CH242701A

CH242701A - Wärme- und Leistungserzeugungsanlage.

Info

Publication number: CH242701A
Authority: CH
Inventors: Oerlikon Maschinenfabrik
Original assignee: Oerlikon Maschf
Priority date: 1944-08-18
Filing date: 1944-08-18
Publication date: 1946-05-31

Description

Wärme- und Leistungserzeugungsanlage. Die Kombination einer Feuerung mit einem Gasturbinenaggregat erlaubt neben der Erzeugung von mechanischer Leistung und der Wärmeabgabe an einen Verbraucher eine gute Ausnützung der Gasturbinenab- wärme, welche z.

B. der Brennluft durch Wärmeaustausch oder bei Luft als Arbeits mittel der Turbine durch unmittelbare Ver- vJendung der Abluft als Brennluft oder durch Zumischung zur Brennluft abgegeben wer= den kann. Dies bewirkt nun oft eine zu hohe Temperatur der Brenngase, die einen Teil ihrer Wärme an das Gastürbinensystem ab zugeben haben, z. B. durch Erhitzung des Turbinenarbeitsmittels in einem Gas- oder Lufterhitzer.

Erfindungsgemäss wird nun nur ein Teil der Abwärme des Turbinenarbeitsmittels der Verbrennungsluft der F'eüerungsanlage zuge führt, ferner wird ein Teil der Turbinenabgase den Brenngasen nach erfolgter Verbrennung zugemischt, und nach erfolgter Zümischung der Turbinenabgase erfolgt eine Temperatur senkung der Brenngase zwecks Erzeugung mechanischer Energie i Gasturbinenaggre- gat. Diese Temperatursenkung zwecks Er zeugung mechanischer Leistung erfolgt z. B.

in einem Lufterhitzer, in welchem die Brenn- gase Luft erwärmen, die nach erfolgter Tem peratursteigerung in einer Luftturbine Arbeit leisten..

Vor der Zumisehung von Turbinenab gasen (-Abluft) z. B. an die Brennluft oder an die Brenngase bezw. vor Verbrennung der Turbinenabluft kann eine Abkühlung der Turbinenabgase (Abluft) in einem Austau- scher erfolgen, der Teilwärme an das Turbi- r..enarbeitsmittel zwecks Vorwärmung oder an den Nutzwärmeverbraucher abgibt.

Eine solche Abkühlung ist oft zum Zwecke der Vermeidung von zu hohen Rosttemperaturen notwendig. Ferner kann eine Wärmeabgabe an den Nutzwärmeverbraucher auch durch die Verbrennungsgase vor oder nach der Zü- mischung der Turbinenabgase oder auch nach dem Lufterhitzer erfolgen.

Die Fördermenge im Gasturbinenaggregat kann willkürlich höher gewählt werden als die Summe der Fördermengen der Verbrennungs luft und der den Brenngasen zugemischten Luft (Gas) verlangen würde, wobei die über- sehüssigexs Turbinenabgasmengen (Abluft) ihre Restwärme an den Nutzwärmeverbrau- eher übertragen können. Sie werden dabei vorzugsweise getrennt von den Brenngasen geführt,

um ihre Abwärme unabhängig von jener der Brenngase ausnützen zu können.

Ein Teil der Brenngase kann zur Zwi schenerwärmung von bereits abgekühlten Brenngasen verwendet werden.

Da es sich um eine Heizkraftanlage han delt, ist oft auch die Kühlwärme des Ver- diähters, welcher das Turbinenarbeitsmittel auf Druck bringt, nutzbringend verwertbar, was durch Abgabe derselben an den Nutz- värmeverbraucher oder beiVerwendung einer Flüssigkeit als Nutzwärmeträger durch Zu misöhung zu derselben geschehen kann.

Schliesslich kann der Ausbau der Heiz- kraftanlage durch die Zuschaltung einer Wärmepumpenanlage vervollständigt werden, welche ermöglicht, im Zusammenhang mit der Luftturbine- einen gewissen Prozentsatz des Äquivalentes der aufgepumpten Wärme als Nutzleistung oder Nutzwärme (ohne Ver mehrung der Brennstoffwärme)

- zu schaffen bezw. eine Brennstoffeinsparung der Feue- rimgsanlage zu gewährleisten.

Ein Wärmepumpeneffekt kann auch ohne eine Wärmepumpe dadurch erzielt= werden, dass ein Teil der Gasturbinenegpansion in das Gebiet tiefer Temperaturen verlegt wird.

Die Teillastregelung der Leistung kann vorzugsweise durch Umführen eines Teils der Luftturbinenfördermenge um mindestens ein zelne Stufen der Turbine erfolgen; auch kann Drehzahlregelung des gompresEors und min destens eines Teils der Turbinenstufen vorge sehen sein.

Die beiliegende Zeichnung zeigt schema: tisch ein Ausführungsbeispiel einer Wärme- undLeistungserzeugungs.anlage, welche neben dem Verfahren zur Herstellung einer solchen Anlage den Gegenstand vorliegender Erfin dung bildet. Der Kompressor K ist als gekühlt voraus gesetzt.

Durch Kühler Ü, die au mehreren Stufen des Kompressors K vorgesehen sind, wird als Kühlmittel beispielsweise Wasser oder Luft geführt (beispielsweise Kühlstu- fen c,-z-b und b-c), welche die im Kühler aufgenommene Wärme im Teil H, des Ver brauchers, H (c-e) ebenfalls an den Ver braucher abgeben kann.

Die im Kompressor H und 0 auf 9 kom primierte Luft gelangt in einen Luftvorwär- mer L, (30-ss9) und einen Lufterhitzer L2 (40=49) und von da zur Turbine M (50-59), die den Generator N und den Kompressor g antreibt. Der Kompressor K kann aber auch separaten Antrieb, z. B. durch eine Teiltur- bine der Turbine M erhalten.

Die Abluft der Turbine M (59) wird nun in drei Teilströme aufgeteilt: Der eine (59a) wird in der Feue- rungsanlage, der er im Zustand 60 zugeführt wird, als Verbrennungsluft gebraucht, nach dem er beispielsweise vorher irri Austauscher I3, Wärme an einen Nutzwärmeträger abge geben hat. Es wird auf dem Rost C beispiels- weise Kohle verbrannt.

Ein zweiter Teil (59b) der Turbinenabluft wird nun den Verbrennungsgasen nach deren Verbrennüng bei 61 zugemischt (Leitung 59b-59b'-61). Die Mischgase strömen über 80 dem Lufterhitzer L, <I>zu.</I> Sie können nach Durchströmen eines Teils des Lufterhit- zers L2 mit restlichen abgezweigten Heiss gasen gemischt werden;

zu diesem Zwecke ist der Gasstrom im Erhitzer L#, bei 81 unter brochen, und es werden die Gase mit dem über 652 abgezweigten Heissgasrest gemischt. Der Heissgasrest kann seinerseits auch mit Turbinenabluft (59b") gemischt sein. Eine solche Zwischenwärmung durch restliche Heissgase kann beliebig oft erfolgen.

Die Mischgase beaufschlagen sodann im Zustand 82 den Restteil des Erhitzers L@ und verlas sen denselben im Zustand 85, um von da in den Gasteil des Luftvorwärmers. L, zu gelän gen, den sie im Zustand 89 verlassen.

Die Abgase des Vorwärmers L, durchströmen beispielsweise zwecks Wärmeabgabe an den Verbraucher noch den Austauscher BZ (90 bis 99), um alsdann beispielsweise ins Ka min zu entweichen. Der dritte Teil der Tur binenabluft (59e) strömt direkt zum Luft vorwärmer LY, den er von 850 bis 890 durch strömt.

Von L, gelangt die Luft in den Ab wärmeaustauscher B3 (900-990); wo Wärme ähnlich wie in -B, und BZ an den Verbrau cher abgegeben wird. Im Vorwärmer L1 und im folgenden Strömungsweg werden die Gase (85-89-99) getrennt von der Luft (850-890-990) geführt, um die Abluft zu tieferen Temperaturen ausnützen zu können als die Abgase: Die Brenngase oder die Ab-.

luft können auch Wärme an ein Dampf system abgeben, und zwar vor oder nach Durchströmen des Lufterhitzers. Auch kann eine Wärmeabgabe an den Verbraucher vor Durchströmen des Lufterhitzers erfolgen.

Es ist auch noch eine Wärmepumpenan- lage vorhanden, die Wärme aus einem tief- temperaturigen Niveau mindestens auf das jenige des Verbrauchers hebt. P bedeutet einen Verdampfer, Q einen Dampfkompres sor, B einen Kondensator, S .eine Expan sionsmaschine und T -einen Drückvernich- tungsschieber. Sofern die Wärmepumpe mit Verdampfung arbeitet; wird die Expansions maschine S weggelassen und der Druck im Teil T allein vernichtet.

Die im Verdampfer P dem tiefen Temperaturniveau (Umge bungsluft, Wasser von Seen oder Flüssen usw.) entzogene Wärme sowie die Kompres sionswärme des Kompressors Q werden im Kondensator B an das flüssige oder gas förmige Mittel -(vorzugsweise Wasser oder Luft) abgegeben, welches im Kondensator B Wärme aufnimmt (Zustandsänderung <B>f -g)</B> und dieselbe mindestens zum Teil im Ver braucher HZ abgibt (g, h).

Die Turbine S' treibt einen Generator W. P stellt den Antriebsmotor des Wärmepum- penkompressors dar.

An Stelle der Dampf Wärmepumpenan- lage, welche in der Figur angenommen wurde, kann auch eine Luft- oder Gaswärme pumpenanlage treten, wobei alsdann 'der Kompressor Q, beispielsweise einen Rota- tionskampressor, B und P Wärmeaustauscher und 8 eine Luft- oder Gasturbine bedeuten. Im Falle von Luft kann der Verdampfer P wegfallen;

an seine Stelle tritt alsdann direkt die Atmosphäre. Die Kompressoren g und Q können im Falle von gleichen Arbeitsmedien zusammengebaut werden, ebenfalls die Tur binen M und S (indem beispielsweise der Kompressor Q als eine Stufe oder Stufen gruppe des Kompressors g gebaut wird).

An Stelle von Luft kann im Gasturbinen aggregat 0-60 auch ein anderes Gas. treten. Ferner kann der Erfindungsgedanke auch durch andere .Schaltungen verwirklicht wer den. Es kann beispielsweise auch das Ar beitsmittel im Kreislauf geführt werden. buch die Antriebs- und Kupplungsverhält nisse von Turbinen und Kompressoren kön nen beliebig sein. Ferner können statt Kohle andere Brennstoffe- (flüssige oder gasför mige) verwendet werden.

Die Kombination von Luftturbine und Wärmepumpe kann auch derart erfolgen, dass statt einer eigenen Wärmepumpenaulage min destens ein Teil der Luftturbinenstufen mit Arbeitsmittel so tiefer Temperatur beschickt wird, dass die . Austrittstemperatur dieser Stufengruppe unterhalb der Temperatur der Umgebung zu liegen kommt.

Die gestrichelt eingetragene Turbine M' zwischen 990 und 991 kann, weil bei tiefer Temperatur expandierend, einen Wärmepum- peneffekt ergeben, welcher die W ärmepum- penanlage RSTPQ überflüssig machen kann. Der Turbine M\ und der Wärmeabgabestelle BI könnte auch noch ein Kompressor vorge schaltet sein (z. B. zwischen 890 und 900).

Mit Vorteil wird eine bestehende Feue- rungsanlage mit einem Gasturbinenaggregat derart kombiniert; dass nur ein Teil der Ab wärme des Turbinenarbeitsmittels der Ver brennungsluft der Feuerungsanlage zuge führt wird, dass ferner ein Teil der Turbi nenabgase den Brenngasen nach erfolgter Verbrennung zugemischt wird und dass nach erfolgter Zumischung der Turbinenabgase eine .

Temperatursenkung der Brenngase zwecks Erzeugung mechanischer -Energie im Gasturbinenaggregat erfolgt. Dabei wird fer ner noch vorzugsweise eine Wärmepumpe zu geschaltet.

Claims

PATENTANSPRUCH I: Wärme- und Leistungserzeugungsanlage mit einer Feuerungsanlage und einem Gastur- binenaggregät, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein Teil der Abwärme des Turbinen- arbeitsmittels der Verbrennungsluft der Fene- rungsanlage zugeführt wird,

dass ferner ein Teil der Turbinenabgase den Brenngasen räch erfolgter Verbrennung zugemischt wird, und dass nach erfolgter Zumischung der Tur binenabgase eine- Temperatursenkung der Brenngase zwecks. Erzeugung mechanischer Energie im Gasturbinenaggregat erfolgt. UNTERANSPRüCHE 1.

Wärme und Leistungserzeugungsan- lage nach Patentanspruch I, dadurch gekenn zeichnet, dass die Wärmeabgabe des Tur- binenarbeitsmittels an die Verbrennungsluft durch unmittelbare Verwendung des Arbeits- mittels als Brennluft erfolgt.

2. Wärme- und Leistungserzeubgungsan- lage.nach Patentanspruch I, dadurch gekenn zeichnet, dass _ die Wärmeabgabe des. Tur- binenarbeitsmittels an die Verbrennungsluft durch Wärmeaustausch erfolgt. 3.

Wärme- und Leistungserzeugungsan- lage nach Patentanspruch I, dadurch gekenn zeichnet, dass die Wärmeabgabe des Tur- binenarbeitsmittels an die Verbrennungsluft durch Zumischung des Arbeitsmittels erfolgt. 4.

Wärme- und Leistungserzeugungsan- lage nach Patentanspruch I, dadurch gekenn zeichnet, dass die Temperatursenkung zwecks Leistungserzeugung durch Wärmeabgabe an einen Gaserhitzer erfolgt; wobei in einem Verdichter komprimiertes Gas sich erhitzt, um alsdann in einer Gasturbine Arbeit zu leisten. 5.

Wärme- und Leistüngserzeugungsan- lage nach Patentanspruch I, mit Luft als Arbeitsmittel in der Gasturbine, dadurch ge kennzeichnet, dass die Verbrennungsluft mindestens zum Teil Turbinenabluft' ist, und dass ein weiterer Teil der Turbinenabluft mit den Verbrennungsgasen nach der Verbren nung gemischt wird. 6.

Wärme- und Leistungserzeugungsan- lage nach Patentanspruch I, dadurch gekenn zeichnet, dass vor der Zumischung der Tur binenabgase die Brenngase Wärme an ein Dampfsystem abgeben. 7. Wärme- und Leistungserzeugungsan- läge nach Patentanspruch I, dadurch gekenn zeichnet, dass vor der Zumischung der Tur- binenabgase die Brenngase Wärme an eine Flüssigkeit abgeben. B.

Wärme- und Leistungserzeugungsan- lage nach Patentanspruch I, dadurch gekenn zeichnet, dass vor der Temperatursenkung zwecks Erzeugung mechanischer Leistung die Brenngase Wärme an einen Nutzwärme verbraucher abgeben. - 9.

Wärme- und Leistungserzeugungsan- lage nach Patentanspruch I, dadurch gekenn zeichnet, da.ss ein Teil der Turbinenabwärme an einen I\TUtzwärmeverbraucher abgegeben wird. 10.

Wärme- und Leistüngserzeugungsan- lage nach Patentanspruch I, dadurch gekenn zeichnet, dass ein Teil der Turbinenabwärme zur Vorwärmung des Arbeitsmittels der Gas- turbine dient. 11. Wärme- und Leistungserzeugungsan- lage nach Patentanspruch I, dadurch gekenn zeichnet, dass ein Teil der Turbinenabwärme an das Arbeitsmittel eines Dampfsystems ab gegeben wird. - 12.

Wärme- und Leistungserzeugungsan- la.ge nach Patentanspruch I, dadurch gekenn zeichnet, dass die sekundliche Fördermenge des Arbeitsmittels in der Gasturbine -grösser ist als die sekundliche Brennluftmenge. 13. Wärme- und Leistungserzeugungsan- lage nach Patentanspruch I, dadurch gekenn zeichnet, dass überschüssige Turbinenabgase Wärme an einen Nutzwärmeverbraucher ab geben und von -den Brenngasen getrennt ge führt ,sind. 14.

Wärme- und Leistungserzeugungsan- lage nach Patentanspruch I, dadurch gekenn zeichnet, däss ein Teil der Brenngase getrennt geführt ist und zur Zwischenerwärmung der übrigen Brenngase. durch Mischung dient.

15. ,Wärme- und Leistungserzeugungsan- lage nach Unteranspruch 1.4, dadurch gekenn zeichnet, dass der Verdichter, welcher das Turbinenarbeitsmittel auf Druck bringt, ge kühlt ist und die vom Kühlmittel aufgenom mene Wärme ebenfalls dem Nutzwärmever- braucher abgegeben wird. 16.

Wärme und Leistungserzeugungsan- lage nach Patentanspruch I, dadurch gekenn- zeichnet, dass .eine Wärmepumpe vorhanden ist, die einen Teil der Turbinenarbeit in zu sätzliche Wärme verwandelt. 17. Wärme- und Leistungserzeugungsan- lage nach Patentanspruch I, dadurch gekenn zeichnet, dass ein Wärmepumpeneffekt da durch erzeugt wird, dass ein Teil der Gastur binenegpansion erst nach teilweise erfolgter Wärmeabgabe des Arbeitsmittels erfolgt. 18.

Wärme- und Leistungserzeugungsan- lage nach Patentanspruch I,. dadurch gekenn zeichnet, dass" zur Teillastregelung der Lei stung eine Umströmung der Turbine vorge sehen ist.

19. Wärme- und Leistungserzeugungsan- lage nach Patentanspruch I, dadurch gekenn- zeichnet, däss zur Teillastregelung der Lei stung eine Drehzahlvariation des Kompres- scrs vorgesehen ist.

PATENTANSPRUCH II: Verfahren zur Herstellung einer Wärme- und Leistungserzeugungsanlage nach Patent anspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass eine bestehende Neuerungsanlage mit einem Gas turbinenaggregat derart kombiniert wird, dass nur ein Teil der Abwärme des Turbinen arbeitsmittels.

der Verbrennungsluft der Neue rungsanlage zugeführt wird, dass ferner ein Teil der Turbinenabgase den Brenngasen nach erfolgter Verbrennung zugemischt wird, und dass nach erfolgter Zumischung der Tur binenabgase eine Temperatursenkung der Brenngase zwecks Erzeugung mechanischer Energie im Gasturbinenaggregat erfolgt. UNTERANSPRUCH: 20.

Verfahren zur Herstellung einer Wärme- undLeistungserzeugungsanlage nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmepumpe zugeschaltet wird.