Verfahren zum Hochfahren einer Gasturbinenanlage Die Erfindung bezieht sieh auf ein Ver fahren zum unbelasteten Hochfahren einer im Betrieb Brenngase niedrigen Heizwertes ver arbeitenden Gasturbinenanlage, bei welcher sowohl das Brenngas als auch die Verbren nungsluft vor ihrem Eintritt in die der Tur bine vorgeschaltete Brennkammer verdichtet werden und bei welcher ausserdem der Brenn- gasverdichter von der Turbine angetrieben wird.
Es ist bekannt, eine Gasturbinenanlage mit Brenngasen niedrigen Heizwertes, beispiels weise Gichtgas aus einem Hochofen, zu betrei ben. Im allgemeinen muss das Brenngas, um in die Brennkammer eingeführt werden zu können, durch einen von der Turbine selbst angetriebenen Brenngasverdichter auf den notwendigen Druck verdichtet werden. Die Anordnung einer getrennt angetriebenen Ver- dichtergruppe ist nur bei einer aus mehreren Sätzen bestehenden Turbinenanlage zweck mässig, da sonst die Verluste zu gross sind.
Treibt aber nun die vorerst noch unbela stete Nutzleistungsturbine den Brenngasver- dichter selbst an, so entsteht beim Hochfahren die folgende Schwierigkeit: Bei einer Be schleunigung der Gasturbine ergibt. sich sofort eine Vermehrung der Brenngasförderung, die eine Vergrösserung der Leistung in der An- zur Folge hat. Dadurch kann ein labiler Betriebszustand entstehen, bei welchem schon bei geringfügiger Drehzahlerhöhung ein wei teres Ansteigen der Drehzahl bis zum Durch- gehen der Maschine nicht mehr verhindert werden kann.
Lediglich mit äusserst kompli zierten Regelvorrichtungen war es bisher mög lich, derartige Betriebszustände zu beherr schen.
Die Schwierigkeiten werden gemäss der Erfindung dadurch behoben, dass die Anlage mindestens bis zum Belasten statt mit Brenn- gas, mit einem Brennstoff höheren Heizwertes betrieben wird. Die Zufuhr des hochwertigen Brennstoffes kann unabhängig von der Dreh zahl der Turbine so geregelt werden, dass man sich der Betriebsdrehzahl langsam nähert. Nach dem Belasten ist die Turbine an einem Durchgehen gehindert, auch wenn sie nun mit Brenngas betrieben wird.
Dieser Vorteil wird besonders deutlich, wenn die Turbine einen auf ein elektrisches Netz arbeitenden Synchrongenerator antreibt. In diesem Fall wird die Anlage vorteilhaft mindestens bis nach dem Parallelschalten mit einem Brennstoff höheren Heizwertes betrie ben. Wenn dann der Generator synchronisiert und auf das Netz geschaltet worden ist, kann ohne Gefahr der hochwertige Brennstoff durch Brenngas ersetzt werden, da die Dreh zahl der Turbine durch die Netzfrequenz be stimmt ist.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn der Brenngasverdichter während des Anfahrens zusätzlich Verbrennungsluft in die Brennkam- mer fördert. Das zusätzlich geförderte Luft volumen entspricht dem im Betrieb geförder- ten Brenngasvolumen, so dass die Turbine ins gesamt ein Gasvolumen zugeführt bekommt, das ihr ein Arbeiten auf einem günstigen Punkt ihrer Charakteristik ermöglicht.
Als Brennstoff höheren Heizwertes kann man ein Heizöl verwenden. Es kann aber auch ein hochwertiges Heizgas benützt werden. Ausserdem wird man sich in manchen Fällen eines Anfahrbehälters bedienen, in welchem der zum Hochfahren notwendige Brennstoff höheren Heizwertes unter Druck aufgespei chert ist, so dass er lediglich unter Zwischen schaltung eines Reduzierv entils an die Brenn- kammer angeschlossen werden kann.
An Hand der Zeichnung wird das Verfah ren beispielsweise erläutert.
Die Figur zeigt eine Turbinenanlage, bei welcher die Turbine 1, der Verdichter 2 für die Verbrennungsluft, der Verdichter 3 für das Brenngas, ein Nutzleistungsempfänger hier ein Synchrongenerator 4 - und ein An lassmotor 5 miteinander gekuppelt sind.
Im Normalbetrieb saugt der Luftverdich ter 2 Luft an und fördert sie in die Brenn- kammer 6. Der Brenngasverdichter 3 fördert Brenngas von einer Brenngasquelle, beispiels weise einem Hochofen, aus der Leitung 7, wel- ehe durch das Ventil 8 abgesperrt werden kann, und über die Leitung 9 und das Durch flussregelorgan 10 in den Gasbrenner 11 der Brennkammer 6.
Bei Laständerungen kann in bekannter Weise ein Teil des Brenngases über eine Rückleitung 12, die ein Absperrorgan 13 uund einen Kühler 14 besitzt, wieder an den Eintritt des Brenngasv erdichters zurückge führt werden, so dass zwar weniger Brenngas in die Brennkammer 16 eingeführt wird, an derseits aber der Brenngasverdichter 3 wei terhin auf seinem Optimalbetriebspunkt ar beitet.
Für den Anfahrvorgang ist die Anlage mit einer Hilfseinrichtung zum Zuführen von Brennöl ausgerüstet. Eine Pumpe 15 fördert den Brennstoff über ein Durchflussregelorgan 16 in die Brennkammer 6. Zu Regelzwecken ist hier ebenfalls eine mit einem Ventil 17 ver sehene Leitung 18 angeordnet, durch die das Brennöl an den Pumpeneintritt zurückgeführt werden kann.
Das Hochfahren der Anlage geschieht dann in folgender Weise: Der Anlassmotor 5 bringt. die Turbine 1 und die mit ihr gekuppelten Aggregate auf eine niedrige Drehzahl. Sobald der Verdichter 2 eine ausreichende Luftmenge fördert, wird Brennöl in die Brennkammer 6 eingespritzt und gezündet. Dadurch erhält die Turbine Energie zugeführt. Durch Vergrösse- rung der Brennstoffmenge, indem das Ventil 16 weiter geöffnet und das Ventil 17 weiter geschlossen wird, kann die Drehzahl der Tur bine 1 gesteigert werden.
Um der Turbine ein günstiges Gasvolumen zuzuführen, saugt der Brenngasverdichter 3 über die Leitung 19, die durch ein Ventil 20 abgesperrt werden kann, Luft an und fördert sie über die Leitung 9 und das Durehflussregelorgan 10 zusätzlich in die Brennkammer 6. Sobald die Anlage eine der Netzfrequenz entsprechende Drehzahl hat, kann der Synchrongenerator 4 synchronisiert und durch Einlegen des Schalters 23 auf das Netz 24 geschaltet werden.
Da nunmehr keine Gefahr des Durch- gehens der Anlage mehr besteht, kann auf den Betrieb mit Brenngas übergegangen werden. Zu diesem Zweck wird das Ventil 10 geschlos sen, das Ventil 22 in der Abblasleitung 21 ge öffnet und die von dem Brerrngasverdiehter 3 geförderte Luft ins Freie abgeblasen. Sodann wird das Ventil 20 geschlossen und das Ventil 8 geöffnet., damit. Brenngas in das Rohrsystem einströmen kann.
Auch das Brenngas wird zunächst abgeblasen, darin aber aneh teilweise durch die Leitung 12 umgewälzt, so dass schliesslich die gesamte Luft. aus dem Rohr- system vertrieben ist. Nun besteht bei einer Zündung keine Gefahr mehr, dass ein Brenn- gas-Luft-Gemiseh explodiert.
Das Ventil 22 wird nunmehr vollständig geschlossen, das Ventil 1.0 langsam geöffnet, \gleichzeitig das Ventil 13 langsam geschlossen, und nach Mass gabe der zunehmenden Brenngaszufuhr wird die Menge des hochwertigen Brennstoffes ge- d.r osselt.
Die einzelnen Teile. der Trirbinenanla-e braueben nietet starr miteinander gekuppelt zu sein. Es ist auch nicht notwendig, dass der Verbrennungsluftverdichter von der Turbine angetrieben wird. Selbstverständlich umfasst die Erfindung auch solche Anlagen, die durch zweckdienliche Einrichtungen -- beispiels weise durch eine Vorwärmstufe, in der Ver brennungsluft mit Hilfe der Turbinenabgase vorgewärmt wird - ergänzt sind.
Method for starting up a gas turbine system The invention relates to a process for unloaded start-up of a gas turbine system with low calorific value in operation, in which both the fuel gas and the combustion air are compressed before they enter the combustion chamber upstream of the turbine and at which also the fuel gas compressor is driven by the turbine.
It is known, a gas turbine system with fuel gases of low calorific value, example, furnace gas from a blast furnace, to operate ben. In general, in order to be able to be introduced into the combustion chamber, the fuel gas must be compressed to the necessary pressure by a fuel gas compressor driven by the turbine itself. The arrangement of a separately driven compressor group is only practical in a turbine system consisting of several sets, since otherwise the losses are too great.
But if the power turbine, which is initially unloaded, drives the fuel gas compressor itself, the following difficulty arises when starting up: When the gas turbine is accelerated, the result is. an increase in fuel gas delivery immediately results, which in turn results in an increase in output. This can result in an unstable operating state in which, even with a slight increase in speed, a further increase in the speed until the machine stops can no longer be prevented.
Until now, it has only been possible to master such operating states with extremely complicated control devices.
According to the invention, the difficulties are eliminated in that the system is operated with a fuel with a higher calorific value at least until it is loaded, instead of with fuel gas. The supply of high-quality fuel can be regulated independently of the speed of the turbine so that the operating speed is slowly approached. After loading, the turbine is prevented from going through, even if it is now operated with fuel gas.
This advantage becomes particularly clear when the turbine drives a synchronous generator working on an electrical network. In this case, the system is advantageously operated with a fuel with a higher calorific value at least until after the parallel connection. When the generator has been synchronized and connected to the network, the high-quality fuel can be replaced by fuel gas without risk, since the speed of the turbine is determined by the network frequency.
It is particularly advantageous if the fuel gas compressor additionally conveys combustion air into the combustion chamber during start-up. The additional volume of air conveyed corresponds to the volume of fuel gas conveyed during operation, so that the turbine is supplied with a total gas volume that enables it to work at a favorable point of its characteristics.
Heating oil can be used as a fuel with a higher calorific value. However, a high quality heating gas can also be used. In addition, a start-up tank will be used in some cases, in which the higher calorific value required for start-up is stored under pressure so that it can only be connected to the combustion chamber with a reducing valve.
The procedural ren example is explained using the drawing.
The figure shows a turbine system in which the turbine 1, the compressor 2 for the combustion air, the compressor 3 for the fuel gas, a useful power receiver here a synchronous generator 4 - and a starting motor 5 are coupled together.
In normal operation, the air compressor 2 sucks in air and conveys it into the combustion chamber 6. The fuel gas compressor 3 delivers fuel gas from a fuel gas source, for example a blast furnace, from the line 7, which can be shut off by the valve 8, and Via the line 9 and the flow control element 10 into the gas burner 11 of the combustion chamber 6.
When the load changes, part of the fuel gas can be returned to the inlet of the fuel gas compressor via a return line 12, which has a shut-off element 13 and a cooler 14, so that less fuel gas is introduced into the combustion chamber 16 on the other side but the fuel gas compressor 3 continues to work at its optimum operating point.
For the start-up process, the system is equipped with an auxiliary device for supplying fuel oil. A pump 15 conveys the fuel via a flow control element 16 into the combustion chamber 6. For control purposes, a line 18 provided with a valve 17 is also arranged here, through which the fuel oil can be returned to the pump inlet.
The system is then started up in the following way: The starter motor 5 brings. the turbine 1 and the units coupled with it to a low speed. As soon as the compressor 2 delivers a sufficient amount of air, fuel oil is injected into the combustion chamber 6 and ignited. This supplies the turbine with energy. By increasing the amount of fuel by opening valve 16 further and closing valve 17 further, the speed of rotation of turbine 1 can be increased.
In order to supply the turbine with a favorable volume of gas, the fuel gas compressor 3 sucks in air via the line 19, which can be shut off by a valve 20, and also conveys it via the line 9 and the flow control element 10 into the combustion chamber 6 If the speed corresponds to the network frequency, the synchronous generator 4 can be synchronized and switched to the network 24 by inserting the switch 23.
Since there is now no longer any risk of the system going through, operation with fuel gas can be switched to. For this purpose, the valve 10 is closed, the valve 22 in the blow-off line 21 opens and the air conveyed by the Brerrngasverdiehter 3 is blown into the open. The valve 20 is then closed and the valve 8 is opened. Fuel gas can flow into the pipe system.
The fuel gas is also initially blown off, but then partly circulated through the line 12, so that finally all of the air. is driven out of the pipe system. In the event of ignition, there is now no longer any risk of a fuel gas-air mixture exploding.
The valve 22 is now completely closed, the valve 1.0 is slowly opened, and at the same time the valve 13 is slowly closed, and the amount of high-quality fuel is reduced in accordance with the increasing supply of fuel gas.
The individual parts. the Trirbinenanla-e braueben rivets to be rigidly coupled to one another. It is also not necessary for the combustion air compressor to be driven by the turbine. Of course, the invention also includes systems that are supplemented by appropriate facilities - for example, by a preheating stage in which the combustion air is preheated with the help of the turbine exhaust gases.