DE826804C - Gasdampfturbinenanlage zur gemeinsamen Erzeugung von Waerme und mechanischer Energiemit zugehoeriger Steuerung - Google Patents
Gasdampfturbinenanlage zur gemeinsamen Erzeugung von Waerme und mechanischer Energiemit zugehoeriger SteuerungInfo
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Description
Es ist bekannt, die Auspuffgase von Gasturbinen in einem Dampferzeuger zu verwenden, dessen gelieferter
Dampf beispielsweise zu Heizungszwecken benutzt werden kann. Ein solcher Dampf kann
gleicherweise unter Druck erzeugt werden und sich' dann zunächst in einer Gegendruckdampfturbine
entspannen, wo er eine gewisse zusätzliche mechanische Energiemenge erzeugt und dann noch zur
Heizung benutzt werden kann.
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung dieser Art, in der die größtmögliche Energie erzeugt wird,
die für eine bestimmte abzugebende Heizwärme gegeben ist, um in der Anlage den größtmöglichen
Wirkungsgrad zu erreichen, wobei den aktuellen Möglichkeiten von Gasturbinen Rechnung getragen
ist (Temperaturen, die mit dem mechanischen Verhalten der Geräte verträglich sind, und einzelne
Wirkungsgrade der Maschinen). Sie betrifft Γη gleicher Weise Einrichtungen zur Erzielung eines
Betriebes unter den bestmöglichen Bedingungen im ao Falle von Ausgleichsfehlern des Energie- oder des
Heizdampfbedarfs, und sie bezieht sich schließlich auf die Regelung der Anlage in den verschiedenen
ins Auge gefaßten Fällen.
Nach der Erfindung ist im Dampferzeuger ein Hilfsbrenner angeordnet, der einen Überschuß an
Dampf liefern kann. Des weiteren ist eine Einrichtung vorgesehen, die außerordentlichen Energiebedarf
im Verhältnis zu dem des Heizdampfes befriedigen kann. Diese Einrichtung besteht aus einem
Wärmeaustauscher, der parallel mit dem Dampferzeuger geschaltet ist, um die abgegebenen Luftmengen
aus dem Luftkompressor mittels der Turbinenabgase zu erwärmen, und aus Reglervorrichtungen
zur Verteilung der Luft- und Abgasmengen.
Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielsweise veranschaulicht, die den Grundgedanken der
Erfindung zum Ausdruck bringen, so daß in Einzelheiten, ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen,
Änderungen möglich sind.
Abb. ι zeigt das Grundschema einer Ausführungsform
einer Gasdampfturbinengruppe als Antrieb, die nach der Erfindung mit einem Sekundärkreis
zur Erzeugung von Heizdampf verbunden ist; Abb. 2 zeigt den Kreislauf des verwendeten
Grundgedankens;
Abb. 3 zeigt eine Einrichtung, um unter den möglichst günstigsten Bedingungen den Überschuß-
ao bedarf an Energie oder Heizdampf zu befriedigen.
In der Ausführungsform nach Abb. 1 besteht die
Gruppe im wesentlichen aus einem Kompressor C, einer Gleichdruckverbrennungskammer Ch1, einer
Hochdruckgasturbine T1 zum Antrieb des Kompressors
C, einer zweiten Gleichdruckverbrennungskammer CZi2, die die aus der Turbine T1 austretenden
Gase überhitzt, und aus einer Nutzleistungsgasturbine T2, die einen Energieverbraucher, z. B. eine
Wechselstrommaschine oder einen Generator, antreibt. Die Austrittsgase der Nutzleistungsturbine
T2 strömen durch einen Dampferzeuger G, der das
bei G1 eintretende Wasser verdampft. Der erzeugte
Dampf kann entsprechend den Eigenschaften der aus der Nutzleistungsturbine T2 austretenden Gase
3, einen mehr oder weniger erhöhten Druck und eine
mehr oder weniger erhöhte Temperatur besitzen, und kann auch überhitzt sein.
Die Luftverdichtung in den Stufen des Kompressors C erfolgt ohne Abkühlung. Würde ein
4„ solcher Vorgang vorhanden sein, so würde er tatsächlich
einen Wärmeverlust an der Kühlquelle hervorrufen, der die Gesamtleistung vermindern
würde.
Im Beispiel ist der Kompressor als Einheit dargestellt. Er kann aber auch aus mehreren von getrennten
Turbinen angetriebenen Teilen bestehen mit im Maximum ebensoviel eingeschalteten
Zwischenbrennkammern.
Der dargestellte Gasturbinenkreis enthält im
-0 Verlauf der Entspannung eine Zwischenbrennkammer
Ch2, um am Austritt genügend erhitzte Gase zwecks Erzeugung von Dampf mit bestimmter
Rückerhitzung und gleichzeitiger größtmöglicher Steigerung der durch die Gasturbine erzeugten
Energiemenge zu erhalten.
Im Beispiel ist die Nutzleistungsturbine T2 als
Einheit dargestellt. Sie kann aber auch aus mehreren Teilen bestehen und im Maximum ebenso viele
eingeschaltete Zwischenbrennkammern besitzen.
Die beiden in Abb. 1 dargestellten Turbinenteile T1 und T2 sitzen auf verschiedenen Wellen.
Sie können auf einer oder mehreren Wellen in Kombination mit den Teilen in Reihe oder parallel
angeordnet sein und können eine oder mehrere zwischengeschaltete Brennkammern besitzen. '·
Der in dem Dampferzeuger G erzeugte Dampf wird zu einer Gegendruckdampfturbine Tcp geleitet,
die entweder ein unabhängiges Gerät treibt oder die etwa unmittelbar oder über ein Zwischengelege mit
der Nutzleistungsgasturbine T2 gekuppelt ist. Der
am Austritt der Gegendruckturbine Tcp entweichende Dampf wird über die Leitung E zur
weiteren Verwendung für Heizbedarf weitergeleitet.
Die Entwicklung des Gasdampfkreises im Entropiediagramm TS der Abb. 2 verläuft folgendermaßen:
Von 1-2 Verdichtung der Verbrennungsluft ohne Kühlung im Kompressor C, von 2-3 Verbrennung
unter konstantem Druck in der Verbrennungskammer CZi1, von 3-4 Entspannung in
der Hochdruckgasturbine T1, von 4-5 Zwischenerhitzung
der Gase in der Verbrennungskammer Ch2, von 5-6 Entspannung in der Nutzleistungsgasturbine T2, von 6-7 Ausnutzung eines Teiles
der restlichen Gaswärme zum Verdampfen oder Überhitzen des Wasserdampfes, von 7-8 Ausnutzung
der restlichen Gaswärme für die Wasserheizung bis zur Verdampfungstemperatur, von 8-1
Vernichtung der restlichen Gaswärme am kalten Ende.
In der Dampfphase verläuft der Kreislauf folgendermaßen: Von 9-10Wassererhitzung bis zur
Verdampfungstemperatur, von 10-11 Verdampfung bei konstanter Temperatur und Überhitzung des
Wasserdampfes, von 11-12 Dampfentspannung in
der Gegendruckturbine Tcp bis zu dem im Heizkreislauf E verwendeten Druck.
Ist ein Heizdampfüberschuß erforderlich, so muß dem Dampferzeuger G ein Wärmezuschuß zugeführt
werden. Zu diesem Zweck wird eine zusätzliche Brennstoffzugabe in diesem Dampferzeuger
verbrannt, z. B. mittels eines Hilfsbrenners A (Abb. 3). Hierbei ist eine zusätzliche Zufuhr von
Verbrennungsluft nicht erforderlich, da die Verbrennung in den Verbrennungskammern CZt1 und
Ch2 immer mit großem Luftüberschuß derart erfolgt,
daß die den Dampferzeuger durchziehenden Gase Luft enthalten.
Soll die Anlage einen überschüssigen Energiebedarf im Verhältnis zum Heizdampfbedarf befriedigen,
so kann man a) nach einem ersten Verfahrensvorschlag, wie oben erwähnt, in dem Dampferzeuger G einen Hilfsbrenner und eine Abzapfdampfturbine
verwenden, in der sich der in dem Dampferzeuger erzeugte Dampfüberschuß bis zu einem Kondensator entspannt; b) oder aber man
kann die Verwendung eines Hilfsbrenners durch Erhöhung der durch die Gasgruppe erzeugten Gasmenge
vermeiden.
Diese beiden Ausführungsarten führen zur Verwendung einer Abzapf turbine und bedingen zwangsweise
das Vorhandensein aller üblichen zusätzlichen Vorrichtungen für die Kondensation in Dampfkreisen.
Nach der Erfindung kann die Kondensations- la5
einrichtung vermieden werden. In Wirklichkeit
wird der gesamte Energieüberschuß im Gaskreis erzeugt (Abb. 3). Um die höchstmögliche Leistung
zu erreichen, streichen die überschüssigen Gase nicht durch den Dampferzeuger, sondern sie werden
zur Erhitzung der vorher verdichteten Luft verwendet, und zwar mittels eines Wärmeaustauschers
R, der von einer mehr oder weniger großen Menge Verbrennungsluft durchflossen wird,
die dem Kompressor C entnommen ist. Diese so erhitzte Luft wird dann unmittelbar vor der Verbrennungskammer
Ch1 mit der Primärluft aus dem Kompressor C gemischt oder als Sekundärluft in
der gleichen Verbrennungskammer verwendet. Um die Leitungsverluste zu überwinden und die Gas-
und Luftmengen zu regeln, die den Wärmeaustauscher R und den Dampferzeuger G durchstreichen
müssen, genügt die Anordnung eines Umlaufventilators in jedem Kreis, d. h. (Abb. 3) eines
Ventilators V1 im Gaskreis des Wärmeaus-
ao tauschers R, eines Ventilators V2 im Luftkreis des
gleichen Wärmeaustauschers R und eines Ventilators V3 im Abgaskreis des Dampferzeugers G.
Die Regelung der verschiedenen oben beschriebenen Einrichtungen geschieht folgendermaßen:
i. Regelung der kombinierten Gruppe, wobei die von der Turbine T2 angetriebene Wechselstrommaschine
mit den anderen synchron laufenden Maschinen parallelgekuppelt ist, die insgesamt das
Hauptverteilungsnetz speisen (Abb. 1).
a) Die Dampfmenge wäre, wie in allen Einrichtungen mit Gegendruck, im Falle der Schaltung
der Wechselstrommaschine auf ein Netz durch ein Ventil V zu regeln, das von einem Druckregler rx
in der Heizleitung abhängig ist (Regelung 1), wobei der Drehzahlregler für die Turbine nur zum
Anfahren der Gruppe dient.
b) die Regelung der dem Dampferzeuger G zur Aufrechterhaltung des erforderlichen Dampfgewichtes
zugeführten Gasmenge erfolgt in analoger Weise wie bei einem gewöhnlichen Heizkessel,
nur daß, anstatt den Hilfsbrenner des Dampferzeugers oder die Zufuhr des Brennstoffes
selbst zu diesem Brenner zu beeinflussen, die Regelung durch gleichzeitige Einwirkung auf die
Brenner der Verbrennungskammern CZi1 und Ch2
erfolgt (Regelung 2).
Diese Regelung der Brenner der Kammern CZi1 und Ch9 bestimmt gleichzeitig die Abgasmenge
und deren Temperatur beim Eintritt in den Dampferzeuger. Man kann indessen auch sagen, daß die
Regelung des Brenners derVerbrennungskammer Ch1 außerdem auf die Geschwindigkeitsänderung des
Kompressors C und damit auf die Gasmenge einwirkt, während die Regelung des Brenners der Kammer
Ch2 mehr auf die Temperatur der Abgase der Gasgruppe
wirkt.
Die Regelung der beiden Brenner kann derart kombiniert werden, daß unter Aufrechterhaltung
der Gastemperatur beim Eintritt in den Dampferzeuger die Gasmenge veränderlich gehalten wird,
was wiederum die Überhitzungstemperatur des Dampfes ziemlich konstant halten läßt.
Bei der Ausführungsform nach Abb. 1 benutzt man die Veränderlichkeit des Dampfdruckes am
Ausgang des Dampferzeugers G, um auf die Brennstoffzufuhr zu den Brennern der Kammern CA1
und CZt2 einzuwirken. Zu diesem Zweck beeinflußt
ein Manometer rp das Reglerventil S1, das in den
Brennstoffsammler am Eingang an den Brennern eingeschaltet ist, deren Düsenöffnungen so gewählt
sind, daß z. B. ein bestimmtes Verhältnis zwischen den Brennleistungen dieser beiden Brenner aufrechterhalten
wird.
Der Einfachheit halber könnte man vorschlagen, gleichzeitig auf den Brenner der Verbrennungskammer
Ch1 von den üblichen Heizreglern aus einzuwirken
und die Temperatur des überhitzten Dampfes durch Einwirkung auf den Brenner der Verbrennungskammer CZt2 über einen im Dampferzeuger
angeordneten Thermostaten konstant zu halten.
Abweichend davon könnte man in gleicher Weise mit einem Thermostaten auf die Brennstoffmenge
in der Verbrennungskammer Ch2 einwirken und hierdurch eine konstante Temperatur beim Eintritt
in die Nutzleistungsturbine T2 aufrechterhalten und eine leichte Änderung der Überhitzung zulassen.
2. Regelung der kombinierten Gruppe mit selbständigem Arbeitsgang und bei Überschuß an
Dampfbedarf (Abb. 3).
In diesem Fall wird die Heizdampfmenge durch die üblichen bekannten Einrichtungen durch den
Druck in der Heizleitung E geregelt (Regelung 1). Die durch diese Regelung erzielte Änderung der
Dampfmenge beeinflußt auch die Drehzahlen der Turbinenwellen, die durch eine drehzahlabhängige
Regelung r2 auf den gewünschten Wert gebracht wird (bekanntes Verfahren), die ihrerseits auf das
Einspritzen des Brennstoffes in die beiden Verbrennungskammern Ch1 und CZt2 einwirkt und so
die Gasmenge beeinflußt.
Um die zusätzlichen Dampfmengen zu erhalten, läßt man, wie oben beschrieben, zusätzlichen Brennstoff
in den Dampferzeuger durch einen Hilfsbrenner A ein. Die Regelung dieser Brennstoffzufuhr
(Regelung 3) richtet sich nach der Änderung der die Gegendruckdampfturbine Tcp durchstreichenden
Dampf mengen. Sie kann durch einen Mengenmesser r3, z.B. eineVenturiröhre, vor dieser
Turbine gesteuert werden.
3. Regelung der kombinierten Gruppe mit selbständigem Arbeitsgang und mit Energieüberschußbedarf
(Abb. 3).
In diesem Sonderfall, unter Fortbestand der Regelungen 1 und 2, wird im Betrieb die Regelung 3
durch die Regelung 3' ersetzt. Diese stützt sich, wie die Regelung 3, auf die Mengenänderung der die
Gegendruckdampfturbine Tcp durchstreichenden Menge. Sie wirkt aber entweder auf die Drehzahl iao
oder auf die Leistung der drei Hilfsventilatoren V1,
V2, V3 ein, um einerseits die den Wärmeaustauscher
R durchstreichenden Luft- und Abgasmengen und andererseits die den Dampferzeuger G
durchstreichenden Abgasmengen zu regeln. In der Zeichnung ist eine Einrichtung dargestellt, in der
die von der Venturiröhre erhaltenen Drucke unterschiedlich auf die Kolben einwirken, die die Ventile
für die Leistungsregelung der drei Ventilatoren steuern.
5
5
Claims (5)
1. Gasdampfturbinenanlage zur gemeinsamen Erzeugung von Wärme und mechanischer
ίο Energie, bestehend aus einer ein- oder mehrstufigen
Gasturbinenanlage mit mindestens einer regulierbaren Gleichdruckverbrennungseinrichtung
zur Erwärmung der Gase und einem wenigstens teilweise durch die heißen
Turbinenabgase erwärmten Dampferzeuger (G), dadurch gekennzeichnet, daß der Dampferzeuger
(G) eine Gegendruckdampfturbine (Tcp) zur Erzeugung von mechanischer Energie
und von entspanntem Heizdampf speist, wobei ein Regler (rv Regelung 1) unter dem Dampfdruck
am Auslaß der Gegendruckturbine zur Regelung der zur Dampfturbine geleiteten Dampfmenge und eine weitere Reglervorrichtung
(Regelung 2) unter dem Einfluß der Gegendruckdampfturbine zur Regelung der von der Verbrennungseinrichtung verbrauchten
Brennstoffmenge vorgesehen ist.
2. Gasdampfturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor der oder den
Gasturbinen eine oder mehrere Verbrennungskammern (CA1, CA2) angeordnet sind, deren
Brennstoffmengen durch die durch die Gegendruckdampfturbine beeinflußte Reglervorrichtung
(Regelung 2) geregelt werden.
3· Gasdampfturbinenanlage nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß im Dampferzeuger ein Hilfsbrenner (A) angeordnet ist, welcher
durch die vom Dampfdruck vor dem Regler (rt) der Gegendruckdampfturbine beeinflußten Reglervorrichtung
(Regelung 3) geregelt wird.
4. Gasdampfturbinenanlage nach den Ansprüchen ι bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die durch die Dampfturbine beeinflußte Reglervorrichtung einerseits aus einem auf die Brennstoffmenge
der vor der oder den Gasturbinen liegenden Brennkammer (Ch1, Ch2) wirkenden
drehzahlabhängigen Regler (r2, Regelung 2), andererseits aus einem Mengenmesser (r3) der
zur Gegendruckdampfturbine zugeführten Dampfmenge besteht, der auf die vom Hilfsbrenner
(A) des Dampferzeugers verbrauchte Brennstoffmenge wirkt (Regelung 3).
5. Gasdampfturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wärmeaustauscher
(R) zur Erwärmung der verdichteten Brennluft für die Gasturbinenanlage durch die
Abgase der Gasturbine angeordnet ist, wobei der Mengenmesser (r3) die vom Hilfsbrenner
(A) verbrauchte Brennstoffmenge sowie die Verteilung der Abgasmengen zwischen dem
Dampferzeuger (G) und dem Wärmeaustauscher (R, Regelung 3') und die durch den
Wärmeaustauscher (R) fließende Luftmenge regelt.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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