DE60133810T2

DE60133810T2 - Methode und vorrichtung zur leistungserhöhung von gasturbinenkreisläufen

Info

Publication number: DE60133810T2
Application number: DE60133810T
Authority: DE
Inventors: Jatila R. Niskayuna RANASINGHE; Robert-Russell Ballston Lake PRIESTLEY
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2000-05-12
Filing date: 2001-05-05
Publication date: 2008-11-27
Anticipated expiration: 2021-05-06
Also published as: CZ20027A3; JP2003533624A; EP1285151A1; US20010047649A1; KR20020032528A; US6526758B2; KR100789029B1; EP1285151B1; WO2001088342A1; AU6119901A; DE60133810D1

Description

Diese Erfindung betrifft die Zuführung eines Gemisches Mischung aus leistungserhöhender verdichteter Luft und Dampf zu einer Verbrennungsturbine zur Leistungserhöhung.
Die Ausgangsleistung oder das Leistungsvermögen einer Verbrennungsturbine verringert sich gewöhnlich mit steigender Temperatur an dem Einlass zu der Verdichterkomponente. Insbesondere sind das Leistungsvermögen der Verdichterkomponente, Luft für den Verbrennungsprozess zu liefern, und die darauf folgende Ausdehnung durch die Turbine reduziert, wenn sich die Verdichtereinlasstemperatur (gewöhnlich aufgrund einer erhöhten Umgebungstemperatur) erhöht. Somit weisen die Turbinenkomponente und die Brennkammerkomponente der Verbrennungsturbine, wenn sie oberhalb einer bestimmten Einlasstemperatur betrieben werden, gewöhnlich die Fähigkeit auf, eine größere Menge komprimierten Fluids aufzunehmen, als die Verdichterkomponente zuführen kann.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Entwurfsverfahren für Einfach- und Kombikreislauf-Gasturbinenkraftwerke zu schaffen, um die Ausgangsleistung während eines Betriebs bei hoher Umgebungstemperaturen zu verbessern. Es ist z. B. aus dem Artikel von Makansi in Power, Ausgabe 134, Nr. 3, März 1990, mit dem Titel „Gas turbines grab wider share of power generation duties" bekannt, ein Verfahren zur Erhöhung des Massendurchflusses durch die Turbinenkomponente oder den Turbinenabschnitt vorzusehen, in dem ein Gemisch aus verdichteter Luft und Dampf an dem Gasturbinenverdichterauslass und/oder in dem Brennkammersystem eingedüst wird, wodurch die Leistungsabgabe des Gasturbinenkraftwerks verbessert wird. Zusätzlich zur Leistungsabgabe wird auch die thermodynamische Effizienz in Einfachkreislauf-Gasturbinenkraftwerken verbessert.
Eine Leistungserhöhung in Gasturbinenkreisläufen durch Dampfeindüsung wurde bereits früher erzielt. Die maximale Menge der Dampfeindüsung kann jedoch auf einen bestimmten Prozentsatz des Luftdurchflusses durch den Gasturbinenverdichter begrenzt sein. Der Gasturbinenverdichterluftstrom verringert sich natürlich, wenn die Umgebungstemperatur steigt, so dass folglich die mögliche Menge der Dampfeindüsung begrenzt ist.
Die hierin beschriebene Erfindung schlägt die Verwendung eines durch einen Motor angetriebenen externen Verdichters und von Dampf vor, der erzeugt wird, indem Energie der Turbinenabgase verwendet wird, um ein Dampf-Luft-Gemisch an dem Gasturbinenverdichterauslass oder in dem Brennkammersystem einzudüsen, um den Massenstrom durch die Gasturbine zu erhöhen und dadurch die Leistungsabgabe des Leistungskreislaufs zu erhöhen.
Der Zweck des Dampf-Luft-Eindüsungs-Kreislaufs gemäß dieser Erfindung ist die Erzielung einer Leistungserhöhung der Gasturbine bei hohen Umgebungstemperaturbedingungen. Zusätzlich zur Leistungserhöhung wird auch der Wärmeverbrauch aufgrund der Nutzung der Gasturbinenabgaswärme zur Dampferzeugung reduziert. Leistungserhöhung mit Dampfeindüsung kann durch die maximale Dampfeindüsungsgrenzen des trockenen Low-NOx-Brennkammersystems begrenzt sein. Die Eindüsung der Luft mit dem externen Verdichter schafft jedoch eine zusätzliche Möglichkeit der Leistungserhöhung einer Gasturbine.
Der Verdichter kann ein geregeltes Zwischenkühlsystem enthalten, bei dem die durch das Kühlwasser in dem Zwischen kühler aufgenommene Wärme über einen Kühlturm in dem geregelten Kühlwassersystem in die Umgebung abgegeben wird. Der Verdichter kann auch Einlassleitschaufeln zur Luftstromsteuerung, ein Ausblas-Regelventil zum Schutz gegen Verdichterpumpen in Zeiten geringer Prozessanforderung und einen Schutz vor Überlastbedingungen durch Begrenzung des maximalen Luftstroms enthalten.
In einer beispielhaften Ausführungsform wird das Gemisch aus Dampf und Luft direkt dem Einlass der Brennkammer zugeführt. In dieser Ausführungsform wird der Dampf in einem Abwärmekessel erzeugt, in dem das in den Kessel eindringende Speisewasser auf eine Temperatur von –37°C (–700°F) überhitzt wird. Das Speisewasser-Stromregelventil wird gesteuert, um den Speisewasserstrom durch Regelung mit dem Gasturbinenströmungsbedarf bis zu einer maximalen Dampfeindüsungsgrenze für die gegebene Betriebsbedingung abzugleichen.
Der überhitzte Dampf und die Eindüsungsluft werden vor der Eindüsung durch die Dampfinjektionskanäle in die Gasturbinenbrennkammer in einem Misch-T-Stück vermischt.
In einer zweiten Ausführungsform wird das Gemisch aus Dampf und Luft in einem stromaufwärtigen Abschnitt des Wärmerückgewinnungskessels wiedererwärmt, bevor es dem Brennkammereinlass zugeführt wird.
In einer dritten Ausführungsform wird die verdichtete Austrittsluft aus dem externen Verdichter in einem stromabwärtigen Abschnitt des Wärmerückgewinnungskessels auf –37°C (–700°F) erwärmt, bevor sie mit dem überhitzten Dampf vermischt wird.
Bevor das Dampf-Luft-Gemisch tatsächlich dem internen Verteiler zugeführt wird, müssen alle stromaufwärtigen Rohrleitungen eine Vorwärmsequenz durchlaufen haben. Ein ungenügend vorgewärmtes System zur Eindüsung des Dampf-Luft-Gemisches kann möglicherweise den Brennkammern ein Kondensat zuführen, das die Flamme auslöschen oder die Ausstattung beschädigen könnte. Zur Sicherstellung einer geeigneten Vorerwärmung des Dampf-Luft-Gemisch-Eindüsungssystems kann die heiße Luft aus dem externen Verdichter zum Vorwärmen des Systems verwendet werden. Das Dampf-Luft-Gemisch wird der Maschine erst dann zugeführt, wenn die Vorerwärmungsbedingungen erfüllt sind.
Entsprechend betrifft die Erfindung unter ihrem breiteren Gesichtspunkt ein landbasiertes Gasturbinenkraftwerk, das einen Turbinenverdichter, einen Turbinenabschnitt und eine Brennkammer zwischen dem Verdichter und dem Turbinenabschnitt; einen Wärmerückgewinnungskessel, der wenigstens einen Wärmeaustauschabschnitt enthält, der so ausgeführt ist, dass er Abgase aus dem Turbinenabschnitt aufnimmt, wobei der Wärmerückgewinnungskessel zur Dampferzeugung in Wärmeaustauschbeziehung zu den Abgasen strömendes Wasser aufnimmt; und einen externen Verdichter zum Zuführen leistungserhöhender Verbrennungsluft aufweist, wobei der in dem Wärmerückgewinnungskessel erzeugte Dampf mit der leistungserhöhenden Verbrennungsluft vermischt wird, um ein Gemisch aus Dampf und Luft zu erzeugen, das in die Brennkammer eingedüst wird.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt betrifft die Erfindung ein Land basiertes Gasturbinenkraftwerk, das einen Turbinenverdichter, einen Turbinenabschnitt und eine Brennkammer zwischen dem Verdichter und dem Turbinenabschnitt; einen Wärmerückgewinnungskessel, der wenigstens einen Wärmeaustauschab schnitt enthält, der so ausgeführt ist, dass er Abgas aus dem Turbinenabschnitt aufnimmt; und Vorrichtungen zur Erhöhung des Massendurchflusses durch den Turbinenabschnitt aufweist, um dadurch die Leistungsabgabe des Gasturbinenkraftwerks zu steigern.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Vergrößerung des Massenstroms durch einen Turbinenabschnitt eines landbasierten Gasturbinenkraftwerks, das einen Turbinenverdichter, den Turbinenabschnitt und eine Brennkammer enthält, wobei das Verfahren aufweist: a) Zuführen von verdichteter Luft aus einem externen Verdichter; b) Zuführen von Dampf, der von in Wärmeaustauschbeziehung zu Abgasen aus dem Turbinenabschnitt strömendem Wasser erzeugt wird; c) Vermischen der verdichteten Luft aus dem externen Verdichter mit dem Dampf; und d) Zuführen eines Gemischs aus der verdichteten Luft und dem Dampf zu der Brennkammer.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
1 zeigt ein schematisches Diagramm eines Feuchtluft-Eindüsungs-Systems für eine Einfachkreislauf-Gasturbine gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 zeigt ein schematisches Diagramm eines Feuchtluft-Eindüsungs-Systems für eine Einfachkreislauf-Gasturbine gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
3 veranschaulicht ein schematisches Diagramm eines Feuchtluft-Eindüsungs-Systems für eine Einfachkreislauf-Gasturbine gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Bezug nehmend auf 1 ist dort ein Diagramm 10 einer Einfachkreislauf-Gasturbine dargestellt. Umgebungsluft wird über eine Leitung 12 in einem externen Verdichter 14 zugeführt. Aus dem Verdichter 14 über eine Leitung 16 ausgestoßene Luft wird in einem Misch-T-Stück (gekennzeichnet durch 21) mit überhitztem Dampf vermischt, der in einem Wärmerückgewinnungskessel erzeugt und über eine Leitung 20 geliefert wird. Das daraus entstehende Dampf-Luft-Gemisch wird über eine Leitung 22 zu einer Leitung 26 zwischen dem Auslass des Turbinenverdichters 24 und dem Einlass zu der Brennkammer 28 zugeführt, wo es sich mit der Verdichteraustrittsluft vermischt, bevor es in die Brennkammer 28 einströmt (die Letztere wird über eine Leitung 30 mit Treibstoff versorgt). Verbrennungsgase (durch eine Leitung 32) treiben den Turbinenabschnitt 34 an, der wiederum über eine Welle 38 einen Generator oder ein anderes Gerät 36 antreibt.
Der erhöhte Massenstrom des Gemischs aus Dampf und Luft steigert die Leistungsabgabe des Turbinenabschnitts 34, was zu einer Nutzleistungserhöhung führt, selbst wenn die für den Antrieb des externen oder zusätzlichen Verdichters 14 notwendige Leistung berücksichtigt wird. Abgase aus dem Turbinenabschnitt 34 liefern über eine Leitung 40 Wärme für den Wärmerückgewinnungskessel 18, während Wasser dem Wärmerückgewinnungskessel über eine Leitung 42 zur Dampferzeugung zugeführt wird. Die Gasturbinenabgase verlassen den Kessel über eine Leitung 44.
2 veranschaulicht eine Abwandlung der in 1 gezeigten Anordnung, wobei Bezugszeichen, die den in 1 verwendeten ähnlich sind, einfachheitshalber zur Kennzeichnung entsprechender Elemente in 2 mit einem hinzugefügten Präfix „1" verwendet werden. In 2 wird das Dampf-Luft-Gemisch, das sich aus dem Vermischen der aus dem externen Verdichter stammenden Austrittsluft in der Leitung 116 mit aus dem Wärmerückgewinnungskessel 118 über die Leitung 120 zugeführten Dampf ergibt, in einem stromaufwärtigen Abschnitt des Wärmerückgewinnungskessels 118 über die Leitungen 44, 46 so weiter erwärmt, dass die Wärme aus dem Gasturbinenabgas auf das Dampf-Luft-Gemisch übertragen wird, bevor dieses mit der Verdichteraustrittsluft aus dem Turbinenverdichter 124 vermischt wird. Das Erwärmen des Dampf-Luft-Gemischs auf diese Weise, d. h. unter Nutzung der Gasturbinenabgasenergie, reduziert weiter den Treibstoffverbrauch und erhöht den thermodynamischen Wirkungsgrad des Leistungskreislaufs.
3 zeigt eine weitere Abwandlung der in 1 gezeigten Anordnung, wobei zur Kennzeichnung entsprechender Komponenten in 3 Bezugszeichen, die zu denen in 1 verwendeten ähnlich sind, aber mit einem Präfix „2" versehen sind, verwendet werden. In 3 wird die Verdichteraustrittsluft aus dem externen Verdichter 214 in einem stromabwärtigen Abschnitt des Wärmerückgewinnungskessels 218 über die Leitungen 48, 50 auf –37°C (–700°F) erwärmt, bevor sie mit dem über die Leitung 220 zugeführten überhitzten Dampf vermischt wird und bevor sie anschließend über die Leitung 222 in das Gasturbinenbrennkammersystem injiziert wird.
Während die Erfindung in Verbindung mit der zur Zeit als die am meisten praktische und bevorzugte Ausführungsform beschrieben wurde, sollte es verständlich sein, dass die Erfindung nicht auf die offenbarte Ausführungsform beschränkt sein soll, sondern im Gegenteil verschiedene Änderungen und äquivalente Realisierungen innerhalb des Schutzumfangs der angefügten Ansprüche umfassen soll.

Claims

Landbasiertes Gasturbinenkraftwerk umfassend einen Turbinenverdichter (24), einen Turbinenabschnitt (34) und eine Brennkammer (28) zwischen dem Verdichter und dem Turbinenabschnitt; einen Wärmerückgewinnungskessel (18), der wenigstens einen Wärmeaustauschabschnitt enthält, der so ausgeführt ist, dass er Abgas aus dem Turbinenabschnitt aufnimmt, wobei der Wärmerückgewinnungskessel zur Dampferzeugung in Wärmeaustauschbeziehung zu dem Abgas strömendes Wasser aufnimmt; gekennzeichnet durch einen externen Verdichter (14) zum Zuführen leistungserhöhender Verbrennungsluft, wobei der in dem Wärmerückgewinnungskessel (18) erzeugte Dampf mit der leistungserhöhenden Verbrennungsluft vermischt wird, um ein Gemisch aus Dampf und Luft zu erzeugen, das in die Brennkammer (28) eingedüst wird.
Landbasierte Gasturbine nach Anspruch 1, wobei das Gemisch einer Leitung (20) zugeführt wird, die an einer Position zwischen dem Turbinenverdichter (24) und der Brennkammer (28) die Verbrennungsluft aus dem Turbinenverdichter (24) der Brennkammer (28) zuführt.
Landbasierte Gasturbine nach Anspruch 1, wobei der Wärmerückgewinnungskessel (118) einen weiteren Wärmeaustauschabschnitt enthält und das Gemisch in dem anderen Wärmeaustauschabschnitt erhitzt wird, bevor es in die Brennkammer (128) eingeleitet wird.
Landbasierte Gasturbine nach Anspruch 3, wobei der weitere Wärmeaustauschabschnitt an einem stromaufwärtigen Ende des Wärmerückgewinnungskessels (118) positioniert ist.
Landbasierte Gasturbine nach Anspruch 1, wobei der Wärmerückgewinnungskessel (218) an seinem stromabwärtigen Ende einen weiteren Wärmeaustauschabschnitt aufweist und wobei die leistungserhöhende Verbrennungsluft in dem Wärmeaustauschabschnitt erhitzt wird, bevor sie mit dem in einem stromaufwärtigen Abschnitt des Wärmerückgewinnungskessels (218) erzeugten Dampf vermischt wird.
Verfahren zur Vergrößerung des Massenstroms durch einen Turbinenabschnitt (34) eines landbasierten Gasturbinenkraftwerks, das einen Turbinenverdichter (24), den Turbinenabschnitt (34) und eine Brennkammer (28) enthält, gekennzeichnet durch: a) Zuführen von verdichteter Luft aus einem externen Verdichter (14); b) Zuführen von Dampf, der von in Wärmeaustauschbeziehung zu Abgasen aus dem Turbinenabschnitt (34) strömendem Wasser erzeugt wird; c) Vermischen der verdichteten Luft aus dem externen Verdichter mit dem Dampf; und d) Zuführen eines Gemischs aus der verdichteten Luft und dem Dampf zu der Brennkammer.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Gemisch ferner mit Luft aus dem stromaufwärts der Brennkammer (28) angeordneten Turbinenverdichter vermischt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Gemisch vor Schritt d) in dem Wärmerückgewinnungskessel (118) erneut erhitzt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die verdichtete Luft aus dem externen Verdichter vor Schritt c) in dem Wärmerückgewinnungskessel (218) erhitzt wird.