DE1038344B

DE1038344B - Process for operating a gas turbine system with regenerative heat exchanger and waste heat recovery

Info

Publication number: DE1038344B
Application number: DEL25706A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Siegfried Kriese
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1956-09-11
Filing date: 1956-09-11
Publication date: 1958-09-04

Description

Verfahren zum Betreiben einer Gasturbinenanlage mit Regenerativwärmetauscher und Abwärmeverwertung Bei Gasturbinenanlagen treten die Abgase aus dem Regenerativwärmetauseher mit einer relativ hohen Temperatur aus, so d@aß es lohnt, die Abgaswärme für Heizzwecke auszunutzen. Der Heizwärmebedarf und das Temperaturniveau des Heizwärmebedarfs schwanken während der Heizperiode sehr stark, und zwar in Abhängigkeit von der Außen.lufttemperatur. Während kurzer Zeiträume tritt ein großer Wärmebedarf auf (Spitze), der den normalen Wärmebedarf wesentlich überschreitet. Es ist daher üblich, eine Gasturbine für Kraft- und Wärmelieferung entsprechend dem Grundlastwärmebedarf auszulegen und die @@'ärmespitze durch besondere Maßnahmen abzufangen (niedrige Anlagekosten). Bei Gasturbinenan.lagen mit geschlossenem Kreislauf sowie bei Gasturbinen mit offenem Kreislauf und Zwischenkühlung im Verdichterbereich ist es bekannt, die wärmespitze dadurch zu decken, daß die Frischwasserkühlung im Verdichterbereich eingeschränkt, mithin die Temperatur der Luft vor den Verdichtern erhöht und als Folge dieser Maßnahme auch der für Heizwärmeabgabe zur Verfügung stehende Temperaturbereich der Gasturbine,nabgase vergrößert wird.Method for operating a gas turbine system with a regenerative heat exchanger and waste heat recovery In gas turbine systems, the exhaust gases emerge from the regenerative heat exchanger with a relatively high temperature, so d @ ate it is worth using the exhaust heat for heating purposes to take advantage of. The heating demand and the temperature level of the heating demand fluctuate very strong during the heating season, depending on the outside air temperature. During short periods of time, there is a large demand for heat (peak), which is the normal Heat requirement significantly exceeds. It is therefore common to use a gas turbine for power and heat supply according to the base load heat demand and the @@ 'ärmespitze to be intercepted by special measures (low system costs). For gas turbine systems with closed circuit and, in the case of gas turbines, with open circuit and intermediate cooling In the compressor sector, it is known to cover the heat peak in that the Fresh water cooling is restricted in the compressor area, and therefore the temperature of the Increased air in front of the compressors and, as a result of this measure, also that for heat dissipation available temperature range of the gas turbine, exhaust gases is increased.

Bei Luftturbinenanlagen, also bei Anlagen mit geschlossenem Kreislauf, bei denen hinter dem Lufterhitzer ein Dampferhitzer zur Ausnutzung der restlichen Rauchgaswärme liegt, ist es nun bekanntgeworden, um die Hilfsdampferzeugung auch bei Schwachlastbetrieb zu sichern, die Turbinenabluft teilweise zurückzuführen und sie in den Ansaugestutzen des Verdichters gemeinsam mit zusätzlich angesaugter Frischluft einzuleiten.In air turbine systems, i.e. in systems with a closed circuit, where there is a steam heater behind the air heater to utilize the rest Flue gas heat, it has now become known to also generate auxiliary steam to secure in low-load operation, to partially recirculate the turbine exhaust air and it in the intake port of the compressor together with additional fresh air initiate.

In Heizkraftwerken ist man jedoch bestrebt, die Anlagekosten möglichst niedrig zu halten, was zu einfachen Gasturbinen mit offenem Kreislauf und mit Verdichtern ohne Zwischenkühlung führt, wobei jedoch mit Rücksicht auf gute Ausbeute in bezug auf elektrische Energiegewinnung ein Regenerativwärmetauscher vorgesehen wird. Die Maßnahme der Einschränkung der Frischwasserkühlung für Zwecke der Heizwärmespitzendeckung steht bei derartigen Anlagen also nicht zur Verfügung.In thermal power stations, however, efforts are made to reduce the system costs as much as possible low, resulting in simple open loop gas turbines with compressors without intermediate cooling, but with regard to good yield A regenerative heat exchanger is provided for electrical energy generation. the Measure to restrict fresh water cooling for the purpose of covering heating peaks is therefore not available in such systems.

Um das Temperaturniveau der Luft im Saugstutzen der Verdichter und damit die für Heizzwecke zur Verfügung stehende Wärmemenge der Gasturbinen zu erhöhen und um einerseits eine Regelung der elektrischen Leistung wenigstens in bestimmten Grenzen unabhängig vom f@"ärmebedarf durchführen zu können, andererseits aber auch die Vorteile des Ausfahrens der Wärmespitze mit erhöhter Lufttemperatur vor dem Verdichter zumindest in bestimmten Bereichen ausnutzen zu können, wird ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbinenanlage mit Regenerativwärmetauscher und Abwärmeverwertung, die für eine Bestlast in bezug auf elektrische Leistungserzeugung ausgelegt ist, bei der sie in der Lage ist, einen bestimmten Grunddastwärmebedarf aus den Turbinenabgasen zu decken, während die Deckung eines erhöhten Leistungsbedarfs durch Erhöhung des Temperaturniveaus im unteren Teil des Kreisprozesses erreicht wird, vorgeschlagen, nach dem erfindungsgemäß die Temperaturniveauerhö'hung durch Zuführung einer bestimmten Menge heißer Turbinenabgase in an sich bekannter Weise in die Verdichtersaugleitung erfolgt. fliese Maßnahme ist auch hinsichtlIch der Verbrennungsvorgänge in der Brennkammer zulässig, da die Abgase der Gasturbine vorwiegend aus Luft bestehen.To the temperature level of the air in the suction port of the compressor and thus increasing the amount of heat available for heating purposes from the gas turbines and on the one hand a regulation of the electrical power at least in certain To be able to implement limits independently of the need for heat, but also on the other hand the benefits of extending the warming tip with increased air temperature before the To be able to use compressors at least in certain areas becomes a process to operate a gas turbine system with a regenerative heat exchanger and waste heat recovery, which is designed for an optimal load in terms of electrical power generation, in which it is able to generate a certain basic heat demand from the turbine exhaust gases to cover, while covering an increased power requirement by increasing the Temperature level is reached in the lower part of the cycle, proposed according to the invention the temperature level increase by supplying a certain Amount of hot turbine exhaust gases into the compressor suction line in a manner known per se he follows. This measure also applies to the combustion processes in the combustion chamber permissible because the exhaust gases from the gas turbine mainly consist of air.

Bei der Beimischung der heißen Abgase an die Ansaugluft des Verdichters ist dafür Sorge zu tragen, daß die beiden Gasströme innig vermischt werden, damit keine Strähnen heißer Gase zu Schäden in der Verdichterbeschaufelung führen können.When the hot exhaust gases are mixed with the intake air of the compressor care must be taken that the two gas streams are intimately mixed with it no strands of hot gases can damage the compressor blades.

Die Aufheizung der Ansaugluft kann auch durch die Rauchgase über eine Heizfläche erfolgen, was jedoch den Nachteil erhöhter Anlagekosten nach sich zieht.The intake air can also be heated by the flue gases via a Heating surface take place, which, however, has the disadvantage of increased system costs.

Verdichter ohne Zwischenkühlung mit im Gasturbinenbau üblichen Verdichtungsverhältnissen sind jedoch hinsichtlich Änderungen des Ansaugzustandes wesentlich empfindlicher als Verdichter mit Zwischenkühlung, so daß bei ihnen viel eher die Gefahr besteht, an die Pumpgrenze zu kommen. Darüber hinaus wird infolge des höheren Leistungsbedarfs des Verdichters hei höheren Lufttemperaturen im Saugstutzen die Nutzleistung des Gasturbinennetzes gegenüber Bestlastbetriebsbedingungen verringert.Compressor without intermediate cooling with compression ratios customary in gas turbine construction however, they are much more sensitive to changes in the suction condition as a compressor with intercooling, so that with them there is a much greater risk of to come to the surge limit. In addition, as a result of the higher power requirement of the compressor at higher air temperatures in the suction port, the useful power of the Gas turbine network reduced compared to best load operating conditions.

Der Wärmebedarf, der die genannten Überlasten übersteigt, wird dadurch gedeckt, daß ein Teil der Turbinenabgase unter Umgehung des Regenerativwärmetauschers eventuell nach Mischung mit den vom Regenerativwärmetausdher kommenden Abgasen den Nutzwärmetauschern zugeführt wird. Eine so gestaltete Anlage hat gegenüber den bekannten Ausführungen folgende Vorteile: 1. Sie ist einfach im Aufbau und dementsprechend billig.The heat demand, which exceeds the mentioned overloads, is thereby covered that part of the turbine exhaust bypassing the regenerative heat exchanger possibly after mixing with the from Regenerative heat exchanger coming Exhaust gases is fed to the useful heat exchangers. A system designed in this way has opposite the known designs have the following advantages: 1. It is simple in structure and accordingly cheap.

2. Da sie mit einem Regenerativwärmetauscher ausgestattet ist, ist sie infolge des günstigen Wärmeverbrauches auch für Betrieb ohne Heizwärmeabgab,- wirtschaftlich, was eine gute Ausnutzung der Maschine im Winter- und Sommerbetrieb ermöglicht.2. As it is equipped with a regenerative heat exchanger they due to the favorable heat consumption also for operation without heat output, economical, which means good utilization of the machine in winter and summer operation enables.

3. Durch Anwendung der vorgeschlagenen Verfahren hinsichtlich Ausfahrens des Wärmebedarfs ist in weiten Grenzen eine unabhängige Regelung der elektrischen Leistung und des Wärmebedarfs möglich.3. By applying the proposed procedures with regard to exit the heat demand is an independent control of the electrical within wide limits Power and heat demand possible.

4. Bei gutem Bestlastwirku.ngsgrad, auf die elektrische Leistung bezogen, kann der gesamtthermische Wirkungsgrad der Anlage bei höherem Wärmebedarf wesentlich erhöht werden, wobei der Wirkungsgrad der Krafterzeugung nur relativ wenig verschlechtert wird.4. With a good maximum load efficiency, based on the electrical power, the overall thermal efficiency of the system can be significantly increased when there is a higher heat demand can be increased, the efficiency of the power generation deteriorating only relatively little will.

Die Schaltung der vorgeschlagenen Anlage ist aus der Fig. 1 der Zeichnung ersichtlich. In der Zeichnung ist 1 der Gasturbinenluftverdichter, 2derRegenerativwärmetausc'her, 3 die Brennkammer, 4 die Gasturbine, 5 das Getriebe, 6 der Generator, 7 der Anwurfmotor mit Getriebe, 8 der Heizungswärmetauscher, 9 die Saugleitung des Verdichters, 10 die Umgehungsleitung zwischen Turbinenabgas- und Verdichtersaugraum, 11 die Umgehungsleitung für den Regenerativwärmetauscher zwischen Turbinenabgasstutzen und dem Heizungswärmetauscher. In der Fig. 2 der Zeichnung ist der Gasturbinenprozeß in einem schematischen T-s-Diagramm dargestellt. Hier stellt der Linienzug 1-2-3-4-5-6-7-1 den Gasturbinenprozeß bei Bestlast und Betrieb mit Außenlufttemperatur im Saugstutzen des ",#"erdichters dar. Die von dem genannten Linienzug umschlossene Fläche stellt ein Maß für die an den Generator gelieferte Leistung dar. Ein Maß für die abgegebene Heizwärme ist die unter dem Linienzug 6-7 liegende Fläche, während die unter dem Linienzug 7-1 liegende Fläche ein Maß für die Abgasverluste darstellt. Der Linienzug 1'-2'-3'-4'-5'-6'-7-1 stellt den Gasturbinenprozeß mit erhöhter Lufttemperatur im Saugstutzen der Verdichter dar. Die Deutung der Flächen erfolgt wie bei dem vorstehend besprochenen Prozeß. Hierbei ist zu beachten, daß die der Heizwärmeabgabe entsprechende Fläche unter dem Linienzug 6'-7 größer geworden ist (gegenüber 6-7), während der Abgasverlust 7-1' kleiner geworden ist (gegenüber 7-1).The circuit of the proposed system can be seen from FIG. 1 of the drawing. In the drawing, 1 is the gas turbine air compressor, 2 the regenerative heat exchanger, 3 the combustion chamber, 4 the gas turbine, 5 the gearbox, 6 the generator, 7 the start-up motor with gearbox, 8 the heating heat exchanger, 9 the suction line of the compressor, 10 the bypass line between the turbine exhaust gas and compressor suction chamber, 11 the bypass line for the regenerative heat exchanger between the turbine exhaust gas nozzle and the heating system heat exchanger. In Fig. 2 of the drawing, the gas turbine process is shown in a schematic Ts diagram. Here the line 1-2-3-4-5-6-7-1 represents the gas turbine process at maximum load and operation with outside air temperature in the suction port of the ", #" compressor. The area enclosed by the line is a measure of the the power supplied by the generator. A measure of the heat emitted is the area under the line 6-7, while the area under the line 7-1 is a measure of the exhaust gas losses. The line 1'-2'-3'-4'-5'-6'-7-1 represents the gas turbine process with increased air temperature in the suction port of the compressor. The areas are interpreted as in the process discussed above. It should be noted that the area under the line 6'-7 corresponding to the heat output has become larger (compared to 6-7), while the exhaust gas loss 7-1 'has become smaller (compared to 7-1).

Die Schaltung der Anlage ist aus den Notwendigkeiten einer Gasturbinenanlage mit offenem Kreislauf entstanden, sie kann aber auch mit gleichem Erfolg bei Gasturbinen mit geschlossenem Kreislauf angewendet werden, wobei dann noch eine Kombination mit einer Einschränkung der Frischwasserkühlung verwendet werden kann.The circuit of the plant is based on the necessities of a gas turbine plant originated with an open cycle, but it can also be used with the same success in gas turbines can be used with a closed circuit, with a combination can be used with a restriction in fresh water cooling.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. A method for operating a gas turbine system with a regenerative heat exchanger and waste heat recovery, which is designed for an optimum load in terms of electrical power generation, with which it is able to cover a certain base load heat requirement from the turbine exhaust gases, while covering an increased power requirement by An increase in the temperature level is achieved in the lower part of the cycle, characterized in that the temperature level increase is carried out by feeding a certain amount of hot turbine exhaust gases into the compressor suction line in a manner known per se.

2. The method according to claim 1, characterized characterized in that an increased power requirement is covered by that the temperature level increase through heat exchange with the hot turbine exhaust gases the air sucked in by the compressor takes place via heating surfaces.

3. Procedure according to claims 1 and 2, characterized in that the heat and electrical power largely independently regulated by a combination of a Turbine exhaust gas feed to the compressor suction nozzle and to the useful heat exchangers bypassing the regenerative heat exchanger is used confused) <.

4. Procedure according to the. Claims 1 to 3, characterized in that the system with closed or semi-closed circuit works and the measures of the turbine exhaust gas supply with a per se known restriction of fresh water cooling in the area of Pre-cooler can be combined. Publications considered: German patent specification No. 898 101; British Patent No. 707 480.