CH697807B1 - Verbrennungsgasturbinenvorrichtung mit Kühlung von Heissgaswegteilen durch von externem Verdichter zugeführtem Kühlmedium sowie Betriebsverfahren dazu. - Google Patents

Verbrennungsgasturbinenvorrichtung mit Kühlung von Heissgaswegteilen durch von externem Verdichter zugeführtem Kühlmedium sowie Betriebsverfahren dazu. Download PDF

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CH697807B1 CH01320/08A CH13202008A CH697807B1 CH 697807 B1 CH697807 B1 CH 697807B1 CH 01320/08 A CH01320/08 A CH 01320/08A CH 13202008 A CH13202008 A CH 13202008A CH 697807 B1 CH697807 B1 CH 697807B1
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Abstract

Eine stationäre Verbrennungsgasturbinenvorrichtung umfasst einen integrierten Verdichter (210); eine Turbinenkomponente (214) mit einer Brennkammer (212), welcher Druckluft (218) aus dem integrierten Verdichter (210) und Treibstoff (220) zugeführt werden; und einen Generator (232), der in Wirkbeziehung mit der Turbinenkomponente (214) verbunden ist, um Strom zu erzeugen; wobei Heissgasweg-Teile in der Turbinenkomponente (214) gänzlich oder mindestens teilweise durch Kühlluft (242, 244, 246) oder andere Kühlmedien gekühlt werden, die von einem externen Verdichter (236) zugeführt werden. Es wird auch ein Verfahren bereitgestellt, umfassend die Schritte des Zuführens von Druckluft (218) aus dem integrierten Verdichter (210) zur Brennkammer (212); und des Zuführens mindestens eines Teils der Kühlluft (242, 244, 246) oder anderer Kühlmedien aus einem externen Verdichter (236) zu den Heissgasweg-Teilen in der Turbinenkomponente (214).

Description

[0001] Diese Erfindung betrifft eine Verbrennungsgasturbinenvorrichtung und ein Verfahren zum Sicherstellen der Spitzenleistungsfähigkeit für ein stationäres Gasturbinenkraftwerk. Es wird die vermehrte Zuführung von Druckluft und/oder Kühlmedien zu einer Verbrennungsturbine durch einen separaten Verdichter beschrieben.
Stand der Technik
[0002] Die meisten Verbrennungsturbinen benutzen Luft, die von einer oder mehreren Stellen eines integrierten Verdichters (auch nachfolgend bezeichnet als Verdichterkomponente) entnommen wird, um die Kühlung und Dichtung in einer Turbinenkomponente zu gewährleisten. Luft, die zu diesem Zweck aus dem integrierten Verdichter entnommen wird, kann intern durch eine Bohrung eines Verdichterturbinenrotors oder andere geeignete interne Durchgänge zu Stellen im Turbinenabschnitt geleitet werden, die einer Kühlung und Dichtung bedürfen. Alternativ dazu kann Luft extern durch das Gehäuse des integrierten Verdichters und durch (relativ zum Gehäuse) externe Rohrleitungen zu den Stellen geleitet werden, die einer Kühlung und Dichtung bedürfen. Viele Verbrennungsturbinen verwenden eine Kombination aus der internen und externen Zuleitung von Kühl- und Dichtluft zu den Turbinenkomponenten. Einige Verbrennungsturbinen verwenden Wärmeaustauscher, um die durch die externen Rohrleitungen geleitete Kühl- und Dichtluft zu kühlen, bevor sie in die Turbinenkomponente eingeleitet wird.
[0003] Die Leistung oder Kapazität einer Verbrennungsturbine fällt gewöhnlich mit zunehmender Temperatur am Einlass der Verdichterkomponente ab. Das heisst, die Fähigkeit der Verdichterkomponente, dem Verbrennungsprozess und der nachfolgenden Expansion durch die Turbine Luft zuzuführen, wird mit zunehmender Verdichtereinlasstemperatur (die gewöhnlich auf eine erhöhte Umgebungstemperatur zurückzuführen ist) geringer. Deshalb sind die Turbinenkomponente und Verbrennungskomponente der Verbrennungsturbine gewöhnlich in der Lage, mehr Druckluft zu empfangen, als die Verdichterkomponente zuführen kann, wenn sie oberhalb einer bestimmten Einlasstemperatur betrieben werden.
Kurze Beschreibung der Erfindung
[0004] Die Erfindung betrifft eine stationäre Verbrennungsgasturbinenvorrichtung, umfassend: einen integrierten Verdichter; eine Turbinenkomponente; eine Brennkammer, welcher Druckluft aus dem integrierten Verdichter und Treibstoff zugeführt werden, wobei diese Brennkammer angeordnet ist, um der Turbinenkomponente heisse Verbrennungsgase zuzuführen; einen Generator, der in Wirkbeziehung mit der Turbinenkomponente verbunden ist, um Strom zu erzeugen; und einen externen Verdichter, der angeordnet und über Leitungen mit der Turbinenkomponente in Wirkbeziehung gekoppelt ist, um Heissgasweg-Teilen in der Turbinenkomponente Kühlluft oder andere Kühlmedien zuzuführen, wobei dieser externe Verdichter auch angeordnet und mit der Brennkammer verbunden ist, um Zerstäubungsluft zuzuführen, um den der Brennkammer zugeführten Treibstoff zu zerstäuben.
[0005] Die Erfindung kann auch in einem Verfahren zum Sicherstellen der Spitzenleistungsfähigkeit für ein stationäres Gasturbinenkraftwerk mit einer erfindungsgemässen stationären Verbrennungsgasturbinenvorrichtung ausgeführt werden, mit einem integrierten Verdichter, einer Turbinenkomponente, einer Brennkammer und einem Generator, wobei Teile des Heissgaswegs in der Turbinenkomponente durch Kühlluft gekühlt werden, wobei das Verfahren umfasst: a) das Zuführen von Druckluft aus dem integrierten Verdichter zur Brennkammer; b) das Zuführen von Kühlluft oder anderen Kühlmedien aus einem externen Verdichter zu den Heissgasweg-Teilen in der Turbinenkomponente; und c) das Zuführen von Druckluft aus dem externen Verdichter, um Treibstoff, der der Brennkammer zugeführt wird, zu zerstäuben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[0006] Diese und andere Aufgaben und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der gegenwärtig bevorzugten beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung hervor, in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen, wobei: <tb>Fig. 1<sep>ein schematisches Diagramm einer Kühlanordnung für eine Verbrennungsgasturbinenvorrichtung nach dem Stand der Technik ist; <tb>Fig. 2<sep>ein schematisches Diagramm einer anderen Kühlanordnung für eine Verbrennungsgasturbinenvorrichtung nach dem Stand der Technik ist; <tb>Fig. 3<sep>ein schematisches Diagramm noch einer anderen Kühlanordnung für eine Verbrennungsgasturbinenvorrichtung nach dem Stand der Technik ist; <tb>Fig. 4<sep>ein schematisches Diagramm einer weiteren Kühlanordnung für eine Verbrennungsgasturbinenvorrichtung nach dem Stand der Technik ist; <tb>Fig. 5<sep>ein schematisches Diagramm einer Kühlanordnung für eine Verbrennungsgasturbinenvorrichtung nach einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist; <tb>Fig. 6<sep>ein schematisches Diagramm einer Kühlanordnung für eine Verbrennungsgasturbinenvorrichtung nach einer anderen beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist; und <tb>Fig. 7<sep>ein schematisches Diagramm einer Kühlanordnung für eine Verbrennungsgasturbinenvorrichtung nach einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
[0007] Fig. 1 stellt eine konventionell gekühlte Verbrennungsgasturbinenvorrichtung mit einem integrierten Verdichter 10, einer Brennkammer 12 und einer Turbinenkomponente 14 (in Fig. 1bezeichnet als «Turbine» 14) dar. Der integrierte Verdichter 10, die Turbinenkomponente 14 und ein Generator 32 werden in einer Einwellenkonfiguration mit einer Einzelwelle 34 gezeigt, die auch den Generator 32 antreibt.
[0008] Einlassluft wird dem integrierten Verdichter 10 über den Strom 16 zugeführt. Verdichterluft wird von verschiedenen Stellen im Verdichter entnommen und den Stellen in der Turbinenkomponente 14 zugeführt, die einer Kühlung und Dichtung bedürfen. Die Entnahmestellen werden gewählt, um Luft bei den erforderlichen Drücken zuzuführen. Die Ströme 26, 28 und 30 stellen Kühlluftentnahmen aus dem integrierten Verdichter dar, die zur Turbinenkomponente 14 der Maschine geleitet werden, um Heissgasweg-Teile zu kühlen und zu dichten. Die Ströme 26 und 28, die jeweils ein Nieder- und Zwischendruck-Kühlmedium zuführen, können durch Rohrleitungen geleitet werden, die extern zum Gehäuse des integrierten Verdichters 10 sind, und durch das Turbinengehäuse wieder in die Abschnitte eingeleitet werden, die der Kühlung bedürfen. Der Strom 30 führt das Kühlmedium mit dem höchsten Druck zu und wird typischerweise innerhalb der Maschine geleitet, zum Beispiel durch die Bohrung des Verdichterturbinenrotors. Die restliche Druckluft wird einer Brennkammer 12 bei hohem Druck über den Strom 18 zugeführt, wo sie sich mit Treibstoff vermischt, der vom Strom 20 zugeführt wird.
[0009] Das heisse Verbrennungsgas wird der Turbinenkomponente 14 über den Strom 22 zugeführt. Ein Teil der Verdichterluft kann umgeleitet werden, um die Brennkammer 12 über den Strom 24 zu umgehen und in die heissen Verbrennungsgase eingeleitet zu werden, bevor sie in die Turbinenkomponente 14 eintreten.
[0010] Fig. 2 veranschaulicht ein Beispiel eines gekühlten Verbrennungsturbinensystems nach dem Stand der Technik, wobei die Zuführung von unter Druck gesetzter Kühlluft zu den Turbinenkomponenten unter Verwendung eines externen Verdichters erfolgt. Das gekühlte Verbrennungsturbinensystem von Fig. 2wird in der US-Patentschrift Nr. 6 389 793 offenbart, deren gesamte Offenbarung durch diese Bezugnahme hierin aufgenommen wird.
[0011] Der Einfachheit und Verständlichkeit halber werden für entsprechende Komponenten in Fig. 2die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 benutzt, jedoch mit einer davorstehenden Ziffer «1». Wie im konventionellen System, das oben beschrieben wurde, wird Einlassluft dem integrierten Verdichter 110 über den Strom 116 zugeführt. Druckluft wird der Brennkammer 112 über den Strom 118 zugeführt, wo sie sich mit Treibstoff vermischt, der der Brennkammer 112 über den Strom 120 zugeführt wird. Umgehungsluft kann den heissen Verbrennungsgasen über den Strom 124 zugeführt werden. Hier aber werden die jeweiligen Nieder-, Zwischen- und Hochdruck-Kühlluftströme 126, 128 und 130 (oder andere Kühlmedien) durch einen separaten externen Verdichter 136 erzeugt, der von einem Motor 138 angetrieben wird. In dieser Ausführungsform wird die Gesamtheit der Luft oder der anderen Kühlmedien vom externen Verdichter 136 zugeführt, wodurch im Verbrennungsprozess mehr Verbrennungsturbinenverdichterluft genutzt werden kann. Da der externe Verdichter 136 ausschliesslich dazu bestimmt sein kann, Kühlluft oder andere Kühlmedien zuzuführen, kann der Kühlbedarf der Turbinenkomponente 114 (in Fig. 2 bezeichnet als «Turbine» 114) ungeachtet von Schwankungen der Verdichter-Leistungsfähigkeit erfüllt werden, die auf erhöhte Umgebungstemperaturen zurückzuführen sind. Mit anderen Worten, weil der integrierte Verdichter 110 von der Kühlfunktion befreit ist, ist ausreichend Luft verfügbar, um die Leistungsfähigkeit der Brennkammer 112 und der Turbinenkomponente 114 zu gewährleisten, wodurch die Leistung erhöht wird.
[0012] Fig. 3 veranschaulicht eine Variante des Stands der Technik, wobei Kühlluft durch eine reine Vermehrungstechnik sowohl vom integrierten (Turbinen-)Verdichter 210 als auch von einem externen Verdichter 236 (der ein zwischengekühlter Verdichter sein kann) zugeführt wird. Mit anderen Worten, der externe Verdichter 236 wird verwendet, um die Druckluftversorgung vom integrierten Verdichter 210 zur Turbinenkomponente 214 (in Fig. 3 bezeichnet als «Turbine» 214) zu Kühl- und Dichtzwecken zu vermehren. Hier wird die Nieder-, Zwischen- und Hochdruck-Kühlluft vom integrierten Verdichter 210 über jeweilige Ströme 226, 228 und 230 zugeführt, aber bei Bedarf durch Kühlluft ergänzt, die über jeweilige Nieder- Zwischen- und Hochdruckströme 242, 244 und 246 vom externen Verdichter 236 zugeführt wird. Da die Kühlleistung durch den externen Verdichter 236 erhöht wird, wird die Druckluftversorgung der Brennkammer 212 aus dem integrierten Verdichter 210 erhöht, was zu einer erhöhten Leistungsabgabe führt.
[0013] Wie in Fig. 4 gezeigt, kann in einer anderen Variante des Stands der Technik Druckluft vom Strom 246 über eine Leitung 218 der Brennkammer zugeführt werden (statt dem Turbinenabschnitt über den Strom 230), um die Luftzufuhr aus dem integrierten Verdichter 210 zu erhöhen. Ansonsten ist die Anordnung in Fig. 4 mit der Anordnung in Fig. 3 identisch. Überdies kann die erhöhte Kühlmedien-Zufuhr zur Turbinenkomponente 214 (in Fig. 4 bezeichnet als «Turbine» 214) über die Ströme 242 und 244 abgesperrt werden, sodass der externe Verdichter die Luftzufuhr nur zur Brennkammer erhöht.
[0014] Es ist bekannt, dass die Befeuchtung der Kühlmedien zum separaten Luft/Kühlmedien-Versorgungssystem hinzugefügt werden kann. Ein geeignetes Befeuchtungsmittel verwendet einen Sättiger und Heisswasser, das durch Leerlauf- oder Primärenergie erwärmt wird. Die Feuchtigkeitseinleitung wird in Fig. 2, 3, und 4jeweils durch Ströme 140 bzw. 240 gezeigt. Es ist auch bekannt, dass Abwärme in Einkreis-Systemen leicht im Turbinenabgas verfügbar ist, um Wasser zu verdampfen, das dann in einen der Austrittsluftströme des externen Verdichters 136 oder 236 eingeleitet werden kann. Das Kühlmedienversorgungssystem kann den Durchfluss, den Druck, die Temperatur und Zusammensetzung der zugeführten Kühlmedien modulieren.
[0015] Die oben beschriebenen Systeme sorgen also für eine erhöhte Leistungsfähigkeit einer Gasturbine, vor allem, wenn die Umgebungstemperatur auf ein Niveau ansteigt, das einen geringeren Durchfluss durch den integrierten Turbinenverdichter 110 bzw. 210 bewirkt, was eine reduzierte Leistung zur Folge hat. Mit anderen Worten, wenn die Umgebungstemperatur steigt und der Luftstrom in den internen (Turbinen-)Verdichter 110 bzw. 210 abnimmt, kann der externe Verdichter 136 oder 236 eingesetzt werden, um die Leistung aufrechtzuerhalten oder zu erhöhen, indem die ganze oder zusätzliche Kühlluft (oder andere Kühlmedien) in einer Menge zugeführt wird, die notwendig ist, um den Kühlluftstrom zu den Heissgasweg-Teilen der Turbinenkomponente 114 bzw. 214 zu optimieren und/oder um den Strom an Luft oder anderen Kühlmedien zum Verbrennungsprozess zu erhöhen. Ferner kann in dieser Hinsicht durch Verwendung eines externen Verdichters 136 bzw. 236 ein Kühlluftstrom bereitgestellt werden, der grösser ist als der vom internen Turbinenverdichter 110 bzw. 210 verfügbare, weil nur ein kleiner Prozentsatz der Luft aus dem internen (Turbinen-)Verdichter 110 bzw. 210 für die Kühlfunktion verfügbar ist. Mit anderen Worten, in konventionellen Systemen wird die Kühlluftmenge durch die Kapazität des integrierten Verdichters 110 bzw. 210 begrenzt. Durch Zuführen von Kühlluft aus einem externen Verdichter 136 bzw. 236, wo die Gesamtheit der Luft oder anderen Kühlmedien für die Kühlfunktion genutzt werden kann, kann der interne (Turbinen-)Verdichter dem Verbrennungsprozess mehr Luft zuführen, wodurch die Turbinenleistung erhöht wird. Dies gilt unabhängig davon, ob der externe Verdichter 136, 236 allein oder in Verbindung mit dem internen (Turbinen-)Verdichter 110, 210 verwendet wird.
[0016] Dies will aber nicht heissen, dass an den oben beschriebenen Systemen keine weiteren Verbesserungen vorgenommen werden können. Tatsächlich betrifft die hierin offenbarte Erfindung zusätzliche Systemverbesserungen, die die erhöhte Zufuhr von Druckluft und/oder Kühlmedien über einen separaten Verdichter betreffen.
[0017] Typischerweise ist eine Gasturbine als Zweistoffeinheit konfiguriert. In dieser Hinsicht ist die Brennkammer vorgesehen, um entweder Erdgas- oder Öltreibstoff zu verbrennen. Für den korrekten Betrieb mit Öltreibstoff ist die Einheit konventionell mit einer Luftzerstäubungsvorrichtung (AA-Skid) ausgerüstet. Diese konventionelle Vorrichtung umfasst Hochdruckverdichter, die der Flüssigtreibstoffdüse Luft zuführen, um das Treibstoffspray zu zerstäuben. In den meisten Fällen wird der Öltreibstoff (und das AA-Skid) selten benutzt, z.B. bei einer notwendigen Wartung oder bei einer vorübergehenden Unterbrechung in der Gastreibstoffversorgung, oder wie durch Treibstoffkostenkompromisse bestimmt. Einer Ausführungsform der Erfindung gemäss, wie in Fig. 5veranschaulicht, stellt der externe Verdichter 236 nicht nur Kühlluft bereit, auf unabhängige Weise oder zur Vermehrung der internen Brennkammer- und eventuellen Leistungserhöhungsluft (wie oben Bezug nehmend auf Fig. 2–4beschrieben), sondern Druckluft 248 aus dem externen Verdichter 236 kann als Zerstäubungsluft genutzt werden, wodurch eine Luftzerstäubungsvorrichtung entfällt. In Anbetracht der beschränkten Nutzung von Öltreibstoff und somit der Zerstäubungsluft dafür werden beträchtliche Kapitalkosteneinsparungen erreicht, wenn die verdichtete Kühlluft bzw. Druckluft 248 zur Verwendung als Zerstäubungsluft aus dem externen Verdichter 236 geleitet wird.
[0018] Einem weiteren Merkmal der Erfindung gemäss kann ein externer Verdichter 236 als ein Mittel zur Erhöhung der Gasturbinen-Leistungsminderung verwendet werden. Die Leistungsminderung wird als die niedrigste Last definiert, bei welcher die Gasturbine unter Einhaltung der Emissionsgrenzwerte betrieben werden kann. Bei Dry Low NOx (DLN)-Brennkammern ist diese von der Brennkammeraustrittstemperatur abhängig. Unterhalb einer bestimmten Temperatur ist die vorgemischte Verbrennung nicht mehr möglich und die Brennkammer geht zu anderen Betriebsmodi über (Diffusionsverbrennung zum Beispiel). Diese nicht völlig vorgemischten Betriebsmodi haben viel höhere Emissionen zur Folge und verhindern aufgrund verschärfter Emissionsvorschriften den Betrieb der Einheit. Deshalb wäre es wünschenswert, die Brennkammeraustrittstemperatur bei der mindestmöglichen Last (bevorzugt bis zur lastfreien Höchstdrehzahl oder sogar bis zur rotierenden Reserve) über einer bestimmten Grenze zu halten. Wenn dies möglich wäre, würde der Betreiber einer Gasturbine über die grösste betriebstechnische Flexibilität verfügen. Im Stand der Technik wird die erweiterte Leistungsminderung zum Beispiel durch Reduktion der Einlass-Leitschaufeln durchgeführt. Auf diese Weise wird der Luftstrom zur Brennkammer verringert, und bei niedrigen Lasten können höhere Temperaturen aufrechterhalten werden. Die Grenze, bis zu welcher der Luftstrom verringert werden kann (unterhalb welcher der Verdichter nicht betrieben werden kann – es gibt auch mechanische Grenzen) beschränkt die Leistungsminderung. Nun ziehe man eine erfindungsgemässe Verbrennungsgasturbinenvorrichtung in Betracht, in welcher die Kühlluft vom externen Verdichter oder vom integrierten Verdichter zugeführt werden kann. Beim minimalen Luftdurchfluss des (integrierten) Verdichters wird der externe Verdichter abgeschaltet und der benötigte Kühlstrom wird (durch Einschalten eines Steuerventils) nun vom integrierten Verdichter zugeführt. Dies führt zu einer weiteren Verringerung des Brennkammer-Luftstroms bei konstantem Verdichterstrom. Dadurch kann bei niedrigeren Lasten eine erhöhte Brennkammeraustrittstemperatur aufrechterhalten werden, und die Leistungsminderung wird erhöht.
[0019] Ein anderes Verfahren nach dem Stand der Technik, um die Leistungsminderung zu erhöhen, ist der Luftablass (over board bleed – OBB). In diesem Fall wird die Leistungsminderung beim minimalen Luftdurchfluss des Verdichters erhöht, indem ein Teil der Druckluft in die Atmosphäre abgelassen wird, um den Luftstrom in die Brennkammer zu reduzieren und hohe Brennkammeraustrittstemperaturen zu ermöglichen. Dies erfolgt offensichtlich mit einem erheblichen Verlust für den Kunden, da Druckluft für den Zyklus verloren geht. Da davon auszugehen ist, dass die Verwendung der Zusatzluft zur Kühlung zu einer erhöhten Komplexität führen könnte, wird einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gemäss, die in Fig. 6 gezeigt wird, die verdichtete OBB-Luft 250 (die sonst an die Umgebung verloren wird) in einer externen Turbine 252 (mit einem Turbolader für Kraftfahrzeuge vergleichbar) expandiert, um einen Teil (oder die Gesamtheit) der Arbeit zu erzeugen, die zum Verdichten der Kühlluft im externen Verdichter 236 erforderlich ist. Ein Elektromotor 238 kann parallel dazu verwendet werden, um jedes Leistungsdefizit auszugleichen.
[0020] Als eine weitere Alternative zum Obigen wird der externe Verdichter 236 nur bei niedrigen Lasten verwendet, um Leistungsminderung zu erhöhen. Daher wird während des Normalbetriebs eine Konfiguration nach dem Stand der Technik wie in Fig. 2–4verwendet. Bei niedrigen Lasten wird dann OBB benutzt, um einen kleinen externen Verdichter 236 zur Bereitstellung der Kühlluft zu betreiben, wie in Fig. 6.
[0021] Einem weiteren Merkmal der Erfindung gemäss wird die externe Luft (zu allen Zwecken: Kühlung, Zerstäubungsluft, Leistungserhöhung usw.) von einem Speicherbehälter zugeführt. Dies würde enorme Flexibilitäts- und Optimierungsmöglichkeiten mit sich bringen. Zum Beispiel kann jede Art von Verdichter (einschliesslich Hubkolbenverdichter oder Mischkombinationen) verwendet werden, während die erforderlichen Parameter (Durchfluss, Druck, Temperatur, Gleichmässigkeit) an den Motorkanälen aufrechterhalten werden. Zudem könnte die Wirtschaftlichkeit eines Kraftwerks wesentlich erhöht werden. Es gibt viele Fälle, in denen Maschinen periodisch betrieben werden. Leistung wird bei Lastspitzen (gewöhnlich tagsüber) geschätzt, doch Kunden können nachts Überkapazitäten haben. Während der Zeit mit geringem Bedarf ist der Strompreis niedrig, oder die Kunden könnten das Stromnetz wechseln. Um die Spitzenzeiten und die Bedarfsschwankungen besser auszunutzen, entscheiden sich die meisten Kunden dafür, die Einheiten nachts mit Verlust in einem Parkmodus (bei niedrigstmöglicher Last – grösste Lastminderung) laufen zu lassen. Die Verwendung eines externen Verdichters mit einem Speichertank würde dem Kunden erlauben, die Zusatzkapazität zu nutzen, um die Luft zu erzeugen, die tagsüber benötigt wird und den Energieverbrauch im externen Verdichter während der Lastspitzenzeiten zu minimieren.
[0022] Daher wird einem weiteren Merkmal der Erfindung gemäss ein Druckluftspeicher- und -wiedergewinnungssystem bereitgestellt und umfasst in der in Fig. 7gezeigten Ausführungsform einen externen Verdichter 236, der von einem Elektromotor 238 angetrieben wird, um einen Druckluftspeicher 254 über eine Aufladestruktur 256 in Form einer Rohrleitung Druckluft zuzuführen.
[0023] Wie schematisch dargestellt, ist ein Auslass des Druckluftspeichers 254 mit den vom integrierten Verdichter 210 zur Turbinenkomponente 214 verlaufenden Kühlluftversorgungsleitungen 226, 228, 230 fluidgekoppelt. In der dargestellten Ausführungsform ist ein Ventil 258 zwischen einem Auslass des Druckluftspeichers 254 und den Versorgungsleitungen 226, 228, 230 vorgesehen.
[0024] Der Druckluftspeicher 254 kann eine unterirdische geologische Formation wie z.B. ein Salzdom, eine Salzablagerung, eine Wasserschicht sein oder aus hartem Gestein bestehen. Alternativ dazu kann der Druckluftspeicher 254 ein künstliches Druckgefäss sein, das überirdisch sein kann.
[0025] Wie in Fig. 7 gezeigt, kann ein Wärmeaustauscher 260 zwischen dem externen Verdichter 236 (oder Druckluftspeicher 254, je nachdem) und der Turbinenkomponente 210 vorgesehen sein, um die Temperatur des Kühlmediums zu regeln. Die Kühlleistung hängt vom Durchfluss und der Temperatur ab. Beim gleichen Durchfluss könnte die Kühlleistung erhöht werden, um niedrigere Temperaturen zu erreichen. Dies ermöglicht die Optimierung und Kompromisse zwischen dem Energieverbrauch, der Grösse des Verdichters, und dem variablen (reale Zyklusbedingungen) Kühlbedarf. Der Wärmeaustauscher 260 sollte mit geschlossenem oder offenem Regelkreis sein.
[0026] Auch wenn in den hierin beschriebenen Ausführungsformen nur eine Verbrennungsturbineneinheit gezeigt wird, versteht es sich, dass mehrere Verbrennungsturbineneinheiten vorgesehen und mit einem gemeinsamen externen Verdichter und/oder mit einem gemeinsamen Druckluftspeicher gekoppelt sein können, um den gewünschten Kühlluftstrom bereitzustellen und einen erhöhten Luftdurchfluss und/oder eine Leistungserhöhung bereitzustellen.
[0027] Auch wenn die Erfindung in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben wurde, die gegenwärtig als die praktischste und bevorzugte betrachtet wird, versteht es sich, dass die Erfindung sich nicht auf die offenbarte Ausführungsform einschränkt, sondern im Gegenteil verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen abdecken kann, die im Umfang der beiliegenden Ansprüche liegen.

Claims (10)

1. Stationäre Verbrennungsgasturbinenvorrichtung, umfassend: einen integrierten Verdichter (210); eine Turbinenkomponente (214); eine Brennkammer (212), welcher Druckluft (218) aus dem integrierten Verdichter (210) und Treibstoff (220) zugeführt werden, wobei diese Brennkammer (212) angeordnet ist, um der Turbinenkomponente (214) heisse Verbrennungsgase (222) zuzuführen; einen Generator (232), der in Wirkbeziehung mit der Turbinenkomponente (214) verbunden ist, um Strom zu erzeugen; und einen externen Verdichter (236), der angeordnet und über Leitungen mit der Turbinenkomponente (214) in Wirkbeziehung gekoppelt ist, um Heissgasweg-Teilen in der Turbinenkomponente (214) Kühlluft (242, 244, 246) oder andere Kühlmedien zuzuführen, wobei dieser externe Verdichter (236) auch mit der Brennkammer (212) verbunden ist, um Zerstäubungsluft (248) zuzuführen, um den Treibstoff (220), der der Brennkammer (212) zugeführt wird, zu zerstäuben.
2. Stationäre Verbrennungsgasturbinenvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der externe Verdichter (236) angeordnet und über eine Rohrleitung mit einer Speicherkammer (254) verbunden ist, um der Speicherkammer (254) Druckluft zur Speicherung dieser Druckluft zuzuführen, wobei ein Auslass dieser Speicherkammer (254) über Leitungen in Wirkbeziehung mit der Turbinenkomponente (214) gekoppelt ist, um diese Druckluft aus der Speicherkammer (254) den Heissgasweg-Teilen in der Turbinenkomponente (214) als Kühlmedium zuzuführen.
3. Stationäre Verbrennungsgasturbinenvorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Auslass der Speicherkammer (254) in Wirkbeziehung mit Kühlluftversorgungsleitungen (226, 228, 230) gekoppelt ist, die vom integrierten Verdichter (210) zur Turbinenkomponente (214) verlaufen.
4. Stationäre Verbrennungsgasturbinenvorrichtung nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, ausserdem umfassend einen Wärmeaustauscher (260) zwischen der Speicherkammer (254) und der Turbinenkomponente (214), um die Temperatur des Kühlmediums zu regeln.
5. Stationäre Verbrennungsgasturbinenvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, ausserdem umfassend ein Ventil (258) zwischen dem Auslass der Speicherkammer (254) und der Turbinenkomponente (214), um den Durchfluss des Kühlmediums aus der Speicherkammer (254) dorthin zu regeln.
6. Stationäre Verbrennungsgasturbinenvorrichtung nach Anspruch 1, ausserdem umfassend eine externe Turbine (252) zur Erzeugung mindestens eines Teils der Arbeit, die erforderlich ist, um die Kühlluft im externen Verdichter (236) zu verdichten, wobei der integrierte Verdichter (210) in Wirkbeziehung mit dieser externen Turbine (252) gekoppelt ist, um der externen Turbine (252) Druckluft (250) aus dem integrierten Verdichter (210) zuzuführen.
7. Stationäre Verbrennungsgasturbinenvorrichtung nach Anspruch 6, ausserdem umfassend einen Elektromotor (238), der mit der externen Turbine (252) in Reihe gekoppelt ist, um den externen Verdichter (236) zu betreiben.
8. Verfahren zum Sicherstellen der Spitzenleistungsfähigkeit für ein stationäres Gasturbinenkraftwerk mit einer stationären Verbrennungsgasturbinenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einem integrierten Verdichter (210), einer Turbinenkomponente (214), einer Brennkammer (212) und einem Generator (232), wobei Heissgasweg-Teile in der Turbinenkomponente (214) durch Kühlluft gekühlt werden, wobei das Verfahren umfasst: a) das Zuführen von Druckluft (218) aus dem integrierten Verdichter (210) zu dieser Brennkammer (212); b) das Zuführen von Kühlluft (242, 244, 246) oder anderer Kühlmedien aus einem externen Verdichter (236) zu den Heissgasweg-Teilen in der Turbinenkomponente (214); und c) das Zuführen von Druckluft (248) aus dem externen Verdichter (236), um Treibstoff (220), der der Brennkammer (212) zugeführt wird, zu zerstäuben.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt (b) das Zuführen von Druckluft aus dem externen Verdichter (236) zu einer Speicherkammer (254) und das Zuführen der Druckluft aus dieser Speicherkammer (254) zu den Heissgasweg-Teilen in der Turbinenkomponente (214) umfasst.
10. Verfahren nach Anspruch 9, ausserdem umfassend das Regeln der Temperatur der Druckluft, die der Turbinenkomponente (214) aus der Speicherkammer (254) zugeführt wird, mit einem Wärmeaustauscher (260), der zwischen der Speicherkammer (254) und der Turbinenkomponente (214) angeordnet ist.
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