DE1503568A1

DE1503568A1 - Gasturbinenkraftanlage

Info

Publication number: DE1503568A1
Application number: DE19661503568
Authority: DE
Inventors: Georg Oberlaender
Original assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Current assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Priority date: 1966-03-15
Filing date: 1966-03-15
Publication date: 1971-01-21
Also published as: FR1514050A; US3716305A; BE695550A; NL6702934A

Description

Gasturbinenkraftanlage

Die Erfindung betrifft den Aufbau und ein Regelverfahren von Verdichterstationen für gasförmige Medien mit Gasturbinen ala Antriebsmaschinen, die zum Ausgleich des Druckabfalles in der Leitung im Sinne der Aufrechterhaltung eines Mindestdruckes beim Verbraucher dienen.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, Aufbau und Regelung einer Anlage der vorbeschriebenen Art, wie aie beispielsweise für die Versorgung eines Pipeline-Netzes für Erdgas üblich sind, so zu treffen, daß sowohl die antreibenden Gasturbinen als auoh die Verdichter bei Teilbelastung der Station, dh. bei vermindertem Durchsatz im Bereich möglichst günstiger Wirkungsgrade und damit wirtschaftlich arbeiten. Erreicht wird dieses Ziel erfindungsgemäß dadurch, daß jede Verdichterstation mit mehreren strömungsmäßig hintereinander geschalteten, einzeln durch eine absperrbare Bypassleitung überbrüokbaren und in der Drehzahl regelbaren Kreiselverdichtersätzen ausgerüstet ist, die bei fallender Fördermenge und versperrten Bypassleitungen, beginnend mit der letzten Stufe der Reihe nach zunäohst in der Drehzahl abgesenkt, sodann durch Öffnen der jeweils zugeordneten Bypassleitung strömungamäßig abgeschaltet und stillgesetzt werden. Durch die Hintereinanderschaltung der Ver-

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dichtersätze werden grundsätzlich, die Voraussetzungen geschaffen für einen wirtschaftlichen Betrieb der Station im Teilmengengebiet, in dem der Station eine geringere Förderleistung abverlangt wird al3 bei maximalem Durchsatz, da die Förderleistung bei Verringerung der Durchsatzmenge sehr rasch absinkt.

Regelt man gemäß der Erfindung mit sinkendem Durchsatz entsprechend dem Verlauf der Förderleistungskurve den jeweils letzten Verdichtersatz in der Drehzahl ab und umgeht ihn schließlich, so erreicht man, daß die jewels noch in Betrieb befindlichen Gasturbinen weitgehend im oberen Leistungsbereich und damit im Gebiet guter Wirkungsgrade arbeiten. Darüber hinaus folgt aus der Tatsache, daß jeweils immer nur so viel Verdiohtersätze in Betrieb sind, wie unbedingt erforderlich, eine Einsparung an Laufzeit, was sich wiederum in längeren Einsatzperioden der Verdichtersätze zwischen den Grundüberholungen auswirkt.

Bei Auslegung der Regelung ist zu beachten, daß bei Verringerung des Durchsatzes durch die Station infolge der daraus folgenden Abnahme der StrömungsVerluste in den Leitungen sowohl der Druckabfall von der Mediumquelle bis zur Station als auch van letzterer zu den Verbrauchern hin abnimmt.. Dies bedeutet, daß bei einer Teilmenge der Eingangsdruok der Station größer ist als bei maximalem Durchsatz

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und der Stationsausgangsdruck kleiner sein kann als bei maximalem Durchsatz. Mt sinkendem Durchsatz nimmt also auch der durch die Station zu erzeugende Druckaufbau grundsätzlich ab, und zwar weist er bei Teilmengen steta dann ein Minimum auf, wenn so geregelt wird, daß der Enddruck beim Verbraucher den Wert beibehält, den er bei maximalem Durchsatz hat, bzw. ein Maximum, wenn auf konstanten Ausgangsdruck der "Verdichterstation geregelt wird. Genau auf'Minimum einzuregeln, empfiehlt sich mit Rücksicht auf die bei Mengenschwankungen auftretende Pufferwirkung in der Leitung nicht. Andererseits ist es unzweckmäßig, auf Maximum einzuregeln, da dann höhere Verdichterleistungen erforderlich sind. In der Praxis wird man gerade so weit über das Minimum hinausgehen, daß der dem maximalen Durchsatz entsprechende Enddruck beim Verbraucher nicht unterschritten wird, d.h. auf den minimal möglichen Druckaufbau einregeln, ein in weiterem Ausbau der Erfindung vorgeschlagenes Verfahren.

Die Annäherung an den minimalen Druckaufbau hat außerdem den Vorteil, daß von einer bestimmten Teilmenge abwärts der Anfangsdruck an der Quelle ausreicht, um ohne zusätzlichen Druckaufbau in der Station den geforderten Mindestdruok beim Verbraucher sicherzustellen.

Erfindungsgemäß wird ferner vorgeschlagen, bei Anlagen, bei denen der Quellendruok konstant ist, als Regelgröße ftlr den Betrieb der Verdichterstation deren Eingangsdruck zu nehmen.

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Empfehlenswert ist es außerdem, in weiterer Ausgestaltung der Erfindung untereinander gleiche Verdichtersätze vorzusehen, wobei der einheitliche Verdichter ein genügend breites Kennfeld haben muß. Dies hat den Vorteil, daß die Verdichtersätze untereinander austauschbar sind und die Ersatzteilhaltung der Station weniger aufwendig zu sein braucht.

^ In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.

Figur 1 zeigt schematisch eine Erdgasversorgungsleitung mit einer drei Verdichtersätze aufweisenden Verdichterstation und veranschaulicht außerdem den Druckverlauf von der Erdgasquelle bis zum Verbraucher.

Figur 2 verdeutlicht als Schaulinienbild den Verlauf des bei erfindungsgemäßem Aufbau der Verdichterstation erzielbaren ™ Kraftstoffverbrauches.

Figur 3 zeigt ein der Erläuterung der Wirkungsweise der Verdichterstation nach Figur 1 dienendes Verdichterkennfeld.

Die in Figur 1 im oberen Teil dargestellte Anlage besteht

aus der Erdgasquelle 1, der Zuleitung 2 zur Verdichterstation

und der Abgangsleitung 4 zu einem Vorratsbehälter 51 an den

die Verbraucher angeschlossen sind.

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Im unteren Teil der Figur 1 ist über dem Sfcrömungsweg S dee Erdgases von der Quelle 1 bia zum Vorratsbehälter 5 der Verlauf des Druckes ρ aufgetragen. Die Verdichterstation 3 weist drei untereinander gleiche Verdichtersätze auf, die aus je einer Gasturbine 6,7 und b' und je einem Kreiselverdichter 9 bzw. 10 bzw. 11 bestehen. Strömungsmäßig sind die Verdichter 9,10 und 11 hintereinander geschaltet und durch Bypassleitungen 15, 16 und 17, überbrückt, die durch Absperrventile 12, 13 und beherrscht werden. Außerdem sind sämtliche Verdichtersätae einzeln in ihrer Drehzahl regelbar.

Bei maximalem Durchsatz sinkt der Quellendruck p.. infolge der StrömungsVerluste in der Leitung 2 bis zur Verdichterstation auf den Stationseingangsdruck Pp ab. Alle Verdichtersätze sind in Betrieb und die Ventile 12, 13 und 14 in den Bypassleitungen 15, 16 und 17 geschlossen. In der Station erfolgt ein Druckaufbau bia auf den Druck p^, der dann wiederum in der Zuleitung 4 zum Verbrauchervorratsbehälter 5 auf den angestrebten Endwert P₂ absinkt. Vermindert sich nun der Durchsatz beispielsweise 30 weit, daß der Druck vor der Station auf den Wert ρ^ ansteigt, so wird erfindungsgemäß zunächst der Verdichter 11 in der Drehzahl aο weit abgeregelt, daß der Enddruck in der Leitung 4 nicht unter P2 absinkt. Je nach Ausmaß der Durchsatzverminderung wird schließlich der Verdichter 11 durch Öffnen des Absperrventils 14 atrömungamäßig umgangen, der Verdiohtersatz stillgesetzt und gegebenenfalls damit begonnen, den

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nächsten Verdichter 10 in der Drehzahl abzuregein. Hinsichtlich des Ausmaßes des jeweils zu erzeugenden Druckaufbaues in der Station 3 im Teilmengengebiet bietet sich einmal die Möglichkeit, stets auf den Stations aus gangs druck ρ., zu verdichten. Die zweite Möglichkeit besteht darin, jeweils nur so hoch zu verdichten, im gezeigten Beispiel auf ρ. , daß unter Berücksichtigung der auch in der Leitung 4 bei Durchsat zver ringe rung eintretenden Abnahme der Strömungsverluste der Druck am Eingang des Behälters 5 nicht unter p„ absinkt. Die letztere Regelungsart hat den Vorzug, daß sie wirtschaftlicher ist als die andere Regelungsart. Bei Regelung auf konstanten Stationsausgangsdruck müßten bei dem gewählten Beispiel die ersten beiden Verdichter mit voller Drehzahl und die dritte Stufe mit verringerter Drehzahl laufen. Wird dagegen nach der zweiten Art ein Druckaufbau erzeugt, so braucht nur der erste Verdichter mit voller Drehzahl zu laufen, der zweite wird mit verringerter Drehzahl betrieben, während der dritte ganz stillgesetzt ist und umgangen wird.

Figur 2 verdeutlicht den Verlauf des Kraftstoffverbrauches. Es ist der Kraftstoffverbrauch B über dem Gewichtsdurchsatz G aufgetragen. Die Kurve I zeigt dabei den Verlauf des Kraftstoff verbrauche a im Teilmengengebiet bei Druckaufbau auf gleichbleibenden Enddruck der Verdichterstation. Die Unstetigkeit der Kurve ist auf das sukzessive Ab- und Zuschalten der einzelnen Verdiohtersätze zurückzuführen.

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Kurve II zeigt sinngemäß den Verlauf des Kraftstoffverbrauches bei Druckaufbau auf einen Stationsausgangsdruck, der noch den minimal zulässigen Enddruck beim Verbraucher sicherstellt.

Figur 3 zeigt ein Verdichterkennfeld, bei welchem das Druckverhältnis p/p über dem Durchsatζvolumen am Verdichtereintritt V aufgetragen ist. Die Kurve P stellt die Pumpgrenze des Verdichters dar. Uit n₁ bis *n. sind die Linien gleicher Verdichter-

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drehzahl bezeichnet, wobei n.. einer Verdichterdrehzahl von 10O^ entspricht. In das Kennfeld sind die Betriebslinien der drei in Heihe geschalteten Verdichter eingetragen. Dabei beziehen sich die' Punkte a, b, c, d jeweils auf Betrieb mit gleichbleibendem Ausgangsdruck der Verdichterstation, die Punkte A, B, C, D auf Betrieb mit einem den Enddruck beim Verbraucher noch sicherstellenden Mindestausgangsdruck an der Station. Das Indexzeichen 1 bezieht sich dabei immer auf den Verdichter 9» das Indexzeichen 2 auf den Verdichter 10, das Indexzeichen 3 auf den Verdichter 11.

Bei vollem Durchsatz laufen alle drei Verdichter jeweils in den Betriebspunkten a^, A-j bzw. ag, A₂ bzw. a,, A,. Verringert sich der Durchsatz so weit, daß die drit.te Stufe des Verdichters abgeschaltet werden kann, so verschieben sich die Betriebspunkte der ersten beiden Verdichterstufen auf einer Linie gleicher Drehzahl nach links auf die entsprechenden Punkte b^, B₁ bzw. b₂, Bgt während die Betriebslinien der

dritten Stufe abfallen bis auf das Druckverhältnis p/p = 1,

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dem die Punkte b-, und B-, auf der Abszisse entsprechen. Sinkt der Durchsatz weiter "bis zu einer Höhe ab, bei der die Förderung eines einzigen Verdichters ausreicht, so verschieben sich die Betriebspunkte der ersten Verdichterstufe sinngemäß nach c^, C-, hin, während die Betriebslinien der zweiten Stufe von den Punkten bp, Bg wiederum bis zu einem Druckverhältnis 1 abfallen, den Punkten Cg, Cg auf der Abszisse entsprechend. Bei weiterer Verringerung des Durchsatzes fallen nun die Betriebslinien der ersten Stufe Von den Punkten c-,, C. zu den Punkten d-, D* auf der Abszisse ab.

Die eingetragenen Betriebslinien zeigen, daß für den Betrieb mit gleichbleibendem Ausgangsdruck der Verdichterstation das Kennfeld breiter sein muß als im anderen Fa.ll, jedoch immer noch in ausführbaren Grenzen liegt. Je weiter man sich nun dem Regelverfahren nähert, bei dem nur ein Stationsausgangsdruck erzeugt wird, der noch ausreicht zur Sicherstellung des beim Verbraucher verlangten Mindestdruckes, so können Verdichter mit schmäleren und daher mit ihrem Wirkungsgradoptimum etwas höher liegenden Kennfeldern verwendet werden. Man bewegt sich also bei der letzteren Regelungsart auch verdichterseitig in einem Gebiet gunstigerer Wirkungsgrade.

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Claims

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i 1/ Aufbau und Regelverfahren von Verdichterstationen für gasförmige Medien mit Gasturbinen als Antriebsmaschinen, die zum Ausgleich des Druckabfalls in der Leitung im Sinne der Aufrechterhaltung eines Mindestenddruckes beim Verbraucher dienen, dadurch gekennzeichnet, daß jede Verdichterstation (3)mehrere strömungsmäßig hintereinander geschaltete, einzeln durch eine absperrbare Bypassleitung (15,16,17) überbrückbare und in der Drehzahl regelbare Kreiselverdichtersätze (6-9, 7-10, Ö-11) aufweist, die bei fallender Fördermenge und versperrten Bypassleitungen (15,16,17) beginnend mit der letzten Stufe (8-11) der Reihe nach zunächst in der Drehzahl abgesenkt, durch Öffnen der jeweils zugeordneten Bypassleitung (17 bzw. 16 bzw. 15) strömungsmäßig abgeschaltet und stillgesetzt werden.
2. Verdichterstation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichterstation (3) im Teilmengengebiet jeweils auf den minimal möglichen Druckaufbau eingeregelt wird.
3. Verdichterstation nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangsdruck der Station (3) als Regelgröße benutzt wird.
4. Verdichterstation nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtersätze (6-9, 7-10, 8-11) untereinander gleich sind.

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