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Gasturbinenanlage mit geschlossenem Kreislauf Die Erfindung bezieht
sich auf Gasturbinenanlagen mit geschlossenem Kreislauf; das sind Anlagen, bei denen
das ganze bzw. im %vesentlichen das ganze Arbeitsmedium der Turbine in geschlossenem
Kreislauf strömt und nicht mit Verbrennungsprodukten vermischt wird.. Bei solchen
Anlagen wird das Arbeitsmedium gewöhnlich dadurch erwärmt, daß es durch die Rohre
eines Lufterhitzers hindurchgeführt wird, (die selbst durch Verbrennungsprodukte
erhitzt werden. Diese Lufterhitzerrohre sind somit an einer Seite sehr hohen Temperaturen
ausgesetzt und müssen durchbrennen, wenn sie nicht aus teuren, hitzebeständigen
Stählen hergestellt sind. Wenn Brennstoffe minderer Güte, beispielsweise die als
Rückstandsöde bekannten Erdölprodukte, verwendet werden, verstopfen darüber hinaus
die Lufterhitzer leicht durch Stoffe, die von den Verbrennungsprodukten abgelagert
«-erden. Von Zeit zu Zeit ist daher das kostspielige Auswechseln und/oder Reinigen
.der Rohre erforderlich.
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Der Zweck der Erfindung ist, eine Gasturbinenanlage mit geschlossenem
Kreislauf zu schaffen, bei dar die vorgenannten Nachteile vermieden sind und bei
der es möglich ist, in befriedigender Weise Brennstoffe minderer Güte zu verwenden.
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Gemäß der Erfindung wird das Arbeitsmedium einer Gasturbine mit geschlossenem
Kreislauf in einer Vorrichtung erhitzt, welche einen Heizbehälter, der eine Masse
aus feuerfesten Körpern solcher Größe und Form enthält, d'aß die Masse fließen kann,
jedoch .das Hindurchströmen von Gais gestattet, einen Wärmeaustauschbehälter, der
ebenfalls eine Masse aus solchen feuerfesten Körpern
enthält und
an seinem oberen Ende Über eine Verbindungsleitung mit ,dem unteren Ende des Heizbehälters
in Verbindung steht, die gestattet, daß die feuerfesten Körper unter ihrer eigenen
Schwere von dem zu dem Wärmeaustauschbehälter fließen, Mittel zur Verbrennung von
Brennstoff und ,_ zum Hindurchführen der heißen Verbrennungsprodukte durch den Heizbehälter
und Mittel umfaßt, um die feuerfesten Körper ständig vom Unterteil des Wärmeaustawsehbehälters
zu dem Oberteil des Heizbehälters zurückzuführen, wobei cd:er W ärmeaustausohbehälter
eine Aus.laßöffnung, die mit der Einlaßseite der Gasturbine und eine Einlaßöffnung,
die mit der eines Verdichters in Verbindung steht, der der Turbine das Arbeitsmedium
zuführt. Die feuerfesten Körper werden nachfolgend. der Einfachheit halber und außerdem,
um eine geeignete Größe und Form zu kennzeichnen, mit Kiesel bezeichnet. Dieser
Ausdruck darf jedoch nicht als in, bezug auf Zusammensetzung , Größe oder Form einschränkend
aufgefaßt werden. Die oberbeschriebene Vorrichtung ist als solche, obgleich nicht
in Verbindung mit Gasturbinen, zur Erhitzung von Gasen, beispielsweise zur - Lufterhitzung
bei Hochöfen, bekannt.
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Um die Größe der Anlagre zu reduzieren, ist es erwünscht, die Gasturbinenanlrage
mit geschlossenem Kreislauf mit einem Arbeitsmedium zu betreiben, dessen mittlerer
Druck weit oberhalb. .des Atmosphärendrucks, beis,piedsweise bei 50 bis
70 at, liegt. Wenn solche Drücke verwendet werden, ist es notwendig, Vorsichtsmaßregeln
zu treffen, um eine Strömung des A-rheitsmed:iums vom Wärmeaustauschbehälter zum
Hei.zibehälter zu verhindern. Zu diesem Zweck kann der Heizbehälter mit einem Druck
betrieben werden, der dem Druck des Arbeitsmediums in dem Wärmeaustauschbehälter
gleicht oder etwas über diesem liegt. So kann e. B. die Luft für die Verbrennung
mit Hilfe einer durch die Verbrennungspre'.dukte nach dem Verlassen des Heizbehälters
betriebenen Turbine verdichtet werden. Dieses Hilfsmittel kann jedoch infolge des
hohen Drucks, auf den die Luft verdichtet werden muß, den Aufwand äußerer Arbeit
erforderlich machen. Es wird deshalb vorgezogen, sich auf die Drosselwirkung der
Verbindungsleitung zwischen dem Heizbehälter und,dem Wärmeaustauschbehälter zu verlassen.
So kann !beispieleweise die Verbindungsleitung so lang und eng ausgeführt werden,
als es mit der Forderung vereinbar ist, daß die Kiesel hindurchfließen können müssen.
Wo die aus Zweckmäßigkeitsgründen anwendbare Länge der Verbindungsleitung nicht
ausreicht, um ein merkliches Strömen des Arbeitsmediums aus dem Wärmeaustauschbehälter
in den Heüzbe#hälter zu verhindern, kann in der Verbindungsleitung ein Ventil, beispielsweise
ein Drehventil, vorgesehen werden, das den Durchgang der Kiesel, jedoch nicht den
des Arbeitsmediums gestattet. Das Verhindern von Urdichtigkeit ist eine Funktion
der Abmessung der Verbindungsleitung und der Gasidichti,gkeit des Ventils, -und;
in einigen Fällen kann es zweckmäßig sein, ein Ventil, das nicht vollständig .gasdicht
ist, kombiniert mit einer Verbindungsleitung, zu verwenden, die ausreichend lang
ist, um .die Uriwirksamkeit des Ventils zu kompensieren. Das Ventil muß bei hohen
Temperaturen arbeiten und mag deshalb vorteilhafterweise wassergekühlt sein.
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Die Erfindung ist im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an
einem Ausiiührungsb@eispiel näher erläutert.
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Die Zeichnung zeigt die Vorrichtung zur Gaserhitzung in teilweise
geschnittener Ansicht zusammen mit einer schematischen Darstellung einer mit dieser
Vorrichtung verbundenen Gasturbinenanlage.
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In der Zeichnung ist der HeicAehälter mit i und der Wärmeaustauschbehälter
mit 2 bezeichnet. Beide Behälter sind zur Hauptsache mit kleinen feuerfesten, hier
.mit Kieseln. bezeichneten Körpern angefüllt, die aus einem Stoff bestehen, der
den vorkommenden .hohen Temperaturen und dem chemischen Angriff der heißen Verbrennungsprodukte
widerstehen kann. Der Stoff sollte außerdem, um die Größe der Vorrichtung zu verringern,
eine möglichst hohe spezifische Wärme aufweisen. Ein geeigneter Stoff ist beispielsweise
Siliciumkarbid oder geschmolzene Tonerde.
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Die Behälter i und 2 sind durch eine Verbindungsleitung 3 verbunden,
die mit einem Drehventil versehen ist, welches aus einem Gehäuse q. ttnd, einem
sektorförmige Kammern 6 aufweisenden Ventilkörper 5 besteht. Die Verbindungsleitung
3 reicht, um oberhalb der Kiesel eine große Ausströmfläche für das durch die Kiesel
hindurchgehende Gas zu schaffen, etwas in den Behälter :2 hinein. Der Ventilkörper
5 kann sich in dem Gehäuse q. drehen und bildet mit diesem zusammen einen im wesentlichen
.gasdichten Abschluß. Körper und Gehäuse sind, wie ersichtlich, beide mit Kanälen
für Kühlwasser versehen. Am Borden des Behälters 2 befindet sich eine Austrittsöffnung
fair die Kiesel, .die über ein bei 8 schematisch angedeutetes gasdichtes Dreiventil,
das ,dem in der Verbindungsleitung 3 befindlichen Ventil gleich sein kann, außer
daß es keine Wasserkühlung benötigt, reit einem senkrechten Rohr 7 in Verbindung
steht. Das Rohr 7 enthält Mitteil, beispielsweise einen Becherförderer für das Anheben
der Kiesel. Dieses Rohr 7 fördert die Kiesel am oberen Ende über ein Rohr 2q. in
den oberen Teil des Behälters i, wobei das Rohr 2.I in die Mitte des Behälters vorspringt,
so daß die Kiesel gleichmäßig verteilt werden und außerdem eine große Ausströmfläche
für das durch die Kiesel hindurchgehende Gas geschaffen wird.
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Mit der beschriebenen Vorrichtung werden die Kiesel ,durch die beiden
Behälter hindurch in ständigem Umlauf gehalten. Sie fallendurch ihre eigene Schwere
von dem oberen Teil des Behälters i zum Boden des Behälters :2 und werden dann in
dem Rohr 7 zum Oberteil ,des Behälters i wieder angehoben. Es ist ersichtlich, daß
das in der Verbindungsleitung 3 befindliche Drehventil den Durchgang der Kiesel
vom Behälter i zum Behälter 2, jedoch keinen Gasverlust gestattet als nur die ringe
Gasmenge, die in den leeren sektor.förmigen
Kammern 6 enthalten
ist. Um den Ventilkörper 5 zu drehen, kann das Gewicht der Kiesel ausreichend sein;
andererseits kann jedoch auch eine nicht gezeigte außenliegende Einrichtung zum
Drehen des Ventilkörpers 5 vorgesehen sein..
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Die in ,dem Behälter i befindlichen Kiesel werden durch die Verbrennungsproidukte
einer Breimkammer 9 erhitzt, welcher Brennstoff durch ein Röhr io und Verbrennungsluft
durch ein mit einem Gebläse 19 versehenes Rohr ii zugeführt werden. Die Verbrennungsprodukte
treten über ein Rohr 12 in den. Behälter ein und verlassen ihn über einen Kamin
13, von dem die Gase in die Atmosphäre austreten oder in eine Wärmerückge(winnungsanlage
strömen können. Statt daß eine besondere Verbrennungs,lcammer verwendet wird, kann
der Brennstoff auch vollständig oder zum Teil innerhalb des Behälters i selber verbrannt
werden.
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Das Arbeitsmedium für die Gasturbine, das vorteilhafterweise Stickstoff
oder Wasserstoff sein mag, läuft in einem geschlossenen Kreislauf um, der die Turbine
1d., einen durch diese .angetriebenen Verdichter 15, Wärmeaustausc.her 16, 17 und
18
und den Wärmeaustauschbehälter 2 umfaßt. Das Arbeitsgas strömt nach dem
Austritt aus der Turbine i.1 durch den Wärmeaustauscher 16, um das aus dem Verdichter
15 ausströmende Gas zu erhitzen, durch den Wärmeaustauscher 17, um die Luft
für die Verbrennung in der Brennkammer 9 vorzuwärmen, durch: den Wärmeaustauscher
18, wo die Gase mittels Wasser auf eine möglichst niedrig° Temperatur abgekühlt
werden, und von dort zu dem Verslichter 15. Nach dem Austritt aus dem Verdichter
15 geht das Gas durch die Heizseite des Wärmeaustauschers 16 und von dort zu dem
Eintritt 2o des Wärmeaustauschbehälters 2. Das Gas strömt im Gegenstrom zu den nach
unten sinkenden Kieseln durch ,den Behälter hindurch, wobei die Kiesel ihre Wärme
an das Gas abgeben. Das erhitzte Arbeitsgas verläßt den Behälter :2 über die Austrittsöffnung
:2i und strömt zu der Turbine 14, wo es Nutzarbeit verrichtet. Der mittlere Druck
des Arbeitsmediums wird auf einem Wert von beispielsweise So bis 70 at gehalten.
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Die Vorrichtung kann vorzugsweise zur Verbrennung von Brennstoffen
minderer Güte, beispielsweise Rücltstandsölen des Erdöls, verwendet werden. Solche
Brennstoffe halben, wenn sie bei den bekannten Gasturbinenanlagen mit geschlossenem
Kreislauf verwendet werden, den Nachteil, daß die Verbrennungsprodukte Asche und
teilweise verbrannte Stoffe enthalten, die bei der Temperatur des Lufterhitzers
in solchen bekannten Anlagen klebrig sind und als eine feste Masse aus den Lufterhitzerrohren
abgeschieden werden, wodurch sie die Strömung der Verbrennungsprodukte stören. Bei
der Anlage gemäß der Erfindung wird die Asche gleichfalls auf den in dem Behälter
i befindlichen Kieseln abgelagert, doch stört dies nicht die Strömung der Verbrennungsprodukte.
Wenn die Kiesel in den Behälter .2 übertreten, wird die Asche größtenteils noch
an ihnen haften, obgleich, da .die Kiesel sich abkühlen und die Asche härter wird,
etwas von der Asche durch Abrieb in Pulverform sich gelöst haben kann. Etwas von
dieser pulverförmigen Asche .sinkt mit den Kieseln nach unten und kann über ein
bei 22 schematisch anged:; utetes Drehventil dem System entnommen werden. Etwas
von: der pulverförmigen Asche kann jedoch von dem Arbeitsgas auch nach oben mitgenommen
sein, jedoch wird das Gas bei seinem Durchtritt durch die oberen Kieselschichten
in wirksamer Weise gereinigt, insbesondere insofern als die auf den Kieseln abgelagerte
Achse sich in diesen 'Schichten noch in einem klebrigen Zustand befindet. Das durch
die Turbine 1d. hindurchgehende Arbeitsmedium ist deshalb, im wesentlichen oder
vollstänrdig frei von festen Stoffen. Selbst wenn ein kleines festes Teilchen der
Reinigungswirkung der Kiesel entgeht, so wird dieses Teilchen Pulverform haben und
nicht di-, klebrigen Bestandteile enthalten, die sich an den Turbinenschaufeln ansetzen
können. Darüber hinaus neigen solche pulverförmigen Stoffedazu, sich in dem in dem
Behälter2 befindlichenRaum cberlhallb@derKiesel abzuscheiden. Falls erforderlich,
kann jedoch zwischen dem Behälter 2 und der Turbine ein Zyldon eingebaut werden.
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Ein Teil der Kiesel kann, während sich die Anlage noch in Betrieb
befindet, von Zeit zu Zeit oder ständig über das Ventil 22 zum Reinigen entnommen
werden. Wertvolle Bestandteile, beispielsweise Vanadiumverbin.dungen, können aus
der abgeschiedenen Asche wiedergewonnen werden. Gereinigte oder frische Kiesel können,
falls erforderlich, an irgendeinem geeigneten Punkt, beispielsweise an dem durch
den Pfeil 23 schematisch angedeuteten Punkt, in das System eingeführt werden.