DE2657733A1

DE2657733A1 - Verfahren zur regelung einer kraftanlage mit einer gasturbinengruppe und einrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE2657733A1
Application number: DE19762657733
Authority: DE
Inventors: Hansulrich Frutschi
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland; BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1976-12-02
Filing date: 1976-12-20
Publication date: 1978-06-08
Also published as: SE7713588L; CH594817A5; NL186463B; SE434667B; JPS5370210A; DE2657733C2; NL7713255A; US4163365A; NL186463C

Description

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W/Ca 29.II.76

BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)

Verfahren zur Regelung einer Kraftanlage mit einer Gasturbinengruppe und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Kraftanlage mit einer in offenem Kreisprozess betriebenen Gasturbinengruppe, die im wesentlichen einen Verdichter für die Verbrennungsluft, eine Brennkammer und eine Gasturbine umfasst, und der Gasturbine abgasseitig ein Wärmetauscher nachgeschaltet ist, in welchem die in den Abgasen der Gasturbine noch enthaltene Wärme ausgenützt wird. Ferner betrifft sie eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Die Temperatur der Verbrennungsgase am Eintritt ir. eine Gasturbine ist aus Materialgründen begrenzt, was durch einen beträchtlichen Luftüberschuss erreicht wird. Um den Taupunkt der Abgase nicht zu unterschreiten, ist im Kamin eine minimale Abgastemperatür einzuhalten, die je

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nach Schwefelgehalt des Brennstoffes ungefähr zwischen 100 und 180 C liegt, was zu sehr erheblichen W'irmeverlusten führt. Bei der höchsten Leistung der Gasturbine beträgt ihr thermischer Wirkungsgrad ca. J>0% und die Gesamtausnutzung des Brennstoffes, d.h. erzeugte Gasturbinenleistung plus

ausgenutze Restwärme, etwa 68 oder 83% für Abgastemperaturen von 180 bzw. 100⁰C im Kamin.

Um bei einem offenem Gasturbinenprozess die erzeugte elektrische Leistung zu vermindern,wird bei konstanter Drehzahl (Synchronbetrieb) die Temperatur der Verbrennungsgase vor der Turbine durch Herabsetzung der Brennstoffzufuhr reduziert ,was mit einem Absinken des Wirkungsgrades verbunden ist, Da aber der Verbrennungsluft-Verdichter eine nahezu gleich-

^ bleibende Luftmenge liefert, nimmt der Luftüberschuss der Verbrennungsgase gegenüber jenem bei Vollastbetrieb und damit der Abgasverlust pro kg Brennstoff noch weiter zu. Mit Abnehmen der Eintrittstemperatur in die Gasturbine sinkt naturgemäss auch die Austrittstemperatur, womit aber auch die nutzbare Temperaturspanne des Abgases kleiner wird. So ergibt sich gesamthaft mit abnehmender Leistung der Gasturbine eine zunehmend schlechtere Brennstoffausnützung,

Eine andere Möglichkeit besteht darin, bei Teillast ein Ausblaseventil zu öffnen und überflüssige Luft abzulassen, doch geht damit wertvolle Energie ungenutzt verloren, was eben- falle auf eine schlecjitere Brennstoff ausnutzung hinausläuft."

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Aus diesen Gründen werden die Gayturbinen von Heizkraf twex·-

denen
ken, ίτϊγίΓΐο Abwärme für Heizzwecke ausgenützt wird, meist im intermittierenden Vollastbetrieb gefahren. Ein kontinuierlicher Betrieb j in welchem Vollast und Teillast ständig wechseln und wie er mit Gegendruck-Dampfturbinen oder mit geschlossenem Gasturbinenprozess möglich ist, kann aus ökonomischen und ökologischen Gründen X'ür offene Gasturbinenprozesse nicht empfohlen werden.

Bei Kraftanlagen mit kombinierten Gas- und Dampfturbinen wird der Verschlechterung des Wirkungsgrades bei Teillast dadurch entgegen-gewirkt, dass im Dampfkessel eine Zusatzfeuerung vorgesehen wird. Durch nahezu stöchiometrische Ver brennung wird der Luftüberschuss in den Abgasen der Gasturbine fast vollständig verwertet; trotzdem sinkt auch bei diesen Kraftanlagen der Wirkungsgrad mit kleiner werdender Teillast ganz erheblich ab.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Kraftanlage mit in offenem Kreisprozess betriebenen Gasturbine, deren Abgaswärme verwertet wird, bei Teillast den Kreisprozess derart zu regeln, dass der Abnahme des Wirkungsgrades entgegen-gewirkt und die Gesamtausnützung des Brennstoffes wirkungsvoller gestaltet wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass

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zur Regelung der Gasturbinenleistung eine veränderbare Menge verdichteter Luft auf eine Stufe tieferen Druckes im Strömungsweg der Verbrennungsluft rückgeführt wird.

Eine Regeleinrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist gekennzeichnet durch eine von einem regelbaren Absperrorgan kontrollierte Rückführleitung, welche eine Stufe höheren Druckes mit .einer Stufe niedrigeren Druckes im Strömungsweg der Verbrennungsluft verbindet.

Durch Anwendung des genannten Regelverfahrens bleibt der Grad der Brennstoffausnützung - erzeugte Gasturbinenleistung plus Abgaswärmeverwertung - bis herunter zum Leerlauf der Gasturbine praktisch gleich wie bei Vollast. Das heisst, dass der ganze Betriebsbereich mit nahezu gleichbleibender Wirtschaftlichkeit gefahren werden kann. Ferner lässt sich dieses Regel'verfahren vorteilhaft mit anderen, bekannten Regelverfahren kombinieren. Verbunden mit einer Regelung zur Konstanthaltung der Temperatur der Verbrennungsgase am Eintritt der Gasturbine ergibt sich eine geringere Materialermüdung bei Lastwechsel, als es bei reiner Temperaturregelung der Fall wäre.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

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Es zeigen:

Pig. 1 Eine Kraftanlage mit der zugehörigen Regeleinrichtung

Fig. 2 ein Schaubild, welches die Brennstoffausnützung

bei verschiedenen Leistungen der Gasturbine zeigt.

Nach Fig. 1 saugt der Verdichter 1 die Verbrennungsluft durch die Leitung 2 an und fördert die verdichtete Luft durch die Druckleitung 3 in die Brennkammer ^, welcher durch die Leitung 5 der Brennstoff zugeleitet wird. Die Brennstoffmenge wird durch das Ventil 6 geregelt. Aus der Brennkammer 4 gelangen die Verbrennungsgase in die Gasturbine 73 welches den Verdichter 1 und den elektrischen Generator 8 antreibt. Die Abgase der Gasturbine J durchströmen den Wärmetauscher 9, in welchem sie den Grossteil ihrer Wärme abgeben, bevor sie durch den (nicht dargestellten) Kamin abgeleitet werden. Der Wärmetauscher 9 ist beispielsweise ein Dampfkessel oder die Wärmequelle für ein Fernheiznetz.

Die Rückführleitung 10 verbindet die Druckleitung 3 mit der Ansaugleitung 2. Ihr Durchfluss wird vom Drosselventil 11 kontrolliert j das bei Vollast der Kraftanlage geschlossen wird.

Die Rückführleitung mit dem zwischengeschalteten Drosselventil, dass jedes für diesen Zweck geeignete, regelbare

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Absperrorgan sein kann, ermöglicht eine Regelung der von dor Gasturbine «eHgeugtenb.«« stung. Bei jaInkenctem Leistung" bedarf, der zu einem Ansteigen der Drehzahl der Gasturbinengruppe führen würde, beeinflusst der Drehzahlregler 12 über die Wirkleitung 13 das Drosselventil 11, was zum teilweisen oder gänzlichen Oeffnen desselben führt, so dass eine veränderbare Teilmenge der Druckluft aus der Druckleitung 3 in die Ansaugleitung 2 zurückfliesst. Dadurch wird der Betriebspunkt des Verdichters 1 auf seiner Kennlinie in Richtung grosserer Fördermenge bei kleinerem Gegendruck verschoben, wobei sich seine Leistungsaufnahme nur geringfügig ändert. Durch den tieferen Enddruck des Verdichters ergibt sich ein entsprechend tieferer Druck am Eintritt der Gasturbine, deren Schluckfähigkeit etwa proportional zu

*L5 ihrem Eintrittsdruck sinkt. Der solcherart verringerte Gasdurchsatz der Gasturbine und das infolge der Drucksenkung verkleinerte Energiegefälle bewirken nun, dass die von der Gasturbine, erzeugte Leistung abnimmt. Gleichzeitig erhöht sich aber die Abgastemperatur der Gasturbine, so dass der im Wärmetauscher 9 zur Verfügung stehende, nutzbare Wärme-Inhalt der Abgase, trotz verringerter Durchsatzmange, pogar noch ansteigt.

Die durch Rückführung warmer Druckluft angehobene Mischtemperatur am" Verdichtereintritt reduziert die Luftdichte, was ebenfalls den Druck am Verdichteraustritt herabsetzt. Des-

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halb genügt, wie die Nachrechung ergab und Versuche bestätigten, eine Rückflussmenge von \2% , um die Leistung der Gasturbine auf 50 5? der Vollast zu reduzieren.

Das beschriebene Teillastverhalten einer Kraftanlage mit kombinierter Energie- und Wärmeerzeugung ist aus Fig. 2 ersichtlich. Ueber der Gasturbinenleistung N, die bei Vollast 100$ beträgt, ist die Brennstoffausnutzung im Prozenten aufgetragen. Sie beträgt, wie die Kurve a zeigt, bei Vollast ca. 30 56 und sinkt mit abnehmender Teillast ab. Das Gebiet I unter der Kurve a ist der durch die Gasturbine ausgenützte Brennstoffanteil.

Wird die in den Abgasen der Gasturbine noch enthaltene Wärme ausgenützt und werden dabei die Abgase bis auf 100°C abgekühlt, so ergibt sich das Gebiet II, das bei Vollast der Gasturbine am kleinsten ist und mit abnehmender Teillast zunimmt. Die Summierung der Gebiete I und II führt zur Kurve b. Sie gibt die gesamte Brennstoffausnützung in Prozenten an, die bis herunter zu tiefen Teillasten der Gasturbine nahezu gleichbleibend bei 835ί liegt.

Das darüber liegende Gebiet III stellt die gesamten Wärmeverluste dar.

Wenn auf sehr, kleine Teillasten eingeregelt werden soll,* könnte sich unter Umständen durch die Druckluftrückführung

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eine zu hohe Temperatur am Verdichtereintritt ergeben. In diesem Falle ist eine Kombination mit einem anderen Regelverfahren angebracht. So ist es beispielsweise zweckmässig, die Leistung der Gasturbine von Vollast bis Ilalblast durch Rückführung von Druckluft und von Halblast bis zum Leerlauf durch Temperaturabsenkung vor der Gasturbine zu regeln. Eine solche Regelung bietet keine Schwierigkeiten, da mit Hilfe der von der Wirkleitung 13 (Pig. I) abhängigen Wirkleitung 14 das Brennstoffventil 6 verstellt werden kann, das normalerweise dazu dient, die Temperatur vor der Gasturbine konstant zu halten.

Die beiden genannten Regelverfahren können auch so kombiniert sein, dass sie gleichzeitig zur Anwendung kommen oder in der Nähe.eines vorbestimmbaren Grenzwertes in ihrer Wirkung sich überdecken.

Statt der. Temperaturregelung kann für die unteren Teillasten auch die zu verdichtende Verbrennungsluft gedrosselt werden, was nach Fig. 1 durch das über die Wirkleitung l6 beeinflusste Drosselorgan 15 erfolgt, das sowohl vor als.auch nach der Einmündung der Rückführleitung 10 in die Ansaugleitung 2 angeordnet sein kann.

Ein solches Drosselorgan hat allerdings den Nachteil, dass es zufolge des grossen Ansaugvolumens auch entsprechend

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grosse Abmessungen und Stellkräfte bedingt. Auch könnte ein zu schnelles Drosseln den Verdichter beschädigen. - Auch bei diesem kombinierten Regelverfahren können die Wirkungsgebiete der beiden Einzelverfahren ao ausgelegt werden, wie es vorstehend im Zusammenhang mit der Temperaturregelung dargelegt wurde.

Statt von einem Drehzahlregler können die Regelimpulse auch von einem Druckwächter oder einem Leistungswächter ausgehen. Prinzipiell ist es auch möglich₃alle Drossel- oder Absperrorgane von Hand aus zu betätigen.

Das beschriebene Regelverfahren ist am wirkungsvollsten, wenn die Küekführleitung 10 von der Druckleitung 3 zwischen dem Verdichter 1 und der Brennkammer k abzweigt und in die Ansaugleitung 2 des Verdichters einmündet. Weitere Möglichkeiten bestehen darin, dass die Rückführleitung zwischen zwei benachbarten Stufen des Verdichters abzweigt oder an einer solchen Stelle einmündet. In den beiden letzteren Fällen ist wegen des geringeren Druckgefälles zwischen Abzweigung und Einmündung auch die Wirkung entsprechend geringer.

Zur Herabsetzung der Energieverluste ist es zweckmässig, die in der rückgeführten Luft enthaltene Energie zu verwerten. Diese Energie kann beispielsweise in Arbeit umgesetzt werden,

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indem in die Rückführleitung eine Entspannungsturbine eingeschaltet wird. Das ist vor allem dort vorteilhaft, wo das volle Druckgefälle zwischen Druck- und Ansaugleitung des Verdichters zur Verfügung steht. Die Entspannungsturbine kann zu jeder zweckdienlichen Arbeitsleistung herangezogen werden. Sollte sie mithelfen, den elektrischen Generator 8 der Gasturbinengruppe anzutreiben, dann wird man sie über eine ausrückbare Kupplung mit demselben verbinden, weil sie ja nur bei Teillast beaufschlagt wird und bei Vollast unnötig mitgeschleppt werden müsste.

Die in der rückgeführten Luft enthaltene Energie kann auch zur Beschleunigung der zu verdichtenden Luft ausgenützt werden, indem die Rückführleitung in einen Strahlapparat einmündet, der im Strömungsweg der Verbrennungsluft angeordnet ist. Das kann sowohl in der Ansaugleitung des Verdichters als auch zwischen zwei benachbarten Verdichterstufen sein. Dadurch werden die thermodynamischen Verluste der Luftströmung herabgesetzt. Bei Einführung der warmen rückgeführten Luft in die Ansaugleitung wird eine intensive Vermischung mit der kalten Frischluft ohne weitere Vorkehrungen erreicht, was ebenfalls zur Verbesserung des Prozesses beiträgt .

Abschliessend sei noch erwähnt, dass das beschriebene Regelverfahren überall, für reine Gasturbinenprozesse und für kombinierte Gas- und Dampfprozesse anwendbar

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ist, und en dabei gleichgültig ist, ob die Gasturbine zur Stromerzeugung odor· zu einer anderen Arbeit, z. B. zum direkten Antrieb eines Hochofengebläses dient.

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Bezeichnungsliste

1	Verdichter
2	Ansaugleitung
3	Druckleitung
4	Brennkammer
5	Brennstoffleitung
6	Regelventil
7	Gasturbine
8	elektrischer Generator
9	Wärmetauscher
10	RückführIe itung
11	Drosselventil
12	Drehzahlregler
13	Wirkleitung
14	Wirkleitung
15	Drosselorgan
16	Wirkleitung

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Claims

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Patentansprüche

1.) Verfahren zur Regelung einer Kraftanlage mit einer in offenem Kreisprozess betriebenen Gasturbinengruppe, die im wesentlichen einen Verdichter für die Verbrennungsluft, eine Brennkammer und eine Gasturbine umfasst, und der Gasturbine abgasseitig ein Wärmetauscher nachgeschaltet ist, in welchen die in den Abgasen der Gasturbine noch enthaltene Wärme ausgenützt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung der Gasturbin^enleistung eine veränderbare Menge verdichteter Luft auf eine Stufe tieferen Druckes im Strömungsweg der Verbrennungsluft rückgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in der rückgeführten Luft enthaltene Energie ausgenützt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die in der rückgeführten Luft enthaltene Energie in Arbeit umgesetzt wird.

M. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die in der rückgeführten Luft enthaltene Energie zur Beschleunigung der zu verdichtenden Luft ausgenützt wird.

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5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei abnehmendem Leistungsbedarf zuerst die rückgeführte Menge verdichteter Luft vergrössert und bei weiterem Abnehmen des Leistungsbedarfs unter einen vorbestimmten Grenzwert die Temperatur vor der Gasturbine (7) abgesenkt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei abnehmendem Leistungsbedarf zuerst die rückgeführte Menge verdichteter Luft vergrössert und bei weiterem Abnehmen des Leistungsbedarfs unter einen vorbestimmten Grenzwert die zu verdichtende Verbrennungsluft gedrosselt wird.

7. Regeleinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine von einem regelbaren Absperrorgan (11) kontrollierte Rückführleitung (10), welche eine Stufe höheren Druckes mit einer Stufe niedrigeren Druckes im Strömungsweg der Verbrennungsluft verbindet.

8. Regeleinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführleitung (10) von einer Druckleitung (3) zwischen dem Verdichter (1) und der Brennkammer (<O abzweigt und in die Ansaugleitung (2) des Verdichters (1) einmündet.

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9. Regeleinrichtung nach Anspruch 7> dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführleitung (10) in einen Strahlapparat einmündet, dor im Strömungsweg der Verbrennungsluft angeordnet ist.

10. Regeleinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführleitung (10) zwischen zwei benachbarten Stufen des Verdichters (1) abzweigt.

11. Regeleinrichtung nach Anspruch 7> dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführleitung (10) zwischen zwei benachbarten Stufen des Verdichters (1) einmündet.

12. Regeleinrichtung nach Anspruch 7> dadurch gekennzeichnet, dass in die Rückführleitung (10) eine Entspannungsturbine eingeschaltet ist.

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