DE19808119A1 - Niedrigtemperaturwasserstoffverbrennungsturbine - Google Patents
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Description
Diese Erfindung betrifft eine Wasserstoffverbren
nungsturbinenanlage mit einem vollkommenen Ausströmzy
klus.
Eine Wasserstoffverbrennungsturbinenanlage mit einem
vollkommenen Ausströmzyklus ist z. B. in der japani
schen ungeprüften Patentveröffentlichung Nr. 208192/95
offenbart. Ein typisches Systemdiagramm eines herkömm
lichen vollkommenen Ausströmzyklus ist in Fig. 3 ge
zeigt.
Bezugszeichen 1 bezeichnet einen Kompressor, 2 einen
Brenner, 3 eine erste Turbine, 4, 5 regenerative Wärme
tauscher, 6 eine zweite Turbine, 7 einen Kondensator, 8
eine dritte Turbine und 9, 10 Speisewasserheizer.
Ein durch den Kompressor 1 komprimiertes Gas wird in
den Brenner 2 eingespeist, wo es mit geliefertem O2 und
H2 gemischt wird. Die Mischung wird dort verbrannt und
aufgeheizt, um ein heißes Verbrennungsgas (Dampf) zu
bilden, um die erste Turbine 3 anzutreiben. Durch Ver
brennung in diesem Zyklus erzeugter überschüssiger
Dampf heizt Speisewasser in den regenerativen Wärmetau
schern 4, 5, welche stromabwärts der ersten Turbine 3
angeordnet sind. Dann wird ein Teil des überschüssigen
Dampfes wieder in den Kompressor 1 eingezogen.
Der Rest des überschüssigen Dampfes wird zur zweiten
Turbine 6 geliefert, und der Dampf, welcher die zweite
Turbine 6 angetrieben hat, wird durch den Kondensator 7
kondensiert, um Kondensat zu bilden. Das Kondensat wird
durch den Speisewasserheizer 9, den regenerativen Wär
metauscher 5 und den regenerativen Wärmetauscher 4 auf
geheizt, um Dampf zu bilden. Dieser Dampf treibt die
dritte Turbine 8 und das resultierende Abgas wird zum
Brenner 2 zurückgeführt.
Ein Versuch wurde gemacht, um weiterhin den Wirkungs
grad eines Systems mit dem vorbeschriebenen vollkomme
nen Ausströmzyklus zu erhöhen. Das heißt, die Einlaß
temperatur der ersten Hochtemperaturturbine wurde ange
hoben, und ein Zwischenkühler und regenerative Wärme
tauscher wurden als Antwort auf die damit verbundene
hohe Temperatur verschiedener Teile hinzugefügt. Durch
diesen Kunstgriff wurde versucht, die Materialien in
nerhalb des handhabbaren Temperaturbereiches zu halten,
wobei dadurch praktischer Nutzen des Systems erzielt
wurde.
Dies ist ein vollständiges Regenerationszyklus-(Zwi
schenkühlungs-)system, wie in Fig. 4 gezeigt. Das
System von Fig. 4 ist durch das Vorsehen eines Zwi
schenkühlers 13 und die Hinzufügung von regenerativen
Wärmetauschern 11, 12 gekennzeichnet, im Vergleich mit
dem vollständigen Ausströmzyklussystem, dargestellt in
Fig. 3.
Mit dem oben beschriebenen vollkommenen Ausströmzyklus
system, wie in Fig. 3 beschrieben, wurde die Gastempe
ratur begrenzt, wegen der Zykluskonfiguration und dem
Grad der Wärmebeständigkeit der diesbezüglichen Instru
mente. Somit war dieses System nicht vollkommen befrie
digend bezüglich des Wirkungsgrades.
Gemäß dem vollkommenen Regenerationszyklus-(Zwischen
kühlungs-)system, wie in Fig. 4 gezeigt, wurde die
Einlaßtemperatur der ersten Hochtemperaturturbine zur
Erreichung eines erhöhten Wirkungsgrades angehoben. Als
Antwort auf die damit verbundenen Wärmeerhöhung ver
schiedener Teile, wurden der Zwischenkühler und die re
generativen Wärmetauscher hinzugefügt, um die Tempera
turen davon abzuhalten, den handhabbaren Temperaturbe
reich der Materialien zu überschreiten. Sowohl Anwach
sen der Aufwendungen für zusätzliche Ausrüstung als
auch der Material kosten waren zu diesem Zweck unaus
weichlich, um praktischen Nutzen dieses Systems sicher
zustellen.
Die vorliegende Erfindung ist gemacht worden, um diese
Probleme mit früheren Technologien zu lösen. Ihre Auf
gabe ist es, ein neues vollkommenes Ausströmzyklus
system bereitzustellen, dessen gesamte Struktur kompakt
für erniedrigte Kosten ist und dessen Funktionen wirk
sam sind.
Die vorliegende Erfindung zum Lösen dieser Aufgabe
sieht eine Tieftemperaturwasserstoffverbrennungsturbine
in einem vollkommenen Ausströmzyklus einer Wasserstoff
verbrennungsturbinenanlage vor, welche eine Vorrichtung
für den Ausströmteil des Abgases von einer dritten Tur
bine miteinschließt, um eine erste Turbine zu kühlen.
Durch das Durchführen des Kühlens der ersten Turbine
mit einem Teil des Ausströmabgases von der dritten Tur
bine ermöglicht die Erfindung Kühlen, während eine Ver
ringerung im Wirkungsgrad minimiert wird, wobei es so
mit möglich gemacht wird, die Temperaturen der diesbe
züglichen Teile der ersten Turbine weiterhin zu verrin
gern.
Fig. 1 ist ein Systemdiagramm eines Niedrigtempe
raturausströmzyklus', das mit einer Aus
führungsform der vorliegenden Erfindung
befaßt ist;
Fig. 2 ist eine den Wirkungsgrad vergleichende
Ansicht, die einen Vergleich zwischen dem
System von Fig. 1 und einem herkömmlichen
System zeigt;
Fig. 3 ist ein Systemdiagramm eines herkömmlichen
Ausströmzyklus'; und
Fig. 4 ist ein Systemdiagramm eines herkömmlichen
Regenerationszyklus'.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird
nun unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 beschrie
ben werden. Dieselben Teile, wie im herkömmlichen
System beschrieben, werden denselben Bezugszeichen zu
geordnet und eine überlappende Erklärung wird ausgelas
sen.
Diese Ausführungsform schließt zusätzlich zur Struktur
des vorher erwähnten herkömmlichen vollkommenen Aus
strömzyklus' einen neuen Abzweigungspfad 16 mit ein,
welcher von dem Durchgang abgezweigt wird, durch wel
chen das Abgas von der dritten Turbine 8 zum Brenner 2
geliefert wird. Der Abzweigungspfad 16 steht mit der
dritten Turbine 3 in Verbindung, so daß ein Teil des
Abgases die diesbezüglichen Teile der ersten Turbine 3
kühlen wird.
Der Druck des Dampfes, welcher in die dritte Turbine 8
durch den regenerativen Wärmetauscher 5 vorderhand ein
tritt, ist nicht auf der Stufe von 140 bar, welche bei
diesem Typ von konventionellem Zyklus verwendet wird,
sondern sollte wünschenswerterweise 200 bar oder höher
sein. Wegen dieses erhöhten Druckes wird die Aufgabe in
der dritten Turbine 8 unter hohem Druck durchgeführt,
wobei dadurch der Arbeitsbetrag für die dritte Turbine
8 erhöht wird, um einen hohen Wirkungsgrad zu erzeugen.
Der große thermische Bruttowirkungsgrad der oben zusam
mengestellten Ausführungsform der Erfindung wird in Fig. 2
im Vergleich mit dem Wirkungsgrad des vollkomme
nen Regenerationszyklus' gezeigt. Das hier darge
stellte System hat ein Kühlmittelverhältnis von 0,15.
Das Kühlmittelverhältnis ist 0 für eine ideale Schau
fel, welche keine Schaufelkühlung erfordert. Eine
Hochtemperaturschaufel andererseits erfordert notwendi
gerweise Kühlung. Normalerweise ist ihr Kühlmittelver
hältnis insgesamt ungefähr 0,15 (15%).
Wenn die Einlaßtemperatur der ersten Turbine 3 bis un
gefähr 1600°C oder höher bei dieser Vorbedingung er
höht wird, kann ein herkömmlicher vollkommener Regene
rationszyklus mit einem Zwischenkühler und regenerati
ven Wärmetauschern, welche ihm hinzugefügt werden, ei
nen höheren Wirkungsgrad erzielen. Unter ungefähr
1600°C jedoch wird der vollkommene Ausströmzyklus der
vorliegenden Ausführungsform als wirksamer gefunden.
Da die Auslaßtemperatur des Kompressors 1 mit dem
Druckverhältnis in Verbindung steht, ist ein Zwischen
kühler wirksam, um diese Temperatur zu erniedrigen. Für
die Auslaßtemperatur der ersten Turbine 3 ist es not
wendig, die Einlaßtemperatur der ersten Turbine 3 zu
verringern. Unter der eingeschränkten Bedingung, daß
die Einlaßtemperatur der ersten Turbine mindestens
1600°C oder geringer ist, kann der Wirkungsgrad bei
einem hohen Wert aufrechterhalten werden, so daß der
vollkommene Ausströmzyklus der vorliegenden Ausfüh
rungsform wirksam ist.
Gemäß dieser Ausführungsform ist das Kühlen der ersten
Turbine 3 durch den Abzweigteil des Abgases von der
dritten Turbine 8 durchgeführt. Somit ist der durch
Verbrennung im Brenner 2 erzeugte Dampf nicht halbwegs
durch den Zyklus ausgeschieden, aber er ist bis zum
letzten zur Arbeit ausgenützt. Dies führt zu verbesser
tem Wirkungsgrad.
Was den Druck des Dampfes betrifft, welcher in die
dritte Turbine 8 Einlaß findet, beginnt ein gewöhnli
cher vollkommener Ausströmzyklus einen kritischen Druck
von ungefähr 140 bar zu benutzen, ein allgemeiner kom
binierter Zyklus einen kritischen Druck von ungefähr
160 bar und eine allgemeine Dampfturbine einen kriti
schen Druck von 250 bar oder mehr. Somit sind verschie
dene Bedingungen festgelegt, um einen Druck von 200 bar
oder höher zu erzeugen, wobei dadurch die Arbeit in der
dritten Turbine 8 als Arbeit unter hohem Druck gelei
stet wird. Folglich steigt der Arbeitsbetrag, wodurch
ein hoher Wirkungsgrad dem gesamten Zyklus aufgeprägt
werden kann.
Wie oben bemerkt, kann gemäß der vorliegenden Erfindung
ein höherer Wirkungsgrad als in einem vollkommenen Re
generationszyklus erhalten werden, wenn die Einlaßtem
peratur der ersten Turbine mindestens 1600°C oder dar
unter liegt. Unter der eingeschränkten Bedingung, d. h.
1600°C oder niedriger, wird hochwirksamer Betrieb mög
lich, ohne die Hinzufügung eines Zwischenkühlers und
regenerativer Wärmetauscher zu erfordern. Somit hat die
Erfindung darin Erfolg gehabt, daß sie eine Niedertem
peraturwasserstoffverbrennungsturbine zur Verfügung
stellt, für die die Aufwendungen für zusätzliche Ausrü
stung gestrichen werden können und die Kosten für Mate
rialien reduziert werden können.
Während die vorliegende Erfindung mit Bezugnahme auf
die dargestellte Ausführungsform beschrieben worden
ist, versteht es sich, daß die Erfindung dadurch nicht
beschränkt ist, sondern verschiedene Änderungen und Mo
difikationen in der konkreten Struktur der Erfindung
gemacht werden können, ohne vom Geist und dem Schutzum
fang der Erfindung abzuweichen.
Claims (1)
- Niedrigtemperaturwasserstoffverbrennungsturbine in ei nem vollkommenen Ausströmzyklus einer Wasserstoffver brennungsturbinenanlage, welche mit einschließt:
eine Vorrichtung zum Ausströmenlassen eines Teiles des Abgases von einer dritten Turbine, um eine erste Tur bine zu kühlen.
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