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Verfahren zum Umsetzen von thermischer in mechanische Energie in einem Gasturbinen-und Dampfumsetzungsprozess
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anlage zum Umsetzen von thermischer in mechanische Energie in wenigstens zwei miteinander verbundenen Umsetzungsprozessen, von denen der eine als eine Teilleitung liefernder Gasturbinenprozess und der andere als die restliche Teilleitung liefernder Dampfumsetzungsprozess gewählt ist, und das einen hohen Luftüberschuss enthaltende, direkt aufgeheizte Arbeitsmittel des gegebenenfalls mit Zwischenerhitzung und/oder Zwischenkühlung geführten Gasturbinenprozesses die ihm innewohnende Restwärme an das Arbeitsmittel des nachgeschalteten Dampfumsetzungsprozesses abgibt und den Sauerstoff für die Verbrennung von zusätzlichem Brennstoff unter dem Dampfessel liefert.
Bei bekannt gewordenen Prozessführungen dieser Art handelt es sich entweder darum, die Leistung einer bereits vorhandenen Dampfanlage oder auch Gasturbinenanlage zu vergrössern oder um eine Methode der Feuerung des Kessels einer Dampfanlage vorgewärmter Brennluft zur Verfügung zu stellen. In beiden Fällen ist nun der Sauerstoffgehalt der Gasturbinenabgase restlos zur Verbrennung ausgenützt, ja bei der Aufstockung vorhandener Anlagen sogar noch Frischluft zugeführt worden, oder1mit andern Worten, die unter dem Kessel verbrannte Brehnstoffmenge wurde im Einklang mit den als Norm angesehenen Regeln des Dampfkesselbaues mindestens so gross angesetzt, wie mit einer Verbrennung bei praktisch möglichst vollständiger Ausnützung des gesamten in den Turbinenabgasen vorhandenen Sauerstoffes verträglich war.
Mitder erwähnten Massnahme glaubte man das Beste getan zu haben, das überhaupt geschehen konnte.
Ausser den erwähnten ist noch eine andere Schaltung mit einer allerdings mit indirekt erwärmter Luft arbeitenden Gasturbine bekannt geworden, der ein als Dampferzeuger ausgebildeter Kessel nachgeschaltet ist. DasArbeitsmittelderGasturbine wird in einem Wärmetauscher erhitzt, den die Brenngase einer Feue rung überstreichen, wobei die Gasturbinenabluft als Brennluft dient. Die Erwärmung sowohl des Gasturbi-
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stelle raubt solchen Prozessführungen jede Elastizität und beschränkt den Kessel im wesentlichen auf die Erzeugung von Industrie- oder Heizdampf, weil die Auslegung der Brennstelle und des Wärmetauschers durch die den Erfordernissen der Übertragung der notwendigen Wärme an das Arbeitsmittel der Gasturbine festgelegt ist und deren Wärmebedarf die Menge des verbrannten Brennstoffes bestimmt.
Gleichgültig, ob nun die gesamte Gasturbinenabluft oder zur Verkleinerung der Verbilligung des Wärmetauschers nur ein Teil der Abluft als Brennluft verwendet und der Rest weiter hinten an einer seiner
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stoffmenge mit einem zwischen 2 - 5 entspricht.
Weder beider letztgenannten Schaltung noch bei den andern erwähnten Umsetzungsprozessen ist aber bisher auf den Wirkungsgrad 1) ges des aus den beiden Teilprozessen zusammengesetzten Gesamtprozesses Bedacht genommen worden. Die Erfindung schliesst diese fühlbare Lücke und vermittelt eine Lehre, deren Beachtung zu den besten Gesamtwirkungsgraden führt, die sich bei den eingangs erwähnten Prozessen erzielen lassen.
Eine genauere Untersuchung des Zusammenwirkens eines Gasturbinenprozesses mit einem nachgeschalteten Dampfumsetzungsprozess liefert nämlich das visher völlig unbekannte Ergebnis, dass der Wirkungsgrad il ges wesentlich von der zweckentsprechenden Aufteilung der Gesamtleistung N auf die Gas-
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turbinenanlage und die Dampfanlage sowie von der erforderlichen Brennstoffzufuhr abhängt. Für den Gesamtwirkungsgrad ist es von Bedeutung, wie gross einerseits die zur Wärmezufuhr in den Gasumsetzungsprozess, anderseits die lediglich zur Wärmezufuhr in den Dampfumsetzungsprozess verbrannten Brennstoffmengen sind.
Werden die dem Gasprozess bzw. dem Dampfprozess aus der Verbrennung von Brennstoff zugeführten Energien (Wärmen) mit BG bzw. BD und die diesen Teilprozessen entnommenen Energien (in cal. umgerechnet) mit NG bzw. ND bezeichnet, so gilt für den Gesamtwirkungsgrad die formelmässige Darstellung
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die sich bei Einführung der Teilwirkungsgrade
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, des Gasprozesses und
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des Dampfprozesses in der Gestalt
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bringen lässt.
Aus der letzten Darstellung, in der übrigens 1) G und 1) keineswegs als konstante Grössen angesehen werden dürfen, ergibt sich zunächst der Hinweis, im Interesse eines guten Gesamtwirkungsgrades den
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nach sich zieht.
Es lassen sich vielmehr höhere Wirkungsgrade erreichen, wenn die Brennstoffzufuhr unter den Kessel nicht bis auf das höchstzulässige Mass, also bis zu einem Luftfaktor von 1 ; 1 bis 1, 3 getrieben, sondern den Rauchgasen des Kessels ein zweckmässig wesentlich höherer Luftüberschuss belassen wird.
Hiemit ist jene Verminderung der im Kessel verbrauchten Brennstoffmenge und auch der Gesamtbrennstoffzufuhr verbunden, die sich vorteilhaft auf den erreichbaren thermischen Gesamtwirkungsgrad auswirkt.
Will man gute thermische Gesamtwirkungsgrade erzielen, so muss erfindungsgemäss bei Einführung der Gasturbinenabgase in den Dampfkessel, mit einem Luftüberschuss, der, wie an sich bekannt, einem Luftfaktor À = 2-5 entspricht, der Luftüberschuss der Rauchgase am Kesselausgang höher gewählt werden, als einem üblichen X-Wert zwischen 1, 1 - 1.
3 entspricht, also auf einen Zwischenwert festgelegt und die unter dem Dampfkessel zusätzlich verbrannte Brennstoffmenge BD demgemäss beschränkt werden, so dass einerseits in dem Dampfumsetzungsprozess hinsichtlich seines Druckes, seiner Überhitzung und seiner Carnotisierung eine günstige Gefällsausnützung des Dampfes gegeben ist und anderseits die Abgaswärme
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sowie die zusätzlich eingeführte Wärmemenge an das Arbeitsmittel des Dampfprozesses mit gutem Wirkungsgrad übertragen werden.
Es soll also weder der Gas-noch der Dampfumsetzungsprozess für sich allein ohne weiteres nach den für ihn vorteilhaftesten den besten Teilwirkungsgrad ergebenden Gesichtspunkten ausgelegt werden. Wegen der aus der Hintereinanderschaltung der beiden Umsetzungsprozesse entspringenden Kopplung wird immer die Temperatur der Gasturbinenabgase beim Eintreten in den Kessel und somit die Führung des Gasumsetzungsprozesses im Hinblick auf den Dampfprozess von Bedeutung sein. Selbstverständlich bleibt aber auch der Auslegung des Dampfumsetzungsprozesses volle Aufmerksamkeit zu schenken, dessen Wirkungsgrad auf den Gesamtwirkungsgrad von erheblichem Einfluss ist.
Insbesondere ist darauf zu achten, dass zur Durchführung des durch Wahl seines Druckes, der Überhitzung und der Carnotisierung zu einer guten Ausnützung des zu schaffenden Wärmegefälles ausgelegten Dampfprozesses die Wärmemenge, die sich aus der Wärme der Turbinenabgase und der aus der Verbrennung des zusätzlichen Brennstoffes erzeugten Wärme zusammensetzt, an diesen mit gutem Wirkungsgrad übertragen wird.
Die Erfindung ist im folgenden an Hand beispielsweiser Ausführungsformen näher beschrieben, wobei sich weitere Erfindungsmerkmale ergebenund zur besseren Erläuterung die Zeichnung herangezogen ist, in welcher Fig. l ein t. i-Diagramm und Fig. 2 das Schaltbild einer Kraftanlage zeigen. Bei jedem Dampf- kesselbildet der Kesselraum einen Strömungsweg für die Rauchgase, die den Strömungsweg für das Arbeits- mittel des Dampfprozesses, nämlich das Rohrsystem des Ekonomisers, des Verdampfers und des Überhitzers umspülen.
Entlang der Flächen dieses Rohrsystem stehen beide Medien in Wärmeaustausch, dessen Gesetzmässigkeit sich am besten aus einem t, i-Diagramm entnehmen lässt, in dem die Isobaren des Arbeitmittels bei unterkritischen Drücken einen geknickten, diejenigen der Rauchgase einen geradlinigen Verlauf zeigen.
In Fig. 1 sind die Isobaren der beiden wärmetauschenden Medien, nämlich der Rauchgase und des Arbeitsmittels des Dampfprozesses eingetragen. Die Isobare der Rauchgase ist praktisch eine gerade Linie g, wogegen die beispielsweise herausgegriffene 100 at-Isobare für das Arbeitsmittel des Dampfprozesses, die noch einem unterkritischen Druck zugehört, die Gestalt eines geknickten Linienzuges mit drei Abschnitten, da.ds, aufweist.DerAbschnitt d, ist der flüssigen Phase, also dem Wasser, der Abschnitt d dem Zweiphasengebiet, in dem Wasser und Wasserdampf nebeneinander bestehen. und der Abschnitt ds dem überhitzten Dampf zugeordnet.
Das mit einer Temperatur von 400C in den Kessel eintretende Wasser wird längs des Abschnittes d der praktisch mit der unteren Grenzkurve zusammenfällt, bis auf die Siedetemperatur erwärmt. Entlang des an Punkt A beginnender Verdampfung anschliessenden, bzw. zur i-Achse annähernd parallelen Abschnittes da. in dem die Isobare auch Isotherme ist, erfolgt die Verdampfung. Im Verlauf des von dem Schnittpunkt B mit der oberen Grenzkurve ausgehenden Isobarenabschnittes d3 wird der Dampf bis auf die vorgesehene Überhitzungstemperatur von 5500C überhitzt. Die Rauchgasisobare g bezieht sich auf jene Menge der Rauchgase, die mit 1 kg Wasser oder Dampf in Wärmetausch steht.
Diese Gerade muss in dem gesamten Temperaturintervall zwischen 400 und 5500 C oberhalb der Wasser-Dampfisobare verlaufen, wenn an jeder Stelle der Kesselflächen, also an den Economiser-, den Verdampfer- und den Überhitzer- flächen ein Wärmetausch möglich sein soll. Solche Verhältnisse lassen sich realisieren, wenn im Einklang mit der Erfindung eine entsprechend bemessene Brennstoffmenge BD unter dem Kessel mit solchem Luftüberschuss verbrannt wird, dass die Rauchgasisobare z. B. annähernd parallel zu und in einem Abstand A t von dem Abschnitt d verläuft. Die Brenngase weisen bei diesem Luftüberschuss eine Temperatur von 700 bis etwa 8500C auf.
Um die Gestalt der Rauchgasisobare der unbeeinflussbaren Form der Wasser-Dampfisobare besser anzupassen, ist bereits vorgeschlagen worden, die mit 1 kg Wasser bzw. Dampf in Wechselwirkung stehende Rauchgasmenge innerhalb des entlang der Wärmetauscherflächen des Kessels abschnittsweise zu verändern.
Dieser Vorschlag lässt sich verwirklichen, wenn beispielsweise die Abgase einer Gasturbine einem nachgeschalteten Dampfkessel nicht zur Gänze am Kesseleingang zugeführt werden, sondern der Abgasstrom in Teilströme aufgeteilt wird, und diese an ihrer Temperatur entsprechenden Stellen in den Kessel eingeführt und dort den Kesselgasen beigemengt werden.
Dieser Gedanke lässt sich mit dem vorgeschlagenen Verfahren in vorteilhafter Weise verbinden. Das Schaltbild eines Gasturbinenaggregates, das mit einer nachgeschalteten Dampfkraftanlage in dieser Weise arbeitet, ist in Fig. 2 gezeigt.
Das Gasaggregat enthält einen Verdichter 1 zur Verdichtung von Frischluft auf den erforderlichen Druck. Die komprimierte Luft wird einer Brennkammer 2 zugeführt, in welcher, wie mit 3 angedeutet ist, zugeführter Brennstoff B, z. B. Öl oder Gas, mit hohem Luftüberschuss, also bei einem
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Luftfaktor von 2 bis 5, verbrannt wird, so dass das aus den Verbrennungsgasen und dem an der Verbrennung unbeteiligten Luftanteil bestehende und das Arbeitsmittel der Gasturbine bildende Gasgemisch beim Eintritt in eine Gasturbine 4 deren zulässige Eingangstemperatur nicht überschreitet. Das nach seiner Abarbeitung aus der Gasturbine entspannt austretende Gasgemisch, die Gasturbinenabgase, werden in zwei Teilströme aufgeteilt.
Die Abgasleitung der Gasturbine gabelt sich in eine Leitung 6, die zu der Brennstelle 7 eines Kessels 8 führt und an dieser den als Brennluft zur Verbrennung der zusätzlich verbrannten
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abgibt. Die zweite Leitungsel an einer Stelle ein, an welcher die Temperatur (1er Rauchgase im wesentlichen auf die Temperatur der Turbinenabgase abgesunken ist. Die Stelle, an welcher dieser Abgasteilstrom den Kesselrauchgasen beigemengt wird, kann in den Bereich der Verdampfer- oder diesen nachgeschalteter Wärmetauscherflächen verlegt sein. Der aus dem Überhitzer austretende Dampf ist einer Dampfturbine 10 zugeführt, die z.
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einem Kondensator 11 kondensiert, das Kondensat mittels einer Umlaufpumpe 13 aber eine Anzapf- vorwärmstufe 13 - solche Anzapfvorwärmungen dienen der Carnotisierung des Dampfprozesses - gelei- tet und in das Rohrsystem des Kessels wieder eingespeist. Die Dampfturbine treibt einen Generator 14, die Gasturbine ausser dem Verdichter l noch einen Generator 15 an. Die in den Fuchs 5 des Kes- sels austretenden Kesselgasc sind ein Gemisch aus den Verbrennungsgasen von der Brennstelle 7 und dem aus der Leitung 9 zugeführten Teilstrom der Ga3turbinenabgase.
Sie enthalten dort noch einen LuftUber- schuss, der über dem der Verbrennungsgase und unter dem der Gasturbinenabgase liegt, also einen Zwischenwert aufweist, dessen Betrag sich nach der zusätzlich verbrannten Brennstoffmenge richtet.
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KesseparallelzudemAbschnittd1derWasser-Dampfisobareverläuft. DieKnickstelleliegtumeineTemperaturspanne A 1t oberhalb der Siedetemperatur. Die Temperatur der Verbrennungsgase an der Brennstelle, in deren Nähe zweckmässig die Überhitzerflächen verlegt sind, kann z. B-1400 C oder mehr betragen. Wegen der am Überhitzer herrschenden grösseren Temperaturdifferenz kann dieser dann kleiner ausgelegt werden, muss aber aus entsprechend wärmefestem Material bestehen.
Es sei erwähnt, dass Gasturbinenanlagen zur Durchführung eines nach den beschriebenen Grundsätzen ausgelegten Gesamtumsetzungsprozesses auch zwei oder mehrere Verdichter und auch zwei oder mehrere
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auch mehrere Brennkammern vorhanden sein können.
Auch die nachgeschaltete Dampfanlage kann komplizierter aufgebaut sein, als dem in Fig. 2 gezeigten Schaltschema entspricht. Die Massnahmen, welche zu der angestrebten Optimierung des Gesamtpro-
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statten vielmehr in vielen Fällen die Verwendung oder Mitverwendung schon vorhandener Anlageteile und führen trotzdem zu besseren thermischen Gesamtwirkungsgraden, als deren Zusammenschaltung nach den bisher üblichen Grundsätzen erreichen lässt. Die Anpassungsfähigkeit des der Erfindung zugrunde liegenden Gedankens erlaubt daher, bei praktischen Planungen auch wirtschaftliche Erwägungen, wie z.
B. die Verwendung verschiedenartiger Energieträger in den Teilprozessen,- beispielsweise die Verwendung eines preisgünstigen Brennstoffes zur Verbrennung unter dem Dampfkessel - die Amortisation von Anlagekosten usw., mit in Betracht zu ziehen.
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