CH626425A5

CH626425A5 - Gas turbine plant with two shafts and method for its operation

Info

Publication number: CH626425A5
Application number: CH77578A
Authority: CH
Inventors: Thorolf Dipl Ing Ingman; Ben Kyrklund
Original assignee: Stal Laval Turbin Ab
Priority date: 1977-03-25
Filing date: 1978-01-25
Publication date: 1981-11-13
Also published as: DE2812237A1; FR2384951A1; SE7703422L; SE404948B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasturbinenanlage mit zwei Wellen gemäss dem Oberbegriff des Patentan- 35 spruchs 1. The present invention relates to a gas turbine plant with two shafts according to the preamble of patent claim 1.

Bei der Konstruktion einer Gasturbinenanlage kann man in erster Linie zwischen einer grossen Anzahl rein konstruktiver Kombinationen wählen. Unter anderem gilt es, festzustellen, wieviel Stufen Kompressor und Turbine enthalten und 40 wie diese Stufen verteilt werden sollen. Ausserdem gilt es, die Leistimgsentnahme an einer oder mehreren Wellen festzulegen. Es gilt die Anbringung von Kühlern und Wärmeaustauschern an verschiedenen Stellen der Anlage festzulegen, und es gilt ferner, die Wahl der Steuer- und Regelaus- 4s rüstung zu treffen, genauer gesagt, welche Steuer- und Regelgeräte, wie Brennstoffventil, drehbare Leitschaufeln bzw. When designing a gas turbine plant, you can primarily choose between a large number of purely constructive combinations. Among other things, it is important to determine how many stages the compressor and turbine contain and how these stages should be distributed. It is also important to determine the power consumption on one or more shafts. The location of coolers and heat exchangers must be determined at different points in the system, and it is also important to choose the control and regulating equipment, more precisely, which control and regulating devices, such as fuel valve, rotating guide vanes or

Luft- oder Gasdrosseln oder dgl. verwendet werden sollen. Schliesslich gilt es, die Prinzipien betreffend Steuerung und Regelung zu bestimmen, wobei auf äussere Umstände, wie 50 Temperatur, Ansaugkraft und Kühlwasser, Rücksicht genommen werden muss, da diese oft in grossen Bereichen variieren können und nicht anders zu beeinflussen sind als durch komplizierte und kostspielige Ausrüstungen. Air or gas chokes or the like are to be used. Finally, it is important to determine the principles of control and regulation, taking into account external circumstances such as temperature, suction power and cooling water, since these can often vary in large areas and cannot be influenced other than by complicated and costly ones Equipment.

Für die Bereiche, in denen die Gasturbine praktisch zur 55 Anwendung gekommen ist, vorzugsweise innerhalb niedrigerer Leistungsbereiche für beispielsweise Fahrzeugantrieb und für mittelgrosse Leistungen für Reservekraft und Spitzenbelastungen, gibt es bereits einen Teil Untersuchungen und auch Erfahrungen betreffend Anlagekosten, Wirkungsgrad 60 usw. Für grössere Leistungen bis zu 100 MW und mehr stehen dahingegen nur rein theoretische Arbeiten zur Verfügung, die jedoch bisher keine ganz eindeutigen Richtlinien dafür gegeben haben, welche Kombinationen und Prinzipien zu wählen sind. Das grosse Problem hierbei ist, dass es so 65 viele mögliche Kombinationen gibt, von denen jede einzelne jedoch eine gründliche Berechnung und Untersuchung erfordert, damit man feststellen kann, was möglich ist bzw. praktisch angewendet werden kann. Auch mit Hilfe von Rechenanlagen wird die Arbeit sehr umständlich. Es ist nicht ohne weiteres möglich, die Erfahrungen von Gasturbinen auszubauen, da die bekannten Konstruktionen bei einer Vergrös-serung im allgemeinen entweder zu übertriebenen Abmessungen oder zu einem ungünstigen Wirkungsgrad oder zu übermässig hohen Kosten führen. For the areas in which the gas turbine has been practically used, preferably within lower performance ranges for e.g. vehicle drive and for medium-sized services for reserve power and peak loads, there are already some studies and also experiences regarding plant costs, efficiency 60, etc. For larger services up to 100 MW and more, on the other hand, only purely theoretical work is available, which, however, has so far not given any clear guidelines as to which combinations and principles should be selected. The big problem here is that there are 65 possible combinations, each of which, however, requires a thorough calculation and analysis to determine what is possible or can be used in practice. The work is also very cumbersome with the help of computer systems. It is not readily possible to expand the experience of gas turbines, since the known designs generally lead to exaggerated dimensions or to an unfavorable efficiency or to excessively high costs when enlarged.

Die vorliegende Erfindung gründet sich, wie bereits genannt, auf die an und für sich bekannte Konstruktion, bei der Hoch- und Niederdruckstufe jeweils auf einer Welle angeordnet sind, während die Leistung der Hochdruckwelle entnommen wird. Ausser der an und für sich selbstverständlichen Regelung der Brennstoffzufuhr zur Brennkammer wird gemäss der Erfindung vorgeschlagen, die Niederdruckturbine mit drehbaren Leitschaufeln zu versehen, wobei eine schnelle und stabile Regelung erreicht werden kann, und zwar nicht nur hinsichtlich der Belastung, sondern auch hinsichtlich der äusseren Umstände, wie es nachstehend beschrieben werden soll. Ferner wird die Anlage gemäss der Erfindung zwischen der Nieder- und Hochdruckturbine mit einem Zwischenkühler versehen, um einen guten Wirkungsgrad zu erzielen. As already mentioned, the present invention is based on the construction known per se, in which the high and low pressure stages are each arranged on a shaft, while the power is taken from the high pressure shaft. In addition to the regulation of the fuel supply to the combustion chamber, which is self-evident, it is proposed according to the invention to provide the low-pressure turbine with rotatable guide vanes, whereby a fast and stable regulation can be achieved, not only with regard to the load, but also with regard to the external circumstances as described below. Furthermore, the system according to the invention is provided with an intercooler between the low and high pressure turbine in order to achieve good efficiency.

Die Erfindung soll im übrigen als Beispiel unter Hinweis auf die Zeichnung näher beschrieben werden, in welcher The invention will be described in more detail as an example with reference to the drawing, in which

Fig. 1 eine Gasturbinenanlage zeigt, während die Fig. 1 shows a gas turbine plant, while the

Fig. 2 und 3 Regelkreise für die Anlage zeigen. Fig. 2 and 3 control loops for the system show.

Fig. 1 zeigt eine Gasturbinenanlage mit Nieder- und Hochdruckkompressor LK bzw. HK sowie Hoch- und Niederdruckturbine HT bzw. LT, die jeweils einen Kompressor antreiben. Ausserdem treibt die Hochdruckturbine HT einen Generator g zur Lieferung der Ausgangsleistung an. Fig. 1 shows a gas turbine system with low and high pressure compressor LK or HK and high and low pressure turbine HT or LT, each of which drives a compressor. In addition, the high-pressure turbine HT drives a generator g to supply the output power.

Die Anlage ist mit einer Brennkammer B zwischen dem Hochdruckkompressor HK und der Hochdruckturbine HT versehen. Um die Arbeit des Hochdruckkompressors HK zu verringern, ist zwischen den beiden Kompressorstufen LK und HK ein Zwischenkühler M angeordnet. Der Wirkungsgrad kann noch weiter verbessert werden, wenn man zwischen der Auslassseite der Niederdruckturbine LT und der Auslassseite des Hochdruckkompressors HK einen Wärmeaustauscher R vorsieht. The system is provided with a combustion chamber B between the high-pressure compressor HK and the high-pressure turbine HT. In order to reduce the work of the high-pressure compressor HK, an intermediate cooler M is arranged between the two compressor stages LK and HK. The efficiency can be further improved if a heat exchanger R is provided between the outlet side of the low-pressure turbine LT and the outlet side of the high-pressure compressor HK.

Zur Regelung der Drehzahl der Niederdruckturbine LT und somit der Leistung des Niederdruckkompressors LK ist die Niederdruckturbine LT mit drehbaren Leitschaufeln V ausgerüstet. Diese Regelung wird im Zusammenhang mit Fig. 3 näher erklärt. To regulate the speed of the low-pressure turbine LT and thus the output of the low-pressure compressor LK, the low-pressure turbine LT is equipped with rotatable guide vanes V. This regulation is explained in more detail in connection with FIG. 3.

In Fig. 2 wird gezeigt, wie das Brennstoffventil BV der Brennkammer B einfach mittels eines Brennstoffreglers BR geregelt wird, auf dessen Eingangsseite ein gewünschter Temperaturwert TB eingestellt wird während die Brennkammertemperatur TB in der Brennkammer gemessen wird. Die Temperatur TB wird im allgemeinen als die höchst zulässige gewählt, d. h. z. Z. ca. 800—900° C, bei welcher man bei unterschiedlicher Belastung den besten Wirkungsgrad erhält. Eventuell kann TB jedoch etwas belastungsabhängig gemacht werden. 2 shows how the fuel valve BV of the combustion chamber B is simply controlled by means of a fuel regulator BR, on the input side of which a desired temperature value TB is set while the combustion chamber temperature TB is measured in the combustion chamber. The temperature TB is generally chosen as the highest allowable, i.e. H. e.g. Currently approx. 800-900 ° C, at which the best efficiency is obtained with different loads. However, TB can possibly be made somewhat dependent on the load.

Die Regelung der Leitschaufeln V geht aus Fig. 3 hervor. The regulation of the guide vanes V is shown in FIG. 3.

Die für die Anlage erforderliche Luftmenge wird von der erforderlichen Leistung No bestimmt und durch Einstellung der Drehzahl des Niederdruckkompressors LK erreicht. Der Sollwert No wird daher auf dem Leistungsregler RE eingestellt, dem auch die betreffende, vom Generator g abgegebene Leistung N zugeführt wird. In den Leistungsregler kann auch der Temperaturwert TB der Brennkammer eingespeist werden. Statt der gewünschten Leistung kann der Regler die gewünschte Frequenz oder Drehzahl regeln. The amount of air required for the system is determined by the required output No and is achieved by adjusting the speed of the low-pressure compressor LK. The setpoint No is therefore set on the power controller RE, to which the relevant power N output by the generator g is also supplied. The temperature value TB of the combustion chamber can also be fed into the power controller. Instead of the desired output, the controller can regulate the desired frequency or speed.

Das Signal von RE wird als Sollwert no dem Drehzahlregler Rn zugeführt, der über eine Verstellanordnung S den Einlasswinkel a an den Leitschaufeln V einstellt. Dem Regler The signal from RE is supplied as setpoint no to the speed controller Rn, which adjusts the inlet angle a on the guide vanes V via an adjustment arrangement S. The controller

3 3rd

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Rn wird auch die vorliegende Drehzahl n des Niederdruck-lcompressors LT zugeführt, welche man dem Tachometergenerator TG entnehmen kann. Rn the present speed n of the low-pressure compressor LT is also supplied, which can be seen in the tachometer generator TG.

Bei einem grösseren Leistungsbedarf wird der Winkel a vergrössert, wobei der Gasstrom zur Niederdruckturbine LT 5 tangentialer wird und gleichzeitig die Strömungsgeschwindigkeit aufgrund der Drosselung ansteigt. Dabei steigt die Drehzahl der Niederdruckturbine LT und die angesaugte Luftmenge und somit auch die Ausgangsleistung der ganzen Anlage an, da die grössere Luftmenge bei konstanter Tempera- 10 tur TB mehr Brennstoff erfordert. Die Einstellung der Leitschaufeln V ermöglicht daher eine schnelle und stabile Regelung der Turbinenleistung. With a greater power requirement, the angle a is increased, the gas flow to the low-pressure turbine LT 5 becoming more tangential and at the same time the flow speed increasing due to the throttling. The speed of the low-pressure turbine LT and the amount of air drawn in, and thus the output power of the entire system, increase because the larger amount of air requires more fuel at a constant temperature 10 TB. The setting of the guide vanes V therefore enables the turbine output to be regulated quickly and stably.

Wenn die Temperatur To der Eingangsluft für die Niederdruckturbine LT ansteigt, wird die einströmende Luft- 15 menge geringer. Dabei wird auch die gesamte durch die Anlage strömende Luft- und Gasmenge geringer, wobei auch die Niederdruckturbine LT eine kleinere Gasmenge erhält, was eine geringere Leistung zur Folge hat. When the temperature To of the inlet air for the low-pressure turbine LT rises, the inflowing air quantity decreases. The total amount of air and gas flowing through the system also becomes smaller, the low-pressure turbine LT also receiving a smaller amount of gas, which results in a lower output.

Dies bedeutet, dass die Drehzahl des Niederdruckkom- ,Q pressors LK sinkt, so dass die Luftmenge noch geringer wird. Der Verlauf wird kumulativ, und ein Temperaturanstieg der This means that the speed of the low pressure compressor Q compressor LK drops, so that the air volume is even lower. The course becomes cumulative, and the temperature rises

Aussenluft um 15° C hat entsprechend der Berechnung zur Folge, dass die Ausgangsleistung der Anlage auf weniger als die Hälfte absinkt. According to the calculation, outside air around 15 ° C means that the output power of the system drops to less than half.

Aus diesem Grunde erhält das Signal von RE gemäss der Erfindung einen Zusatz in Abhängigkeit von der Lufttemperatur To, so dass eine höhere Temperatur To eine höhere Drehzahl der Niederdruckturbine LT ergibt und der Niederdruckkompressor LK unabhängig von der Lufttemperatur die erforderliche Luftmenge liefert. For this reason, the signal from RE according to the invention receives an addition depending on the air temperature To, so that a higher temperature To results in a higher speed of the low-pressure turbine LT and the low-pressure compressor LK delivers the required amount of air regardless of the air temperature.

Ausserdem wird die Eingangstemperatur Tv des Kühlwassers für den Zwischenkühler M gemessen, und ein entsprechendes Signal wird zum Signal von RE addiert. Eine höhere Wassertemperatur ergibt nämlich eine grössere spezifische Arbeit des Niederdruckkompressors LK, was durch eine grössere Arbeitsentnahme von der Niederdruckturbine LT kompensiert werden muss. Eine höhere Wassertemperatur Tv verursacht daher einen Zusatz zum Eingangssignal an Rn, so dass die Drehzahl der Niederdruckturbine LT heraufgesteuert wird. In addition, the input temperature Tv of the cooling water for the intercooler M is measured, and a corresponding signal is added to the signal from RE. A higher water temperature results in a greater specific work of the low-pressure compressor LK, which has to be compensated for by a larger work removal from the low-pressure turbine LT. A higher water temperature Tv therefore causes an addition to the input signal at Rn, so that the speed of the low-pressure turbine LT is stepped up.

Hierdurch ermöglicht die Kombination des Zwischenkühlers M und der drehbaren Leitschaufeln V unter allen Verhältnissen eine stabile Regelung der Anlage. As a result, the combination of the intercooler M and the rotatable guide vanes V enables stable control of the system under all conditions.

M M

1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

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1. A gas turbine system comprising a low-pressure and a high-pressure compressor (LK, HK) connected downstream, a combustion chamber (B) and a high-pressure and a low-pressure turbine (HT, LT) connected downstream in a stage, 5 wherein the low-pressure turbine (LT) drives the low pressure compressor (LK) via a first shaft, while the high pressure turbine (HT) drives the high pressure compressor (HK)

drives via a second shaft and outputs the output power of the system, characterized in that the low-pressure turbine (LT) is equipped with rotatable guide vanes (V) which can be adjusted by a control unit (S) for controlling the speed of the low-pressure turbine (LT) are, and that between the low and the high pressure compressor (LK, HK) an intercooler (M) is arranged. 15

2. Gas turbine system according to claim 1, characterized in that between the high pressure compressor (HK) and the combustion chamber (B) a heat exchanger (R) is arranged, which is heated from the outlet side of the low pressure turbine (LT). 20th

2nd

PATENT CLAIMS

3. The method for operating the gas turbine system according to claim 1, characterized in that the guide vanes (V) by the control device (S) in dependence on the required output power (No) of the system and on the required input temperature (Tb) on the high-pressure turbine 25 ( HT) are adjusted, these parameters in turn depending on the relevant inlet temperatures (To, Ty) of the air for the low pressure compressor (LK) and the cooling water for the intercooler (M) the required speed (no) for the low pressure compressor (LK) be - 30 votes.