DE2945404C2 - Verfahren zum Betrieb einer kombinierten Gas-Dampfturbinenanlage und Gas-Dampfturbinenanlage zur Durchführung dieses Verfahrens - Google Patents

Verfahren zum Betrieb einer kombinierten Gas-Dampfturbinenanlage und Gas-Dampfturbinenanlage zur Durchführung dieses Verfahrens

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Description

55
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer kombinierten Gas-Dampfturbinenanlage, deren Gasturbine zusammen mit einem zugehörigen Verdichter über eine elektrische Maschine, insbesondere einen Generator, und deren Dampfturbine über einen elektrischen Generator mit einem elektrischen Netz kuppelbar sind und in der die Abgase der Gasturbine einem der Dampfturbine zugeordneten Dampferzeuger &5 und in der mit dem von der Gasturbine antreibbaren Verdichter verdichtete und in einem Wärmetauscher mil wechselndem Wärmeangebot erhitzte Gase der Gasturbine zugeführt werden, sowie eine Gas-Dampfturbinenanlage zur Durchführung dieses Verfahrens,
Ein derartiges Verfahren zum Betrieb einer kombinierten Gas-Dampfturbinenanlage ist beispielsweise in der Zeitschrift »Energie und Technik« Nr, 24, 1972, HeftS, auf den Seiten 147 bis 152, in einem Aufsatz »Kombinierte Dampf-Gasturbinen-Prozesse« beschrieben.
Muß die kombinierte Gas-Dampfturbinsnanlage mit TeUlast gefahren werden, so wird zunächst die Leistung des nachgeschalteten Dampfprozesses vermindert, da die Gasturbinenanlage bei Teillast einen sehr schlechten Wirkungsgrad besitzt
Aufgabe der Erfindung ist es, bei Teillast und dementsprechend verminderter Wärmezufuhr an den Gasturbinenkreislauf die kombinierte Gas-Dampfturbinenanlage ohne wesentliche Verschlechterung des Teillastwirkungsgrades zu betreiben.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren der eingangs erwähnten Art durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Patentanspruches 1 gekennzeichnet.
Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung im Sinne der Erzielung eines guten Teillastwirkungsgrades der Gas-Dampfturbinenanlage und eine Gas-Dampfturbinenanlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.
Aus der DE-PS 8 49 330 ist zwar eine kombinierte Gas-Dampfturbinenanlage bekannt, diese weist jedoch einen Einwellenmaschinensatz auf. Deshalb kann die Drehzahl der Gasturbine nicht gegenüber der Nenndrehzahl verringert werden, so daß kein ausreichend hohes Temperaturgefälle zwischen dem Heißgasprozeß und dem Dampfprozeß bei Teillastbetrieb gewährleistet ist und einer Verschlechterung des Teillastwirkungsgrades nicht entgegengewirkt werden kann.
Aus der DE-AS 10 42 300 ist ferner eine Gasturbine mit abgasseitig nachgeschaltetem Dampferzeuger bekannt, deren Drehzahl bei Teillasi'ietrieb jedoch nicht verringert, sondern konstant gehalten wird, während ein Teil der Verbrennungsluft, die im von der Gasturbine angetriebenen Verdichter verdichtet wird, unter Erzielung eines schlechten Teillastwirkungsgrades in die Atmosphäre entspannt wird.
Aus Bild 4 in »Sonderdruck aus Beiträge zur kommunalen Versorgungswirtschaft«, Heft 32, 1962, ist schließlich noch ein Kernheizkraftwerk mit einer einem Kernreaktor nachgeschalteten Gasturbine zum Antreiben eines elektrischen Generators bekannt, der wohl eine Bypaßleitung zum Beherrschen von Lastabwürfen zugeordnet ist, ein Dampferzeuger, in den erhitztes Gas über diese Bypaßleitung geführt wird, ist jedoch nicht vorgesehen.
Die Erfindung und ihre Vorteile seien anhand der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert:
Der Gasturbinenteil einer in der Zeichnung dargestellten kombinierten Gas- und Dampfturbinenanlage besteht aus einer Gasturbine 1, deren Welle 2 über eine Kupplung 3 mit einem Verdichter 4 und einem Generator 5 verbunden ist. Der Generator 5 ist über eine Leitung 6 und einen Leistungsschalter 7 an ein elektrisches Netz 8 angeschlossen. Außerdem ist der Generator 5 über einen Frequenzumsetzer 9 und einen weiteren Leistungsschalter 10 ebenfalls mit dem Netz 8 verbunden. Der Frequenzumsetzer 9 wird in vielen Fällen vorgesehen, um ein asynchrones Anfahren der
Gasturbinenanlage zu ermöglichen.
Der Verdichter 4 saugt Ober eine Leitung 11 Luft an, verdichtet sie und gibt sie über eine Leitung 12 in einen Wärmetauscher 13, Dieser Wärmetauscher 13 kann z, B. eine mit öl oder Gas befeuerte Brennkammer sein. Es 'ß ist aber auch denkbar, hier den Wärmetauscher einer Wirbelschichtfeuerung, einer iCohlevergasungsanlage i-| oder einer Sonnenenergieanlage vorzusehen. Der p} Ausgang der Brennkammer ist über eine Leitung 14 mit einem Ventil 15 Jiid über eine Leitung 16 mit einem rf Ventil 17 verbunden. Vom Ventil 17 führt eine Leitung fs 18 zum Eintritt der Turbine 1 und vom Ventil 15 führt :,"; eine Leitung 19 zum Eingang des Dampferzeugers 20 J für die Dampfturbinenanlage. Außerdem geht vom Ausgang der Gasturbine 1 eine Leitung 21 ebenfalls zum *·> Dampferzeuger 20. Nach Durchströmen des Dampferzeugers 20 und gegebenenfalls von abgasbeheizten Speisewasservorwärmern verläßt die Luft die Anlage ä über eine Leitung 22. Dem Dampferzeuger 20 ist in bekannter Weise neben nicht dargestellten Vorwärmern eine Speisewasserpumpe 23 vorgeschaltet. Der im Dampferzeuger 20 erzeugte Dampf gelangt über eine Leitung 24 in die Dampfturbine 25. Dieser ist in ebenfalls bekannter Weise ein Kondensator 26 nachgeschaltet, dessen Kondensat wieder zur Speisewasserpumpe 23 zurückfließt. Die Dampfturbine 25 ist wie die Gasturbine 1 mit einem Generator 27 verbunden, der über einen Leistungsschalter 28 mit dem Netz 8 in Verbindung steht.
Außerdem ist an den Ausgang des Wärmetauschers 13 ein Temperaturmeßgerät 29 angeschlossen, das mit einer Steuereinrichtung 30 in Verbindung steht. Die Steuereinrichtung 30 ist über Signalleitungen 31 mit den Ventilen 15 und 17, mit den Leistungsschaltern 7 und 10 und mit dem Frequenzumsetzer 9 verbunden.
Bei Vollast der Gasturbinenanlage ist das Ventil 15 geschlossen und das Ventil 17 geöffnet. Der über die Leitungen 14 und 19 führende Bypaß zur Gasturbine 1 isl damit unterbrochen. Außerdem ist der Generator 5 über eine Leitung 6 und den Leistungsschalter 7 mit dem Netz 8 verbunden, so daß er die Nutzleistung der Gasturbinenanlage an das Netz 8 abgeben kann.
Soll die Gasturbinenanlage nun mit Teillast betrieben werden, so wird das dem Wärmetauscher 13 zugeführte Wärmeangebot verringert und damit die Temperatur am Ausgang des Wärmetauschers 13 wegen des gleichbleibenden, vom Verdichter 4 geförderten Massenstromes vermindert. Unterschreitet diese Temperatur einen einstellbaren, von der zulässigen Leistung des Frequenzumsetzers 9 mit abhängigen Wert, so veranlaßt das Steuergerät 30 die Öffnung des Leistungsschalter 7 und schließt den Leistungsschalter 10. Außerdem wird die Drehzahl der Welle 2 und somit der Verdichtermassenstrom durch entsprechende Ansteuerung des Frequenzumsetzers 9 so weit vermindert, daß die Temperatur am Ausgang des Wärmetauschers 13 wieder bis auf Auslegiingstemperatur ansteigt. In diesem Fall ergibt sich am Austritt der Gasturbine eine höhere Gastemperatur als im Auslegungsfall, Dies liegt daran, daß das Druckverhältnis zwischen Eintritt und Austritt der Gasturbine 1 wegen der verringerten Drehzahl kleiner ist und somit sich das Gas weniger entspannt und damit weniger abkühlt
Dies hat zur Folge, daß auch bei reduzierter Wärmeleistung der Gasturbinenanlage Luft mit hoher Temperatur in den Dampferzeuger 20 strömt, so daß bei verringerter Drehzahl sowohl Nutzleistung in der Gasturbinenanlage als auch Nutzleistung im Dampfturbinenprozeß bei hohem Dampfdruck und hoher Dampftemperatur, jedoch verringerter Frischdampfmenge erzeugt werden.
Bei weiter absinkendem Wärmeangebot im Wärmetauscher 13 verringert sich die Drehzahl der Gasturbine
2" und damit die Nutzleistung der Gasturbinenanlage, bis keine Leistung mehr über den Genera-χ 5 an das Netz 8 abgegeben wird, jetzt liefert nur noch die Dampfturbine 25 Leistung über den Generator 27 ans Netz 8. Die im Wärmetauscher 13 anfallende Wärmeleistung deckt die Verluste von Verdichter 4 und Gasturbine 1 und beheizt im übrige'· den Dampferzeuger 20 des Dampfturbinenprozesses.
Bei weiter absinkendem Wärmeangebot im Wärmetauscher 13 mit entsprechender Drehzahlreduzierung
"' wird die Nutzleistung der Gasturbinenanlage negativ, so daß der Generator 5 über den frequenzumsetzer so gesteuert wird, daß er als Motor läuft und die negative Nutzleistung der Gasturbinenanlage ausgleicht. Dabei wird die aus dem Netz 8 entnommene Leistung teilweise
n in das Netz über den Generator 27 zurückgespeist, da im Verdichter Luft verdichtet und erhitzt wird und sich so das Wärmeangebot im Dampferzeuger 20 und damit die Leistung der Dampfturbine 25 erhöht.
Extrem geringe Teillast läßt sich beim Aujführu^gsbeispiel in vorteilhafter Weise ebenfalls verwirklichen, indem man das Ventil 17 schließt und das Ventil 15 öffnen Jetzt sinkt der Druck in der Brennkammer 13 erheblich ab und der Verdichter 4 arbeitet im wesentlichen als Gebläse. Durch das Abschalten der Gasturbine 1 mittels der Kupplung 3 werden Leerlaufverluste vermieden, so daß eine geringe Leistung ausreicht, um den jetzt als Motor laufenden Generator 5 vom Netz 8 über den Frequenzumsetzer 9 zu speisen.
Anstatt den Generator 5 über einen Frequenzumset-
Vl zer zu speisen, läßt sich z. B. auch mit der Welle 2 eine weitere elektrische Maschine kuppeln, die geeignet ist, unabhängig von der Drehzahl Leistung ans Netz 8 zu liefern oder von diesem zu beziehen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Verfallen zum Betrieb einer Kombinierten Gas-Dampfturbinenanlage, deren Gasturbine zusammen mit einem zugehörigen Verdichter über > eine elektrische Maschine, insbesondere einen Generator, und deren Dampfturbine über einen elektrischen Generator mit einem elektrischen Netz kuppelbar sind, und in der die Abgase der Gasturbine einem der Dampfturbine zugeordneten ι ο Dampferzeuger und in der mit dem von der Gasturbine antreibbaren Verdichter verdichtete und in einem Wärmetauscher mit wechselndem Wärmeangebot erhitzte Gase der Gasturbine zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß bei is Teillast bei vermindertem Wärmeangebot im Wärmetauscher (13) die Drehzahl der Gasturbine (1) unter Abgabe oder Aufnahme mindestens eines Teiles der Nennleistung durch die elektrische Maschine (5) der Gasturbine (1) an das bzw. aus dem Netz (8} soweit gegenüber der Nenndrehzahl verringert wird, daß die Gastemperatur am Ausgang des Wärmetauschers (13) nicht wesentlich absinkt
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß erhitzte Gase aus dem Wärmetauscher (13) über einen die Gasturbine (1) umführenden Bypaß (19) in den Dampferzeuger (20) geleitet werden.
3. Gas-Dampfturbinenanlage zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 mit einem jo Wärmetauscher zur Gaserhitzung, dessen Ausgang an einer Gasturbine angeschlossen ist, auf deren Welle ein am Wärmetauscher angeschlossener Gasverdiditer und eine mit dem Gasverdichter fest gekoppelte, mit einem elektrischen Netz kuppelbare elektrische Maschine, insbesondere elektrischer Generator, angeordnet sind, sowie mit einem einer Dampfturbine mit einem an ein elektrisches Netz kuppelbaren elektrischen Generator zugeordneten Dampferzeuger, der am Ausgang der Gasturbine angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Wärmetauscher (13) und Dampferzeuger (20) parallel zur Gasturbine (1) eine Leitung (14, 19) mit eingeschaltetem Ventil (15) als Bypaßleitung vorgesehen ist.
4. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Gasturbine (1) und Verdichter (4) in die Welle (2) eine Kupplung (3) eingeschaltet ist.
5. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Leistungsübertragung zwischen Gene- so rator (5) und Netz (8) bei Teillast der Generator (5) über einen Frequenzumsetzer (9) mit dem Netz (8) verbunden ist.
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