DE2353493C3

DE2353493C3 - Two- or multi-stage air storage gas turbine system

Info

Publication number: DE2353493C3
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: 1981-10-01
Also published as: FR2249239B1; JPS5073011A; CA1014360A; DE2353493B2; GB1474779A; DE2353493A1; SE399102B; SE7413244L; DK550274A; DK135004B; NL7413845A; DK135004C; FR2249239A1; JPS5844844B2

Description

Die Erfindung betrifft eine /wei- 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 mil mindestens einer /wischen 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 mil 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 naih längeren Stillstandszeilen 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 Turbinen-JUifen 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 Erhitzungseinrichturig (beispielsweise einer Brennkammer), in welcher das mit sehr niedriger Temperatur eintretende Strömungsmedium hoch erhitzt wird, der großen Erhitzungsspanne entsprechende Wäfmespannungen auf, Ürfi diese in zulässigen Grenzen zu halten, muß die Belastungsgeschwindigkeii beim Anfahren der Gasturbinenanlage niedrig gehalten werden. Damit ist wiederum ein geringer Durchsatz verbunden, der eine Verlängerung der Aufheizzeil des Abgaswärmeübertragers bzw. des Anfahrvorganges zur Folge hat. Eine verlängerte Anfahrzeit ist jedoch unerwünscht, da Luftspeicher-Gasiurbinenanlagen meist als Spilzenanlastanlagen 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 naih longer standstill lines 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 JUifen cools down very strongly, temperatures below zero may possibly occur (DE-OS 21 16 851). This becomes one of these Turbine stages are cooled down very strongly and occur in the subsequent heating device (for example a combustion chamber) in which the flow medium entering at a very low temperature is heated to a high level is, the large heating span corresponding thermal voltages, Ürfi these within permissible limits to keep the load speed at Starting up the gas turbine plant can be kept low. This again results in a low throughput connected, which is an extension of the heating line 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 mushroom load systems and should therefore deliver high performance as quickly as possible.

to Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbinenanlage der eingangs genannten Art anzuge ben, die schnell angefahren werden kann und bei welcher dieses Ziel mit möglichst geringem Bauaufwand erreichbar ist.The invention is therefore based on the object of providing a gas turbine installation of the type mentioned at the outset ben that can be approached quickly and with which this goal with as little construction effort as possible is attainable.

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 isi, die ein Bypassventil aufweist, und daß in der Hauptleitung zwischen dem Ah/wcigiingspunki und der Hochdruckturbinenstufe ein Hauptleitungsventil angeordnet ist.
Beim Betrieb dieser Gasturbinenanlage wird nun vorteilhaft so vorgegangen, daß beim Anfahren das Strömungsmedium aus dem an den Luftspeicher angeschlossenen Abgaswärmeübertrager durch Öffnen des Bypassventüs um' Schließen des Haupileitungsventils direkt in die Erhitzungseinrichtung und von da in die Niederdnjcklurbinenstufe 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 umgeschaltetAccording to the invention, this object is now achieved 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 the Ah / wcigiingspunki and the high pressure turbine stage a main line valve is arranged.
When operating this gas turbine system, the advantageous procedure is 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 to close the main line valve and from there into the low-pressure turbine stage, which already has useful power after it is started up outputs to 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

S5 wird, indem das Bypassventil geschlossen und das Hauptleitungsventil geöffnet wird, wodurch die vom Abgaswärmeübertrager kommende Luft der Hochdruckturbinenstufe zugeführt wird, bevor sie /u der Erhit/ungseinrichtung geleitet wird.S5 is closed by closing the bypass valve and opening the main line valve, whereby the dated Exhaust heat exchanger incoming air of the high pressure turbine stage is supplied before it / u is directed to the heating device.

Auf diese Weise wird erreicht, daß ^!as Strömungsmedium auch beim Beginn des Anfahrens keine nennenswerte Temperaturabsenkung erfährt und in die Erhit/ungseinrichtung. in welcher das Strömungsmedium vor Eintritt in die folgende b/w. die folgenden Turbinenstufen aufgewärmt wird, bereits mit einer solchen Temperai r eintritt, die unzulässige Wärmespannungen vermeidet Die Belastungsgeschwindigkeit beim Anfahren braucht daher nicht niedrig gehalten zu werden. Der Vorteil der Erfindung liegt somit vor allem darin, daß die Ciasturbinenanlage kurzfristig hohe Leistungen abgeben kann. Dabei fehlt während dieser Phase des Anfahrvorganges, während welcher die Hochdruckturbinenstu^· b/w stufen vom Strömungsmedium umgangen werden, nur der Leistungsante'l 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 Aiifhci/ung des Abgaswärmeübertragers, was da/u beiträgt, die Start/eit der Anlage verhältnismäßig niedrig /u hallen.In this way it is achieved that ^! The flow medium does not experience any significant temperature drop even at the start of start-up and enters the heating device. in which the flow medium before entering the following b / w. the following turbine stages are warmed up, occurs at a temperature that avoids impermissible thermal stresses. The loading speed during start-up therefore does not need to be kept low. The advantage of the invention is therefore primarily that the Ciasturbinenanlage can deliver high power for a short time. During this phase of the start-up process, during which the high-pressure turbine stages are bypassed by the flow medium, only the power component of these stages is missing, which, however, is of little consequence compared to the advantages achieved. The high throughput or mass flow that is already possible during start-up causes the exhaust gas heat exchanger to be activated quickly, which contributes to the fact that the start-up of the system is relatively low.

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

Die Zeichnung zeigt unter Fortlassung von für die Erfindung unwesentlichen Vorrichtungen einen Teil einer Luftspcichef-Gaslurbiriehanlage, Hierbei bedeutet 2 die Hochdrucklurbinenstufe und 6 die Nieder-The drawing shows a part with the omission of devices that are not essential to the invention a Luftspichef gas turbine plant, where 2 means the high pressure turbine stage and 6 the low

druckturbinenstufe einer offenen Gasturbinenanlage, wobei Hochdruck- und Niederdruckturbinenslufe 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 Spitzenstrombetrieb wird der Generator 8 durch die Gasturbine angetrieben, die dann ihren Luftbedarf aus dem Speicher deckt. Mit 9 und 10 sind Kupplungen to 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 plant, high pressure and low pressure turbine runs sitting on a common shaft 7. At 8 he is denotes electrical generator, which is not shown in the drawing during charging Drive compressors, which in the process charge the memory, also not shown. During peak current operation the generator 8 is driven by the gas turbine, which then takes its air from the Memory covers. With 9 and 10 clutches to are designated, which are designed accordingly to the To enable the units to be switched on and off for the intended modes of operation.

Mit 1 ist ein Abgaswärmeüberlrager bezeichnet, in den das aus dem nicht dargestellten Speicher kommen- t^r> de Strömungsmedium (beispielsweise Luft) über die Leitung 14 in Pfeilrichiung eintritt. Dabei kann die Anlage so ausgelegt sein, daß die Temperatur des in den Abgaswärmeübertrager 1 eintretenden und dort /u erwärmenden Strömungsmediums verhältnismäßig niedrig ist und vorzugsweise unterhalb von ca. 100"C liegt. Nach Verlassen des genannten Abgaswärmeübertragers 1 gelangt das Strömungsmedium bei n.irmalu' Betriebsweise der Gasturbinenanlage über die Hauptleitung 11 in die Hochdruckturbinenstufe 2 und von dort ·?■> über eine weitere Leitung 15 zur Erhitzungseinrichtung 5, die im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels als Brennkammer ausgebildet ist. Die Brennstoffzufuhr /ur Brennkammer ist bei 16 angedeutet.1 with a Abgaswärmeüberlrager is designated, the (e.g., air) enters from the non-illustrated memory coming t ^r> de flow medium via the line 14 in Pfeilrichiung. The system can be designed so that the temperature of the flow medium entering and heating the exhaust gas heat exchanger 1 is relatively low and preferably below about 100 ° C. After leaving the exhaust gas heat exchanger 1, the flow medium arrives at n.irmalu Operating mode of the gas turbine system via the main line 11 into the high-pressure turbine stage 2 and from there via a further line 15 to the heating device 5, which in the case of the present embodiment is designed as a combustion chamber.

Nach entsprechender Aufwärmung in der Exhit/ungs- in 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 I geführt wird und dort das über die Leitung 14 aus dem Speicher J^r> eintretende Strömungsmedium erwärmt.After appropriate heating in the exhaust device 5, the flow medium arrives via line 17 in the low-pressure turbine stage 6, from which, after appropriate expansion, it is conducted via line 18 to exhaust gas heat exchanger I and there via line 14 from memory J ^r > incoming flow medium is heated.

Über die Leitung 19 gelangen das abgekühlte Strömungsmedium bzw. die Abgase in einen ins l-'rcie mündenden Kamin.Via the line 19, the cooled flow medium or the exhaust gases reach a l-'rcie opening chimney.

Mit 12 ist die Bypassleitung bezeichnet, die am Abzweigungspunkt 13 von der f lauptleitung 11 abzweigt und direkt zur Erhit/ungseinrichlung 5 führt. In dieser Bypassleitung 12 ist ein Bypassventil 4 angeordnet, während sich in dem Abschnitt der Hauptleitung 11, der /wischen dem Ab/weigungspunkt 1.3 und der I lochdiuckturbinenstufe 2 liegt, ein llauptleitungsventil 3 befindet. Bei der geschilderten normalen Betriebsweise ist das Haupileifingsventil 3 geöffnet und das Bypassventil 4 geschlossen.With 12, the bypass line is referred to, which is on Branch point 13 branches off from the main line 11 and leads directly to the heating device 5. In this bypass line 12, a bypass valve 4 is arranged, while in the section of the Main line 11, which is located between the deviation point 1.3 and the I-hole pressure turbine stage 2 Main line valve 3 is located. In the normal operating mode described, the main relief valve is 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 Abgaswärineübertragers 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 Normalbetrieb, der, wie weiter oben beschrieben, unter Beaufschlagung der Hoch- und Niederdruckturbinenstufen abläuft. Das vorbeschriebene Ausführungsbeispiel kann verschiedene Varianten aufweisen, so kann die Stulenzahl 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 Verhälinissen können auch zwei oder mehrere Abgaswärmeübertrager de. bzw. den ersten Turbinenstufen vorgeschaltet werden und erforderlichenfalls auch mehr als eine Erhitzungseinrichtung vorgesehen sein.When the system starts up, the high-pressure turbine stage is now activated 2 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 will. As soon as sufficient heating of the exhaust gas heat exchanger 1 is achieved, this will be Bypass valve 4 closed according to a predetermined program, with the main line valve at the same time 3 is opened accordingly. In this way, the transition to normal operation takes place, which how described above, takes place under the action of the high and low pressure turbine stages. That The embodiment described above can have different variants, so the number of bars can be Turbine can be selected according to the given conditions or the arrangement can be so be taken that when starting only the first or in addition to the first, several turbine stages of the flow medium that follow this one be bypassed. Depending on the given circumstances can also de two or more exhaust gas heat exchangers. or upstream of the first turbine 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 Erhitzangseinrichtjng 5, d.h. die Brennkammer, oder falls mehrere Erhitzungseinrichtungen vorhanden sind, mindestens die erste von diesen durch strömt 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, i.e. the combustion chamber, or if several heating devices are present, at least the first of these through has flowed.

Auch ist die Anordnung des Abgaswärineübertragers 1 im Strang des aufzuheizenden Strömungsmediums nicht an die Stelle vor dem Hauptleitungsventil 3 gebunden. Es könnte auch zwischen dem Hauptleitungsventil 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- or multi-stage air storage gas turbine system, especially for peak current operation, in which a high-pressure and a low-pressure turbine stage are arranged on a shaft that can be coupled to a generator, with at least one Exhaust gas heat exchanger and at least one heating device connected between the turbine stages 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. Verfaß.en for operating the system according to claim!, 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 into the heating device ( 5) and from there into the lower! Ruckturbinenstufe (6), which already delivers useful power to the generator (8) after its start-up, and that fener after reaching 50 to 100% of the mean operating temperature of the exhaust gas; ^; heat exchanger (1) the system is switched to full load operation 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 / u the heating device (5).