DE10231827B4 - Method for operating a gas turbine and gas turbine for carrying out the method - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine mit mindestens einem Verdichter (2) und mindestens einer Turbine (4), bei der in einem Ansaugkanal (1) des Verdichters (2) zumindest eine Booster-Stufe (3) und zusätzlich eine Konditioniervorrichtung (7) zur Konditionierung von Ansaugluft im Ansaugkanal (1) angeordnet sind, mit einem Abgaskanal (6) und einem Abhitzekessel (5) zwischen der Turbine (4) und dem Abgaskanal (6), bei welchem Verfahren die Booster-Stufe (3) und die Konditioniervorrichtung (7) in Abhängigkeit von den konkreten Betriebsbedingungen einzeln oder in Kombination betrieben werden, wobei bei einem hohen Leistungsbedarf oder bei der Notwendigkeit zur Bereitstellung von Reserveleistung die Booster-Stufe (3) und die Konditioniervorrichtung (7) gleichzeitig betrieben werden, dadurch gekennzeichnet, dass im Teillastbereich mittels der Booster-Stufe (3) der Ansaugdruck am Verdichter (2) abgesenkt wird.Method for operating a gas turbine with at least one compressor (2) and at least one turbine (4), in which at least one booster stage (3) and additionally a conditioning device (7) for conditioning in an intake duct (1) of the compressor (2) of intake air are arranged in the intake channel (1), with an exhaust gas channel (6) and a waste heat boiler (5) between the turbine (4) and the exhaust gas channel (6), in which method the booster stage (3) and the conditioning device (7 ) are operated individually or in combination depending on the specific operating conditions, with the booster stage (3) and the conditioning device (7) being operated simultaneously when there is a high power requirement or when there is a need to provide reserve power, characterized in that in the partial load range the suction pressure at the compressor (2) is reduced by means of the booster stage (3).

Description

Technisches AnwendungsgebietTechnical application

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine mit mindestens einem Verdichter und mindestens einer Turbine, bei der in zumindest einem Ansaugkanal des Verdichters eine Booster-Stufe und eine Konditioniervorrichtung zur Konditionierung der Ansaugluft angeordnet sind sowie eine Gasturbine zur Durchführung des Verfahrens.The present invention relates to methods for operating a gas turbine with at least one compressor and at least one turbine, in which a booster stage and a conditioning device for conditioning the intake air are arranged in at least one intake passage of the compressor and a gas turbine for carrying out the method.

Die Erfindung lässt sich in vielen technischen Bereichen einsetzen, beispielsweise als Kompressorantrieb oder in einer Gasturbinen- oder Kombianlage zur Energieerzeugung unter Normalbedingungen sowie insbesondere bei wechselnden Umgebungsbedingungen oder besonderen Netzanforderungen. An derartige Anlagen werden hohe Anforderungen hinsichtlich des Wirkungsgrades und der erbrachten Leistung gestellt.The invention can be used in many technical fields, for example as a compressor drive or in a gas turbine or combined plant for power generation under normal conditions and in particular under changing environmental conditions or special network requirements. At such systems high demands are made in terms of efficiency and performance.

Stand der TechnikState of the art

Bei der Leistungs- und Wirkungsgradsteigerung von Gasturbinen werden unterschiedliche Konzepte verfolgt.In terms of increasing the efficiency and efficiency of gas turbines, different concepts are pursued.

So ist aus der US 3,979,903 eine Gasturbine bekannt, bei der im Ansaugkanal des Verdichters eine Booster-Stufe (sog. Air-Intake-Booster) mit einem Booster-Gebläse angeordnet ist. Dieses Booster-Gebläse wird mit annähernd konstanter Leistung über eine separate Turbine angetrieben und ermöglicht eine Leistungssteigerung der Gasturbine.So is out of the US 3,979,903 a gas turbine known in which in the intake passage of the compressor, a booster stage (so-called. Air-Intake Booster) is arranged with a booster blower. This booster blower is driven by a separate turbine with approximately constant power and allows a performance increase of the gas turbine.

Durch den Betrieb dieses Booster-Gebläses wird der Ansaugdruckverlust über den Luftansaugkanal verringert bzw. der Druck am Verdichtereintritt der Gasturbine erhöht. Dies führt zu einer Erhöhung des Ansaug-Luftmassenstroms, aus dem eine Leistungserhöhung der Gasturbine resultiert. Ein solches Booster-Gebläse kann in Spitzenlastzeiten oder bei Notwendigkeit der Bereitstellung einer zusätzlichen Reserveleistung eingesetzt werden. Weiterhin können durch den Betrieb dieses Booster-Gebläses jahreszeitliche, standort- und klimatisch bedingte Einflüsse auf die Leistung der Gasturbine ausgeglichen werden.The operation of this booster blower reduces the intake pressure loss via the air intake duct or increases the pressure at the compressor inlet of the gas turbine. This leads to an increase in the intake air mass flow, resulting in a power increase of the gas turbine. Such a booster blower can be used during peak load periods or when additional reserve power is required. Furthermore, can be compensated by the operation of this booster blower seasonal, location and climatic influences on the performance of the gas turbine.

Eine weitere Möglichkeit zur Leistungssteigerung einer Gasturbine besteht in der Anordnung von einem oder mehreren Booster-Gebläsen im Abgaskanal der Turbine. Diese sog. Exhaust-Gas-Booster führen zu einer Absenkung des Druckes im Abgaskanal und somit zu einer Vergrösserung des Expansionsgefälles der aus der Turbine austretenden Heissgase. Die Vergrösserung des Expansionsgefälles resultiert wiederum in einer Leistungssteigerung der Gasturbine. Die Booster-Gebläse im Abgaskanal können, wie auch die Air-Intake-Booster, in Spitzenlastzeiten sowie bei Notwendigkeit der Bereitstellung einer zusätzlichen Reserveleistung zugeschaltet werden. Sie können ebenso zum Ausgleich jahreszeitlich, standort- und klimatisch bedingter Einflüsse auf die Leistung der Gasturbine eingesetzt werden.Another way to increase the performance of a gas turbine is the arrangement of one or more booster blowers in the exhaust duct of the turbine. These so-called exhaust gas boosters lead to a reduction in the pressure in the exhaust gas channel and thus to an increase in the expansion gradient of the hot gases emerging from the turbine. The increase in the expansion gradient, in turn, results in a power increase of the gas turbine. The booster fans in the exhaust duct, as well as the air-intake boosters, can be switched on during peak load periods as well as when additional reserve power is required. They can also be used to compensate for seasonal, location and climatic influences on the performance of the gas turbine.

Einen anderen Weg geht die EP 0 945 607 A2 zur Leistungssteigerung einer Kombianlage. In dieser Druckschrift wird vorgeschlagen, die Ansaugluft für den Verdichter vor dem Eintritt in den Verdichter mit einem speziellen Kühlsystem zu kühlen. Durch diese Kühlung erhöht sich die Dichte der angesaugten Luft und somit der Luftmassenstrom, so dass daraus eine Leistungssteigerung der Gasturbine resultiert.Another way is the EP 0 945 607 A2 to increase the performance of a combined plant. In this document, it is proposed to cool the intake air for the compressor before entering the compressor with a special cooling system. This cooling increases the density of the intake air and thus the air mass flow, resulting in an increase in output of the gas turbine.

Bei einer derartigen Anlage entsteht jedoch aufgrund der für die Kühlung der Ansaugluft erforderlichen konstruktiven Massnahmen ein Druckverlust im Ansaugkanal, der unabhängig von der Wirkung des konkreten Systems zu einer Leistungsminderung der Anlage führt.In such a system, however, arises due to the necessary for the cooling of the intake air constructive measures a pressure drop in the intake passage, which leads regardless of the effect of the specific system to a reduction in performance of the system.

Die Schrift US 4667465 beschreibt eine Gasturbinenanlage, die in erster Linie auf eine Verminderung der NOx-Emissionen, darüber hinaus aber auch auf eine Leistungssteigerung gerichtet ist. Zu diesem Zwecke ist im Luftansaugkanal der Gasturbine eine Kühleinrichtung für die Ansaugluft in Form einer Wasservernebelungsanlage („Fogging-Subsystem”) angeordnet. Durch Verdunstung des eingesprühten Wassernebels wird einerseits der Ansaugluft Wärme entzogen und dadurch deren Massenstrom erhöht, und andererseits vermindert der Wasserdampf die Flammentemperatur in der Brennkammer.The font US 4667465 describes a gas turbine plant, which is directed primarily to a reduction of NO x emissions, but also to an increase in performance. For this purpose, a cooling device for the intake air in the form of a water misting system ("fogging subsystem") is arranged in the air intake duct of the gas turbine. By evaporation of the sprayed water mist on the one hand, the intake air heat is removed, thereby increasing the mass flow, and on the other hand, the water vapor reduces the flame temperature in the combustion chamber.

Ergänzend angeordnete Wärmeübertragungsschlangen sollen die Vereisungsgefahr in diesem Bereich vermindern und ermöglichen die Zugabe eines höheren Wasseranteils.Supplementary arranged heat transfer coils to reduce the risk of icing in this area and allow the addition of a higher water content.

Zum Ausgleich des Druckverlusts im Ansaugkanal ist dem „Fogging-Subsystem” ein Gebläse vorgeschaltet.To compensate for the pressure loss in the intake channel, a fan is connected upstream of the "fogging subsystem".

Weiterhin ist bei einem derartigen System der Betriebsbereich, in dem eine merkliche Leistungssteigerung erreicht wird, in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen begrenzt. So kann beispielsweise eine Kühlung der Ansaugluft bei tiefen Aussentemperaturen kaum noch nennenswerte Effekte bringen bzw. bereits die Auslegungsgrenzen des Systems überschreiten. Eine weitere Alternative zur Leistungssteigerung, basierend auf einer Kühlung der Ansaugluft, stellt die Schrift US 6012279 vor. Danach erfolgt die Verdichtung der Ansaugluft in zwei Kompressionsstufen mit einer dazwischengeschalteten Kühlstufe. Die Ansaugluft durchläuft zunächst einen ersten Verdichter („Low Pressure Compressor”), an dessen Ausgang wird ein Teil oder der gesamte Luftstrom in einen Zwischenkühler eingeleitet, wo er einen Teil seiner Kompressionswärme an ein Kühlmittel, vorzugsweise ein Prozessmedium, abgibt. Anschließend wird die Luft in einem zweiten Verdichter („High Pressure Compressor”) auf Arbeitsdruck verdichtet und der Brennkammer zugeführt. Bei dem ersten und zweiten Verdichter kann es sich um zwei getrennte Verdichter handeln oder um zwei Verdichterstufen innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses.Furthermore, in such a system, the operating range in which a significant increase in performance is achieved is limited depending on the environmental conditions. For example, a cooling of the intake air at low outside temperatures hardly bring any significant effects or already exceed the design limits of the system. Another alternative to increase performance, based on cooling the intake air, is the font US 6012279 in front. Thereafter, the compression of the intake air takes place in two compression stages with an intermediate cooling stage. The intake air initially passes through a first compressor ("Low Pressure Compressor") the output of which a part or all of the air flow is introduced into an intercooler, where it delivers part of its heat of compression to a coolant, preferably a process medium. Subsequently, the air is compressed in a second compressor ("High Pressure Compressor") to working pressure and fed to the combustion chamber. The first and second compressors may be two separate compressors or two compressor stages within a common housing.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Ausgehend von diesem bekannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine sowie eine Gasturbine bereitzustellen, die einen verbesserten Wirkungsgrad im Teillastbereich, insbesondere im unteren Teillastbereich, ermöglichen.Based on this known prior art, the present invention has the object to provide a method for operating a gas turbine and a gas turbine, which allow improved efficiency in the partial load range, especially in the lower part load range.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine gemäß Patentanspruch 1 sowie eine Gasturbine gemäß Anspruch 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Gasturbine sind Gegenstand der Unteransprüche.This object is achieved by a method for operating a gas turbine according to claim 1 and a gas turbine according to claim 5. Advantageous embodiments of the method and the gas turbine are the subject of the dependent claims.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine, die beispielsweise in einer Gasturbinen- oder Kombianlage eingesetzt werden kann und in bekannter Weise mit mindestens einem Verdichter zur Verdichtung angesaugter Verbrennungsluft sowie mindestens einer Turbine ausgestattet ist und zumindest eine Booster-Stufe (Air-Intake-Booster) und eine Konditioniervorrichtung zur Konditionierung von Ansaugluft im Ansaugkanal des Verdichters, sowie einen Abgaskanal und einen Abhitzekessel zwischen Turbine und Abgaskanal aufweist, und bei welchem Verfahren die Booster-Stufe und die Konditioniervorrichtung einzeln oder in Kombination betrieben werden, wobei bei hohem Leistungsbedarf oder bei der Notwendigkeit zur Bereitstellung von Reserveleistung die Booster-Stufe und die Konditioniervorrichtung gleichzeitig betrieben werden, zeichnet sich dadurch aus, dass im Teillastbereich mittels der Booster-Stufe der Ansaugdruck am Verdichter abgesenkt wird.The inventive method for operating a gas turbine, which can be used for example in a gas turbine or combined plant and is equipped in a known manner with at least one compressor for compressing sucked combustion air and at least one turbine and at least one booster stage (Air-Intake Booster) and a conditioning device for conditioning intake air in the intake passage of the compressor, as well as an exhaust passage and a waste heat boiler between the turbine and the exhaust passage, and in which method the booster stage and the conditioner are operated singly or in combination, with high power requirement or necessity To provide reserve power, the booster stage and the conditioning device are operated simultaneously, characterized by the fact that in the partial load range by means of the booster stage, the suction pressure at the compressor is lowered.

Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsart erfolgt die Absenkung des Ansaugdruckes durch Verringern des Strömungsquerschnittes mittels verstellbarer Lüfterblätter der Booster-Stufe.According to a first preferred embodiment, the lowering of the suction pressure by reducing the flow cross-section is carried out by means of adjustable fan blades of the booster stage.

Gemäß einer alternativen Ausführungsart wird der Ansaugdruck durch Rückwärtslauf der Booster-Stufe abgesenkt.According to an alternative embodiment, the suction pressure is lowered by rewinding the booster stage.

Die Senkung des Ansaugdrucks am Verdichter bietet den Vorteil, mit sinkendem Luftmassenstrom bei gleicher Leistung höhere Prozesstemperaturen fahren zu können. Dies führt neben einer Anhebung des Teillastwirkungsgrades zu einer Verringerung der Emissionen.Reducing the intake pressure at the compressor offers the advantage of being able to drive higher process temperatures with decreasing air mass flow while maintaining the same performance. In addition to an increase in the partial load efficiency, this leads to a reduction in emissions.

Eine Gasturbine zur Durchführung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die zumindest eine Booster-Stufe mit verstellbaren Lüfterblättern ausgerüstet ist oder die Booster-Stufe im Rückwärtslauf betrieben wird.A gas turbine for carrying out the method is characterized in that the at least one booster stage is equipped with adjustable fan blades or the booster stage is operated in reverse.

Die Booster-Stufe und die Konditioniervorrichtung werden beim Betrieb der Gasturbine in Abhängigkeit von den konkreten Betriebsbedingungen einzeln oder in Kombination betrieben. Bei einem hohen Leistungsbedarf bzw. bei der Notwendigkeit zur Bereitstellung von Reserveleistung werden die Booster-Stufe und die Konditioniervorrichtung gleichzeitig betrieben. Im Normalbetrieb können Booster-Stufe und Konditioniervorrichtung derart aufeinander abgestimmt betrieben werden, dass eine möglichst wirtschaftliche Betriebsweise bei gegebener Leistung erreicht wird. In Schwachlastzeiten erfolgt der Betrieb von Booster-Stufe und Konditioniervorrichtung unter der Massgabe eines hohen Teillastwirkungsgrades.The booster stage and the conditioning device are operated individually or in combination during operation of the gas turbine depending on the specific operating conditions. With a high power requirement or the need to provide reserve power, the booster stage and the conditioning device are operated simultaneously. In normal operation, booster stage and conditioning device can be operated in such a coordinated manner that the most economical operation possible for a given performance is achieved. During off-peak hours, the booster stage and conditioner operate under the conditions of high partial load efficiency.

Die zumindest eine Booster-Stufe kann im Hauptansaugkanal oder auch in Bypasskanälen zum Hauptansaugkanal angeordnet sein. Die Booster-Stufe kann jeweils aus einem (grossen) oder mehreren (kleinen) Booster-Gebläsen aufgebaut sein. Die einzelnen Booster-Gebläse einer jeweiligen Booster-Stufe können im Bezug auf die Ansaugluft in Reihen- oder Parallelschaltung angeordnet sein. Die Anordnung der Booster-Gebläse ist unabhängig von Einbauten im Ansaugkanal, wie beispielsweise der Luftkonditionierung, einem Luftfilter oder einem Schalldämpfer. Die Booster-Gebläse einer Booster-Stufe können in Strömungsrichtung sowohl vor, nach als auch vor und nach einem Einbau angeordnet sein.The at least one booster stage can be arranged in the main intake duct or also in bypass ducts to the main intake duct. The booster stage can be made up of one (large) or several (small) booster blowers. The individual booster blowers of each booster stage may be arranged in series or parallel with respect to the intake air. The arrangement of the booster blower is independent of installations in the intake duct, such as the air conditioning, an air filter or a silencer. The booster blower booster stage can be arranged in the flow direction both before, after and before and after installation.

Der Einsatz von Air-Intake-Boostern ermöglicht zunächst, den Druckverlust, der durch die Konditioniervorrichtung hervorgerufen wird, zu kompensieren. Ferner lassen sich die Auslegungsspielräume der Anlage durch Steigerung des Ansaugdruckes sowohl konstruktiv, strömungstechnisch als auch wärmetechnisch deutlich erweitern. Die kombinierte Anwendung eines oder mehrerer Booster-Gebläse und der Konditioniervorrichtung im Ansaugkanal führt zu einer Vervielfachung der Vorteile der einzelnen Systeme bezüglich der Leistungs- und Wirkungsgradsteigerung der Anlage. Der Bereich möglicher Betriebsarten wird ebenfalls deutlich erweitert, da je nach Betriebs- bzw. Umgebungsbedingungen die Leistungs- oder Wirkungsgradsteigerung jeweils mit dem System erreicht werden kann, das unter den jeweiligen Bedingungen am effektivsten arbeitet. Hierbei sind selbstverständlich sämtliche Betriebsarten, d. h. einzelner, gleichzeitiger oder aufeinander folgender Betrieb der Booster-Stufen und der Konditioniervorrichtung möglich.The use of air-intake booster initially makes it possible to compensate for the pressure loss caused by the conditioning device. Furthermore, the design margins of the system can be significantly increased by increasing the intake pressure both constructive, aerodynamically and thermally. The combined use of one or more booster blowers and the conditioning device in the intake channel leads to a multiplication of the advantages of the individual systems with regard to increasing the efficiency and efficiency of the system. The range of possible operating modes is also significantly expanded, since, depending on operating or environmental conditions, the increase in efficiency or efficiency can be achieved in each case with the system which operates most effectively under the respective conditions. In this case, of course, all modes, ie single, simultaneous or consecutive Operation of the booster stages and the conditioning device possible.

Während für netzseitige Spitzenlastzeiten oder bei Abruf von Reserveleistung, d. h. in Zeiten mit einer hohen Stromvergütung, eine Kombination von Leistungseffekten angestrebt wird, besteht die Zielstellung im Normalbetrieb in einer möglichst wirtschaftlichen Kombination von Leistung und Wirkungsgrad, während in Schwachlastzeiten mit geringen Stromvergütungen ein möglichst hoher (Teillast-)Wirkungsgrad bei möglicherweise geringer Leistung im Mittelpunkt der Betriebsführung steht. Die vorliegende Erfindung ermöglicht durch die auf die jeweilige Betriebsbedingung abstimmbare Kombination des Betriebs der Booster-Stufe mit dem Betrieb der Konditioniervorrichtung die Realisierung dieser Zielstellungen auch in Abhängigkeit von tages- und jahreszeitlichen Klimaschwankungen.While for grid-side peak load times or when retrieving reserve power, i. H. In times with high power compensation, a combination of performance effects is sought, the objective in normal operation in the most economic combination of power and efficiency, while in low load periods with low power payments as high as possible (partial load) efficiency with possibly low power at the heart of Business management stands. By virtue of the combination of the operation of the booster stage with the operation of the conditioning device, which can be tuned to the respective operating condition, the present invention makes it possible to realize these objectives as a function of daily and seasonal climatic fluctuations.

Vorzugsweise ist hierfür eine Steuerung vorgesehen, die den Betrieb der Konditioniervorrichtung und den Betrieb der Booster-Stufe entsprechend steuert. Vorzugsweise werden die Booster-Gebläse durch drehzahlgeregelte Antriebe angetrieben. Durch die vorzugsweise eingesetzte Steuerung lässt sich auf diese Weise der Leistungsbedarf der Booster-Stufe minimieren.Preferably, a control is provided for this purpose, which controls the operation of the conditioning and the operation of the booster stage accordingly. Preferably, the booster blower are driven by variable speed drives. By preferably used control can be minimized in this way the power requirement of the booster stage.

Um die Booster-Stufe auch bei Netzausfall für spezielle Aufgaben betreiben zu können, ist eine Auslegung der Antriebe der Booster-Gebläse als Niederspannungsantriebe vorteilhaft.In order to operate the booster stage even with power failure for special tasks, an interpretation of the drives of the booster blower as a low-voltage drives is advantageous.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Die vorliegende Gasturbine wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens nochmals erläutert. Hierbei zeigen:The present gas turbine will be explained again with reference to an embodiment in conjunction with the figures without limiting the general inventive idea again. Hereby show:

1 eine schematische Darstellung einer Gasturbine gemäss der vorliegenden Erfindung; 1 a schematic representation of a gas turbine according to the present invention;

2 ein Diagramm, das die Wirkungsgrad- und Leistungssteigerung einer Anlage mit Booster-Stufe und ohne Konditioniervorrichtung in Abhängigkeit der Erhöhung des Eingangsdrucks der Verdichterstufe zeigt; und 2 a diagram showing the efficiency and performance increase of a plant with booster stage and without conditioning device in response to the increase in the inlet pressure of the compressor stage; and

3 ein Diagramm, das die Leistungs- und Wirkungsgradsteigerung einer Anlage gemäss der vorliegenden Erfindung in Abhängigkeit der Erhöhung des Eingangsdrucks der Verdichterstufe in Kombination mit der Kühlung der Ansaugluft zeigt. 3 a diagram showing the performance and efficiency increase of a plant according to the present invention in response to the increase of the input pressure of the compressor stage in combination with the cooling of the intake air.

Wege zur Ausführung der ErfindungWays to carry out the invention

1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau einer Gasturbinenanlage mit einer Gasturbine gemäss einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, ohne auf Details, wie den genauen Aufbau des Verdichters, der Turbine, der Brennkammer oder der sonstigen Elemente einer derartigen Anlage einzugehen. Diese Details sind dem Fachmann hinreichend bekannt. 1 shows the basic structure of a gas turbine plant with a gas turbine according to an embodiment of the present invention, without going into details such as the exact structure of the compressor, the turbine, the combustion chamber or other elements of such a system. These details are well known to those skilled in the art.

Weiterhin wird in diesem Beispiel nicht auf den genauen Aufbau der Booster-Stufe (Air-Intake-Booster) oder der Konditioniervorrichtung eingegangen, deren Gestaltungs- und Auslegungsvielfalt ebenfalls der Fachliteratur entnommen werden kann.Furthermore, in this example is not discussed on the exact structure of the booster stage (air intake booster) or the conditioning, whose design and interpretation variety can also be found in the literature.

Unter einer Gasturbine wird in dem vorliegenden Kontext eine Anlage bestehend aus mindestens einem Verdichter, mindestens einer Brennkammer und mindestens einer Turbine verstanden. Eine Gasturbinenanlage schliesst einen Generator zur Stromerzeugung ein. Unter einer Kombianlage versteht man die Kopplung eines Gas- und eines Dampfprozesses in Form einer Gasturbinenanlage und einer Dampfturbinenanlage. Die Wärme der Abgase der Turbine der Gasturbinenanlage dient dabei zur Dampferzeugung in einem Abhitzekessel. Der erzeugte Dampf wird mittels der Dampfturbinenanlage zur Stromerzeugung genutzt.In the present context, a gas turbine is understood to mean a system consisting of at least one compressor, at least one combustion chamber and at least one turbine. A gas turbine plant includes a generator for generating electricity. A combined plant is the coupling of a gas and a steam process in the form of a gas turbine plant and a steam turbine plant. The heat of the exhaust gases of the turbine of the gas turbine plant serves to generate steam in a waste heat boiler. The generated steam is used by the steam turbine plant to generate electricity.

Bei der in 1 dargestellten Gasturbinenanlage ist im Ansaugkanal 1 des Verdichters 2 eine Booster-Stufe (Air-Intake-Booster) 3 angeordnet. Diese Booster-Stufe 3 im Ansaugkanal 1 kann in Strömungsrichtung sowohl vor oder auch nach dem nicht dargestellten Gasturbinen-Luftfiltersystem im Ansaugkanal 1 angeordnet sein.At the in 1 shown gas turbine plant is in the intake 1 of the compressor 2 a booster level (air intake booster) 3 arranged. This booster level 3 in the intake channel 1 can in the flow direction both before or after the gas turbine air filter system, not shown in the intake passage 1 be arranged.

Stromab der Booster-Stufe 3 ist eine Konditioniervorrichtung 7 zur Kühlung oder Erwärmung der Ansaugluft im Ansaugkanal 1 angeordnet.Downstream of the booster level 3 is a conditioning device 7 for cooling or heating the intake air in the intake passage 1 arranged.

Die Booster-Stufe 3 verringert die Druckverluste über den gesamten Ansaugkanal 1 der Gasturbine bzw. erhöht den Ansaugdruck für den Verdichter 2 und somit den Luftmassenstrom. Durch die Booster-Stufe 3 werden damit in jedem Falle die Druckverluste kompensiert oder überkompensiert, die durch die Luftkonditioniervorrichtung 7 hervorgerufen werden. Andererseits wird durch die Luftkonditionierung, insbesondere Kühlung, der Ansaugluft deren Dichte und somit der Luftmassenstrom zusätzlich erhöht, der in den Verdichter 2 eintritt.The booster level 3 reduces the pressure losses across the entire intake duct 1 the gas turbine or increases the suction pressure for the compressor 2 and thus the air mass flow. Through the booster stage 3 In any case, the pressure losses are compensated or overcompensated by the Luftkonditioniervorrichtung 7 be caused. On the other hand, the air conditioning, in particular cooling, the intake air whose density and thus the air mass flow is additionally increased in the compressor 2 entry.

Die über den Verdichter 2 angesaugte Verbrennungsluft wird in einer Brennkammer 10 nach Beimischung des Brennstoffes als Brennstoff-Luft-Gemisch verbrannt und treibt als komprimiertes Heissgas unter Expansion die Turbine 4 an. Die von der Gasturbine, im vorliegenden Fall bestehend aus Verdichter 2, Brennkammer 10 und Turbine 4, abgegebene Nutzleistung dient wiederum zum Antrieb eines Generators 11. Der Turbine 4 ist ein Abhitzekessel 5 nachgeschaltet, in dem den heissen Abgasen Wärme entzogen und zur Erzeugung von Dampf für eine hier nicht dargestellte Dampfturbinenanlage eingesetzt wird. An den Abhitzekessel 5 schliesst sich der Abgaskanal 6 an.The over the compressor 2 sucked combustion air is in a combustion chamber 10 burned after admixing the fuel as a fuel-air mixture and drives as a compressed hot gas under expansion, the turbine 4 at. The of the gas turbine, in this case consisting of compressor 2 , Combustion chamber 10 and turbine 4 , output power used in turn serves to drive a generator 11 , The turbine 4 is a waste heat boiler 5 downstream, in which the heat is removed from the hot exhaust gases and used to generate steam for a steam turbine plant, not shown here. To the waste heat boiler 5 closes the exhaust duct 6 at.

Die Booster-Stufe 3 kann aus einem oder mehreren parallel oder in Reihe zum Ansaugluftstrom geschalteten Booster-Gebläsen bestehen. Jedes Booster-Gebläse verfügt über einen Antrieb 8. Vorzugsweise werden die Booster-Gebläse über drehzahlgeregelte Antriebe 8 angetrieben, wie dies in der 1 schematisch dargestellt ist. Durch diese drehzahlgeregelten Antriebe 8 lässt sich der Betrieb der Gasturbinenanlage jederzeit optimal sich verändernden Betriebsbedingungen anpassen, um so eine möglichst wirtschaftliche Fahrweise der Anlage zu ermöglichen.The booster level 3 may consist of one or more parallel or in series with the intake air flow switched booster blower. Each booster blower has a drive 8th , Preferably, the booster blower via speed-controlled drives 8th driven, as in the 1 is shown schematically. Through these speed-controlled drives 8th the operation of the gas turbine plant can be optimally adapted to changing operating conditions at any time in order to enable the most economical operation of the plant.

Das vorliegende beispielhafte System enthält eine Steuerung 9 für die Booster-Stufe 3 (Antriebe 8 der Booster-Gebläse) sowie die Konditioniervorrichtung 7. Durch diese Steuerung 9 können die Booster-Stufe 3 und die Konditioniervorrichtung 7 entweder einzeln oder in Kombination betrieben werden (vgl. 2 und 3). Zur Anpassung an unterschiedliche Netzanforderungen und/oder Umgebungsbedingungen können die Booster-Stufe 3 und die Konditioniervorrichtung 7 über die Steuerung 9 auch in weiten Bereichen in ihrer Leistung angepasst und aufeinander abgestimmt werden.The present exemplary system includes a controller 9 for the booster level 3 (drives 8th the booster blower) and the conditioning device 7 , Through this control 9 can the booster level 3 and the conditioning device 7 be operated either individually or in combination (see. 2 and 3 ). To adapt to different network requirements and / or environmental conditions, the booster level 3 and the conditioning device 7 about the controller 9 be adapted in their performance and coordinated with each other in many areas.

Die Steuerung 9 wirkt selbstverständlich auch auf die Brennstoffzufuhr für die Brennkammer 10. Auf diese Weise kann auch eine Regelung der Booster-Stufe 3, der Konditioniervorrichtung 7 sowie der Brennkammer in Abhängigkeit von der Leistung des Generators 11 erreicht werden.The control 9 Of course, it also affects the fuel supply to the combustion chamber 10 , In this way can also be a regulation of the booster level 3 , the conditioner 7 and the combustion chamber as a function of the power of the generator 11 be achieved.

Die Antriebe 8 der Booster-Gebläse werden vorzugsweise als Niederspannungsantriebe ausgelegt und folglich von der Niederspannungsebene aus versorgt. Im Gegensatz zum Anfahrumrichter, welcher von der Mittelspannungsebene gespeist wird, bietet die Niederspannungsversorgung der Booster-Antriebe auch die Möglichkeit eines Betriebes unter den Bedingungen des Netzausfalls.The drives 8th the booster blower are preferably designed as low-voltage drives and thus supplied from the low voltage level. In contrast to the starting converter, which is fed from the medium voltage level, the low voltage supply of the booster drives also offers the possibility of operation under conditions of mains failure.

Die Anordnung einer Booster-Stufe 3 erlaubt auch ein vereinfachtes Purging, d. h. das aus sicherheitstechnischen Gründen notwendige Spülen der Anlage mit Luft zur Ausblasung von brennbaren Substanzen. Vor dem Zünden einer Gasturbine müssen die nachgeschalteten Systeme unter Einhaltung bestimmter Parameter (Zeit, Geschwindigkeit, Massen- bzw. Volumenstrom) mit Luft gespült werden (Purging). Dazu muss die Gasturbine über eine bestimmte Zeit mit einer bestimmten Drehzahl gedreht werden, um mittels des Verdichters die geforderten Strömungsbedingungen zu erreichen. Das Beschleunigen und das Drehen des Wellenstranges zu bzw. auf einer relativ hohen Drehzahl wird heute üblicherweise über einen Anfahrumrichter und einen Betrieb des Generators 11 als Motor realisiert. Durch einen Betrieb der Booster-Stufe 3 kann vor oder während dem Anfahren der Gasturbine ein effizientes Spülen des Abhitzekessels 5 und des Abgaskanals 6 unterstützt bzw. erreicht werden.The arrangement of a booster stage 3 also permits a simplified purging, ie the necessary rinsing of the system with air for blowing out flammable substances for safety reasons. Before igniting a gas turbine, the downstream systems must be purged with air in compliance with certain parameters (time, speed, mass or volume flow). For this purpose, the gas turbine must be rotated for a certain time at a certain speed in order to achieve the required flow conditions by means of the compressor. The acceleration and rotation of the shaft train at or at a relatively high speed is today usually via a starting converter and an operation of the generator 11 realized as a motor. By operating the booster level 3 can before or during the startup of the gas turbine, an efficient flushing of the waste heat boiler 5 and the exhaust duct 6 be supported or achieved.

Weiterhin kann es zur Verkürzung der Revisionszeiten von Gasturbine und Abhitzekessel 5 zweckmässig sein, diese möglicherweise bereits während, insbesondere aber nach dem Abfahren zusätzlich zu kühlen. Dieses zusätzliche Kühlen realisiert man bisher üblicherweise wiederum, indem man über den Anfahrumrichter und den Generator 11 die Welle dreht und mittels des Verdichters 2 die Gasturbine und den Abhitzekessel 5 mit kalter Luft durchströmt. Die gleiche Aufgabe kann nun mittels der Booster-Stufe 3 realisiert werden.Furthermore, it can shorten the inspection times of gas turbine and waste heat boiler 5 It may be expedient to additionally cool these during, but in particular after, running off. Up to now, this additional cooling has usually been achieved by switching on the start-up converter and the generator 11 the shaft turns and by means of the compressor 2 the gas turbine and the waste heat boiler 5 flowed through with cold air. The same task can now be done by means of the booster level 3 will be realized.

Im Teillastbereich, insbesondere im unteren Teillastbereich, wenn das Potential der Massenstromregelung über die verstellbaren Leitschaufeln am Verdichtereintritt ausgeschöpft ist, nimmt der Wirkungsgrad der Gasturbine mit sinkender Leistung sehr stark ab.In the partial load range, in particular in the lower part load range, when the potential of the mass flow control via the adjustable guide vanes is exhausted at the compressor inlet, the efficiency of the gas turbine decreases with decreasing power very strong.

Aus diesem Grund wird erfindungsgemäß mittels der Booster-Stufe 3 der Ansaugdruck am Verdichter 2 abgesenkt und damit der Ansaugluftmassenstrom verringert. Das bietet, wie gesagt, den Vorteil, mit sinkendem Luftmassenstrom bei gleicher Leistung höhere Prozesstemperaturen fahren zu können. Dies führt neben einer Anhebung des Teillastwirkungsgrades zu einer Verringerung der Emissionen.For this reason, according to the invention by means of the booster stage 3 the suction pressure at the compressor 2 lowered and thus reduces the intake air mass flow. This offers, as I said, the advantage of being able to drive with increasing air mass flow at the same power higher process temperatures. In addition to an increase in the partial load efficiency, this leads to a reduction in emissions.

Möglichkeiten der Absenkung des Ansaugdruckes mittels der Booster-Stufe 3 bestehen im Verringern des Strömungsquerschnittes mittels der verstellbaren Lüfterblätter oder im Rückwärtslauf der Booster-Stufe 3.Possibilities of lowering the suction pressure by means of the booster stage 3 consist in reducing the flow cross-section by means of the adjustable blades or in the reverse direction of the booster stage 3 ,

Die 2 und 3 zeigen im Folgenden einen Vergleich der Leistung bzw. des Wirkungsgrades einer Gasturbinenanlage (GT) und einer Kombianlage (CCPP) mit Booster-Stufe im Ansaugkanal ohne und mit zusätzlicher Luftkonditioniervorrichtung.The 2 and 3 show below a comparison of the performance or the efficiency of a gas turbine plant (GT) and a combined cycle plant (CCPP) with booster stage in the intake duct without and with additional air conditioning device.

Beide Diagramme beziehen sich auf eine Anlage, die mit Methan unter ISO-Bedingungen betrieben wird, wobei die Ansaugdruckverluste 10 × 102 Pa (10 mbar) und die Abgasdruckverluste 30 × 102 Pa (30 mbar) betragen.Both diagrams refer to a plant operated with methane under ISO conditions, where the intake pressure losses are 10 × 10 2 Pa (10 mbar) and the exhaust gas pressure losses are 30 × 10 2 Pa (30 mbar).

2 zeigt hierbei den Fall ohne die zusätzliche Luftkonditioniervorrichtung. Durch den Betrieb der Booster-Stufe im Ansaugkanal mit unterschiedlicher Leistung wird ein unterschiedlicher Eingangsdruck der angesaugten Luft am Verdichtereintritt erreicht. Das Diagramm zeigt sowohl die Ausgangsleistung als auch den Wirkungsgrad einer Gasturbinenanlage sowie einer Kombianlage. Die lineare Erhöhung der Leistung bzw. des Wirkungsgrades mit zunehmendem Eingangsdruck in den Verdichter ist deutlich zu erkennen. 2 shows the case without the additional air conditioning device. By operating the booster stage in the intake manifold with different performance, a different inlet pressure of the intake air is achieved at the compressor inlet. The diagram shows both the output power and the efficiency of a gas turbine plant and a combined plant. The linear increase in power or efficiency with increasing inlet pressure in the compressor can be clearly seen.

3 zeigt die gleichen Grössen bei einer Gasturbinen- und Kombianlage, bei denen die Konditioniervorrichtung mittels Verdampfungskühlung eine Abkühlung der Ansaugluft (Wirkungsgrad der Verdampfungskühlung 85%) herbeiführt. Durch einen Vergleich mit dem Diagramm der 2 sind nochmals erhöhte Werte der Ausgangsleistung sowie des Wirkungsgrades zu erkennen, die durch die Kombination von Booster-Stufe und Konditioniervorrichtung erreicht werden. 3 shows the same sizes in a gas turbine and combined cycle plant, in which the conditioning device by means of evaporative cooling, a cooling of the intake air (efficiency of the evaporative cooling 85%) causes. By comparing with the diagram of 2 are again increased levels of output power and the efficiency can be seen, which are achieved by the combination of booster stage and conditioning.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Ansaugkanalintake port
22
Verdichtercompressor
33
Booster-Stufe (Air-Intake-Booster)Booster level (Air-Intake-Booster)
44
Turbineturbine
55
Abhitzekesselwaste heat boiler
66
Abgaskanalexhaust duct
77
Ansaugluft-KonditioniervorrichtungIntake air conditioner
88th
Antriebdrive
99
Steuerungcontrol
1010
Brennkammercombustion chamber
1111
Generatorgenerator

Claims (11)

Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine mit mindestens einem Verdichter (2) und mindestens einer Turbine (4), bei der in einem Ansaugkanal (1) des Verdichters (2) zumindest eine Booster-Stufe (3) und zusätzlich eine Konditioniervorrichtung (7) zur Konditionierung von Ansaugluft im Ansaugkanal (1) angeordnet sind, mit einem Abgaskanal (6) und einem Abhitzekessel (5) zwischen der Turbine (4) und dem Abgaskanal (6), bei welchem Verfahren die Booster-Stufe (3) und die Konditioniervorrichtung (7) in Abhängigkeit von den konkreten Betriebsbedingungen einzeln oder in Kombination betrieben werden, wobei bei einem hohen Leistungsbedarf oder bei der Notwendigkeit zur Bereitstellung von Reserveleistung die Booster-Stufe (3) und die Konditioniervorrichtung (7) gleichzeitig betrieben werden, dadurch gekennzeichnet, dass im Teillastbereich mittels der Booster-Stufe (3) der Ansaugdruck am Verdichter (2) abgesenkt wird.Method for operating a gas turbine with at least one compressor ( 2 ) and at least one turbine ( 4 ), in which in an intake ( 1 ) of the compressor ( 2 ) at least one booster stage ( 3 ) and additionally a conditioning device ( 7 ) for conditioning intake air in the intake duct ( 1 ) are arranged, with an exhaust passage ( 6 ) and a waste heat boiler ( 5 ) between the turbine ( 4 ) and the exhaust channel ( 6 ), in which method the booster stage ( 3 ) and the conditioning device ( 7 ) are operated individually or in combination, depending on the specific operating conditions, whereby the booster stage (in the case of a high power requirement or in the event of the need to provide reserve power) 3 ) and the conditioning device ( 7 ) are operated simultaneously, characterized in that in the partial load range by means of the booster stage ( 3 ) the suction pressure at the compressor ( 2 ) is lowered. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ansaugdruck am Verdichter (2) durch Verringern des Strömungsquerschnitts mittels verstellbarer Lüfterblätter der Booster-Stufe (3) abgesenkt wird.A method according to claim 1, characterized in that the suction pressure at the compressor ( 2 ) by reducing the flow cross section by means of adjustable booster stage blades ( 3 ) is lowered. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ansaugdruck am Verdichter (2) durch Rückwärtslauf der Booster-Stufe (3) abgesenkt wird.A method according to claim 1, characterized in that the suction pressure at the compressor ( 2 ) by rewinding the booster stage ( 3 ) is lowered. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit der Netzbedingungen der Wirkungsgrad und/oder die Leistung der Gasturbine durch Ansteuerung der Booster-Stufe (3) und der Konditioniervorrichtung (7) optimiert werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that, depending on the network conditions, the efficiency and / or the power of the gas turbine by controlling the booster stage ( 3 ) and the conditioning device ( 7 ). Gasturbine zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Booster-Stufe (3) mit verstellbaren Lüfterblättern ausgerüstet ist oder die Booster-Stufe (3) im Rückwärtslauf betrieben wird.Gas turbine for carrying out the method according to claim 1, characterized in that the at least one booster stage ( 3 ) is equipped with adjustable fan blades or the booster stage ( 3 ) is operated in reverse. Gasturbine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Konditioniervorrichtung (7) stromab der Booster-Stufe (3) angeordnet ist.Gas turbine according to claim 5, characterized in that the conditioning device ( 7 ) downstream of the booster stage ( 3 ) is arranged. Gasturbine nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Konditioniervorrichtung (7) eine Kühlvorrichtung ist.Gas turbine according to one of claims 5 to 6, characterized in that the conditioning device ( 7 ) is a cooling device. Gasturbine nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung (9) für den Betrieb der Konditioniervorrichtung (7) und der Booster-Stufe (3) vorgesehen ist.Gas turbine according to one of claims 5 to 7, characterized in that a controller ( 9 ) for the operation of the conditioning device ( 7 ) and the booster level ( 3 ) is provided. Gasturbine nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Booster-Stufe (3) aus einem oder mehreren parallel oder in Reihe angeordneten Booster-Gebläsen besteht.Gas turbine according to one of claims 5 to 8, characterized in that the booster stage ( 3 ) consists of one or more parallel or in series booster blowers. Gasturbine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Booster-Gebläse Antriebe (8) aufweisen, die als Niederspannungsantriebe ausgelegt sind.Gas turbine according to claim 9, characterized in that the booster blower drives ( 8th ), which are designed as low-voltage drives. Gasturbine nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Booster-Gebläse durch einen drehzahlgeregelten Antrieb angetrieben werden.Gas turbine according to claim 9 or 10, characterized in that the booster blower are driven by a variable speed drive.
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