DE102009044409A1

DE102009044409A1 - Parallele Turbinenanordnung und Verfahren

Info

Publication number: DE102009044409A1
Application number: DE102009044409A
Authority: DE
Inventors: Kevin Worley
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-11-07
Filing date: 2009-11-03
Publication date: 2010-05-12
Also published as: CN101737164A; US20100115912A1; JP2010112378A

Abstract

Es ist eine parallele Turbinenanordnung (100) offenbart, die einen Verdichter (110) und eine erste Turbine (120) in betriebsfähiger Verbindung mit dem Verdichter (110) sowie eine zweite Turbine (130) in betriebsfähiger Verbindung mit dem Verdichter (110) enthält.

Description

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Der hierin beschriebene Gegenstand betrifft Gasturbinen. Insbesondere betrifft der Gegenstand eine parallele Gasturbinenanordnung.
Eine typische Gasturbine treibt einen Generator an, der Leistung zu einem elektrischen Energieversorgungsnetz liefert. Die Drehzahl der Turbine ist auf eine Frequenz des Netzes festgelegt. Diese Netzfrequenz bleibt verhältnismäßig konstant und beträgt in den Vereinigten Staaten von Amerika 60 Hz. Während Überlastungszustände des Netzes beginnt jedoch die Netzfrequenz abzufallen. Der Abfall wird durch Steuersysteme an Kraftwerken erfasst, die die Energieerzeugung schnell steigern und zu dem Netz liefern, um weitere Abfälle der Netzfrequenz zu reduzieren. Während derartiger Frequenzabfälle verringern jedoch mit dem Netz verbundene Turbinen ihre Drehzahl und bleiben synchron zu der Netzfrequenz. Diese Drehzahlreduktion der Turbine verlangsamt einen Verdichter, der durch die Turbine drehend angetrieben ist, und reduziert folglich den Luftdurchsatz durch die Turbine. Dieser reduzierte Luftdurchsatz durch die Turbine reduziert die Effizienz und Energieerzeugung durch die Turbine in Zeiten, in denen sie in hohem Maße benötigt wird.
Infolge dieser Grundsätze ist die Technik stets gegenüber Turbinenanordnungen mit erhöhter Leistungsabgabe, Flexibilität und Effizienz empfänglich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt der Erfindung enthält eine parallele Turbinenanordnung einen Verdichter und eine erste Turbine in betriebsfähiger bzw. Wirkverbindung mit dem Verdichter sowie eine zweite Turbine, die mit dem Verdichter in betriebsfähiger Verbindung bzw. Wirkverbindung steht.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält ein Verfahren zur Steigerung der betrieblichen Flexibilität eines Kraftwerks ein Komprimieren eines Fluids zu einem komprimierten Fluidfluss, ein Aufteilen des komprimierten Fluidflusses in einen ersten Strom und einen zweiten Strom, ein Speisen einer ersten Turbine mit dem ersten Strom und ein Speisen einer zweiten Turbine mit dem zweiten Strom.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt der Erfindung enthält eine parallele Turbinenanordnung einen Verdichter mit einem Verdichteraustrittsfluss, der in mehrere (wenigstens zwei) Ströme aufgeteilt wird, wobei jeder der mehreren Ströme mit einer gesonderten Turbine in betriebsfähiger Verbindung steht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Der Gegenstand, der als die Erfindung angesehen wird, ist in den Ansprüchen am Schluss der Beschreibung besonders angegeben und deutlich beansprucht. Das Vorstehende sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung offensichtlich, in der zeigt:
1 eine schematisierte Ansicht einer parallelen Turbinenanordnung, wie sie hierin offenbart ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Eine detaillierte Beschreibung der hier nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen der offenbarten Vorrichtung und des offenbarten Verfahrens wird hierin unter Bezugnahme auf die Figur zu Zwecken einer beispielhaften Erläuterung und keiner Beschränkung angegeben.
Bezugnehmend auf 1, ist dort eine Ausführungsform einer parallelen Turbinenanordnung 100 veranschaulicht. Die Turbinenanordnung 100 enthält einen einzigen Verdichter 110, der Luft zu zwei gesonderten Turbinen 120, 130 zuführt. Das Vorsehen der beiden gesonderten Turbinen 120, 130, die mit einen einzigen Verdichter 110 arbeiten, ermöglicht einer der Turbinen, der Turbine 120, mit dem Verdichter 110 rotationssynchron umzulaufen, während die andere Turbine 130, die einen Generator 300 in Drehung versetzt, rotationssynchron zu der Frequenz eines Energieversorgungsnetzes 140 umläuft. Dies ermöglicht der Rotation des Verdichters 110 und der Frequenz des Energieversorgungsnetzes 140, völlig unabhängig voneinander zu sein. Diese Entkopplung des Verdichters 110 von dem Energieversorgungsnetz 140 ermöglicht dem Verdichter 110 und der Turbine 120, unabhängig von Bedingungen, wie beispielsweise der Frequenz des Energieversorgungsnetzes 140, der Umgebungstemperatur und der Dichte eines Verdichtereintrittsfluids 150, näher an ihrem höchsten rotationsabhängigen Wirkungsgrad zu arbeiten.
Ein Betreiben der beiden Turbinen 120, 130 mit dem einzigen Verdichter 110 enthält ein Führen und Dosieren eines Fluids von dem Verdichter 110 zu jeder der beiden Turbinen 120, 130. Das Führen und Dosieren des komprimierten Fluidflusses 160 enthält ein Aufteilen des komprimierten Fluidflusses 160 in mehrere (wenigstens zwei) Ströme 170, 180, die durch eine entsprechende Anzahl von Kanälen 190 verlaufen. In der in 1 veranschaulichten Ausführungsform speist ein erster Strom 170 eine erste Brennkammer 210, die wiederum eine erste Turbine 120 speist. In ähnlicher Weise speist ein zweiter Strom 180 eine zweite Brennkammer 220, die wiederum eine zweite Turbine 130 speist. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine Zweiturbinenanordnung beschränkt und kann eine beliebige Anzahl parallel arbeitender Turbinen enthalten. Außerdem können die Ströme 170, 180, im Wesentlichen gleiche Volumenströme oder deutlich unterschiedliche Volumenströme aufweisen. Es ist zu verstehen, dass die Volumenströme der Ströme 170, 180, für spezielle Anwendungen angepasst bzw. passend „konfektioniert” werden können, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.
Wenigstens eine Dosiervorrichtung 230 bietet einem Bediener die Flexibilität, den Volumenstrom des komprimierten Fluidflusses 160, der in jede der Turbinen 120, 130 einströmt, passend zu konfektionieren. Die Dosiervorrichtung 230 teilt den Fluidfluss 160 zwischen die beiden Kanäle 190 auf. Die Dosiervorrichtung 230 kann ein Ventil, eine Drossel, ein Leitblech, eine Klappe oder jeder beliebige sonstige Mechanismus zur Einstellung des Volumenstroms des komprimierten Fluidflusses 160 sein. Die parallele Turbinenanordnung 100 kann auch eine beliebige Anzahl der Dosiervorrichtungen 230 enthalten, um den komprimierten Fluidfluss 160, der in die entsprechenden Kanäle 190 einströmt, einzustellen bzw. zu regeln.
In der hierin beschriebenen Ausführungsform läuft die erste Turbine 120 in Rotationssynchronität mit dem Verdichter 110 um und versorgt den Verdichter 110 mit Leistung. Somit wird die erste Turbine 120 hierin auch als eine Verdichterturbine 120 bezeichnet. Die Verdichterturbine 120 ist durch den ersten Strom 170 gespeist, der hierin als der Verdichterturbinenstrom 170 bezeichnet wird. Es ist jedoch zu verstehen, dass die Ver dichterturbine 120 außerdem konfiguriert werden kann, um Leistung zu anderen Vorrichtungen als dem Verdichter 110 zu liefern. Ferner dreht die zweite Turbine 130 den Generator 300 drehsynchron zu dem Energieversorgungsnetz 140 und liefert zu dem Energieversorgungsnetz 140 Leistung. Somit ist die zweite Turbine 130, die hierin auch als eine Ausgangsturbine 130 bezeichnet wird, durch den zweiten Strom 180 gespeist, der auch als der Ausgangsturbinenstrom 180 bezeichnet wird. Das Energieversorgungsnetz 140 enthält ein System zur Verteilung von Elektrizität zu Verbrauchern. Jedoch sollte es verständlich sein, dass die Ausgangsturbine 130 konfiguriert sein könnte, um Leistung zu jeder beliebigen sonstigen Ausgangsquelle oder -vorrichtung, die sich von dem Generator 300/Energieversorgungsnetz 140 unterscheidet, oder zusätzlich zu dem Generator 300/Energieversorgungsnetz 140 zu liefern.
Die vorstehende Einstellbarkeit des Verdichterturbinenstroms 170 und des Ausgangsturbinenstroms 180 ermöglicht unter anderem einem Betreiber, die Drehzahl und Energieerzeugung jeder der Turbinen 120, 130 unabhängig voneinander zu konfigurieren. Die Drehzahl der Ausgangsturbine 130 und des Generators 300 lässt sich auf eine Netzfrequenz des Energieversorgungsnetzes 140 festsetzen. Die Netzfrequenz ist die Frequenz, bei der Wechselstrom-Elektrizität von einem Kraftwerk bzw. einer Energieerzeugungsanlage über das Energieversorgungsnetz 140 zu einem Benutzer übertragen wird. Das Energieversorgungsnetz 140 bestimmt die Netzfrequenz, und jedes Kraftwerk muss Leistung zu dem Netz bei dieser Frequenz liefern. Hierin offenbarte Ausführungsformen ermöglichen es, dass die Drehzahl der Verdichterturbine 120 unabhängig von der Netzfrequenz konfiguriert werden kann. Diese Entkopplung ermöglicht es, die Drehzahl des Verdichters 110 und die gesamte Leistungsabgabe der parallelen Turbinenanordnung 100 unabhängig von der Netzfrequenz des Energieversorgungsnetzes 140 zu konfigurieren. An sich kann die Drehzahl des Verdichters 110 unabhängig von jeder Beziehung zu der Netzfrequenz erhöht oder verringert werden. Diese Entkopplung ermöglicht ferner einem Betreiber, eine konstante oder sogar erhöhte Ausgangsleistung aus der parallelen Turbinenanordnung 100 selbst während derjenigen Zeiträume zu erzeugen, in denen die Netzfrequenz abfällt. Dies ermöglicht auch eine größere gesamte Betriebsflexibilität und -effizienz der parallelen Turbinenanordnung 100.
Weitere Betriebseffizienzen können durch Führen von Abgas aus den beiden Turbinen 120, 130 zu einem Abhitzedampferzeuger 240 erzielt werden. Der Abhitzedampferzeuger 240 gewinnt aus einem verbrannten Ausgangsstrom 250 Wärme wieder, um Dampf 260 zum Antreiben einer (nicht veranschaulichten) Dampfturbine zu erzeugen. Diese Kombination der parallelen Turbinenanordnung 100 mit dem Abhitzedampferzeuger 240 wird als ein Kombizyklus-Kraftwerk oder Kombikraftwerk bezeichnet. In einer Ausführungsform enthält wenigstens einer der Ausgangsströme 250 ein Bypassventil 270, das konfiguriert ist, um dem Verbrennungsausgangsstrom 250 zu ermöglichen, den Abhitzedampferzeuger 240 zu umströmen. Die Bypassöffnung 270 kann ein Ventil, eine Drossel, eine Leitplatte, eine Klappe, eine Tür oder jeder beliebige sonstige Mechanismus zur Einstellung des Volumendurchflusses des Ausgangsstroms 250 sein.
In einer anderen Ausführungsform nutzen wenigstens zwei der Turbinen 120, 130 gemeinsame Teile. Beispielsweise können die beiden Turbinen 120, 130 eine gemeinsame Brennkammer-Verwirbelungsdüse, ein gemeinsames Übergangsstück, ein gemeinsames Verdichteraustrittsrohr, eine gemeinsame Turbinenlaufschaufel oder jede beliebige sonstige Komponente nutzen. Die Nutzung der gleichen Komponenten ermöglicht durch Massenproduktion getriebene Kostenersparnisse. Außerdem können die Turbinen 120, 130 eine kleinere Größe haben und dadurch weniger Betriebsbelastungen ausgesetzt sein als ein entsprechendes Einzelturbinensystem, das die gleiche gesamte Leistungsabgabe aufweist. Zentrifugalbelastungen an den Turbinenlaufschaufeln (nicht veranschaulicht) stellen eine derartige Last dar, die durch Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung reduziert wird.
Es sind hier Elemente der Ausführungsformen entweder mit dem Artikel „ein” oder mit dem Artikel „eine” eingeführt worden. Die Artikel sollen bedeuten, dass es ein oder mehrere der Elemente gibt. Die Ausdrücke „enthalten” und „aufweisen” und ihre abgeleiteten Ausdrücke sollen einschließlich bedeuten, so dass es weitere Elemente außer den angegebenen geben kann. Die Verknüpfung „oder”, wenn sie mit einer Auflistung von wenigstens zwei Ausdrücken verwendet wird, soll jeden Ausdruck oder eine Kombination der Ausdrücke bedeuten. Die Ausdrücke „erste(r, s)” und „zweite(r, s)” werden verwendet, um Elemente voneinander zu unterscheiden, und sie werden nicht dazu verwendet, eine bestimmte Reihenfolge zu bezeichnen.
Während die Erfindung in Einzelheiten in Verbindung mit lediglich einer begrenzten Anzahl von Ausführungsformen beschrieben worden ist, sollte es ohne weiteres verständlich sein, dass die Erfindung nicht auf derartige offenbarte Ausführungsformen beschränkt ist. Vielmehr kann die Erfindung modifiziert werden, um jede beliebige Anzahl von Veränderungen, Anpassungen, Ersetzungen oder äquivalenten Anordnungen, die hier vorstehend nicht beschrieben sind, die jedoch mit dem Rahmen und Schutzumfang der Erfindung vereinbar sind, zu enthalten. Außerdem ist es zu verstehen, dass, während verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben worden sind, Aspekte der Erfindung lediglich einige der beschriebenen Ausführungsformen enthalten können. Demgemäß ist die Erfindung nicht als durch die vorstehende Beschreibung beschränkt anzu sehen, sondern sie ist nur durch den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche beschränkt.
Es ist eine parallele Turbinenanordnung 100 offenbart, die einen Verdichter 110 und eine erste Turbine 120 in betriebsfähiger Verbindung mit dem Verdichter 110 sowie eine zweite Turbine 130 in betriebsfähiger Verbindung mit dem Verdichter 110 enthält.

100: Parallele Turbinenanordnung
110: Verdichter
120: Erste Turbine/Verdichterturbine
130: Zweite Turbine/Ausgangsturbine
140: Energieversorgungsnetz
150: Verdichtereinlassfluid
160: Komprimierter Fluidfluss
170: Erster Strom/Verdichterturbinenstrom
180: Zweiter Strom/Ausgangsturbinenstrom
190: Kanal
210: Erste Brennkammer
220: Zweite Brennkammer
230: Dosiervorrichtung
240: Abhitzedampferzeuger
250: Ausgangsstrom
260: Dampf
270: Bypassöffnung
300: Generator

Claims

Parallele Turbinenanordnung (100), die aufweist: einen Verdichter (110); eine erste Turbine (120) in betriebsfähiger Verbindung mit dem Verdichter (110); und eine zweite Turbine (130) in betriebsfähiger Verbindung mit dem Verdichter (110).
Parallele Turbinenanordnung (100) nach Anspruch 1, wobei die erste Turbine (120) konfiguriert ist, um Leistung zu dem Verdichter (110) zu liefern.
Parallele Turbinenanordnung (100) nach Anspruch 1, wobei die zweite Turbine (130) konfiguriert ist, um Leistung zu einem Generator (300) zu liefern, der elektrische Leistung zu einem elektrischen Energieversorgungsnetz (140) liefert.
Parallele Turbinenanordnung (100) nach Anspruch 1, wobei die erste Turbine (120) eine konfigurierbare erste Turbinenbetriebsdrehzahl aufweist und die zweite Turbine (130) eine konfigurierbare zweite Turbinenbetriebsdrehzahl aufweist, wobei die erste Turbinenbetriebsdrehzahl und die zweite Turbinenbetriebsdrehzahl unabhängig voneinander konfigurierbar sind.
Parallele Turbinenanordnung (100) nach Anspruch 4, wobei die erste Turbinenbetriebsdrehzahl unabhängig von der Frequenz eines Energieversorgungsnetzes (140) konfigurierbar ist.
Parallele Turbinenanordnung (100) nach Anspruch 4, wobei die zweite Turbinebetriebsdrehzahl auf eine Frequenz eines Energieversorgungsnetzes (140) festsetzbar ist.
Parallele Turbinenanordnung (100) nach Anspruch 1, die ferner eine Dosiervorrichtung (230) zur Einstellung einer Menge eines Flusses (160) in wenigstens eine von der ersten Turbine (120) und der zweiten Turbine (130) aufweist.
Verfahren zur Steigerung der Betriebsflexibilität eines Kraftwerks, das aufweist: Komprimieren eines Fluids (150) zu einem komprimierten Fluidfluss (160); Aufteilen des komprimierten Fluidflusses (160) in einen ersten Strom (170) und einen zweiten Strom (180); Speisen einer ersten Turbine (120) mit dem ersten Strom (170) und Speisen einer zweiten Turbine (130) mit dem zweiten Strom (180).
Verfahren zur Steigerung der Betriebsflexibilität eines Kraftwerks nach Anspruch 8, das ferner ein Konfigurieren der ersten Turbine (120) mit einer ersten Turbinenbetriebsdrehzahl und ein Konfigurieren der zweiten Turbine (130) mit einer zweiten Turbinenbetriebsdrehzahl aufweist, wobei die erste Turbinenbetriebsdrehzahl und die zweite Turbinenbetriebsdrehzahl unabhängig voneinander konfigurierbar sind.
Parallele Turbinenanordnung (100), die aufweist: einen Verdichter (110) mit einem Verdichteraustrittsfluss (160), der in eine Anzahl von Strömen (170, 180) aufgeteilt ist, wobei jeder der Anzahl von Strömen (170, 180) in betriebsfähiger Verbindung mit einer gesonderten Turbine (120, 130) steht.