DE10048789A1

DE10048789A1 - High load flow machine such as gas turbine has booster fan in exhaust channel between exhaust turbine and turbine stage

Info

Publication number: DE10048789A1
Application number: DE2000148789
Authority: DE
Inventors: Erhard Liebig
Original assignee: Alstom Schweiz AG
Current assignee: General Electric Switzerland GmbH
Priority date: 2000-10-02
Filing date: 2000-10-02
Publication date: 2002-04-18

Abstract

The flow machine has one or more exhaust gas turbines (5) driven by the kinetic energy of the exhaust gases passing through the exhaust gas channel (3) of the flow machine. There are one or more booster fans (4) in the exhaust gas channel, by which the exhaust gas turbines are driven, increasing the power of the flow machine.

Description

Technical application area

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Strömungs maschine sowie ein Verfahren zur Leistungssteigerung einer Strömungsmaschine, bei der sich an eine Turbinen stufe direkt oder über Zwischenelemente ein Abgaskanal anschließt, an dessen ausgangsseitigem Ende ein oder mehrere Abgasturbinen angeordnet sind, die durch die kinetische Energie von aus dem Abgaskanal ausströmenden Abgasen antreibbar ausgestaltet sind.The present invention relates to a flow machine and a method for increasing performance a turbomachine that is attached to a turbine stage an exhaust duct directly or via intermediate elements connects, at its output end an or several exhaust gas turbines are arranged by the kinetic energy from flowing out of the exhaust duct Exhaust gases are designed to be drivable.

Die vorliegende Erfindung ist dabei insbesondere zur Steigerung der Leistung von Gasturbinenanlagen oder Kombianlagen geeignet.The present invention is particular to increase the performance of gas turbine plants or Combination systems suitable.

State of the art

Zur Steigerung des Wirkungsgrades oder der Leistung von Gasturbinenanlagen sind unterschiedliche Techniken bekannt. Bei vielen bekannten Verfahrens techniken werden die aus der Turbine austretenden heißen Abgase einer Wärmerückgewinnungsstufe zugeführt, um die in den Abgasen noch enthaltende Wärmeenergie auszunutzen. Mit dieser Wärmeenergie kann beispiels weise eine Vorwärmung von in die Brennkammer ein tretenden Arbeitsmitteln oder die Erzeugung von Dampf für den Antrieb einer zusätzlichen Dampfturbine realisiert werden. To increase efficiency or Performance of gas turbine plants are different Techniques known. In many known processes techniques are those emerging from the turbine hot exhaust gases are fed to a heat recovery stage, the thermal energy still contained in the exhaust gases exploit. With this thermal energy, for example instruct a preheating in the combustion chamber kicking work equipment or the production of steam for driving an additional steam turbine will be realized.

Eine Möglichkeit zur Leistungssteigerung einer Gasturbinenanlage besteht in der Anordnung von einem oder mehreren Booster-Gebläsen im Abgaskanal der Gas turbine. Diese so genannten Exhaust-Gas-Booster führen zu einer Absenkung des Druckes im Abgaskanal und somit zu einer Vergrößerung des Expansionsgefälles der aus der Turbine austretenden Heißgase. Diese Vergrößerung des Expansionsgefälles führt zu einer Leistungs steigerung der Gasturbinenanlage.One way to increase performance Gas turbine plant consists of the arrangement of one or several booster blowers in the exhaust duct of the gas turbine. These so-called exhaust gas boosters perform to lower the pressure in the exhaust duct and thus to widen the expansion gap from the hot gases escaping from the turbine. This enlargement the expansion gap leads to a performance increase in the gas turbine plant.

Die Booster-Gebläse müssen hierbei allerdings durch gesonderte elektrische Antriebe angetrieben werden. Sie können insbesondere in Spitzenlastzeiten sowie bei Notwendigkeit der Bereitstellung einer zusätzlichen Reserveleistung zugeschaltet werden. Weiterhin dienen sie zur Verringerung von Abgasdruck verlusten in Zusammenhang mit dem Einsatz von Abhitze kesseln, Katalysatoren u. ä. Mit derartigen Booster- Systemen lässt sich jedoch der Wirkungsgrad der Gasturbinenanlage aufgrund der Notwendigkeit des zusätzlichen elektrischen Antriebes nicht wesentlich verbessern.The booster blowers have to be used driven by separate electric drives become. You can especially during peak periods as well as when it is necessary to provide one additional reserve power can be switched on. They also serve to reduce exhaust gas pressure losses related to the use of waste heat boilers, catalysts u. With such booster However, the efficiency of the Gas turbine plant due to the need of additional electric drive is not essential improve.

Eine weitere Technik zur Steigerung des Wirkungs grades bzw. der Leistung einer Gasturbinenanlage nutzt die in den Abgasen enthaltene kinetische Energie, um zusätzliche elektrische Energie bereitzustellen. Hierbei wird am Ende des Abgaskanals, der in der Regel als Abgaskamin ausgestaltet ist, eine Windturbine angebracht, die durch die austretende Abgasströmung angetrieben wird. Die Austrittsgeschwindigkeit der Abgase liegt bei bekannten Gasturbinenanlagen in der Regel zwischen (10)15 und 20(30) m/s. Diese durch die Abgase angetriebene Abgasturbine bzw. Windturbine ist mit einem Generator verbunden, um hierdurch elektrische Energie bereitzustellen. Mit einer derartigen Zusatz einrichtung lassen sich somit die elektrische Leistung und auch der Wirkungsgrad einer Gasturbinenanlage steigern.Another technique for increasing the efficiency or performance of a gas turbine system uses the kinetic energy contained in the exhaust gases to provide additional electrical energy. Here, a wind turbine is attached to the end of the exhaust gas duct, which is usually designed as an exhaust gas chimney, which is driven by the exiting exhaust gas flow. The exit velocity of the exhaust gases in known gas turbine systems is generally between ( 10 ) 15 and 20 ( 30 ) m / s. This exhaust gas turbine or wind turbine, which is driven by the exhaust gases, is connected to a generator in order to thereby provide electrical energy. With such an additional device, the electrical power and the efficiency of a gas turbine system can thus be increased.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Strömungsmaschine sowie ein Verfahren zur Leistungssteigerung einer Strömungsmaschine, insbeson dere einer Gasturbinenanlage, anzugeben, welche bei geringem Aufwand und ohne zusätzlichen Energieeinsatz auch einen erhöhten Wirkungsgrad ermöglichen.The object of the present invention is therein, a fluid machine and a method for Performance increase of a turbomachine, in particular of a gas turbine plant, to indicate which at little effort and without additional energy input also enable increased efficiency.

Presentation of the invention

Die Aufgabe wird mit der Strömungsmaschine gemäß Patentanspruch 1 bzw. mit dem Verfahren gemäß Patent anspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Strömungsmaschine sind Gegenstand der Unteransprüche.The task is performed using the fluid machine Claim 1 or with the method according to patent Claim 6 solved. Advantageous embodiments of the Fluid flow machines are the subject of the dependent claims.

Die erfindungsgemäße Strömungsmaschine weist sowohl ein oder mehrere Abgasturbinen als auch ein oder mehrere Booster-Gebläse auf, die über die ein oder mehreren Abgasturbinen angetrieben werden. Die Abgasturbinen sind hierbei derart ausgestaltet und dimensioniert, dass sie am Austritt der Abgase aus dem Abgaskanal einer Strömungsmaschine anbringbar sind und durch die ausströmenden Abgase angetrieben werden können. Die ein oder mehreren Booster-Gebläse sind für den Einbau in den Abgaskanal der Strömungsmaschine ausgebildet. The turbomachine according to the invention has both one or more exhaust gas turbines and one or several booster blowers on one or the other several exhaust gas turbines are driven. The Exhaust gas turbines are designed in this way and dimensioned so that they exit the exhaust gases from the Exhaust gas duct of a turbomachine can be attached and are driven by the exhaust gases flowing out can. The one or more booster blowers are for installation in the exhaust duct of the turbomachine educated.

Durch die Kombination von Abgasturbinen mit Booster-Gebläsen kann eine permanente Leistungs steigerung bzw. Wirkungsgraderhöhung der Strömungs maschine erreicht werden, ohne zusätzliche externe Energie oder durch die Turbinenstufe erzeugte Leistung für die Booster-Gebläse aufbringen zu müssen. Die vor liegende Kombination der beiden Komponenten, der Abgas- bzw. Windturbine und des Exhaust-Gas-Boosters, wurde bisher im Stand der Technik nicht in Erwägung gezogen. Beide Komponenten dienten bei bekannten Anwendungen unterschiedlichen Anwendungszwecken und wurden daher jeweils nur einzeln und unabhängig voneinander einge setzt. Mit der vorliegenden Kombination, bei der die Booster-Gebläse durch die Abgasturbine angetrieben werden, lässt sich in vorteilhafter Weise eine Leistungs- und Wirkungsgraderhöhung der Strömungs maschine, insbesondere einer Gasturbinenanlage, bei gleichzeitiger Kostenreduktion erreichen.By combining exhaust gas turbines with Booster blowers can be a permanent performance increase or increase in efficiency of the flow machine can be achieved without additional external Energy or power generated by the turbine stage for the booster blowers. The before lying combination of the two components, the exhaust gas or wind turbine and the exhaust gas booster not previously considered in the prior art. Both components were used in known applications different uses and were therefore only individually and independently of each other puts. With the present combination, in which the Booster blower driven by the exhaust gas turbine can be an advantageous Increased performance and efficiency of the flow machine, especially a gas turbine plant, at achieve simultaneous cost reduction.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Strömungsmaschine werden die Booster- Gebläse durch mechanische Kopplung mit den Abgas turbinen angetrieben. Die mechanische Kopplung wird vorzugsweise durch eine gemeinsame Welle oder ein Getriebe realisiert. Erforderlichenfalls kann zwischen Abgasturbine und Booster-Gebläse eine Kupplung zum Einsatz kommen. Durch diese sehr vorteilhafte Ausgestaltung ist kein Generator mehr erforderlich, über den die Windturbine elektrische Leistung erzeugen muss. Weiterhin fallen die elektrischen Antriebe und die elektrische Anspeisung für die Booster-Gebläse sowie die erforderlichen Regelungen weg. Diese bevorzugte Ausgestaltung bringt somit eine deutliche Einsparung an elektrischen Komponenten und eine Vereinfachung der Betriebsweise einer derartigen Anordnung. Die Booster-Gebläse werden hierbei direkt durch die Rotation der Wind- bzw. Abgasturbine angetrieben.In a particularly advantageous embodiment In this turbomachine, the booster Blower through mechanical coupling with the exhaust gas turbines driven. The mechanical coupling is preferably by a common shaft or a Gearbox realized. If necessary, can be between Exhaust gas turbine and booster blower a clutch for Come into play. Through this very beneficial No generator is required anymore, through which the wind turbine generates electrical power got to. Furthermore, the electric drives and the electrical supply for the booster blowers as well as the necessary regulations away. This preferred embodiment thus brings a clear Saving on electrical components and one Simplify the operation of such Arrangement. The booster blowers become direct by the rotation of the wind or exhaust gas turbine driven.

Bei der erfindungsgemäßen Strömungsmaschine sind die ein oder mehreren die Abgasturbinen am ausgangs seitigen Ende des Abgaskanals vorgesehen. Die ein oder mehreren Booster-Gebläse sind zwischen der(den) Abgasturbine(n) und der Turbinenstufe im Abgaskanal angeordnet. Hierbei können zwischen den Booster- Gebläsen und der Turbinenstufe Zwischenelemente, insbesondere eine Stufe zur Wärmerückgewinnung, wie beispielsweise ein Abhitzekessel, vorgesehen sein.In the turbomachine according to the invention the one or more exhaust gas turbines at the exit provided end of the exhaust duct. The one or several booster blowers are between the Exhaust gas turbine (s) and the turbine stage in the exhaust gas duct arranged. Here you can choose between the booster Blowers and the turbine stage intermediate elements, especially a stage for heat recovery, such as for example, a waste heat boiler may be provided.

Es versteht sich von selbst, dass die vorliegende Kombination von Abgasturbinen mit Booster-Gebläsen nicht nur bei Gasturbinenanlagen, sondern auch bei anderen Strömungsmaschinen einsetzbar ist. Der sonstige Aufbau der Strömungsmaschinen vor Eintritt der heißen Gase in die Turbinenstufe ist hierbei unterheblich.It goes without saying that the present Combination of exhaust gas turbines with booster fans not only in gas turbine plants, but also in other flow machines can be used. The other Construction of the turbomachines before the hot ones Gases in the turbine stage are negligible.

Brief description of the drawings

Die vorliegende Strömungsmaschine wird nachfolgend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Figur nochmals kurz erläutert.The present fluid machine is as follows without restricting the general idea of the invention using an exemplary embodiment in connection with the Figure briefly explained again.

Die einzige Figur zeigt hierbei schematisch eine Gasturbinenanlage, bei der die vorliegende Kombination von Abgasturbinen mit Booster-Gebläsen eingebaut ist. The only figure shows schematically one Gas turbine plant in which the present combination of exhaust gas turbines with booster fans.

Ways of Carrying Out the Invention

Die Figur zeigt eine Gasturbinenanlage 1, die in üblicher Weise eine Kompressionsstufe 1a, eine Brenn kammer 1c sowie eine Turbinenstufe 1b aufweist. Dieser Aufbau ist dem Fachmann bekannt und in der Figur nicht im Detail dargestellt.The figure shows a gas turbine system 1 , which has a compression stage 1 a, a combustion chamber 1 c and a turbine stage 1 b in the usual manner. This structure is known to the person skilled in the art and is not shown in detail in the figure.

Die Verbrennungsgase werden über den Ansaugkanal 7 angesaugt, in der Kompressionsstufe 1a komprimiert und anschließend mit Brennstoff vermischt. Nach der Verbrennung des Luft-Brennstoff-Gemisches in der Brennkammer 1c strömen die komprimierten heißen Abgase durch die Turbinenstufe 1b und treiben diese unter Expansion zur Energieerzeugung an. Nach Austritt der heißen Abgase aus der Turbinenstufe 1b werden sie im vorliegenden Beispiel durch einen Abhitzekessel 2 geführt, in dem den heißen Abgasen Wärme zur Erzeugung von Dampf entzogen wird. Dieser Heißdampf kann zum Antrieb einer hier nicht dargestellten Dampfturbine eingesetzt werden. Im Anschluss an den Abhitzekessel 2 schließt sich der Abgaskanal 3 an, über den die Abgase in die Atmosphäre entlassen werden. Der Abgaskanal 3 ist im vorliegenden Fall als Kamin ausgestaltet, an dessen Ausgang die Abgasturbine 5 angeordnet ist. Diese Abgasturbine 5 ist in Form einer Windturbine ausge staltet, wie sie aus dem Bereich der Windkrafterzeugung bekannt ist. Sie wird durch die aus dem Kamin aus strömenden Abgase angetrieben, die eine hohe kinetische Energie aufweisen. Die Abgasturbine 5 sitzt auf einer gemeinsamen Welle 6 mit einem Exhaust-Gas-Booster 4, der innerhalb des Kamins 3 angeordnet ist.The combustion gases are drawn in via the intake duct 7 , compressed in the compression stage 1 a and then mixed with fuel. After the combustion of the air-fuel mixture in the combustion chamber 1 c, the compressed hot exhaust gases flow through the turbine stage 1 b and drive them under expansion to generate energy. After exiting the hot exhaust gases from the turbine stage 1 in which the hot exhaust gases is deprived of heat to generate steam to be led b in the present example by a waste heat boiler 2,. This superheated steam can be used to drive a steam turbine, not shown here. The exhaust gas duct 3 is connected to the waste heat boiler 2 , via which the exhaust gases are released into the atmosphere. The exhaust duct 3 is designed in the present case as a chimney, at the outlet of which the exhaust gas turbine 5 is arranged. This exhaust gas turbine 5 is designed in the form of a wind turbine, as is known from the field of wind power generation. It is driven by the exhaust gases flowing out of the chimney, which have a high kinetic energy. The exhaust gas turbine 5 sits on a common shaft 6 with an exhaust gas booster 4 which is arranged inside the chimney 3 .

Die über den Kamin 3 austretenden Abgase geben somit einen Teil ihrer kinetischen Energie an die Abgasturbine 5 ab. Durch die Rotation der Abgasturbine 5 wird über die Welle 6 das Booster-Gebläse 4 ange trieben, das eine Erhöhung des Expansionsgefälles über der Turbinenstufe 1b erzeugt und somit eine Leistungs steigerung der Gasturbinenanlage bewirkt. Hierbei muss keine von der Turbinenstufe bereitgestellte Leistung abgezweigt werden.The exhaust gases emerging via the chimney 3 thus release part of their kinetic energy to the exhaust gas turbine 5 . By the rotation of the exhaust turbine 5, the booster fan 4 is driven via the shaft 6 is that produces an increase of the expansion gap over the turbine stage b 1 and thus a power increase causes the gas turbine plant. No power provided by the turbine stage has to be branched off here.

Durch diese Ausgestaltung lässt sich auf einfache Weise ohne zusätzliche elektrische Antriebe oder Generatoren eine Leistungs- und Wirkungsgradsteigerung der Gasturbinenanlage erreichen.This configuration makes it easy to Way without additional electric drives or Generators an increase in performance and efficiency reach the gas turbine plant.

Selbstverständlich können parallel mehrere Abgas turbinen 5 mehrere Booster-Gebläse 4 antreiben. Auch können über zwischengeschaltete Getriebe durch eine Abgasturbine 5 mehrere Booster-Gebläse 4 bzw. durch mehrere Abgasturbinen 5 ein Booster-Gebläse 4 angetrieben werden. Hinsichtlich der Kombinationen von Abgasturbinen 5 und Exhaust-Gas-Boostern 4 gibt es keinerlei Einschränkungen. Of course, several exhaust gas turbines 5 can drive several booster blowers 4 in parallel. Also, several booster blowers 4 can be driven by an exhaust gas turbine 5 or a booster blower 4 can be driven by several exhaust gas turbines 5 via interposed gearboxes. There are no restrictions with regard to the combinations of exhaust gas turbines 5 and exhaust gas boosters 4 .

LIST OF REFERENCE NUMBERS

11

Gasturbinenanlage
Gas turbine plant

11

a Kompressionsstufe
a compression level

11

b Turbinenstufe
b turbine stage

11

c Brennkammer
c combustion chamber

22

Abhitzekessel
waste heat boiler

33

Abgaskanal, Kamin
Exhaust duct, fireplace

44

Exhaust-Gas-Booster, Booster-Gebläse
Exhaust gas booster, booster blower

55

Abgasturbine, Windturbine
Exhaust gas turbine, wind turbine

66

gemeinsame Welle
common wave

77

Ansaugkanal
intake port

Claims

1. turbomachine, in which a turbine stage ( 1 b) directly or via intermediate elements ( 2 ) is connected to an exhaust gas duct ( 3 ), at the output end of which one or more exhaust gas turbines ( 5 ) are arranged, which are caused by the kinetic energy of from the exhaust gas passage (3) outflowing exhaust gases are configured drivable, characterized in that in the exhaust passage (3) between the (the) exhaust gas turbine (s) (5) and the turbine stage (1 b) one or more booster blowers (4) are arranged, which are driven by the exhaust gas turbine (s) ( 5 ).

2. Turbomachine according to claim 1, characterized in that the one or more booster blowers ( 4 ) are mechanically coupled to the exhaust gas turbine (s) ( 5 ).

3. Turbomachine according to claim 1 or 2, characterized in that the one or more booster blowers ( 4 ) are connected to the exhaust gas turbine (s) by a shaft ( 6 ) with or without a gear.

4. Turbomachine according to one of claims 1 to 3, characterized in that one or more couplings are provided between the one or more booster fans ( 4 ) and the exhaust gas turbine (s) ( 5 ).

5. Fluid machine according to one of claims 1 to 4, characterized in that between the exhaust duct ( 3 ) and the turbine stage ( 1 b), a heat recovery system ( 2 ) is provided as an intermediate element.

6. Method for increasing the performance of a turbomachine, in which one or more exhaust gas turbines ( 5 ) are arranged at an output-side end of an exhaust gas duct ( 3 ), which adjoins a turbine stage ( 1 b) directly or via intermediate elements ( 2 ), and in the Exhaust duct ( 3 ) between the (the) exhaust turbine (s) ( 5 ) and the turbine stage ( 1 b) one or more booster blowers ( 4 ) are introduced, the booster blower ( 4 ) through the exhaust gas turbine (n ) ( 5 ) are driven.