DE2642347A1

DE2642347A1 - Gasturbine mit luftspeicher

Info

Publication number: DE2642347A1
Application number: DE19762642347
Authority: DE
Inventors: Georg Beckmann; Paul Viktor Prof Dipl In Gilli
Original assignee: Gilli paul Viktor profdipl-Ingdrtechn
Current assignee: Gilli paul Viktor profdipl-Ingdrtechn
Priority date: 1975-10-03
Filing date: 1976-09-21
Publication date: 1977-04-14
Also published as: ATA758775A; AT358335B

Description

Titel: Gasturbine mit Luftspeicher
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Schnellanfahren und/oder zum kurzzeitigen Überlasten von offenen Gasturbinen, bei denen der Kompressor und die Turbine auf einer gemeinsamen Welle sitzen oder zumindest mechanisch stets gekoppelt sind.
Offene Gasturbinen werden infolge ihrer Kostenstruktur (niedrige Installationskosten, jedoch hoher Brennstoffverbrauch) vorwiegend zur Spitzenlastdeckung und zur Ausfallreserve verwendet. An sich haben Gasturbinen eine sehr kurze Anfahrzeit (wenige Minuten), jedoch ist dieser Anfahrvorgang der Lebensdauer abträglich, so daß sie kaum ausgenützt wird; zur Ausfalisreserve wäre u.U. auch diese kurze Anfahrzeit zu lang. Weiters haben Gasturbinen den Nachteil, daß sie kaum oder gar nicht überlastbar sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile einer Gasturbine zu vermeiden und eine Einrichtung und ein Verfahren zu schaffen, mit denen ein schnelles und gefahrloses Anfahren ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Druckluftspeicher vorgesehen ist, der über eine Entladeleitung und ein Reduzierorgan in die Druckluftleitung und/oder die Heißgasleitung des Hauptkreises der Gasturbine mündet und die Ladeleitung mit einem getrennten Ladekompressor in Verbindung steht. Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der höchste Ladedruck im Druckluftspeicher mindestens doppelt so hoch wie der höchste Druck in der Druckluftleitung. Der Luftspeicher wird zweckmäßigerweise als vorgespannter gußeisener Druckbehälter ausgebildet.
Es ist zweckmäßig, vor dem Hautpkompressor eine Anfahrklappe und/oder nach dem Hauptkompressor ein Entlüftungsventil anzuordnen. Ferner kann das in der Entladeleitung angeordnete Reduzierorgan als Ejektor ausgebildet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Anfahren der Gasturbine besteht darin, daß der Anfahrvorgang durch das Öffnen des Reduzierorgans begonnen wird. Ferner, daß die Anlage in der ersten Phase des Anfahrens mit geschlossener Anfahrklappe und/oder geöffnetem Entlüftungsventil betrieben wird und die Brennstoffzufuhr so gesteuert wird, so daß der Temperaturanstieg in der Turbine stetig und ohne fühlbare Beeinträchtigung der Lebensdauer der Gasturbine vor sich geht.
Nach einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Überlastung der Gasturbine das Reduzierorgan geöffnet und die Anfahrklappe (teilweise) geschlossen oder auch das Entlüftungsventil (teilweise) geöffnet. Durch entsprechende Brennstoffzufuhr bleibt die Turbineneintrittstemperatur während der Überlastung gleich.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen: Figur 1 ein Schaltbild in der einfachsten Form, Figur 2 einen Längsschnitt durch einen Luftspeicher als vorgespannten gußeisernen Druckbehälter, Figur 3 bis 5 Schaltungen mit Ejektor, Figur 6 eine schematische Ansicht einer baulichen Ausbildungsmöglichkeit des Ejektors, Figur 7 eine Schemaskizze eines Luftspeichers mit Wärmetauscher, Figur 8 einen Luftspeicher mit einer Wassereinspritzeinrichtung, Figur 9 eine Schaltung, bei der ein Luftspeicher und eine Ladeeinrichtung auf mehrere Gasturbinen wirkt, Figur 10 bis 12 Anfahrdiagramme einer erfindungsgemäßen Anlage.
Im Schaltbild der Figur 1 ist ein Luftspeicher 11 über eine Ladeleitung 14 und eine Laderückschlagklappe 15 mit einem Ladekompressor 16 verbunden und über die Entladeleitung 12 und einem Reduzierorgan 13 mit dem Hauptkreislauf der Gasturbine verbunden. Die Gasturbine, bestehend aus einem Hauptkompressor 2, einer Druckluftleitung 5, einer Brennkammer 6 mit Brennstoffzufuhr 20, einer Heißgasleitung 7, einer Turbine 8 und einer Abgasleitung 9 sowie einem Generator 10, ist zusätzlich noch mit einer Anfahrklappe 1, einem Entlüftungsventil 3 und einer Hauptrückschlagklappe 4 ausgestattet.
In Figur 2 ist der Luftspeicher 11 als vorgespannter gußeisener Druckbehälter dargestellt, der sich aus Gußblöcken23, einem Ringspannsystem 24 und einem Vertikalspannsystem 25 zusammensetzt. Vorteilhafterweise wird die Ladeleitung 14 und die Entladeleitung 12 bei der Behälterdurchdringung zu einer gemeinsamen Entlade/Ladeleitung 12a zusammengefaßt.
Figur 3 zeigt eine Schaltungsvariante, bei der das Reduzierorgan 13 als Ejektor ausgebildet ist, dessen Treibseite 13a mit der Entladeleitung 12 und die Druckseite 13b mit der Druckluftleitung 5 undXoder der Heißgasleitung 7 verbunden ist. Die Saugseite 13c ist mit einer Luftansaugleitung 17 verbunden. Aus Gründen der hohen Füllung des Druckluftspeichers soll der Ladedruck möglichst hoch liegen, andererseits würden bei der Entladung hohe Drosselverluste entstehen. Durch die Ausbildung des Reduzierorgans als Ejektor kann dieser Verlust wieder teilweise wiedergewonnen werden.
Figur 4 zeigt eine Variante der in Figur 3 dargestellten Schaltung. Hier ist jedoch die Saugseite 13c mit der Druckseite des Hauptkompressors 2 verbunden.
Figur 5 zeigt eine weitere Variante. Hier ist die Saugseite 13c über eine Abgasrücksaugleitung 21 mit der Abgasleitung 9 verbunden.
Figur 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel des als Ejektor ausgebildeten Reduzierorgans 13, bei welchem sowohl der Treibkanalquerschnitt 13d als auch der Saugkanalquerschnitt 13e von außen variiert und jeweils den Gegebenheiten optimal angepaßt werden kann.
Die Figuren 7 und 8 zeigen Einrichtungen, die das starke Abkühlen der Luft bei der Entladung und die damit verbundene Verminderung der Speicherkapazität verhindern sollen. In der in Figur 7 gezeigten Schaltung wird die Abgaswärme herangezogen, indem im Druckluftspeicher 11 ein Wärmetauscher 18 vorgesehen ist, der mit der Abgasleitung 9 in Verbindung steht. Die zum Wärmetauscher 18 parallel geschaltete Abgasumgehungsklappe 21 wird nur bei der Entladung (teilweise) geschlossen. In der Figur 8 ist im Druckluftspeicher 11 eine Wassereinspritzeinrichtung 19 vorgesehen, welche während der Entladung wirksam ist und bei richtiger Bemessung ein Absinken der Lufttemperatur wesentlich unter den Gefrierpunkt durch Ausfrieren des eingespritzten Wassers verhindert.
Figur 9 zeigt eine Schaltung, bei der nur ein einziger Luftspeicher 11 und eine Ladeeinrichtung, bestehend aus einem Ladekompressor 16 und einer Laderückschlagklappe 15, für mehrere Gasturbinen vorgesehen ist.
Figur 10 zeigt die Luftdurchsätze während des Anfahrvorganges. In der Phase I wird die Gasturbine nur mit dem Speicherluftdurchsatz 26 versorgt, der Kompressorluftdurchsatz 27 ist gering, da die Anfahrklappe 1 geschlossen und/oder das Entlüftungsventil 3 geöffnet ist. In der Phase II wird die Anfahrklappe 1 langsam geöffnet und/oder das Entlüftungsventil 3 geschlossen, so daß gegen Ende der Phase II der Kompressordurchsatz 27 auf den vollen Wert ansteigt. In der Phase II wird das Reduzierorgan 13 weiter geschlossen, so daß der Speicherluftdurchsatz 26 weiter abnimmt.
Figur 11 zeigt die Druck- und Temperaturverhältnisse in der Gasturbine. Die Turbineneintrittstemperatur 28 wird durch entsprechende Brennstoffzufuhr 20 so dosiert, daß sie nur stetig, langsam und ohne Beeinträchtigung der Lebensdauer ansteigt. In der Phase I muß der Druck in der Brennkammer 29 noch nicht voll ausgebildet sein, da in dieser Phase der Kompressor nur wenig Leistung aufnimmt. Die Turbinenaustrittstemperatur ist durch die Linie 30 bezeichnet.
In Figur 12 ist die Turbinenleistung 31 gezeigt, die Leistungsaufnahme des Kompressors 32 und die verbleibende Nettoleistung 33 sowie die Drehzahl der gesamten Gasturbine 34. Wie ersichtlich, wird die volle Nettoleistung 33 sofort erreicht.

Claims

PANANSPRUCK 1. /) Einrichtung zum Schnellanfahren undloder zum kurzzeitigen Überlasten von offenen Gasturbinen, bei denen der Kompressor und die Turbine auf einer gemeinsamen Welle sitzen oder zumindest mechanisch stets gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Druckluftspeicher (11) vorgesehen ist, der über eine Entladeleitung (12) mit einem Reduzierorgan (13) in die Druckluftleitung (5) undloder die Heißgasleitung (7) des Hauptkreises der Gasturbine mündet und die Ladeleitung (14) mit einem getrennten Ladekompressor (16) in Verbindung steht.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der höchste Ladedruck im Druckluftspeicher (11) mindestens doppelt so hoch ist wie der höchste Druck in der Druckluftleitung (5).
3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest im Bereich der BehälEerdurehdringung des Luftspeichers (11) die Ladeleitung 4) und die Entladeleitung (12) zur Entlade/Ladeleitung (12a) zusammengefaßt sind (Figur 2).
4. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspeicher U1) als vorgespannter gußeisener Druckbehälter ausgebildet ist (Figur 2).
5. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Hauptkompressor (2) eine Anfahrklappe (1) angeordnet ist (Figur 1).
6. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Druckseite des Hauptkompressors(2) ein Entiüftungsventil (3) angeordnet ist (Figur 1).
7. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Druckseite des Hauptkompressors (2) und der Brennkammer (6) eine Hauptrückschlagklappe (4) angeordnet ist (Figur 1).
8. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Druckseite des Ladekompressors (16) und dem Luftspeicher (11) eine Laderückschlagklappe (12 angeordnet ist (Figur 1).
9. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Reduzierorgan(13) als Ejektor ausgebildet ist, bei dem die Treibseile (13a) mit der Entladeleitung 2) und die Druckseite (13b) mit der Druckluftleitung (5) undloder der Heißgasleitung m in Verbindung steht (Figur 3 bis 5).
10. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 und 9, dadurch gekennzeichent, daß die Saugseite (13c) des als Ejektor ausgebildeten Reduzierorgans (13) mit einer Luftansaugleitung (1t in Verbindung steht (Figur 3)
11. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Saugseite(13c) des als Ejektor ausgebildeten Reduzierorgans (13) mit der Druckseite des Hauptkompressors (2) in Verbindung steht (Figur 4).
12. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Saugseite (13c) des als Ejektor ausgebildeten Reduzierorgans (13) mit der Abgasleitung (9) uber eine Abgasrücksaugleitung (22) in Verbindung steht (Figur 5).
13. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 und 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das als Ejektor ausbildete Reduzierorgan (13) einen von außen verstellbaren Treibkanalquerschnitt (13d) und/oder einen von außen verstellbaren Saugkanalquerschnitt (13e) aufweist (Figur 6).
14. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspeicher (11) über einen Wärmetauscher (18) mit der Abgasleitung (9) in Verbindung steht (Figur 7).
15. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß in der Abgasleitung (9) parallel zum Wärmetauscher (18) eine Abgasumgehungsleitung (21) vorgesehen ist (Figur 7).
16. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Luftspeicher (11) eine Wassereinspritzeinrichtung (19) vorgesehen ist (Figur 8).
17. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß für mehrere Gasturbinen ein Ladekompressnr (16) und/oder ein Luftspeicher (11) vorgesehen ist (Figur (9).
18. Verfahren zum Betrieb der Einrichtung nach Anspruch 1 und/oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Anfahrvorgang durch das Öffnen des Reduzierorgans (13) begonnen wird.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlage in der ersten Phase des Anfahrens mit geschlossener Anfahrklappe (1) und/oder geöffnetem Entlüftungsventil (3) betrieben wird (Figur 10).
20. Verfahren nach Anspruch 19 und/oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daO die Anlage in der ersten Phase mit reduziertem Brennkammerdruck betrieben wird (Figur 11).
21. Verfahren nach Anspruch 18 undloder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremstsoffzufuhr (20) so gesteuert wird, daß der Temperaturanstieg in der Turbine stetig und ohne fGhlbarer Beeinträchtigung der Lebensdauer der Gasturbine vor sich geht (Figur 11).
22. Verfahren nach Anspruch 18 und/oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß in der mittleren (zweiten) Phase des Anfahrens die Anfahrklappe (1) geöffnet und/oder das Entlüftungsventil (3) geschlossen wird (Figur 10,12).
23. Verfahren nach Anspruch 18 und/oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Phase der Brennkammerdruck gesteuert wird (Figur 11).
24. Verfahren nach Anspruch 18 und/oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß nach Erreichen der vollen Drehzahl und Leistung die vom Reduzierorgan (13) kommende Menge reduziert wird (Figur 10).
25. Verfahren nach Anspruch 18 und/oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Anfahrvorgang der Treibkanalquerschnitt (13d) geschlossen und der Saugkanalquerschnitt (13e) offen ist und dieser im Laufe des Anfahrvorganges langsam reduziert wird.
26. Verfahren zum Überlasten von Gasturbinen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Reduzierorgan (13) geöffnet und die Anfahrklappe (1) ganz oder teilweise geschlossen oder auch das Entlüftungsventil (3) ganz oder teilweise geöffnet wird.
27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß durch entsprechende Brennstoffzufuhr (20) die Turbineneintrittstemperatur während der Überlastung gleich bleibt.
28. Verfahren zum Betrieb der Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während der Entladung oder zum überwiegenden Teil der Entladung die Abgasumgehungsleitung (21) ganz oder teilweise geschlossen ist.
29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß während oder zum überwiegenden Teil der Entladung die Wassereinspritzeinrichtung (19) betätigt wird.