DE19845763A1

DE19845763A1 - Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine mit nachgeschaltetem Abgassystem und Gasturbine mit einem nachgeschalteten Abgassystem

Info

Publication number: DE19845763A1
Application number: DE1998145763
Authority: DE
Inventors: Siegfried Baehr
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1998-10-05
Filing date: 1998-10-05
Publication date: 1999-12-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine (10) mit einem nachgeschalteten Abgassystem (11) sowie eine derartige Gasturbine (10). Erfindungsgemäß ist zwischen der Gasturbine (10) und dem Abgassystem (11) die Zufuhr eines Kühlmittels (13) zum Absenken der Temperatur der Abgase vorgesehen. Hierdurch kann das nachgeschaltete Abgassystem (11) auf niedrigere Temperaturen ausgelegt werden, während die Gasturbine (10) mit hohen Temperaturen betrieben wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine mit einem nachgeschalteten Abgassystem, ins besondere mit einem Bypasskamin und einem Abhitzedampferzeu ger, sowie eine derartige Gasturbine.

Gasturbinen nutzen die Entspannung eines verdichteten und er hitzten Gases zur Erzeugung mechanischer Arbeit, die an schließend über einen Generator in elektrische Energie umge wandelt werden kann. Die aus der Gasturbine austretenden Ab gase weisen eine wesentlich höhere Temperatur als die Umge bung auf. Dieser Temperaturunterschied wird in einem nachge schalteten Abgassystem zur weiteren Energieerzeugung genutzt. Es bietet sich insbesondere an, die Abgase der Gasturbine zur Dampferzeugung einzusetzen. Dieser Dampf treibt eine nachge schaltete Dampfturbine an, die wiederum zur Stromerzeugung genutzt wird. Alternativ oder zusätzlich kann die in den aus der Gasturbine austretenden Abgasen enthaltene Wärmeenergie über einen oder mehrere Wärmetauscher rückgewonnen (innerer Wärmetausch) oder zu Heizzwecken verwendet werden.

Der Wirkungsgrad einer Gasturbine steigt mit einer Erhöhung der Eintrittstemperatur des Gases in die Gasturbine an. Al lerdings führt diese Erhöhung der Eintrittstemperatur auch zu einer erhöhten Austrittstemperatur der Abgase aus der Gastur bine. Das nachgeschaltete Abgassystem muß daher bei einer Steigerung der Eintrittstemperatur des Gases ebenfalls auf höhere Temperaturen ausgelegt werden. Bei der Erstellung von Neuanlagen verteuern sich daher die einzelnen Komponente des Abgassystems. Bereits vorhandene Komponenten des Abgassystems können bei der Ertüchtigung von Altanlagen auf Grund der er höhten Austrittstemperatur der Abgase nicht mehr genutzt wer den.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfah ren zum Betrieb einer Gasturbine mit einem nachgeschalteten Abgassystem sowie eine Gasturbine mit einem nachgeschalteten Abgassystem bereit zustellen, die trotz hoher oder erhöhter Eintrittstemperatur der Gase in die Gasturbine eine unzuläs sig hohe Temperatur der Abgase in dem nachgeschalteten Abgas system verhindern.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß den Abgasen zwi schen der Gasturbine und dem Abgassystem ein Kühlmittel zum Absenken der Temperatur der Abgase zugemischt wird.

Durch das Zumischen des Kühlmittels wird die Temperatur der Abgase vor dem Eintritt in das nachgeschaltete Abgassystem gesenkt. Bei der Erstellung von Neuanlagen ist somit die Ver wendung kostengünstiger Bauteile möglich, die nicht auf Spit zentemperaturen ausgelegt sein müssen. Bei der Ertüchtigung von Altanlagen kann das vorhandene nachgeschaltete Abgassy stem beibehalten werden, so daß sich die Kosten für die Er tüchtigung verringern. Der Gesamtwirkungsgrad der Gasturbine und des nachgeschalteten Abgassystems wird durch das Zumi schen des Kühlmittels praktisch nicht beeinflußt. So sinkt zwar die Temperatur der Abgase wunschgemäß ab, was allerdings durch die entsprechende Erhöhung des Massenstroms auf Grund des Zumischens des Kühlmittels wieder weitestgehend ausgegli chen wird. Die dem nachgeschalteten Abgassystem insgesamt zu geführte Wärmemenge bleibt, von geringfügigen Verwirbelungs verlusten abgesehen, unverändert. Es läßt sich somit der Wir kungsgrad durch eine Erhöhung der Eintrittstemperatur der Gase steigern, ohne daß hohe Investitionen in das nachge schaltete Abgassystem erforderlich sind.

Vorteilhaft wird die Menge des zugeführten Kühlmittels in Ab hängigkeit von der Leistung der Gasturbine festgelegt. Die Austrittstemperatur der Abgase aus der Gasturbine hängt von der Leistung ab, so daß bei geringer Leistung auch ver gleichsweise niedrige Austrittstemperaturen vorliegen. Somit muß erst ab einer bestimmten Grenzleistung Kühlmittel zuge führt werden. Eine Erfassung der Austrittstemperatur der Ab gase ist nach erfolgter Grundeinstellung nicht mehr erforder lich.

Alternativ oder zusätzlich kann die Menge des zugeführten Kühlmittels in Abhängigkeit von der Austrittstemperatur der Abgase aus der Gasturbine festgelegt werden. Die Abgastempe ratur in dem nachgeschalteten Abgassystem kann hierdurch ge steuert werden.

In vorteilhafter Weiterbildung wird die Menge des zugeführten Kühlmittels in Abhängigkeit von der Abgastemperatur stromab wärts der Kühlmittelzufuhr geregelt. Durch diesen Regelkreis kann die Abgastemperatur optimal auf einem vorgegebenen Tem peraturwert gehalten werden.

Es bietet sich an, als Kühlmittel ein Gas, insbesondere Luft oder Dampf zu verwenden. Gegebenenfalls können auch andere Gase als Kühlmittel zugeführt werden, die gleichzeitig zur Reduzierung von Schadstoffen in den Abgasen dienen.

Vorteilhaft wird bei der Verwendung von Luft als Kühlmittel die Luft auf Grund des statischen Unterdrucks stromabwärts der Gasturbine aus der Umgebung angesaugt. Zuführeinrichtun gen für das Kühlmittel können entfallen, so daß die Herstel lungs- und Wartungskosten sinken.

Bei einer Gasturbine der eingangs genannten Art wird die ge stellte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in einem Übergangsbereich zwischen der Gasturbine und dem Abgassystem mindestens eine Öffnung zum Zuführen eines Kühlmittels zu den aus der Gasturbine austretenden Abgasen vorgesehen ist.

Die mindestens eine Öffnung erlaubt das Zuführen eines Kühl mittels und damit eine Absenkung der Austrittstemperatur der Abgase vor dem Eintritt in das nachgeschaltete Abgassystem. Hierdurch wird eine hohe Eintrittstemperatur des Gases in die Gasturbine und damit ein hoher Wirkungsgrad ermöglicht. Gleichzeitig erlaubt die erfindungsgemäß vorgesehene Tempera turabsenkung die Verwendung eines kostengünstigen Abgassy stems oder die Weiterverwendung bereits bestehender Anlagen. Der Gesamtwirkungsgrad wird durch das Zuführen des Kühlmit tels nicht verändert, wie obenstehend ausgeführt. Zahl und Größe der vorgesehenen Öffnungen richten sich nach dem kon kret vorliegenden Anwendungsfall.

In vorteilhafter Ausgestaltung ist die mindestens eine Öff nung im Eintritt eines der Gasturbine nachgeschalteten Diffu sors angeordnet. Der Diffusor ist im Regelfall unmittelbar an das Austrittsende der Gasturbine angeschlossen. Die Abgasge schwindigkeit ist hier relativ hoch, so daß eine zuverlässige Ansaugung des Kühlmittels auf Grund des statischen Unter drucks gegeben ist. Darüber hinaus wird die Temperatur der Abgase unmittelbar nach dem Austritt aus der Gasturbine ver ringert, so daß praktisch keine Bauteile des nachgeschalteten Abgassystems auf sehr hohe Temperaturen ausgelegt werden müs sen.

Vorteilhaft ist der freie Querschnitt und/oder die Anzahl der Öffnungen zur Festlegung der zugeführten Kühlmittelmenge ver änderbar. Hierdurch kann eine Anpassung der zugeführten Kühl mittelmenge in Abhängigkeit von der Leistung der Gasturbine, der Austrittstemperatur der Abgase und/oder der Abgastempera tur stromabwärts der Kühlmittelzufuhr erfolgen.

In vorteilhafter Ausgestaltung ist die mindestens eine Öff nung mit einem Düsenblech versehen. Das Düsenblech erhöht die Menge des zugeführten Kühlmittels je Öffnung und erlaubt so mit eine zuverlässige Senkung der Abgastemperatur.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind einer oder mehrere Sensoren zur Messung der Abgastemperatur stromabwärts der Gasturbine vorgesehen. Diese Sensoren erlau ben eine Messung der tätsächlich vorliegenden Abgastemperatur und somit eine optimale Festlegung der zugeführten Kühlmit telmenge.

Vorteilhaft ist mindestens ein Sensor stromabwärts der minde stens einen Öffnung zum Zuführen des Kühlmittels angeordnet. Hierdurch wird ein geschlossener Regelkreis geschaffen, der das genaue Einhalten einer vorgegebenen Abgastemperatur er laubt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei spiels näher erläutert, das in schematischer Weise in der Zeichnung dargestellt ist. Dabei zeigt:

Fig. 1 ein schematisches Schaubild einer Gasturbine mit nachgeschaltetem Abgassystem;

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Übergangsbereichs zwischen der Gasturbine und dem Abgassystem;

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie III-III in Fig. 2; und

Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie IV-IV in Fig. 3.

In Fig. 1 ist schematisch eine Gasturbine 10 mit einem nach geschalteten Abgassystem 11 dargestellt. Die Gasturbine 10 und das Abgassystem 11 werden in Strömungsrichtung 12 von ei nem Gas durchströmt. Das Gas tritt erhitzt und unter hohem Druck in die Gasturbine 10 ein und wird in dieser unter Ab gabe von Energie auf einen niedrigen Druck entspannt. An schließend strömen die aus der Gasturbine austretenden Abgase durch das Abgassystem 11. Zur Verringerung der Abgastempera tur vor dem Eintritt in das Abgassystem 11 ist nach dem Aus tritt aus der Gasturbine 10 die Zufuhr eines Kühlmittels 13 vorgesehen.

In Fig. 2 sind die Gasturbine 10 und ein Diffusor 15, der Teil des Abgassystems 11 ist, näher dargestellt. In dem Über gangsbereich 14 zwischen der Gasturbine 10 und dem Diffusor 15 erfolgt die Zufuhr des Kühlmittels 13 mittels Öffnungen 16, 17. Die Öffnungen 16, 17 sind mit Abstand zueinander am Umfang des Übergangsbereichs 14 angeordnet. Vorteilhaft wird als Kühlmittel 13 Luft verwendet, die wie angedeutet durch die Öffnungen 16, 17 auf Grund des statischen Unterdrucks der strömenden Abgase eingesaugt wird.

Zur Ermittlung der Abgastemperaturen sind drei Sensoren 18, 19, 20 vorgesehen. Der erste Sensor 18 ist hierbei am Aus trittsende der Gasturbine 10 angeordnet. Der zweite Sensor ist etwas stromabwärts der Öffnungen 16, 17 für die Kühlmit telzufuhr 13 angeordnet, während der dritte Sensor 20 weiter stromabwärts vorgesehen ist. In Abhängigkeit von den Meßwer ten der Sensoren 18, 19, 20 kann die Zufuhr des Kühlmittels 13 optimal festgelegt werden.

In der Querschnittsdarstellung gemäß Fig. 3 sind schematisch mögliche Ausgestaltungen der Öffnungen 16, 17 dargestellt. Beide Öffnungen 16, 17 sind im wesentlichen zylindrisch aus gebildet. Die Öffnung 16 ist innenseitig mit einem Düsenblech 24 überdeckt. Das Düsenblech 24 erhöht die Menge der aus der Umgebung angesaugten Kühlluft und bewirkt eine zuverlässige Absenkung der Abgastemperaturen.

Eine mögliche Ausgestaltung als Düsenblech 24 ist in Fig. 4 dargestellt. Das Düsenblech 24 ist als einseitig offene Hutze ausgebildet.

Die Ausströmung erfolgt in Strömungsrichtung 12. Durch das Umleiten der Abgase sinkt der statistische Unterdruck, so daß mehr Kühlluft angesaugt wird.

Zur Veränderung des freien Querschnitts der Öffnungen 16, 17 sowie zum vollständigen Freigeben oder Verschließen können Schieber 21, 22 dienen, die in Umfangsrichtung 23 verschieb lich im Übergangsbereich 14 angeordnet sind. Die Öffnung 16 ist teilweise von dem Schieber 21 verschlossen, während die Öffnung 17 vollständig freigegeben ist. Die Lage der Schieber 21, 22 bestimmt die Menge des zugeführten Kühlmittels.

Alternativ können die Schieber 21, 22 auch in Richtung der Längsachse des Diffusors 15 verschieblich ausgebildet sein. Es kann ebenfalls ein ringförmiger Schieber vorgesehen sein, der seinerseits mit Öffnungen versehen ist.

Die Sensoren 18, 19, 20 und die Schieber 21, 22 sind Teil ei nes nicht näher dargestellten Regelkreises, mit dem eine vor gegebene Abgastemperatur genau eingehalten werden kann.

Insgesamt wird mit dem Gegenstand der vorliegende Erfindung eine Steigerung des Wirkungsgrads von Gasturbinen ermöglicht, ohne daß teure und hochtemperaturfeste nachgeschaltete Abgas systeme erforderlich werden. Die Erfindung eignet sich sowohl für die Erstellung neuer Anlagen als auch für die Ertüchti gung von Altanlagen.

Claims

1. Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine (10) mit einem nachgeschalteten Abgassystem (11), insbesondere mit einem Bypasskamin und einem Abhitzedampferzeuger, dadurch gekennzeichnet, daß den Abgasen zwischen der Gasturbine (10) und dem Abgassystem (11) ein Kühlmittel (13) zum Absenken der Temperatur der Abgase zugemischt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des zugeführten Kühlmittels (13) in Abhängigkeit von der Leistung der Gasturbinen (10) festgelegt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des zugeführten Kühlmittels (13) in Abhängigkeit von der Austrittstemperatur der Abgase aus der Gasturbine (10) festgelegt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des zugeführten Kühlmittels (13) in Abhängigkeit von der Abgastemperatur stromabwärts der Kühlmittelzufuhr geregelt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmit tel (13) ein Gas, insbesondere Luft oder Dampf verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die als Kühlmittel (13) dienende Luft auf Grund des statischen Unterdrucks stromabwärts der Gasturbine (10) aus der Umgebung angesaugt wird.

7. Gasturbine mit einem nachgeschalteten Abgassystem (11), insbesondere mit einem Bypasskamin und einem Abhitzedampfer zeuger, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Übergangsbereich (14) zwischen der Gasturbine (10) und dem Abgassystem (11) mindestens eine Öffnung (16; 17) zum Zu führen eines Kühlmittels (13) zu den aus der Gasturbine (10) austretenden Abgasen vorgesehen ist.

8. Gasturbine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Öffnung (16; 17) im Eintritt eines der Gasturbine (10) nachgeschalteten Diffusors (15) angeordnet ist.

9. Gasturbine nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der freie Querschnitt und/oder die Anzahl der Öffnungen (16; 17) zur Festlegung der Menge des zugeführten Kühlmittels (13) verän derbar ist.

10. Gasturbine nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Öffnung (16) mit einem Düsenblech (24) versehen ist.

11. Gasturbine nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß einer oder mehrere Sensoren (18, 19, 20) zur Messung der Abgastemperatur stromabwärts der Gasturbine (10) vorgesehen sind.

12. Gasturbine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Sensor (19, 20) stromabwärts der mindestens einen Öffnung (16; 17) zum Zuführen des Kühlmittels (13) angeordnet ist.