Gasturbinenaggregat Bei der Bewetterung von Kohlengruben werden grosse Mengen Luft mit einem kleinen Gehalt von Grubengas (Methan) abgesaugt. Aus Sicherheitsgrün den wird in der aus den Gruben abgesaugten Luft eine Methankonzentration von 0,6-1% gehalten. Theoretisch ist für die Ausnützung des Grubengases die Anwendung von Gasturbinen sehr vorteilhaft, was aber mit grossen Schwierigkeiten verbunden ist, wenn die gesamte Methanmenge ausgenützt werden soll,
die in der aus den Gruben abgesaugten Luft ent- halten ist, obwohl in dieser Luft 50-100 % des für den Normalbetrieb der Gasturbine benötigten Brenn stoffes (Methan) ,enthalten sein kann.
Auch unter der Voraussetzung, dass :die gesamte Menge des Arbeitsmediums der Gasturbine -die Luft bildet, die aus den Kohlengruben mit kleinem Me thangehalt abgesaugt wird, ermöglichen die Gasturbi- nenbrennkammern normalerweise nicht die volle Ausnützung des Methangehaltes.
Durch den eigentli chen Brennraum, in dem die Verbrennung des Me thans vorausgesetzt werden kann, gelangt nämlich nur etwa 30 % der gesamten Luftmenge, wogegen die restliche Luft den Brennraum umströmt und sich mit den heissen Verbrennungsprodukten erst am Ende ,der Brennkammer vermischt, wo bei einer verhältnis mässig niedrigen Temperatur (600-800 C) das in kleiner Konzentration in der Luft enthaltene Methan nicht mehr verbrennt.
Die Ausnützung des Methans in der Gasturbine wäre so verhältnismässig klein. Z. B. bei einer Gasturbine, die mit einer Temperatur von 675 C vor ,der Turbine arbeitet und die einen gesamten Wärme- wirkungsgrad von 16,2 % (ohne Regeneration) beim Ansaugen reiner Luft hat, würde sich der Wirkungs- grad auf 19,
1% beim Ansaugen einer Luft mit 1 Vol.% Methan vergrössern. Dies bedeutet eine Verminderung des erforderlichen Brennstoffes um nur 15 % der ursprünglichen Gesamtmenge.
Bei Anwendung spezieller Brennkammern mit keramischer Ausmauerung ist es möglich, eine höhere Ausnützung des in der Grubenluft enthaltenen Methans zu erreichen. Diese Brennkammern :besitzen aber eine Reihe von nachteiligen Eigenschaften vom Standpunkt der Regelung und der Sicherheit des Tur binenbetriebes usw.
In dem oben angeführten Beispiel einer Gastur bine werden für ihren Betrieb insgesamt 2,03 V01. /0 Methan benötigt, bezogen auf .die Gesamtmenge der angesaugten Luft. Bei 1 Vol.o/o Methan in der ange saugten Luft würde seine hundertprozentige Ausnüt- zung eine fünfzigprozentige Ersparnis der ursprüng- lich benötigten Brennstoffmenge bringen. Mit Erhö hung des zulässigen Methangehaltes in der Gruben luft (bei hunderprozentiger Ausnützung) wäre es möglich, die Menge des erforderlichen zusätzlichen Brennstoffes weiter zu vermindern.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die angeführten Erfordernisse zu erfüllen. Bei dem erfindungsgemässen Gasturbinenaggregat geschieht dies dadurch, dass im Kreisprozess der Gasturbine ein die Brennkammer ersetzender katalytischer Reaktor angeordnet ist.
Zwecks Vorwärmung des Gasgemisches kann vor dem katalytischen Reaktor ein regenerativer Wärme- austauscher angeordnet sein. Vor dem katalytischen Reaktor kann auch eine Hilfsbrennkammer angeord net sein. Der regenerative Wärmeaustauscher kann ferner mit einer Umleitung mit Hilfsbrennkammer für das Anfahren versehen sein.
Auf der Saugseite des Verdichters kann zudem ein Drosselorgan ange ordnet sein, .das vom Regelsystem des Aggregats für das Ansaugen der reinen Luft gesteuert wird. Auf diese Weise kann die Regelung des Methangehaltes im Arbeitsmedium der Gasturbine vor dessen Ansau gen durch den Kreisprozessverdichter ermöglicht werden.
Beispielsweise Ausführungsformen des Erfin dungsgegenstandes sollen anhand der Zeichnung nachfolgend näher erläutert werden.
Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung der Anlage und Fig. 2 eine Ausführungsvariante der Anlage. Gemäss Fig. 1 wird die Luft mit einem kleinen Gehalt von Methan oder auch anderen brennbaren Gasen oder ihren Gemischen durch einen Verdichter 2 über ein Filter 1 angesaugt.
Nach Verdichtung im Verdichter 2 geht die Luft durch einen regenerativen Wärmeaustauscher 4, wo sie durch Abgase aus einer Turbine 6 auf die zur katalytischen Reaktion benö- tigte Temperatur erhitzt wird. Aus dem Wärmeaus- tauscher 4 geht die Luft dann durch einen katalyti schen Reaktor 5, wo sich die brennbaren Gase unter Einfluss eines geeigneten Katalysators verbrennen. Dadurch erhöht sich die Temperatur an die zur Ex pansion in der Turbine 6 benötigte Höhe.
Nach Ex pansion in der Turbine 6 geht das Arbeitsmittel in Form von praktisch heisser Luft über den Wärmeaus- tauscher 4 in einen Auspuff 10 und so in die Atmo sphäre. Die Turbine 6 treibt einen elektrischen Alter nator 7 mit dem Erreger 8, oder aber andere Maschi nen wie Verdichter, Pumpen usw. an. Das Anfahren der Gasturbine erfolgt mit einem Anfahrmotor 9.
Für die Lufterhitzung auf die erforderliche Höhe im Zeitpunkt des Anfahrens ist parallel mit dem Wärmeaustauscher 4 eine Hilfsbrennkammer 3 ange ordnet.
Die Menge des der Hilfsbrennkammer 3 zu geführten zusätzlichen Brennstoffes wird von einem Regelorgan 12 gesteuert. Ein. Regelorgan 11 ermög- licht das Ansaugen reiner Luft zu der Grubenluft mit dem Methangehalt und so die Änderung des Methan gehaltes im Arbeitsmittel vor dessen Ansaugen in den Kreisprozessverdichter 2 und die Regelung bzw.
Temperaturbegrenzung des Arbeitsmittels vor der eigentlichen Gasturbine.
Die Ausführungsvariante der Anlage gemäss Fig. 2 zeigt eine Gasturbine ohne Regeneration. Die Funktion der Gasturbine ist analog der vorstehend beschriebenen Ausführungsform. Die Luft wird aber auch während des Betriebes vor Eintritt in den kataly tischen Reaktor durch eine Hilfsbrennkammer 3 dauernd vorgewärmt. Diese Hilfsbrennkammer 3 dient auch zum Anfahren des Aggregats.
Die Be zeichnungen und die Funktionen der einzelnen Teil elemente sind analog Fig. 1. Die Lösung nach Fig. 1 ermöglicht den Betrieb der Gasturbine ohne zusätzlichen Brennstoff auch bei kleinerem Methangehalt in der abgesaugten Luft, ist aber sowohl in der Konstruktion als auch in der Dis position komplizierter. Die Ausführungsform nach Fig. 2 ist einfacher, setzt aber immer einen Bedarf an einer vorbestimmten Menge zusätzlichen Brennstof fes voraus.
Die Erfindung ist nicht auf die angeführten Bei spiele der Anordnung von Kreisprozessen der Gasturbinen beschränkt. Sie kann auch bei verschie denen, komplizierteren Kreisprozessen der Gastur binen Anwendung finden.
Für die Regelung des zusätzlichen Brennstoffes kann das ,Aggregat mit gebräuchlichen Regelorganen, etwa ein vom Servomotor gesteuertes Regelventil, ausgestattet sein. Für die Regelung des Methangehal tes im Arbeitsmittel wird das Ansaugen reiner Luft zu der abgesaugten Grubenluft mit Methangehalt in der Saugseite des Kreisprozessverdichters der Gas- turbine vorausgesetzt.
In beiden Fällen kann man eine .automatische Regelung mittels gebräuchlicher Regelelemente des Aggregats versehen.
Gas turbine unit When ventilating coal mines, large amounts of air with a small amount of mine gas (methane) are extracted. For safety reasons, a methane concentration of 0.6-1% is kept in the air extracted from the pits. Theoretically, the use of gas turbines is very advantageous for the exploitation of mine gas, but this is associated with great difficulties if the entire amount of methane is to be used,
which is contained in the air extracted from the pits, although this air may contain 50-100% of the fuel (methane) required for normal operation of the gas turbine.
Also under the condition that: the entire amount of the working medium of the gas turbine forms the air that is sucked out of the coal mines with a low methane content, the gas turbine combustion chambers normally do not allow the full use of the methane content.
Only about 30% of the total amount of air passes through the actual combustion chamber, in which the combustion of the methane can be assumed, whereas the remaining air flows around the combustion chamber and only mixes with the hot combustion products at the end of the combustion chamber, where at a relatively low temperature (600-800 C) the methane contained in small concentrations in the air no longer burns.
The utilization of the methane in the gas turbine would be comparatively small. For example, in the case of a gas turbine that works with a temperature of 675 C before the turbine and that has an overall thermal efficiency of 16.2% (without regeneration) when sucking in clean air, the efficiency would be 19,
1% when sucking in air with 1 vol.% Methane. This means a reduction of the required fuel by only 15% of the original total amount.
If special combustion chambers with ceramic lining are used, it is possible to achieve greater utilization of the methane contained in the mine air. These combustion chambers: but have a number of disadvantageous properties from the standpoint of regulation and safety of turbine operation, etc.
In the above example of a gas turbine, a total of 2.03 V01. / 0 Methane is required, based on the total amount of air drawn in. With 1 vol / o / o methane in the sucked in air, its 100% utilization would result in a 50% saving of the originally required amount of fuel. By increasing the permissible methane content in the mine air (with one hundred percent utilization) it would be possible to further reduce the amount of additional fuel required.
The invention is now based on the object of meeting the stated requirements. In the gas turbine unit according to the invention, this takes place in that a catalytic reactor replacing the combustion chamber is arranged in the gas turbine cycle.
A regenerative heat exchanger can be arranged upstream of the catalytic reactor for the purpose of preheating the gas mixture. An auxiliary combustion chamber can also be arranged in front of the catalytic reactor. The regenerative heat exchanger can also be provided with a bypass with an auxiliary combustion chamber for start-up.
A throttle element can also be arranged on the suction side of the compressor, which is controlled by the unit's control system for sucking in the clean air. In this way, the regulation of the methane content in the working medium of the gas turbine can be made possible by the cycle compressor prior to its intake.
For example, embodiments of the subject matter of the invention will be explained in more detail below with reference to the drawing.
The figures show: FIG. 1 a schematic representation of the installation and FIG. 2 an embodiment variant of the installation. According to FIG. 1, the air with a small content of methane or other combustible gases or their mixtures is sucked in by a compressor 2 via a filter 1.
After compression in the compressor 2, the air passes through a regenerative heat exchanger 4, where it is heated to the temperature required for the catalytic reaction by exhaust gases from a turbine 6. The air then passes from the heat exchanger 4 through a catalytic reactor 5, where the combustible gases burn under the influence of a suitable catalyst. This increases the temperature to the level required for expansion in the turbine 6.
After expansion in the turbine 6, the working medium goes in the form of practically hot air via the heat exchanger 4 into an exhaust 10 and so into the atmosphere. The turbine 6 drives an electrical Alter nator 7 with the exciter 8, or other Maschi NEN such as compressors, pumps, etc. to. The gas turbine is started up with a start-up motor 9.
For the air heating to the required level at the time of start-up, an auxiliary combustion chamber 3 is arranged in parallel with the heat exchanger 4.
The amount of additional fuel fed to the auxiliary combustion chamber 3 is controlled by a control element 12. One. Control element 11 enables the suction of clean air to the pit air with the methane content and thus the change in the methane content in the working medium before it is sucked into the cycle compressor 2 and the control or
Temperature limitation of the working medium in front of the actual gas turbine.
The variant of the system according to FIG. 2 shows a gas turbine without regeneration. The function of the gas turbine is analogous to the embodiment described above. However, the air is continuously preheated by an auxiliary combustion chamber 3 before it enters the catalytic reactor during operation. This auxiliary combustion chamber 3 is also used to start up the unit.
The designations and functions of the individual sub-elements are analogous to FIG. 1. The solution according to FIG. 1 enables the gas turbine to be operated without additional fuel even with a smaller methane content in the extracted air, but is both in the construction and in the Dis position more complicated. The embodiment of Fig. 2 is simpler, but always requires a need for a predetermined amount of additional Brennstof fes.
The invention is not limited to the examples of the arrangement of cyclic processes of the gas turbines. It can also be used for various, more complicated cycle processes in the gas turbines.
To regulate the additional fuel, the unit can be equipped with customary regulating devices, such as a regulating valve controlled by the servomotor. In order to regulate the methane content in the working medium, the intake of clean air to the extracted pit air with methane content in the suction side of the cycle compressor of the gas turbine is required.
In both cases, automatic control can be provided by means of common control elements of the unit.