DE557597C

DE557597C - Steam generator with pressure firing

Info

Publication number: DE557597C
Application number: DE1930557597D
Authority: DE
Original assignee: BBC BROWN BOVERI and CIE; Brown Boveri und Cie AG Germany
Current assignee: BBC BROWN BOVERI and CIE; BBC Brown Boveri AG Germany
Priority date: 1930-09-03
Filing date: 1930-09-03
Publication date: 1932-08-25
Also published as: CH156857A; GB371669A; AT135256B; US1948539A

Description

Dampferzeuger mit Druckfeuerung Die vorliegende Erfindung betrifft Dampferzeuger zur Erzeugung reinen Dampfes für beliebige Zwecke und von beliebigem Druck, bei welchen der Brennstoff unter einem den Atmosphärendruck wesentlich überschreitenden, gleichbleibendem Druck verbrannt wird. Die hierfür erforderliche Druckerhöhung des Brennstoffluftgemisches erfolgt dabei durch einen Verdichter, den eine Gasturbine antreibt. Es bilden die Dampferzeuger, bei denen Verdichter und Gasturbine einen wichtigen Bestandteil der Anlage ausmachen, einen Grenzfall für die Gasturbinen im allgemeinen, indem hier den Feuergasen zum Zwecke der Dampferzeugung mehr Wärme entzogen wird als zur notwendigsten Erniedrigung derTreibgastemperaturen und zur Kühlung der Wände (aus Festigkeitsgründen) erforderlich ist, so daß zur Energieerzeugung in der Gasturbine schließlich nur noch so viel Wärmegefälle übrigbleibt, als die Gasturbine z. B. zum Antrieb des Verdichters benötigt. Der Zweck der Anlage ist eben die Erzeugung von Dampf, der zum Betrieb von Dampfturbinen dient, und nicht die Erzeugung nutzbarer Energie durch eine Gasturbine. Bei den bisher vorgeschlagenen Dampferzeugern der beschriebenen Art hielt man sich bisher trotzdem eng an die Verhältnisse, wie sie für eine Gasturbinenanlage die gegebenen sind. Man wählte z. B. sehr hohe Verdichtungsdrücke, oder man ließ sich umgekehrt durch das Vorbild des Aufladens von Brennkraftmaschinen verleiten und schlug vor, die Gasturbine als reine Abgasturbine mit kleinem Druckgefälle auszuführen und an das Ende des Heizgasstromes zu setzen. In jedem Falle trachtete man danach, das in der Turbine ausgenutzte Druckgefälle möglichst gleich dem im Verdichter erzeugten Druckanstieg zu machen, d. h. man vermied im eigentlichen Dampferzeuger jeden größeren Druckabfall. Der Dampferzeuger unterschied sich dann von einem gewöhnlichen, öl- oder gasgefeuerten Dampferzeuger nur insofern, als der höhere Verbrennungsdruck eine andere Ausbildung des Feuerraumes und der Feuergaszüge mit sich brachte und durch die Druckerhöhung auch eine gewisse Verkleinerung der Heizflächen möglich war. Die durch die Druckerhöhung erzielten Vorteile blieben aber gering und wogen kaum die Nachteile und Mehrkosten auf, die mit der Erhöhung des Druckes in der Brennkammer und den hierzu erforderlichen Hilfsmaschinen verbunden waren. Es fanden daher die druckgefeuerten Dampferzeuger mit Gasturbine auch keine praktische Anwendung.Pressurized Firing Steam Generators The present invention relates to Steam generator for generating pure steam for any purpose and for any purpose Pressure at which the fuel is below a pressure that is significantly higher than atmospheric pressure, constant pressure is burned. The required pressure increase of the The fuel-air mixture takes place through a compressor, which is a gas turbine drives. It forms the steam generator, in which the compressor and gas turbine one make up an important part of the plant, a borderline case for the gas turbines in general, by adding more heat to the fire gases for the purpose of generating steam is withdrawn as the most necessary lowering of the propellant gas temperatures and for Cooling of the walls (for reasons of strength) is required so that for energy production In the end, only as much heat gradient remains in the gas turbine as that Gas turbine z. B. needed to drive the compressor. The purpose of the facility is just the generation of steam, which is used to operate steam turbines, and not the generation of usable energy through a gas turbine. With those proposed so far Steam generators of the type described have so far been kept closely to the conditions as they are given for a gas turbine plant. One chose z. B. very high Compression pressures, or vice versa, one allowed oneself to follow the example of supercharging tempted by internal combustion engines and suggested the gas turbine as a pure exhaust gas turbine to be carried out with a small pressure gradient and to be placed at the end of the heating gas flow. In each case one sought after, the pressure gradient utilized in the turbine to make it as equal as possible to the pressure increase generated in the compressor, d. H. one avoided any major pressure drop in the actual steam generator. The steam generator made a difference then differs from an ordinary oil or gas-fired steam generator only to the extent that than the higher combustion pressure a different design of the combustion chamber and the Fire gas flues brought with it and also a certain reduction in size due to the increase in pressure the heating surfaces was possible. The advantages achieved by increasing the pressure remained but low and hardly outweighed the disadvantages and additional costs associated with the increase the pressure in the combustion chamber and the auxiliary machines required for this was. The pressure-fired steam generators with gas turbines were therefore not found either practical use.

Größere Bedeutung dürfen die druckgefeuerten Dampferzeuger aber erlangen, wenn neben den Vorteilen, die aus der Verkleinerung der Heizflächen infolge der höheren Dichte der Heizgase erzielbar sind, auch noch die Vorteile zunutze gemacht werden, die sich ergeben, wenn man den Druckunterschied zwischen Brennkammer und Außenluft zur Erzeugung sehr hoher Strömungsgeschwindigkeiten der Heizgase und damit zu einer noch wesentlicheren Erhöhung des Wärmeüberganges und Verringerung der Heizgasquerschnitte und der Heizflächen verwendet. So ist schon vorgeschlagen worden, hohe Heizgasgeschwindigkeiten zu erzeugen, indem man durch Verpuffung geeigneter Brennstoffluftgemische in Brennkammern, die durch Ventile abschließbar sind, hohe Drücke herstellte und die hochgespannten Gase dann durch die als Heizflächen dienenden Heizrohre abströmen ließ; oder man hat durch einen Verdichter das Brennstoffluftgemisch in der Brennkammer auf gleichbleibendem höherem Druck gehalten und dauernd mit einer Geschwindigkeit durch die Heizrohre getrieben, die nahe an die Schallgeschwindigkeit herankam oder sie erreichte. Bei der ersten Art Dampferzeuger (Verpuffungsdampferzeuger) hat man zum Antrieb eines Aufladeverdichters auch eine Abgasturbine vorgeschlagen, die von den abgekühlten, aber teilweise noch hochgespannten Heizgasen gespeist wird. Unmöglich ist dagegen bei der zweiten Art, dem Gleichdruckdampferzeuger, der Betrieb einer Gasturbine mit abgekühlten Heizgasen, da hier das Druckgefälle allein vom Gebläse geliefert wird, also das in der Gasturbine verfügbare Druckgefälle schon an sich bedeutend niedriger ist als der im Verdichter herzustellende Druckanstieg und überdies noch die Heizgase ein bedeutendes Druckgefälle aufzehren, wenn sie mit ungefähr Schallgeschwindigkeit durch die Heizrohre fließen sollen.However, the pressure-fired steam generators may gain greater importance, if in addition to the advantages that result from the reduction in size of the heating surfaces higher density of the heating gases can be achieved, the advantages are also taken advantage of which result when one considers the pressure difference between the combustion chamber and Outside air to generate very high flow speeds of the heating gases and thus to an even greater increase in heat transfer and a reduction in the heating gas cross-sections and the heating surfaces are used. It has already been proposed to use high heating gas speeds to be generated by deflagrating suitable fuel-air mixtures in combustion chambers, which can be locked by valves, produced high pressures and high tensioned ones Then let gases flow off through the heating pipes serving as heating surfaces; or one has the fuel-air mixture in the combustion chamber at a constant level through a compressor maintained at higher pressure and continuously at one speed through the heating pipes driven that came close to or reached the speed of sound. at the first type of steam generator (deflagration steam generator) is used to drive one Supercharging compressor also proposed an exhaust gas turbine, which is from the cooled, but partially still high tension heating gases is fed. It is impossible against it in the second type, the constant pressure steam generator, the operation of a gas turbine with cooled heating gases, since the pressure drop is provided solely by the fan becomes, so the pressure gradient available in the gas turbine already significant in itself is lower than the pressure increase to be produced in the compressor and, moreover, still the hot gases consume a significant pressure gradient when they are at about the speed of sound should flow through the heating pipes.

Die vorliegende Erfindung betrifft nun einen Dampferzeuger mit Druckfeuerung nach Art der obenerwähnten Gleichdruckdampferzeuger, bei welchem aber die Verwendung der Gasturbine dadurch möglich gemacht werden soll, daß einerseits zwar hohe Heizgasgeschwindigkeiten gewählt werden (w etwa Zoo m/Sek.), diese aber um einiges unter der Schallgeschwindigkeit bleiben und andererseits die Gasturbine dabei so in den Heizgasstrom eingeschaltet wird, daß das in der Gasturbine zu verarbeitende Druckgefälle wesentlich kleiner (d. h. höchstens o,8mal so groß) sein kann als der vom Verdichter erzeugte Druckanstieg. Dieses Verhältnis wird ermöglicht, wenn die Gasturbine derart in einer weder zu nahe am Beginn, noch zu nahe am Ende des Wärmeausnutzungsbereiches der Rauchgase gelegenen Temperaturzone vorgesehen wird, daß das Temperaturgefälle der Rauchgase in der Gasturbine trotz wesentlich kleinerer Druckunterschiede mindestens gleich wird der Temperaturzunahme der Luft während der Verdichtung. Damit verbleibt aber sowohl vor der Gasturbine wie nach der Gasturbine ein gewisses Druckgefälle, das, verbunden mit der hohen Temperatur, den Heizgasen hohe Geschwindigkeiten erteilt. Hierbei wird noch von dem Umstand praktisch Gebrauch gemacht, daß der Rohrwiderstand der an sich kurzen Rohre noch dadurch vermindert wird, daß der Wärmeentzug eine Geschwindigkeitsminderung herbeiführt, die eine Rückverdichtung der Heizgase zur Folge haben kann. Außerdem wird die noch verbleibende hohe Strömungsgeschwindigkeit in einem an die Heizrohre anschließenden Diffusor in Druck zurückverwandelt. Es lassen sich also mit verhältnismäßig geringen Druckunterschieden hohe Geschwindigkeiten aufrechterhalten, so daß die Abmessungen der Heizflächen und der Rauchgaszüge überraschend klein werden. Da durch die Verkleinerung der sämtlichen Abmessungen auch die Wassermassen verringert werden und ferner durch die Regelungsmöglichkeit des Verdichters für die Brennluft und den Brennstoff die Feuerführung unmittelbar und kurzzeitig geregelt werden kann, so kann der Dampferzeuger ohne Sammler auskommen.The present invention now relates to a pressure-fired steam generator like the above-mentioned constant pressure steam generator, but in which the use the gas turbine is to be made possible by the fact that on the one hand, high heating gas speeds can be selected (w about zoo m / sec.), but this is a lot below the speed of sound remain and on the other hand the gas turbine switched on in the heating gas flow becomes that the pressure gradient to be processed in the gas turbine is much smaller (i.e. at most 0.8 times as great) as the pressure increase produced by the compressor. This relationship is made possible when the gas turbine is in such a way neither to close to the beginning, still too close to the end of the heat utilization range of the flue gases located temperature zone is provided that the temperature gradient of the flue gases in the gas turbine at least the same despite much smaller pressure differences is the increase in temperature of the air during compression. But that remains both upstream of the gas turbine and downstream of the gas turbine, a certain pressure gradient that, combined with the high temperature, the hot gases are given high speeds. Here, practical use is made of the fact that the pipe resistance which in itself short tubes is still reduced by the fact that the heat extraction a Speed reduction brings about a recompression of the heating gases Can have a consequence. In addition, the remaining high flow velocity will be converted back into pressure in a diffuser connected to the heating pipes. It high speeds can therefore be achieved with relatively small pressure differences maintained, so that the dimensions of the heating surfaces and the flue gas passages are surprising get small. Since all the dimensions have been reduced, so have the water masses can be reduced and also by the possibility of regulating the compressor for the combustion air and the fuel control the fire control immediately and for a short time the steam generator can do without a collector.

Die Abbildung zeigt schematisch den Schnitt durch einen Dampferzeuger gemäß der Erfindung. Es ist z die Brennkammer, in welcher die bei 2 eintretende Druckluft und der bei 3 zugeführte Brennstoff, z. B. Gas, Ö1 oder Kohlenstaub, verbrannt wird. Der zylindrische Teil der Kammer ist an der Wand mit Rohren 4 eng besetzt, um die Strahlungswärme von der druckfesten Zylinderwand 5 abzuhalten. Diese Rohre werden von dem zu verdampfenden Wasser durchflossen. Das Wasser wird zu diesem Zwecke mit einer Umwälzpumpe (nicht sichtbar) bei 6 in den kegeligen Unterteil 7 gedrückt und verteilt sich gleichmäßig auf die einzelnen Rohre. Die heißen Verbrennungsgase geben zunächst durch Strahlung und Berührung einen Teil ihrer Wärme an die Rohre 4 ab. Etwas abgekühlt treten sie dann durch eine düsenförmige Mündung bei 8 in die Heizrohre g ein.The figure shows a schematic section through a steam generator according to the invention. It is z the combustion chamber in which the one entering at 2 Compressed air and the fuel supplied at 3, e.g. B. gas, oil or coal dust, burned will. The cylindrical part of the chamber is closely occupied on the wall with tubes 4, in order to keep the radiant heat away from the pressure-resistant cylinder wall 5. These pipes are traversed by the water to be evaporated. The water is used for this purpose pressed with a circulation pump (not visible) at 6 into the conical lower part 7 and is evenly distributed over the individual pipes. The hot combustion gases initially give part of their heat to the pipes through radiation and contact 4 from. A little cooled, they then pass through a nozzle-shaped mouth at 8 into the Heating pipes g a.

Diese Heizrohre sind innerhalb der Wasserrohre 4 angeordnet und enden mit einer diffusorartigen Erweiterung ro in dem Sammelrohr rr, das mit der Gasturbine i2 verbunden ist. Die Leitvorrichtung der Gasturbine ist so bemessen, daß der sich vor der Gasturbine einstellende Druck um mehrere Meter Wassersäule niedriger ist als der Druck in der Brennkammer. Dieser Druckunterschied erteilt den mit hoher Temperatur vor die Düsen 8 tretenden Heizgasen eine so hohe Strömungsgeschwindigkeit, daß schon verhältnismäßig kurze Rohre genügen, um an diesen den Großteil des Dampfes zu erzeugen und die Gase so weit abzukühlen, wie es für den Betrieb in der Gasturbine erforderlich ist. Die Höhe dieser Temperatur ist einerseits bestimmt durch die Leistung, die die Gasturbine zum Antrieb des Verdichters aufbringen muß, andererseits durch die Festigkeitseigenschaften des verwendeten Schaufelbaustoffes. Die Entspannung der Gase in der Gasturbine geht jedoch nicht bis zum atmosphärischen Gegendruck, sondern nur bis zum Gegendruck, der hinreicht, um auch den Abgasen noch eine große Strömungsgeschwindigkeit zu erteilen. Es verlassen die Gase also bei 13 die Gasturbine mit Überdruck, gelangen in das Verteilrohr 1q. und durchströmen die ebenfalls in die Wasserrohre verlegten Heizrohre 15 mit hoher Geschwindigkeit, um dann durch die Diffusoren 16 in das Sammelrohr 17 zu treten, von wo sie durch Anschlußrohr 18 entweder unmittelbar ins Freie oder in einen Wasser- oder Luftvorwärmer gelangen.These heating pipes are arranged within the water pipes 4 and end with a diffuser-like extension ro in the manifold rr, which is connected to the gas turbine i2 is connected. The guide device of the gas turbine is dimensioned so that the The pressure setting in front of the gas turbine is several meters of water column lower than the pressure in the combustion chamber. This pressure difference gives the higher Temperature in front of the nozzles 8 heating gases such a high flow rate, that even relatively short pipes are sufficient to transfer the majority of the steam to them to generate and to cool the gases as far as is necessary for operation in the gas turbine necessary is. The level of this temperature is determined on the one hand by the power that the gas turbine has to generate to drive the compressor, on the other hand by the strength properties of the blade building material used. However, the expansion of the gases in the gas turbine does not go as far as atmospheric Back pressure, but only up to the back pressure that is sufficient to also remove the exhaust gases to give a large flow velocity. So the gases leave it at 13 the gas turbine with overpressure enter the distribution pipe 1q. and flow through the heating pipes 15, which are also laid in the water pipes, at high speed, in order to then pass through the diffusers 16 into the collecting pipe 17, from where they pass through Connection pipe 18 either directly into the open air or into a water or air preheater reach.

Der sich bildende Dampf wird durch die Strömung des Umlaufwassers in den Raum ig gerissen. Das Dampfwassergetnisch tritt durch die Turbinenleitschaufeln ähnlichen Öffnungen 2o, die dem Strom eine kreisende Bewegung erteilen, in den Raum 21, wo sich der Dampf ausscheidet und in das ebenfalls als Fliehkraftabscheider ausgebildete Gefäß 22 übertritt. Das nicht verdampfte und das bei 23 frisch zugeführte Wasser fließt durch Rohr 24 zur Umwälzpumpe zurück. Der Dampf geht dagegen über Überhitzer 25 zur Verbrauchsstelle.The steam that forms is caused by the flow of the circulating water torn into the room. The steam water table passes through the turbine guide vanes similar openings 2o, which give the stream a circular motion, into the room 21, where the steam is separated and also used as a centrifugal separator trained vessel 22 crosses. The one that did not evaporate and the one freshly added at 23 Water flows back through pipe 24 to the circulation pump. The steam, however, passes over Superheater 25 to the point of consumption.

Die Arbeitsleistung der Gasturbine wird allein für Hilfszwecke, d. h. im wesentlichen für die Verdichtung der Brennluft, verwendet. Es ist 26 der Verdichter. Durch Rohr 27 gelangt die verdichtete Luft zum Brenner 28. Das durch die Arbeitsleistung in der Gasturbine verbrauchte und daher für die Dampferzeugung fehlende Wärmegefälle wird dem Wärmekreislauf durch die Luft in Form von Verdichtungs- und Verlustwärme nahezu vollständig wieder zugeführt. Voraussetzung ist allerdings, daß im Verdichtungsvorgang keine Wärmeabfuhr, z. B. keine Kühlung, stattfindet. Es soll daher die Kühlung vermieden und aus diesem Grunde die Verdichtung nur so hoch getrieben werden, daß die Kühlung entbehrt werden kann.The work of the gas turbine is only used for auxiliary purposes, i. H. mainly used for compressing the combustion air. It's 26 the compressor. The compressed air reaches the burner 28 through pipe 27 heat gradient consumed in the gas turbine and therefore missing for steam generation is the heat cycle through the air in the form of compression and heat loss almost completely supplied again. However, the prerequisite is that in the compression process no heat dissipation, e.g. B. no cooling takes place. It should therefore avoid cooling and for this reason the compression can only be driven so high that the cooling can be dispensed with.

Die Anordnung der einzelnen Teile kann natürlich auch in anderer Weise erfolgen. So können z. B. die Heizrohre auch in Verdampfergefäßen, die von der Brennkammer getrennt sind, verlegt werden. Das Wesen der Erfindung wird dadurch nicht berührt, das darin besteht, daß die Gasturbine, die nur Hilfsarbeit für den Dampferzeuger liefert, weder am Anfang noch am Ende des nutzbaren Heizgastemperaturbereiches gelegen ist und ein Druckgefälle verarbeitet, das wesentlich kleiner ist als das Druckgefälle des Verdichters, zum Zwecke, hohe Strömungsgeschwindigkeiten in den Heizrohren zu erhalten.The arrangement of the individual parts can of course also be done in other ways take place. So z. B. the heating pipes also in evaporator vessels from the combustion chamber are separated, relocated. The essence of the invention is not affected by that is that the gas turbine, which is only auxiliary work for the steam generator supplies, neither at the beginning nor at the end of the usable hot gas temperature range and processes a pressure gradient that is significantly smaller than the pressure gradient of the compressor, for the purpose of high flow velocities in the heating pipes obtain.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Steam generator for generating steam any Pressure at which the fuel burns under a higher, constant pressure and this pressure is produced by a compressor which is connected to the Heating gases of the steam generator operated gas turbine is driven and in which also the heating gases at high speed (do about 200m / sec.) through the The heating pipes forming the heating surfaces of the steam generator are driven, characterized in that that the gas turbine is arranged in the heating gas flow that the pressure ratio the expansion in the gas turbine is much smaller, but at most 0.8 times as large is as the pressure ratio of compression in the compressor, for the purpose of both before the gas turbine as well as after the gas turbine a larger pressure gradient to generate to keep high flow velocities (w about 20o m / sec.) for the flue gases.

2. Steam generator according to claim i, characterized in that the compression of the Combustion air is only provided so high that the compressor operated without cooling can be.