Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungsturbinenanlage in Verbindung mit einer Druckgaserzeugungsanlage. Die elektrische Energie wird bekanntlich zum überwiegenden Teil in Dampfkraftwer ken mittels von Dampfturbinen angetriebe nen Generatoren erzeugt. Derartige Dampf kraftwerke zeichnen sich einerseits durch einen verhältnismässig guten Gesamtwir kungsgrad aus, haben anderseits aber auch einen komplizierten und wenig übersichtli chen Aufbau, der auf den verwickelten Pro zess des Arbeitsmittels zurückzuführen ist.
Da das Arbeitsmittel (Wasserdampf) inner halb der Anlage mehrmals seinen Aggregat zustand ändern muss, sind ausser der eigent- 1'chen Kraftmaschine eine Vielzahl kost spieliger Apparate und Hilfsmaschinen, wie Wasserreinigungsanlage, Dampfkessel, Kon densatoren, Speisepumpen, Kondensatpum pen usw., erforderlich.
Man ist aus diesem Grunde seit langem bestrebt, an Stelle der Dampfturbinen Ver brennungsturbinen für den Antrieb der Stromerzeuger in Kraftwerken zu verwen den, da diese infolge des einfachen Prozesses des Arbeitsmittels auch einen einfachen Auf bau der gesamten Kraftwerksanlage herbei führen. Einer der hauptsächlichsten Hinde rungsgründe, der der allgemeinen Anwen dung der Verbrennungsturbinen entgegen steht, ist der, dass diese vorerst nur mit flüs sigen und gasförmigen Brennstoffen betrie ben werden können. Flüssige Brennstoffe scheiden aber dort aus, wo sie nur in be schränktem Umfange zur Verfügung stehen.
Aber auch bei der Verwendung geeigneter gasförmiger Brennstoffe stösst man auf Schwierigkeiten, da diese nur in Hüttenwer ken in Form von Gichtgas in genügend gro ssen Mengen billig anfallen. So war bisher die Anwendung von Gasturbogeneratoren im wesentlichen auf die elektrische Energiever sorgung von Hüttenwerken beschränkt.
Um nun der Verbrennungsturbine in die ser Hinsicht ein grösseres Anwendungsgebiet zu sichern, ist es erforderlich, geeignete Gas erzeugungsanlagen für die Erzeugung des Brenngases heranzuziehen. Die bekannten unter atmosphärischem Druck arbeitenden Gaserzeuger sind ungeeignet, da sie bei den grossen zu verarbeitenden Gasmengen, wie sie für moderne Kraftwerksanlagen in Frage kommen, viel zu umfangreich ausfallen. Es liegt daher nahe, die neuerdings entwickelten, unter Druck arbeitenden Gaserzeuger zu ver wenden.
Aber auch hierbei stösst man auf Schwierigkeiten, da der wirtschaftliche Be triebsdruck derartiger Druckgaserzeuger mit Rücksicht auf die Abmessungen der Druck gaserzeugungsanlage einerseits und den Ma terialaufwand (Wandstärke) anderseits bei etwa 20 atü liegt.
Dieser wirtschaftliche Be triebsdruck von etwa. 20 atü, mit dem das Brenngas den Gaserzeuger verlässt, liegt viel höher als der wirtschaftliche Druck zur Be- aufschlagung der Brennkammer einer ein bezw. der Hochdruckbrennkammer einer mehrstufigen Gasturbinenanlage. Nun be- nötigt aber die Gaserzeugungsanlage für die Verbrennung des festen Brennstoffes (Stein- oder Braunkohle) auf den Betriebsdruck, also auf etwa 20 atü, verdichtete Verbrennungsluft.
Dieser Druck der Verbrennungsluft für den Gaserzeuger liegt damit in entsprechender Weise höher als der Druck der der Brenn- kammer der Gasturbinenanlage zuzuführen den Verbrennungsluft, die im allgemeinen in von Gasturbinen angetriebenen Gebläsen er zeugt wird, so dass die Luft für den Gas erzeuger dem Gebläse der Gasturbine nicht ohne weiteres entnommen werden kann.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zu grunde, die geschilderten Schwierigkeiten zu beseitigen, die dem wirtschaftlichen Be trieb einer Gasturbinenanlage, insbesondere für den Antrieb elektrischer Stromerzeuger in Kraftwerken, in Verbindung mit einer Druckgaserzeugungsanlage entgegenstehen.
Nach der Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gelöst, bei dem die Ver brennungsluft für den Druckgaserzeuger nach ihrer Verdichtung auf den höchsten Druck des Gasturbinenprozesses in einem von einer Gasturbine angetriebenen Gebläse der Gasturbinenanlage entnommen und in einem nachgeschalteten Verdichter auf den Druck des Gaserzeugers gebracht wird, wobei dieser Verdichter von einer Entspannungs turbine angetrieben wird, die Brenngas vom Druck des Gaserzeugers auf denjenigen einer Brennkammer entspannt.
Die Einrichtung zur Ausübung des Ver- fahrens besteht darin, dass zur Aufladung des Gaserzeugers eine Ladegruppe angeord net ist, die eine von Brenngasen des Gas erzeugers angetriebene Gasturbine und einen der Gasturbinenanlage nachgeschalteten Ver dichter aufweist.
An Hand der Fig. 1 bis 3, die Ausfüh rungsbeispiele der Einrichtung zur Durch- führung des Verfahrens nach der Erfindung darstellen, wird das Verfahren beispielsweise erläutert.
In Fig. 1 ist c die Gasturbine, d der Verdichter, 7n der Luftvorwärmer, f das Ge triebe, e der Generator und g der Anwurf- motor, l die Brennkammer und q der Gas erzeuger. Die Maschinengruppe n und u ist die eigentliche Ladegruppe. Der Gaserzeuger wird durch das Gebläse n aufgeladen, das durch die Gasturbine u, in welcher die Brenngase entspannt werden, angetrieben wird. x ist eine elektrische Maschine, die je nach dem Arbeitszustand der Ladegruppe n, u als Motor Zusatzleistung an diese ab gibt oder als Generator Überschussleistung von der Gruppe aufnimmt.
Der Arbeitsprozess ist dergestalt, dass die Verbrennungsluft für den aufgeladenen Gas erzeuger q dem von der Gasturbine c ange triebenen Verdichter d an der Stelle höch sten Druckes entnommen und in einem nach geschalteten Verdichter n auf den Druck des Gaserzeugers q verdichtet wird, wobei die ser Verdichter n von einer Entspannungs turbine u angetrieben ist, die das Brenngas von dem hohen Druck des Gaserzeugers q auf denjenigen der Brennkammer l ent spannt.
Die mit der vom Verdichter d kom menden und durch den Vorwärmer m vor gewärmten Luft gemischten und in der Brennkammer l entzündeten Treibgase trei ben die Gasturbine c an, deren Abgase durch den Luftvorwärmer m streichen und dann ins Freie abströmen.
In Fig. 2 ist die Erfindung an dem Bei spiel einer zweistufigen Gasturbinenanlagu erläutert. In dem dargestellten Schaltschem < < bedeutet I die Niederdruckstufe der Ver- brennungsturbinenanlage mit der Gasturbine a und dem von dieser angetriebenen zwei- gehäusig ausgeführten Gebläse b,, b,
und 1.I die Hochdruckstufe der Gasturbinen- i anlag -e mit der Gasturbine c und dem von dieser angetriebenen Gebläse d und dem Ge nerator e für die Erzeugung der Nutzleistung, der über das Getriebe f ebenfalls von der Turbine c angetrieben wird.
Wie aus dem Schaltschema ohne weiteres hervorgeht, sind die beiden Stufen der Gasturbinenanlage so ausgelegt, dass die Niederdruckturbine ca lediglich die Leistung für das Niederdruck- gebläse b,, b2 aufzubringen hat, während die Hochdruckgasturbine c ausser der Nutz- leistung noch die Antriebsleistung für das Hochdruckgebläse d abzugeben hat. Mit g und lt sind Motoren bezeichnet, die zum An werfen der Anlage aus dem Stillstand die nen.
Zum besseren Verständnis der Wirkungs weise der ganzen Anlage wird zunächst der Weg der Luft und anschliessend daran der Weg des Brenngases beschrieben. Die Luft wird zunächst von Teil b1 des Niederdruek- gebläses aus dem Freien angesaugt, in die sem verdichtet und nach Abführung der Kompressionswärme in einem Luftkühler i dem Teil b2 des Niederdruckgebläses zuge führt, in der die Luft weiter verdichtet wird. Nach Abführung der Kompressionswärme in einem zweiten Luftkühler k tritt die Ver brennungsluft in das Hochdruckgebläse d ein, in dem sie auf den Druck der Brennkam- rner der Hochdruckstufe der Gasturbinen anlage verdichtet wird.
Aus dem Gebläse d wird ein Teil der so verdichteten Luft in einem Luftvorwärmer m, in welchem sie mit den Abgasen der Niederdruckturbine a in Wärmeaustausch steht, vorgewärmt. Die den Luftvorwärmer m verlassende Luft wird der Hochdruckbrennkammer d zugeführt, der aludere Teil der im Hochdruckgebläse d ver dichteten Luft wird dem Verdichter n zu- beführt und in ihm auf den Druck der Gas erzeugungsanlage A verdichtet, der nach dem Vorhergesagten etwa 20 atü beträgt. Die Gaserzeugungsanlage A besteht im wesent lichen aus dem Kohlenbunker o, der Kohlen schleuse p, dem eigentlichen Gaserzeuger q und der Aschenschleuse r.
Die in dem Ver dichter a auf den Enddruck verdichtete Luft wird, wie aus dem Schaltbild ersichtlich, dem Gaserzeuger q zugeführt, in welchem unter Verbrennung eines festen Brennstof fes (Steinkohle oder Braunkohle) und unter Zuführung von Wasserdampf das für den Betrieb der Gasturbinenanlage erforderliche Brenngas erzeugt wird Letzteres wird nach dem Verlassen des Gaserzeugers q in einem Gaskühler s vorgekühlt, anschliessend in einem Gaswäscher t gereinigt und sodann in den Entspannungsturbinen u und v auf die Betriebsdrücke der Hochdruckbrennkammer l und der Niederdruckbrennkammer w ent- spaunt. Der in der Entspannungsturbine u entspannte Teil des Brenngases wird der Hochdruckbrennkammer l zugeführt,
wäh rend der restliche in der Entspannungs turbine v auf den entsprechenden Gegendruck entspannte Teil des Brenngases der Nieder- druckbrennkammer w zugeführt wird. Die Masehinen n, u und v können so ausgelegt werden, dass die durch die Entspannungs turbinen u und v freiwerdende mechanische Energie gerade zur Deckung des Leistungs bedarfes des Verdichters n ausreicht, das heisst die Gesamtleistung und damit der Ge samtwirkungsgrad der Anlage nicht verrin gert wird.
Die Ladegruppe n, u und v kann aber auch so ausgelegt werden, dass sie eine beträchtliche Übersehussleistung, die bis zu etwa 10% der Generatorleistung des Haupt- generators e beträgt, an die als Hilfsgenera tor arbeitende elektrische Maschine x abgibt. Diese Nutzleistung kann auch dadurch ver wertet werden, da.ss diese Ladegruppe direkt mit einer der Ga.sturbinengruppen gekuppelt wird, und zwar je nach der Schaltung mit dem Hochdruck- oder Niederdruckteil.
Wie erwähnt, wird das in der Entspan nungsturbine ia auf den Betriebsdruck der Hochdruckbrennkammer 1 entspannte Brenn- gas letzterer zugeführt und in. dieser zusam men mit der erforderlichen Verbrennungsluft verbrannt. -Die Energie der so erzeugten heissen Brenngase wird nun in der Hoch druckgasturbine c in mechanische Arbeit um gesetzt, die neben dem Antrieb des Gebläses d im wesentlichen als Antriebsenergie für den Stromerzeuger e verwendet wird.
Die die Hochdruckturbine c verlassenden Abgase werden zusammen mit den aus der Entspan nungsturbine v kommenden Brenngasmengen der Niederdruckbrennkammer w zugeführt. in dieser in entsprechender Weise verbrannt und anschliessend der Niederdruckgasturbine (z zugeführt, die die Antriebsleistung für die Gebläse b1 und b2 abgibt. Infolge des gro ssen, in die Brennkammer l eingeführten Luftüberschusses ist die Zuführung neuer Verbrennungsluft in die Brennkammer w nicht notwendig.
Die die Niederdruckgastur bine a verlassenden Abgase werden nach Ausnutzung der ihnen noch innewohnenden Wärmeenergie in dem Luftvorwärmer m durch den Schornstein y ins Freie abge führt.
Indem Beispiel der Fig. 3 ist eine zwei stufige Anlage gezeigt, bei der die Verbren nungsluft für den Druckgaserzeuger q hinter dem Hochdruckverdichter d an der Stelle 4 der Luftleitung entnommen und über den Verdichter n der Ladegruppe u, n dem Gas erzeuger q zugeführt wird. Der andere Teil der Verbrennungsluft strömt durch den Vor wärmer m in die Brennkammer l des Hoch druckteils c, d.
Die Brennkammer l wird durch eine Anzapfung an der Stelle 34 der dem Gaserzeuger q nachgeschalteten Gas turbine u mit Brenngas von hohem Druck gespeist. Die Gasturbine c der Hochdruck gruppe liefert durch ihr Arbeiten unter hohem Luftüberschuss die weitere Verbren nungsluft für die Brennkammer w des Nie derdruckteils a, b, die ihrerseits von der Gasturbine u der Ladegruppe bereits dort entspanntes Brenngas empfängt.
Die durch die Erfindung erbrachten Vor teile bestehen in erster Linie darin, dass der zur Erzeugung des Brenngases für die Gas turbinenanlage vorgesehene Gaserzeuger q mit seinem wirtschaftlichsten Druck betrie ben werden kann und hiefür lediglich ein verhältnismässig kleines Maschinenaggregat, nämlich die Ladegruppe n, u, x, erforderlich ist, das zudem für die Gesamtanlage leistungs mässig wenig in Erscheinung tritt.
Die er forderlichen Hilfsmaschinen n, u und x fal len auch kostenmässig kaum ins Gewicht, da ihre Anschaffungskosten nur einen Bruch teil der Kosten für die Gaserzeugungsanlage betragen und vor allem völlig belanglos sind, wenn man die durch die Erfindung gekenn zeichnete Anlage mit einer solchen Anlage vergleicht, bei der, wie es zunächst naheliegt, die Gaserzeugungsanlage nur mit dem Ar- beitsdruckder Brennkammer betrieben wird. Weitere Vorteile der erfindungsgemässen An- ordnung sind darauf zurückzuführen, dass die Verbrennungsluft für die Gaserzeugungs anlage der Hochdruckstufe des von einer Gasturbine angetriebenen grossen Gebläses entnommen wird.
Hierdurch wird der Ar beitsaufwand für die Erzeugung der hoch verdichteten Luft für den Gaserzeuger am geringsten, da der Verdichtungsvorgang in einem Verdichter, vorzugsweise einem um laufenden Verdichter, mit grosser Ansaug menge erfolgt. Anderseits ist der Material aufwand für den Verdichter der Ladegruppe verhältnismässig gering, da die auf den Druck des Gaserzeugers zu verdichtende Luft bereits stark vorverdichtet in den Ver dichter eintritt.
Method for operating a combustion turbine system in connection with a compressed gas generation system. As is known, the majority of electrical energy is generated in steam power plants by means of generators driven by steam turbines. Such steam power plants are characterized on the one hand by a relatively good overall efficiency, but on the other hand they also have a complicated and not very clear structure, which is due to the intricate process of the work equipment.
Since the working medium (water vapor) has to change its aggregate state several times within the system, a large number of expensive apparatuses and auxiliary machines, such as water purification systems, steam boilers, condensers, feed pumps, condensate pumps, etc., are required in addition to the actual engine .
For this reason, efforts have long been made to use combustion turbines instead of the steam turbines to drive the generator in power plants, as this also leads to a simple construction of the entire power plant as a result of the simple process of the working medium. One of the main obstacles to the general application of combustion turbines is that they can initially only be operated with liquid and gaseous fuels. However, liquid fuels are ruled out where they are only available to a limited extent.
But even with the use of suitable gaseous fuels one encounters difficulties, since these occur cheaply only in metallurgical plants in the form of furnace gas in sufficiently large quantities. So far, the use of gas turbine generators was essentially limited to the electrical energy supply of smelting works.
In order to secure a larger area of application for the combustion turbine in this respect, it is necessary to use suitable gas generation systems for the generation of the fuel gas. The known gas generators working under atmospheric pressure are unsuitable because they are far too extensive for the large quantities of gas to be processed, as they are used in modern power plants. It therefore makes sense to use the recently developed, pressurized gas generators.
But even here one encounters difficulties, since the economic operating pressure of such compressed gas generators with regard to the dimensions of the pressure gas generation system on the one hand and the material expenditure (wall thickness) on the other hand is about 20 atm.
This economic operating pressure of about. 20 atm, with which the fuel gas leaves the gas generator, is much higher than the economic pressure for loading the combustion chamber of a resp. the high pressure combustion chamber of a multi-stage gas turbine system. Now, however, the gas generation system requires compressed combustion air to burn the solid fuel (hard coal or lignite) to the operating pressure, ie to around 20 atm.
This pressure of the combustion air for the gas generator is accordingly higher than the pressure of the combustion air to be supplied to the combustion chamber of the gas turbine system, which is generally generated in fans driven by gas turbines, so that the air for the gas generator is fed to the fan Gas turbine can not be easily removed.
The invention is now based on the task of eliminating the difficulties described, which oppose the economic loading operation of a gas turbine system, especially for driving electrical power generators in power plants, in conjunction with a pressurized gas generation system.
According to the invention, this object is achieved by a method in which the combustion air for the compressed gas generator is removed after its compression to the highest pressure of the gas turbine process in a gas turbine-driven fan of the gas turbine system and brought to the pressure of the gas generator in a downstream compressor , wherein this compressor is driven by an expansion turbine, the fuel gas expanded from the pressure of the gas generator to that of a combustion chamber.
The device for performing the method consists in that a charging group is arranged for charging the gas generator, which has a gas turbine driven by fuel gases from the gas generator and a compressor connected downstream of the gas turbine system.
The method is explained by way of example with reference to FIGS. 1 to 3, which represent exemplary embodiments of the device for carrying out the method according to the invention.
In Fig. 1, c is the gas turbine, d is the compressor, 7n is the air preheater, f is the gear unit, e is the generator and g is the starting motor, l is the combustion chamber and q is the gas generator. The machine group n and u is the actual loading group. The gas generator is charged by the fan n, which is driven by the gas turbine u, in which the fuel gases are expanded. x is an electrical machine that, depending on the working status of the charging group n, u, delivers additional power to the charging group as a motor or takes up excess power from the group as a generator.
The work process is such that the combustion air for the charged gas generator q is taken from the compressor d driven by the gas turbine c at the point of highest pressure and is compressed in a downstream compressor n to the pressure of the gas generator q, this compressor n is driven by an expansion turbine u, which expands the fuel gas from the high pressure of the gas generator q to that of the combustion chamber l.
The propellant gases mixed with the air coming from the compressor d and heated by the preheater m and ignited in the combustion chamber l drive the gas turbine c, the exhaust gases of which pass through the air preheater m and then flow out into the open.
In Fig. 2 the invention is explained using the case of a two-stage gas turbine plant. In the circuit diagram shown, I means the low-pressure stage of the combustion turbine system with the gas turbine a and the two-housing fan b ,, b driven by this,
and 1.I the high-pressure stage of the gas turbine plant with the gas turbine c and the fan d driven by this and the generator e for generating the useful power, which is also driven by the turbine c via the transmission f.
As can be seen from the circuit diagram, the two stages of the gas turbine system are designed in such a way that the low-pressure turbine ca only has to generate the power for the low-pressure fan b ,, b2, while the high-pressure gas turbine c, in addition to the useful power, also has the drive power for the High pressure blower d has to deliver. Motors that are used to start the system from standstill are denoted by g and lt.
For a better understanding of the way in which the entire system works, the path of the air and then the path of the fuel gas is described first. The air is first sucked in from the open air by part b1 of the low-pressure blower, compressed in this and, after the heat of compression has been dissipated in an air cooler, is supplied to part b2 of the low-pressure blower, in which the air is further compressed. After the heat of compression has been dissipated in a second air cooler k, the combustion air enters the high-pressure fan d, in which it is compressed to the pressure of the combustion chamber of the high-pressure stage of the gas turbine system.
Part of the air compressed in this way is preheated from the fan d in an air preheater m, in which it is in heat exchange with the exhaust gases from the low-pressure turbine a. The air leaving the air preheater m is fed to the high-pressure combustion chamber d, the aludere part of the air compressed in the high-pressure fan d is fed to the compressor n and is compressed in it to the pressure of the gas generation system A, which is about 20 atmospheres according to the above. The gas generation plant A consists essentially of the coal bunker o, the coal lock p, the actual gas generator q and the ash lock r.
The air, which is compressed to the final pressure in the compressor a, is fed to the gas generator q, as can be seen in the circuit diagram, in which the fuel gas required for the operation of the gas turbine system is generated by burning a solid fuel (hard coal or lignite) and adding steam The latter is pre-cooled in a gas cooler s after leaving the gas generator q, then cleaned in a gas scrubber t and then in the expansion turbines u and v to the operating pressures of the high pressure combustion chamber l and the low pressure combustion chamber w. The part of the fuel gas expanded in the expansion turbine u is fed to the high-pressure combustion chamber l,
while the remainder of the combustion gas in the expansion turbine v, which has been expanded to the corresponding counterpressure, is fed to the low-pressure combustion chamber w. The machines n, u and v can be designed in such a way that the mechanical energy released by the expansion turbines u and v is just sufficient to cover the power requirements of the compressor n, i.e. the total output and thus the overall efficiency of the system is not reduced .
The charging group n, u and v can, however, also be designed in such a way that it delivers a considerable excess power, which is up to about 10% of the generator power of the main generator e, to the electrical machine x working as an auxiliary generator. This useful power can also be utilized by coupling this charging group directly to one of the gas turbine groups, depending on the circuit with the high-pressure or low-pressure part.
As mentioned, the fuel gas expanded in the expansion turbine, generally to the operating pressure of the high-pressure combustion chamber 1, is supplied to the latter and burned in this together with the required combustion air. -The energy of the hot fuel gases generated in this way is now put into mechanical work in the high-pressure gas turbine c, which in addition to driving the fan d is essentially used as drive energy for the power generator e.
The exhaust gases leaving the high-pressure turbine c are fed to the low-pressure combustion chamber w together with the amounts of fuel gas coming from the expansion turbine v. burned in this in a corresponding manner and then fed to the low-pressure gas turbine (z, which provides the drive power for the fans b1 and b2. Due to the large excess of air introduced into the combustion chamber l, the supply of new combustion air into the combustion chamber w is not necessary.
The exhaust gases leaving the Niederdruckgastur bine a are discharged into the open air through the chimney y in the air preheater m after utilizing the thermal energy still inherent in them.
In the example of Fig. 3, a two-stage system is shown in which the combustion air for the compressed gas generator q is taken behind the high-pressure compressor d at point 4 of the air line and supplied to the gas generator q via the compressor n of the loading group u, n. The other part of the combustion air flows through the pre-warmer m into the combustion chamber l of the high-pressure part c, d.
The combustion chamber l is fed with fuel gas at high pressure by a tap at the point 34 of the gas turbine u connected downstream of the gas generator q. The gas turbine c of the high pressure group delivers the additional combustion air for the combustion chamber w of the low pressure part a, b, which in turn receives from the gas turbine u of the charging group already there expanded combustion gas there.
The advantages provided by the invention consist primarily in the fact that the gas generator q provided for generating the fuel gas for the gas turbine system can be operated at its most economical pressure and for this purpose only a relatively small machine unit, namely the charging group n, u, x , is required, which also has little effect on the overall system in terms of performance.
The necessary auxiliary machines n, u and x are also negligible in terms of cost, since their acquisition costs are only a fraction of the costs for the gas generation system and, above all, are completely irrelevant if the system characterized by the invention is equipped with such a system compares, in which, as it initially appears, the gas generation system is operated only with the working pressure of the combustion chamber. Further advantages of the arrangement according to the invention can be attributed to the fact that the combustion air for the gas generation system is taken from the high pressure stage of the large blower driven by a gas turbine.
As a result, the labor expenditure for the generation of the highly compressed air for the gas generator is the least, since the compression process takes place in a compressor, preferably a compressor running around, with a large intake volume. On the other hand, the cost of material for the compressor of the loading group is relatively low, since the air to be compressed under the pressure of the gas generator enters the compressor already strongly pre-compressed.