlaraggre- gatet 8 och àterföres till värmeväxlaraggregatet 3 för att sluta arbetscykeln. Från förrådet eller källan 26 tillföres färsk arbetsgas under tryck för att kompensera för läckage av arbetsgas i cykeln.

I den illustrerade utföringsformen hänför sig upp- finningen till en sluten gasturbincykel. Det är dock även möjligt att tillämpa den pà en öppen gasturbincykel.

Vidare är uppfinningen ej inskränkt till gasturbiner utan kan även praktiseras på värmning av en arbetsfluid i ett öppet eller slutet kraftsystem som innefattar känsliga komponenter, exempelvis en Stirlingmotor.

Uppfinningen är inte begränsad till det ovan be- skrivna och på ritningarna visade, utan kan förändras inom ramen för patentkraven.

Claims (10)

508 243 10 15 20 25 30 35 PATENTKRAV
1. l. Arbetscykel för en gasturbinkrets (5) som inne- fattar ett första värmeväxlaraggregat (3) för värmning av (4), (6), ett andra värmeväxlaraggregat(8) för kylning av arbets- en arbetsgas åtminstone en gasturbin åtminstone gasen i dess strömningsriktning efter nämnda gasturbin (9), bringas att strömma genom ett slutet system och varvid samt åtminstone en kompressor varvid arbetsgasen cykeln innefattar extern värmetillförsel med hjälp av (3), av att den externa värmetillförseln innefattar nämnda värmeväxlaraggregat k ä n n e t e c k - n a d stegen: A: att åstadkomma ett flertal i huvudsak lika stora, separata fyllnadskroppar (2) av ett material med god hållfasthet vid hög temperatur och med god värmelednings- förmåga; B: att värma fyllnadskropparna (2) i en från gast;:- binkretsen åtskild värmeanordning (l); C: att transportera de värmda fyllnadskropparna från värmeanordningen (1) till det första värmeväxlaz- (3): D: att införa fyllnadskropparna (2) aggregatet i det första värmeväxlaraggregatet (3) och bringa dessa i direkt k::- takt med arbetsgasen (4) för överföring av värme från fyllnadskropparna till arbetsgasen; och E: att avlägsna de i steget D kylda fyllnadskroppar- na från det första värmeväxlaraggregatet (3).
2. 2. Cykel enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k - n a d av att värmeanordningen (1) är en ugn som eldas med biobränsle eller dylikt, en solugn i vilken solstrå- larna koncentreras med hjälp av speglar, en masugn eller liknande.
3. 3. Cykel enligt patentkravet l eller 2, k ä n n e - t e c k n a d av att arbetsgasen (4) utgöres av inertgas och/eller ädelgas.
4. 4. Cykel enligt något av patentkraven 1-3, k ä n - 10 15 20 25 30 35 växlaraggregatet 508 243 n e t e c k n a d av att fyllnadskropparna (2) är till- verkade av karbid, fiberarmerat keramtiskt material el.dyl..
5. 5. Cykel enligt något av patentkraven l-3, k ä n - n e t e c k n a d av att fyllnadskropparna (2) utgöres av varma pellets eller sinterkulor från sinterugnar i järnverk.
6. 6. Cykel enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d av att de värmda fyllnadskrop- parna (2) kontinuerligt införes i det första värmeväxlar- aggregatet (3), bringas att strömma genom detta med hjälp av tyngdkraften eller mekaniska organ och avlägsnas kon- tinuerligt från nämnda värmeväxlaraggregat (3).
7. 7. Cykel enligt något av patentkraven l-5, k ä n - n e t e c k n a d av att de värmda fyllnadskropparna (2) (22) som en sammanhållen sats transpor- som en sammanhållen sats införes i det första värme- (3), teras genom detta under samtidig genomspolning av arbetsgasen och som en sammanhållen sats (23) avlägsnas från nämnda värmeväxlaraggregat (3).
8. 8. Cykel enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d av att fyllnadskropparna (2) införes i, respektive avlägsnas från, det första värme- växlaraggregatet (3) via en respektive slussanordning (19, 20).
9. 9. Cykel enligt något av föregående patentkrav, (26) för att ersätta den k ä n n e t e c k n a d av att färsk arbetsgas tillföres till gasturbinkretsen (5) arbetsgas som gått förlorad vid fyllnadskropparnas (2) passering genom det första värmeväxlaraggregatet (3).
10. 10. Cykel enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d av att arbetsgasen (4) förvärmes i det andra värmeväxlaraggregatet (8) i dess strömnings- riktning efter kompressorn (9) och före det första värme- växlaraggregatet (3).