DE2353493B2

DE2353493B2 - Two- or multi-stage air storage gas turbine system

Info

Publication number: DE2353493B2
Application number: DE19732353493
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl.-Ing. 6806 Viernheim Hoffeins
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 1973-10-25
Filing date: 1973-10-25
Publication date: 1980-04-17
Also published as: FR2249239A1; GB1474779A; CA1014360A; SE399102B; DE2353493C3; DE2353493A1; FR2249239B1; DK135004C; JPS5073011A; SE7413244L; DK550274A; JPS5844844B2; NL7413845A; DK135004B

Description

Die Erfindung betrifft eine zwei- oder mehrstufige Luftspeicher-Gasturbinenanlage, insbesondere für Spitzenstrombetrieb, bei der eine Hochdruck- und eine Niederdruckturbinenstufe auf einer mit einem Generator kuppelbaren Welle angeordnet sind, mit mindestens einem Abgaswärmeübertrager und mit mindestens einer zwischen die Turbinenstufen geschalteten Erhitzungseinrichtung zur Wärmezufuhr an das Strömungsmedium. The invention relates to a two-stage or multi-stage air storage gas turbine system, in particular for peak current operation, in which a high-pressure and a low-pressure turbine stage on one with a generator Couplable shaft are arranged, with at least one exhaust gas heat exchanger and with at least a heating device connected between the turbine stages for supplying heat to the flow medium.

Wenn bei einer bekannten Gasturbinenanlage dieser Art der Abgaswärmeübertrager nach längeren Stillstandszeiten ausgekühlt ist, wird bei einer erneuten Inbetriebnahme der Gasturbinenanlage das durch den Abgaswärmeübertrager zur Hochdruckturbinenstufe bzw. den Hochdruckturbinenstufen fließende Strömungsmedium praktisch kaum aufgeheizt, so daß dieses bei der sich anschließenden Expansion in den Turbinenstufen sehr stark abkühlt, wobei gegebenenfalls Temperaturen unter dem Nullpunkt auftreten können (DE-OS 21 16 851). Hierdurch werden einmal diese Turbinenstufen sehr stark abgekühlt und es treten in der nachfolgenden Erhitzungseinrichtung (beispielsweise einer Brennkammer), in welcher das mit sehr niedriger Temperatur eintretende Strömungsmedium hoch erhitzt wird, der großen Erhitzungsspanne entsprechende Wärmespannungen auf. Um diese in zulässigen Grenzen zu halten, muß die Belastungsgeschwindigkeit beim Anfahren der Gasturbinenanlage niedrig gehalten werden. Df.mit ist wiederum ein geringer Durchsatz verbunden, der eine Verlängerung der Aufheizzeit des Abgaswärmeübertragers bzw. des Anfahrvorganges zur Folge hat. Eine verlängerte Anfahrzeit ist jedoch unerwünscht, da Luftspeicher-Gasturbin^nanlagen meist als Spitzenanlastsnlagen betrieben werden und daher möglichst schnell hohe Leistung abgeben sollen.If, in a known gas turbine system of this type, the exhaust gas heat exchanger after long periods of downtime is cooled down, when the gas turbine system is started up again, the Exhaust gas heat exchanger to the high pressure turbine stage or the high pressure turbine stages flowing flow medium practically hardly heated, so that this during the subsequent expansion in the turbine stages cools down very strongly, temperatures below zero may possibly occur (DE-OS 21 16 851). As a result, these turbine stages are cooled down very strongly and it occurs in the subsequent heating device (for example a combustion chamber), in which the very low Temperature entering flow medium is heated to a high level, corresponding to the large heating range Thermal stress. In order to keep this within permissible limits, the loading speed at Starting up the gas turbine plant can be kept low. This again means a low throughput connected, which extends the heating-up time of the exhaust gas heat exchanger or the start-up process Consequence. An extended start-up time is undesirable because air storage gas turbine systems are mostly operated as peak load systems and should therefore deliver high performance as quickly as possible.

ίο Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbinenanlage der eingangs genannten Art anzugeben, die schnell angefahren werden kann und bei welcher dieses Ziel mit möglichst geringem Bauaufwand erreichbar ist.ίο The invention is therefore based on the object of a Specify gas turbine plant of the type mentioned, which can be started up quickly and at which this goal can be achieved with the least possible construction effort.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß nun dadurch gelöst, daß für die aus dem Luftspeicher und durch den Abgaswärmeübertrager strömende Luft eine von der zu der Hochdruckturbinenstufe führenden Hauptleitung abzweigende, direkt mit der Erhitzungseinrichtung verbundene Bypassleitung vorgesehen ist, die ein Bypassventil aufweist, und daß in der Hauptleitung zwischen dem Abzweigungspunkt und der Hochdruckturbinenstufe ein Hauptleitungsventil angeordnet isL
Beim Betrieb dieser Gasturbinenanlage wird nun vorteilhaft so vorgegangen, daß beim Anfahren das Strömungsmedium aus dem an den Luftspeicher angeschlossenen Abgaswärmeübertrager durch öffnen des Bypassventils und Schließen des Hauptleitungsventils direkt in die trhitzungseinrichtung und von da in die Niederdruckturbinenstufe geleitet wird, die schon nach ihrem Hochfahren Nutzleistung an den Generator abgibt, und daß ferner nach Erreichen von 50 bis 100% der mittleren Betriebstemperatur des Abgaswärmeübertragers die Anlage auf Vollastbetrieb umgeschaltet wird, indem das Bypassventil geschlossen und das Hauptleitungsventil geöffnet wird, wodurch die vom Abgaswärmeüberirager kommende Luft der Hochdruckturbinenstufe zugeführt wird, bevor sie zu der Erhitzungseinrichtung geleitet wird.This object is now achieved according to the invention in that a bypass line which branches off from the main line leading to the high-pressure turbine stage and is directly connected to the heating device is provided for the air flowing out of the air reservoir and through the exhaust gas heat exchanger, which has a bypass valve, and that in the main line between A main line valve is arranged at the branch point and the high-pressure turbine stage
When operating this gas turbine system, it is now advantageous to proceed in such a way that, when starting up, the flow medium from the exhaust gas heat exchanger connected to the air reservoir is passed directly into the heating device by opening the bypass valve and closing the main line valve and from there into the low-pressure turbine stage, which already has useful power after it is started up outputs the generator, and that after reaching 50 to 100% of the mean operating temperature of the exhaust gas heat exchanger, the system is switched to full load operation by closing the bypass valve and opening the main line valve, whereby the air coming from the exhaust gas heat exchanger is fed to the high-pressure turbine stage before it closes the heating device is conducted.

<o Auf diese Weise wird erreicht, daß das Strömungsmedium auch beim Beginn des Anfahrens keine nennenswerte Temperaturabsenkung erfährt und in die Erhitzungseinrichtung, in welcher das Strömungsmedium vor Eintritt in die folgende bzw. die folgenden Turbinenstufen aufgewärmt wird, bereits mit einer solchen Temperatur eintritt, die unzulässige Wärmespannungen vermiidet. Die Belastungsgeschwindigkeit beim Anfahren braucht daher nicht niedrig gehalten zu werden. Der Vorteil der Erfindung liegt somit vor allem darin, daß die Gasturbinenanlage kurzfristig hohe Leistungen abgeben kann. Dabei fehlt während dieser Phase des Anfahrvorganges, während welcher die Hochdruckturbinenstufe bzw. -stufen vom Strömungsmedium umgangen werden, nur der Leistungsanteil dieser Stufen, was jedoch gegenüber den erreichten Vorteilen wenig ins Gewicht fällt. Der schon während des Anfahrens mögliche große Durchsatz bzw. Massenstrom bewirkt eine schnelle Aufheizung des Abgaswärmeübertragers, was dazu beiträgt, die Startzeit der<o In this way it is achieved that the flow medium does not experience any significant temperature drop even at the beginning of the start-up and in the Heating device in which the flow medium before entering the following or the following Turbine stages is warmed up, already at such a temperature that the inadmissible thermal stresses occur avoided. The loading speed during start-up does not therefore need to be kept low will. The advantage of the invention is therefore primarily that the gas turbine system is short-term high Can deliver services. During this phase of the start-up process, during which the High-pressure turbine stage or stages are bypassed by the flow medium, only the power component these levels, which is of little consequence compared to the advantages achieved. The already during The high throughput or mass flow possible during start-up causes rapid heating of the exhaust gas heat exchanger, which contributes to the start time of the

M) Anlage verhältnismäßig niedrig /ii halten.M) Keep the plant relatively low / ii.

Weitere Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles im Zusammenhang mit der schematischen Zeichnung hervor.Further advantages of the invention emerge from the following description of an exemplary embodiment in Connection with the schematic drawing.

Die Zeichnung zeigt unter Fortlassung von für die Erfindung unwesentlichen Vorrichtungen einen Teil einer Luflspeicher-Gasturbinenanlage. Hierbei bedeutet 2 die Hochdruckturbinenstufe und 6 die Nieder-The drawing shows a part with the omission of devices that are not essential to the invention an air storage gas turbine plant. Here, 2 means the high-pressure turbine stage and 6 the low-

druckturbinenstufe einer offenen Gasturbinenanlage, wobei Hochdruck- und Niederdruckturbinenstufe auf einer gemeinsamen Welle 7 sitzen. Mit 8 ist der elektrische Generator bezeichnet, der beim Ladebetrieb den bzw. die in der Zeichnung nicht dargestellten Verdichter antreiben, welche dabei den ebenfalls nicht dargestellten Speicher aufladen. Beim Spitzenitrombetrieb wird der Generator 8 durch die Gasturbine angetrieben, die dann ihren Luftbedarf aus dem Speicher deckt. Mit 9 und 10 sind Kupplungen bezeichnet, die entsprechend ausgebildet sind, um das Zu- und Abschalten der Aggregate für die vorgesehenen Betriebsweisen zu ermöglichen.pressure turbine stage of an open gas turbine system, with high pressure and low pressure turbine stage on a common shaft 7 sit. With 8 the electric generator is referred to, which is during the charging operation drive the compressor (s), not shown in the drawing, which also do not Charge the memory shown. In the case of high-speed operation, the generator 8 is powered by the gas turbine driven, which then covers its air requirement from the storage. With 9 and 10 are clutches referred to, which are designed accordingly to the connection and disconnection of the units for the intended To enable operating modes.

Mit 1 ist ein Abgaswärmeübartrager bezeichnet, in den das aus dem nicht dargestellten Speicher kommende Strömungsmedium (beispielsweise Luft) über die Leitung 14 in Pfeilrichtung eintritt. Dabei kann die Anlage so ausgelegt sein, daß die Temperatur des in den Abgaswärmeübcrtragcr ! eintretenden und dort zu erwärmenden Strömungsmediums verhtiinismäßig niedrig ist und vorzugsweise unterhalb von ca. 100⁰C liegt. Nach Verlassen des genannten Abgaswärmeübertragers 1 gelangt das Strömungsmedium bei normaler Betriebsweise der Gasturbinenanlage über die Hauptleitung 11 in die Hochdruckturbinenstufe 2 und von dort über eine weitere Leitung 15 zur Erhitzungseinrichtung S, die im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels als Brennkammer ausgebildet ist. Die Brennstoffzufuhr zur Brennkammer ist bei 16 angedeutet.1 with an exhaust gas heat exchanger is designated, into which the flow medium (for example air) coming from the memory (not shown) enters via the line 14 in the direction of the arrow. The system can be designed in such a way that the temperature of the exhaust gas heat transfer! entering and there is verhtiinismäßig low to be heated flowing medium and preferably below about 100 ⁰ C. After leaving the exhaust gas heat exchanger 1 mentioned, the flow medium reaches the high-pressure turbine stage 2 via the main line 11 in normal operation of the gas turbine system and from there via a further line 15 to the heating device S, which in the case of the present exemplary embodiment is designed as a combustion chamber. The fuel supply to the combustion chamber is indicated at 16.

Nach entsprechender Aufwärmung in der Erhitzungs- jo einrichtung 5 gelangt das Strömungsmedium über die Leitung 17 in die Niederdruckturbinenstufe 6. von welcher es nach entsprechender Expansion über die Leitung 18 zum Abgaswärmeübertrager 1 geführt wird und dort das über die Leitung 14 aus dem Speicher eintretende Strömungsmedium erwärmt.After appropriate heating in the heating device 5, the flow medium passes through the Line 17 in the low-pressure turbine stage 6th of which it is after appropriate expansion on the Line 18 is led to the exhaust gas heat exchanger 1 and there via line 14 from the memory incoming flow medium is heated.

Über die Leitung 19 gelangen das abgekühlte Strömungsn.jdium bzw. die Abgase in einen ins Freie mündenden Kamin.The cooled n.jdium or the exhaust gases are released into the open via line 19 opening chimney.

Mit 12 ist die Bypassleitung bezeichnet, die am Abzweigungspunkt 13 von der Hauptleitung Il abzweigt und direkt zur Erhitzungseinrichtung 5 führt. In dieser Bypassleitung 12 ist ein Bypassventi! 4 angeordnet während sich in de.n Abschnitt der Hauptleitung 11, der zwischen dem Abzweigungspunkt ·>5 13 und der Hochdmckturbinenstufe 2 liegt, ein Hauptleitungsventil 3 befindet. Bei der geschilderten normalen Betriebsweise ist das Hauptleitungsventi! 3 geöffnet und das Bypassventil 4 geschlossen.With 12, the bypass line is designated, which at junction 13 from the main line II branches off and leads directly to the heating device 5. In this bypass line 12 is a bypass valve! 4th arranged while in de.n section of the main line 11, which between the junction point ·> 5 13 and the high-pressure turbine stage 2 is located, a main line valve 3 is located. In the case of the one described normal operation is the main line valve. 3 opened and the bypass valve 4 closed.

Beim Anfahren der Anlage wird nun die Hochdruckturbinenstufe 2 durch Schließen des Hauptleitungsventils 3 und öffnen des Bypassventils 4 umgangen, so daß das Strömungsmedium über die Erhitzungseinrichtung 5 der Niederdruckturbinenstufe 6 unmittelbar zugeleitet wird. Sobald eine ausreichende Erwärmung des Abgaswärmeübertragers 1 erreicht ist, wird das Bypassventil 4 nach einem vorgegebenen Programm geschlossen, wobei gleichzeitig das Hauptleitungsventil 3 entsprechend geöffnet wird. Auf diese Weise vollzieht sich der Übergang auf den Normilbetrieb, der, wie weiter oben beschrieben, unter Beaufschlagung der Hoch- und Niederdruckturbinenstufen abläuft. Das vorbeschriebene Ausführungsbeispif'. kann verschiedene Varianten aufweisen, so kann die Stufenzahl der Turbine den gegebenen Verhältnissen entsprechend gewählt werden bzw. es kann die Anordnung so getroffen werden, daß beim Anfahren nur die erste oder außer der ersten noch mehrere sich an diese anschließende Turbinenstufen vom Strömungsmedium umgangen werden. Je nach den gegebenen Verhältnissen können auch zwei oder mehrere Abgaswärmeübertrager der bzw. den ersten Turbinenstufe vorgeschaltet werden und erforderlichenfalls auch mehr als eine Erhitzungseinrichtung vorgesehen sein.When the system starts up, the high-pressure turbine stage 2 is bypassed by closing the main line valve 3 and opening the bypass valve 4, so that the flow medium is fed directly to the low-pressure turbine stage 6 via the heating device 5. As soon as sufficient heating of the exhaust gas heat exchanger 1 is achieved, the bypass valve 4 is closed according to a predetermined program, with the main line valve 3 being opened accordingly at the same time. In this way, the transition to normal operation takes place, which, as described above, takes place under the action of the high and low pressure turbine stages. The above-described exemplary embodiment . can have different variants, the number of stages of the turbine can be selected according to the given conditions or the arrangement can be made so that when starting up only the first or, apart from the first, several subsequent turbine stages are bypassed by the flow medium. Depending on the given conditions, two or more exhaust gas heat exchangers can also be connected upstream of the first turbine stage or stages and, if necessary, more than one heating device can be provided.

Schließlich wäre es auch denkbar, das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel so abzuändern, daß der der oder den ersten Turbinenstufen vorgeschaltete Wärmeübertrager, d. h. der Abgaswärmeübertrager 1, nicht vom Abgas der Gasturbine, sondern vom Strömungsmedium beheizt wird, nachdem dieses die Erhitzungseinrichtung 5, d. h. die Brennkammer, oder falls mehrere Erhitzungseinrichtungen vorhanden sind, mindestens die erste von diesen durchströmt hat.Finally, it would also be conceivable to modify the embodiment shown in the drawing so that that the heat exchanger connected upstream of the first turbine stage or stages, d. H. the exhaust gas heat exchanger 1, is not heated by the exhaust gas from the gas turbine, but by the flow medium after this the heating device 5, d. H. the combustion chamber, or if there are several heating devices have flowed through at least the first of these.

Auch ist die Anordnung des Abgaswärmeübertragers 1 im Strang des aufzuheizenden St-ömungsmediums nicht an die Stelle vor dem Hauptleitungsventil 3 gebunden. Es könnte auch zwischen dem riauptleitungsventil 3 und den ersten Turbinenstufen bzw. der Hochdruckturbinenstufe 2 angeordnet sein.The arrangement of the exhaust gas heat exchanger 1 is also in the line of the flow medium to be heated not tied to the point in front of the main line valve 3. It could also be between the main line valve 3 and the first turbine stages or the high-pressure turbine stage 2 can be arranged.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Two-stage or multi-stage air storage gas turbine system, especially for peak current operation, in which a high-pressure and a low-pressure turbine stage can be coupled to a generator Shaft are arranged, with at least one exhaust gas heat exchanger and at least one between the turbine stages switched heating device for supplying heat to the flow medium, characterized in that for from the air reservoir and through the exhaust gas heat exchanger (1) Air flowing from the main line leading to the high pressure turbine stage (2) (11) branching off directly to the heating device (5) connected bypass line (12) is provided which has a bypass valve (4) and that in the Main line (11) between the branch point (13) and the high-pressure turbine stage (2) Main line valve (3) is arranged.

2. A method for operating the system according to claim 1, characterized in that when starting up the flow medium from the exhaust gas heat exchanger (1) connected to the air reservoir by opening the bypass valve (4) and closing the main line valve (3) directly tr ) and from there into the low-pressure turbine stage (6), which already delivers useful power to the generator yS) after it is started up, and that the system opens after 50 to 100% of the mean operating temperature of the exhaust gas heat exchanger (J) has been reached Full load mode switched \ v ' ^- d by closing the bypass valve (4) and opening the main line valve (3), whereby the air coming from the exhaust gas heat exchanger (1) is fed to the high-pressure turbine stage (2) before it is routed to the heating device (5) will.