DE68907191T2 - Verfahren und vorrichtung zum optimieren der temperatur der von einer gasturbine angesaugten luft. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Verbrennungsgasturbinen, insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Optimieren der Eintrittstemperatur der einer Verbrennungsgasturbine zuströmende Luft, um deren Arbeitsweise zu verbessern. Genauer gesagt beschreibt die Erfindung ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Steigern der Eintrittstemperatur von Luft dann, wenn die Umgebungstemperatur niedrig ist, um die abgegebene Leistung der Verbrennungsgasturbine in kalter Umgebung zu steigern. Die Vorrichtung kann nicht nur als Erhitzer zum Anheben der Eintrittstemperatur der Luft verwendet werden, wenn die Turbine im kalten Zustand betrieben wird, sondern auch als Kühler, um die Eintrittstemperatur der Luft abzusenken und damit die abgegebene Leistung der Turbine zu steigern, wenn die Turbine im heißen Zustand betrieben wird. Die Vorrichtung kann weiterhin verwendet werden in Verbindung mit einer Gasturbine als Erhitzer nur zusammen mit einem getrennten Kühler, wobei der Erhitzer dann in Betrieb genommen wird, wenn die Umgebungstemperatur niedrig ist, und der Kühler wird dann in Betrieb genommen, wenn die Umgebungstemperatur hoch ist.
• Gasturbinen sind im Stande der Technik gut bekannt. Diese Turbinen umfassen ganz allgemein einen Kompressionsteil zum komprimieren der in die Turbine eintretenden Luft, einen Verbrennungsteil, der dem Kompressionsteil folgt, in welchem komprimierte Luft mit Kraftstoff verbrannt wird, und einen Expansionsteil, der dein Verbrennungsteil folgt, wo das Verbrennungsgemisch aus dem Verbrennungsteil expandiert, um mechanische Energie zu erzeugen. Bei zahlreichen Anwendungsfällen wird die mechanische Energie an einen Generator abgegeben, der diese mechanische Energie in Elektrizität umwandelt. Die heißen Abgase aus dem Expansionsteil strömen eine Abwärme-Wiedergewinnungseinheit zu, in welcher die Wärme durch Erzeugen von Dampf oder durch Bereitstellen von Wärme zu einem anderen Medium oder einer Wärmenutzungseinrichtung rückgewonnen wird.
• Gasturbinen sind einwellig, zweiwellig oder dreiwellig aufgebaut. Einwellige Gasturbinen weisen lediglich eine Welle auf, die bei derselben Geschwindigkeit für den Kompressionsteil und den Expansionsteil verwendet wird. Eine doppelwellige Turbine weist zwei Wellen auf, wobei eine Welle Arbeit vom Expansionsteil dem Kompressionsteil zuleitet, und eine andere Welle Arbeit vom Expansionsteil einer angetriebenen Belastung zuführt. Eine dreiwellige Turbine enthält eine Welle, die Arbeit vom Expansionsteil einem Teil des Kompressionsteiles zuführt, eine zweite Welle, die Arbeit vom Expansionsteil einem weiteren Teil des Kompressionsteils zuführt, und eine dritte Welle, die Arbeit vom Expansionsteil der angetriebenen Last zuführt. Wenn auch einwellige Turbinen in der Vergangenheit häufiger verwendet wurden, um Arbeit zu erzeugen, so hat die Verwendung von doppelwelligen und dreiwelligen Turbinen in letzter Zeit zugenommen.
• GB-A-2088570 beschreibt einen Prüfstand zur Anwendung bei einer Gasturbine, die mit einem ersten Wärmetauscher ausgerüstet ist, um Wärme aus den Abgasen der Turbine herauszuholen, und einem zweiten Wärmetauscher, der Einlaßluft auf eine optimale Temperatur aufheizt, um den Wirkungsgrad zu steigern und damit die Kraftstoffkosten zu senken.
• FR-A-1104096 beschreibt eine Gasturbine, die als antriebsche Straßenfahrzeuge vorgesehen ist. Die Abgase aus der Turbine sind an den Einlaß des Kompressors mittels eines Wärmetauschers angeschlossen, der die Einlaßluft erwärmt.
• US-A-4424667 betrifft eine Gasturbine mit einem Paar Wärmetauschern. Der Wirkungsgrad der Turbine wird durch Aufheizen der Einlaßluft verbessert, die mittels der Wärmetauscher aufgeheizt wird.
• Zahlreiche Faktoren beeinflussen die Arbeitsweise und die durch die Gasturbine abgegebene Leistung. Ein wesentlicher Faktor ist die Eintrittstemperatur der in die Kompressionsstufe der Turbine eintretenden Luft. Ihr Einfluß auf die abgegebene Leistung der Gasturbine hängt von der Anzahl der Wellen der Turbine ab. Bei Einwellenturbinen nimmt die Leistung im wesentlichen linear zu, bis sie beim Abnehmen der Eintrittstemperatur einen ebenen Verlauf erreicht. Dieser Zusammenhang geht auf die Tatsache zurück, daß mit Fallen der Eintrittstemperatur die Dichte der Luft ansteigt, wobei eine größere Luftmasse durch die Turbine strömt, um eine höhere Leistung zu erzeugen. Figur 1 zeigt die oben erwähnte Korrelation der erzeugten elektrischen Energie über der Eintrittstemperatur der Luft bei einer Einwellen-Gasturbine, die mit Erdgas auf Meereshöhe betrieben wird, bei 60% relativer Luftfeuchtigkeit, bei 60hz, bei Einlaßverlusten von 10cm Wassersäule, bei Abgasverlusten von 25cm Wassersäule, und ohne Dampf-oder Wasserinjektion für Kontrolle der Stickoxid-Emissionen. Die Abszisse zeigt die Eintrittstemperatur der Verbrennungsluft in ºC, und die Ordinate zeigt den Ausgang an den Generatorklemmen in kW.
• Bei Mehrwellen-Gasturbinen, d.h. Zweiwellen-oder Dreiwellengasturbinen ist die Korrelation zwischen Ausgang und Eintrittstemperatur anders, obgleich der Ausgang mit abnehmender Eintrittstemperatur in einen besonderen Temperaturbereich ansteigt, insofern als der Ausgang beim Minimum dieses Bereiches ein Maximum erzielt, und mit dem Fallen der Temperatur unter diesen Punkt abfällt. In Figur 2 ist eine graphische Darstellung wiedergegeben, die die Korrelation zwischen dem elektrischen Ausgang über der Luft-Eintrittstemperatur einer Doppelwellen-Gasturbine von General Electric LM 2500 zeigt, die Strom erzeugt und mit Erdgas bei Meereshöhe betrieben wird, bei 60% relativer Luftfeuchtigkeit, mit 60hz, mit einem Einlaßverlust von 10cm Wassersäule, mit einem Auslaßverlust von 25cm Wassersäule, und mit Wasserinjektion zur Kontrolle der Stickoxid-Emissionen, wobei die Wassermenge ausreicht, um die typischen Emissionsanforderungen von Stickoxiden von etwa 42 ppm auf trockener Basis zu erreichen. Die Abszisse zeigt die Eintrittstemperatur der Verbrennungsluft in ºC und die Ordinate zeigt den Ausgang an den Generatorklemmen in kW. Figur 2 zeigt, daß der elektrische Ausgang von 18.500 kW auf etwa 24.300 kW ansteigt, wenn die Eintrittstemperatur der Luft von 38ºC auf 2ºC abnimmt. Fällt die Temperatur unter 2ºC, so nimmt der elektrische Ausgang mit diesem Temperaturabfall ab. Aus Figur 2 ergibt sich daher, daß die beste Lufteintrittstemperatur für diese spezielle Gasturbine etwa 2ºC beträgt.
• Dreiwellen-Gasturbinen haben einen ähnlichen maximalen elektrischen Ausgang, der bei einer bestimmten Lufteintrittstemperatur erreicht wird. In Figur 3 ist eine graphische Darstellung gezeigt, die die Korrelation zwischen dem elektrischen Ausgang und der Eintrittstemperatur von Luft bei einer Dreiwellen-Gasturbine General Electric LM 5000 wiedergibt, die Strom erzeugt und mit Erdgas bei Meereshöhe arbeitet, bei 60% relativer Luftfeuchtigkeit, bei 60hz, bei Einlaßverlusten von 10cm Wassersäule, bei Abgasverlusten von 25cm Wassersäule, mit Dampfinjektion zur Kontrolle der Stickoxid-Emissionen (etwa 42 ppm auf trockener Basis), und mit zusätzlicher Dampfinjektion zur Leistungssteigerung.
• Die Abszisse zeigt die Eintrittstemperatur der Verbrennungsluft in ºC, und die Ordinate zeigt den Ausgang an den Generatorklemmen in kW. Es ist gezeigt, daß der elektrische Ausgang von etwa 39.500 kW auf etwa 53.000 kW dann ansteigt, wenn die Temperatur von 38ºC auf 4ºC abnimmt. Der elektrische Ausgang beginnt jenseits von 4ºC dann zu fallen, wenn die Eintrittstemperatur der Luft abnimmt. Demgemäß ist es klar, daß es wünschenswert ist, die Gasturbine bei einer Eintrittstemperatur von etwa 4ºC zu betreiben.
• Da in der Vergangenheit Gasturbinen häufiger eingesetzt wurden, um in heißen Ländern Energie zu erzeugen, wurden lediglich Kühler eingesetzt, um die Eintrittstemperatur der Luft abzusenken und um damit die Leistungsabgabe zu steigern. Zum Steigern der Lufteintrittstemperatur in Richtung auf eine optimale Lufteintrittstemperatur wurden keine Erhitzer eingesetzt, wie sich aus den oben genannten graphischen Darstellungen ergibt, um die abgegebene Leistung auf ein Maximum zu steigern. Demzufolge erzeugten die Mehrwellen-Gasturbinen, die zuvor in kalter Umgebung eingesetzt wurden, nicht den mit solchen Turbinen maximal erreichten Ausgang.
• Gemäß der Erfindung werden ein Verfahren und eine Vorrichtung angegeben, um die Eintrittstemperatur der Luft in kalten Klimen zu steigern, um die optimale Lufteintrittstemperatur durch Aufheizen der Luft in einem Erhitzer zu erhalten. Der Erhitzer kann dieselbe Vorrichtung sein, die dazu verwendet wird, die Luft zu kühlen, um die optimale Eintrittstemperatur zu erreichen, wenn die Umgebungstemperatur bei warmem Wetter hoch ist. In diesem Falle wird die Vorrichtung gelegentlich hier als Erhitzer/Kühler bezeichnet. Der Erhitzer kann auch eine getrennte Vorrichtung sein, die lediglich während der kalten Wetterperiode betrieben wird, während eine getrennte Kühlvorrichtung allein während der heißen Wetterperiode betrieben wird.
• Ein weiteres, in der Vergangenheit angetroffenes Problem bei kalten Klimen besteht in der Bildung von Eis am Einlaß der Gasturbine, verursacht durch Kondensation von Wasser hierauf. Die Ansammlung von Eis geht häufig sehr schnell vor sich und führt zu einem Verstopfen der Filterfläche, möglicherweise zu einer Motorbeschädigung durch das Eis, das sich an der Ansaugöffnung des Motors bildet, und führt zu einem totalen Abschalten der Gasturbine. Dieses Problem wurde in der Vergangenheit dadurch gelöst, daß man heiße Abgase vom Auslaß der Turbine durch einen Wärmeaustauscher schickte und über den Einlaß, um ein Vereisen zu verhindern. Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß es das Hinzufügen spezieller Ausrüstungen erforderte, wie einen Mantel um den Einlaß. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die heißen Gase bei sehr hohen Temperaturen vorlagen, wobei sie heiße Stellen rund um den Einlaß der Turbine bildeten. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die Temperatur des Einlasses der Gasturbine nicht leicht zu regeln ist. Das Hinzufügen des Erhitzers gemäß der Erfindung verhindert die Bildung von Eis am Einlaß der Gasturbine, während es die Probleme der zuvor genannten Enteisungsverfahren beseitigt.
• Diese sowie weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen.
• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die aus GB-A- 2088570 bekannt ist, mit einer Verbrennungsgasturbine, die einen ersten Einlaß zur Aufnahme von Luft aufweist, und einen zweiten Einlaß zur Aufnahme von Kraftstoff sowie einen Auslaß für aus der Turbine austretende heiße Abgase. Gemäß der Erfindung und entgegen GB-A-2088570 ist die Turbine eine Mehrwellengasturbine, und sind Mittel vorgesehen, um die Temperatur der Luft zu regeln, die in den ersten Einlaß eintreten, entweder durch Erhitzen oder durch Kühlen, um die Leistungsabgabe der Turbine zu maximieren. Es können Mittel vorgesehen werden, um die Wärme von den am Auslaß der Turbine zum Kontrollorgan austretenden Abgase.
• Das Kontrollorgan ist vorzugsweise ein Wärmetauscher, und es können weitere Mittel vorgesehen sein, um ein Heizmedium dem Wärmetauscher zuzuführen und/oder Mittel zum Zuführen eines Kühlmittels zum Wärmetauscher.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Vorrichtung einen elektrischen Generator aufweisen, um mit Hilfe der Turbine Strom zu erzeugen. Ein Dampfgenerator kann verwendet werden, gemeinsam mit Wasserzufuhr sowie mit Mitteln zum Leiten heißer Gase aus der Turbine zum Dampfgenerator.
• Gemäß einem weiteren Gedanken der Erfindung wird ein Verfahren zum Maximieren der abgegebenen Leistung einer Mehrwellen-Gasturbine vorgeschlagen, unter Verwendung von Luft, die durch die Turbine strömt; das Verfahren umfaßt den Schritt des Aufheizens oder Kühlens der Luft, um deren Temperatur zu regeln, bevor sie in der Turbine genutzt wird. Dieser Schritt kann dadurch ergänzt werden, daß die Abgase indirekt mit Luft in Berührung gelangen, um die Luft aufzuheizen.
• Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen eine ins Einzelne gehende Beschreibung der Ausführungsformen der Vorrichtung sowie des Verfahrens gemäß der Erfindung gegeben:
• Figur 1 ist eine graphische Darstellung, die die elektrische Leistung einer typischen, stromerzeugenden Einwellen-Gasturbine in kW aufweist, als Funktion der Eintrittstemperatur der durch eine Turbine strömenden Verbrennungsluft, in ºC.
• Figur 2 ist eine graphische Darstellung, die die elektrische Leistung einer Doppelwellen-Gasturbine (General Electric LM 2500) hat, welche Strom erzeugt, in kW, als Funktion der Eintrittstemperatur der Verbrennungsluft, die in die Turbine eintritt, in ºC.
• Figur 3 ist eine graphische Darstellung, die Arbeitsweise einer Dreiwellen-Gasturbine (General Electric LM 5000) zeigt, welche Strom erzeugt, in kW, als Funktion der Eintrittstemperatur der Verbrennungsluft, die in eine solche Turbine eintritt, in ºC.
• Figur 4 ist ein Schaltschema, das ein gemeinsames Verfahren zum Erzeugen elektrischer Energie und Dampf darstellt sowie das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei ein Wärmetauscher verwendet wird, um die Luft aufzuheizen, die dann in die Gasturbine eintritt, wenn die Umgebungstemperatur niedrig ist, und um die Luft, die in die Gasturbine eintritt, dann herunterzukühlen, wenn die Umgebungstemperatur hoch ist.
• Die abgegebene Leistung einer Gasturbine ist eine Funktion der Temperatur der in die Turbine einströmenden Luft. Bei Einwellen-Turbinen steigt die abgegebene Leistung bei Abfall der Temperatur der Einlaßluft. Bei Mehrwellen- Gasturbinen steigt die abgegebene Leistung bei Abfall der Lufteintrittstemperatur, jedoch nur über einen gewissen Temperaturbereich. Die abgegebene Leistung erreicht am untersten Punkt dieses Bereiches ein Maximum, und beginnt dann wieder zu fallen, wenn die Eintrittslufttemperatur jenseits dieses Punktes fällt. Die Figuren 2 und 3 zeigen dieses Verhältnis. Der unterste Punkt des Bereiches, in welchem die Leistung ein Maximum erreicht, wird im folgenden gelegentlich als optimale Eintrittstemperatur bezeichnet. Arbeitet eine Mehrwellen-Gasturbine in einer heißen Umgebung, wobei die Umgebungsluft oberhalb der optimalen Eintrittstemperatur liegt, so ist es wünschenswert, die durch die Turbine strömende Luft gegen die optimale Eintrittstemperatur herunterzukühlen, um die abgegebene Leistung zu steigern. Arbeitet eine Mehrwellen- Turbine in einer kalten Umgebung, wobei die Umgebungstemperatur geringer als die optimale Eintrittstemperatur ist, so ist es in gleicher Weise wünschenswert, die Lufteintrittstemperatur auf eine solche optimale Eintrittstemperatur zu steigern, um die abgegebene Leistung zu steigern.
• Wird eine Mehrwellen-Gasturbine in einer Umgebung betrieben, in welcher die Umgebungstemperatur niedriger als die für die Turbine optimale Eintrittstemperatur ist, so wird die Luft gemäß der Erfindung in einem Wärmetauscher durch austauschen der Wärme mit einem Heizmedium wie einem heißen Fluid oder dergleichen aufgeheizt durch Wärme, die an der Gasturbine anfällt. Der Wärmetauscher läßt sich auch als Kühler verwenden, um die in die Turbine eintretende Luft dann zu kühlen, wenn die Umgebungstemperatur größer als die optimale Eintrittstemperatur ist, um die Arbeitsweise der Turbine zu verbessern. Alternativ hierzu läßt sich der Wärmetauscher allein als Erhitzer einsetzen für Anwendungen, bei denen die Umgebungstemperatur die optimale Eintrittstemperatur nicht übersteigt, oder er kann in Kombination mit einem separaten Wärmetauscher verwendet werden, der als Kühler in jenen Fällen arbeitet, in welchen die Umgebungstemperatur die optimale Eintrittstemperatur übersteigt.
• In Figur 4 ist eine Vorrichtung zum gemeinsamen Erzeugen elektrischer Energie und Dampf gezeigt, mit einem Wärmetauscher. Der Wärmetauscher wird als Erhitzer verwendet, um die einer Gasturbine zuströmende Luft dann zu erhitzen, wenn die Umgebungstemperatur unter der optimalen Eintrittstemperatur liegt, sowie als Kühler, um die der Turbine zuströmende Luft dann zu kühlen, wenn die Turbine in einer Umgebung betrieben wird, in welcher die Umgebungstemperatur oberhalb der optimalen Eintrittstemperatur liegt. Die Vorrichtung zum gemeinsamen Erzeugen beinhaltet eine Gasturbine 20, die an einen elektrischen Generator 22 mittels einer Welle 24 angeschlossen ist, ein Luftfilter/Schlangen-Modul 26, zum Behandeln der der Turbine 20 zuströmenden Einlaßluft, einen Dampfgenerator 28, eine Wärmequelle 30 und eine Kühlquelle 32. Die Turbine 20 weist einen Kompressionsteil 34 auf, einen Verbrennungsteil 36 sowie einen Expansionsteil 38. Luftfilter/Schlangen-Modul 26 beinhaltet ein Vorfilter 40, einen Wärmetauscher 42, einen Entnebler 44, Endfilter 46 sowie Geräuschdämpfer 48. Ein Luftstrom 1 tritt in das Luftfilter/Schlangen-Modul 26 ein und strömt nacheinander durch Vorfilter 40, Wärmetauscher 42, Entnebler 44, Endfilter 46 und Geräuschdämpfer 48 zur Vorbehandlung vor dem Eintritt in die Turbine 20. Vorfilter 40 entfernt große Partikel aus dem Luftstrom 1.
• Der Wärmetauscher 42 heizt oder kühlt den Luftstrom 1 gemäß der vorliegenden Erfindung, je nach der Temperatur der Luft, die in das Luftfilter/Schlangen-Modul 26 eintritt, und je nach der optimalen Eintrittstemperatur der Gasturbine 20. Befindet sich die Umgebungstemperatur unterhalb der optimalen Eintrittstemperatur der Turbine 20, so heizt Wärmetauscher 42 - genauer gesagt - den Luftstrom 1 auf, um dessen Temperatur auf die optimale Eintrittstemperatur anzuheben, durch Austauschen von Wärme zwischen Luftstrom 1 und einem heißen Aufheizmedium in Strom 11, wie im folgenden beschrieben. Liegt die Umgebungstemperatur des Luftstromes 1 über der optimalen Eintrittstemperatur der Gasturbine 20, so kühlt Wärmetauscher 42 alternativ hierzu den Luftstrom 1, um dessen Temperatur gegen die optimale Eintrittstemperatur hin abzusenken durch Kühlung mittels eines kalten Kühlmediums in Form des Stromes 11, wie im folgenden beschrieben. Ist die Umgebungstemperatur des Luftstromes 1 etwa gleich der optimalen Eintrittstemperatur der Turbine 20, so bedarf es keiner Kühlung oder Erhitzung des Luftstromes 1 in Wärmetauscher 42.
• Entnebler 44 entfernt Wasser, das in Luftstrom 1 möglicherweise mitgeschleppt wird, und die Endfilter 46 entfernen jegliche feinen Partikel, die im genannten Luftstrom l enthalten sein können, und der Geräuschdämpfer 48 dämpft das Geräusch das durch den strömenden Luftstrom 1 erzeugt wird.
• Der Luftstrom l tritt nach dem Austreten aus dem Luftfilter/Schlagen-Modul 26 in den Kompressionsteil 36 ein, in welchem er komprimiert wird. Die komprimierte Luft strömt in den Verbrennungsteil 38, in welchem sie durch brennbares Gas verbrannt wird, das über den Brenngasstrom hierin strömt, in Anwesenheit von Wasser, das mittels des Wasserstromes 3 hierin fließt. Die Verbrennungsgase, die erzeugt werden, strömen in den Expansionsteil 38 und erzeugen mechanische Arbeit, die über die Welle 24 dem elektrischen Generator 22 zugeleitet wird, um Strom zu erzeugen. Der Abgasstrom 5, der heiße Gase enthält, strömt vom Auslaß der Turbine 20 zum Dampfgenerator 28, wo er Kesselspeisewasser aufhitzt und verdampft, das in den Dampfgenerator 28 über die Leitung 6 eintritt, um Hochdruck-Sattdampf zu erzeugen, der zur entsprechenden Verwendung als Dampfstrom austritt.
• Kondensat, das bei der Verwendung des Dampfstromes 7 anfällt, wird zum Dampfgenerator als Strom 8 zurückgeführt. Ein Wasserstrom 9 stellt Zusatzwasser bereit.
• Wenn auch Wärmetauscher 42 jeglicher Wärmetauscher sein kann, der geeignet ist, einen Luftstrom aufzuheizen oder zu kühlen, so ist es am besten, einen Schlangenwärmetauscher zu verwenden, der Rohrschlangen aufweist. Die Luft umströmt die Rohrleitungen, und das Heiz-oder Kühlmedium strömt durch die Rohrleitungen.
• Beim Heizen, d.h. wenn die Umgebungstemperatur unter der optimalen Eintrittstemperatur von Turbine 20 liegt und wenn der Luftstrom 1 ein Aufheizen benötigt, um die Ausgangsleistung der Turbine 20 zu steigern, so strömt ein heißes Heizmedium, das aus Wasser, Glykol oder anderen ähnlichen Wärmeübertragungsmedien oder Gemischen hiervon besteht, von der Heizquelle 30 zum Wärmetauscher 42 als Ströme 10 und 11 zum Heizluftstrom 1. Das kalte Heizmedium tritt als Strom 11 aus dem Wärmetauscher 42 aus und kehrt zur Heizquelle 30 über Strom 12 zurück, um den Wärmetauscher 42 weiterhin aufzuheizen und im Kreislauf zu laufen. Ein Dampfstrom 13 führt Dampf von Dampfstrom 7 der Heizguelle 30 über die Leitung 16 zu, um das umlaufende Heizmedium aufzuheizen.
• Beim Kühlen, d.h. wenn die Umgebungstemperatur über der optimalen Eintrittstemperatur liegt und die Arbeitsweise der Turbine 20 verbessert werden kann durch Kühlen des Luftstromes 1 gegen diese Temperatur hin, wird ein kaltes Kühlmedium wie Wasser, Glykol oder andere ähnliche Wärmeübertragungsmedien oder Gemische hiervon umgewälzt von der Kühlquelle 32 zum Wärmetauscher 42 über Ströme 14 und 11, um den Luftstrom 1 zu kühlen. Im Anschluß an das Kühlen des Luftstromes 1 tritt das heiße Kühlmedium aus dem Wärmetauscher 42 über Strom 11 aus und kehrt zum Kühler 42 über Strom 15 zurück um den Wärmetauscher 42 weiterhin zu kühlen. Kühlquelle 32 ist ein Kühler vom Absorptions-Typus, der Dampf von Strom 7 verwendet, der dem Kühler 32 über die Dampfleitungen 13 und 17 zuströmt.
• Falls die Umgebungstemperatur im wesentlichen gleich der optimalen Eintrittstemperatur ist, wird weder ein Kühlmittel noch ein Heizmittel in Wärmetauscher 42 über Strom 11 umgewälzt. Die Strömung des Heiz-oder Kühlmediums in Strom 11 wird in Abhängigkeit von der Temperatur des Luftstromes 1 geregelt, die in die Turbine 20 eintritt, und von einer vorgegebenen optimalen Eintrittstemperatur. Es lassen sich demgemäß bekannte Strömungsregeltechniken und- Instrumente einsetzen. Regelventile 51, 52, 53, 54, 55, 56 und 57 dienen dem Regeln und Einstellen des Flusses in den Strömen und Leitungen 10, 12, 14, 15, 16, 17 und 13.
• Die folgenden Beispiele veranschaulichen die Erfindung weiterhin, sind jedoch nicht als Begrenzungen des Schutzumfanges des Verfahrens und der Vorrichtung gedacht.
Beispiel 1
• Eine LM 2500-Gasturbine, hergestellt von der General Electric Aircraft Engine Group in Evendale, Ohio, wurde gemäß dem in Figur 4 gezeigten Fließschema in Betrieb genommen, wobei die Umgebungstemperatur der Luft 27ºC betrug, und ihre relative Luftfeuchtigkeit 80%. In Strom 11 wurde kein Wärmetauschermedium umgewälzt. Die Luft strömte durch das Luftfilter/Schlangen-Modul bei einem Gesamt- Druckabfall von etwa 10cm Wassersäule, und trat in den Kompressionsteil 36 der Turbine 20 bei 27ºC und einer relativen Feuchtigkeit von 80% ein. Die Luft wurde im Kompressionsteil 36 komprimiert und strömte dem Verbrennungsteil 38 zu, wo sie durch 60,915 MWh pro Stunde unterer Heizwertgase in Anwesenheit von 3275 kg pro Stunde Wasser verbrannt wurde. Die Abgase wurden im Expansionsteil 38 expandiert und verließen die Turbine 20 bei 530ºC in einer Menge von 65,2 kg/s. Die Welle 24 übertrug Arbeit an den elektrischen Generator 22, der 20682 kW erzeugte. Der Abgasstrom 5 führte Wärme dem Dampfgenerator 28 zu und erzeugte 41700 kg Sattdampf von 1,035 MPa in Dampfleitung 7 durch Verdampfen des durch Strom 8 zurückgeführten Kondensats bei 93 C sowie Zusatzwassr durch Strom 9. Abgasstrom 5 trat aus Dampfgenerator 28 bei 138ºC aus. Dabei ließ man Dampf durch Dampfstrom 13 weder durch die Kühlquelle 32 noch durch die Heizquelle 30 strömen.
Beispiel 2
• Die Turbine gemäß Beispiel 1 wurde in derselben Umgebung wie bei Beispiel 1 in Betrieb genommen, wobei die Umgebungstemperatur 27ºC und die relative Feuchtigkeit 80% betrugen. Der Luftstrom 1 wurde im Wärmetauscher 42 gekühlt durch Wasser, das in einer Menge von 5460 l/min mit einer Temperatur von 7ºC umgewälzt wurde. Der aus dem Luftfilter/Schlangen-Modul 26 austretende Luftstrom wurde auf 16,6ºC gekühlt, bei einer relativen Feuchtigkeit von 99%. Das aus dem Wärmetauscher 42 austretende Kühlwasser hatte 13ºC und wurde zur Kühlquelle 32 zum weiteren Kühlen und/oder Umwälzen zurückgeführt. Der gekühlte Luftstrom 1 wurde in Kompressionsteil 34 komprimiert, und in Verbrennungsteil 36 verbrannt mit Gasen niedrigen Heizwertes in einer Menge von 65,486 MWh/pro Stunde in Anwesenheit von 3972 kg/pro Stunde Wasser, das zur Kontrolle der Stickoxydemissionen injiziert wurde. Die in Expansionsteil 38 erzeugte mechanische Leistung wurde dem elektrischen Generator 22 über die Welle 24 zugeführt und erzeugte 22637 kW elektrischer Energie. Der Abgasstrom 5 trat aus der Turbine 20 mit 527ºC in einer Menge von 69,2 kg/s aus. Der Abgasstrom erzeugte 38900 kg Sattdampf pro Stunde in Dampfgenerator 28 durch Verdampfen von Rückführkondensat, das durch Strom 8 bereitgestellt wurde, sowie Zusatzwasser durch Strom 9. Der Abgasstrom 5 trat aus dem Dampfgenerator 28 bei 140ºC aus. Das Umwälzwasser in Strom 11 wurde in Kühlquelle 32 von 13ºC auf 7ºC durch einen Absorptionsprozess heruntergekühlt, unter Verwendung von 4090 kg Dampf pro Stunde aus Dampfstrom 7 durch Dampfleitungen 13 und 17. Beispiel 2 zeigt, daß das Kühlen der in die Turbine 20 eintretenden Luft von 27ºC auf 16,6ºC die Leistung des elektrischen Generators 22 von 20682 auf 22637 kW steigert.
Beispiel 3
• Die Turbine gemäß Beispiel 1 wurde bei einer Umgebung, bei welcher die Umgebungstemperatur -18ºC und die relative Feuchtigkeit 60% betrugen, in Betrieb genommen. Es wurde in Wärmetauscher 42 weder geheizt noch gekühlt. Der Luftstrom 1 trat in die Turbine 20 bei -18ºC und 60% relativer Feuchtigkeit ein, wurde in Kompressionsteil 34 komprimiert und in Verbrennungsteil 36 verbrannt durch Gase niedrigen Heizwerts in einer Menge von 66,833 MWh pro Stunde, in Anwesenheit von 4410 kg von NOx-Wasser pro Stunde. Der Abgasstrom wurde in Expansionsteil 38 expandiert und erzeugte mechanische Leistung, die dem elektrischen Generator 22 über die Welle 24 zugeführt wurde, um 23560 kW elektrischer Energie zu erzeugen. Der Abgasstrom 5 verließ die Turbine 20 bei 465ºC mit einer Menge von 75 kg/s. Der Abgasstrom 5 erzeugte 37600 kg Sattdampf pro Stunde in Dampfgenerator 28 durch Verdampfen von Rückführkondensat, das mit 93ºC anfiel, und Zusatzwasser. Der Abgasstrom 5 verließ den Dampfgenerator 28 bei 152ºC. In Strom 11 wurde kein Kühl-oder Heizmedium umgewälzt, und es wurde kein Dampf aus Dampfleitung 7 verwendet.
Beispiel 4
• Die Gasturbine gemäß Beispiel 3 wurde in derselben Umgebung wie in Beispiel 3 bei einer Umgebungstemperatur von -18ºC und bei 60% relativer Feuchtigkeit in Betrieb genommen. Der Luftstrom 1 wurde in Wärinetauscher 42 auf 2ºC bei 18% relativer Feuchtigkeit durch heißes Wasser erhitzt, das in einer Menge von 3690 l/min umgewälzt wurde, mit einer Eintrittstemperatur von 38ºC und einer Austrittstemperatur von 24ºC über Dampf 11. Der erhitzte Luftstrom 1 wurde in Kompressionsteil 34 erhitzt und in Verbrennungsteil 36 durch 69,998 MWh Gase niedrigen Heizwerts pro Stunde in Anwesenheit von 4902 kg Wasser pro Stunde verbrannt. Die Abgase wurden in Expansionsteil 38 expandiert. Die mechanische Leistung wurde dem elektrischen Generator 22 über die Welle 24 zugeführt und erzeugte 24.378 kW elektrischer Energie. Der Abgasstrom 5 verließ die Turbine 20 bei 518ºC mit einer Menge von 72,8 kg/s und erzeugte 39400 kg Sattdampf pro Stunde in Dampfgenerator 28 durch Verdampfen von Rückführkondensat, das bei 93ºC anfiel und Zusatzwasser. Abgasstrom 5 verließ den Dampfgenerator 28 bei 142ºC. Das umgewälzte Wasser wurde von 24ºC auf 38ºC in einer Heizquelle 30 aufgeheizt durch 4500 kg Dampf pro Stunde, der aus Strom 7 verfügbar war und zur Heizquelle 30 über die Ströme 13 und 16 strömte. Die Beispiele 3 und 4 zeigen, daß das Vorheizen des Luftstromes 1 von -18ºC auf 2ºC die abgegebene Leistung der Tubine von etwa 23560 auf 24378 kW steigerte.

Claims (11)

1. Vorrichtung, umfassend eine Verbrennungsgasturbine (20) mit einem ersten Einlaß zur Aufnahme von Luft, einem zweiten Einlaß zur Aufnahme von Brennstoff und einem Auslaß für austretende Heißgase aus der Turbine,

dadurch gekennzeichent, daß die Gasturbine eine Mehrwellen-Gasturbine ist, und daß Mittel (42) vorgesehen sind zum Regeln der Temperatur der in den ersten Einlaß eintretenden Luft, entweder durch Aufheizen oder durch Kühlen, um die abgegebene Leistung der Turbine zu maximieren.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine (20) eine Doppelwellenturbine ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine (20) eine Dreiwellenturbine ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung ein Wärmetauscher ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß diese weiterhin Mittel (30) zum Zuführen eines Heizmediums zum Wärmetauscher umfaßt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, weiterhin umfassend Mittel (32) zum Zuführen eines Kühlmittels zum Wärmetauscher.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, weiterhin umfassend einen elektrischen Generator (22) und eine Welle (24) zum Übertragen von Energie von der Turbine zum elektrischen Generator, um elektrische Energie zu erzeugen.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, weiterhin umfassend:

einen Dampfgenerator (28);

Mittel (9) zum Zuführen von Wasser zum Dampfgenerator; und

Mittel (5) zum Leiten der heißen Gase aus dem Auslaß der Turbine zum Dampfgenerator.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, weiterhin umfassend:

Mittel zum Übertragen von Wärme von den Abgasen, die aus dem Auslaß der Turbine austreten, zur Regeleinrichtung (42).

10. Verfahren zum Maximieren der von einer Mehrwellen- Gasturbine abgegebenen Leistung unter Verwendung von Luft, die durch die Turbine hindurchströmt von einem Einlaß zu einem Auslaß, wobei das Verfahren den Verfahrensschritt umfaßt, die Luft entweder aufzuheizen oder zu kühlen, um ihre Temperatur zu regeln, bevor sie in der Turbine verwendet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, weiterhin umfassend den Verfahrensschritt, die aus der Turbine austretenden Abgase auszunutzen, indem diese indirekt mit Luft in Kontakt gebracht werden, um die Luft aufzuheizen.