DE102008044436A1

DE102008044436A1 - Verfahren zur Versorgung einer Gasturbine mit Kühlmedien

Info

Publication number: DE102008044436A1
Application number: DE102008044436A
Authority: DE
Inventors: Constantin A. Dinu
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-08-22
Filing date: 2008-08-14
Publication date: 2009-02-26
Also published as: US20090051167A1; JP2009047170A; US20110181050A1; CH697807A2; CH697807B1; US20120047906A1; CN101372900A

Abstract

Eine landgestützte Gasturbinenvorrichtung umfasst einen integrierten Verdichter (210); eine Turbinenkomponente (214) mit einer Brennkammer (212), der Luft (218) von dem integrierten Verdichter und Brennstoff (220) zugeführt werden, und einen Generator (232), der zur Erzeugung von Elektrizität operativ mit der Turbine verbunden ist, wobei Teile von Heißgaskomponenten in der Turbinenkomponente ganz oder zumindest teilweise durch Kühlluft (242, 244, 246) oder andere Kühlmedien gekühlt werden, die durch einen externen Verdichter geliefert werden. Es wird auch ein Verfahren zur Verfügung gestellt, das folgende Schritte umfasst: Zufuhr verdichteter Luft (218) zu der Brennkammer (212) von dem integrierten Verdichter (210) und Zufuhr zumindest eines Teils der Kühlluft (242, 244, 246) oder anderer Kühlmedien zu den Teilen des Heißgaswegs in der Turbinenkomponente (214) von einem externen Verdichter (236).

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf die vermehrte Zufuhr von verdichteter Luft und/oder Kühlmedien zu einer Gasturbine durch einen separaten Verdichter.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die meisten Gasturbinen benutzen Luft, die an einen oder mehreren Stellen des integrierten Verdichters abgezapft wird, für die Kühlung und Abdichtung in der Turbinenkomponente. Luft, die zu diesem Zweck von dem Verdichter abgezapft wurde, kann intern durch die Bohrung des Verdichter-Turbinen-Rotors oder andere geeignete Kanäle zu den Stellen in der Turbinensektion, die Kühlung und Abdichtung benötigen, geleitet werden. Alternativ kann Luft extern durch das Verdichtergehäuse und durch externe Rohrleitungen (zu dem Gehäuse) zu den Stellen, die Kühlung und Abdichtung benötigen, geleitet werden. Bei vielen Gasturbinen wird eine Kombination aus der internen und externen Leitung von Kühl- und Dichtungsluft zu der Turbinenkomponente angewendet. Bei einigen Gasturbinen werden Wärmetauscher zur Kühlung der Kühl- und Dichtungsluft, die durch die externe Rohrleitung geleitet wird, vor dem Eintritt in die Turbinenkomponente eingesetzt.
Die Leistung oder Kapazität einer Gasturbine fällt üblicherweise mit steigender Temperatur an dem Einlass zu der Verdichterkomponente ab. Insbesondere wird die Fähigkeit der Verdichterkomponente, Luft für den Verbren nungsprozess und die anschließende Ausdehnung durch die Turbine zu liefern, bei steigender Verdichtereinlasstemperatur (normalerweise aufgrund einer erhöhten Umgebungstemperatur) reduziert. So haben die Turbinenkomponente und die Verbrennungskomponente der Gasturbine üblicherweise die Fähigkeit, mehr verdichtete Luft aufzunehmen, als die Verdichterkomponente liefern kann, wenn sie oberhalb einer bestimmten Einlasstemperatur betrieben wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung vergrößert die Menge der verdichteten Luft und/oder der Kühlmedien, die von dem integrierten Verdichter geliefert werden, durch die Verwendung eines separaten Verdichters. Daher kann die Erfindung in einer landgestützten Gasturbine verkörpert sein, die umfasst: einen integrierten Verdichter; eine Turbinenkomponente; eine Brennkammer, der Luft von dem integrierten Verdichter und Brennstoff zugeführt werden, wobei die Brennkammer dafür eingerichtet ist, der Turbinenkomponente heiße Verbrennungsgase zu liefern; einen Generator, der zur Erzeugung von Elektrizität operativ mit der Turbine verbunden ist, und einen externen Verdichter, der dafür eingerichtet und angeschlossen ist, die Teile der Heißgaswegkomponente in der Turbinenkomponente mit Kühlluft oder anderen Kühlmedien zu versorgen, wobei der externe Verdichter auch dafür eingerichtet und angeschlossen ist, selektiv Zerstäubungsluft zu liefern, um den der Brennkammer zugeführten Brennstoff zu zerstäuben.
Die Erfindung kann daher auch in einer landgestützten Gasturbine verkörpert sein, die umfasst: einen integrierten Verdichter; eine Turbinenkomponente; eine Brenn kammer, der Luft von dem integrierten Verdichter und Brennstoff zugeführt werden, wobei die Brennkammer dafür eingerichtet ist, der Turbinenkomponente heiße Verbrennungsgase zu liefern; einen Generator, der zur Erzeugung von Elektrizität operativ mit der Turbine verbunden ist; einen externen Verdichter, der dafür eingerichtet und angeschlossen ist, eine Speicherkammer mit verdichteter Luft zu versorgen, um die verdichtete Luft selektiv zu speichern, wobei ein Auslass der Speicherkammer für die Zufuhr der verdichteten Luft als Kühlmedium von dem Speichertank zu den Teilen der Heißgaswegkomponente in der Turbinenkomponente angeschlossen ist.
Die Erfindung kann auch in einer landgestützten Gasturbine verkörpert sein, die umfasst: einen integrierten Verdichter; eine Turbinenkomponente; eine Brennkammer, der Luft von dem integrierten Verdichter und Brennstoff zugeführt werden, wobei die Brennkammer dafür eingerichtet ist, der Turbinenkomponente heiße Verbrennungsgase zu liefern; einen Generator, der zur Erzeugung von Elektrizität operativ mit der Turbine verbunden ist; einen externen Verdichter, der dafür eingerichtet und angeschlossen ist, Teile der Heißgaswegkomponente in der Turbinenkomponente mit Kühlluft oder anderen Kühlmedien zu versorgen, und eine externe Turbine für die Erzeugung zumindest eines Teils der Arbeit, die zur Verdichtung der Kühlluft in dem externen Verdichter erforderlich ist, wobei der integrierte Verdichter mit der externen Turbine operativ verbunden ist, um selektiv verdichtete Luft aus dem integrierten Verdichter der externen Turbine zuzuführen.
Die Erfindung kann auch in einem Verfahren zur Sicherstellung der Spitzenleistungskapazität eines landge stützten Gasturbinenkraftwerks mit einem integrierten Verdichter, einer Turbinenkomponente, einer Brennkammer und einem Generator verkörpert sein, wobei Teile des Heißgaswegs in der Turbinenkomponente durch Kühlluft gekühlt werden, und wobei das Verfahren umfasst: a) die Zufuhr verdichteter Luft von dem integrierten Verdichter zu der Brennkammer, b) die Zufuhr von Kühlluft oder anderen Kühlmedien von einem externen Verdichter zu den Teilen des Heißgaswegs in der Turbinenkomponente und c) die Zufuhr verdichteter Luft von dem externen Verdichter, um der Brennkammer zugeführten Brennstoff zu zerstäuben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und andere Aufgaben und Vorteile dieser Erfindung werden durch sorgfältiges Studium der folgenden detaillierten Beschreibung der gegenwärtig bevorzugten beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen vollständiger verstanden und gewürdigt werden, wobei die Zeichnungen Folgendes darstellen:
1 ist ein Schemadiagramm einer Kühlanordnung für eine Gasturbine nach dem Stand der Technik;
2 ist ein Schemadiagramm einer anderen Kühlanordnung für eine Gasturbine nach dem Stand der Technik;
3 ist ein Schemadiagramm einer noch anderen Kühlanordnung für eine Gasturbine nach dem Stand der Technik;
4 ist ein Schemadiagramm einer weiteren Kühlanordnung für eine Gasturbine nach dem Stand der Technik;
5 ist ein Schemadiagramm einer Kühlanordnung für eine Gasturbine gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung;
6 ist ein Schemadiagramm einer Kühlanordnung für eine Gasturbine gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform der Erfindung und
7 ist ein Schemadiagramm einer Kühlanordnung für eine Gasturbine gemäß einer noch anderen beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 stellt ein konventionelles gekühltes Gasturbinensystem mit einem integrierten Verdichter 10, einer Brennkammer 12 und einer Turbinenkomponente 14 dar. Der Verdichter 10, die Turbinensektion 14 und der Generator 32 werden in einer Konfiguration mit einer einzigen Welle gezeigt, wobei die eine Welle 34 auch den Generator 32 antreibt.
Ansaugluft wird dem Verdichter über den Strom 16 zugeführt. Verdichterluft wird an verschiedenen Stellen dem Verdichter entnommen und den Stellen in der Turbinenkomponente 14 zugeführt, wo Kühlung und Abdichtung erforderlich ist. Die Entnahmeorte werden so ausgewählt, dass Luft mit dem erforderlichen Druck zugeführt werden kann. Die Ströme 26, 28 und 30 stellen Kühlluftentnahmen aus dem integrier ten Verdichter dar, die zur Kühlung und Abdichtung der Teile der Heißgaswegkomponente zu der Turbinensektion der Maschine geleitet werden. Die Ströme 26 und 28, die jeweils das Niederdruck- und das Mitteldruck-Kühlmittel liefern, können durch Rohrleitungen außerhalb des Verdichtergehäuses geleitet und durch das Turbinengehäuse wiedereingeführt und in die Teile geleitet werden, deren Kühlung erforderlich ist. Der Strom 30 liefert das Kühlmittel mit dem höchsten Druck und wird üblicherweise innerhalb der Maschine geleitet, zum Beispiel durch die Bohrung des Verdichter-Turbinen-Rotors. Die verbleibende verdichtete Luft wird der Brennkammer mit hohem Druck durch den Strom 18 zugeführt und vermischt sich in der Brennkammer mit Brennstoff, der durch den Strom 20 zugeführt wird.
Das heiße Verbrennungsgas wird der Turbinenkomponente 14 durch den Strom 22 zugeführt. Ein Teil der Verdichterluft kann umgeleitet werden, um die Brennkammer durch den Strom 24 zu umgehen, und tritt in die heißen Verbrennungsgase vor deren Eintritt in die Turbine ein.
2 zeigt ein Beispiel eines nach dem Stand der Technik gekühlten Gasturbinensystems, wobei die Zufuhr unter Druck stehender Kühlluft zu den Turbinenkomponenten durch den Einsatz eines externen Verdichters erfolgt. Das gekühlte Gasturbinensystem aus 2 ist in der US-Patentschrift Nr. 6389793 offenbart, deren gesamte Offenbarung hier durch diese Bezugnahme enthalten ist.
Der Zweckmäßigkeit und Verständlichkeit halber werden die gleichen Bezugszeichen wie in 1 auf entsprechende Komponenten in 2 angewendet, allerdings mit dem Präfix „1". Wie bei dem oben beschriebenen konven tionellen System, wird Ansaugluft dem Verdichter 110 durch den Strom 116 zugeführt. Verdichtete Luft wird der Brennkammer 112 durch den Strom 118 zugeführt und vermischt sich in der Brennkammer mit Brennstoff, der der Brennkammer durch den Strom 120 zugeführt wird. Die Bypass-Luft (umgeleitete Luft) kann den heißen Verbrennungsgasen durch den Strom 124 zugeführt werden. Hier werden jedoch die jeweiligen Niederdruck-, Mitteldruck- und Hochdruck-Kühlluftströme 126, 128 und 130 (oder andere Kühlmedien) von einem separaten externen Verdichter 136 erzeugt, der durch einen Motor 138 angetrieben wird. In dieser Ausführungsform werden die gesamte Luft oder die gesamten anderen Kühlmedien von dem externen Verdichter 136 geliefert, was ermöglicht, dass mehr der Gasturbinen-Verdichterluft in dem Verbrennungsprozess genutzt werden kann. Da der Verdichter 136 ausschließlich der Lieferung von Kühlluft oder anderen Kühlmedien zugewiesen werden kann, können die Kühlanforderungen der Turbinenkomponente 114 unabhängig von Verdichterkapazitätsschwankungen aufgrund erhöhter Umgebungstemperaturen eingehalten werden. Mit anderen Worten: Da der integrierte Verdichter 110 von Kühlanforderungen freigestellt ist, steht ausreichend Luft zur Verfügung, um der Leistungsfähigkeit der Brennkammer und Turbinenkomponente zu genügen, was die Leistung erhöht.
3 zeigt eine Variation nach dem Stand der Technik, wobei Kühlluft sowohl von dem integrierten Turbinenverdichter 210 und, bei einer reinen Leistungserhöhung, von einem externen Verdichter 236 geliefert wird (bei dem es sich um einen zwischengekühlten Verdichter handeln könnte). Mit anderen Worten: Der externe Verdichter 236 wird dafür genutzt, die Zufuhr verdichteter Luft für Kühlungs- und Abdichtungszwecke von dem integrierten Verdichter 210 zu der Turbinenkomponente zu erhöhen. Hier wird die Niederdruck-, Mitteldruck- und Hochdruck-Kühlluft von dem integrierten Verdichter 210 durch den jeweiligen Strom 226, 228 und 230 geliefert, aber wo erforderlich durch Kühlluft ergänzt, die von dem externen Verdichter 236 durch den jeweiligen Niederdruck-, Mitteldruck- und Hochdruck-Strom 242, 244 und 246 geliefert wird. Da die Kühlanforderungen durch den externen Verdichter 236 erhöht werden, wird die Zufuhr verdichteter Luft zu der Brennkammer 212 von dem Verdichter 210 vergrößert, was eine erhöhte Leistung zur Folge hat.
Wie in 4 gezeigt, kann bei einer anderen Variation nach dem Stand der Technik verdichtete Luft aus dem Strom 246 der Brennkammer durch die Leitung 218 (eher als zu der Turbinensektion durch den Strom 230) zugeführt werden, um die Luftzufuhr von dem integrierten Verdichter 210 zu vergrößern. Ansonsten ist die Anordnung in 4 identisch mit der Anordnung in 3. Überdies kann die vergrößerte Zufuhr von Kühlmedien zu der Turbinensektion 214 durch die Ströme 242 und 244 abgesperrt werden, sodass der externe Verdichter nur die Luftzufuhr zu der Brennkammer vergrößert.
Es ist bekannt, dass die Befeuchtung der Kühlmedien zu dem separaten Luftkühlmedienversorgungssystem hinzugefügt werden kann. Eine geeignete Einrichtung zur Befeuchtung verwendet einen Befeuchter und heißes Wasser, dass durch Abfall- oder Primärenergie erwärmt wird. Die Feuchtigkeitseinführung erfolgt – wie in den 2, 3, und 4 gezeigt – durch die Ströme 140 und 240. Es ist ebenfalls bekannt, dass Abwärme jederzeit von dem Turbinenabgasauslass in Einkreissystemen für die Verdampfung von Wasser verfügbar ist, das in einen beliebigen Abgabeluftstrom des Verdichters 136 oder 236, wie jeweils anwendbar, eingeführt werden kann. Das Kühlmittelversorgungssystem kann den Durchfluss, den Druck, die Temperatur und die Zusammensetzung der zugeführten Kühlmedien modulieren.
Die oben beschriebenen Systeme bieten daher eine erhöhte Leistungskapazität für eine Gasturbine, besonders bei einem Anstieg der Umgebungstemperatur auf ein Niveau, das einen reduzierten Strom zu dem integrierten Turbinenverdichter bewirkt, was eine reduzierte Leistung zur Folge hat. Mit anderen Worten: Mit dem Anstieg der Umgebungstemperatur und der Abnahme des Luftstroms in den Turbinenverdichter, kann der externe Verdichter 136 oder 236 dafür genutzt werden, durch die Lieferung aller Kühlluft oder zusätzlicher Kühlluft (oder anderer Kühlmedien) in einem Umfang, wie er zur Optimierung des Kühlluftstroms zu den Heißgaswegteilen der Turbinensektionen und/oder zur Vergrößerung des Stroms von Luft oder anderen Kühlmedien zu dem Verbrennungsprozess die Leistung zu halten oder zu erhöhen. Durch die Nutzung eines externen Verdichters kann ein größerer Kühlluftstrom zur Verfügung gestellt werden als der von dem integrierten Turbinenverdichter verfügbare, da nur ein geringer Prozentsatz der Luft aus dem Turbinenverdichter für Kühlung zur Verfügung steht. Mit anderen Worten, ist bei konventionellen Systemen die Menge an Kühlluft durch die Kapazität des integrierten Verdichters beschränkt. Durch die Zufuhr von Kühlluft von einem externen Verdichter, wo die gesamte Luft oder die gesamten anderen Kühlmedien für die Kühlung genutzt werden können, kann der Turbinenverdichter dem Verbrennungsprozess mehr Luft zuführen, was die Turbinenleistung erhöht. Dies trifft zu, egal ob der externe Verdichter 136, 236 einzeln oder in Verbin dung mit dem integrierten Turbinenverdichter 110, 210 genutzt wird.
Das soll jedoch nicht heißen, dass eine weitere Verbesserung der oben beschriebenen Systeme nicht möglich wäre. Tatsächlich bezieht sich die hier offenbarte Erfindung auf weitere Systemverbesserungen, betreffend die Versorgung mit einer größeren Menge verdichteter Luft und/oder Kühlmedien durch einen separaten Verdichter.
Üblicherweise ist eine Gasturbine als eine Dual-Fuel-Einheit ausgelegt. In dieser Beziehung werden Vorkehrungen dafür getroffen, dass die Brennkammer entweder Erdgas- oder Ölbrennstoff verbrennt. Für einen zweckentsprechenden Betrieb mit Ölbrennstoff wird die Einheit konventionell mit einer Luftzerstäubungsanlage (AA skid) ausgestattet. Diese konventionelle Anlage umfasst Hochdruckverdichter, die der Flüssigbrennstoffdüse Luft zuführen, um den Brennstoffstrahl zu zerstäuben. In den meisten Fällen wird der Ölbrennstoff (und die Luftzerstäubungsanlage) kaum genutzt, außer z. B. während der erforderlichen Wartungszeiten, einer vorübergehenden Unterbrechung der Gasbrennstoffversorgung, oder wenn es durch Brennstoffkosten-Tradeoffs so bestimmt wird. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und wie in 5 dargestellt, liefert der externe Verdichter nicht nur Kühlluft, unabhängig, oder um die integrierte Brennkammer zu unterstützen und möglicherweise Luft zur Leistungserhöhung (wie oben mit Bezug auf die 2 – 4 beschrieben), vielmehr kann die verdichtete Luft 248 von dem externen Verdichter 236 selektiv als Zerstäubungsluft genutzt werden, wodurch die Luftzerstäubungsanlage entfällt. Im Hinblick auf die eingeschränkte Nutzung von Ölbrennstoff und damit auch von Zerstäubungsluft, werden sig nifikante Einsparungen bei den Kapitalkosten durch die selektive Leitung verdichteter Kühlluft 248 von dem externen Verdichter 236 für die Nutzung als Zerstäubungsluft ermöglicht.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung kann ein externer Verdichter als ein Mittel genutzt werden, um den Turndown der Gasturbine zu erhöhen. Der „Turndown" ist als die geringste Last definiert, bei der die Gasturbine unter Einhaltung der Emissionsvorgaben betrieben werden kann. Bei „Dry-Low-NOx"-Brennkammern (DLN-Brennkammern) ist dies von der Brennkammerausgangstemperatur abhängig. Unterhalb einer bestimmten Temperatur ist die vorgemischte Verbrennung nicht länger möglich, und die Brennkammer geht zu anderen Modi über, wie beispielsweise zur Diffusionsverbrennung. Diese nicht vollständig vorgemischten Modi haben wesentlich höhere Emissionen zur Folge und verhindern den Betrieb der Einheit aufgrund der Durchsetzung von Emissionsvorschriften. Es wäre folglich wünschenswert, die Brennkammerausgangstemperatur bei der geringsten möglichen Last (Wünschenswerterweise bei bis zu „Full Speed No Load" (Höchstdrehzahl, Nulllast) oder sogar der Reserdrehzahl) oberhalb eines gewissen Grenzwerts zu halten. Wäre dies möglich, stünde dem Bediener einer Gasturbine die größte Flexibilität der Bedienbarkeit zur Verfügung. Nach dem Stand der Technik wird ein ausgedehnter Turndown zum Beispiel durch eine Reduzierung der Einlassleitschaufeln erreicht. Auf diese Weise wird er Luftstrom zu der Brennkammer reduziert, und es können bei geringen Lasten höhere Temperaturen gehalten werden. Der Grenzwert, auf den der Luftstrom reduziert werden kann (und unterhalb dessen der Verdichter nicht arbeiten kann, denn es existieren auch mechanische Grenzen) begrenzt den Turndown. Stellen Sie sich jetzt eine Gasturbine gemäß der vorliegenden Erfindung vor, bei der die Kühlluft entweder von dem externen oder dem integrierten Verdichter geliefert werden kann. Bei dem minimalen Luftstrom des integrierten Verdichters wird der externe Verdichter abgestellt und die erforderliche Kühlung wird nun durch den integrierten Verdichter geliefert (durch die Aktivierung eines Regelventils). Dieses resultiert in einer weiteren Verringerung des Brennkammerluftstroms bei einem gleichbleibenden Verdichterluftstrom. Als Folge davon kann eine erhöhte Brennkammerausgangstemperatur bei geringeren Lasten beibehalten werden, und der Turndown wird erhöht.
Ein anderes Verfahren zur Erhöhung des Turndowns nach dem Stand der Technik ist die Anwendung von OBB (over board bleed – über Bord Ablassen). In diesem Fall wird der Turndown bei einem minimalen Verdichterluftstrom durch Ablassen eines Teils der verdichteten Luft in die Atmosphäre erhöht, um den Luftstrom zu dem Verdichter zu reduzieren und höhere Brennkammerausgangstemperaturen zu ermöglichen. Dies bedeutet für den Kunden offensichtlich einen beträchtlichen Verlust, da verdichtete Luft dem Zyklus verlorengeht. Unter der Annahme, dass die Verwendung der zusätzlichen Luft zur Kühlung zu einer erhöhten Komplexität führen würde, wird gemäß einer anderen, in 6 gezeigten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die verdichtete OBB-Luft 250 (die sonst an die Umgebung verloren wäre) in einer Turbine 252 (ähnlich den „Superchargers" genannten Verdichtern bei Kraftfahrzeugen) ausgedehnt, um einen Teil der Arbeit oder die gesamte Arbeit zu erzeugen, die erforderlich ist, um die Kühlluft in dem externen Verdichter 236 zu verdichten. Ein parallel geschalteter Elektromotor 238 könnte zur Kompensation eines Leistungsdefizits eingesetzt werden.
Als eine weitere Alternative zu dem oben Gesagten wird der externe Verdichter nur bei geringen Lasten für die Erhöhung des Turndowns genutzt. Daher wird im Normalbetrieb eine Konfiguration nach dem Stand der Technik wie in den 2–4 genutzt. Dann wird bei geringen Lasten OBB zum Antreiben eines kleinen externen Verdichters eingesetzt, um wie in 6 die Kühlluft zu liefern.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird die externe Luft (für alle Zwecke: Kühlung, Zerstäubung, Leistungserhöhung usw.) durch ein Reservoir geliefert. Dies würde eine enorme Flexibilität und enorme Optimierungsmöglichkeiten bieten. Zum Beispiel könnte jeder Verdichtertyp (darunter Hubkolbenverdichter oder Mischkombinationen) genutzt werden, während gleichzeitig die erforderlichen Parameter (Durchfluss, Druck, Temperatur, Stabilität) an den Maschinenanschlüssen beibehalten würden. Außerdem könnte die Wirtschaftlichkeit des Kraftwerks wesentlich verbessert werden. In vielen Fällen werden die Maschinen zyklisch betrieben. Die Leistung wird während der Spitzennachfrage (für gewöhnlich am Tag) bewertet, aber die Kunden können während der Nacht überschüssige Kapazitäten haben. Während der geringen Nachfrage ist der Strompreis niedrig oder die Kunden könnten gezwungen sein, auf die Nutzung des Elektrizitätsnetzes zu verzichten. Um die Spitzenstunden und Nachfrageschwankungen besser auszunutzen, entscheiden sich die meisten Kunden dafür, die Einheiten die Nacht über mit Verlust in einer Art „Parkmodus" (mit der geringst möglichen Last, das heißt, dem größten Turndown) laufen zu lassen. Die Verwendung eines externen Verdichters mit einem Spei chertank würde dem Kunden die Nutzung der zusätzlichen Kapazität ermöglichen, um die während des Tages erforderliche Luft zu erzeugen und den Stromverbrauch des externen Verdichters während der Spitzenstunden zu minimieren.
Daher wird gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ein System zur Speicherung und Rückgewinnung verdichteter Luft zur Verfügung gestellt und umfasst in der in 7 dargestellten Ausführungsform einen externen Verdichter 236, angetrieben durch einen Elektromotor 238, für die Zufuhr verdichteter Luft zu dem Speicher für verdichtete Luft 254 durch die Ladestruktur 256 in der Form von Leitungen.
Wie schematisch dargestellt, ist ein Auslass des Speichers für verdichtete Luft 254 fluidisch verbunden mit den Kühlluftzufuhrleitungen 226, 228, 230, die sich von dem integrierten Verdichter 210 zu der Turbine 214 erstrecken. In der dargestellten Ausführungsform ist ein Ventil 258 zwischen einem Auslass des Speichers für verdichtete Luft und den Zufuhrleitungen vorgesehen.
Der Speicher für verdichtete Luft kann eine unterirdische geologische Formation wie beispielsweise ein Salzstock, eine Salzlagerstätte, eine Grundwasserschicht sein oder kann aus Hartgestein bestehen. Alternativ kann der Luftspeicher 254 ein von Menschen hergestelltes Druckgefäß sein, dass oberirdisch zur Verfügung gestellt werden kann.
Wie in 7 dargestellt, kann ein Wärmetauscher 260 zwischen dem externen Verdichter 236 (oder Tank 254, wie es auch der Fall sein könnte) und der Turbine vor gesehen werden, um die Temperatur der Kühlmedien zu regeln. Die Wirksamkeit der Kühlung hängt vom Durchfluss und der Temperatur ab. Bei demselben Durchfluss, aber niedrigerer Temperatur könnte die Kühlwirkung erhöht sein. Dieses ermöglicht die Optimierung und Tradeoffs zwischen Stromverbrauch, Größe des Verdichters und variablen (reale Prozesszustände) Kühlanforderungen. Der Wärmetauscher könnte eine geschlossene oder offene Schleife sein.
Obwohl in den hier beschriebenen Ausführungsformen nur eine Gasturbinenanordnung gezeigt wird, ist ersichtlich, dass zahlreiche Gasturbinenanordnungen zur Verfügung gestellt und mit einem gemeinsamen externen Verdichter und/oder einem gemeinsamen Speicher für verdichtete Luft verbunden werden können, um den gewünschten Kühlluftstrom, vergrößerten Luftstrom und/oder die Leistungserhöhung zur Verfügung zu stellen.
Während die Erfindung in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben wurde, die gegenwärtig als die praktikabelste und bevorzugte Ausführungsform angesehen wird, versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf die offenbarte Ausführungsform beschränkt sein soll, sondern im Gegenteil verschiedene Abwandlungen und gleichwertige Anordnungen abdecken soll, wie sie in dem Geist und Anwendungsbereich der angefügten Ansprüche enthalten sind.
Eine landgestützte Gasturbinenvorrichtung umfasst einen integrierten Verdichter 210; eine Turbinenkomponente 214 mit einer Brennkammer 212, der Luft 218 von dem integrierten Verdichter und Brennstoff 220 zugeführt werden, und einen Generator 232, der zur Erzeugung von Elektrizität operativ mit der Turbine verbunden ist, wobei Teile von Heißgaskomponenten in der Turbinenkomponente ganz oder zumindest teilweise durch Kühlluft 242, 244, 246 oder andere Kühlmedien gekühlt werden, die durch einen externen Verdichter geliefert werden. Es wird auch ein Verfahren zur Verfügung gestellt, dass folgende Schritte umfasst: Zufuhr verdichteter Luft 218 zu der Brennkammer 212 von dem integrierten Verdichter 210 und Zufuhr zumindest eines Teils der Kühlluft 242, 244, 246 oder anderer Kühlmedien zu den Teilen des Heißgaswegs in der Turbinenkomponente 214 von einem externen Verdichter 236.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6389793 [0019]

Claims

Landgestützte Gasturbine, umfassend: einen integrierten Verdichter (210); eine Turbinenkomponente (214); eine Brennkammer (212), der Luft (218) von dem integrierten Verdichter und Brennstoff (220) zugeführt werden, wobei die Brennkammer dafür eingerichtet ist, der Turbinenkomponente (214) heiße Verbrennungsgase (222) zu liefern; einen Generator (232), der zur Erzeugung von Elektrizität operativ mit der Turbine verbunden ist, und einen externen Verdichter (236), der dafür eingerichtet und angeschlossen ist, die Heißgaskomponententeile in der Turbinenkomponente (214) mit Kühlluft (242, 244, 246) oder anderen Kühlmedien zu versorgen, wobei der externe Verdichter auch dafür eingerichtet und verbunden ist, selektiv Zerstäubungsluft (248) zu liefern, um den der Brennkammer zugeführten Brennstoff zu zerstäuben.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der externe Verdichter dafür eingerichtet und angeschlossen ist, eine Speicherkammer (254) mit verdichteter Luft zu versorgen, um die verdichtete Luft selektiv zu speichern, wobei ein Auslass der Speicherkammer für die Lieferung der verdichteten Luft als Kühlmedium von dem Speichertank zu den Heißgaswegkomponententeilen in der Turbinenkomponente angeschlossen ist.
Landgestützte Gasturbine nach Anspruch 2, wobei der Auslass der Speicherkammer mit den Kühlluftzufuhrleitungen, die sich von dem integrierten Verdichter zu der Turbine (214, 226, 228, 230) erstrecken, operativ verbunden ist.
Landgestützte Gasturbine nach Anspruch 2, ferner einen Wärmetauscher (260) zwischen der Speicherkammer (254) und der Turbine umfassend, um die Temperatur des Kühlmediums zu regeln.
Landgestützte Gasturbine nach Anspruch 2, ferner ein Ventil (258) zwischen einem Auslass der Speicherkammer (254) für verdichtete Luft und der Turbine (214) zur selektiven Regelung des Stroms des Kühlmediums von der Speicherkammer für verdichtete Luft dorthin umfassend.
Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner eine externe Turbine (252) zur Erzeugung zumindest eines Teils der Arbeit umfassend, die zur Verdichtung der Kühlluft in dem externen Verdichter (236) erforderlich ist, wobei der integrierte Verdichter (210) mit der externen Turbine (252) operativ verbunden ist, um der externen Turbine selektiv verdichtete Luft (250) aus dem integrierten Verdichter zuzuführen.
Landgestutzte Gasturbine nach Anspruch 6, ferner einen elektrischen Motor (238) umfassend, der mit der externen Turbine (252) in Reihe geschaltet ist, um selektiv den externen Verdichter (236) zu betreiben.
Verfahren zur Sicherstellung der Spitzenleistungskapazität eines landgestutzten Gasturbinenkraftwerks mit einem integrierten Verdichter (210), einer Turbinenkomponente (214), einer Brennkammer (212) und einem Generator (232), wobei Teile des Heißgaswegs in der Turbinenkomponente durch Kühlluft gekühlt werden und das Verfahren umfasst: a) die Zufuhr verdichteter Luft (218) von dem integrierten Verdichter (210) zu der Brennkammer (212); b) die Zufuhr von Kühlluft (242, 244, 246) oder eines anderen Kühlmediums von einem externen Verdichter (236) zu den Teilen des Heißgaswegs in der Turbinenkomponente (214) und c) die Zufuhr verdichteter Luft (248) von dem externen Verdichter, um der Brennkammer (212) zugeführten Brennstoff zu zerstäuben.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt (b) die Zufuhr verdichteter Luft von dem externen Verdichter zu einer Speicherkammer (254) und die selektive Zufuhr der verdichteten Luft aus der Speicherkammer zu den Teilen des Heißgaswegs in der Turbinenkomponente umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, ferner die Regelung der Temperatur der verdichteten Luft, die von der Speicherkammer der Turbinenkomponente zugeführt wird, mit einem Wärmetauscher (260), der zwischen der Speicherkammer (254) und der Turbinenkomponente (214) angeordnet ist, umfassend.