DE3302733A1 - METHOD AND DEVICE FOR CHANGING THE TOTAL PERFORMANCE OF A COMBINED GAS TURBINE - STEAM TURBINE PLANT AS A DRIVE IN A POWER PLANT OR IN A COMPRESSOR STATION ON A NATURAL GAS OR PETROLEUM PIPELINE - Google Patents
METHOD AND DEVICE FOR CHANGING THE TOTAL PERFORMANCE OF A COMBINED GAS TURBINE - STEAM TURBINE PLANT AS A DRIVE IN A POWER PLANT OR IN A COMPRESSOR STATION ON A NATURAL GAS OR PETROLEUM PIPELINEInfo
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Description
Verfahren und Einrichtung zur Änderung der Gesamtleistung einer kombinierten Gasturbinen- Method and device for changing the overall performance of a combined gas turbine
Dampfturbinenanlage als Antrieb in einem Kraftwerk oder in einer Kompressorstation anSteam turbine system as a drive in one Power plant or in a compressor station
einer Erdgas- oder Erdölfernleitung JO a natural gas or oil pipeline JO
Die Erfindung kann für die mit kombiniertem Gas-Dampf-Kreislauf erfolgenden Antriebe von Kraftwerken und Druckerhöherstationen
von Erdgas- und Erdöl-Fernleitungen verwendet werden.
IbThe invention can be used for the drives of power plants and pressure booster stations of natural gas and oil long-distance pipelines, which take place with a combined gas-steam cycle.
Ib
Der sogenannte kombinierte Gas-Dampf-Zyklus, genannt auch Gas-Dampf-Kreislauf, liefert einen ziemlich guten Gesamtwirkungsgrad, indem die Abhitze der Gasturbinenanlage zur Dampferzeugung für die Dampfturbinenanlage genutzt und dadurch eine zusätzliche Antriebsleistung gewonnen wird. Der kombinierte Zyklus wird insbesondere bei Elektrizitätswerken verwendet; neuerdings jedoch beginnt man ihn auch als kombinierten Antrieb der Kompressoren in Kompressorstationen von Erdgas-Fernleitungen einzusetzen. Die den derzeitigen Stand der Technik darstellenden Ausführungsformen richten jedoch keine entsprechende Aufmerksamkeit darauf, eine Änderung der Gesamtleistung mit gutem Wirkungsgrad durchzuführen, was jedoch wegen desThe so-called combined gas-steam cycle, also called Gas-steam cycle, provides a fairly good overall efficiency, by using the waste heat from the gas turbine system to generate steam for the steam turbine system and thereby an additional drive power is gained. The combined cycle is particularly common in power plants used; Recently, however, it has also been started as a combined drive for the compressors in Use compressor stations of natural gas pipelines. The embodiments representing the current state of the art however, do not pay appropriate attention to a change in overall performance perform good efficiency, but what because of the
yQ Charakters des Antriebes der genannten Anlagen von außerordentlicher Wichtigkeit ist. So ist für die Gasturbinen - bei ihren zahlreichen vorteilhaften EigenschaftenyQ character of the drive of the mentioned systems of extraordinary Importance is. This is the case for gas turbines - with their numerous advantageous properties
- bei Teillastbetrieb ein ziemlich schlechter Wirkungsgrad charaktoristisch. Hinzu kommt, daß bei geringerem Dampf-- Characteristic of a rather poor degree of efficiency at part load operation. In addition, with lower steam
jj;, durchsatz auch der Wirkungsgrad der Dampfturbine zurückfällt, sodaß eine mit Gas-Dampf-Kreislauf arbeitende Anlage bei einer den Nennwert unterschreitenden Leistung nurjj;, throughput also the efficiency of the steam turbine drops, so that a system working with a gas-steam cycle in the case of a power below the nominal value only
mit einem schlechten Wirkungsgrad betrieben werden kann. Beispielsweise beträgt der Wirkungsgrad einer 3x10 MW-Anlage 41% bei einer Leistung von 30 MW und 35% bei einer Leistung von 22,5 MW, wohingegen er bei einer Leistung von 15 MW nur 25% beträgt.can be operated with poor efficiency. For example, the efficiency of a 3x10 MW system 41% with an output of 30 MW and 35% with an output of 22.5 MW, whereas he does with an output of 15 MW is only 25%.
Bei zahlreichen Anwendungsfällen (Kraftwerke mit Inselbetrieb, Kompressorstationen) kommt ein Teillastbetrieb häufig vor und so tritt die Verwirklichung eines elastischen und gleichzeitig mit gutem Wirkungsgrad arbeitenden Systems als eine tatsächliche Forderung in Erscheinung. Ziel vorliegender Erfindung ist eine wesentliche Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades der mit Gas-Dampf -Kreis lauf arbeitenden Anlagen in erster Linie während des Teillastbetriebes.In numerous applications (power plants with isolated operation, compressor stations) there is partial load operation often before and so occurs the realization of an elastic and at the same time working with good efficiency System as an actual requirement. The aim of the present invention is an essential one Primarily, improvement of the overall efficiency of the systems working with gas-steam cycle during partial load operation.
Das Wesentliche des Verfahrens besteht darin, daß das gegenseitige Verhältnis der eine gleiche oder annährend gleiche Leistung aufweisenden, mit Gas-bzw. Dampfturbinen- ^ antrieb versehenen Maschineneinheiten in einem Verhältnis von 2:1, 1:1 bzw. deren Kombination und/oder einem Mehrfachen davon bei gleichem oder annähernd gleichem Wert (+_ 5%) der Einheitsleistung und des Kreislauf-Wirkungsgrades für den Teillastbetrieb in der Weise geändert umgesteuert wird, daß mit Hilfe der bei den die Rauchgaswärme verwertenden Abhitzekesseln der Gasturbinen vorgesehenen, auch den O^-Gehalt des Rauchgases verwertenden Zusatzfeuerung der bei einem Verhältnis gleichzeitig arbeitender Gasturbinen und Dampfturbinen von 2:1 günstigeThe essence of the process is that the mutual relationship of an equal or approximate having the same performance, with gas or. Steam turbine ^ driven machine units in a ratio of 2: 1, 1: 1 or their combination and / or one Multiples thereof with the same or approximately the same value (+ _ 5%) of the unit output and the cycle efficiency for partial load operation changed in such a way that with the help of the flue gas heat utilizing waste heat boilers of the gas turbines, also utilizing the O ^ content of the flue gas Additional firing which is favorable with a ratio of gas turbines and steam turbines operating simultaneously of 2: 1
Dampfdruckwert von 16-60 bar auf den (bei einem Gasturbinen-Dampfturbinen-Verhältnis von 1:1 günstigen) Wert von 40 - 150 bar erhöht wird bei gleichzeitiger Erhöhung der überhitzungstemperatur des Dampfes von vorzugsweise 300 - 48O0C auf 400 - 54 00C, und mit dem aufVapor pressure value of 16-60 bar on the (in a gas turbine and steam turbine ratio of 1: 1 low) value of 40 - will be increased to 150 bar, while increasing the superheat temperature of the vapor of preferably 300 - 48O 0 C at 400-54 0 0 C, and with that on
diese Weise eine erhöhte Arbeitskapazität aufweisenden Dampf in einer für einen Dampfbetrieb mit veränderlichen (gleitenden) Parametern geeigneten Dampfturbine die ge-this way an increased working capacity having steam in a for a steam operation with variable (sliding) parameters suitable steam turbine
wünschte gleiche oder annähernd gleiche Einheitsleistung erzeugt wird.desired equal or approximately equal unit power is generated.
Das Wesentliche der erfindungsgemäßen Anlage besteht darin, daß die Kompressorstation (das Kraftwerk) für jede ihrer Gasturbinen rauchgasseitig einen Abhitzekessel aufweist, der mit einer Zusatzfeuerungseinrichtung ausgestattet ist, die auch den 02-Gehalt des Rauchgases verwertet, und der bei veränderlichem Dampfdruck und veränderlicher Dampftemperatur in einem Verhältnis von ca. 1:2 veränderliche Arbeitskapazität, d.h. Energie, aufweisenden Dampf erzeugt, wobei sämtliche Bauteile der Abhitzekessel (Dampf-Wasser-Abscheider, Kammern, Rohrleitungen, Pumpen) in einer für die im Laufe des Betriebes auftretenden Druck- und Temperaturwerte und deren während des Betriebes erfolgende Änderung geeigneten Ausführungsform hergestellt sind und/oder in ihren technischen Kennwerten (Querschnitt, Drehzahl) verändert werden können. Die Kompressorstation bzw. das Kraftwerk weist eine gasturbinengetriebene Maschineneinheit, der eine dampfturbinengetriebene Maschineneinheit zugeordnet ist, oder zwei durch Gasturbinen angetriebene Maschineneinheiten auf, denen eine dampfturbinengetriebene Maschineneinheit oder zwei dampfturbinengetriebene Maschineneinheiten zugeordnet ist bzw. sind. Die Maschineneinheiten sind auf die gleiche oder annähernd gleiche (+_" 5%) Nennleistung ausgelegt. Jede Dampfturbine weist zwei selbstständige Turbinenstufen oder Turbinenteile auf und ist derart ausgelegt, daß sie bei unterschiedlichen Dampfparametern die gleiche oder annähernd gleiche Wellenleistung liefert, wobei eine die Belastung zwischen don die beiden Dampfarten mit den beiden unterschiedlichen Drücken und Temperaturen verarbeitenden Turbinenteilen verteilende Vorrichtung und ein dementsprechendThe essence of the system according to the invention is that the compressor station (the power plant) has a waste heat boiler for each of its gas turbines on the flue gas side, which is equipped with an additional firing device that also utilizes the O2 content of the flue gas, and that with variable vapor pressure and variable vapor temperature in a ratio of approx. 1: 2 variable working capacity, i.e. energy, generated steam, with all components of the Waste heat boiler (steam-water separator, chambers, pipes, pumps) in one for during operation occurring pressure and temperature values and their change taking place during operation suitable embodiment are manufactured and / or their technical parameters (cross-section, speed) are changed can. The compressor station or the power plant has a gas turbine-driven machine unit, the a steam turbine-driven machine unit is assigned, or two machine units driven by gas turbines on which a steam turbine driven machine unit or two steam turbine driven machine units is or are assigned. The machine units are the same or approximately the same (+ _ "5%) Rated power. Each steam turbine has two independent turbine stages or turbine parts and is designed in such a way that they are the same or approximately the same for different steam parameters Wave power supplies, one being the load between don the two types of steam with the two different Pressure and temperature processing turbine parts distributing device and a corresponding one
*" ° ausgebautes Schutz und Regelsystem vorgesehen sind.* "° developed protection and control system are provided.
Weiterhin weist jedes aus wenigstens einer Gasturbine, ihrem Abhitzekessel, dessen Zusatzfeuerung und wenigstensFurthermore, each has at least one gas turbine, its waste heat boiler, its auxiliary firing system and at least
einer zugeordneten Dampfturbine bestehende System eine durch den gewünschten Leistungsbedarf der Dampfturbine gesteuerte und durch die Umsteuerung der Zusatzfeuerung der Abhitzekessel verwirklichte Regelung auf.an associated steam turbine existing system based on the desired power requirement of the steam turbine controlled and by reversing the auxiliary firing the waste heat boiler implemented regulation.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Anlage werden anhand eines Ausführungsbeispiels und der Fig. 1 und Fig. 2 beschrieben.The inventive method and the inventive Plant are described using an exemplary embodiment and FIGS. 1 and 2.
Die Anlage nach Fig. 1 (Kompressorstation bzw. Kraftwerk) besteht aus drei Maschineneinheiten 2, von denen zwei jeweils mittels einer Gasturbine 1 und eine mittels der Dampfturbine 3 angetrieben werden.The system according to Fig. 1 (compressor station or power plant) consists of three machine units 2, two of which each by means of a gas turbine 1 and one by means of the Steam turbine 3 are driven.
Die angetriebene Maschine 2 kann ein Kompressor oder ein Generator sein» Beide Gasturbinen 1 sind mit je einem Abhitzekessel 4 versehen, der mit einer den O2~Gehalt des Rauchgases verwertenden Zusatzfeuerung versehen ist. Bei der Betriebsart aus Fig. 1 sind alle drei Maschineneinheiten 2 in Betrieb, die beiden Abhitzekessel 4 der beiden Gasturbinen 1 produzieren aus dem Rauchgas der Gasturbinen 1 ohne Verwendung der Zusatzfeuerungseinrichtung 5 oder mit deren geringfügigen Einsatz zusammen soviel Dampf, wie zum Betreiben der durch die Dampfturbine 3 angetriebenen Maschine 2 mit der vollen Nennleistung ausreicht. Der Dampf gelangt durch die Dampfleitung 6 zur Dampfturbine 3.The driven machine 2 can be a compressor or a generator. Both gas turbines 1 are each provided with a waste heat boiler 4 which is provided with an additional furnace that utilizes the O 2 content of the flue gas. In the operating mode from Fig. 1, all three machine units 2 are in operation, the two waste heat boilers 4 of the two gas turbines 1 produce as much steam from the flue gas of the gas turbines 1 without using the additional firing device 5 or with its minor use together as much steam as to operate the through the Steam turbine 3 driven machine 2 with the full rated power is sufficient. The steam reaches the steam turbine 3 through the steam line 6.
Fig. 2 zeigt die andere alternative Betriebsart der Anlage nach Fig. 1 im Teillastbetrieb. Hierbei arbeiten von den drei Maschineneinheiten 2 nur zwei Einheiten, z.B. aus dem Grunde, weil lediglich zwei Drittel der möglichen Gesamtleistung benötigt werden. Dies wird in der Weise erreicht, daß die eine durch eine Gasturbine 1 α angetriebene Maschine 2 der Maschineneinheit I abgestellt wird und die arbeitenden zwei Maschineneinheiten II und III mit voller Belastung und gutem Wirkungsgrad auf die Weise gefahren werden, daß die an den Abhitze-FIG. 2 shows the other alternative operating mode of the system according to FIG. 1 in partial load operation. In this case, only two of the three machine units 2 work, for example for the reason that only two thirds of the possible total output are required. This is achieved in such a way that the one driven by a gas turbine 1 α machine 2 of the machine unit I is turned off and the two working machine units II and III are driven with full load and good efficiency in such a way that the waste heat
kessel 4 der Gasturbine 1 der Maschineneinheit II angeschlossene Zusatzfeuerungseinrichtung 5 mit voller Kapazität (bei ca. 100% zusätzlicher Kesselleistung) in Gang gesetzt wird. Dies bedeutet jedoch nicht eine Erhöhung des Dampfdurchsatzes auf das Doppelte, denn eine normale Durchsatzerhöhung bei im übrigen gleichbleibenden sonstigen Dampfparametern würde unter Umständen zu einer Verringerung des Wirkungsgrades der Dampfturbine bzw. des Gesamtwirkungsgrades führen, sondern die entsprechende Erhöhung des nutzbaren Energieinhaltes des erzeugten Dampfes durch eine variable entsprechende Änderung der Dampfparameter wie Druck, Temperatur, Enthalpie, Volumen, Durchsatz. Durch die variable Einstellung der Parameter wird der Wirkungsgrad verbessert. Da die Änderung derboiler 4 of the gas turbine 1 of the machine unit II connected additional firing device 5 with full capacity (with approx. 100% additional boiler output) is started. However, this does not mean an increase in the Steam throughput to double, because a normal throughput increase with otherwise constant other Steam parameters would possibly lead to a reduction in the efficiency of the steam turbine or the Overall efficiency lead, but the corresponding increase in the usable energy content of the generated Steam through a variable corresponding change in steam parameters such as pressure, temperature, enthalpy, volume, Throughput. The variable setting of the parameters improves the efficiency. Since the change in the
Ib Dampfparameter durch Wärmezufuhr mittels der Zusatzfeuerung hinter der Gasturbine erfolgt, wird durch die Änderung der Dampfenergie keine Leistungsforderung in der Gasturbine erzeugt und gleichwohl wird ein besserer Wirkungsgrad erhalten. Auf diese Weise liefert mit dem auf einem höheren energetischen Potential erzeugten Dampf die die Dampfmaschine 3 enthaltende Maschineneinheit III infolge der für einen Betrieb mit veränderlichen Parametern geeigneten Konstruktion in ihrer Dampfturbine 3 eine der in Fig. 1 dargestellten Betriebsart vollkommen gleiche Leistung bei praktisch unverändert gutem Gesamtwirkungsgrad, obwohl die Maschineneinheit I in dieser Betriebsart nicht arbeitet.Ib Steam parameters due to the supply of heat by means of the additional firing takes place behind the gas turbine, the change in steam energy does not result in any power demand in generated by the gas turbine and at the same time a better efficiency is obtained. In this way delivers with the The machine unit III containing the steam engine 3 generated steam at a higher energetic potential as a result of the construction in their steam turbine 3 which is suitable for operation with variable parameters one of the operating mode shown in Fig. 1 completely the same performance with practically unchanged good overall efficiency, although the machine unit I does not work in this operating mode.
Gemäß der Erfindung werden somit sowohl eine spezielle Dampfturbine als auch eine spezielle Zusatzfeuerung eingesetzt, die beide für die Lieferung bzw. Verarbeitung vom Dampfarten unterschiedlicher Parameter ansprechen. Die mit veränderlichen Parametern betreibbare Dampfturbine, ausgelegt auf die durch zwei unterschiedliche Dampfarten bestimmten Betriebszustände, besteht aus zwei Teilen, nämlich aus einem Hochdruck- und einem Niederdruckteil. Sowohl der Hochdruckteil wie auch der Niederdruckteil verfügen bei einer durchschnittlichen AusführungAccording to the invention, both a special steam turbine and a special additional firing system are used, both of which address different parameters for the delivery or processing of steam types. The steam turbine, which can be operated with variable parameters, is designed for use with two different types of steam certain operating conditions, consists of two parts, namely a high pressure and a low pressure part. Both the high-pressure part and the low-pressure part have an average version
über selbständige Einlaßorgane (Haupt- und Regelventile). Die freie Durchströmung zwischen dem Hochdruckteil und dem Niederdruckteil ist aber jeweils sichergestellt und/ oder es ist ein Bypasskanal vorgesehen, welcher den Hochdruckteil mit dem Niederdruckteil verbindet. Die Einlaß- und Regelorgane können in einer Baueinheit ausgeführt v/erden.Via independent inlet organs (main and control valves). However, the free flow between the high-pressure part and the low-pressure part is ensured in each case and / or a bypass channel is provided which connects the high-pressure part with the low-pressure part. The inlet and control organs can be implemented in one structural unit.
Das Dampf volumen, das in dem I-Iochdruckteil maximal verdichtet werden kann (Betriebsweise nach Fig. 2), ergibt eine Auslastung des Niederdruckteils von etwa 80%. Die Parameter des Abhitzekesseldampfs sind in diesem Fall gegenüber der Betriebsweise in Fig. 1 höher.The steam volume that can be maximally compressed in the high pressure part (mode of operation according to FIG. 2) results in a utilization of the low pressure part of about 80%. The parameters of the waste heat boiler steam are higher in this case compared to the operating mode in FIG. 1.
im Betriebsfall nach Fig. 1 wird der Niederdruckteil auf 100% ausgelastet, während in diesem Fall der Hochdruckteil nur eine Kühldampfzuführung aufweist (zum Zwecke der Kühlung). Die größere Dampfmenge im Vergleich zum Betriebsfall 1:1 nach Fig. 2 ermöglicht die Verkleinerung (Herabsetzung) der Frischdampfparameter des Abhitzekessels. in the operating case according to FIG. 1, the low-pressure part is on 100% utilization, while in this case the high pressure section has only one cooling steam supply (for cooling purposes). The larger amount of steam compared to the Operating case 1: 1 according to FIG. 2 enables the reduction in size (lowering) of the live steam parameters of the waste heat boiler.
Der übergang von dem einen Betriebszustand in den anderen erfolgt durch kontinuierliche Veränderung der Frischdampfparameter (gleitende Parameter).The transition from one operating status to the other takes place by continuously changing the live steam parameters (sliding parameters).
Anstelle der aus Fig. 1 ersichtlichen Anlage mit drei, d.h. ihrer Zahl nach unpaarigen Maschineneinheiten bzw. neben derselben kann auch eine in Fig. 2 dargestellte Anlage mit zwei, d.h. ihrer Zahl nach paarigen Maschineneinheiten errichtet werden. Eine Anlage mit vier Maschineneinheiten kann aus je zwei gasturbinengetriebenen und dampfturbinengetriebenen Maschinen, eine Anlage mit fünf Maschineneinheiten aus drei gasturbinengetriebenen Maschinen und zwei dampfturbinengetricbenen Maschinen aufgebaut werden. Um die Betriebsbercitschaft einer Anlage mit Koppelung zweier Maschinen (eine Gasturbine, eine Dampfturbine) zu erhöhen, kann dor AbhitzekesselInstead of the system shown in Fig. 1 with three, i.e. their number according to unpaired machine units or In addition to this, a system shown in Fig. 2 with two, i.e. their number according to paired machine units to be erected. A system with four machine units can consist of two gas turbine-driven and steam turbine driven machines, a system with five machine units from three gas turbine driven ones Machines and two steam turbine generic plane machines being constructed. About the operational availability of a plant With the coupling of two machines (a gas turbine, a steam turbine), the waste heat boiler can increase
mit einer Feuerungseinrichtung versehen werden, die auch ohne Betrieb der Gasturbine in der Lage ist, die Dampfturbineneinheit in Betrieb zu halten.be provided with a firing device that is able to operate the steam turbine unit even without the gas turbine keep in operation.
b Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und der dazugehörigen Einrichtung:b Advantages of the method according to the invention and the associated Facility:
- Die bekannten Vorteile der Anwendung des kombinierten Zyklus werden bei unverändert gutem Wirkungsgrad auf den Teillastbetrieb der Anlagen erweitert.- The well-known advantages of using the combined cycle are retained while the efficiency remains unchanged the partial load operation of the plants expanded.
- Die Betriebssicherheit der Anlagen mit kombiniertem Zyklus wird durch die vorgeschlagene neue Betriebsart erhöht.- The operational safety of the combined cycle systems is enhanced by the proposed new operating mode elevated.
- Durch die Veränderbarkeit des Gasturbine/Dampfturbine-- Due to the changeability of the gas turbine / steam turbine
5 Verhältnisses werden Investitions- und Betriebserleichterungen geschaffen.5 ratio are investment and operational relief created.
- Durch den Einsatz von Maschinen gleicher Leistung werden Betriebs- und Wartungsvorteile erzielt und dadurch- By using machines of the same performance, operating and maintenance advantages are achieved and thereby
wird die Einführung der neuen Antriebsart erleichtert. 20the introduction of the new type of drive is made easier. 20th
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
8125 | Change of the main classification |
Ipc: F01K 23/10 |
|
D2 | Grant after examination | ||
8363 | Opposition against the patent | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |