DE3112648A1

DE3112648A1 - Gasturbinenanlage, insbesondere mit kombinierter interner und externer verbrennung"

Info

Publication number: DE3112648A1
Application number: DE19813112648
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Ing. 8060 Dachau Weiler
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 1981-03-30
Filing date: 1981-03-30
Publication date: 1982-10-07

Description

Gasturbinenanlage, insbesondere mit kombinierter
interner und externer Verbrennung Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinenanlageß insbesondere mit kombinierter interner und externer Verbrennung, mit einer der Verdichterantriebsturbine des Gaserzeugers nachgeschalteten Nutzturbine und mit mindestens einem zur Optimieru g des Prozeßverlaufs vorgesehenen Wärmetauscher.
Gasturbinentriebwerke -bzw. -anlagen herkömmlicher Bauart sind entweder durch einen offenen Kreisprozeß mit interner Verbrennung oder durch einen geschlossenen Kreisprozeß mit externer Verbrennung gekennzeichnet.
Gasturbinentriebwerke mit offenem Kreisprozeß weisen weiterhin Bauformen mit und ohne Wärmetauscher auf, wobei im Hinblick auf günstigere Brennstoffverbräuche bei wärmetauscherlosen Gasturbinen hohe Verdichterdruckverhältnisse, bei Gasturbinentriebwerken mit Wärmetauschern niedere bis mittlere Verdichterdruckverhältnisse in Verbindung mit hohen Turbineneintrittstemperaturen realisiert werden müssen.
Bei allen Gasturbinentriebwerken mit interner Verbrennung steigen die Qualitätsanforderungen an die verwendeten Brennstoffe mit steigender Turbineneintrittstemperatur. So werden Gasturbinentriebwerke heute nahezu ausnahmslns mit hochwertigen Mineralöldestillaten (wie z.B. Kerosin) betrieben, deren Preis und Verfügbarkeit jedoch von politischen und ökonomischen Konstellationen abhängig ist. Andere fossile Brennstoffe (wie z.B. Kohle, Torf, Holz) oder auch brennbare Industrieabfälle (wie z.B. Kunststoffabfälle, Sägemehl, Stäube) sind zwar i.a. nahezu uneingeschränkt und vor allem preisgünstig verfügbar, jedoch zur Verbrennung in Gasturbinentriebwerken der üblichen Bauarten vor allem wegen der Asche- bzw. Schlackenbildung ungeeignet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbinenanlage zu schaffen, die bei verhältnismäßig einfachem Aufbau den Einsatz vergleichsweise billiger z.B. fossiler Brennstoffe ermöglicht.
Im Rahmen einer kombinierten internen / externen Verbrennung soll dann weiter ein auf ein breites Leistungsspektrum optimal abgestimmter Kreisprozeß der Gasturbinenanlage bei gleichzeitig über den gesamten Betriebsbereich minimalen Bedarf hochwertiger, z.B. aus Mineralöldestillaten gewonnenen Brennstoffen erzielbar sein.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung hauptsächlich gekennzeichnet durch eine - Niederdruck-Primärbrennkammer mit nachgeschaltetem Wärmetauscher, eine - Hochdruck-Sekundärbrennkammer, wobei die - Primärbrennkammer stromab der Nutzturbine, die - Sekundärbrennkammer stromauf der Verdichterturbine, der - genannte Wärmetauscher mit seinem Kaltstrang zwischen Verdichter und Sekundärbrennkammer, mit seinem Heißstrang zwischen Primärbrennkammer und Gasaustritt angeordnet sein soll.
Als Brennstoffe einer derartigen Gasturbinenanlage sollen in der - Primärbrennkammer billige Brennstoffe der vorstehend genannten Art (z.B. BraunkohTestaub), in der - Sekundärkammer hochwertige Mineralöldestillate (z.B. Kerosin), gereinigte Brenngase (z.B. Erdgas) oder synthetische flüssige oder gasförmige Brennstoffe hohen Reinheitsgrades dienen.
Erfindungsgemäß soll dann weiter bei einer Gasturbinenanlage mit kombinierter interner und externer Verbrennung die Wärmezufuhr über die beiden Brennkammersysteme zum Arbeitsmedium so aufgeteilt werden, da der Hauptanteil der erforderlichen Prozeßwärme über die Primärbrennkammer und den unmittelbar dieser nachgeschalteten Wärmetauscher berei+stellbar ist. Dabei ist es gemäß der Erfindung in vorteilhafter Weise vorgesehen, die Grobleistungsregelung der Maschine über die Brennstoffzufuhr zur Primärbrennkammer, die Feinleistungsregelung über die Brennstoffzufuhr zur Sekundärbrennkammer vorzunehmen.
Bezüglich der Höhe der Gasaustrittstemperatur aus der Primärbrennkammer ist dafür Sorge zu tragen, daß im Hinblick auf die Betriebssicherheit des Wärmetauschers eventuell im Primärbrennstoff vorhandene Ascheanteile im festen Zustand anfallen - der Schmelzpunkt von Braunkohleaschen liegt z.B. zwischen 1320 und 1570 K-.
Die Vorteile einer erfindungsgemäßen Gasturbinenanlage mit kombinierter interner / externer Verbrennung sind folgende: - Betrieb hauptsächlich mit billigen, leicht verfügbaren Brennstoffen wie z.B. brennbaren Stäuben (Kohlestaub) oder un- bzw. niedrig destillierten Mineralölprodukten (Bunker C) als Primärbrennstoff bei gleichzeitig geringem Bedarf an hochwertigen Sekundärbrennstoffen; - Realisierung eines wirtschaftlichen Hochdruck-Mitteltemperaturkreisprozesses; - Aufbau der Gasturbinenanlage im wesentlichen aus bekannten Komponenten.
Eine derartige Gasturbine könnte hauptsächlich in stationären Anlagen, aber auch in großen Fahrzeugen (z.B. Lokomotiven und Schiffen) eingesetzt werden.
Dort bietet es sich außerdem an, hinter dem Gasaustritt der Nutzturbine in bekannter Weise einen Abhitzkessel anzuordnen, um den Gesamtwirkungsgrad der Anlage zu erhöhen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann der Gasturbinenprozeß mit einer Zwischenüberhitzung zwischen Verdichter- und Nutzturbine in seiner Wirtschaftlichkeit verbessert werden, wobei die Primärbrennkammer und die Tertiärbrennkammer wiederum mit Billigbrennstoffen der oben genannten Art zu betreiben wären.
Eine weitere Abwandlung der Erfindung, bei der die Sekundärbrennkammer entfallen soll, ergibt sich aus den Merkmalen des Patentanspruchs 3, Anhand schematisiert wiedergegebener Planschnittschaltbilder in den Zeichnungen ist die Erfindung durch drei verschiedene Ausführungsformen der Reihe nach in den Fig. 1, 2 und 3 weiter erläutert.
Unter Verwendung gleicher Bezugszeichen für im wesentlichen unveränderter Bauteile bzw. Komponenten bestehen die Gasturbinenanlagen nach Fig. 1, 2 und 3 im wesentlichen aus einem Verdichter 1, einer Verdichterturbine 2 sowie aus einer der Verdichterturbine 2 abgasseitig (Leitung 3) nachgeschalteten Nutzturbine 4, welche ihre Leistung z.B.
über ein in der Zeichnung nicht weiter dargestelltes Untersetzungsgetriebe an einen Verbraucher abgibt.
Der Verdichter 1 des Gaserzeugers sowie die zugehörige Verdichterturbine 2 sitzen auf einer gemeinsamen Maschinenwelle s.
Die Gasturbinenanlage nach Fig. 1 mit kombinierter interner und externer Verbrennung ist gekennzeichnet durch eine Niederdruck-Primärbrennkammer 6 mit einem nachgeschalteten Wärmetauscher 7 sowie durch eine Hochdruck-Sekundärbrennkammer 8, wobei die Primärbrennkammer 6 stromab der Nutzturbine 4 (Leitung 9) die Sekundärbrennkammer 8 stromauf der (Leitung 10) Verdichterturbine 2 und der Wärmetauscher 7 mit seinem Kaltstrang zwischen dem Verdichter 1 (Leitung 11) und der Sekundärbrennkammer 8 (Leitung 12) hingegen mit seinem Heißstrang zwischen der Primärbrennkammer 6 (Leitung 13) und dem Gasaustritt (Auspuff 14) angeordnet ist.
Die Gasturbineanlage nach Fig. 2 stellt eine Abwandlung gegenüber Fig. 1 dahingehend dar, daß eine Zwischenüberhitzung zwischen der Verdichterturbine 2 und der Nutzturbine 4 vorgesehen sein soll, wozu eine Tertiärbrennkammer 15 und ein dieser nachgeschalteter weiterer Wärmetauscher 16 vorgesehen sind, wobei die Tertiärbrennkammer 15 an den Gasaustritt der Nutzturbine 4 über die Abgasleitung 17 und der weitere Wärmetauscher 16 heißgasaustrittseitig über die Leitung 18 an den Gaseintritt der Primärbrennkammer 6 des Gaserzeugers angeschlossen ist und wobei ferner der weitere Wärmetauscher 16 dem Verdichterturbinenaustritt nachgeschaltet (Leitung 3) und dem Nutzturbineneintritt vorgeschaltet ist (Leitung 3'), um die gewünschte Zwischenüberhitzung im Arbeitsprozeß zwischen der Verdichterturbine 2 und der Nutzturbine 4 bereitzustellen.
Fig. 3 ist eine gegenüber Fig. 1 durch den Fortfall der Sekundärbrennkammer des Gaserzeugers gekennzeichnete Abwandlung, so daß der Kaltstrang des Wärmetauschers 7 unmittelbar über die Leitung 19 mit dem Gaseintritt der Verdichterturbine 2 des Gaserzeugers verbunden is-t.
Anhand der Lösung nach Fig. 3 kann bei entsprechender Auslegung der Brennkammer 6 auf verhältnismäßig einfache Weise ein Gasturbinenbetrieb mit den genannten vergleichsweise billigen, z.B. fossilen Brennstoffen realisiert werden. Es besteht hierbei aber durchaus die Möglichkeit, die Brennkammer 6 für einen stufenweisen Einsatz von Billigtreibstoffen einerseits und hochwertigen Brennstoffen (z.B. Kerosin) andererseits auszulegen.
Bei den Gasturbinenanlagen nach Fig. 1 bzw. Fig. 2 soll der Primärbrennkammer 6 (Fig. 1) bzw. die Primär-und Tertiärbrennkammer 6, 15 (Fig. 2) beispielsweise für den Einsatz fossiler Billigtreibstoffe - wie Kohle, Kohlenstaub, Torf, Holz, Industrieabfälle - ausgelegt sein, während die Sekundärbrennkammer 8 nach Fig. 1 und 2 für die Verbrennung hochwertiger Erdöldestillate, z.B. Kerosin, gereinigter Brenngase, z.B. Erdgas oder für den Betrieb mit synthetischen flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen.
hohen Reinheitsgrades ausgelegt sein sollen. 1 en.
Insbesondere im Hinblick auf Fig. 1 wie aber auch auf Fig. 2 sei ferner vermerkt, daß die Wärmezufuhr an den Kreisprozeß über die Primär- und die Sekundärbrennkaml"¢-r 6 und 8 so aufgeteilt werden kann, daß der Hauptwärmezufuhranteil über die Primärbrennkammer 6 nebst nachgeschaltetem Wärmetauscher 7 bereitgestellt wird und hierbei vorzugsweise die Grobleistungsregelung der Maschine über die Brennstoffzufuhr zur Primärbrennkammer 6, die Feinleistungsregelung der Maschine über die Brennstoffzufuhr zur Sekundärbrennkammer 8 vorgenommen wird.

Claims

Patentansprüche r i 0 Gasturbinenanlage, insbesondere mit kombinierter interner und externer Verbrennung, mit einer der Verdichterantriebsturbine des Gaserzeugers nachgeschalteten Nutzturbine und mit mindestens einem zur Optimierung des Prozeßverlaufs vorgesehenen Wärmetauscher, gekennzeichnet durch eine - Niederdruck-Primärbrennkammer (6) mit nachgeschaltetem Wärmetauscher (7), - eine Hochdruck-Sekundärbrennkammer (8), wobei die - Primärbrennkammer (6) stromab der Nutzturbine (4), die - Sekundärbrennkammer (8) stromauf der Verdichterturbine (2) und der - Wärmetauscher (7) mit seinem Kaltstrang zwischen Verdichter (1) und Sekundärbrennkammer (8), hingegen mit seinem - Heißstrang zwischen Primärbrennkammer (6) und dem Gasaustritt (Auspuff 14) dem Arb.eitsprozeß zugeordnet ist.
2. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Zwischenüberhitzung zwischen der Verdichterturbine (2) und der Nutzturbine (4)/wozu eine Tertiärbrennkammer (15) und ein dieser nachgeschalteter weiterer Wärmetauscher (16) vorgesehen sind, wobei die Tertiärbrennkammer (15) an den Gasaustritt der Nutzturbine (4) und der weitere Wärmetauscher (16) heißgasaustrittseitig an den Gaseintritt der Primärbrennkammer (6) des Gaserzeugers angeschlossen ist, und hierbei ferner der weitere Wärmetauscher (16) dem Verdichterturbinenaustritt nach- und dem Nutzturbineneintritt vorgeschaltet ist.
3. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch den Fortfall der Sekundärbrennkammer des Gaserzeugers, so daß der Kaltstrang des Wärmetauschers (7) unmittelbar mit dem Gaseintritt der Verdichterturbine (2) des Gaserzeugers verbunden ist.
4. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärbrennkammer (6 - Fig. 1) bzw. die Primär- und die Tertiär- brennkammer (6,15 - Fig. 2) bzw. die einzige Brennkammer (6 - Fig. 3) für den Betrieb fossiler Billigtreibstoffe (z.B. Kohle, Kohlenstauf, Torf, Holz, Industrieabfälle) ausgelegt sind, während die Sekul;Järbrennkammern (8 - Fig. 1 und 2) für die Verbrennung hochwertiger Erdöldestillate, z.B.

Kerosin, gereinigter Brenngase, z.B. Erdgas oder für den Betrieb synthetischer flüssiger oder gasförmiger Brennstoffe hohen Reinheitsgrades ausgelegt sind.
5. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmezufuhr an den Kreisprozeß über die Primär- und die Sekundärbrennkammer (6, 8) so aufteilbar ist, daß der Hauptwärmezufuhranteil über die Primärbrennkammer (6) nebst nachgeschaltetem Wärmetauscher (7) bereitgestellt wird und hierbei vorzugsweise die Grobleistungsregelung der Maschine über die Brennstoffzufuhr zur Primärbrennkammer (6), die Feinleistungsregelung der Maschine über die Brennstoffzufuhr zur Sekundärbrennkammer (8) vorgenommen wird.
6. Gasturbinenanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einzige Brennkammer (6 - Fig.3) für den stufenweisen Betrieb mittels der genannten Billigbrennstoffe einerseits und der genannten hochwertigen Brennstoffe (z.B. Kerosin) andererseits ausgelegt ist.