DE102004040183A1

DE102004040183A1 - Gasturbine mit partieller Rekueration sowie Verfahren zum Betreiben einer Gasturbinenanordnung

Info

Publication number: DE102004040183A1
Application number: DE102004040183A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr. Döbbeling
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2004-03-30
Filing date: 2004-08-19
Publication date: 2005-12-15

Abstract

Beschrieben wird eine Gasturbinenanordnung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine mit wenigstens einer Verdichter-, einer Brenner-, einer Trubineneinheit sowie einem Wärmetauscher, einem so genanntne Rekuperator, durch den sowohl wenigstens Teil der aus der Turbineneinheit austretenden Abgase als auch aus der Verdichtereinheit austretende Verdichterendluft führbar sind. DOLLAR A Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens eine erste und eine zweite Ableitung vorgesehen sind, durch die die aus der Verdichtereinheit austretende Verdichterendluft abgeführt wird, dass die erste Ableitung (5) mit der Brenner- (8) und/oder der Turbineneinheit (2) direkt verbunden ist, dass die zweite Ableitung (6) mit dem Rekuperator (10) verbunden ist, von dem aus wenigstens eine weiterführende Leitung (6*), durch die die im Rekuperator (10) erwärmte Verdichterendluft geleitet wird, zur Brenner- (8) und/oder zur Turbineneinheit (2) führt, und dass ein Separierungsmittel (7) vorgesehen ist, das zwischen 10% und 55%, vorzugsweise 25%, der aus der Verdichtereinheit (1) austretenden Verdichterendluft (4) in die erste Ableitung (5) einspeist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinenanordnung mit wenigstens einer Verdichter-, Brenner-, und Turbineneinheit sowie einen Wärmetauscher, einem so genannten Rekuperator, durch den sowohl wenigstens Teile der aus der Turbineneinheit austretenden Abgase als auch aus der Verdichtereinheit austretende Verdichterendluft führbar sind.

Rekuperatoren werden Wärmetauschereinheiten bezeichnet, die vornehmlich bei Gasturbinenanordnungen der weiteren Erwärmung der durch die Verdichtereinheit komprimierten und im Wege der Kompression erhitzten Zuluft dienen, um dem im Brenner stattfindenden Verbrennungsprozess einen möglichst hoch erhitzten Verbrennungszuluftstrom zuzuführen. In Gasturbinenanordnungen kleinerer Bauart, die eine Verdichter-, Brenner- und Turbineneinheit vorsehen und typischerweise über Verdichterdruckverhältnisse zwischen 3 und 6 verfügen, ermöglicht eine der Verdichtereinheit nachgeschaltete Rekuperatoreinheit, durch die die gesamte Verdichterendluft geleitet wird, eine effektive Nacherhitzung der verdichteten Verbrennungszuluft, die in der Brennereinheit mit Brennstoff vermischt und in Form eines sich ausbildenden Luft-/Brennstoffgemisches innerhalb der Brennkammer zur Zündung gebracht wird. Die durch den Verbrennungsprozess entstehenden Heißgase treiben die nachfolgende Turbineneinheit an, aus der sie letztlich als heiße Abgase austreten und wenigstens teilweise zu Zwecken der Wärmeübertragung der Rekuperatoreinheit zugeführt werden. Durch die Rekuperation der Verdichterendluft wird die für den Verbrennungsprozess bereitzustellende Brennstoffmenge reduziert und dadurch der Wirkungsgrad einer Gasturbinenanlage bei gleich bleibender Heißgastemperatur verbessert.

Der Einsatz von Rekuperatoren insbesondere in leistungsstarken Gasturbinenanordnungen, bei denen Verdichterdruckverhältnisse zwischen 12 und 40 erzielt werden und durch die Luftkompression Verdichteraustrittstemperaturen von 300°C-600° C und mehr erreichbar sind; führt dazu, dass Rekuperatoraustrittstemperaturen von 600°C – 750°C erreicht werden, die an materialspezifische thermische Belastungsgrenzen einzelner Hitze exponierter Anlagenkomponenten stoßen. Dies betrifft vornehmlich die Strukturkomponenten des Gasturbinengehäuses, der Brennkammer und der Turbine, sowie die der rekuperierten Luft unmittelbar beaufschlagten Rotorbereiche sowie die in der Turbineneinheit vorgesehenen gekühlten Lauf- und Leitschaufelreihen, die bei derart hohen Prozesstemperaturen Materialdegradationen bzw. oxidation unterliegen. Zwar ist es möglich und weit verbreitete Praxis, die hitzeexponierten Brenner- und Turbinenkomponenten aus hochtemperaturbeständigen Materialien zu fertigen oder diese mit hochtemperaturbeständigen Materialien zu beschichten, die Prozesstemperaturen von 500° C und mehr standzuhalten vermögen, doch sind diese Maßnahmen mit hohen Kosten verbunden, so dass zwar einerseits der Wirkungsgrad derartiger Gasturbinenanlagen positiv beeinflusst werden kann, andererseits jedoch die Wirtschaftlichkeit aufgrund der hohen Anschaffungskosten zur Diskussion steht.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Gasturbinenanordnung mit wenigstens einer Verdichter-, einer Brenner-, einer Turbineneinheit sowie einen Wärmetauscher, einem sog. Rekuperator, durch den sowohl wenigsten Teile der aus der Turbineneinheit austretenden Abgase als auch aus der Verdichtereinheit austretende Verdichterendluft spürbar sind derart weiterzubilden, dass die Gasturbinenanlage Wirkungsgrad optimiert betrieben werden soll, wobei Wert darauf zu legen ist, dass die aus möglichst herkömmlichen Werkstoffen (vorzugsweise ferritische Stähle und Stahlguss) gefertigten, hitzeexponierten Anlagenkomponenten, wie die Brennkammerstrukturen, die Turbinenschaufelträger, die Gasturbinengehäuse, die Rotoreinheit sowie die gekühlten Leit- und Laufschaufelreihen innerhalb der Turbineneinheit mit möglichst einfachen Mitteln gekühlt werden sollen. Ferner gilt es ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Gasturbinenanordnung anzugeben, mit dem die vorstehend genannten Ziele erreichbar sind.

Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Gegenstand des Anspruches 12 ist ein Verfahren zum Betreiben einer entsprechend ausgebildeten Gasturbinenanordnung. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie im Weiteren der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.

Erfindungsgemäß wird, nicht wie beim bisher bekannten Stand der Technik der gesamte aus der Verdichtereinheit austretende Verdichterendluftstrom zu Zwecken der Vorwärmung dem Rekuperator zugeführt, sondern lediglich ein Teil der Verdichterendluft, nämlich lediglich zwischen 60% und 90%, vorzugsweise 75% der aus der Verdichtereinheit austretenden bzw. entnehmbaren Verdichterendluft. Aus diesem Grunde handelt es sich erfindungsgemäss um eine partielle Rekuperation der Verdichterendluft. Der übrige Anteil der Verdichterendluft gelangt ohne rekuperative Vorwärmung unmittelbar aus der Verdichtereinheit zu Kühlzwecken in die Brenner- und/oder in die Turbineneinheit.

Durch Abzweigung von vorzugsweise 25% der aus der Verdichtereinheit austretenden komprimierten Verdichterendluft steht somit ein beträchtlicher Massenstrom zu Kühlzwecken zur Verfügung, der neben seiner bloßen, an hitzeexponierten Anlagenkomponenten entfaltenden Kühlwirkung durch anschließende Beimischung in den übrigen Heißgasstrom zum Antrieb der Turbineneinheit und somit zur Energiegewinnung beizutragen vermag, wodurch keinerlei oder nur vernachlässigbar geringe durch die Kühlluftversorgung verursachte Energieverluste verbunden sind.

Durch die partielle Rekuperation der aus der Verdichtereinheit austretenden Verdichterendluft können, ebenso wie beim Stand der Technik, erhebliche Einsparungen in der Brennstoffzufuhr für die Aufrechterhaltung des Verbrennungsvorganges erzielt werden, wodurch der Gasturbinenbetrieb unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten positiv beeinflusst werden kann.

Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
1 Schaltungsanordnung einer Gasturbinenanlage mit partieller Rekuperation,
2 Gasturbinenanordnung mit sequentieller Verbrennung und partieller Rekuperation,
3 Temperatur-/Entropiediagramm bzgl. einer Gasturbinenanordnung gemäß 2, sowie
4 Schematisierte Detaildarstellung einer getrennten Zuführung von kühler Verdichterendluft und rekuperierter Verbrennungsluft.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
Die in 1 schematisiert dargestellte Gasturbinenanordnung umfasst eine Verdichtereinheit 1, die über eine gemeinsame Welle W mit einer Turbineneinheit 2 verbunden ist. In die Verdichtereinheit 1 tritt Zuluft 3 ein, die bei modernen Verdichtereinheiten 1 mit einem typischen Verdichtungsfaktor zwischen 30 und 40 komprimiert wird und in Form eines hochverdichteten Luftmassenstromes, der sog. Verdichterendluft 4 aus der Verdichtereinheit 1 austritt. Gemäss Schaltungsanordnung in 1 wird die Verdichterendluft 4 nach der Verdichtereinheit 1 über eine erste 5 und eine zweite Ableitung 6 in zwei Teilströme aufgeteilt. Die Aufteilung des verdichteten Luftmassenstromes 4 erfolgt mit Hilfe eines Separierungsmittels 7, das in Form eines variabel einstellbaren Stellorgans ausgebildet sein kann, bspw. in Form einer Ventilanordnung, die eine Aufteilung der Verdichterendluft 4 längs der beiden Teilströme vornimmt. Die Separierung der Verdichterendluft auf die beiden Ableitungen 5, 6 kann jedoch auch durch entsprechend dimensionierte, die Teilströme führende Ableitungen 5, 6 bspw. durch geeignete Wahl der jeweiligen Strömungsquerschnitte, vorgenommen werden.
Längs der Ableitung 5 ist eine weitere Aufteilung des Teilstromes in zwei getrennte Teilleitungen 5' und 9 vorgesehen. Wieder dient zur Teilstromaufteilung ein Separierungsmittels 7', das in adäquater Form vergleichbar dem vorstehend erläuterten Separierungsmittel 7 ausgebildet ist. Die Teilleitung 5' führt direkt in die Brennereinheit 8 und dient vornehmlich zur Kühlung von Brennkammerstrukturen. Die zusätzliche, von der ersten Ableitung 5 abzweigende Teilleitung 9 ist mit der Turbineneinheit 2 verbunden. Diese Teilleitung 9 sorgt hauptsächlich für eine Kühlluftversorgung der ersten Leit- und Laufschaufelreihe. Die Aufteilung des in die Ableitung 5 separierten Teilstromes erfolgt typischerweise zu etwa 1/3 längs der Teilleitung 9 direkt in die Turbineneinheit 2 und zu 2/3 längs der Teilleitung 5' zur Kühlung der Brennereinheit 8.
Der durch die zweite Ableitung 6 geführte Teilstrom, der etwa 45 – 90%, vorzugsweise 75% der gesamten aus der Verdichtereinheit 1 austretenden Verdichterendluft 4 ausmacht, wird dem Rekuperator 10 zugeführt. Zugleich treten die heißen, aus der Turbineneinheit 2 austretenden Abgase 11 durch den Rekuperator 10 und übertragen wenigstens teilweise ihre Wärmeenergie auf die den Rekuperator 10 durchströmende Verdichterendluft. Typischerweise beträgt die aus der Verdichtereinheit 1 austretende Verdichteraustrittstemperatur etwa 420° C. Nach Durchströmen der Rekuperatoreinheit 10 erfolgt eine Erwärmung der rekuperierten Verdichterendluft um etwa 120 K auf 540° C und gelangt anschliessend über die weiterführende Leitung 6* in die Brennereinheit 8 zur Ausbildung eines heißen Luft-/Brennstoffgemisches. Durch die rekuperative Vorwärmung der Verdichterendluft können erhebliche Brennstoffmengen eingespart werden. Ebenso ist es möglich entsprechende, nicht dargestellte Bypasskanäle vorzusehen, die Teile der rekuperierten Verdichterendluft bspw. direkt in Bereiche der ersten Turbinenlaufreihe der Turbineneinheit 2 einmischen.
Die durch die Verbrennung innerhalb der Brennereinheit 8 entstehenden Heißgase weisen typischerweise Temperaturen von 1200° C und darüber auf und treten als Abgase 11 aus der Turbineneinheit 2 mit einer Turbinenaustrittstemperatur von etwa 560° C aus, die, wie vorstehend erwähnt, als Wärmequelle für die durch die Rekuperatoreinheit 10 geleitete Verdichterendluft dienen.
Um sicherzustellen, dass Verdichterendluft in ausreichenden Mengen durch den Rekuperator 10 geführt wird, gilt es den Druckabfall längs des Rekuperatorleitungssystems an den Druckabfall zwischen Verdichtereinheit 1 und Brennereinheit 8 längs der ersten Ableitung 5 anzugleichen.
Ebenso ist es möglich anstelle zu oder in Kombination mit der ersten Ableitung 5, durch die ein Teil der Verdichterendluft zur Kühlung direkt in die Brennereinheit 8 und/oder in die Turbineneinheit 2 eingespeist wird, einen Teilmassenstrom 12 der Verdichtereinheit 1 bei einem niedrigeren Druck zu entnehmen. Der Teilmassenstrom 12 kann je nach Druckverhältnisse in geeignete Bereiche der Brennkammer 8 sowie der Turbineneinheit 2 jeweils über die in 1 gestrichelt eingezeichneten Leitungen 13, 14 eingespeist werden. Die gestrichelte Linienführung der Leitungen 13, 14 soll den optionalen Charakter der Leitungsanordnung 13, 14 unterstreichen. Insbesondere im Falle eines zu großen Druckabfalls, der sich längs der Rekuperatorableitung 6 einstellen und eine dadurch verminderte Kühlwirkung auf die Brenner- 8 und Turbineneinheit 2 aufgrund einer sich reduziert ausbildenden Teilströmung längs der ersten Ableitung 5 haben könnte, kann die Kühlung der Brenner- 2 und/oder Turbineneinheit 8 ungeachtet der vorstehenden Druckverhältnisse über die Ableitungen 13, 14 aufrecht erhalten bleiben.
Grundsätzlich vermag die Rekuperation eines großen Anteils der aus der Verdichtereinheit 1 austretenden Verdichterendluft 4 einen entscheidenden Beitrag zur Brennstoffeinsparung leisten. Geht man von einer Verdichteraustrittstemperatur, wie bereits vorstehend erläutert, von 420° C, einer Turbineneintrittstemperatur von 1220° C sowie einer Turbinenaustrittstemperatur von 560° C aus, die im Rahmen der Rekuperation 65% der Verdichterendluft um 120° K zu erwärmen vermag, d. h. auf 540° C, so bewirkt die Rekuperation eine Brennstoffeinsparung von ca. 9,75%, (20° K × 0,65) / (1220° C – 420°C).
Zugleich kann der Wirkungsgrad der Gasturbinenanlage durch die erfindungsgemäße partielle Rekuperation von bisher ca. 36,5% um 3,5% auf 40% erhöht werden.
Der 1 ist ferner eine optionale, vorteilhafte Erweiterung einer thermischen Kopplung eines Dampfprozess D einer nicht weiter dargestellten Dampfturbinenanordnung mit der Rekuperatoreinheit 10 zu entnehmen. Die Kopplung erfolgt vorzugsweise parallel zu dem den Rekuperator 10 durchsetzenden Teilmassenstrom 6 der Verdichterendluft mit einem nicht weiter dargestellten Hochdruck- und/oder Mitteldruckdampfüberhitzer eines Dampfprozesses D. Zur Wirkungsgradoptimierung sowie Minimierung von Exergieverlusten eines derartigen Kombikraftwerkes sind die Gasturbinenabgastemperatur, der rekuperierte Teilmassenstrom längs der zweiten Ableitung 6 sowie das Gasturbinendruckverhältnis entsprechend zu optimieren. Zur geeigneten Optimierung des rekuperierten Teilmassenstromes dient bspw. das vorstehend beschriebene Separierungsmittel 7.
Geht man von gängigen Gussmaterialien aus, aus denen hitzeexponierte Komponenten, wie bspw. Leit- und Laufschaufeln gefertigt sind, so ermöglicht die erfindungsgemäße partielle Rekuperation und die damit geschaffene effektive Kühlung hitzeexponierter Anlagenkomponenten Abgastemperaturen von bis zu 650° C ohne aufwendige Schaufelkühlsysteme. Verglichen zu dem vorstehend geschilderten Szenario, bei dem Turbinenaustrittstemperaturen von 560° C vorherrschen, bedeutete dies eine Temperatursteigerung von +100° K, sofern man die Turbineneintrittstemperatur von 1220° C konstant halten könnte. Dieser Forderung kann dadurch entsprochen werden, indem die Druckverhältnisse der Gasturbinenanlage verringert werden, wodurch letztlich auch der Gasturbinenwirkungsgrad beeinträchtigt wird. Die damit verbundene Beeinträchtigung des Gasturbinenwirkungsgrades kann jedoch zumindest teilweise durch die vorstehend dargelegte Wirkungsgradverbesserung durch partielle Rekuperation kompensiert werden.
Eine weitere vorteilhafte Anwendungsvariante der partiellen Rekuperation sieht vor die im Turbinenabgas bei Temperaturen von größer 600° C verfügbare Wärme im Rahmen einer sog. chemischen Rekuperation nutzbar zu machen, bei der Kohlenwasserstoffbrennstoffe bei hoher Temperatur unter Zugabe von Dampf durch katalytische Reaktion in ein Gemisch von CO, H2 und CO2 umgewandelt werden. Da die Umwandlungsreaktion endotherm verläuft, besitzt der umgewandelte Brennstoff einen höheren Heizwert als der anfänglich zugeführte Kohlenwasserstoffbrennstoff.
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Gasturbinenanordnung mit partieller Rekuperation und sequentieller Verbrennung dargestellt, bei der längs einer gemeinsamen Welle W die Verdichtereinheit 1 sowie eine Hochdruck-2H- und Niederdruckturbineneinheit 2N angeordnet sind. In gleicher Weise wie in dem Schaltungsplan gemäß 1 wird die aus der Verdichtereinheit 1 austretende Verdichterendluft in zwei Teilströme 5, 6 aufgeteilt, von dem ein Teilstrom 5', bzw. 9 unmittelbar in die Hochdruckbrennkammer 8H sowie Hochdruckturbineneinheit 2H zu Kühlzwecken eingespeist wird. Der andere Teilstrom 6 der Verdichterendluft wird über den Rekuperator 10 erwärmt und ebenfalls der Hochdruckbrennkammer 8H zugeführt. Die aus der Hochdruckbrennkammer 8H austretenden Verbrennungsheißgase 4' dienen dem Antrieb der Hochdruckturbineneinheit 2H, aus der ein expandierter Heißgasstrom 5'' austritt und unmittelbar zur nochmaligen Befeuerung einer Niederdruckbrennkammer 8N eingespeist wird. Schließlich gelangen die aus der Niederdruckbrennkammer 8N austretenden Heißgase 6' in die Niederdruckturbineneinheit 2N, aus der ein Abgasstrom 8' zur Erwärmung des Rekuperators 10 strömt. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel gemäß 1 werden lediglich 45% der Verdichterendluft durch die Rekuperatorleitung 6 erwärmt. Der übrige Anteil dient der gezielten Kühlung der Hochdruckbrennkammer 8H sowie der Hochdruckturbinenstufe 2H. Zur Kühlung der Niederdruckbrennkammer 8N sowie Niederdruckturbineneinheit 2N dient eine entsprechende Ableitung 2' aus der Verdichtereinheit 1 an deren Mitteldruckbereich zur direkten Einspeisung von teilweise verdichteter Luft in die Niederdruckbrennkammer 8N sowie Niederdruckturbineneinheit 2N.
Die sog. Reheat-Gasturbinenanordnung bietet grundsätzlich folgende Vorteile:

1. Durch die geänderte Aufteilung des Gesamtdruckverhältnisses in einem Niederdruck- und einem Hochdruckteil kann bei konstantem Gesamtdruckverhältnis über das Druckverhältnis der Niederdruckturbine die Abgastemperatur auf das sog. thermoökonomische Optimum eingestellt werden.
2. Der höhere Verdichterenddruck im Reheat Prozess von ca. 30 bar führt zu geringen Abmessungen des Rohrleitungssystems innerhalb des Rekuperators 10.

In 3 ist ein Temperatur-/Entropiediagramm dargestellt, längs dessen Abszisse die Entropie s in Einheiten kJ / kg dargestellt ist und längs deren Ordinate die Turbineneinlasstemperatur T aufgetragen ist. Ausgehend von der Lufteinspeisung in die Verdichtereinheit 1 (siehe Punkt 1') erfährt die Luft im Wege der Kompression eine Temperaturerhöhung bis zum Niveau 3', von dem aus eine Aufspaltung der Stoffströme vorgenommen wird. Verfolgt man den Teilstrom, der durch den Rekuperator 10 geleitet wird, so wird die Temperatur des rekuperierten Teilstromes auf das Niveau 3'' angehoben, von dem aus im Wege der Verbrennung innerhalb der Hochdruckbrennereinheit 8H eine Brenneraustrittstemperatur bzw. Turbineneintrittstemperatur mit dem T-Niveau 4' erhalten wird. Im Wege einer in der Hochdruckturbinenstufe 2H erfolgenden Entspannung fällt die Temperatur auf das Niveau 5'', von dem aus der nachfolgende Verbrennungsprozess innerhalb der Niederdruckbrennereinheit 8N eine Temperatursteigerung auf das Niveau 6' bedingt. Nach Durchtritt der Heissgasströme durch die Niederdruckturbineneinheit 2N wird das Temperaturniveau 7' bzw. 8' erreicht, das letztlich nach Abwärmung durch den Rekuperator 10 auf das Temperatur 8'' absinkt.
Grundsätzlich ist es möglich, das für die hitzeexponierten Komponenten vorgesehen Kühlluftsystem in einem geschlossenen Kreislauf auszubilden, indem bspw. die den Rekuperator durchsetzenden Abgase erneut bspw. der Verdichterendluft beigemischt werden. Dies geht aus einem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel hervor, bei dem angenommen sei, dass ein mit der Brennkammer 8 verbundener Vormischbrenner 18 von einem Gehäuse 19 umgeben ist, in das einerseits zur Befeuerung des Vormischbrenners 18 über die weiterführende Leitung 6* rekuperierte Zuluft mit einer Temperatur bspw. von 750 °C zugeführt wird. Getrennt hiervon gelangt die Verdichterendluft 5 bei ca. 400 °C gleichfalls in das Gehäuse 19, umströmt dabei unter Ausbildung eines Kühlluftstromes 5' die Brennkammer 18, bevor die kühle Verdichterendluft 5' gemeinsam mit der rekuperierten Zuluft in den Vormischbrenner 18 gelangt. In paralleler oder in serieller Strömungsabfolge zum Kühlluftstrom 5' bildet sich ein die erste Turbinenleitschaufelreihe 15, die erste Turbinenlaufschaufelreihe 16 sowie die zweite Turbinenleitschaufelreihe 17 kühlender Teilluftstrom 9 aus, der zur Kühlung der jeweiligen Turbinenkomponenten dient. Der die Turbinenkomponenten kühlende Teilluftstrom 9 wird gleichfalls zu dem die Brennkammer 18 kühlenden Kühlluftstrom 5' stromauf zum Vormischbrenner 18 der rekuperierten Verbrennungszuluft beigemischt. Die Kühlluftversorgung der jeweiligen Komponenten wie Brennkammer 8 und Turbinenkomponenten erfolgt jeweils über getrennte Kühlluftleitungen (closed loop cooling) und wird erst kurz vor Eintritt in den Vormischbrenner 18 der rekuperierten Zuluft beigemischt. Ebenso findet eine Mischung der Kühlluft mit den die Turbineneinheit 2 antreibenden Heissgasen nicht statt.

1: Verdichtereinheit
2: Turbineneinheit
2H, 2N: Hoch- und Niederdruckturbineneinheit
2': Ableitung
3: Zuluft
4: Verdichterendluft
5, 6: Erste, zweite Ableitung
5': Teilleitung
6*: Weiterführende Leitung
7, 7': Separiermittel
8: Brennkammer
8H, 8N: Hoch- und Niederdruckbrennkammer
9: Teilleitung
10: Rekuperator, Wärmetauscher
11: Abgasstrom
12: Teilstrom
13, 14: Teilleitung
15: Erste Turbinenleitschaufelreihe
16: Erste Turbinelaufschaufelreihe
17: Zweite Turbinenleitschaufelreihe
18: Vormischbrenner
19: Gehäuse
W: Welle

Claims

Gasturbinenanordnung mit wenigstens einer Verdichter-, einer Brenner-, einer Turbineneinheit sowie einen Wärmetauscher, einem so genannten Rekuperator, durch den sowohl wenigstens Teile der aus der Turbineneinheit austretenden Abgase als auch aus der Verdichtereinheit austretende Verdichterendluft führbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine erste und eine zweite Ableitung vorgesehen sind, durch die die aus der Verdichtereinheit austretende Verdichterendluft abgeführt wird, dass die erste Ableitung (5) mit der Brenner- (8) und/oder der Turbineneinheit (2) direkt verbunden ist, dass die zweite Ableitung (6) mit dem Rekuperator (10) verbunden ist, von dem aus wenigstens eine weiterführende Leitung (6*), durch die die im Rekuperator (10) erwärmte Verdichterendluft geleitet wird, zur Brenner- (8) und/oder zur Turbineneinheit (2) führt, und, dass ein Separierungsmittel (7) vorgesehen ist, das zwischen 10% und 55%, vorzugsweise 25 %, der aus der Verdichtereinheit (1) austretenden Verdichterendluft (4) in die erste Ableitung (5) einspeist.
Gasturbinenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Separierungsmittel (7) in Form eines Stellorgans ausgebildet ist, das eine Aufteilung der Verdichterendluft (4) auf die erste (5) und zweite Ableitung (6) variabel oder in fest vorgegebener Abstufung vornimmt.
Gasturbinenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Separierungsmittel (7) durch Wahl des Strömungsquerschnittes jeweils in der ersten (5) und zweiten Ableitung (6) realisierbar ist.
Gasturbinenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Rekuperator (10) verbundene zweite Ableitung (6) sowie die vom Rekuperator (10) weiterführende Leitung (6*) einen auf die den Rekuperator (10) durchströmende Verdichterendluft einwirkenden Druckabfall aufweist, der einem Druckabfall längs der ersten Ableitung (5) entspricht.
Gasturbinenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Ableitung (13, 14, 2') vorgesehen ist, die an der Verdichtereinheit (1) zur Ableitung eines nicht vollständig verdichteten Teilluftstromes dient, die mit der Turbinen- (2) und/oder der Brennereinheit (8) verbunden ist.
Gasturbinenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ableitung (5) in zwei Teilleitungen (5', 9) aufspaltet, von den eine erste Teilleitung (5') mit der Brennereinheit (8) und die Zweite (9) mit der Turbineneinheit (2) verbunden ist, und dass ein Separierungsmittel (7') vorgesehen ist, durch das eine variable oder konstante Strömungsaufspaltung der durch die erste Ableitung (5) strömenden Verdichterendluft vornehmbar ist.
Gasturbinenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Separierungsmittel (7') als Stellorgan oder durch Vorgabe fester Strömungsquerschnitte längs beider Teilleitungen (5', 9) realisierbar ist.
Gasturbinenanordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Separierungsmittel (7') zwei Drittel der durch die erste Ableitung (5) gelangenden Verdichterendluft in die erste Teilleitung (5') einspeisbar ist.
Gasturbinenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Rekuperator (10) mit einem Dampferzeuger (D) und/oder einem Dampfüberhitzer, der jeweils in einem Dampfprozesskreislauf integriert ist, thermisch gekoppelt ist.
Gasturbinenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Rekuperator (10) thermisch mit einem Reaktor gekoppelt ist, in den Brennstoff und Dampf einbringbar sind zur endothermen Umwandlung des zugegebenen Brennstoffes in eine Brennstoffform mit höherem Brennwert.
Gasturbinenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbineneinheit (2) zwei Turbinenstufen vorsieht, eine Hochdruck- (2H) und eine Niederdruckturbinenstufe (2N), dass die erste Ableitung (5) in zwei Teilleitungen (5', 9) aufspaltet, von denen die erste Teilleitung (5') mit einer ersten Brenneranordnung (8H) und die zweite Teilleitung (9) mit der Hochdruckturbinenstufe (2H) verbunden sind, wobei die erste Brenneranordnung (8H) zur Bildung von Heissgasen dient, die der Hochdruckturbinenstufe (2H) zugeführt werden, dass die mit dem Rekuperator (10) verbundene weiterführende Leitung (6*) mit der ersten Brenneranordnung (8H) verbunden ist, dass die aus der Hochdruckturbinenstufe (2H) austretenden Abgase einer zweiten Brenneranordnung (8N) zugeführt werden, die über eine Zuleitung (2') mit einem Teildruckbereich der Verdichtereinheit (1) verbunden ist, und dass die aus der zweiten Brenneranordnung (8N) austretenden Heissgase der Niederdruckturbinenstufe (2N) zugeführt werden, aus der Abgase austreten, die dem Rekuperator (10) zugeführt werden.
Gasturbinenanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Teilleitungen (5', 9) jeweils als geschlossenes Kühlleitungssystem ausgebildet sind, und dass die Teilleitungen in einem Bereich stromauf zur Brennkammer münden.
Gasturbinenanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilleitungen in paralleler oder serieller Durchströmungsanordnung miteinander verbunden sind.
Verfahren zum Betreiben einer Gasturbinenanordnung, in der Luft mit wenigstens einer Verdichtereinheit (1) verdichtet und unter Zugabe von Brennstoff in einer Brennereinheit (8) verbrannt wird zur Bildung von Heissgasen, die dem Antrieb einer Turbineneinheit (2) dienen, aus der Abgase austreten, die zur Wärmerückgewinnung einem Wärmetauscher (10), einem so genannten Rekuperator, zugeführt werden, in den aus der Verdichtereinheit (1) austretende Verdichterendluft zugeführt und erwärmt, d.h. rekuperiert, wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen 45% und 90%, vorzugsweise 75% der Verdichterendluft (4) rekuperiert und der übrige, d.h. der so genannte nicht rekuperierte, Anteil der Verdichterendluft (4) direkt der Brenner- (8) und/oder der Turbineneinheit (2) zugeführt werden.
Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zur Kühlung der Brenner- (8) und/oder Turbineneinheit (2) durch Abzweigung von wenigstens 10% und maximal 55 %, vorzugsweise 25 % der aus der Verdichtereinheit (1) austretenden Verdichterendluft (4) und direkte Weiterleitung der abgezweigten Verdichterendluft in die Brenner- (8) und/oder Turbineneinheit (2), sowie zur Wirkungsgradsteigerung der Gasturbinenanordnung durch Rekuperation von wenigstens 45% und maximal 90% der aus der Verdichtereinheit (1) austretenden Verdichterendluft und Einspeisung der rekuperierten Verdichterendluft in die Brennereinheit (8).