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Wärmekraftanlage Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmekraftanlage,
bei der ein Dampferzeuger mit einem Gaskraftaggregat, insbesondere mit einer Gasturbine
vereinigt ist.
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Zur Durchführung solcher Verbundprozesse ist es bereits bekannt, den
Dampfprozeß und den Gasturbineriprozeß in bestimmter Weise miteinander zu verbinden.
Zum Beispiel wird beim sogenannten Aufladeprozeß die Verbrennungsluft für den Kessel
durch einen von einer Gasturbine angetriebenen Kompressor auf Druck gebracht und
im Kessel mit zugeführtem Brennstoff verbrannt. Nach Abgabe der Verbrennungswärme
im Kessel treten die verbrannten Rauchgase in die Gasturbine ein und -eben dort
einen Teil ihrer Energie ab. Anschließend gelangen sie in den Economiser des Kessels,
wo die. Restwärme der Rauchgase abgegeben wird. Der im Dampfkessel erzeugte Dampf
dient in der üblichen Weise zum Antrieb der Dampfturbine.
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Ferner kann man einem Dampferzeuger einen Gasturbinenprozeß nachschalten.
Hierbei wird die Verbrennungsluft von einem durch eine Luftturbine angetriebenen
Kompressor auf Druck gebracht und dann durch den Kessel-Abgas-Luftvorwärmer geführt.
Danach tritt die auf Temperatur gebrachte Luft in die Luftturbine ein.
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Bei einem bekannten Verfahren zum Betrieb einer Dampf-Luft-Wärmekraftanlage
soll die nicht für die Dampferzeugeranlage benötigte Abluft der Luftturbine in durch
ein verstellbares Drosselorgan in diesem Zweig der Abluftleitung regelbarer Menge
einem Wärmetanscher zugeführt werden, der die Abluftwärme an verdichtete Frischluft
überträgt und die im Luftüberhitzer weitgehend vorgewärmte Arbeitsluft in einer
zusätzlichen Brennkammer auf die Endtemperatur erhitzt. Auf diese Weise sollen Verdichter
und Luftturbine auch bei Teillast stets im günstigsten Punkt ihres Kennfeldes arbeiten.
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Bei einem solchen Verfahren kann aber die Herabsetzung der Temperatur
der dem Wärmetauscher und dem Kessel zugeführten Gasströme nicht auf einen Punkt
getrieben werden, der unterhalb der Luftaustrittstemperatur aus der letzten Verdichterstufe
liegt. Er wird im Gegenteil mindestens 100' C über dieser Temperatur liegen,
so daß die ganzeAbgastemperatur aus dem Kessel mindestens 250' C betragen
muß.
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In einem anderen bekannten Fall wird ein für die Dampferzeugungsanlage
nicht benötigter Teil der Abluft der Luftturbine bei Teillast über ein Ventil zwar
den Kesselabgasen vor dem den Verdampferheizflächen innerhalb des Kessels nachgeschalteten
Lufterhitzer zugemischt, jedoch in der Absicht, die Temperatur der Kesselabgase
in der einen oder anderen Richtung korrigierend zu beeinflussen, d. h. die
Zumischung erfolgt hier also hinsichtlich Ort und Zeitpunkt gerade so, daß die beiden
Gasströme dort eben nicht gleiche Temperatur haben können und sollen.
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Durch die vorliegende Erfindung werden die Ab-
gase im Dampfkessel
so ausgenutzt, daß sich ein optimaler Wirkungsgrad für die gesamte Anlage ergibt.
Die Erfindung besteht bei einer Wärmekraftanlage mit Aufteilung des Abgasstromes
von hohem Luftüberschuß zwischen Gasturbinenauslaß und Dampferzeugerfeuerungseintritt
in mindestens zwei Teilgasströme, von denen nur einer der Verbrennung mit geringem
Luftüberschuß innerhalb des Dampferzeugers zugeführt wird, darin, daß zur Erzielung
einer optimalen Verbrennung und zur Herabsetzung der Abmessungen der Kesselheizflächen
einerseits die Teilstrommenge für, den Dampferzeugerverbrennungsraum, entsprechend
einem an sich bekannten Luftüberschuß im Kessel von 1,1 bis 1,3 bemessen
wird und andererseits die restliche Gasmenge dem Kessel erst an solchen Stellen
zugeführt wird, an denen der jeweils abgesunkene Temperaturwert der Kesselrauchgase
etwa gleich der Temperatur der Restgasmenge ist.
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Bekanntlich geht die Verbrennung im Kessel mit einem gewissen Luftüberschuß,
der bei Kohlenstaubfeuerungen zumeist in den Grenzen von 1,1 bis
1,3
liegt, -% or sich. Es sind nun beim Anbau einer Gasturbinenanlage
an eine schon bestehende Kesselanlage dadurch Schwierigkeiten entstanden, daß die
sehr
großen Durchflußmengen einer Gasturbine einen hohen Luftüberschuß,
etwa 4 bis 7 aufweisen so daß die ganze Gasmenge nicht als Brennluft des
Kessels verwendet werden kann, und ein Teil dieser Gasmenge dann vollkommen verlorengeht.
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Diese Schwierigkeiten und die bei den bekannten Anlagen auftretenden
Verluste werden erfindungsgemäß dadurch vermieden, daß zusätzlich zu den für den
Brennraum bestimmten Abgasmengen auch der noch verbleibende Anteil an einer Stelle
niedriger Temperatur in den Kessel eingeführt wird, so daß beide Teilströme, wenn
sie sich in der Temperatur angeglichen haben, am Schluß wieder zusammengeführt und
dann im Kessel gemeinsam bis auf einen möglichst niedrigen Temperaturwert ausgenutzt
werden. Auf diese Weise wird der gesamte Abgasstrom im Kessel ausgenutzt
und gleichzeitig eine einwandfreie Verbrennung und möglichst hohe Ausnutzung sowie
kleinere Belastung des Feuerraumes erzielt.
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Der Wirkungsgrad eines aus einer Gasturbinenanlage und einem dieser
nachgeschalteten Dampferzeuger bestehenden Verbundprozesses hängt wesentlich von
der zweckentsprechenden Aufteilung der Gesamtleistung auf die Gasturbine und die
Dampfturbine sowie von der erforderlichen Brennstoffzufuhr ab. Bei der rechnerischen
Auswertung solcher Prozesse wurde das Ergebnis erzielt, daß für die Höhe des thermischen
Effektes wesentlich die Höhe der Brennstoffzuführung einerseits in der Gasturbine
und andererseits im Dampfprozeß ist.
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Bezeichnet man die nutzbare Ener-ie im Gasturbinenprozeßteil mit EGT,
die hier zugeführte Brennstoffmenge mit BGT, die im Danipfprozeß gewinnbare Energie
mit EDT, die hier zugeführte Brennstoffmenge mit BDT, so ist der Gesamtwirkungsgrad
gegeben durch die Formel
Es ist ersichtlich, daß dieser Bruch bei gegebenen Größen von ECT und EDT dann einen
besonders hohen Wert annimmt, wenn der zugeführte Brennstoff BDT im Nenner relativ
niedrig gehalten werden kann. Dies darf aber nicht auf Kosten VOU EDT im Zähler
geschehen, dieser Wert muß im Gegenteil einen möglichst hohen Wert behalten.
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Weiterhin können höhere Wirkungsgrade dann erreicht werden, wenn die
Brennstoffzufuhr im Kessel nicht bis auf das höchstzulässige Maß, also bis
zu
einem Luftfaktor von 1,1 bis 1,3 getrieben wird, .gondern
wenn dieser Luftfaktor wesentlich erhöht wird. Hiermit ist eine Verminderung der
Teilbrennstoffzufuhr im Kessel und damit auch der Gesamtbrennstoffzufuhr verbunden,
die sich vorteilhaft auf den erreichbaren Wirkungsgrad auswirkt.
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Eine Vergrößerung des Luftfaktors bedingt aber niedrige Verbrennungstemperaturen
im Kessel" Niedrige Verbrennungstemperaturen im Kessel bedeuten aber wiederum eine
erhebliche Vergrößerung der Heizflächen, so daß die Kesselabmessungen gegenüber
den üblichen Kesselgrößen ganz erheblich steigen. Dies ist darauf zurückzuführen,
daß die infolge des nochgroßenLuftüberschusses sehr großenRauchgasmengen nur geringe
Temperaturdifferenzen zwischen Gasmassen und Kesselrohren zulassen. Infolgedessen
müßte man die Temperaturen im Dampfprozeß erniedrigen, was aber wieder eine Verschlechterung
des Wirkungsgrades im Dampfprozeß mit sich bringen würde. Diese Schwierigkeiten
werden durch die vorliegende Erfindung in der oben angegebenen Weise überwunden.
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Der dem Verbrennungsrauin zugeführte Rauchgasstrom ist zweckmäßig
kleiner als der andere Ab-
gasstrom oder die anderen Abgasströme. Die Verbrennung
kann demgemäß in einer so geringen, von der gesamten Rauchgasmenge abgezweigten
Teilmenge der Abgase durchgeführt werden, daß eine einwandfreie Verbrennung bei
möglichst niedrigem Luftüberschuß, beispielsweise einem Luftfaktor von
1,1 bis 1,3 zur Erzielung optimaler Gesamtwirkungsgrade stattfindet.
Die restliche Teilmenge bzw. die Hauptmenge der Abgase aus der letzten Gasturbinenstufe
wird in einen hintenliegenden Kesselteil eingeführt und gibt nach Vermischung mit
den Verbrennungsgasen des zuvor abgeteilten Verbrennungsgasstromes seine Restwärme
und zugleich die des letztgenannten Abgasteilstromes im hinteren Kesselteil ab.
Da diese Mischgase unter Umständen nur noch eine niedrige Temperatur von etwa
300 bis 400' C
besitzen, ist es zweckmäßig, die Vereinigung der Rauchgase
vor dem Economiser vorzunehmen und die Restwärme in diesem auszunutzen. Die Erfindung
sieht weiter gegebenenfalls noch Mittel vor, um für ein konstantes Mengenverhältnis
der beiden Teilströme zu sorgen oder diese Teilströme lediglich in einem einstellbaren
Verhältnis zu ändern.
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Die Erfindung bietet den Vorteil, daß man mit einer genügend hohen
Temperaturdifferenz zwischen Rauchgasen und Kesselrohren arbeiten kann, so daß sich
im ganzen ersten Kesselteil, der vom Verbrennungsrauchgasstrom beaufschlagt wird,
keine anderen Verhältnisse ergeben, als dies bei den üblichen Kesseln der Fall ist.
Weiterhin vermeidet die Erfindung durch die Umführung eines großen Teiles oder des
Hauptteiles der Abgase um den Verbrennungsraum des Kessels unerwünschte Verluste,
die sonst dadurch entstehen, daß bei Durchleitung der gesamten Abgase diese als
Ballast durch den ersten Teil des Kessels mit durchgeschleust werden, was eine erhebliche
Verringerung der Rauchgastemperaturen in diesem Bereich zur Folge hätte. Bei den
früher vorgeschlagenen Anlagen mit gesamtem Abgasdurchsatz durch den Kessel bewirken
die Abgase infolge ihres großen Volumens zusätzlich eine Erhöhung der Druckverluste,
wenn man nicht eine starke räumliche Vergrößerung der Kesselabmessungen in Kauf
nehmen will.
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Die Erfindung bietet die Möglichkeit, den Brennstoff für den Gasturbinenteil
und für den Dampfturbinenteil den jeweiligen Belastungsverhältnissen entsprechend
zu variieren. Dabei kann auch den je-
weils zur Verfügung stehenden Brennstoffen
in dern Sinne Rechnung getragen werden, daß man die von Fall züi Fall wirtschaftlichere
Art der Feuerung verwendet. So kann der Gasturbinenteil mit Gas oder 01 beheizt
werden, während zur Befeuerung des Kessels Kohlenstaub herangezogen wird. Ebenso
ist es möglich, den empfindlicheren Gasturbinenteil mit hochwertigem flüssigem Brennstoff
zu betreiben, um eine Gefährdung der Gasturbinenschaufeln zu vermeiden, während
andererseits der Kessel mit entsprechend minderwertigen Ölen oder anderen flüssigen
Brennstoffen betrieben wird, die für die Gasturbinenschaufeln nicht zuträglich wären.
In allen diesen Fällen kann die Verbrennung im Kessel bei niedrigern Luftfaktor
einwandfrei durchgeführt werden.
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An Hand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden.
Fig.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel in seinen für die Erfindung wesentlichen
Teilen in vereinfachter schematischer Darstellung; Fig. 2 und 3 zeigen den
Temperaturverlauf bei zwei durchgerechneten Anlagen, von denen die eine (Fig.
3) im Sinne der Erfindung und die andere (Fig. 2) ohne deren Anwendung betrieben
wird.
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In Fig. 1 ist der Kessel mit 1 bezeichnet. Er enthält
einen Economiser 2, einen Verdampfer 3, einen überhitzer 4 und gegebenenfalls
noch einen Zwischenüberhitzer 5. Der Kessel ist über die Frischdampfleitung
20 mit dem Hochdruckteil einer Dampfturbine 14 verbunden. Am Auslaß des Niederdruckteiles
der Turbine 14 befindet sich der Kondensator 15. Die Speisung des Kessels
erfolgt über die Kondensatpumpe 16, den Vorwärmer 17, den Entgaser
18
und die Kesselspeisepumpe 19.
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Das Gasturbinenaggregat enthält zwei Gasturbinenstufen, von denen
die Nachschaltgasturbine 6
einen Kompressor 7 antreibt. Der zugehörige
Anwurfmotor ist mit 8 bezeichnet. Die Vorschaltgasturbine 9 treibt
die zweite Kompressorstufe 10 und den Generator 11 an. Mit 12 und
12' sind die Verbrennungsstufen für die beiden Gasturbinen 9 und
6
bezeichnet. Gegebenenfalls kann eine Zwischenkühlung für die beiden Kompressorstufen
vorgesehen sein, die in der Zeichnung mit 13 bezeichnet ist.
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Die Abgasleitung hinter der Nachschaltturbine 6
ist mit 21 bezeichnet
und gabelt sich in zwei Leitungen auf. Zur kürzeren Kennzeichnung der beiden Teilströme
soll nachfolgend der eine, mit dem die Kesselverbrennung stattfindet, kurz mit Verbrennungsstrom
und der andere, mit dem keine Verbrennung stattfindet, mit Umführungsstrom bezeichnet
werden. Dementsprechend ist die Verbrennungsstromleitung mit 22 und die Umführungsleitung
mit 23
bezeichnet. Der die Leitungen 22 oder 23 durchfließende Abgasteilstroln
läßt sich durch ein geeignetes Verstellorgan, beispielsweise durch eine Klappe 24,
beeinflussen. Dieses Verstellorgan kann stetierbar gemacht werden, wobei der Durchfluß
z. B. in Abhängigkeit von dem in der anderen Teilstromleitung oder in der Leitung
21 befindlichen Durchflußmengenmesser 25 beeinflußt wird. Ein geeigneter
Impulsgeber 26 kann zu dieser Regelung herangezogen werden.
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Die Brennstoffzufuhr zum Kessel ist mit 27 bezeichnet und tritt
zusammen mit der Verbrennungsabgasmenge, die über die Leitung 22 zugeführt wird,
im oberen Teil des Kessels ein, wo die Kesselteile für hohe Temperaturen untergebracht
sind. Die Umführungsabgasmenge gelangt über die Leitung 23
ohne Zufuhr von
Brennstoff zu einer weiter hinten liegenden Stelle des Kessels. Die Vereinigung
der Rauchgasmengen erfolgt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel etwa in Höhe
des Economisers 2, nach dem sich die Rauchgastemperaturen bis zu dieser Stelle hin
weitgehend einander angeglichen haben.
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An Stelle einer einzigen Umführungsleitung 23
können auch deren
mehrere vorgesehen sein. Dies hat vor allem dort Bedeutung, wo mehrstufige Gasturbinen
Verwendung finden oder mehrere Abgasauslässe vorhanden sind, so daß Abgase unterschiedlicher
Temperatur zur Verfügung stehen. Dementsprechend kann die Einleitung dieser Abgasmengen
an verschiedenen Stellen des Kessels erfolgen, wo die entsprechenden Temperaturen
etwa gleiche Werte angenommen haben.
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In der Fig. 2 ist der Temperaturverlauf unter Zugrundelegung eines
einzigen Abgasstromes längs desselben für einen gegebenen Fall graphisch dargestellt.
Es sind hier die Abgastemperaturen in Abhängigkeit der Wärmemenge veranschaulicht.
Dabei sind auch die jeweiligen Dampftemperaturen in den einzelnen Kesselteilen unter
der Annahme eingezeichnet, daß keine Aufteilung des Abgasstromes vor Kesseleintritt
trotz Brennstoffzufuhr stattfindet. Wie die Figur erkennen läßt, beträgt die infolge
der großen zur Verfügung stehenden Abgasmenge sich dabei einstellende Verbrennungstemperatur
am Kesseleintritt 870' C. Diese Abgastemperatur sinkt bis auf 80' C
ab und ergibt Zwischentemperaturen am Eintritt des Zwischenüberhitzers von 674'
C, am Verdampfereintritt mit 558' C und am Economiser mit 420'
C. Die Temperaturen im Wasser- bzw. Dampfteil sind in gleicher Weise über
der zu übertragenden Wärmemenge aufgetragen. Die Maßlinien für die Temperaturdifferenzen
At geben die in den einzelnen Kesselteilen maßgeblichen und für die Auslegung der
Kesselflächen in Betracht kommenden Temperaturdifferenzen an.
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In Fig. 3 sind im gleichen Maßstab die Temperaturen aufgetragen,
die sich bei Anwendung der Erfindung ergeben. Die Temperaturen im Kessel fallen
von der theoretischen Verbrennungstemperatur, die bei etwa 2000' C liegt,
bis auf 420' C vor dem Economiser und 80' C hinter demselben ab. Die
Temperaturen für den Wasser- bzw. Dampfteil sind in gleicher Weise, wie dies bei
Fig. 2 der Fall ist, ebenfalls über der zu übertragenden Wärmemenge aufgetragen.
Aus den Maßlinien A t ergeben sich für die einzelnen Kesselteile
diejenigen Temperaturdifferenzen, die für die Wärmeübertragung und damit für die
Bemessung der Kesselheizflächen maßgeblich sind. Daraus ist ersichtlich, daß im
letzten Fall diese A t-Werte auf das Dreifache im Überhitzer und Zwischenüberhitzer
und das Zweieinhalbfache im Verdampfer ansteigen. Das bedeutet also, daß die Kesselflächen
annähernd im gleichen Verhältnis verkleinert werden können.