DE2657733C2

DE2657733C2 - Verfahren zum Teillastbetrieb einer Gasturbinenanlage

Info

Publication number: DE2657733C2
Application number: DE2657733A
Authority: DE
Inventors: Hansulrich Riniken Aargau Frutschi
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1976-12-02
Filing date: 1976-12-20
Publication date: 1986-10-16
Also published as: CH594817A5; NL186463C; US4163365A; JPS5370210A; DE2657733A1; NL186463B; NL7713255A; SE434667B; SE7713588L

Description

führung in einer Luftturbine leistungserzeugend ent- 15 führen. Jedoch kennt diese Anlage keine Abgasverwer-

spannt wird.

tung, womit sie keinen Beitrag zur Lösung der eingangs genannten Problematik liefern kann. Darüber hinaus wird dort nicht ein Teillastverfahren beschrieben, sondern insbesondere ein Leerlaufverfahren, bei welchem die Luftrückführung nur in Kombination mit einer Ansaugluftdrosselung stattfindet :

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die entnommene Luft vor ihrer Rückführung in einer Luftturbine leistungsei-zeugend entspannt wird.

An sich ist auch diese Methode bekannt aus der GB-PS 12 28 676. Dort ist die Luft allerdings nicht als überschüssig zu bezeichnen, sondern ist das Produkt der Anlage, die im Vollastbetrieb permanent mechanische Energie und Druckluft erzeugt. Die entspannte Luft wird zudem verworfen.

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

F i g. 1 Eine Kraftanlage mit der zugehörigen Regel-

Um bei einem offenen Gasturbinenprozeß die erzeugte elektrische Leistung zu vermindern, wird bei konstanter Drehzahl (Synchronbetrieb) die Temperatur

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Teillastbetrieb einer Gasturbinenanlage gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Temperatur der Verbrennungsgase am Eintritt in
eine Gasturbine ist aus Materialgründen begrenzt was 25
durch einen beträchtlichen Luftüberschuß erreicht wird.
Um den Taupunkt der Abgase nicht zu unterschreiten,
ist im Kamin eine minimale Abgastemperatur einzuhalten, die je nach Schwefelgehalt des Brennstoffes ungefähr zwischen 100 und 18O⁰C liegt, was zu sehr erhebli- 30
chen Wärmeverlusten führt. Bei der höchsten Leistung
der Gasturbine beträgt ihr thermischer Wirkungsgrad
ca. 30% und die Gesamtausnutzung des Brennstoffes,
d. h. erzeugte Gasturbinenleistung plus ausgenutzte
Restwärme, etwa 68 oder 83% für Abgastemperaturen 35 einrichtung,

von 180bzw. 100⁰Cim Kamin. Fig.2 ein Schaubild, welches die Brennstoffausnut

zung bei verschiedenen Leistungen der Gasturbine zeigt.

Nach F i g. 1 saugt der Verdichter 1 die Verbren-

der Verbrennungsgase vor der Turbine durch Herabset- 40 nungsluft durch die Leitung 2 an und fördert die verzung der Brennstoffzufuhr reduziert, was mit einem Ab- dichtete Luft durch die Druckleitung 3 in die Brennkamsinken des Wirkungsgrades verbunden ist. Da aber der mer 4, welcher durch die Leitung 5 der Brennstoff zuge-Verbrennungsluft-Verdichter eine nahezu gleichblei- leitet wird. Die Brennstoffmenge wird durch das Ventil 6 bende Luftmenge liefert, nimmt der Luftüberschuß der geregelt. Aus der Brennkammer 4 gelangen die Ver-Verbrennungsgase gegenüber jenem bei Vollastbetrieb 45 brennungsgase in die Gasturbine 7, welche den Verdich- und damit der Abgasverlust pro kg Brennstoff noch ter 1 und den elektrischen Generator 8 antreibt. Die weiter zu. Mit Abnehmen der Eintrittstemperatur in die Abgase der Gasturbine 7 durchströmen den Wärmetau-Gasturbine sinkt naturgemäß auch die Austrittstempe- scher 9, in welchem sie den Großteil ihrer Wärme abgeratur, womit aber auch die nutzbare Temperaturspanne ben, bevor sie durch den (nicht dargestellten) Kamin des Abgases kleiner wird. So ergibt sich gesamthaft mit 50 abgeleitet werden. Der Wärmetauscher 9 ist beispielsabnehmender Leistung der Gasturbine eine zunehmend weise ein Dampfkessel oder die Wärmequelle für ein schlechtere Brennstoffausnutzung. Fernheiznetz.

Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist be- Die Rückführleiturtg 10 verbindet die Druckleitung 3

kannt aus der DE-AS 10 42 300. Bei Teillastbetrieb der mit der Ansaugleitung 2. Ihr Durchfluß wird vom Dros-Anlage wird Arbeitsmittel dem Niederdruckteil des 55 selventil 11 kontrolliert, das bei Vollast der Kraftanlage Kompressors entnommen und ins Freie abgeblasen. geschlossen wird.

Hierdurch geht jedoch wertvolle Energie ungenutzt Die Rückführleitung mit dem zwischengeschalteten

verloren, was eine schlechtere Brennstoffausnutzung Drosselventil, das jedes für diesen Zweck geeignete, rebewirkt, gelbare Absperrorgan sein kann, ermöglicht eine Regeln. -.~ ..«™ .«~ .„ .. _„ _ _. g. _tjj—g _u-j- y_ö- _u-j- ,jäätüruinc erzeugten Leistung. Bei

sinkendem Leistungsbedarf, der zu einem Ansteigen der

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Verfahren der eingangs genannten Art die Gesamtausnutzung des Brennstoffes im Teillastbetrieb wirkungsvoller zu gestalten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalendes Patentanspruchs 1 gelöst.

Durch Anwendung des genannten Regelverfahrens bleibt der Grad der Brennstoffausnutzung — erzeugte Gasturbinenleistung plus Abgaswärmeverwertung —

Drehzahl der Gasturbinengruppe führen würde, beeinflußt der Drehzahlregler 12 über die Wirkleitung 13 das Drosselventil 11, was zum teilweisen oder gänzlichen öffnen 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 Rieh-

ίο

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tung größerer 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 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 Wärmelauscher 9 zur Verfugung stehende, nutzbare Wärmeinhalt der Abgase, trotz verringerter Durchsatzmenge, sogar noch ansteigt

Die durch Rückführung warmer Druckluft angehobene Mischtemperatur am Verdichtereintritt reduziert die Luftdichte, was ebenfalls den Druck am Verdichteraustritt herabsetzt Deshalb genügt wie die Nachrechnung ergab und Versuche bestätigten, eine RückJlußmenge von 12%, um die Leistung der Gasturbine auf 50% der Vollast zu reduzieren.

Das beschriebene Teillastverhalten einer Kraftanlage mit kombinierter Energie- und Wärmeerzeugung ist aus F i g. 2 ersichtlich. Über der Gasturbinenleistung N, die bei Vollast 100% beträgt, ist die Brennstoffausnutzung in Prozenten aufgetragen. Sie beträgt, wie die Kurve a zeigt, bei Vollast ca. 30% 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 enth?,!- tene Wärme ausgenützt und werden dabei die Abgase bis auf 100⁰C abgekühlt, so ergibt sich das Gebiet H, 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 83% 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 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 Halblast 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 (Fig. 1) 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.

Das beschriebene Regelverfahren ist am wirkungsvollsten, wenn die Rückführleitung 10 von der Druckleitung 3 /wischen dem Verdichter 1 und der Brennkammer 4 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 Zur Herabsetzung der Energieverluste ist es zweckmäßig, die in der rückgeführten Luft enthaltene Energie zu verwerten. Diese Energie kann beispielsweise in Arbeit umgesetzt werden, 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 Strqmungsweg 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

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Teillastbetrieb einer mit konstanter Drehzahl und im offenen Kreisprozeß betriebenen Gasturbinenanlage, deren Abgase einem Abhitzekessel zugeführt werden, wobei eine veränderbare Menge verdichteter Luft entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die verän-

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 Regelverfahren 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

derbare Menge verdichteter Luft stromabwärts des io reiner Temperaturregelung der Fall wäre.

Verdichters entnommen und auf eine Stufe tieferen Druckes rückgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die entnommene Luft vor ihrer Rück-

Zwar ist es aus der DE-OS 14 76 806 bereits bekannt, bei einer Gasturbinenanlage eine veränderbare Menge verdichteter Luft Stromabwärts des Verdichters zu entnehmen und auf eine Stufe tieferen Druckes zurückzu