Verfahren zur Regelung der Leistung von Gasturbinenanlagen. Eine Gasturbinenanlage für ein beliebiges Gas (auch Heissluft) als Arbeitsmittel weist bekanntlich mindestens einen Kompressor, einen Brennraum und eine Turbine auf.
Will man nun bei Teillast die Drehzahlen der Maschinen wenigstens angenähert kon stant halten und dafür die Fördermengen reduzieren, so muss der vom Kompressor er zeugte Druck (der mit sinkender Förder menge eher ansteigt) dem Druck vor der Tur bine (der mit sinkender Fördermenge rasch fällt) angepasst werden. Dies kann am ein fachsten durch eine Drosselung mittels einer Querschnittsverengung auf der Saugseite oder auf der Druckseite des Kompressors erfolgen. Jede Drosselung ist aber eine Energiever nichtung und setzt den Wirkungsgrad herab.
Die vorliegende Erfindung bezweckt, bei Gasturbinenanlagen, deren Kompressor und Turbine bei allen Lasten mit mindestens an genähert konstanter Drehzahl laufen, eine Teillastmengenregelung zu, schaffen, bei wel cher diese Energievernichtung vermindert wird.
Das Verfahren nach der Erfindung be- steht darin, dass bei Teillast mindestens eine Expansionsstufe zur Ausnützung des bei kleiner Fördermenge zu hohen Druckgefälles eingeschaltet wird, derart, dass bei minimaler Last mindestens angenähert die gesamte Ar- beitsmittelmenge der Anlage durch diese Ex pansionsstufe strömt, während bei maximaler Last mindestens angenähert .die gesamte Ar beitsmittelmenge über eine By-pass-Leitung um diese Expansionsstufe herumgeführt wird.
An Hand der beiliegenden Zeichnung, welche schematisch einige Ausführungsbei spiele der ebenfalls Gegenstand -der Erfin dung bildenden Einrichtung zur Durchfüh rung des Verfahrens zeigt, wird das Verfah ren nach der Erfindung beispielsweise erläu tert.
Fig. 1 zeigt eine übliche Gasturbinen anlage offener Schaltungsart. 1 ist der Kom pressor, 2 der Brennraum und 3 die Turbine. Die Luft wird vom Kompressor 1 angesaugt, auf Druck gebracht und dem Brennraum 2 zugeführt. Die Heissgase strömen zur Tur bine 3, wo sie z. B. auf Atmosphärendruck expandieren. Die Abgase können weiter aus genutzt werden, z. B. zur Vorwärmung der Kompressorluft usw.
Bei Teillast wird durch das Ventil 4 die Luftmenge zum Kompressor so weit gedros selt, dass der Druck nach dem Kompressor 1 dem Druck entspricht, der sich entsprechend der kleineren Fördermenge in der Turbine 3 einstellt. Durch Schliessen des Ventils 4 sinkt der Druck vor dem Kompressor 1. Das da durch entstehende Druckgefälle zwischen der Atmosphäre und dem Kompressor 1 wird durch Drosselung vernichtet und geht ver loren; zudem bewirkt die Drosselung eine dem tieferen Druck entsprechend zu hohe Tem peratur, wa.s den Kraftbedarf erhöht.
Fig. 2 zeigt das erste Ausführungsbei- spiel,der Erfindung. Bei Normallast wird die Luft vom Kompressor 1 durch Leitungen 5 und 6 angesaugt. Das Ventil 4' ist offen und somit arbeitet die Anlage wie diejenige nach Fig. 1. Bei Teillast wird das Ventil 4' nach und nach geschlossen, und die Luft. strömt ganz oder teilweise durch eine Leitung 7 zur Turbine 8 und von dieser zum Kom pressor 1.
Vor dem Kompressor muss der Druck bei Teillast entsprechend der kleineren Fördermenge sinken; je kleiner die Teillast, je kleiner ist der Ansaugdruck des Kompres- sors. Die Teillastturbine 8 nützt nun das Druckgefälle zwischen der Atmosphäre und dem Druck vor dem Kompressor 1 aus. Da der Kompressor immer das gleiche Volumen ansaugt, der Druck vor dem Kompressor aber abhängig ist von der Grösse der Teillast, wer den zweckmässig die Durchtrittsquerschnitte der Turbine 8 mit Änderung der Teillast ver ändert, was durch eine 'Querschnittsregelung gut möglich ist.
Es könnte auch das Ventil 4' zur Drosselung mitbenutzt werden; aber die damit abgedrosselte Luftmenge leistet keine Arbeit, und zudem wird durch Dros selung die Temperatur vor dem Kompressor erhöht und damit die Kraftaufnahme. Der Kompressor -wird im allgemeinen mehrstufig sein, und es ist daher möglich, dass insbeson dere die letzten Stufen bei der Drucksenkung vor dem Kompressor nicht mehr zu den ersten Stufen passen und dass "Pumpen" eintritt. Um dies zu vermeiden, können die Quer schnitte nach den Laufrädern des Kompres sors und abhängig von der Belastung ver ändern werden, oder es kann eine "Pump- verhütungs"-Einrichtung angeordnet -werden.
Fig. 3 zeigt eine andere Ausführung des Erfindungsgegenstandes.. Bei Normallast wird die Luft vom Kompressor 1 durch den Brenn- raum 2 und Leitungen 18 und 19 zur Turbine 3 gedrückt. Das Ventil 10 ist offen. Bei Teil last muss die Fördermenge verkleinert wer den.
Es erfolgt dies auf einfache Weise mit tels der Turbine 11; diese wird bei Teillast infolge Schliessens des Ventils 10 beauf- schla.gt. Um bei allen Teillasten günstig zu arbeiten, kann die Turbine 11, ähnlich wie die Turbine 8 in Fig. 2, Querschnittsregelung erhalten.
Auch bei dieser Ausführung wird der im allgemeinen mehrstufige Kompressor mit Ab nahme der Fördermenge ins "Pumpen" kom men; es werden also auch hier die Quer schnitte nach den Laufrädern des Kompres- sors den durchströmenden -Mengen angepasst.
Die Turbine 11 kann auch zwischen zwei Expansionsstufen der Hauptturbine 3 ange ordnet werden, oder, -wenn die Hauptturbine 3 in mehrere Teilturbinen unterteilt ist, zwi schen zwei derselben. Die Turbine 11 kann auch nach der Turbine 3 geschaltet sein, wie das Beispiel Fig. 4 zeigt. Bei Normallast bleibt das Ventil 10 offen und bei Teillast ganz oder teilweise geschlossen. Der Druck nach der Turbine 3 entspricht bei Normallast ungefähr dem Atmosphärendruck. Bei Teil last steigt der Druck nach der Turbine 3 um so mehr, je kleiner die Teillast ist. Die Tur bine 11 nützt das Druckgefälle zwischen Tur bine 3 (Austritt) und dem Atmosphärendruck aus.
Beim Beispiel Fig. 5 wird eine einstufige Teillastturbine verwendet. 12 bedeutet ein dem Laufrad 13 vorgeschaltetes Leitrad. Die Zuströmung der Luft erfolgt durch den Stut zen 14, die Abströmung durch den Stutzen 15. Fig. 6 zeigt hierzu die Anordnung der 112engenregelungsventile. Bei Normallast sind alle Ventile 16, 17 und 18 offen. Die Luft strömt durch das offene Ventil 4' (Fig. 2) entsprechend dem kleinsten Widerstand un mittelbar zum Kompressor 1.
Bei Übergang auf Teillast beginnt zunächst das Ventil 4' zu schliessen und ist z. B. bei 3/4 Last ge schlossen. Hierauf beginnt das Ventil 17 zu schliessen, das bei 1/ Last geschlossen ist. Unter 1/2 Last bis 1/4 Last schliesst das Ventil 16; das Ventil 18 .schliesst unterhalb 1/4 Last. Durch diese Anordnung kann das Druck gefälle zwischen Atmosphäre und Kompres- soreintrittsdruck ausgenützt werden, wodurch der Wirkungsgrad bei Teillast wesentlich ge hoben wird. Ähnlich ist die Gasturbine 11 der Beispiele Fig. 3 und 4 gebaut.
Um bei mehrstufigen Kompressoren bei abnehmender Luftmenge das "Pumpen" zu vermeiden, kann. in einzelnen oder allen Stu fen eine Anpassung der Leitquerschnitte nach den Laufrädern an die Fördermenge nach be kannten Anordnungen erfolgen.
Kompressor, Turbinen und Brennräume können beliebiger Bauart .sein. Auch können beliebige Wärmeanstauscher, je nachdem es das System verlangt, vorhanden sein.
In jedem Falle wird bei Teillast die Ar beitsmittelmenge herabgesetzt durch eine Querschnittsverminderung vor oder nach dem Kompressor, und es wird mindestens eine Ex pansionsstufe zur Ausnützung des bei klei nerer Fördermenge zu hohen Druckgefälles eingeschaltet. Die Querschnittsverminderung kann in der Teillastturbine selber erfolgen oder zusätzlich noch an einer andern Stelle, insbesondere am Kompressorgehäuse.
Die Atmosphäre kann auch durch einen höheren oder tieferen Druck ersetzt sein, je nach System und Zuleitung.
Method for regulating the performance of gas turbine plants. A gas turbine system for any gas (including hot air) as the working medium is known to have at least one compressor, a combustion chamber and a turbine.
If you want to keep the speed of the machines at least approximately constant at part load and to reduce the delivery rate, the pressure generated by the compressor (which tends to increase with decreasing delivery rate) must match the pressure in front of the turbine (which falls rapidly as delivery rate decreases ) be adjusted. This can be done most easily by throttling by means of a cross-sectional constriction on the suction side or on the pressure side of the compressor. However, every throttling is an energy destruction and reduces the efficiency.
The purpose of the present invention is to create a partial load control in gas turbine systems, the compressor and turbine of which run at all loads at at least an approximately constant speed, in which this energy loss is reduced.
The method according to the invention consists in that at part load at least one expansion stage is switched on to utilize the pressure gradient which is too high with a small delivery rate, in such a way that at minimum load at least approximately the entire amount of working fluid in the system flows through this expansion stage during at maximum load at least approximately .the entire amount of work equipment is routed around this expansion stage via a bypass line.
With reference to the accompanying drawing, which shows schematically some Ausführungsbei games of the also subject -der inven tion forming device for imple mentation of the method, the method according to the invention is tert erläu, for example.
Fig. 1 shows a conventional gas turbine system of open circuit type. 1 is the compressor, 2 is the combustion chamber and 3 is the turbine. The air is sucked in by the compressor 1, pressurized and fed to the combustion chamber 2. The hot gases flow to the turbine 3, where they z. B. expand to atmospheric pressure. The exhaust gases can be further used from, e.g. B. to preheat the compressor air etc.
At partial load, the amount of air to the compressor is throttled so far through the valve 4 that the pressure after the compressor 1 corresponds to the pressure that is set in the turbine 3 according to the smaller flow rate. By closing the valve 4, the pressure in front of the compressor 1 drops. The pressure gradient that arises between the atmosphere and the compressor 1 is destroyed by throttling and is lost; In addition, the throttling causes the temperature to be too high, corresponding to the lower pressure, which increases the power requirement.
2 shows the first embodiment, the invention. At normal load, the air is sucked in by the compressor 1 through lines 5 and 6. The valve 4 'is open and thus the system works like that of FIG. 1. At part load, the valve 4' is gradually closed, and the air. flows completely or partially through a line 7 to the turbine 8 and from there to the compressor 1.
Upstream of the compressor, the pressure at part load must decrease in accordance with the smaller delivery rate; the lower the partial load, the lower the intake pressure of the compressor. The part-load turbine 8 now uses the pressure gradient between the atmosphere and the pressure upstream of the compressor 1. Since the compressor always draws in the same volume, but the pressure upstream of the compressor depends on the size of the partial load, whoever appropriately changes the flow cross-sections of the turbine 8 with a change in the partial load, which is easily possible through a cross-section control.
The valve 4 'could also be used for throttling; but the amount of air that is throttled off does no work, and throttling also increases the temperature in front of the compressor and thus the power consumption. The compressor will generally be multi-stage, and it is therefore possible that in particular the last stages in the pressure reduction before the compressor no longer match the first stages and that "pumping" occurs. To avoid this, the cross-sections can be changed according to the compressor impellers and depending on the load, or a "surge prevention" device can be arranged.
3 shows another embodiment of the subject matter of the invention. At normal load, the air is pressed from the compressor 1 through the combustion chamber 2 and lines 18 and 19 to the turbine 3. The valve 10 is open. The delivery rate must be reduced at part load.
This is done in a simple manner with means of the turbine 11; this is acted upon at partial load as a result of valve 10 closing. In order to work favorably with all partial loads, the turbine 11, similar to the turbine 8 in FIG. 2, can have cross-sectional control.
In this version, too, the generally multi-stage compressor will come into "pumping" when the flow rate decreases; the cross-sections after the compressor impellers are therefore also adapted to the flow rates.
The turbine 11 can also be arranged between two expansion stages of the main turbine 3, or -if the main turbine 3 is divided into several sub-turbines, between two of the same. The turbine 11 can also be connected after the turbine 3, as the example in FIG. 4 shows. At normal load, the valve 10 remains open and at part load it remains fully or partially closed. The pressure after the turbine 3 corresponds approximately to the atmospheric pressure under normal load. At part load, the pressure after the turbine 3 increases the more the lower the part load is. The turbine 11 uses the pressure gradient between turbine 3 (outlet) and the atmospheric pressure.
In the example of FIG. 5, a single-stage part-load turbine is used. 12 means a stator connected upstream of the impeller 13. The inflow of air takes place through the nozzle 14 and the outflow through the nozzle 15. FIG. 6 shows the arrangement of the flow control valves. At normal load, all valves 16, 17 and 18 are open. The air flows through the open valve 4 '(FIG. 2) directly to the compressor 1 according to the smallest resistance.
When switching to part load, the valve 4 'begins to close and is z. B. closed at 3/4 load. The valve 17 then begins to close, which is closed at 1 / load. The valve 16 closes under 1/2 load to 1/4 load; the valve 18 closes below 1/4 load. This arrangement allows the pressure drop between the atmosphere and the compressor inlet pressure to be used, which significantly increases the efficiency at part load. The gas turbine 11 of the examples in FIGS. 3 and 4 is constructed in a similar manner.
In order to avoid "pumping" with decreasing air volume in multi-stage compressors, you can. in individual or all stages an adaptation of the guide cross-sections after the impellers to the flow rate according to known arrangements.
Compressors, turbines and combustion chambers can be of any type. Any desired heat exchangers, as required by the system, can also be present.
In any case, the work medium amount is reduced at part load by a cross-sectional reduction before or after the compressor, and at least one expansion stage is switched on to take advantage of the pressure gradient that is too high when the delivery rate is smaller. The cross-section reduction can take place in the part-load turbine itself or additionally at another point, in particular on the compressor housing.
The atmosphere can also be replaced by a higher or lower pressure, depending on the system and supply line.