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Verfahren zur Erzeugung einer Zusatzleistung durch Einführung eines zusätzlichen Betriebsmittels in den Kreislauf einer Gasturbinenanlage bei Entnahme von Druckluft aus diesem Kreislauf sowie Einrichtung zur Ausübung dieses Verfahrens
In einer Gasturbinenanlage ist es möglich, nach dem Luftverdichter eine Teilmenge der gesamten, von diesem geförderten Luftmenge dem Betriebsmittelkreislauf zu entnehmen, um sie zu irgendeinem besonderen Zweck zu verwenden. Dabei verkleinert sich die durch die Gasturbine strömende Gasmenge, und sowohl der Treibgasdruck vor der Gasturbine wie auch der Luftdruck nach dem Luftverdichter wird niedriger ; ferner nimmt auch die Leistung der Gasturbine und damit auch die Nutzleistung der Anlage ab.
Die Erfahrung zeigt, dass bei Entnahme von etwa 251o der ganzenLuftmenge die Nutzleistung an der Welle der Gasturbinengruppe auf Null abfällt, während gleichzeitig der Druck nach dem Luftverdichter von 100% auf etwa 73% sinkt.
Es ist auch bekannt, dass es möglich ist, Wasserdampf oder ein zweckdienlich gewähltes Gas an einer geeigneten Stelle in den Betriebsmittelkreislauf einer Gasturbinenanlage einzuführen, um Belastungsstösse rasch aufnehmen zu können. Dabei wird die die Turbine durchströmende Gasmenge grosser, der Druck vor der Gasturbine und nach dem Luftverdichter steigt an, und die Nutzleistung der Gasturbinengruppe wird grösser. Erfahrungsgemäss erhöht sich die Nutzleistung um etwa e. wenn auf 10íP/o Luftmenge eine Dampfmenge von 1% beigemischt wird.
Wird von einer Gasturbinenanlage, deren Maschinengruppe im wesentlichen einen Luftverdichter, eine Gasturbine und eine Nutzleistungsmaschine umfasst, zeitweise die Lieferung von Druckluft aus dem Betriebsmittelkreislauf verlangt, so kann die Entnahme dieser Druckluft bei einer Anzapfstelle zwischen zwei Stufen des Luftverdichters oder an dessen Austrittsstutzen oder an einer geeigneten Stelle der Druckluftleitung zwischen dem Luftverdichter und der Brennkammer erfolgen.
Eine Luftentnahme dieser Art kann erwünscht sein in einem chemischen oder sonstigen industriellen Betrieb, wo die Nutzleistungsmaschine aus einem Stromerzeuger besteht, vorzugsweise aber in einem Stahlwerk, wo an Stelle eines Stromerzeugers einLuftverdichter zur Maschinengruppe gehörenkann und wo die dem Kreislauf der Gasturbinenanlage entnommene Luft z. B. als Zusatzluft zur Speisung der Konverter dienen würde. Mit Rücksicht auf
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big dem Bedarf angepasst werden ; sowohl der Druck der Entnahmeluft wie auch die Leistung der Nutz- leistungsmaschine'sollten mindestens angenähert konstant bleiben. Dies sollte auch der Fall sein, wenn die Menge der dem Kreislauf der Gasturbinenanlage entnommenen Luft veränderlich ist.
Die Erfindung bezweckt die Vermeidung der erwähnten unerwünschten Begleiterscheinungen bei der Entnahme von Luft aus dem Kreislauf einer Gasturbinenanlage. Es geht somit bei der Erfindung nicht um die blosse Regelung auf konstante Leistung der Arbeitsmaschine, sondern um die Möglichkeit der Entnahme von Nutzdruckluft aus dem Kreislauf der Gasturbinengruppe bei gleichzeitiger Vermeidung einer Beeinträchtigung der abgegebenenLeistung derArbeitsmaschine. Die Leistung als solche wird durch ein anderes Regelsystem geregelt, und deren Grösse entspricht selbstverständlich immer der momentanen Leistungsanforderung.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer Zusatzleistung durch Einführen eines
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zusätzlichenBetriebsmittels in den Kreislauf einer Gasturbinenanlage, deren Maschinengruppe im wesentlichen einen Luftverdichter, eine Gasturbine und eine Arbeitsmaschine umfasst. bei Entnahme von Druckluft aus diesem Kreislauf und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Erfindung des zusätzlichen dampf- oder gasförmigen Betriebsmittels in den Kreislauf der Anlage in Abhängigkeit von der Druckluftentnahme aus diesem Kreislauf mengenmässig so gesteuert wird, dass die jeweilige, während der Luftentnahme von der Arbeitsmaschine abgegebene Leistung nicht beeinträchtigt wird.
Eine Einrichtung zur Ausübung dieses Verfahrens, die ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist, enthält zwei Ventile, wovon eines zur Entnahme von Druckluft nach der Entnahmestelle aus dem Kreislauf der Gasturbinenanlage angeordnet ist, während das andere Ventil gleichzeitig die Menge des zusätzlichen Betriebsmittels bei dessen Einführung in diesen Kreislauf steuert und zwischen einem Speicher dieses Betriebsmittels und der Einführungsstelle in diesem Kreislauf vorgesehen ist.
Die durch die Erfindung erzielbaren Vorteile lassen sich aus dem gemessenen Verlauf der abgegebenen Leistung der Arbeitsmaschine, z. B. der elektrischen Nutzleistung und des Druckes, nach dem Luftverdichter der Gasturbinenanlage, beides in Funktion von der dem Kreislauf entnommenen Luftmenge, entnehmen. Die elektrische Nutzleistung und der Luftdruck nehmen sehr rasch mit der grösser werdenden Entnahmeluftmenge ab ; beide können bald dem momentanen Bedarf nicht mehr genügen. Die Erfindung macht die beiden Grössen, nämlich die elektrische Nutzleistung und den Luftdruck, von der Entnahmeluftmenge unabhängig.
Es kann daher eine Anlage, z. B. in einem Stahlwerk, erfindungsgemäss so gebaut werden, dass sie auch in der Lage ist, den Generator, das Stahlwerk und den Hochofen bei nichtverminderter Leistung gleichzeitig zu bedienen. Das bisher als selbstverständlich betrachtete Zurückgehen der elektrischen Leistung mit steigender Luftentnahme tritt nach der gemäss der Erfindung vorgeschlagenen Koppelung von Dampfeinführung und Luftentnahme nicht mehr ein. Diese jederzeit bestehende Bereitschaft zur Lieferung grösserer Luftmengen durch eine für die Abgabe einer bestimmten elektrischen Nutzleistung bemessene Gasturbinenanlage bedeutet beispielsweise für ein Hüttenwerk einen wesentlichen Vorteil.
Das beschriebene Verfahren, für das die Regelung der Menge des zusätzlichen Betriebsmittels bei gleichzeitiger Entnahme von Druckluft aus dem Kreislauf der Gasturbinenanlage wesentlich ist, kann mit Wasserdampf unter Verwendung eines Dampfspeichers ausgeübt werden. Vereinfacht lässt sich sagen, dass die dem Kreislauf entnommene Luftmenge durch eine entsprechende Dampfmenge ersetzt wird. Der Dampfspeicher kann durch einen der Gasturbine nachgeschalteten Abhitzekessel oder aus einer andern Dampfquelle aufgeladen werden. Diesem Speicher kann kurzzeitig eine gewisse Dampfmenge entnommen und diese in den Kreislauf der Gasturbinenanlage eingeführt werden.
Die Regelung dieser Dampfmenge erfolgt so, dass die Leistung der Nutzleistungsmaschine, sei diese nun ein Stromerzeuger oder ein Luftverdichter, konstant bleibt, wobei auch der Druck der Entnahmeluft sich nur unwesentlich ändert.
An Hand der Zeichnung, die schematisch ein Ausführungsbeispiel der Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens darstellt, sei das Verfahren nach der Erfindung beispielsweise erläutert. In der Figur ist 1 der Luftverdichter, 2 der Luftvorwärmer, 3 die Brennkammer, 4 die Gasturbine und 5 die Nutzleistungsmaschine (hier z. B. ein Stromerzeuger) der dargestellten Gasturbinenanlage, deren Maschinengruppe also im wesentlichen aus dem Luftverdichter, der Gasturbine und der Nutzleistungsmaschine besteht. Über ein Getriebe 6 wird von der Welle der Maschinengruppe aus ein Brenngasverdichter 7 sowie ein Fliehkraftregler 8 und eine Regelölpumpe 9 angetrieben.
Der Regler 8 beeinflusst mittels des zugehörigen Reglerkolbens 8'verschiedene, durch Öldruck betätigte Ventile, wie dies nachfolgend näher beschrieben wird : Die Ölpumpe 9 entnlmmtRegelöl einemölbehälter 10 und fördert es über Drosselstellen 11, die als Blen- den oder fest einstellbare Drosselventile ausgebildet sein können, in die Regelölleitungen zu den erwähnten Ventilen. 12 ist ein federbelastetes Druckhalteventil.
Der Gasturbine 4 und dem Luftvorwärmer 2 ist abgasseitig ein Abhitzekessel 13 nachgeschaltet, der den darin erzeugten Dampf an den Dampfspeicher 14 abgibt. Das Speisewasser für den Abhitzekessel 13 wird dem Speisewasserbehälter 15 entnommen und über die Speisewasserpumpe 16 in den Speicher 14 ge- fördert, aus welchem es durch die Umwälzpumpe 17 dem Abhitzekessel 13 zugeleitet wird. Mit dem
Gasby-Passventil 18 kann die Menge des durch den Abhitzekessel 13 strömenden Abgases verändert wer- den. Der Dampfspeicher 14 kann zusätzlich aus einer fremden Dampfquelle über eine Leitung mit dem
Rückschlagventil 22 aufgeladen werden.
In der Druckluftleitung nach dem Luftverdichter 1 befindet sich bei 19 die Entnahmestelle für die aus dem Kreislauf der Gasturbinenanlage zu entnehmende Druckluft sowie bei 20 die Einführungsstelle für den in denselben Kreislauf einzuführenden Wasserdampf. 21 ist ein Rückschlagventil in der Zudampfleitung zu dieser Einführungsstelle.
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Die Brenngasmenge, die der Brennkammer 3 vom Brenngasverdichter 7 zugeführt wird, wird vom Regler 8 und vom Reglerkolben 8'mit Hilfe des Brenngasventils 23 und des zugehö igen Servomotors 23' geregelt ; überdies begrenzt der Temperaturregler 24 mit dem Regelöl-Ablassventil 24'und dem Temperaturfühler 24"diese Brenngasmenge. Damit der Druck nach dem Brenngasverdichter 7 nicht zu stark ansteigen kann, wird eine gewisse Gasmenge mit Hilfe des Druckreglers 25'durch das Ventil 25 über den Rückkühler 26 umgeleitet.
Zum Zwecke der Erzeugung der erforderlichen Zusatzleistung durch Einführung eines zusätzlichen Be- triebsmittels - hier Wasserdampf - in den Kreislauf der beschriebenen Gasturbinenanlage bei Entnahme von Druckluft aus diesem Kreislauf, ist nun in der Luftentnahmeleitung nach der Entnahmestelle 19 ein Entnahmeventil 27 und in der Zudampfleitung vor der Einführungsstelle 20 ein Regelventil 28 angeordnet, diese Ventile werden je durch die Servomotoren 27'und 28'betätigt Ferner ist in Ölablassleitungen zu den Regelölleitungen der erwähnten Servomotoren je ein Ablassventil 29 bzw. 30 angebracht ; diese Ventile werden gleichzeitig entweder von Hand oder - wenn es gewünscht tfird - automatisch mittels einer Druck- oder Mengenregelungseinrichtung betätigt.
Beim Schliessen dieser Ablassventile wird im Bedarfsfall das Entnahmeventil 27 geöffnet und Druckluft aus dem Kreislauf der Gasturbinenanlage nach aussen geliefert sowie gleichzeitig das Regelventil 28 geöffnet und Wasserdampf als zusätzliches Betriebsmittel in diesen Kreislauf eingeführt. Die beiden Ventile 27 und 28 öffnen und schliessen sich in der Weise, dass die abgegebene Leistung der Arbeitsmaschine nicht beeinträchtigt wird, wobei auch der Druck der Nutzluft an der Entnahmestelle sich nur unwesentlich ändert. Die in den Kreislauf einzuführende Dampfmenge wird vomFliehkraftregler 8 mitHilfe eines Ölablassventils 31, das z. B. durch einen Druckbalg 31'betätigt wird, und durch das Regelventil 28 begrenzt.
Zusätzlich wird diese Dampfmenge bei Absinken des Druckes im Dampfspeicher 14 auch noch durch ein Ölablassventil 32 mit zugehörigem Druckbalg 32'begrenzt. Die Leistung der Gasturbinenanlage als solche wird durch denDrehzahlreglerS, den Reglerkolben 8'und das Bfenngasventil 23 mit dem Servomotor 23'geregelt.
An Stelle von Wasserdampf kann als zusätzliches Betriebsmittel auch ein geeignetes Druckgas verwendet werden, z. B. das von einem Freikolben-Gaserzeuger gelieferte Gas. Der Druck dieses Gases muss. höher sein als der Betriebsmitteldruck an der Einführungsstelle. Die Einführung dieses Gases in den Kreislauf der Gasturbinenanlage kann z. B. in der Brennkammer erfolgen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Erzeugung einer Zusatzleistung durch Einführen eines zusätzlichen Betriebsmittels in den Kreislauf einer Gasturbinenanlage, deren Maschinengruppe im wesentlichen einen Luftverdichter, eine Gasturbine und eine Arbeitsmaschine umfasst, bei Entnahme von Druckluft aus diesem Kreislauf, dadurch gekennzeichnet, dass die Einführung des zusätzlichen dampf- oder gasförmigen Betriebsmittels in den Kreislauf der Anlage in Abhängigkeit von der Druckluftentnahme aus diesem Kreislauf mengenmässig so gesteuert wird, dass die jeweilige, während der Luftentnahme von der Arbeitsmaschine'abgegebene Leistung nicht beeinträchtigt wird.