DE3030043A1 - Verfahren zum betreiben eines turbobrenners und brenner zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

• Verfahren zum Betreiben eines Turbobrenners und
• Brenner zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Turbobrenners für den Betrieb von Feuerungsanlagen ohne äußere Zufuhr von elektrischer Energie und die Konstruktion eines Brenners zur Durchführung des Verfahrens.
• Für den Betrieb von Feuerungsanlagen wird üblicherweise elektrische Hilfsenergie benötigt. Bei Netzausfall müssen die Anlagen abgestellt werden, wenn nicht eine Notstromversorgung mit eigenem Antrieb vorhanden ist.
• Bei üblichen Brennern für zentrale Heizungsanlagen, Industriekessel und andere Anwendungsfälle besteht ein Problem darin, daß diese Brenner auf elektrischen Strom angewiesen sind. Die elektrische Energie wird bei den Brennern benötigt zum Antrieb der Verbrennungsluftgebläse, für Hilfseinrichtungen, wie Umwälzpumpen, Speisepumpen usw. und für die Zünd- und Regelanlage. Stand der Technik ist es, daß bei Netzausfall die Brenner abschalten. Nur bei sehr großen und besonders wichtigen Feuerungsanlagen sind Notstromaggregate vorhanden, die einen netzunabhängigen Betrieb erlauben.
• Diese Lösung ist sehr aufwendig und wird daher aus Kostengründen nur in seltenen Ausnahmefällen angewandt. Das mit dem Netzausfall verbundene Abschalten der Brenner führt bei der Gebäudeheizung zu Temperaturrückgang in den Räumen und bei Industriefeuerungen u.U. zu schweren Produktionsstrengen undXoder Produktionsausfällen. Der Brennerausfall wird als ganz besonders unangenehm empfundene da in aller Regel genügend Brennstoff vorhanden ist und nur die Möglichkeit fehlt, die Primärenergie in Wärme umzusetzen, wobei die hierfür benötigte elektrische Leistung nur einen geringen Bruchteil der umgesetzten Primärenergie beträgt.
• Im Großkesselbau ist zwar die Kombination von Gasturbinen und Kesselanlagen bekannt, jedoch ist hier das Ziel die Verbesserung des thermodynamischen Wirkungsgrades der Kraftanlage. Die Maschinenanlage ist sehr umfangreich und wird in einem gesonderten Maschinenraum aufgestellt. Der Gesichtspunkt eines Betriebes der Kesselfeuerung, unabhängig vom Netzstrom, spielt in diesem Zusammenhang keine Rolle, da die Kraftwerke über eigene Notstromeinrichtungen verfügen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile zu vermeiden, d.h. ein von einer äußeren elektrischen Stromquelle unabhängiges Verfahren zum Betreiben eines Brenners für den Betrieb einer Feuerungsanlage zu schaffen.und einen hierfür geeigneten Brenner zu bauen, der unabhängig vom elektrischen Netz betrieben werden kann, ohne daß eine separate Notstromversorgung nötig ist.
• Der erste Teil der Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 genannten Verfahrensschritte gelöst. Der Hierfür geeignete Turbobrenner besitzt die im Patentanspruch 8 genannten Merkmale.
• Die Gasturbinenanlage entspricht dabei der üblichen Ausführung, d.h. Verdichter- und Turbinenlaufrad sitzen auf einer gemeinsamen Welle. Der Verdichter saugt Luft an und verdichtet sie auf den für die Turbine nötigen Betriebsdruck.
• Die verdichtete Luft wird durch Wärme zufuhr auf ein höheres Energieniveau gebracht und anschließend in der Turbine unter Arbeitsleistung wieder entspannt Der elektrische Generator kann ebenfalls direkt an die Turbinenwelle angekoppelt sein.
• Die vorgeschlagene Einrichturg ist so zu gestalten, daß Verbrennungsluftgebläse (Verdichter), Gasturbine und Brenner zusammengebaut sind und direkt an den Feuerraum ange -flanscht werden. Der thermodynamische Wirkungsgrad bei der Umsetzung von Wärme in mechanische Energie ist ohne Bedeutung, da das generelle Ziel die Erzeugung von Wärme ist und daher die in den Abgasen der Maschinenanlage enthaltene fühlbare Wärme z.B. in einem Kessel zweckentsprechend genutzt werden kann. Der Energieumsatz bei der Wärmeerzeugung ist so groß, daß selbst bei einem schlechten Turbinenwirkungsgrad noch genügend mechanische Energie für den Betrieb des Brenners und des elektrischen Generators erzeugt werden kann.
• Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß der Brennstoff oder ein Teilstrom davon in einer separaten Brennkammer verbrannt wird, die sich zwischen Verdichter und Turbinenteil befindet, und mit Uberdruck betrieben wird. Bei dieser Anordnung kann erreicht werden, daß ein Teilstrom des Brennstoffs mit hohem Luftüberschuß in der separaten Brennkammer verbrannt wird und sauerstoffhaltige Turbinenabgase dem Hauptbrenner einer konventionellen Feuerungsanlage anstelle von Verbrennungsluft zugeführt werden. Es ist auch möglich, daß zur Regelung der Feuerungsleistung die Brennstoffmenge in der separaten Brennkammer verändert wird, wodurch sich die angesaugte Verbrennungsluftmenge ändert, der dann die Brennstoffmenge in dem Hauptbrenner der konventionellen Feuerung angepaßt wird. Ein anderes Gestaltungsprinzip des Turbobrenners besteht darin, daß Verdichter und Gas turbine über Rohrleitungen mit Heizflächen verbunden sind, die sich im Einwirkungsbereich der Feuerung in der zu beheizenden Anlage befinden, wobei die vom Verdichter verdichtete Luft in diesem Heizflächen mittels des Hauptbrenners erhitzt wird und dann der Turbine zur Arbeitsleistung zugeführt wir. see dieser Anordnung ist es möglich, daß die Abluft aus der Turbine als Verbrennungsluft für den Hauptbrenner der konventionellen Feuerung benutzt wird.
• Es ist zweckmäßig, daß der mit der Turbine verbundene elektrische Generator Drehstrom erzeugt, über einen Gleichrichter mit elektrischen Akkumulatoren verbunden ist und die Stromverbraucher bei Stillstand der Gas turbine aus den Akkumulatoren gespeist werden. Die Erzeugung von Drehstrom ist zweckmäßig, weil der dafür benötigte elektrische Generator besonders einfach aufgebaut ist. Durch die Gleichrichtung des Drehstromes, dessen Frequenz sich mit der Drehzahl ändert, wird erreicht, daß eine konstante Gleichspannung zur Verfügung steht, deren Konstanz durch die Verwendung von elektrischen Akkumulatoren noch verbessert wird. Da die Verbraucher üblicherweise Wechselstrom mit zu Hz benötigen, ist es sinnvoll, daß der Verbrauchern ein elektrischer Wandler vorgeschaltet wird, der eine konstante Wechselspannung von 220/380 Volt und 50 Hz erzeugt. Zum Starten des Turbobrenners ist vorgesehen, dß ein elektrischer Anlasser von den elektrischen Akkumulatoren gespeist wird, mit der Maschinenwelle verbunden werden kann und dazu dient. die Gas turbine auf Startdrehzahl zu bringen. Wegen der starken Geräuschentwicklung der schnellaufenden Maschinenteile ist vorgesehen, daß alle gerauscherzeugenden Teile mit Schalldämpfern versehen sind. Aus Kostengründen ist geplant, daß für die Gasturbine mit Verdichter und den elektrischen Generator modifizierte Serienteile aus dem Automobilbau verwendet werden.
• Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen darin, daß es mit geringem Aufwand möglich ist, Feuerungen zu bauen, die unabhängig vom elektrischen Netz betrieben werden können. Durch die Vertendung von Serienteilen aus der Automobilindustrie für die Gas turbine und den elektrischen Generator (Turbolader bzw.
• Drehstromlichtmaschine) ist es möglich, solche Anlage ohne größere Entwicklungsarbeiten zu bauen. Insbesondere ist es auch möglich, kleine Feuerungsanlagen, z.B. für die Hausheizung, damit auszurüsten. Bei Stromabschaltungen oder bei Ausfall des elektrischen Netzes infolge Betriebsstörungen können dann die Heizungen weiterbetrieben werden. Auch Industriefeuerungen sind damit jederzeit sicher zu betreiben. Eine besondere Bedeutung hat der Turbobrenner auch für Länder, in denen elektrische Stromnetze nicht zur Verfügung stehen.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen Figur 1 Fließschema eines Trubobrenners mit separater Brennkammer und elektrischer Schaltung Figur 2 Anordnung eines Turbobrenners mit separater Brennkammer an einer Feuerungsanlage Figur 3 Fließschema eines Turbobrenners mit Erwärmung der verdichteten Luft in Heizflächen innerhalb der Feuerungsanlage Bei einer Anlage nach Figur 1 wird die Luft über ein Ansaugfilter 1 , das gleichzeitig als Schalldämpfer dient, angesaugt und dem Verdichter 2 über eine Rohrleitung 3 zugeführt.
• Die verdichtete Luft gelangt dann über eine Rohrleitung 4 in die separate Brennkammer 5 , in der ein Teilstrom des Brennstoffes verbrannt wird. Die verdichteten und erhitzten Gase aus der Brennkammer 5 gelangen über eine Rohrleitung 6 in die Turbine 7 . Da die Verbrennung in der separaten Brennkammer 5 mit hohem Luftüberschuß durchgeführt wird, können die Abgase aus der Turbine 7 über eine Rohrleitung 8 dem Hauptbrenner 9 der konventionellen Feuerungsanlage 10 zugeführt werden. In der Rohrleitung 8 zwischen Turbine 7 und Hauptbrenner 9 kann zur Schalldämmung ein Schalldämpfer 14 vorgesehen werden. Im Hauptbrenner 9 wird über an sich bekannte Einrichtungen wie Brennerlanze 11 und Impeller 12 zusätzlicher Brennstoff verbrannt. Zur Kühlung der Brennerlanze 11 sind Kühlwasseranschlüsse 13 vorhanden. Auf der Turbinen- und Verdichterwelle 15 sitzt ein elektrischer Generator 16, der mit einem Anlasser 17 kombiniert ist. Der erzeugte Drehstrom wird über eine elektrische Leitung 18 und einen Gleichrichter 19 dem Verteilerpunkt 20 zugeführt. An diesem Punkt ist der elektrische Akkumulator 21 über die elektrische Leitung 22 angeschlossen. An dem Verteilerpunkt 20 sind zusätzlich sowohl der Anlasser 17 über den Schalter 23 angeschlossen, als auch der elektrische Wandler 24 , in welchem die Gleichspannung in Wechselspannung von 50 Hz umgewandelt wird. Die Wechselspannung wird über eine Verteilerschiene 25 auf die Verbraucher 26 verteilt.
• Figur 2 zeigt die räumliche Anordnung eines Turbobrenners an einer konventionellen Feuerungsanlage 10 . Der Ansaugfilter 1 mit eingebautem Schalldämpfer und Verbindungsleitung 3 befinden sich unterhalb des Verdichters 2, an den direkt der Generator 16 und der Anlasser 17 angeflanscht sind. Oberhalb der Turbine 7 befindet sich die separate Brennerkammer 5 mit ihren Verbindungsleitungen 4 und 6. Unterhalb der Turbine 7 ist ein Schalldämpfer 14 vorgesehen, der unmittelbar auf den Hauptbrenner 9 aufgeflanscht ist. Der Hauptbrenner 9 enthält eine wassergekühlte Brennerlanze 11 mit den Kühlwasseranschlüssen 13 und einen Impeller 12 Die Flamme 27 in der konventionellen Feuerungsanlage 10 erhält ihren Sauerstoff aus den Abgasen der Turbine 7 Der Turbobrenner ist mit einem Schutzgehäuse 28 umgeben.
• Der Turbobrenner nach Figur 3 ist mit einer indirekten Aufheizvorrichtung für die verdichtete Luft ausgerüstet. Die Verbrennungsluft wird über die Rohrleitung 3 von dem Verdichter 2 angesaugt und über die Rohrleitung 29 den Heizflächen 30 innerhalb der konventionellen Feuerungsanlage 10 zugeführt. Die erhitzte Luft gelangt iiber die Rohrleitung 31 in die Turbine 7 und von da über die Rohrleitung 32 zu dem Hauptbrenner 9 X der wie vorbeschrieben aufgebaut ist. Die verdichtete und erhitzte Luft leistet in der Turbine 7 mechanische Arbeit und dient in dem Hauptbrenner 9 als Verbrennungsluft. Von der Turbine wird über die Welle 15 der Verdichter 2 und der elektrische Generator 16 angetrieben. Umgekehrt kann über die gleiche Welle 15 die Gasturbinenanlage über den Anlasser 17 gestartet werden.
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Claims (1)

1. Patentansprüche b Verfahren zum Betreiben eines Turbobrenners für den Betrieb von Feuerungsanlagen ohne äußere Zufunr von elektrischer Energie, dadurch gekennzeichnet, daß dem für die Wärmeerzeugung vorgesehenen Brennstoff oder einem Teilstrom davon ein Teil seines Energie-Inhaltes zum Antreiben einer Gas turbine (7) entzogen wird, wobei die damit erzeugt mechanische Energie zum Antrieb eines LuStverdichters (2) und eines elektrischen Generators (16) benutzt wird, dessen Leistung für die Versorgung der Feuerungsanlage (10) und anderer Anlagenteile mit elektrischem Strom gerade ausreicht und daß die heißen Turbinengase anschließend der Feuerungsanlage (10) zugeführt werden.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff oder ein Teilstrom davon in einer separaten Brennkammer (5) verbrannt wird, die sich zwischen dem Luftverdichter (2) und der Gasturbine (7) befindet, und mit Uberdruck betrieben wird.

   5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teilstrom des Brennstoffs mit hohem Luftüberschuß in der separaten Brennkammer (5) verbrannt wird und daß die sauerstoffhaltigen Turbinenabgase dem Hauptbrenner (9) der Feuerungsanlage (10) anstelle von Verbrennungsluft zugeführt werden.

   4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung der Feuerungsleistung die Brennstoffmenge der separaten Brennkammer (5) verändert wird, wodurch sich die angesaugte Verbrennungsluftmenge ändert und daß dieser die Brennstoffmenge in dem Hauptbrenner (9) der Feuerungsanlage (10) angepaßt wird.

   5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Luftverdichter (2) verdichtete Luft in Heizflächen (30), die im Einwirkungsbereich der Feuerungsanlage (10) liegen, mittels des Hauptbrenners (9) erhitzt und dann der Gasturbine (7) zur Arbeitsleistung zugeführt wird.

   6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abluft aus der Gasturbine (7) als Verbrennungsluft für den Hauptbrenner (9) der Feuerungsanlage (io) benutzt wird.

   7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der mit der Gasturbine (7) verbundene elektrische Generator (16) Drehstrom erzeugt, der über einen Gleichrichter (19) elektrischen Akkumulatoren (21) zugeführt wird und daß die Stromverbraucher (26) und die Antriebsaggregate des Turbobrenners bei Stillstand der Gasturbine (7) aus den Akkumulatoren (21) gespeist werden.

   8. Turbobrenner zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß m Luftkanal (3, 4, 6, 8) zum Hauptbrenner (9) der Feuerungsanlage (10) hintereinander ein Luftverdichter (2) und eine Gasturbine (7) angeordnet sind und daß die Gasturbine (7) über eine Antriebswelle (15) mit dem Verdichter (2) und einem Generator (16) verbunden ist.

   9. Turbobrenner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Luftverdichter (2) und der Gasturbine (7) eine mit einem Energieträger zu beheizende Brennkammer (5) und/oder eine im Einwirkungsbereich der Feuerungsanlage (10) liegende Heizfläche (50) angeordnet ist.

   10. Turbobrenner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Generator (16) und den Verbrauchern (26) ein elektrischer Wandler (24) zur Erzeugung einer konstanten Wechselspannung von 220/)80 Volt und 50 Hz angeordnet ist.

   11. Turbobrenner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (16) über einen Gleichrichter (19) mit elektrischen Akrilmulatoren (21) verbunden ist und daß die Akkumulatoren (21) an die Verbraucher (26) und an die Antriebswelle (15) der Gasturbine (7) angeschlossen sind.

   12. Turbobrenner nach den Ansprüchen 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß alle geräuscherzeugenden Teile mit Schalldämpfern (1, 14) versehen sind.

   15. Turbobrenner nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß für die Gasturbine (7) mit Verdichter (2) und den elektrischen Generator (16) modifizierte Serienteile aus dem Automobilbau verwendet werden.