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Gasturbine für Hochofenbetrieb Die im Hochofenbetrieb benötigte Druckluft,
gewöhnlich als Wind bezeichnet, wird bisher in von Großgasmaschinen angetriebenen
Kolbenverdichtern oder in von Dampfturbinen angetriebenen Zentrifugalverdichtern
erzeugt. Die Großgasmaschinen haben einerseits einen guten Wirkungsgrad, andererseits
sind sie aber sehr schwer und umfangreich und daher auch teuer. Sie beanspruchen
viel Raum und setzen eine weitgehende Reinigung des als Brennstoff verwendeten Gichtgases
voraus. Die Dampfturbinenanlage mit Zentrifugalverdichter wird einfacher und billiger.
Außerdem kann man bei der VeTbremnung der Gichtgase im Dampfkessel auf eine besondere
Reinigung der Gichtgase verzichten. Der Wirkungsgrad der Dampfanlage ist aber schlechter
als der einer Großgasmaschine.
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In neuerer Zeit ist nun noch eine andere Antriebsmaschine verwendet
worden, die sich ganz besonders für die Winderzeugung eignet, und die gute Aussichten
hat, sich hier eine Vorrangstellung zu schaffen, nämlich die Gasturbine. Sie ist
wesentlich einfacher und raumsparender und damit auch billiger als die Großgasmaschine.
Auch gegenüber einer Dampfanlage hat sie in dieser Beziehung noch Vorteile. Im Brennstoffverbrauch
ist sie der Dampfanlage überlegen.
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Der Verdichter der Gasturbinenanlage. wird zweckmäßig so ausgebildet;
daß er außer der Luft
für die Gasturbine noch die für den Hochofenbetrieb
benötigte Luft mitverdichtet. Da die Gasturbinenluft im allgemeinen einen höheren
Druck hat als der Hochofenwind, wird dieser einer früheren Stufe des gemeinsamen
Verdichters entnommen.
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Nun treten im Hochofenbetrieb besondere Betriebsbedingungen auf. Beim
sogenannten Hängen des Hochofens wird eine bedeutende Erhöhung des Luftdruckes erforderlich
bei gleichzeitiger Verringerung der Fördermenge. Bei den dampfgetriebenen Zentrifugalverdichtern
hat man dieser Forderung dadurch Rechnung getragen, daß man den Verdichter doppelfiutig
ausgebildet hat. Im normalen Betrieb arbeiten die beiden Seiten des Verdichters
parallel. Tritt nun ein Hängen des Hochofens ein, dann werden die beiden Seiten
hintereinander geschaltet, so daß nur die Hälfte der Luftmenge angesaugt,. aber
auf einen wesentlich höheren Druck verdichtet wird. Diese Maßnahme könnte man natürlich
auch bei einer Gasturbine anwenden, sie erschwert aber eine Verbindung des Windverdichters
mit dem Gasturbinenverdichter. Bei dieser Ausführung hat man außerdem noch den Nachteil,
daß man die Fördermenge und den Druck nicht beliebig zwischen den beiden Grenzwerten
variieren kann.
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Nach der Erfindung wird nun die Anlage so ausgebildet, daß der Windverdichter
mit dem Gasturbinen-Verdichter vereinigt- ist, wobei der Wind einer früheren Stufe
des Gasturbinen-Verdichters entnommen wird:. Ferner ist unabhängig von der Gasturbinenanlage
noch ein Hilfsturbinen-Verdichtersatz aufgestellt. Wird nun ein höherer Winddruck
bei verringerter Windmenge verlangt, dann wird ein Teil des Windes abgezweigt und
über eine Brennkammer der Turbine des zusätzlichen Turbinen-Verdichtersatzes zugeführt.
Gleichzeitig wird die gesamte Windmenge in den Verdichter des Turbinen-Verdichtersatzes
geleitet und dort weiterverdichtet. Je -mehr Luft man nun der Brennkammer des Hilfssatzes
zuführt, desto geringer wird die Windmenge und desto schneller läuft der Turbinen-Verdichtersatz.
Mit zunehmender Drehzahl wird aber auch die Ansaugmenge des Verdichters vergrößert,
was dem beabsichtigten Zweck entgegenläuft. Erfindungsgemäß wird daher der Verdichter
mit einer sehr flachen Kennlinie und tiefliegender Pumpgrenze ausgeführt. Für extreme
Fälle kann man nach der Erfindung den Verdichter auch in mehrere parallel arbeitende
kleinere Verdichter unterteilen, wobei die einzelnen durch abschaltbare Kupplungen,
beispielsweise Flüssigkeitskupplungen, miteinander verbunden sind. Wird z. B. eine
sehr kleine Windmenge bei sehr hohem Druck verlangt, dann werden ein oder mehrere
Verdichter abgeschaltet, so daß das angesaugte Volumen sehr klein und der Druck
sehr hoch ist.
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In Weiterbildung der Erfindung wird der Leitapparat der Turbine des
Turbinen-Verdichtersatzes verstellbar ausgeführt; so daß man die die Turbine beaufschlagende
Verbrennungsgasmenge und damit die Drehzahl regulieren kann. Durch eine Beeinflussung
der Gastemperatur hat man eine weitere Möglichkeit der Regulierung der Turbine in
der Hand.
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Nun ist noch ein wichtiger Punkt zu beachten. Die Umschaltung, d.
h. die Verringerung der Windmenge und. de Erhöhung des Winddruckes, muß schnell
durchgeführt werden. Da der Turbinen-Verdichtersatz, der diese Aufgabe übernimmt,
normalerweise außer Betrieb ist, muß dieses Aggregat in kürzester Zeit aus dem Stillstand
auf Vollast hochgefahren werden. Ein derartig schnelles Anfahren kann sehr leicht
zu Störungen und ernsthaften Schäden Anlaß geben.
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Um diese Störquellen zu beseitigen, werden in Weiterbildung der Erfindung
die Abgase der Hauptturbine ganz oder teilweise in einen die Hilfsturbine umgebenden
Mantel und von dort weiter ztfm Wärmeaustauscher geleitet. Dadurch wird die Hilfsturbine
dauernd in betriebswarmem Zustand gehalten, so daß ein schnelles Anfahren ermöglicht
wird, ohne daß ein Verziehen oder unzulässige Wärmespannungen auftreten.
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Man kann erfindungsgemäß auch einen kleinen Teil der Abgase der Hauptturbine
dauernd oder zeitweise unmittelbar in die Hilfsturbine und von dort unter Umgehung
des Wärmeaustauschers in die Atmosphäre leiten. Dadurch wird ein noch besseres Aufwärmen
der Hilfsturbine und ihr langsames Drehen erreicht.
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Der Anfahrvorgang des Turbinen-Verdichtersatzes gestaltet sich nun
folgendermaßen. Bei Hängen des Hochofens wird zunächst ein Teil der Windmenge abgezweigt
und in die Brennkammer der Hilfsturbine geleitet unter gleichzeitiger Verbrennung
von Gas. Die Gasmenge kann dabei so bemessen werden,. daß für den Anfahrvorgang
die Temperatur der Verbrennungsgase beim Eintritt in die Hilfsturbine den für Dauerbetrieb
zulässigen Wert überschreitet, um das Hochfahren zu beschleunigen. Unmittelbar darauf-
wird die gesamte Windmenge auf den Hilfsverdichter geschaltet, wobei gleichzeitig
die Drehzahl der Hauptturbine durch Erhöhung der Gaseintrittstemperatur kurzzeitig
gesteigert werden kann, um den durch das Umschalten der Windmenge auf den unter
Umständen noch nicht mit seiner Normaldrehzahl laufenden Hilfsverdichter hervorgerufenen
kurzzeitigen Druckabfall auszugleichen.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch
dargestellt. Der Verdichter i saugt durch das Rohr 2 aus der Atmosphäre Luft an
und verdichtet sie auf den für den Hochofen erforderlichen Druck. Die verdichtete
Luft wird zum Teil durch die Leitung 3 dem Hochofen zugeführt, während der restliche
Teil abgezweigt und über einen Zwischenkühler 4 dem Verdichter 5 zugeleitet wird.
Hier wird die Luft weiterverdichtet und über die Leitung 6, den Wärmeaustauscher
7 und die Leitung 8 zur Brennkammer g gefördert. Durch Verbrennung von Gichtgas,
das in einem nicht dargestellten Verdichter auf den für die Verbrennung in der Brennkammer
erforderlichen Druck verdichtet ist, und das von der Hauptleiturig
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durch die Zweigleitung 2¢ der Brennkammer 9 zugeführt wird, werden Verbrennungsgase
erzeugt, die die Hauptturbine io beauf-?chlagen. Nach Entspannung in der Turbine
gelangen die Abgase in einen die Hilfsturbine i i umgebenden Mantel 12 und weiter
durch die Leitung 13 zum Wärmeaustauscher 7 und anschließend durch die Leitung 14
in die Atmosphäre.
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Bei Hängen des Hochofens wird ein regelbarer Teil des Windes von der
Leitung 3 abgezweigt und über das Ventil 15 der Brennkammer 16 der Hilfsturbine
ii zugeführt. In der Brennkammer werden durch Verbrennung von Gichtgas, das durch
die Leitung 25 von der "Hauptleitung 23 zur Brennkammer 16 gelangt, Verbrennungsgase
erzeugt, die die Turbine i i beaüfschlagen. Nach ihrer Entspannung werden die Abgase
durch die Leitung 17 in die Abgasleitung 13 der Hauptturbine io geleitet und gelangen
mit den Abgasen der Hauptturbine gemeinsam in den Wärmeaustauscher 7. Der Wind wird
durch das Ventil 18 in die Leitung 19 und. weiter zum Hilfsverdichter 2o geführt,
der von der Hilfsturbine i i angetrieben wird. Im Verdichter 2o wird der Wind weiter
verdichtet und durch die Leitung 21 zum Ventil 22 gefördert, welches ihn in die
Leitung 3 zum Hochofen leitet. hängiger Turbinen-Verdichtersatz vorgesehen ist,
dessen Turbine bei Hängen des Hochofens mit Verbrennungsgasen, die mit einem Teil
des Hoehofenwindes in einer besonderen Brennkammer erzeugt werden, beaufschlagt
wird, während der zugehörige Verdichter den für den Hochofen verbleibenden Rest
des Windes weiter verdichtet.
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2. Gasturbinenanlage nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß
die Turbine des Turbinen-Verdichtersatzes mit einem regelbaren Eintrittsquerschnitt
versehen ist.
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3. Gasturbinenanlage nach Anspruch i; dadurch gekennzeichnet, daß
die Turbine des Turbinen-Verdiohtersatzes mit einem Mantel umgeben ist, durch den
die Abgase der Hauptturbine. ganz oder teilweise hindurch geleitet werden.
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q.. Gasturbinenanlage nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß
ein geringer Teil der Abgase der Hauptturbine dauernd oder zeitweise in die Turbine
des Turbinen-Verdichter-Satzes eingeleitet und nach Austritt aus ihr unter Umgehung
des Wärmeaustauschers in die Atmosphäre abgeleitet wird.
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5. Gasturbinenanlage nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß
die Abgase des Turbinen-Verdichtersatzes in den Wärmeaustauscher der Hauptturbine
mit eingeleitet werden.
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6. Gasturbinenanlage nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß
der Verdichter des Turbinen-Verdichtersatzes in mehrere parällel geschaltete Gruppen
unterteilt ist, die durch abschaltbare Kupplungen miteinander verbunden sind.