CH628400A5

CH628400A5 - Gas turbine plant for very large load surges and method for its operation

Info

Publication number: CH628400A5
Application number: CH1405477A
Authority: CH
Inventors: Rolf Dipl Ing Kehlhofer
Original assignee: Bbc Brown Boveri & Cie
Priority date: 1977-11-17
Filing date: 1977-11-17
Publication date: 1982-02-26
Also published as: JPS5472311A; DE2756490A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasturbinenanlage für sehr grosse Lastsprünge, insbesondere für schwache elektrische Verbundnetze mit extrem starken, schnelle Laständerungen verursachenden Verbraucher, und ein Verfahren zu deren Betrieb. The present invention relates to a gas turbine system for very large load jumps, in particular for weak electrical interconnected networks with extremely strong consumers causing load changes, and a method for their operation.

Schwache Verbundnetze sind z. B. in unterentwickelten Gebieten recht häufig. Zu den Entwicklungsprojekten dieser Länder gehört aber u. a. auch der Bau von Stahlwerken, die leistungsfähige Verbraucher, wie Elektroofen, Walzwerke usw. aufweisen, die für diese schwachen Verbundnetze unzulässig grosse Lastsprünge verursachen. Es sind daher Netzsysteme erforderlich, die diesen extrem schnellen Laständerungen folgen können. Mit der vorliegenden Erfindung sollen die Nachteile der heute verfügbaren Gasturbinenanlagen für schwache Verbundnetze vermieden werden. Weak interconnected networks are e.g. B. quite often in underdeveloped areas. The development projects of these countries include a. also the construction of steelworks, which have powerful consumers, such as electric furnaces, rolling mills, etc., which cause inadmissible large jumps in load for these weak interconnected networks. Network systems that can follow these extremely rapid load changes are therefore required. The present invention is intended to avoid the disadvantages of the gas turbine systems available today for weak interconnected networks.

Die erfindungsgemässe Gasturbinenanlage weist einen Verdichter zur Lieferung der Verbrennungsluft für die Gasturbine und einen zwischen Verdichter und Gasturbine angeordneten Luftspeicher auf und ist dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter unabhängig von der Gasturbine durch einen Elektromotor antreibbar ist, der aus dem von der Gasturbinenanlage belieferten Stromnetz gespeist wird. The gas turbine system according to the invention has a compressor for supplying the combustion air for the gas turbine and an air reservoir arranged between the compressor and the gas turbine, and is characterized in that the compressor can be driven independently of the gas turbine by an electric motor which is fed from the power network supplied by the gas turbine system .

Zur Erhöhung des Anlagenwirkungsgrades kann der Gasturbine ein von deren Abgasen beheizter Abhitzekessel und eine von diesem Kessel gespeiste Dampfturbine mit einem Generator nachgeschaltet werden, der zur Speisung des Netzes beiträgt. To increase the system efficiency, the gas turbine can be followed by a waste heat boiler heated by its exhaust gases and a steam turbine fed by this boiler with a generator, which contributes to feeding the network.

Bei einer weiteren Variante ist ein Hilfskompressor vorgesehen, der zum Auffüllen des Luftspeichers mit einem höheren als dem vom Verdichter aufbringbaren Druck dient. In a further variant, an auxiliary compressor is provided, which is used to fill the air reservoir with a higher pressure than can be applied by the compressor.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist zwischen dem Verdichterund dessen Elektromotor eine lösbare Kupplung und zwischen dem Verdichter und der Gasturbine eine hydraulische Anfahrkupplung zum Hochfahren des Verdichters auf die Synchrondrehzahl des Elektromotors vorgesehen. In a further embodiment, a releasable clutch is provided between the compressor and its electric motor, and a hydraulic starting clutch is provided between the compressor and the gas turbine for ramping up the compressor to the synchronous speed of the electric motor.

Das Verfahren zum Betrieb der Gasturbinenanlage ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Deckung grosser positiver Lastsprünge der Elektromotor stillgesetzt oder seine Leistung reduziert wird und die Speisung der Gasturbine währenddessen aus dem Luftspeicher erfolgt. The method for operating the gas turbine system is characterized in that the electric motor is stopped or its power is reduced in order to cover large positive load jumps, and the gas turbine is supplied from the air reservoir in the meantime.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. In dieser stellen dar: Embodiments of the invention are described below with reference to the drawing. In this represent:

Fig. 1 eine Gasturbinenanlage, bei der der Verdichter durch Abschalten seines Antriebsmotors ausser Betrieb gesetzt werden kann, 1 shows a gas turbine system in which the compressor can be put out of operation by switching off its drive motor,

Fig. 2 eine Anlage gemäss Fig. 1 .jedoch mit einer von einem Abhitzekessel gespeisten Dampfturbine, 2 shows a system according to FIG. 1. However, with a steam turbine fed by a waste heat boiler,

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform der Anlage mit einem Hilfskompressor zur Füllung des Luftspeichers, und Fig. 3 shows another embodiment of the system with an auxiliary compressor for filling the air reservoir, and

Fig. 4 eine Ausführungsform der Anlage mit einem vom Antriebsmotor abkuppelbaren Verdichter. Fig. 4 shows an embodiment of the system with a compressor that can be uncoupled from the drive motor.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszahlen gleiche Elemente der verschiedenen Ausführungsformen. In the figures, the same reference numbers designate the same elements of the different embodiments.

In Fig. 1 bezeichnet 1 einen Luftverdichter, der von der Gasturbine 2 getrennt ist und seinen Antrieb von einem Elektromotor 3 erhält, der aus dem vom Generator 4 zu beliefernden Netz gespeist wird. Die vom Verdichter 1 gelieferte Luft wird in einen Luftspeicher 5 gedrückt, aus dem die Gasturbine 2 die Verbrennungsluft erhält. Mit 6 ist ein Absperr- oder Rückschlagventil mit 7 ein Abblaseventil für den Verdichter 1 bezeichnet, 8 und 9 sind vom Motor 3 kommende Signalleitungen zur Betätigung der Ventile 6 und 7, die bei stillgesetztem Motor 3 das Ventil 6 absperren und das Abblaseventil 7 öffnen, um ein Pumpen des Verdichters 1 zu verhindern. 10 ist die Brennkammer der Turbine 2. In FIG. 1, 1 denotes an air compressor which is separate from the gas turbine 2 and receives its drive from an electric motor 3 which is fed from the network to be supplied by the generator 4. The air supplied by the compressor 1 is pressed into an air reservoir 5, from which the gas turbine 2 receives the combustion air. With 6 a shut-off or check valve with 7 a blow-off valve for the compressor 1, 8 and 9 are signal lines coming from the engine 3 for actuating the valves 6 and 7, which shut off the valve 6 when the engine 3 is stopped and open the blow-off valve 7, to prevent the compressor 1 from pumping. 10 is the combustion chamber of the turbine 2.

Mit einer solchen Anlage können sehr grosse Lastsprünge bewältigt werden. Durch Abschalten des Antriebsmotors 3 des Verdichters 1 wird plötzlich eine hohe elektrische Leistung frei, die etwa gleich der eineinhalbfachen Nennleistung ist. Die Turbine wird dabei aus dem Speicher 5 weiterhin mit Verbrennungsluft versorgt und arbeitet daher mit konstanter Leistung weiter. With such a system, very large load changes can be mastered. By switching off the drive motor 3 of the compressor 1, a high electrical power is suddenly released, which is approximately equal to one and a half times the nominal power. The turbine is still supplied with combustion air from the store 5 and therefore continues to operate at constant power.

Gegenüber den bekannten Schaltungen hat diese Lösung den Vorteil, dass die Leistungserhöhung direkt netzseitig erfolgt und damit die doppelte Umwandlung von thermischer Energie in mechanische und dann in elektrische vermieden wird. Compared to the known circuits, this solution has the advantage that the power is increased directly on the network side, and thus the double conversion of thermal energy into mechanical and then into electrical is avoided.

Für die Gasturbine ergibt sich der Vorteil, dass sie unter etwa konstanter Last arbeiten kann, was sich in einer erhöhten Lebensdauer auswirkt. The advantage of the gas turbine is that it can work under approximately constant load, which results in an increased service life.

Die Fig. 2 zeigt das Schema eine solchen Anlage, bei der der thermische Wirkungsgrad noch durch einen der Gasturbine 2 nachgeschalteten, von deren Abgasen beheizten Abhitzekessel 11 und eine von diesem gespeiste Dampfturbine 12 erhöht wird. Die Dampfturbine 12 treibt einen Generator 13 an, der seinen Strom ebenfalls ins Verbundnetz liefert. Die auf diese Weise erzielbare Wirkungsgradsteigerung ist beträchtlich. FIG. 2 shows the diagram of such a system, in which the thermal efficiency is also increased by a gas turbine 2 connected downstream, the waste heat boiler 11 heated by its exhaust gases and a steam turbine 12 fed by the latter. The steam turbine 12 drives a generator 13, which also supplies its electricity to the network. The efficiency increase that can be achieved in this way is considerable.

Bei der Ausführung nach Fig. 3 ist ein Hilfskompressor 14 vorgesehen, der durch einen aus dem Netz gespeisten Elektromotor oder z. B. einem Dieselmotor angetrieben werden kann und der einen höheren Druck liefert als der Verdichter 1. Infolgedessen kann der Luftspeicher 5 kleiner ausgeführt werden als bei Speisung nur durch den Verdichter 1. Diese Variante hat den Vorteil, dass die Gasturbine auch bei längeren Betriebsphasen mit erhöhter Netzbelastung ohne Verdichter laufen kann, weil der Hilfskompressor weiterhin den Luftspeicher füllt, insbesondere bei netzunabhängigem Antrieb des Kompressors. In the embodiment according to FIG. 3, an auxiliary compressor 14 is provided, which is powered by an electric motor or z. B. can be driven by a diesel engine and which delivers a higher pressure than the compressor 1. As a result, the air reservoir 5 can be made smaller than when fed only by the compressor 1. This variant has the advantage that the gas turbine also with longer periods of operation with increased Mains load can run without a compressor because the auxiliary compressor continues to fill the air reservoir, especially when the compressor is driven independently of the mains.

Bei dieser Anordnung ist noch ein weiteres Absperrventil In this arrangement there is still another shut-off valve

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

628400 628400

15 vorgesehen, mit dem bei laufendem Verdichter 1 der Luftspeicher 5 abgesperrt und unabhängig vom Luftbedarf der Turbine 2 auf Vorrat aufgeladen werden kann. Die Steuerung dieses Ventils erfolgt über eine Signalleitung 16, die auf die Druckverhältnisse in der Luftleitung zwischen Verdichter und Turbine anspricht. 15 is provided, with which the air accumulator 5 can be shut off while the compressor 1 is running and can be charged independently of the air requirement of the turbine 2. This valve is controlled via a signal line 16, which responds to the pressure conditions in the air line between the compressor and the turbine.

Die Fig. 4 zeigt eine Anlage, bei der der Verdichter 1 über eine mechanisch oder elektromagnetisch betätigbare Kupplung 17 mit dem Elektromotor 3 in Antriebsverbindung gebracht bzw. von diesem abgekuppelt werden kann. Dadurch erübrigt sich das Stillsetzen des Motors bei einem Lastsprung, da dieser nach dem Abkuppeln des Verdichters im Leerlauf mit geringer Leistungsaufnahme dreht. 4 shows a system in which the compressor 1 can be brought into drive connection with the electric motor 3 via a mechanically or electromagnetically actuated coupling 17 or can be uncoupled from the latter. This eliminates the need to stop the engine in the event of a load step, since this turns after idling the compressor at idle with low power consumption.

Die hydraulische Kupplung 18 ist während des Verdichterbetriebs ausser Funktion, d. h. sie ist entleert, und es besteht keine Antriebsverbindung zwischen Gasturbine und Verdichter. Nach Rückgang der Lastspitze wird der Verdichter durch Füllen der hydraulischen Kupplung mit Schlupf an die Gasturbine angekuppelt und allmählich auf die Synchrondrehzahl des Motors 3 hochgefahren und mittels der Kupplung 17 an diesen starr angekuppelt, worauf die Antriebsverbindung zwischen Gasturbine und Verdichter durch Entleeren der Kupplung 18 wieder aufgehoben wird. The hydraulic clutch 18 is inoperative during compressor operation, i. H. it is emptied and there is no drive connection between the gas turbine and the compressor. After the peak load has decreased, the compressor is coupled to the gas turbine by filling the hydraulic clutch with slip and gradually raised to the synchronous speed of the engine 3 and rigidly coupled to the engine 3 by means of the clutch 17, whereupon the drive connection between the gas turbine and the compressor is emptied by emptying the clutch 18 will be annulled.

Eine weitere Möglichkeit, die Leistung des Verdichters zu reduzieren, besteht im Verstellen der Leitschaufeln bzw. im Another way to reduce the performance of the compressor is to adjust the guide vanes or

Öffnen des Abblasesignals 7. Von dieser Möglichkeit wird man aber vorzugsweise nur bei kurzzeitig auftretenden Lastspitzen Gebrauch machen. Opening the blow-off signal 7. However, this option is preferably only used when the load peaks occur briefly.

Bezeichnungsliste Label list

1 = Luftverdichter 1 = air compressor

2 = Gasturbine 2 = gas turbine

3 = Elektromotor 3 = electric motor

4 = Generator 4 = generator

5 = Luftspeicher 5 = air storage

6 = Absperr- oder Rückschlagventil 6 = shut-off or check valve

7 = Abblaseventil 7 = relief valve

8 = Signalleitung 8 = signal line

9 = Signalleitung 9 = signal line

10 = Brennkammer 10 = combustion chamber

11 = Abhitzekessel 11 = waste heat boiler

12 = Dampfturbine 2o 13 = Generator 12 = steam turbine 2o 13 = generator

14 = Hilfskompressor 14 = auxiliary compressor

15 = Absperrventil 15 = shut-off valve

16 = Signalleitung 16 = signal line

17 = Ausrückbare Kupplung 25I8 = Hydraulische Kupplung 17 = disengageable clutch 25I8 = hydraulic clutch

10 10th

Ì5 Ì5

2 Blatt Zeichnungen 2 sheets of drawings

Claims

628 400

1. Gas turbine system for very large load steps, with a compressor for supplying the combustion air for the gas turbine and an air reservoir arranged between the compressor and the gas turbine, characterized in that the compressor (1) can be driven independently of the gas turbine (2) by an electric motor (3) which is fed from the power grid supplied by the gas turbine system.

2. Gas turbine system according to claim 1, characterized by a from the exhaust gases of the gas turbine (2) fired waste heat boiler (11) and a steam turbine fed by this waste heat boiler (12) with a generator (13) which contributes to the supply of the network.

2nd

PATENT CLAIMS

3. Gas turbine system according to claim 1 or 2, characterized by an auxiliary compressor (14) for filling the air reservoir (5) with a higher than the pressure that can be applied by the compressor (1).

4. Gas turbine system according to claim 1 or 2, characterized by a releasable coupling (17) between the compressor (1) and the electric motor (3) and a hydraulic starting clutch (18) between the compressor (1) and the gas turbine (2).

5. Gas turbine system according to claim 1, characterized by adjustable guide vanes in the compressor (1) and a relief valve (7) at the outlet of the compressor, the reduction in power consumption of the motor (3) being carried out by adjusting the guide vanes and opening the relief valve.

6. The method for operating the gas turbine system according to claim 1, characterized in that in order to cover large positive jumps in load, the electric motor (3) is stopped or its power is reduced and the gas turbine is fed from the air reservoir.