DE2250582C2 - Lastregel vorrichtung für eine geschlossene Gasturbinenanlage - Google Patents

Description

2 260 582

3 4

einer Lastregelvorrichtung für eine geschlossene Gas- Die Gasturbinenanlage weist zwischen dem von turbinenanlage ohne den höheren Druck im Speicher der Turbine 4 zum Verdichter 2 führenden Teil des und ohne einen Hilfsverdichter auszukommen und Strömungsweges 1 und dem vom Verdichter 2 zum trutzdem keinen negativen Momentaneffekt, sondern Erhitzer 3 führenden Teil des Strömungsweges 1 einen neutralen oder positiven Momentaneffekt zu 5 einen Wärmetauscher 12 auf, wobei die unter höhebekommen. _rem rj_ruck stehende Stelle 7 zwischen dem Vf idicb-

Diom! Aufgabe wird bei der eingangs geschilderten ter 2 und dem Wärmetauscher 12 Hegt.
Lastregelvorrichtung für eine geschlossene Gas- Die beiden Ventile 9 und 11 stehen mit einem turbinenanlage mit einem Speicher, der an zwei unter Regler 13 eines von der Turbine 4 angetriebenen voneinander unterschiedlichem Druck stehende io Generators 14 in Wirkungsverbindung. Steigt die Stellen des Strömungsweges anschließbar ist, erfin- Drehzahl des Generators 14 wegen Lastsenkung, so dungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens die wird mittels des Reglers 13 das Ventil 11 geöffnet, so unter niedrigerem Druck stehende Stelle zwischen daß von der Stelle 7 des Strömungsweges 1 Arbeitszwei Stufen des Verdichters liegt mittel durch die Leitung 10 in den Speicher 5 strömt.

Vorteilhafterweise Hegt die unter höherem Druck 15 Sinkt die Drehzahl des Generators 14 wegen Laststehende Stelle zwischen dem Verdichter und Er- steigerung, öffnet der Regler 13 das Ventil 9, so daß hitzer. _aus dem Speicher 5 Arbeitsmittel zur Stelle 6 des

Wenn die Gasturbinenanlage zwischen dem von Strömungsweges 1 durch die Leitung 8 hindurch-

dcr Turbine zum Verdichter führenden Teil des strömt.

Strömungsweges und dem vom Verdichter zum Er- 20 Dadurch, daß die unter niedrigerem Druck stc-

hitzer führenden Teil des Strömuagsweges einen hende Stelleo zwischen zwei Stufen des Verdich-

Wärmeaustauscher aufweist, ist es von Vorteil, daß ters 2, d. h. zwischen der Stufe V- und der Stufe T²

die unter höherem Druck stehende Stelle, an die liegt, ergibt sich zur Laststeigerung der Gasturbinen-

dcr Speicher anschließbar ist, zwischen dem Ver- ;sii!age folgende Wirkung: Da die Verdichter bei

dichter und dem Wärmeaustauscher liegt. 35 geschlossenen Gasturbinenanlagen flache Leistungs-

Bei Gasturbinenanlagen, die zwei getrennte Wellen Volumenstrom-Kennlinien haben, ergibt eine an der

aufweisen, an deren einer eine Stufe der Turbine Stelle 6 des Strömungsweges 1 durch das Einfließ,. ■

und der Verdichter und an deren anderer eine an- von Arbeitsmittel entstehende Druckerhöhung auf

dere Stufe der Turbine und die von der Gasturbine der Druckseite der Stufe 2¹ des Verdichters 2 eine

angetriebene Maschine liegt, ist es weiter von Vor- 30 Lastabnahme der Stufe V-. Andererseits entsteht in-

teil, daß eine ein regelbares Absperrorgan aufwei- folge der vergrößerten Arbeitsmittelmenge an der

sende Bypassleitung für den Strömungsweg des Ar- Stelle 6 in der Stufe 2- des Verdichters 2 eine Last-

beitsmittels vorgesehen ist, die von einer vor dem steigerung. Die Stufen 2' und 2- des Verdichters 2

Erhitzer liegenden Stelle des Strömungsweges zu sind jedoch so ausgelegt, daß die Lastabnahme der

einer zwischen zwei Stufen der Turbine liegenden 35 Stufe 2' gleich oder größer der Lastzunahme der

Stelle des Strömungsweges führt, wobei das Absperr- Stufe 2² ist. Auf diese Weise entsteht bei Beginn des

organ hei Lasterhöhung in öffnendem Sinn kurzzeitig Einlaufenlassens des Arbeitsmittels in den Strö-

betätigt wird. mungsweg 1 praktisch keine Lastverminderung der

Weiter ist es für die Lastregelung vorteilhaft, daß Gasturbinenanlage; die Last beginnt dann entspre-

der Verdichter keine Zwischenkühlung aufweist oder 40 chend der eingelassenen Menge des Arbeitsmittels

wenigstens nur einen Zwischenkühler mit ein kleines zu steigen.

Volumen aufweisendem Strömungsweg für das Ar- Wird das Druckverhältnis der Stufe 2« des Ver-

beitsmittel. dichters 2 größer gewählt als das Druckverhältnis

In der Zeichnung, an Hand welcher die Erfindung der Stufe 2² des Verdichters 2, so kann auf einfache näher erläutert wird, sind Ausführungsbeispiele des 45 Weise ein positiver Momentaneffekt bei Laststeige-Erfindungsgegenstands vereinfacht dargestellt. rung der Gasturbinenanlage erreicht werden.

F i g. 1 und 2 zeigen eine schematische Darstellung Die Stelle 7 befindet sich beim Ausführungsbeispiel je einer geschlossenen Gasturbinenanlage mit der nach Fig. 1 an der Stelle höchsten Drucks des Arerfindungsgemäßen Lastregelvorrichtung; beitsmittels im Strömungsweg 1. Unter Umständen

F i g. 3 zeigt ein Leistungs-Volumenstrom-Dia- 5" könnte aber die Leitung 10 an den Strömungsweg 1

gramm für Verdichter. des Arbeitsmittels an einer im Verdichter 2 liegenden

Die dargestellte Gasturbinenanlage weist einen Stelle anschließen, die in Strömungsrichtung des Arendlosen Strömungsweg 1 für das Arbeitsmittel auf, beitsmittels nach der Stelle 6 liegt,
in welchem in Strömungsrichtung nacheinander ein Der Speicher 5 ist mit einer Kühlvorrichtung, d. h. Verdichter 2, ein Erhitzer 3 und eine Turbine 4 lie- 55 mit einer Kühlleitung 15 versehen, die ein Absperrgen. Ein Speicher 5 für einen Teil des Arbeitsmittels organ 16 aufweist. Weiter ist der Speicher 5 mit einer ist an zwei unter voneinander unterschiedlichem Heizvorrichtung, d. h. einer Heizleitung 17 ver-Druck stehende Stollen 6 und 7 des Strömungs- sehen, die ein Absperrorgan 18 aufweist. Die Abweges 1 wechselweise anschließbar. Dabei dient eine sperrorgane 16 und 18 stehen mit einer Regel-Leitung 8 mit einem Absperrorgan 9 zur Verbindung 60 vorrichtung 19 in Wirkungsverbindung, die wieder der Stelle 6 mit dem Speicher S und eine Leitung 10 mit dem Reeler 13 in Wirkungsverbindung steht und mit einem Absperrorgan Il zur Verbindung der einen in den speicher 5 reichenden Temperatur- oder Stelle 7 mit dem Speicher S. Druckfühler 20 aufweist.

Erfindungsgemäfl liegt die unter niedrigerem Druck Die Regelvorrichtung 19 steuert die Ventile 16

als die Stelle 7 liegende Stelle 6 zwischen zwei Stu- 65 und 18 so, daß jeweils bei Normallast der Gas-

fen 2¹ und 2² des Vordichters 2. turbinenanlage, d. h. bei geschlossenen Absperr-

Die unter höhcrem Druck stehende Stelle 7 liegt organen 9 und 11. der entsprechend der Temperatur

zwischen dem Verdichter 2 und dem Erhitzer 3. steigende Druck des Arbeitsmittels im Speichers

auf einem vorgegebenen Wert bleibt, der zwischen den Drücken der Stellen 6 und 7 des Strömungsweges 1 liegt. Auf diese Weise ist die Lastregclvorrichtung jederzeit sowohl für Laststeigerung als für Lastsenkung voll wirksam, auch wenn der Druckunterschied zwischen den Stellen 6 und 7 klein gewählt wurde.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Gasturbinenanlage zwei getrennte Wellen 21 und 22 auf. An der Welle 21 liegt eine Stufe 4¹, nämlich die Hochdruckstufe der Turbine 4 und der Verdichter 2. An der Welle 22 liegt die Stufe 4², d. h. die Niederdruckstufc der Turbine 4 und die von der Gasturbine angetriebene Maschine, nämlich der Generator 14. In einem endlosen Strömungsweg 1 für das Arbeitsmittel liegen in Strömungsrichtung nacheinander der Verdichter 2, ein Wärmetauscher 12, ein Erhitzer 3, die Turbine 4, die andere Seite des Wärmetauschers 12, ein Kühler 23, auf den der Verdichter 2 folgt womit der Kreislauf des Arbeitsmittels geschlossen ist.

Ein Speicher 5 für Arbeitsmittel ist über Leitungen 8 bzw. 10 wechselweise an zwei unter voneinander unterschiedlichem Druck stehende Stellen 6 und 7 des Strömungsweges 1 anschließbar.

Während beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 die Stelle 6 in dem Teil des Stroinungsweges 1 liegt, der von der Stufe 2· zur Stufe 2² des Verdichters 2 führt und einen Zwischenkühler 24 aufweist, liegt beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 die Stelle 6 unmittelbar zwischen zwei Stufen des Verdichters 2. Dadurch, daß der Verdichter keinen Zwischenkühler aufweist, wirkt das an der Stelle 6 in den Strömungsweg 1 einfließende Arbeitsmittel ohne Verzögerung auf die vor und hinter der Stelle 6 liegenden Stufen 2¹ ν id 2² des Verdichters 2 ein.

Weifer ist eine mit einem regelbaren Absperrorgan 25 versehene Bypassleitung 26 für den Strömungsweg 1 des Arbeitsmittels vorgesehen. Diese Bypassleitung 26 führt von einer zwischen dem Wärmetauscher 12 und dem Erhitzer 3, d. h. vor dem Erhitzer 3 liegenden Stelle 27 des Strömungsweges zu einer zwischen den zwei Stufen 4' und 4² der Turbine 4 liegenden Stelle 28 des Strömungsweges 1. Insbesondere für die in F i g. 2 gezeigte Ziveiwellen-GasturLine ist das Vorsehen der Bypassleitung 26 vorteilhaft. Durch Betätigung des Absperrorgans 25, und zwar bei Lasterhöhung in öffnendem Sinn, kann der neutrale bis positive Momentaneffekt bei Lasterhöhung, d. h. bei Einfließen von Arbeitsmittel aus dem Speichers durch die Leitung 8 in den Strömungsweg 1 noch verbessert werden.

Das Absperrorgan 25 der Bypassleitung 26, insbesondere aber das Absperrorgan 9 der Leitung 8

ίο und das Absperrorgan 11 der Leitung 10 stehen mit dem Regler 13 der Gasturbinenanlage in Wirkungsverbindung. Dabei liegt der Regler 13 an der Welle 22 der angetriebenen Maschine, d. h. des Generators 14.

Überdies weist die Anlage auch eine mit einem Absperrorgan 29 versehene Rückführleitung 30 auf, die es erlaubt, Arbeitsmittel von der Druckseite des Verdichters 2 zur Saugseite des Verdichters 2 zurückfließen zu lassen.

to In dem in Fig. 3 gezeigten Diagramm ist die Leistung mit P, der Volumeiistrom mit V bezeichnet. An Hand der Leistungs-Volumenstrom-Kennlinie kann das Verhalten der beiden Stufen des Verdichters 2 gc« gezeigt werden. Bei Normallast arbeiten

as die beiden Verdichterstufen im Punkt N. Bei Laststeigerung, d. h. bei Einlaufenlassen von Arbeitsmittel aus dem Speicher 5 in den Strömungsweg 1 an der Stelle 6, nimmt die druckseitig der Stelle 6 liegende Stufe 2² des Verdichters 2 praktisch um so viel mehr Last auf, wie die Dichte des Arbeitsmittels an ihrem Eintritt zunimmt; die Stufe 2² arbeitet in dem mit N₂ bezeichneten Punkt ihrer Kennlinie. Gleichzeitig nimmt bei Laststeigerung die saugseitig der Stelle 6 liegende Stufe 2¹ weniger Last auf; die Stufe 2^l arbeitet in dem mit N₁ bezeichneten Punkt ihrer Kennlinie. Die Kennlinie der Stufe 2' und die Kennlinie der Stufe 2² sind so aufeinander abgestimmt, daß die Lastzunahme der Stufe 2² durch die Lastabnahme der Stufe 2¹ zumindest ausgeglichen ist. Vorteilhafterweise wird man aber die Lastabnahme der Stufe 2¹ größer als die Lastzunahme der Stufe 2² machen, was dadurch erreicht werden kann, daß die Stufe 2² mit einer steilen Leistungs-Volumenstrom-Kennlinie ausgelegt wird, während für die Stufe 2¹ die flache Leistungs-Volumenstrom-Kennlinie beibehalten wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

1 2 unter niedrigerem Druck stehenden Stelle (6) He- Patentansprüche· genden Stufe (2') des Verdichters (2) größer ist als bei der nach dieser Stelle (6) liegenden Stufe

1. Lastregelvorrichtung für eine geschlossene (2^S) des Verdichters (2).

Gasturbinenanlage mit einem endlosen Strö- 5 10. Lastregelvorrichtung nach Anspruch I, damungsweg fQr das Arbeitsmittel, in welchem in durch gekennzeichnet, daß die vor der unter Suömungsrichtung nacheinander ein Verdichter, niedrigerem Druck stehenden Stelle (v) Hegende ein Erhitzer und eine Turbine Hegen, sowie mit Stufe (2¹) des Verdichters (2) eine flache Leieinem für einen Teü des Arbeitsmittels bemes- stungs-Volumenstrom-Kennlinie und die nach senen Speicher, welcher an zwei unter vonera- w dieser Stelle (6) liegende Stufe (2^S) des Verdienender unterschiedlichem Druck stehende Stellen ters (2) eine steile Leistungs-Volumenstromdes Strömungswegs wechselweise anschließbar Kennlinie aufweist.

ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die unter niedrigerem Druck stehende

Stelle (6) zwischen zwei Stufen (2», 2«) des Ver- 15
cfichters (2) liegt.

2. Lastr-gelvorrichtung nach Anspruch 1, da- Die Erfindung betrifft eine Lastregelvorrichtung durch gekennzeichnet, daß die unter höherem für eine geschlossene Gasturbinenanlage mit einem Druck stehende Stelle (7) zwischen dem Ver- endlosen Strömungsweg für das Arbeitsmittel, in dichter (2) und dem Erhitzer (3) liegt. ao welchem in Strömungsrichtung nacheinander ein

3. Lastregelvorrichtung nach Anspruch 1, da- Verdichter, ein Erhitzer und eine Turbine liegen, durch gekennzeichnet, daß bei einer Gasturbinen- sowie mit einem für einen Teil des Arbeitsmittels anlage mit einem Wärmetauscher (12) zwischen bemessenen Speicher, welcher an zwei unter vondem von der Turbine (4) zum Verdichter (2) füh- einander unterschiedlichem Druck stehende Stellen lenden Teil und dem vom Verdichter (2) zum as des Strömungsweges wechselweise anschließbar ist. Erhitzer (3) führenden Teil des Strömungsweges Bei einer bekannten Gasturbinenanlage dieser Art (1) die unter höherem Druck stehende Stelle (7) Hegen diese Stellen des Strömungsweges, an welche !wischen atm Verdichter (2) und dem Wärme- der Speicher angeschlossen ist, einerseits an der tauscher liegt. Stelle höchsten Drucks des Arbeitsmitteis, anderer-

4. Lastregelvorrichtung nach Anspruch 1, da- 30 _seits an der Stelle niedrigsten Drucks des Arbeitsdurch gekennzeichnet, daß Ur den Speicher (5) mittels. Es ist dann möglich, zwecks Laststeigerung eine Heiz- und Kühlvorrichtung (15, 17) vor- Arbeitsmittel aus dem Speicher in den Niederdruckgesehen ist, die durch Wärmezu- bzw. -abfuhr teil des endlosen Strömungsweges so lange einlaufen den Druck des im Speicher (5) befindlichen Ar- _zu lassen, bis Druckausgleich zustande kommt. Entbeitsmittels auf einem Wert hält, der bei Normal- 35 sprechend ist es möglich, zwecks Lastsenkung Arlast der Gasturbinenanlage zwischen denjenigen beitsmittel aus dem Hochdruckieil des endlosen Strö-Drücken liegt, die an den beiden Stellen (6, 7) mungsweges in den Speicher so lange ablaufen zu des Strömungsweges (1) bestehen. lassen, bis wieder Druckausgleich herrscht. Das

5. Lastregelvorrichtung nach Anspruch 1, da- zwecks Laststeigerung erfolgende Einlaufenlassen durch gekennzeichnet, daß eine mit einem regel- 40 von Arbeitsmittel in den Niederdruckteil des endbaren Absperrorgan (25) versehene Bypass- losen Strömungsweges hat aber zunächst eine erhebleitung (26) für den Strömungsweg (1) des Ar- liehe Abnahme der Leistung der Gasturbinenanlage beitsmittels vorgesehen ist, die von einer vor zur Folge, da der Verdichter infolge der größeren dem Erhitzer (3) liegenden Stelle (27) des Strö- Arbeitsmittelmenge mehr Last aufnimmt. Erst wenn Inungsweges zu einer zwischen zwei Stufen (4¹^²) 45 der Vorgang des Einlaufenlassens beendet ist, stellt der Turbine (4) liegenden Stelle (28) des Strö- sich die gewünschte Laststeigerung allmählich ein. Inungsweges führt, wobei das Absperrorgan (25) Die Laststeigerung hat also einen sogenannten negabei Laststeigerung der Gasturbinenanlage im öff- tiven Momentaneffekt. Das Regelverhalten ist intienden Sinn betätigbar ist. stabil und eignet sich nicht für die Frequenzstützung

6. Lastregelvorrichtung nach Anspruch 1, da- 50 und erst recht nicht für Inselbetrieb.

durch gekennzeichnet, daß der Verdichter (2) Andererseits wäre eine geschlossene Gasturbinen-

keinen Zwischenkühler aufweist. anlage denkbar, bei welcher der Speicher für das Ar-

7. Lastregelvorrichtung nach Anspruch 1, da- beitsmittel an eine einzige Stelle des Strömungsdurch gekennzeichnet, daß der Verdichter (2) weges, und zwar an den unter höchstem Druck einen Zwischenkühler (24) mit kleinem Volumen 55 stehenden Teil des Strömungsweges, angeschlossen des Strömungsweges (1) für das Arbeitsmittel auf- ist. Bei dieser Anlage muß der Speicher unter einem weist. Druck stehen, der wesentlich höher ist als der höchste

8. Lastregelvorrichtung nach Anspruch 1, da- Druck des im endlosen Strömungsweg befindlichen durch gekennzeichnet, daß die Stufen (2<, 2²) des Arbeitsmittels. Bei dieser Anlage ergibt das zwecks Verdichters (2) so ausgelegt sind, daß bei Last- 6° Laststeigerung erfolgende Einlaufenlassen von Arsteigerung der Gasturbinenanlage die Last- beitsmittel aus dem Speicher in den endlosen Ströabnahme der vor der unter niedrigerem Druck mungsweg einen ausgeprägt positiven Momentanstehenden Stelle (6) liegenden Stufe (2<) gleich effekt bezüglich der Laststeigerung. Der Speicher oder größer ist als die Lastzunahme der nach steht aber unter dem genannten wesentlich höheren dieser Stelle (6) liegenden Stufe (V). 63 Druck, und es sind diesem höheren Druck entspre-

9. LastregelvofrichtUflg nach Anspruch 1, da- chend große zusätzliche Hilfsverdichter für das Aufdurch gekennzeichnet, daß das Druckverhältnis füllen des Speichers erforderlich.

zwischen Austritt und Eintritt bei der vor der Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei