DE1476806A1

DE1476806A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bereitschafts-Leerlaufbetrieb eines Gasturbogenerators,der an ein elektrisches Kraftversorgungsnetz angeschlossen ist

Info

Publication number: DE1476806A1
Application number: DE19661476806
Authority: DE
Inventors: Hendrickson Robert Leroy
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1965-12-15
Filing date: 1966-12-13
Publication date: 1970-02-19
Also published as: FR1517827A; US3394265A; GB1151200A

Description

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PATENTANWALT DIPL.-ING. WEY

8 MÜNCHEN 22 - WIDENMAYERSTRASSE 49

TELEFON 225585 - TELEGRAMME: PROPINDUS PATENTANWALT MÜLLER-BÖRNER

19 474

General Electric Company, Schenectady , N.Y. (USA)

Verfahren und Vorrichtung zum Bereitschafts-Leerlaufbetrieb eines Gasturbogenerators, der an ein elektrisches Kraftversorgungenetz angeschlossen ist.

Die Erfindung betrifft allgemein die Verwendung von Gasturbogeieratoren als Reserveaggregate in Kraftwerken und bezweckt insbesondere die Schaffung einer erhöhten Reservekapazität für die elektrische Krafterzeugung unter Verwendung von im BereitschaftswLeerlaufbetrieb befindlichen Gasturbogeneratoren.

In elektrischen Kraftversorgungsnetzen müssen Kapazitäten in Reserve gehalten werden, damit das System bei einem erzwungenen Ausfall eines Haupterzeugungsaggregats nicht zusammen«* bricht. Diese Reservekapazität muss imstande sein, die volle Last innerhalb von Sekunden, nachdem ein erzwungener Ausfall

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aufgetreten ist, zu übernehmen. Sie soll daher bereits warmgelaufen aein und mit der -normalen Betriebedrehzahl laufen, damit, sie für die Übernahme der Last bereit ist. Diese laufende Reservekapazität kann als im Bereitschafts-Leerlaufbetrieb befindlich bezeichnet werden. Die Aufgabe besteht nun darin, diese Reservekapazität so vorzusehen, dass nur minimale Kosten hierfür notwendig sind.

Es ist schon vorgeschlagen worden, für diesen Zweck Dampf«· turbogeneratoren zu verwenden, wobei der Generator als Motor zum Aufrechterhalten der Drehzahl des Aggregats dient und die Turbine nur mit so viel Dampf beschickt wird, dass die Turbinenteile annähernd auf der Betriebstemperatur gehalten werden, so dass bei der Lastübernahme durch das Aggregat ein Wärmeschock vermieden wird. Dieses Verfahren ist aber nicht zweckmässig, weil die kostspieligen Dampfwiedererhitzungseinrichtungen in modernen Kraftwerken nicht mit genügender Wirtschaftlichkeit für die Aufrechterhaltung des Bereitschaftszustandes verwendet werden können.

Die in der Turbine einer Gasturbinenanlage erzeugte Energie wird auf zweierlei Weise ausgenutzt. Sie dient einerseits zum Antrieb des Verdichters« Der Rest stellt eine Nutzleistung dar, die beispielsweise zum Antrieb eines Generators verwendet wird. Sin Generator muss unabhängig von seiner Belastung mit einer konstanten Drehzahl von beispielsweise 36OO U/min angetrieben werden, so dass die Gasturbine und ihr

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Verdienter, der entweder auf derselben Veil· angeordnet oder durch ein Getriebe Hit der Generatorwelle verbunden iet, unabhängig ▼en dea Leietungspegel ait voller Leistung laufen. Ohne beeondere Masanahaen würde daher der Verdichter bei allen Leistungspegeln dieselbe Luftaenge ansaugen und bei kleinerer Last einen grosseren Teil der Turbinenlei·tune aufnehaen. Bei niedriger Ausgangsleistung arbeitet das Aggregat daher alt einea relativ hohen Kraftetoffverbrauch. Zur Herabsetzung durch die TIi eimVwsi einer Gasturbinenanlage hindurohtretenden Luftaenge bei niedriger Ausgangsleistung der Turbine kann «an den Lufteinlass des Verdichters drosseln, so dass der Kraftstoffverbrauch herabgesetzt wird. Nan kann die durch die Brennkaaaer der Gasturbinenanlage hindurch» tretende Luftaenge auoh daduroh herabsetzen und dadurch bei niedrigeren Leistungepegeln Kraftstoff sparen, dass verdichtete Luft abgezapft und ia Kreislauf zu dea Einlass des Verdichters oder su einer vorhergehenden Verdichterstufe zurUokgeführt wird, so dass die Brennkaaaer nur eine Luftaenge erhfl.lt, welche der Differenz zwisohen der in den Koapressor eingetretenen und der ia Kreislauf zurückgeführten Luftaenge entspricht.

Beia Betrieb eines Verdichters unter bestiaaten Bedingungen hinsichtlich der Haasenstrttaung, des Druokverhältnisses und der Drehzahl tritt sine als "Puapen" ("surging") bezeichnete

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Erscheinung auf, bei der das Strömungsmittel nloht wie sonst längs «in·r vorhersehbaren Bahn durch den Verdichter strömt, sondern einen labilen Zustand annimmt, so dass der Druck beträchtlich sinkt. Die Beziehung zwischen den "vorstehend angegebenen Grossen ist derart, dass bei einer gegebenen Drehzahl das Pumpen mit höherer Wahrscheinlichkeit bei höheren Druokverhältnissen, höheren Lieferdrücken und niedrigeren Maesenströmungsmengen durch den Verdichter eintritt. Infolge des Drosseins der Massenströmung nähert sich daher der Ver- : diohter der Gasturbine seiner Pumpgrenze. Wenn dagegen die ▼on dem Verdichter abgegebene Luft teilweise im Kreislauf zum Einlass des Verdichtere sEurüokgeführt wird, erhält man ein niedrigeres Druckverhältnis und einen niedrigeren Ver-· dichterenddruok. Die Drosselung am Eintritt setzt daher die Masβanströmung herab, aber auoh das Drüokverhältnl* und den Enddruok, so dass das Pumpen vermieden wird. Bei Kreislaufführung kann daher der Luftstrom am Eintritt des Verdichters stärker gedrosselt werden als ohne die Kreislaufführung.

Die Erfindung bezweckt nun die Schaffung einer Vorrichtung und eines Verfahrens, die es ermöglichen, eine Gasturbine bei minimaler Belastung, im Leerlauf oder sogar mit einer negativen Belastung (d.h., dass sie dem Generator Leistung entnimmt) mit der normalen Betriebsdrehzahl und Betriebstemperatur zu betreiben, so dass sie sofort einsatzbereit ist.

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Zu dieaea Zweck aohafft di· Erfindung «inen Gas turbogenerator, der an die von einen Kraftwerk abgehende Leitung angeaobJLeaaen iat. Der Generator entniauat der Leitung Leiatung und dient aoait ala Motox^sua Antrieb dea Aggregate· Der in die Gaaturbine eintretende Lüftetroa wird gedroaaelt. Voa Verdichter abgegebene Luft wird abgezapft und zua Eintritt zurückgeführt, ao dasa die der Brennkaanaer angeführte Luftaenge und damit auch der Kraftatoffverbrauch minimal aind. Infolge der Kreialaufführung der Druckluft hat die zur Brennkaaoaer gelangende Luft eine höhere Temperatur, ao daaa die Verbrennung verbeaaert wird. Die Gaaturbine wird aoait aechaniach entlaatet und der ala Motor arbeitende Generator ait der entapreohenden Laat beaufaohlagt. In der Brennkammer verbrennt nur eine minimale Kraftatoffaenge mit einer kleineren Luftaenge, in erator Linie zur Aufrechterhaltung der Betriebstemperatur der Turbine. Ein Auaftihrungsbeiepiel der Erfindung wird anhand der Figuren 1 und 2 der Zeichnung näher erläutert. Ee zeigern ,

Fig. 1 eoheaatieoh ein Ausführungabeiapiel einea erfindungegeaäaeen Gaeturbogeneratore und

Fig. 2 ein Kurvenbild, daa den Wirkungagrad der Turbine in Abhängigkeit von der Sohaufelgeeohwindigkeit und der DUaenauatrittageaohwindigkeit dee Gaaea dareteilt.

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Pig. 1 zeigt einen Gas turbogenerator ait eine* Verdienter 1 , einer Brennkammer 2, einer Gasturbine 3 und einer dynamoelektrischen Maschine oder einem Generator k, der mit einem Stromversorgungenetz 5 verbunden ist. Unter normalen Betriebsbedingungen tritt Luft durch eine Cintrittsleitung 6 in den Verdichter 1, wo s'ie verdichtet und über die Verbin» dungs leitung 7 an die Brennkammer 2 abgegeben wird. Der

" Kraftstoff tritt durch die Leitung 8 in die Brennkammer 2 ein, wo durch Verbrennung des Kraftstoffes mit der Luft ein heisses Gas erzeugt wird, das durch die Leitung 9 in di.· Turbine 3 strömt und dann durch die Leitung 10 ins Freie tritt. Xn der Turbine wird die wärmeenergie des Gases in mechanische Energie umgewandelt, die zum Antrieb des Verdichters 1 und des Generators k dient. Die Turbine 3 und der Verdichter 1 sind über eine gemeinsame Welle 11 verbunden. Die Turbine 3 und der Generator k sind ebenfalls über eine gemeinsame Welle 12 verbunden. Die Wellen 11 und 12 sind weiterhin miteinander verbunden. Das bedeutet, die Turbine 3 ist eine Einwellenturbine, in welcher der Verdichter, die Turbine und die Nutzlast auf ein und derselben Welle angeordnet sind.

Obwohl vorstehend ein typischer Gasturbogenerator im normalen Betriebszustand beschrieben wurde, und zwar ein System - mit nur einer Brennkammer und einer Leitung, können jedoch

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na dl· Turbinenwelle herum mehrere derartig· Syeteme angeerd· m«t aoin· In dem beschriebenen Ausftthrungebeiepiel iat dar Generator direkt alt dar ihn antraibandan Turbine verbunden. Sa kann aber sviaoben dar Turbine und dem Generator auch ein Getriebe, s.B. Untersetzungsgetriebe angeordnet sein.

Auaaer den vorstehend angegebenen Hauptteilen einer Gasturbinenanlage iat in dem erfindungagomäaaen Turbogenerator in der Xintrittaleitung 6 ein Bintrittadroaaelventil 13 an» geordnet· D*t Hoohdruokteil dea Verdichter· 1 iat duroh eine Sttokfttnrungaleitong Ik sit «iner Stelle der Eintritte-IeItang 6 verbunden, die swiaohen de« Drosselventil 13 and dom eintritt de· Verdichter· 1 liegt. Die RUokTtthrungal«itnng «nthillt ein KUokfuhrungar«g«lorgan 15. Man kann di· RUokTUhrungelaitung 14 auoh in eine andere Stuf· d·· Ver» diohtera 1 fuhren, die unter einen niedrigen Druck steht.

Naohatehend wird nun la Vergleioh «u des voratehend angegebenen, normalen Betrieb da· erfindungageaäaae Betrieb·- ▼erfahren beechriaben. Die noraalerweiae in der Turbin· au •rmeagende Lei·tang iat nioht erforderlioh, wenn aich die Turbine la Bereltaohafta-Leerlaufbetrieb befindet. Die noraalerweiae fur den Antrieb dea Generators k erforderlioh· ■•chaniaeh· Leistung wird jetzt nioht benötigt, da der Generator ala ein Motor lMuft, der von de« Nets 5 goap«iat wird. Di· normalerweise für den Antrieb des Verdiehters «rfordor-

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liehe Leistung ist stark herabgesetzt, weil erstens der Zutritt von freier Luft durch das Ventil 13 gedrosselt und zweitens heisse Druckluft durch die Leitung 14 zum Eintritt des Verdichters im Kreislauf zurückgeführt wird. Die durch den Verdichter strömende Luftmenge wird herabgesetzt, weil Luft im Kreislauf zurückgeführt wird, die Drossel den Eintrittedruck herabsetzt, die Kreislaufführung eine Erwärmung der heissen Druckluft bewirkt und eine Verbrennung einer ρ kleineren Kraftstoffmenge mit gutem Wirkungsgrad ermöglicht. Weil die Luft sioh bei ihrer Verdichtung erwärmt, hat die Kreislaufführung der vom Verdichter abgegebenen Luft eine höhere Lufttemperatur zur Folge, die ihrerseits zu einer besseren Verbrennung und damit zu einer weiteren Kraftstoff einsparung führt. Die Drosselung am Eintritt und die Kreislaufführung der vom Verdichter abgegebenen Luft ermöglichen es daher, bei minimalem Kraftstoffverbrauch die Turbinentemperaturen im wesentlichen auf dieselben Werte zu bringen wie unter Vollast bzw. im normalen Betriebs·· zustand. Dadurch wird der Wäxmoschock, dei sonst bei einem schnellen Auslief dm- Temperatur auf die Vollastwerte eintreten würde, herabgesetzt oder ganz i>ri?©i tigt,

Fig. 2 zeigt ein Kurvenbild, das den Verlauf dos Wirkungsgrades einer reinen Gleichdruckturbine- darstellt. Durch diese Darstellung wird die Erfindung nicht begrenzt, sondern sie dient lediglich zur Erläuterung der Erfindung. Der Wir-

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kungsgrad ist das Verhältnis zwischen der tatsächlich abgegebenen Arbeit und der idealen Arbeit, d.h. der Arbeit, die von einer verlustlos arbeitenden Kraftmaschine bei Verwendung des_wselben Arbeitsmittels geleistet würde. Die auf der Abszisse aufgetragene, unabhängige Veränderliche ist das veränderliche Verhältnis ψ- . Dabei ist W die

ο Geschwindigkeit der Schaufelspitzen der Turbine und V die Diisenaustrittsgeschwindigkeit des Arbeitsmittels. Eine reine Gleichdruckturbine erreicht ihren höchstmöglichen Wirkungsgrad dann, wenn die Laufschaufelgesohwindigkeit V halb so gross ist wie die Geschwindigkeit des Arbeitsmittels. Wie leicht erkennbar ist und aus der Kurve hervorgeht, gibt die Turbine dann keine Leistung ab, wenn sich die Laufschaufeln und das Arbeitsmittel annähernd mit derselben Geschwindigkeit bewegen. Die Verlängerung der Kurve in dem Bereich, in dem der indizierte Wirkung·«· grad negativ und «- grosser ist als 1 (die Schaufel··

ο
spitze bewegt sich schneller als das Arbeitsmittel), kennzeichnet den Fall, in dem die Turbine von dem Genera» tor getrieben wird und dem Netz Energie entnimmt anstatt zuführt.

Es wird derzeit angenommen, dass die Anlage im Rahmen der Erfindung vorzugsweise in dem in Fig. 2 mit "B" bezeichneten Bereich arbeitet. Das heisst, dass mehr Leistung dem Netz 5 entnommen und weniger Kraftstoff verbrannt wird

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als in Bereich "A", Dies wird derzeit bevorzugt, weil es wirtschaftlicher ist» die für den Bereitschafts-Leerlauf» betrieb erforderliche Energie als elektrische Energie dem Netz zu entnehmen, als diese Energie durch Verbrennen des teuren Kraftstoffes für Gasturbinen zu erzeugen.

Die in den Verdichter eintretende Luft kann beispielsweise auf einen Druck von 0,25-0,20 at am Verdichtereinlass gedrosselt werden. Die im Kreislauf geführte Luftmenge beträgt vorzugsweise etwa 20-^5 <£ der vom Verdichter abgegebenen Luftmenge. Der optimale Leerlaufzustand einer Gas— turbine ist durch eine bestimmte Kombination dieser beiden Veränderlichen gekennzeichnet. BmT Wert der Veränderlichen in dieser Kombination ist von den Eigenschaften der verschiedenen Bestandteile der Gasturbine und dem Kraftstoff abhängig. Die beste Kombination ist vorhanden, wenn alle nachstehenden Forderungen erfüllt sindt

1. Maximale Turbinentemperatur

2. Kleinster Pumpbereich des Verdichters ("minimum compressor

surge margin")

3. Geringste Erwärmung durch die Verbrennung

k. Geringste Luftströmung durch die Brennkammer

5. Kleinster Kraftstoffverbrauch in der Brennkammer.

Aufgrund der vorstehenden Angaben kann der Fachmann ohne weiteres die optimalen Bedingungen für eine gegebene Anlage bestimmen.

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Bei einer abgeänderten Ausführungsform der Erfindung kann beispielsweise eine Zweiwellen-Gasturbine verwendet werden, in der die Wellen 11 und 12 voneinander getrennt sind und die Gasturbine mehr als eine Stufe umfasst. In dem gemeinsamen Mantel sind zwei voneinander getrennte Turbinen angeordnet, von denen die eine mit dem Verdichter verbunden ist und ihn antreibt und die andere mit dem Generator verbunden ist. Xn dieser Ausführungsform treibt der Generator die Niederdrucketui·, doch hält die Verdichterturbine die Drehzahl des Verdichtere aufrecht, so dass sie wenigstens eine minimale Energie verbraucht und der Kraftstoffverbrauch höher ist als in der zuerst beschriebenen Anlage, in der zwar auch Kraftstoff verbrannt wird, jedoch nicht zur Energieerzeugung.

Es wurde vorstehend ein Gasturbogenerator beschrieben, der mit einer minimalen oder negativen Ausgangsleistung und mit einer solchen Drehzahl und Temperatur betrieben werden kann, dass er innerhalb von Sekunden Last aufnehmen und zur Erzeugung seiner vollen Leistung verwendet werden kann. Diese leerlaufende Reservekapazität besitzt sowohl infolge des minimalen Kraft stoffverbrauche als auch Infolge der niedrigen Anlagekoeten einer solchen Gasturbinenanlage eine relativ hohe Wirtschaftlichkeit.

Zur Erfindung gehurt alles dasjenige, war; in der Beschreibung enthalten und bzw. oder in der Zeichnung dargestellt ist,

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einschliesslich dessen, was in Abweichung von den konkreten Ausfuhrungsbeispielen für den Fachmann naheliegt.

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Claims

PA TENTA N WAL TE J2ic6ard'^Jiüäer-JSörner H 7 6 8 O S PATENTANWALT DIPL.-1NG. WEY 8 MÜNCHEN 22 WIDENMAYERSTRASSE «9 TELEFON 225585 ■ TELEGRAMME: PROPINDUS PATENTANWALT MÜ LLER-BÖRNER BERLIN 33 (DAHLEM) ■ PO DBIELSKI ALLE TELEFON 762907 TELECRAMME: PROPINI ^O 474 General Electric Company, Schenectady, N.Y. (USA) Patentansprüche :

1. Verfahren zum Bereitschafts-Leerlaufbetrieb eines Gasturbogenerators, der an ein elektrisches Kraftversorgungsnetz angeschlossen ist, wobei die Turbine mit einer Drehzahl angetrieben wird, die im wesentlichen der Synchrondrehzahl des als Motor arbeitenden Generators entspricht, und der in den Verdichter eintretende Luftstrom gedrosselt wird, um den durch die Turbine gehenden Luftstrom herabzusetzen, dadurch gekennzeichnet, dass Luft des Verdichters von einer Stelle, die sich auf einer relativ hohen Temperatur und unter einem relativ hohen Druck befindet, abgenommen und im Kreislauf zu einer Stelle des Verdiohters zurückgeführt wird, die sich unter einem niedrigeren Druck befindet, so dass die durch die Turbine gehende Luftströmung herabgesetzt wird·

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FERNSCHREIBER: 0184057

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2. Verfahren naoh Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der zugehörigen Brennkammer Kraftstoff verbrannt wird und Drosselung und Henge der im Kreislauf geführten Luft so aufeinander eingeregelt werden, dass bei einer vorbestimmten Betriebstemperatur der Turbine ein minimaler Kraftstoffverbrauch auftritt.

3* Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die eintretende Luft in dem Ausmass gedrosselt wird, f dass der O_ruck am Eintritt des Verdichters 1/4 bis 1/5 des atmosphärischen Druokes beträgt und dass die im Kreislauf zurückgeführte Luftmenge 20-45 % der Gesamtmenge der durch den Verdichter hindurohtretenden Luftmenge beträgt.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach ein·« der Ansprüche 1 bis 3 mit einer Wärmekraftmaschine, die mit einer dynamoelektrischen Maschine verbunden ist, welche an ein elektrisches Kraftversorgungssystem angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekraftmaschine eine Luftzuleitung (6), einen Luftverdiohter (1), eine Kraftstoffquell·, eine Brennkammer (2) zur Vereinigung und Verbrennung von Kraftstoff und Luft, eine Gasturbine (3), in welch· die Verbrennungsprodukte expandieren, ein· Drossel (13) zur Steuerung der durch die Zuleitung der Wärmekraftmaschine züge«

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führten Luft und eine mit einem Regelorgan (15) versehene Rückführungsleitung .(Ik) zum Entnehmen von Druckluft von dem Verdichter (i) und zum Zurückführen der entnommenen Luft zu einem unter niedrigerem Druck stehenden Teil des Verdichters (i) aufweist, so dass die der Brennkammer (2) zugeführte Luftmenge der Differenz zwischen der Luftmenge am Lufteintritt (6) und der im Kreislauf (14,15) zurückgeführten Luftmenge entspricht.

5. Verfahren und Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis k, ansonst wie beschrieben und bzw. oder dargestellt.

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