DE69232521T2 - CHENG DUAL-SUBSTANCE HEAT ENGINE AND METHOD FOR THEIR OPERATION - Google Patents
CHENG DUAL-SUBSTANCE HEAT ENGINE AND METHOD FOR THEIR OPERATIONInfo
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Description
Diese Erfindung betrifft eine Zweifluid-Wärmekraftmaschine mit Cheng-Zyklus und ein Verfahren zu ihrem Betrieb.This invention relates to a two-fluid Cheng cycle heat engine and a method for operating the same.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine und insbesondere die Verbesserung des Wirkungsgrads und der Ausgangsleistung gegenüber dem Zweifluid-Zyklus oder Cheng-Zyklus mit paralleler Rückgewinnung in einer Anzahl früherer US-Patente (US-A-4 128 994, US-A-3 978 661, US-A-4 248 039, US-A-4 297 841 und US-A-4 417 438).The present invention relates to a heat engine and, more particularly, to improving efficiency and power output over the two-fluid cycle or Cheng cycle with parallel recovery in a number of previous US patents (US-A-4,128,994, US-A-3,978,661, US-A-4,248,039, US-A-4,297,841 and US-A-4,417,438).
Den Hintergrund der früheren Patente und Veröffentlichungen zusammenfassend, sei bemerkt, daß der Cheng- Zyklus eine Gasturbine mit Wärmerückgewinnung betrifft, bei der Wasserdampf nur in einem Dampfgenerator mit Wärmewiedergewinnung (HRSG) auf eine bestimmte Weise verwendet wird, bei der Dampf auf eine möglichst hohe Überhitzungstemperatur erwärmt wird (die durch die Abgastemperatur der Turbine begrenzt ist) und bei der die wiedergewonnene Gesamtwärme maximiert ist, wobei dies nur durch die Physik der Wärmeübertragung am Übergang vom Wasser in die Dampfphase des Kessels und die verfügbaren Temperaturdifferenzen des Gasstroms begrenzt ist. Dies ist in der HRSG-Industrie als Halstemperatur bekannt. Der unter dieser Bedingung patentierte Zweifluid-Cheng-Zyklus erreicht ein Spitzenwirkungsgrad-Mischverhältnis zwischen der Flüssigkeit und dem gasförmigen Arbeitsfluid, das als XMIX-Spitze bezeichnet wird. Der erwartete Wirkungsgradgewinn und die Einfachheit des Betriebs wurden in den erwähnten Patenten und der Literatur zitiert, und sie traten in realen Betriebsdaten auf.Summarizing the background of the previous patents and publications, the Cheng cycle concerns a heat recovery gas turbine where steam is used only in a heat recovery steam generator (HRSG) in a specific way, where steam is heated to as high a superheat temperature as possible (limited by the turbine exhaust temperature) and where the total heat recovered is maximized, limited only by the physics of heat transfer at the water to steam transition of the boiler and the available temperature differences of the gas stream. This is known in the HRSG industry as the throat temperature. The two-fluid Cheng cycle patented under this condition achieves a peak efficiency mixing ratio between the liquid and gaseous working fluid, referred to as the XMIX peak. The expected efficiency gain and simplicity of operation were cited in the mentioned patents and literature, and they occurred in real operating data.
Der Cheng-Zyklus wurde zuerst unter Verwendung einer Gasturbine vom Modell 501KH von Allison und dann unter Verwendung einer M1-ACC-Maschine von Kawasaki kommerziell eingesetzt. Seit 1984 wurden zehn 501KH-Maschinen mit Cheng- Zyklus in Betrieb genommen, und zwei Kawasaki-Maschinen mit Cheng-Zyklus sind in Japan in Betrieb. Es sind zahlreiche Betriebspatente und Abänderungen an der Turbine hinzuge kommen.The Cheng cycle was first commercially used using an Allison 501KH gas turbine and then a Kawasaki M1-ACC engine. Since 1984, ten 501KH engines have been fitted with Cheng Cycle has been put into operation, and two Kawasaki machines with Cheng cycle are in operation in Japan. Numerous operating patents and modifications to the turbine have been added.
Alle Systeme mit Cheng-Zyklus wiesen alle erwähnten Vorteile auf, und sie werden auch vom Erfinder, Dr. Dah Yu Cheng (dem Erfinder des vorliegenden fortgeschrittenen Cheng- Zyklus {ACC}), überwacht. Dieselbe Gasturbine, die eine komplizierte Dampfturbine aufweist, kann auch mit einem kombinierten Zyklus konfiguriert werden. Wenngleich es nicht möglich ist, die Ausgangsleistung in der gleichen Größenordnung zu verbessern, besteht die Ansicht, daß sich damit möglicherweise ein etwas höherer Wirkungsgrad als mit dem Cheng-Zyklus erreichen läßt. Dies liegt daran, daß die meisten Gasturbinen zu der Zeit, zu der der Cheng-Zyklus entwickelt wurde, nämlich in den 70er Jahren dieses Jahrhunderts, zum Spannungs- und Korrosionsschutz bei einer metallurgisch zulässigen Turbineneinlaßtemperatur arbeiteten. Der Cheng-Zyklus wurde zu dieser Zeit ohne Berücksichtigung einer Schaufelkühlung entwickelt. Der Trend zu dieser Zeit ging zu Keramikturbinen und sogar zu intern wassergekühlten Turbinenschaufeln. Der Fortschritt beim Kühlen durch Abzweigen von Kompressorluft durch einen Kühldurchgang, die strategisch an einem Stagnationspunkt und auf der Druckseite der Hinterkante der Schaufel eingeleitet wird, hat das drastische Erhöhen der Temperatur des Gasstroms ermöglicht, ohne die Oberflächentemperatur der Turbinenschaufel über die frühere metallurgische Arbeitstemperaturgrenze ohne Kühlung zu erhöhen.All Cheng cycle systems have had all the advantages mentioned and are also supervised by the inventor, Dr. Dah Yu Cheng (the inventor of the present advanced Cheng cycle {ACC}). The same gas turbine that has a complicated steam turbine can also be configured with a combined cycle. Although it is not possible to improve the output power to the same extent, it is believed that it may be possible to achieve a slightly higher efficiency than the Cheng cycle. This is because at the time the Cheng cycle was developed, in the 1970s, most gas turbines operated at a metallurgically acceptable turbine inlet temperature for stress and corrosion protection. The Cheng cycle was developed at that time without considering blade cooling. The trend at that time was towards ceramic turbines and even internally water-cooled turbine blades. The advance in cooling by diverting compressor air through a cooling passage, strategically introduced at a stagnation point and on the pressure side of the trailing edge of the blade, has made it possible to dramatically increase the temperature of the gas stream without increasing the surface temperature of the turbine blade above the previous metallurgical operating temperature limit without cooling.
Das Abzweigen von Kompressorluft ist sicherlich ein Verlust für das Gasturbinensystem, die Möglichkeit, die Betriebstemperatur der Turbine zu erhöhen, glich diesen Verlust jedoch mehr als aus. Dies führte zu einem erhöhten Kompressordruckverhältnis und ermöglichte auch das Erhöhen des Wirkungsgrads des einfachen Gasturbinenzyklus. Bis zu 10% abgezweigter Luft werden bei fortgeschrittenen Kampfflugzeug-Gasturbinen verwendet, wobei die Turbineneinlaßtemperatur über 2750ºF (1510ºC) liegt. In der Industrie wird eine Wirkungsgraderhöhung von 1% als erheblicher Erfolg angesehen. Der neue G.E.-Rahmen 7-F hat eine Turbineneinlaßtemperatur von 2350ºF (1288ºC), er ist jedoch weiterhin für ein verhältnismäßig niedriges Druckverhältnis ausgelegt, so daß die Abgastemperatur hoch genug sein kann, um den Dampfzyklusteil des kombinierten Zyklus zu verbessern. Es wurde ein Wirkungsgrad des kombinierten Zyklus von mehr als 50% behauptet.The diversion of compressor air is certainly a loss for the gas turbine system, but the ability to increase the operating temperature of the turbine more than compensated for this loss. This resulted in an increased compressor pressure ratio and also made it possible to increase the efficiency of the simple gas turbine cycle. Up to 10% of diverted air is used in advanced fighter gas turbines. with the turbine inlet temperature above 2750ºF (1510ºC). In the industry, a 1% increase in efficiency is considered a significant achievement. The new GE 7-F frame has a turbine inlet temperature of 2350ºF (1288ºC), but it is still designed for a relatively low pressure ratio so that the exhaust temperature can be high enough to improve the steam cycle portion of the combined cycle. Combined cycle efficiency of more than 50% has been claimed.
Es ist offensichtlich geworden, daß eine in einen Cheng- Zyklus umgewandelte ungekühlte Gasturbine durch eine maximale Überhitzung verbessert werden kann und daß dabei Schwierigkeiten auftreten, ohne den Dampfeinlaß des Cheng-Zyklus bei dieser Gasturbinen-Einlaßtemperatur arbeiten zu können.It has become apparent that an uncooled gas turbine converted to a Cheng cycle can be improved by maximum superheating and that difficulties arise in operating without the Cheng cycle steam inlet at this gas turbine inlet temperature.
In Tabelle 1, in der Garantiewerte der Leistungsfähigkeit von Turbinen von Allison angeführt sind, sind in den letzten zwei Spalten die 501KH-Maschine und die 501KH- Maschine mit Dampfeinlaß dargestellt. Die 501KH-Maschine weist eine Turbineneinlaßtemperatur von 1895 #F (1035ºC) auf, und die 501KH-Maschine mit Dampfeinlaß weist eine Turbineneinlaßtemperatur von 1800ºF (982ºC) auf. Der Verlust von 95ºF (35ºC) der verfügbaren Temperatur bedeutet einen möglichen Verlust des Wirkungsgrads von 3,0% und eine um 1000 kW höhere mögliche Ausgangsleistung. Die Grundursache für das Problem bestand darin, daß die Dampftemperatur viel höher wird als die Kompressor-Luftauslaßtemperatur, wenn Energie beim höchsten thermodynamischen Potential, also mit anderen Worten bei der höchsten (maximalen) Temperatur des Dampfs (siehe Patente aus dem Stand der Technik), wiedergewonnen wird, wobei bekannt ist, daß zusätzlicher Kraftstoff verbrannt werden muß, um den Dampf auf die Turbineneinlaßtemperatur zu bringen. Durch Mischen des Dampfs und der Kompressorauslaßluft wird eine Mischungstemperatur erhalten, die höher ist als die Kompressorauslaßtemperatur.In Table 1, which lists Allison turbine performance guarantees, the 501KH and the 501KH steam inlet engine are shown in the last two columns. The 501KH engine has a turbine inlet temperature of 1895 #F (1035ºC) and the 501KH steam inlet engine has a turbine inlet temperature of 1800ºF (982ºC). The loss of 95ºF (35ºC) of available temperature represents a potential loss of 3.0% in efficiency and a potential increase of 1000 kW in output power. The root cause of the problem was that when energy is recovered at the highest thermodynamic potential, in other words at the highest (maximum) temperature of the steam (see prior art patents), the steam temperature becomes much higher than the compressor air outlet temperature, knowing that additional fuel must be burned to bring the steam up to the turbine inlet temperature. By mixing the steam and the compressor outlet air, a mixture temperature is obtained that is higher than the compressor outlet temperature.
Wenn Durchgänge für abgezweigte Luft vorgesehen wurden, um eine niedrigere Kompressor-Luftauslaßtemperatur zu erzielen, führte die höheren Mischungstemperatur zu einem Verlust der Kühlfähigkeit der Schaufeloberfläche. Der einzige Weg zum Begrenzen der Schaufeloberflächentemperatur würde darin bestehen, die Betriebstemperatur der Turbine zu verringern. Hierdurch wird ein möglicher Verlust an Wirkungsgrad und Ausgangsleistung bewirkt, was zu höheren Kosten für die Maschine führt.If bypass air passages were provided to achieve a lower compressor air outlet temperature, the higher mixing temperature resulted in a loss of blade surface cooling ability. The only way to limit blade surface temperature would be to reduce the turbine operating temperature. This causes a possible loss of efficiency and power output, resulting in higher machine costs.
Im Dokument EP 319699 ist ein vom fortgeschrittenen Cheng-Zyklus verschiedener Temperaturzyklus beschrieben, wobei das System einen Kessel sehr hohen Drucks und einen Kessel niedrigen Drucks zum Erzeugen des Dampfs sehr hohen Drucks und einiges Dampfs niedrigen Drucks benötigt. Der Dampf hohen Drucks wird abgekühlt, indem er durch eine Dampfturbine 32 geleitet wird, die die Enthalpie des Dampfs ändert, und er wird dann bei 34 in die Verbrennungskammer der Gasturbine eingeleitet. Der Dampf niedrigen Drucks wird zwischen der Turbine der ersten Stufe zum Komprimieren von Luft und der Turbine der zweiten Stufe zum Erzeugen eines Staudrucks für die Turbine der ersten Stufe eingelassen, um ihre Fähigkeit zu verringern, Leistung durch den in die Verbrennungskammer geführten hinzugefügten Dampf zu erzeugen und um die Fähigkeit der Turbine der zweiten Stufe zu erhöhen, mehr Arbeit zu erzeugen, während das heiße Arbeitsfluid gekühlt wird, das aus der ersten Turbine austritt, um ein Gleichgewicht mit dem Dampfeinlaß zu erzeugen. Durch das in EP 319699 beschriebene Hochdruckschema wird die Siedetemperatur des Wärmewiedergewinnungs-Dampfgenerators erhöht, wodurch seine Fähigkeit zum Erzeugen einer maximalen Wärmewiedergewinnung beschränkt wird. Der in EP 319699 beschriebene hinzugefügte Dampf niedrigen Drucks tritt nicht in die Verbrennungskammer ein und trägt daher nicht zum Erhöhen der Dampftemperatur durch das verbrannte Gas bei. Daher ist der Wirkungsgrad beim Betrieb des Turbinensystems beeinträchtigt.Document EP 319699 describes a temperature cycle different from the advanced Cheng cycle, where the system requires a very high pressure boiler and a low pressure boiler to produce the very high pressure steam and some low pressure steam. The high pressure steam is cooled by passing it through a steam turbine 32 which changes the enthalpy of the steam and it is then introduced into the combustion chamber of the gas turbine at 34. The low pressure steam is admitted between the first stage turbine for compressing air and the second stage turbine for creating a back pressure for the first stage turbine to reduce its ability to generate power from the added steam fed into the combustion chamber and to increase the ability of the second stage turbine to generate more work while cooling the hot working fluid exiting the first turbine to create equilibrium with the steam inlet. The high pressure scheme described in EP 319699 increases the boiling temperature of the heat recovery steam generator, limiting its ability to generate maximum heat recovery. The added low pressure steam described in EP 319699 does not enter the combustion chamber and therefore does not contribute to increasing the steam temperature from the combusted gas. Therefore, the efficiency of operating the turbine system is compromised.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Beschränkungen durch eine Weiterentwicklung des Cheng-Zyklus, die hier als fortgeschrittener Cheng-Zyklus (ACC) bezeichnet wird, zu überwinden. Die Hardwarekonfiguration des ACC folgt in hohem Maße hinsichtlich der Ventilanordnung, der Steuersysteme, der Hochfahr- und der Herunterfahrprozesse der alten Konstruktion. Eine Anzahl von Schwierigkeiten, die beim ursprünglichen Cheng-Zyklus auftraten, werden durch diese Offenbarung auch verbessert.The object of the invention is to overcome the limitations by an evolution of the Cheng cycle, referred to here as an advanced Cheng cycle (ACC). The hardware configuration of the ACC follows the old design to a large extent in terms of valve arrangement, control systems, start-up and shutdown processes. A number of difficulties encountered with the original Cheng cycle are also improved by this disclosure.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Zweifluid- Wärmekraftmaschine mit Cheng-Zyklus mit einem einen Kompressorauslaß aufweisenden Kompressor zum Verdichten eines ersten Arbeitsfluids, einer mit dem Kompressorauslaß in Fluidverbindung stehenden Verbrennungskammer, einer Turbine mit einem mit der Verbrennungskammer in Fluidverbindung stehenden Einlaß zur Leistung von Arbeit durch Expandieren des Arbeitsfluids sowie mit einem Turbinenauslaß, einem an den Turbinenauslaß angeschlossenen Wärmewiedergewinnungstauscher zum Erwärmen, mit einem Wärmewiedergewinnungstauscher-Einlaß und einem Auslaß zum Erwärmen eines zweiten Arbeitsfluids, einer Einspritzeinrichtung zum Einleiten von erwärmtem zweitem Arbeitsfluid von dem Wärmewiedergewinnungstauscher in die Verbrennungskammer, einer Kühlmittel-Einlaßöffnung zum Zuführen von Kühlmittel zu Turbinendüsen und/oder Schaufeln in der Turbine, einer stromaufwärts der Einspritzeinrichtung angeschlossenen Steuerventileinrichtung zum selektiven Drosseln der Strömungsrate des zweiten Arbeitsfluids in die Turbine und einer Steuereinrichtung zum Steuern der Steuerventileinrichtung derart, daß in die Turbine eingespritztes zweites Arbeitsfluid eine Temperatur aufweist, die kleiner oder im wesentlichen gleich der Temperatur des ersten Arbeitsfluids am Kompressorauslaß ist, und die Klemmtemperatur des Wärmewiedergewinnungstauschers minimiert wird, indem die Wärmewiedergewinnung vom Turbinenauslaß bei einem zwischen dem ersten und dem zweiten Arbeitsfluid in der Turbine bei gegebenem Spitzenwirkungsgrad maximiert wird, vorgesehen.According to the present invention, there is provided a Cheng cycle two-fluid heat engine comprising a compressor having a compressor outlet for compressing a first working fluid, a combustion chamber in fluid communication with the compressor outlet, a turbine having an inlet in fluid communication with the combustion chamber for performing work by expanding the working fluid, and having a turbine outlet, a heat recovery exchanger connected to the turbine outlet for heating, a heat recovery exchanger inlet and an outlet for heating a second working fluid, an injector for introducing heated second working fluid from the heat recovery exchanger into the combustion chamber, a coolant inlet port for supplying coolant to turbine nozzles and/or blades in the turbine, a control valve means connected upstream of the injector for selectively throttling the flow rate of the second working fluid into the turbine, and a control means for controlling the control valve means such that injected second working fluid has a temperature which is less than or substantially equal to the temperature of the first working fluid at the compressor outlet, and the clamping temperature of the heat recovery exchanger is minimized by recovering heat from the turbine outlet at a temperature between the first and second Working fluid in the turbine is maximized at a given peak efficiency.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zum Betrieb einer Zweifluid-Wärmekraftmaschine mit Cheng-Zyklus mit einer Gasturbine mit einem einen Kompressorauslaß aufweisenden Kompressor zum Verdichten eines ersten Arbeitsfluids, einer mit dem Kompressorauslaß in Fluidverbindung stehenden Verbrennungskammer, einer Turbine mit einem mit der Verbrennungskammer in Fluidverbindung stehenden Einlaß zur Leistung von Arbeit durch Expandieren des Arbeitsfluids sowie mit einem Turbinenauslaß, einem an den Turbinenauslaß angeschlossenen Wärmewiedergewinnungstauscher zum Erwärmen, mit einem Wärmewiedergewinnungstauscher-Einlaß und einem Auslaß zum Erwärmen eines zweiten Arbeitsfluids, einer Einspritzeinrichtung zum Einleiten von erwärmtem zweiten Arbeitsfluid von dem Wärmewiedergewinnungstauscher in die Verbrennungskammer, einer Kühlmittel-Einlaßöffnung zum Zuführen von Kühlmittel zu Turbinendüsen und/oder Schaufeln in der Turbine, und einer stromaufwärts der Einspritzeinrichtung angeschlossenen Steuerventileinrichtung zum selektiven Drosseln der Strömungsrate des zweiten Arbeitsfluids in die Turbine vorgesehen, wobei in dem Verfahren die Strömungsrate des zweiten Arbeitsfluids mit der Steuerventileinrichtung nach folgenden Arbeitsparametern gedrosselt wird: eine Temperatur von in die Turbine eingespritztem zweitem Arbeitsfluid, die kleiner oder im wesentlichen gleich der Temperatur von erstem Arbeitsfluid am Kompressorauslaß ist, und Maximieren der Wärmewiedergewinnung vom Turbinenauslaß bei einem Mischungsverhältnis zwischen dem zweiten und dem ersten Arbeitsfluid in der Turbine bei gegebenem Spitzenwirkungsgrad, so daß die Klemmtemperatur des Wärmewiedergewinnungstauschers minimiert wird.According to the present invention there is further provided a method of operating a two-fluid Cheng cycle heat engine having a gas turbine with a compressor having a compressor outlet for compressing a first working fluid, a combustion chamber in fluid communication with the compressor outlet, a turbine having an inlet in fluid communication with the combustion chamber for performing work by expanding the working fluid and with a turbine outlet, a heat recovery exchanger connected to the turbine outlet for heating, a heat recovery exchanger inlet and an outlet for heating a second working fluid, an injection device for introducing heated second working fluid from the heat recovery exchanger into the combustion chamber, a coolant inlet opening for supplying coolant to turbine nozzles and/or blades in the turbine, and an upstream of the injection device connected control valve means for selectively throttling the flow rate of the second working fluid into the turbine, in which method the flow rate of the second working fluid is throttled with the control valve means according to the following operating parameters: a temperature of second working fluid injected into the turbine which is less than or substantially equal to the temperature of first working fluid at the compressor outlet, and maximizing heat recovery from the turbine outlet at a mixing ratio between the second and first working fluids in the turbine at a given peak efficiency so that the clamping temperature of the heat recovery exchanger is minimized.
Die Erfindung kann durch ein Verfahren oder eine Vorrichtung verwirklicht werden, welche mehrere Vorteile aufweist, welche darin bestehen, daß:The invention can be implemented by a method or device which has several advantages, which are:
(a) die Verringerung der Turbineneinlaßtemperatur vermindert wird, wenn ein Dampfeinlaß in eine Gasturbine verwendet wird, so daß die maximale vorgesehene Temperatur der Turbine nur für Gas für den Cheng-Zyklus verfügbar sein kann,(a) the reduction in turbine inlet temperature is reduced when a steam inlet is used in a gas turbine so that the maximum design temperature of the turbine can only be available for gas for the Cheng cycle,
(b) eine Wahlmöglichkeit für Kühlmittel geboten wird, wodurch die Kühlung der Schaufeln der Gasturbine gegenüber der Turbineneinlaßtemperatur verstärkt werden kann,(b) a choice of coolant is provided, which can enhance the cooling of the gas turbine blades relative to the turbine inlet temperature,
(c) der Wirkungsgrad durch Erhöhen der Turbineneinlaßtemperatur über den Cheng-Zyklus hinaus verbessert wird, wodurch die Oberflächentemperatur der Turbinenschaufeln aufrechterhalten wird,(c) efficiency is improved by increasing the turbine inlet temperature beyond the Cheng cycle, thereby maintaining the turbine blade surface temperature,
(d) eine neue Konfiguration eines Dampfsteuerventils vorgestellt wird, um das Rosten im Überhitzer zu verhindern,(d) a new configuration of a steam control valve is introduced to prevent rusting in the superheater,
(e) die Oberfläche des Überhitzers verringert wird,(e) the surface area of the superheater is reduced,
(f) der Wirkungsgrad der Leistungserzeugung durch Erhöhen des Kompressorauslaßdrucks erhöht wird,(f) the efficiency of power generation is increased by increasing the compressor discharge pressure,
(g) eine Einrichtung zum schnellen Hochfahren des fortgeschrittenen Cheng-Zyklus bereitgestellt wird und(g) a facility is provided for rapid ramp-up of the advanced Cheng cycle; and
(h) der Kombinations-Generatorbetrieb zur Erzeugung mechanischer (elektrischer) Leistung und von Dampf so beibehalten wird, daß unabhängig der schwankenden Last gefolgt wird.(h) the combined cycle generator operation for producing mechanical (electrical) power and steam is maintained in such a way as to follow the varying load independently.
Fig. 1 zeigt den Cheng-Zyklus gemäß einer Reihe von vom Erfinder in den 70er Jahren eingereichten Patenten.Fig. 1 shows the Cheng cycle according to a series of patents filed by the inventor in the 1970s.
Fig. 2 zeigt den Aspekt des Spitzenwirkungsgrads des Dampf-Luft-Mischungsverhältnisses beim Cheng-Zyklus aus dem Stand der Technik.Fig. 2 shows the peak efficiency aspect of the steam-air mixture ratio in the state-of-the-art Cheng cycle.
Fig. 3 zeigt die Wärmeübertragungsbeschränkung zum Erreichen einer maximalen Wärmerückgewinnung und einer maximalen Überhitzung, wie im Stand der Technik angegeben ist.Fig. 3 shows the heat transfer limitation to achieve maximum heat recovery and maximum superheat as stated in the prior art.
Fig. 4 ist ein Diagramm der Temperatur in Abhängigkeit von der Entropie, worin Zyklus-Wirkungsgrade des Cheng-Zyklus beschrieben sind, wie im Stand der Technik gezeigt ist.Fig. 4 is a temperature versus entropy plot describing cycle efficiencies of the Cheng cycle as shown in the prior art.
Fig. 5 ist ein Diagramm der Temperatur in Abhängigkeit von der Entropie bei einem kombinierten Zyklus unter Verwendung einer Gasturbine und einer Dampfturbine zur Wärmerückgewinnung.Fig. 5 is a graph of temperature versus entropy for a combined cycle under Use of a gas turbine and a steam turbine for heat recovery.
Fig. 6 zeigt die Konfiguration des neuen fortgeschrittenen Cheng-Zyklus einschließlich neuer Steuerventilorte.Fig. 6 shows the configuration of the new advanced Cheng cycle including new control valve locations.
Fig. 7 zeigt eine typische mit abgezweigter Luft gekühlte Turbinenschaufel.Fig. 7 shows a typical bled air cooled turbine blade.
Fig. 8 zeigt den fortgeschrittenen Cheng-Zyklus mit einem erhöhten Druckverhältnis.Fig. 8 shows the advanced Cheng cycle with an increased pressure ratio.
Fig. 9 zeigt einen Vergleich des Wirkungsgrads und des Orts von XMIX für den Spitzenwirkungsgrad zwischen dem Stand der Technik (Cheng-Zyklus) und dem fortgeschrittenen Cheng- Zyklus.Fig. 9 shows a comparison of the efficiency and location of XMIX for peak efficiency between the state-of-the-art (Cheng cycle) and the advanced Cheng cycle.
Fig. 10 zeigt die Unterschiede der Wärmeübertragung im Wärmewiedergewinnungskessel und von Temperaturprofilen zwischen dem Stand der Technik (Cheng-Zyklus) und dem fortgeschrittenen Cheng-Zyklus.Fig. 10 shows the differences in heat transfer in the heat recovery boiler and temperature profiles between the state-of-the-art (Cheng cycle) and the advanced Cheng cycle.
Fig. 11 zeigt die optimale Beschreibung des fortgeschrittenen Cheng-Zyklus mit einer erhöhten Turbineneinlaßtemperatur und einem erhöhten Druckverhältnis.Fig. 11 shows the optimal description of the advanced Cheng cycle with an increased turbine inlet temperature and an increased pressure ratio.
Fig. 12 zeigt die Fähigkeit des fortgeschrittenen Cheng-Zyklus, das Verbrennungsverhältnis durch Turbinenanpassung und ein Kompressor-Kennfeld zu erhöhen.Fig. 12 shows the ability of the advanced Cheng cycle to increase the combustion ratio through turbine tuning and compressor mapping.
In Fig. 1 ist die Ausführungsform des Cheng-Zyklus gemäß Patenten aus dem Stand der Technik dargestellt. Die Konfiguration zeigt, daß die Gasturbine einen durch eine Welle an eine Turbine 13 angeschlossenen Kompressor 10 und einen zu einer Last verlaufenden Ausgang aufweist. Die durch 1 eingelassene Luft wird zu Druckluft komprimiert und bei 2 ausgelassen. Die Druckluft tritt in eine Verbrennungskammer 12 ein. Kraftstoff tritt durch 11 in die Verbrennungskammer ein, und Dampf kommt bei 3 vom Wärmewiedergewinnungs-Dampfgenerator (HRSG). Die Mischung der verbrannten Luft und des Dampfs erreicht eine vorgegebene Turbineneinlaßtemperatur, wird dann bei 4 in die Turbine 13 gelassen und tritt bei 5 aus der Turbine aus. Abgas durchläuft dann den Wärmewiedergewinnungs-Dampfgenerator, der in zwei Teile, nämlich einen Überhitzer 14 und einen Wasser-zu-Dampf-Generator 15, unterteilt ist. Das heiße Abgas tritt in den Überhitzer 14 ein und gibt die Wärme ab, um den bei 8 eintretenden und bei 3 austretenden Dampf zu überhitzen. Eine Leitungsverbrennungseinrichtung, die sich normalerweise bei 6 befindet, ist hier nicht dargestellt. Die restliche Wärme wird durch die Verdampfungseinheit 15 wiedergewonnen und tritt bei 17 aus. Es besteht die Möglichkeit, daß das Abgas eine Reinigungs- oder Kondensationseinheit 20 durchläuft, und es wird dann an die Atmosphäre abgegeben. Wasser kann durch 20 wiedergewonnen werden oder vollständig als ein Zusatz verwendet werden, der bei 19 eintritt oder bei 19 eingemischt wird. Wasser wird durch eine Pumpe 18 auf einen hohen Druck komprimiert. Der Pumpenausgang tritt in den Dampfgenerator 9 ein, und der Verdampfer steuert die Dampfströmung durch zwei Ventile, wobei die Dampfströmung durch 16 in den Überhitzer eintritt und durch 17 einem Dampfbenutzer zugeleitet wird, so daß eine Kombinations-Generatoreinheit gebildet ist. Falls er nur zur Leistungserzeugung verwendet wird, ist 17 nicht mehr erforderlich.In Fig. 1, the embodiment of the Cheng cycle according to prior art patents is shown. The configuration shows that the gas turbine has a compressor 10 connected by a shaft to a turbine 13 and an outlet to a load. The air admitted through 1 is compressed to compressed air and discharged at 2. The compressed air enters a combustion chamber 12. Fuel enters the combustion chamber through 11 and steam comes from the heat recovery steam generator (HRSG) at 3. The mixture of combusted air and steam reaches a predetermined turbine inlet temperature, is then admitted to the turbine 13 at 4 and exits at 5. from the turbine. Exhaust gas then passes through the heat recovery steam generator which is divided into two parts, namely a superheater 14 and a water to steam generator 15. The hot exhaust gas enters the superheater 14 and gives up the heat to superheat the steam entering at 8 and exiting at 3. A line combustor, normally located at 6, is not shown here. The remaining heat is recovered by the evaporation unit 15 and exits at 17. It is possible for the exhaust gas to pass through a purification or condensation unit 20 and it is then exhausted to the atmosphere. Water may be recovered through 20 or used entirely as an additive entering at 19 or mixed in at 19. Water is compressed to a high pressure by a pump 18. The pump output enters the steam generator 9 and the evaporator controls the steam flow through two valves, the steam flow entering the superheater through 16 and being supplied to a steam user through 17, thus forming a combination generator unit. If used only for power generation, 17 is no longer required.
Die vorstehende Beschreibung dieses Komponentendiagramms ist typisch für die in den Patenten aus dem Stand der Technik beschriebene und patentierte Cheng-Zyklus-Konfiguration.The above description of this component diagram is typical of the Cheng cycle configuration described and patented in the prior art patents.
Fig. 2 zeigt das Verhältnis zwischen dem Wirkungsgrad und dem als XMIX definierten Dampf-Luft-Verhältnis, so daß der Wirkungsgrad für eine gegebene Turbineneinlaßtemperatur 30 einen Spitzenwert erreicht und dann bei noch größerer Dampfeinleitung abfällt. Dieser Spitzenwirkungsgrad ist die Eigenart der in den Patenten zum Cheng-Zyklus und den wichtigsten Ansprüchen beschriebenen Wärmewiedergewinnung, wie in Fig. 3 ersichtlich ist.Fig. 2 shows the relationship between efficiency and the steam-to-air ratio defined as XMIX, such that efficiency reaches a peak for a given turbine inlet temperature 30 and then drops off with even greater steam input. This peak efficiency is the nature of the heat recovery described in the Cheng cycle patents and the main claims, as can be seen in Fig. 3.
Fig. 3 zeigt das Abgastemperaturprofil und die Wärmeübertragung auf den HRSG durch Umwandeln von Wasser in Dampf hoher Temperatur. Die angegebene Länge ist die Teillänge des Wärmeaustauschers beim HRSG. Es ist hier angegeben, daß das in den in Fig. 1 beschriebenen Wärmeaustauscher eintretende Abgas die Temperatur T5 aufweist. Die Temperatur nimmt durch Überhitzen des Dampfs von T8 auf T3 auf die Temperatur T6 ab. Die Temperatur nimmt auf der Abgasseite kontinuierlich von T6 auf T7 und dann kontinuierlich bis auf die Abgastemperatur T7 ab. Das bei T9 eintretende Wasser erreicht den Verdampfungspunkt für einen gegebenen Druck bei T7, und die Verdampfung findet nach dem Profil 40 statt. Das Abgasprofil ist 41. Die Temperaturdifferenz zwischen der Kesseleintrittstemperatur und der Abgastemperatur am mit (T7'-T8) angegebenen kleinsten Punkt wird als Delta Tpinch oder Halstemperatur bezeichnet. Die Temperaturdifferenz zwischen T5 und T3 wird als Delta Tmaximum bezeichnet. Die maximale Enthalpie und die maximale Wärmewiedergewinnung im Stand der Technik erfordern, daß der obere Klemmpunkt Delta Tmax und T7' minus T8 minimiert werden. An diesem Punkt wird der Spitzenwert von XMIX erreicht.Fig. 3 shows the exhaust gas temperature profile and heat transfer to the HRSG by converting water to high temperature steam. The length indicated is the partial length of the heat exchanger in the HRSG. It is stated here that the exhaust gas entering the heat exchanger described in Fig. 1 is at temperature T5. The temperature decreases from T8 to T3 to temperature T6 by superheating the steam. The temperature decreases continuously on the exhaust side from T6 to T7 and then continuously to the exhaust gas temperature T7. The water entering at T9 reaches the evaporation point for a given pressure at T7 and evaporation takes place according to profile 40. The exhaust gas profile is 41. The temperature difference between the boiler inlet temperature and the exhaust gas temperature at the smallest point indicated by (T7'-T8) is called the Delta Tpinch or throat temperature. The temperature difference between T5 and T3 is called the Delta Tmaximum. The maximum enthalpy and maximum heat recovery in the prior art require that the upper pinch point Delta Tmax and T7' minus T8 be minimized. At this point the peak value of XMIX is reached.
Fig. 4 ist ein Temperatur-Entropie-Diagramm, das in der Industrie als T-S-Diagramm bezeichnet wird. S stellt die Entropie dar. Der Kasten 50 wird als ein Carnot-Zyklus-Kasten bezeichnet, und die innerhalb des Kastens angegebene Fläche ist das Gasturbinen-Zyklusdiagramm, so daß es vier Seiten aufweist. Die Kompressionsseite wird durch den Temperaturanstieg mit erhöhter Entropie S von T1 bis T2 angegeben. Die Verbrennung erfolgt unter Erhöhung der Temperatur von T2 auf T4.Fig. 4 is a temperature-entropy diagram, referred to in the industry as a T-S diagram. S represents the entropy. The box 50 is referred to as a Carnot cycle box, and the area indicated within the box is the gas turbine cycle diagram, so it has four sides. The compression side is indicated by the temperature rise with increased entropy S from T1 to T2. Combustion occurs by increasing the temperature from T2 to T4.
Auf der Gasseite wird die Temperatur durch Expansion durch die Turbine von T4 auf T5 verringert. Bevor das Gas aus dem Kraftwerk austritt, tritt es in den Wärmewiedergewinnungskessel ein. Die Temperatur fällt durch ein Profil am unteren Teil, wodurch der Zyklus abgeschlossen wird. Der quadratische Kasten 50 stellt die Temperatur T4 und die Temperatur T1 dar, die durch die Turbineneinlaßtemperatur und die Umgebungstemperatur der Gasturbine begrenzt sind, wobei dies als der Carnot-Zyklus des Wirkungsgrads der Gasturbine definiert ist.On the gas side, the temperature is reduced from T4 to T5 by expansion through the turbine. Before the gas leaves the power plant, it enters the heat recovery boiler. The temperature drops through a profile at the bottom, completing the cycle. The square box 50 represents the temperature T4 and the temperature T1, which are limited by the turbine inlet temperature and the ambient temperature of the gas turbine, where this is defined as the Carnot cycle of gas turbine efficiency.
Zum Verbessern des Wirkungsgrads dieses Zyklus muß die Fläche eines in den Carnot-Zyklus eingefüllten Kreises maximiert werden. Der Wirkungsgrad des Carnot-Zyklus wird gewöhnlich als Wirkungsgrad gleich 1 minus T1 dividiert durch T4 definiert, so daß der Wirkungsgrad des Carnot-Zyklus um so höher ist, je höher T4 ist. Im Carnot-Zyklus gibt es keine Angabe für den Einfluß durch die Entropie, weshalb der Kasten des Carnot-Zyklus bei der Definition des Wirkungsgrads des Zyklus keine Rolle spielt.To improve the efficiency of this cycle, the area of a circle filled in the Carnot cycle must be maximized. The efficiency of the Carnot cycle is usually defined as efficiency equal to 1 minus T1 divided by T4, so that the higher T4 is, the higher the efficiency of the Carnot cycle. There is no indication of the influence of entropy in the Carnot cycle, so the box of the Carnot cycle plays no role in defining the efficiency of the cycle.
Die Wasserseite des Zyklus beginnt bei T9, erreicht die Temperatur T8, und die Temperatur T3 des Überhitzers versucht dann, die Ecke des Kastens des Carnot-Zyklus aufzufüllen. Der Dampf wird dann weiter von T3 auf T4 erwärmt und dann mit der Luft synergistisch ausgedehnt und auf die gleiche Temperatur T5 gebracht. Die Wärme vom Dampf wird auch durch den zusätzlichen Dampf wiedergewonnen, wie durch die Grenze des Kastens B' angegeben ist. B' durchläuft den gleichen Zyklus und gewinnt zusätzlichen Dampf zurück, wie durch B" angegeben ist. Daher ist die Wärmewiedergewinnung nach dem Cheng-Zyklus eine Reihe von Wärmewiedergewinnungszyklen durch Dampf, wobei die maximale Wärmewiedergewinnung und die maximale Entropie den Kasten des Carnot-Zyklus so eng wie möglich ausfüllt, um den Wirkungsgrad zu erhöhen. Die Flächenvergrößerung zwischen A plus B und dann B' und B" und so weiter ist die potentielle Leistungsausgabeerhöhung des Cheng-Zyklus. Wie im Patent aus dem Stand der Technik beschrieben wurde, ist der konkurrierende Zyklus gewöhnlich als ein kombinierter Zyklus beschrieben, so daß die kombinierten Zyklen keinen Dampf in die Gasturbine einleiten, und es wird vielmehr ein getrennter Dampfzyklus durchlaufen.The water side of the cycle starts at T9, reaches temperature T8, and the superheater temperature T3 then tries to fill up the corner of the Carnot cycle box. The steam is then further heated from T3 to T4 and then expanded synergistically with the air and brought to the same temperature T5. The heat from the steam is also recovered by the additional steam as indicated by the box boundary B'. B' goes through the same cycle and recovers additional steam as indicated by B". Therefore, heat recovery according to the Cheng cycle is a series of heat recovery cycles by steam with maximum heat recovery and maximum entropy filling the Carnot cycle box as closely as possible to increase efficiency. The area increase between A plus B and then B' and B" and so on is the potential power output increase of the Cheng cycle. As described in the prior art patent, the competing cycle is usually described as a combined cycle, so that the combined cycles do not introduce steam into the gas turbine, and rather a separate steam cycle is run.
Dieser Zyklus ist in Fig. 5 dargestellt. Der Carnot- Kasten 50 ist der Gasturbinenteil des Carnot-Kastens, ein Dampfzyklus belegt jedoch die untere Ecke des leeren Teils des Carnot-Kastens unterhalb des Gasturbinenzyklus A. Der Dampfzyklus ist durch die Fläche D angegeben. Der Dampfzyklus D ist normalerweise ein Hochdruckstrom, was mit dem Cheng- Zyklus zu vergleichen ist, der bei einem niedrigeren Druck auftritt. Daher ist das Potential zur Leistungserhöhung nicht so groß wie beim Cheng-Zyklus.This cycle is shown in Fig. 5. The Carnot box 50 is the gas turbine part of the Carnot box, but a steam cycle occupies the lower corner of the empty part of the Carnot box below the gas turbine cycle A. The Steam cycle is indicated by the area D. The steam cycle D is usually a high pressure flow, which is comparable to the Cheng cycle which occurs at a lower pressure. Therefore, the potential for power increase is not as great as in the Cheng cycle.
In Fig. 6 ist das fortgeschrittene Cheng-Zyklus-System dargestellt. Das fortgeschrittene Cheng-Zyklus-System hat einen Kompressor 10 und eine Turbine 13, die durch eine Welle miteinander verbunden sind, und es gibt einen zur Last verlaufenden Ausgang. Luft tritt auch bei 1 ein und wird nach der Kompression bei 2 in die Verbrennungskammer 12 ausgelassen. Kraftstoff tritt bei 11 ein. Dampf vom Wärmewiedergewinnungsgenerator tritt bei 3 ein, und die Vormischung auf eine vorgegebene Turbineneinlaßtemperatur ist durch die zulässige Metallurgietemperatur auf T4 begrenzt. Die Gasmischung dehnt sich dann durch die Turbine 13 aus und tritt bei 5 aus der Turbine aus. Das Abgas tritt in einen Überhitzer 14 ein und läuft dann zu einem Verdampfer 15 und tritt bei 7 aus dem Verdampfer aus. Der durch 6 angegebene Ort zwischen dem Überhitzer und dem Verdampfer kann auch eine zusätzliche Leitungsverbrennungseinrichtung zur Dampferzeugung im Kessel aufweisen.In Fig. 6 the advanced Cheng cycle system is shown. The advanced Cheng cycle system has a compressor 10 and turbine 13 connected by a shaft and there is an output to the load. Air also enters at 1 and after compression is discharged into the combustion chamber 12 at 2. Fuel enters at 11. Steam from the heat recovery generator enters at 3 and premixing to a given turbine inlet temperature is limited by the allowable metallurgy temperature at T4. The gas mixture then expands through the turbine 13 and exits the turbine at 5. The exhaust gas enters a superheater 14 and then passes to an evaporator 15 and exits the evaporator at 7. The location indicated by 6 between the superheater and the evaporator may also have an additional line combustion device for generating steam in the boiler.
Auf der Wasserseite tritt vorbehandeltes Wasser in die Pumpe 18 ein, wird in den Kessel 9 ausgelassen und verdampft zu gesättigtem Dampf, der drei mögliche Wege hat. Der erste Weg weist einen kleinen Leckbetrag auf, der durch den Kessel zur Leistungsturbine 13 tritt und den Hauptzweck hat, die Turbinenschaufeln und -düsen zu kühlen. Die Dampfkühlungs- Einlaßöffnung 28 für die Schaufeln und Düsen der Turbine 13 ist durch ein Steuerungs-Dampfverteilersystem 26 angeschlossen und läßt Dampf von der Dampftrommel 27 ein. Über den zweiten Weg wird in den Überhitzer eingelassen und aus diesem ausgelassen. Der Überhitzer hat wiederum zwei Wege, von denen einer durch das Ventil 23 läuft und einer durch das Steuerventil 25 läuft, wodurch der Dampf in die Verbrennungskammer 3 eintritt. Wie angegeben, ist die Steuerung des Dampfs durch das Ventil 25 von derjenigen des Patents aus dem Stand der Technik verschieden, weil entdeckt wurde, daß während des Kombinations-Generatorbetriebs der Überhitzer an seiner Oberfläche manchmal eine Rostsubstanz bildet, wenn nur ein Steuerventil zwischen dem Überhitzer und dem Verdampfer (in Fig. 1 angegeben) vorhanden ist, selbst wenn eine Chromolly-Legierung verwendet wird, die einen hohen Nickel- und Chromanteil aufweist. Während infolge von Lastanforderungen wieder Dampf eingeführt wird, tritt diese Substanz dann in die Turbinenverbrennungskammer ein und setzt sich als eine rote Substanz in den Durchgang der Kühlschaufeln ab, wodurch die Kühlluft blockiert wird und alle Turbinen verbrannt werden. Wenn das Steuerventil wahlweise bei 25 eingefügt wird, was allein nicht funktioniert, werden weitere Schritte ausgeführt, um sicherzustellen, daß dann, wenn in der Gasturbine kein Dampf verwendet wird und dieser für den Kombinations-Generatorbetrieb nur durch das Ventil 17 tritt, eine minimale Dampfmenge durch den Überhitzer tritt, so daß der durch eine Steuerung durch das Steuerventil 23 an der Mischkammer 22 mit dem gesättigten Dampf gemischte Dampf die zusätzliche Wärme für den Kombinations-Generatorbetrieb liefert. Hierdurch wird das Aussetzen der Wandfläche des Überhitzers minimiert, wenn Dampf nicht in die Gasturbinen eingeleitet wurde. Zusätzliche Ventile sind als eine Option bei 24 bereitgestellt, so daß ein Druckgas, das keine Korrosion hervorruft, wie Stickstoff oder ein anderes zusätzliches neutralisiertes Gas, beim Hochfahren verwendet wird, um den Druck des Kesselsystems zu steuern, so daß der Kessel, wenn der fortgeschrittene Cheng-Zyklus eingeleitet wird, bei einem hohen Druck siedet, statt bei Zimmertemperatur verdampfen zu müssen, wobei der Druck im Kessel dann in herkömmlicher Weise allmählich aufgebaut wird. Auf diese Weise wird der Hochfahrvorgang um das Fünffache beschleunigt. Hierdurch wird es überflüssig, den Gasturbinen- Betriebsteil mit dem Dampferzeugungs-Betriebsteil zu verknüpfen, wie es beim gewöhnlichen kombinierten Zyklus der Fall ist.On the water side, pretreated water enters the pump 18, is discharged into the boiler 9 and evaporates to saturated steam which has three possible paths. The first path has a small amount of leakage which passes through the boiler to the power turbine 13 and has the main purpose of cooling the turbine blades and nozzles. The steam cooling inlet port 28 for the blades and nozzles of the turbine 13 is connected through a control steam distribution system 26 and admits steam from the steam drum 27. The second path admits and discharges steam into and from the superheater. The superheater again has two paths, one passing through the valve 23 and one passing through the control valve 25 whereby the steam enters the combustion chamber 3. As indicated, the control of the steam through valve 25 differs from that of the prior art patent because it has been discovered that during combination generator operation the superheater sometimes forms a rust substance on its surface if only one control valve is present between the superheater and the evaporator (indicated in Fig. 1), even when using a Chromolly alloy having a high nickel and chromium content. As steam is reintroduced in response to load demands, this substance then enters the turbine combustion chamber and deposits as a red substance in the passage of the cooling blades, thereby blocking the cooling air and burning all of the turbines. If the control valve is optionally included at 25, which alone will not work, further steps are taken to ensure that when steam is not being used in the gas turbine and only passes through valve 17 for combination generator operation, a minimum amount of steam passes through the superheater so that the steam mixed with the saturated steam at the mixing chamber 22 under control of control valve 23 provides the additional heat for combination generator operation. This minimizes exposure of the superheater wall surface when steam has not been introduced into the gas turbines. Additional valves are provided as an option at 24 so that a non-corrosive pressurized gas such as nitrogen or other additional neutralized gas is used at start-up to control the pressure of the boiler system so that when the advanced Cheng cycle is initiated, the boiler boils at a high pressure rather than having to evaporate at room temperature, the pressure in the boiler then being gradually built up in the conventional manner. In this way, the start-up process is accelerated by five times. This makes it unnecessary to link the gas turbine operating section with the steam generation operating section, as is the case with the usual combined cycle.
Der Vorteil dieser optionalen Konfiguration besteht darin, daß dabei der Hochfahrvorgang des Druckkessels und der unabhängige Vorgang des Einlassens von Dampf in die Gasturbine beibehalten werden, so daß die Gasturbine bei einer Stromerzeugung in einem einfachen Gasturbinenzyklus bis an die Grenze der Einlaßtemperatur zu arbeiten beginnen kann, wofür normalerweise nur einige Minuten erforderlich sind. Die hohe Abgastemperatur bei T5 war für den Betrieb des Wärmewiedergewinnungskessels begrenzt, weil die Dampfblasen ein großes Volumen einnehmen, wenn das Sieden bei einem niedrigen Druck auftrat. Dieses Phänomen wird als Wasseranschwellung im Kessel bezeichnet. Daher muß das Wasser bei der Hochwassermarkierung abgelassen werden, bis sich der Kessel gesetzt hat.The advantage of this optional configuration is that it maintains the start-up process of the pressure vessel and the independent process of admitting steam to the gas turbine, so that when generating power, the gas turbine can start operating in a simple gas turbine cycle up to the inlet temperature limit, which normally only takes a few minutes. The high exhaust gas temperature at T5 was limiting for the operation of the heat recovery boiler because the steam bubbles occupy a large volume when boiling occurred at a low pressure. This phenomenon is called boiler water swell. Therefore, the water must be drained at the high water mark until the boiler has settled.
In diesem Fall tritt das Gas hoher Temperatur in den Kessel ein, der Kessel wird jedoch, beispielsweise durch die Stickstoffflasche 29, die die Betriebstemperatur und den Druck des Kessels (bei diesem Betrieb normalerweise um 250 psi) einstellt, unter Druck gesetzt. Die Siedetemperatur des Wassers liegt dann statt bei 212ºF (100ºC) um 380ºF (194ºC). Daher kann der Kessel die Temperatur schnell absorbieren, ohne daß die Gefahr einer Wasseranschwellung besteht. Wenn der Kessel schließlich die Temperatur 380ºF (193ºC) erreicht, beginnt er, Dampf zu erzeugen. Die Trommeltemperatur ist dann höher als der zulässige Stickstoffdruck.In this case, the high temperature gas enters the boiler, but the boiler is pressurized, for example by the nitrogen cylinder 29, which sets the boiler operating temperature and pressure (normally around 250 psi in this operation). The boiling temperature of the water is then around 380ºF (194ºC) instead of 212ºF (100ºC). Therefore, the boiler can absorb the temperature quickly without danger of water swelling. When the boiler finally reaches the temperature of 380ºF (193ºC), it begins to generate steam. The drum temperature is then higher than the allowable nitrogen pressure.
Es wird dann das Dampfventil 25 geöffnet, um den Stickstoff zuerst langsam auszulassen, um den Kesseldruck aufrechtzuerhalten, bis die Dampferzeugungsrate hoch genug ist, um den Stickstoff vollständig zu entleeren. In diesem Moment schaltet die Regelung der Stickstoffflasche die Stickstoffströmung vollständig ab, weil der Trommeldruck höher ist als der Stickstoffdruck. Wenn dies geschieht, absorbiert das Wasser hoher Temperatur kein Stickstoffgas, so daß keine Entlüftung erforderlich ist. Der gesamte Stickstoff wurde in die Verbrennungskammer abgelassen. Der erzeugte zusätzliche Dampf beginnt dann, den Dampf in die Verbrennungskammer einzuführen, bis der Kessel die Entsprechung der vollen Dampfmenge erreicht hat, die nach den Entwurfsparametern vorgeschrieben ist, wobei dieser durch das Steuerventil 25 eingeführt werden kann, um höhere Belastungen und einen höheren Wirkungsgrad zu erzielen.The steam valve 25 is then opened to release the nitrogen slowly at first to maintain the boiler pressure until the steam generation rate is high enough to completely empty the nitrogen. At this moment, the nitrogen cylinder control system will completely shut off the nitrogen flow because the drum pressure is higher than the nitrogen pressure. When this happens, the high temperature water does not absorb nitrogen gas, so that no venting is required. All nitrogen has been vented into the combustion chamber. The additional steam generated then begins to introduce steam into the combustion chamber until the boiler has reached the equivalent of the full amount of steam prescribed by the design parameters, which can be introduced through the control valve 25 to achieve higher loads and higher efficiency.
Wenn Dampf zuerst durch die Öffnung 23 eingeleitet wird, nimmt die Turbineneinlaßtemperatur ab, so daß die Kraftstoff- Strömungsrate bei 11 zunimmt, um die Turbineneinlaßtemperatur T4 aufrechtzuerhalten. Daher nimmt die Ausgangsleistung weiter zu, ohne daß die Turbineneinlaßtemperatur erhöht wird, bis die vollständige Dampfmenge erzeugt worden ist. Die Turbine erzeugt nun ihre maximale Ausgangsleistung bei maximalem Wirkungsgrad.When steam is first introduced through port 23, the turbine inlet temperature decreases so that the fuel flow rate at 11 increases to maintain the turbine inlet temperature T4. Therefore, the output continues to increase without increasing the turbine inlet temperature until the full amount of steam has been generated. The turbine is now producing its maximum output at maximum efficiency.
Falls der abgezweigte Dampf nicht zum Kühlen der Turbinen verwendet wird, wird die Dampftemperatur bei 25 auf die Gasturbinen-Kompressor-Auslaßtemperaturen begrenzt, so daß die Kühlluft nun intern den Turbinenschaufeln der Gasturbine zugeführt wird, wobei dies normalerweise durch die Umleitung durch den inneren Durchgang der Gasturbine erfolgt. Die umgeleitete Luft wird mit eintretendem Dampf gemischt, um die Abgasausgangstemperatur des Kompressors aufrechtzuerhalten, weshalb das Kühlmittel für die Turbinenschaufeln zuvor festgelegte Beschränkungen der Kompressorauslaßtemperatur nicht übersteigt, um die Kühlung der Turbinenschaufeln aufrechtzuerhalten.If the diverted steam is not used to cool the turbines, the steam temperature is limited to the gas turbine compressor outlet temperatures at 25, so that the cooling air is now supplied internally to the gas turbine turbine blades, normally by bypassing through the gas turbine internal passage. The diverted air is mixed with incoming steam to maintain the compressor exhaust outlet temperature, and therefore the turbine blade coolant does not exceed pre-established compressor outlet temperature limitations to maintain turbine blade cooling.
Wenn die Dampftemperatur bei T3 niedriger ist als die Kompressorauslaßtemperatur, ist dies sicherlich eine Option zum Erzielen einer Flexibilität des Betriebs bei einem geringfügigen Verlust des Wirkungsgrads, wobei jedoch eine Erhöhung der Ausgangsleistung erzielt wird. Der Charakter ähnelt dem zuvor im Stand der Technik (Cheng-Zyklus) beschriebenen, wobei jedoch hier der gewählte Parameter zum Erreichen des Spitzenwirkungsgrads ein anderer ist und durch diese neue Erfindung gesteuert wird.If the steam temperature at T3 is lower than the compressor discharge temperature, this is certainly an option to achieve flexibility of operation with a slight loss of efficiency, but with an increase in output power. The character is similar to that previously described in the prior art (Cheng cycle), but here the parameter chosen for Achieving peak efficiency is different and is controlled by this new invention.
In Fig. 7 ist eine typische Luftabzweigungskühlung für die Turbinenschaufeln dargestellt, wobei das Kühlmittel vom unteren Teil der Schaufel durch die Schaufel 60 tritt. Der innere Durchgang 61 kühlt die ganze Schaufel, eine bestimmte Menge entweicht jedoch durch die Löcher 63 an der Vorderkante. Nachdem das Kühlmittel die Wärme aufgenommen hat, tritt es an der Hinterkante aus, um die Wärmeübertragung der Hinterkante weiter zu schützen. Die gekühlte Luft wird dann aus den Löchern 62 ausgelassen.Figure 7 shows a typical air bypass cooling for the turbine blades, with the coolant passing from the bottom of the blade through the blade 60. The inner passage 61 cools the entire blade, but a certain amount escapes through the holes 63 at the leading edge. After the coolant has absorbed the heat, it exits at the trailing edge to further protect the trailing edge heat transfer. The cooled air is then exhausted from the holes 62.
In Fig. 8 ist eine andere Art des Änderns der Parameter im fortgeschrittenen Cheng-Zyklus als im Stand der Technik (Cheng-Zyklus) angegeben, wobei selbst bei einer gegebenen festen Turbineneinlaßtemperatur (T.I.T.) die Kompressor- Abzweiglufttemperatur normalerweise nicht geändert wird. Anhand eines Betriebskennfelds kann der Kompressor jedoch mit einem Staudruck versehen werden. Die Wiedergewinnung von Energie aus dem oberen Gasturbinenzyklus im Carnot-Zyklus- Kasten wurde bisher nicht erwogen. Die vergrößerte Fläche infolge des erhöhten Druckverhältnisses ist für eine gegebene T.I.T. durch A' angegeben, und die Entropieerhöhung ist verringert, weshalb ein Schrumpfen des Carnot-Zyklus-Kastens und eine erheblich vollständigere Ausfüllung des Kastens infolge des erhöhten Druckverhältnisses erreicht werden. Wie dargelegt wurde, spielt die Entropie jedoch nie eine Rolle, was den Wirkungsgrad betrifft. Der fortgeschrittene Cheng- Zyklus erhöht das Druckverhältnis durch den Staudruck des Kompressors, wobei Grenzen durch einen Druckimpulsbereich gesetzt sind, um Energie an der Oberseite des Zyklusdiagramms innerhalb des Carnot-Kastens wiederzugewinnen.In Fig. 8 a different way of changing the parameters in the advanced Cheng cycle than in the prior art (Cheng cycle) is given, where even for a given fixed turbine inlet temperature (T.I.T.) the compressor bleed air temperature is normally not changed. However, using an operating map the compressor can be provided with a back pressure. The recovery of energy from the upper gas turbine cycle in the Carnot cycle box has not been considered so far. The increased area due to the increased pressure ratio is given by A' for a given T.I.T. and the entropy increase is reduced, therefore a shrinkage of the Carnot cycle box and a much more complete filling of the box due to the increased pressure ratio are achieved. However, as has been explained, entropy never plays a role in terms of efficiency. The advanced Cheng cycle increases the pressure ratio by the back pressure of the compressor, with limits set by a pressure pulse range, to recover energy at the top of the cycle diagram within the Carnot box.
In Fig. 9 ist der Wirkungsgrad gegenüber der XMIX- Bedingung dargestellt. 30 ist die Kurve, die ähnlich der in Fig. 2 dargestellten den Wirkungsgrad im Verhältnis zur Dampfeinlaßrate aus dem Stand der Technik angibt. Bei 31 wird die gleiche Turbineneinlaßtemperatur angenommen. Die obere Temperatur der Dampfwiedergewinnung ist auf die Kompressor- Luftauslaßtemperatur begrenzt, wodurch ermöglicht ist, vor dem Erreichen des Spitzenwirkungsgrads mehr Dampf wiederzugewinnen, wobei jedoch ein geringer Abfall des Wirkungsgrads auftritt, wie in den Beispielen aus dem Stand der Technik angegeben ist. Weil 30 durch den Dampfeinlaß behindert ist, sollte der tatsächliche Betrieb des fortgeschrittenen Cheng-Zyklus bei einer Turbineneinlaßtemperatur 32 erfolgen, wobei ein Spitzenwirkungsgrad auftritt, der sogar noch höher ist als der Spitzenwirkungsgrad bei 30. Selbst die Temperatur des überhitzten Dampfs ist geringer als die maximale Überhitzungstemperatur im Stand der Technik. Daher wird durch die Fähigkeit, die Turbineneinlaßtemperatur durch den Dampfeinlaß zurückzugewinnen, der Wirkungsgrad wiederhergestellt oder erhöht.In Fig. 9 the efficiency is shown against the XMIX condition. 30 is the curve which, similar to that shown in Fig. 2, indicates the efficiency versus the steam inlet rate of the prior art. At 31 the same turbine inlet temperature is assumed. The upper Steam recovery temperature is limited to the compressor air outlet temperature, allowing more steam to be recovered before peak efficiency is reached, but with a small drop in efficiency as indicated in the prior art examples. Because 30 is hindered by the steam inlet, actual operation of the advanced Cheng cycle should occur at a turbine inlet temperature 32, with peak efficiency even higher than the peak efficiency at 30. Even the superheated steam temperature is less than the maximum superheat temperature in the prior art. Therefore, the ability to recover the turbine inlet temperature through the steam inlet restores or increases efficiency.
Durch bevorzugtes Kühlen der Kühlschaufeln durch gesättigten Dampf, der normalerweise eine Temperatur hat, die geringer ist als die Kompressorauslaßtemperatur, kann diese Fähigkeit des Erhöhens der Turbineneinlaßtemperatur wiederum bei einer maximalen Dampftemperatur erhalten werden.By preferentially cooling the cooling blades by saturated steam, which is normally at a temperature lower than the compressor outlet temperature, this ability to increase the turbine inlet temperature can again be maintained at a maximum steam temperature.
In Fig. 10 sind Wärmeübertragungs-Temperaturprofile dargestellt, wenn gewählt wird, daß die Dampftemperatur durch die Kompressoraustrittstemperatur 42 begrenzt ist. Gewöhnlich würde die eingeschränkte Turbineneinlaßtemperatur auf der Abgastemperatur 41 liegen. Weil die Turbinenschaufeltemperatur jedoch konstant gehalten werden kann, als ob kein Dampf eingelassen wird, kann bei der höheren Einlaßtemperatur 43 gearbeitet werden. Dies gibt an, daß die Dampfwiedergewinnung durch 44 erzeugt wird und weiterhin mehr Dampfenergie wiedergewonnen wird, wobei die obere Temperatur in diesem Fall jedoch durch die Kompressor-Luftauslaßtemperatur begrenzt ist, so daß die Begrenzung der Turbineneinlaßtemperatur auf einen niedrigeren Wert aufgehoben wird.In Fig. 10, heat transfer temperature profiles are shown when the steam temperature is chosen to be limited by the compressor outlet temperature 42. Usually, the limited turbine inlet temperature would be at the exhaust gas temperature 41. However, because the turbine blade temperature can be held constant as if no steam is being admitted, operation can be carried out at the higher inlet temperature 43. This indicates that steam recovery is generated by 44 and more steam energy continues to be recovered, but the upper temperature in this case is limited by the compressor air outlet temperature, so that the limitation of the turbine inlet temperature to a lower value is removed.
In Fig. 11 ist die Aufnahme aller Merkmale des fortgeschrittenen Cheng-Zyklus dargestellt, die das TS- Diagramm aus dem Stand der Technik (Cheng-Zyklus) ändern. Es ist zuerst ersichtlich, daß der Carnot-Zyklus-Kasten eine höhere Temperatur 50' hat, was bedeutet, daß der natürliche Wirkungsgrad des Carnot-Zyklus verbessert ist. Er ist weiterhin durch das höhere Druckverhältnis verbessert, das durch die zusätzliche Fläche A' angegeben ist. Er ist überdies durch die zusätzliche Fläche verbessert, die durch den Dampf im Dampfzyklus als C, C', C" usw. erzeugt werden kann.In Fig. 11 the inclusion of all features of the advanced Cheng cycle is shown, which change the TS diagram from the state of the art (Cheng cycle). It First, it is seen that the Carnot cycle box has a higher temperature 50', which means that the natural efficiency of the Carnot cycle is improved. It is further improved by the higher pressure ratio, which is indicated by the additional area A'. It is further improved by the additional area that can be created by the steam in the steam cycle as C, C', C" etc.
In Fig. 12 ist die Begrenzung des Druckimpulsbereichs und der Druckverhältniserhöhung des Kompressors dargestellt. Die Strömungsrate ist durch Fig. 12 shows the limitation of the pressure pulse range and the pressure ratio increase of the compressor. The flow rate is given by
angegeben, was die Kompensation für die Turbineneinlaßtemperatur und Umgebungsdruckbedingungen ist. Auf der vertikalen Achse ist das Druckverhältnis des Kompressorauslasses abgetragen, und die Linien N&sub1;, N&sub2; und N&sub3; sind Linien konstanter Umdrehungsgeschwindigkeit des Kompressors. Die gepunktete Linie stellt die Kompressor-Festfahrlinie dar, die die Druckverhältnislinien nie übersteigen darf. Das Hochfahren einer gewöhnlichen Gasturbine steht in Übereinstimmung mit einer Hochfahrlinie, so daß, wenn ein hoher Druck erreicht wird, dieser normalerweise durch eine höhere Turbineneinlaßtemperatur erhalten wird und die Umdrehungsgeschwindigkeit ansteigt. Wenn er jedoch für eine Leistungserzeugung verwendet wird, läuft die Turbine bei einer konstanten Umdrehungsgeschwindigkeit.which is the compensation for the turbine inlet temperature and ambient pressure conditions. On the vertical axis is the pressure ratio of the compressor outlet and the lines N1, N2 and N3 are lines of constant rotational speed of the compressor. The dotted line represents the compressor stall line which must never exceed the pressure ratio lines. The start-up of an ordinary gas turbine is consistent with a start-up line so that when a high pressure is achieved, it is normally maintained by a higher turbine inlet temperature and the rotational speed increases. However, when used for power generation, the turbine runs at a constant rotational speed.
In diesem Fall ist die Umdrehungsgeschwindigkeit N&sub3;. Die Erhöhung der Ausgangsleistung ist nicht auf die Erhöhung der Umdrehungsgeschwindigkeit zurückzuführen. Daher führt die Erhöhung der Turbineneinlaßtemperatur dazu, daß ein höheres Einlaßströmungsvolumen durch die Bereiche der Turbinenschaufeln treten muß, wofür ein höheres Kompressionsverhältnis erforderlich ist. Daher ist bei einem einfachen zyklischen Einzelwellen-Leistungserzeugungsvorgang der Druckimpulsbereich eines Kompressorkennfelds gewöhnlich groß, um die Leerlaufbedingung der Turbineneinlaßtemperatur über den ganzen Bereich bis zum Vollastbetrieb zu ermöglichen.In this case, the rotation speed is N3. The increase in output power is not due to the increase in rotation speed. Therefore, the increase in turbine inlet temperature results in a higher inlet flow volume having to pass through the turbine blade areas, which requires a higher compression ratio. Therefore, in a simple single-shaft cyclic power generation process, the pressure pulse range of a compressor map is usually large to accommodate the idle condition of the turbine inlet temperature over the entire range up to full load operation.
Im Stand der Technik (Cheng-Zyklus) wurde das Öffnen der Turbinenbereiche erwogen, damit der Druckimpulsbereich den Druckimpulsbereich des Kompressors nicht übersteigt. Das Zulassen von Dampf und höheren Temperaturen beim fortgeschrittenen Cheng-Zyklus ist jedoch nicht nur beim Verschließen des Turbinenströmungsbereichs zum Erhöhen des Druckverhältnisses nützlich, sondern führt auch zu einem höheren Wirkungsgrad und einer höheren Ausgangsleistung bei der Arbeit. Dies ist der Grund dafür, daß der fortgeschrittene Cheng-Zyklus das hohe Druckverhältnis der Turbinen ermöglichen kann.In the prior art (Cheng cycle), opening the turbine sections was considered so that the pressure pulse range does not exceed the pressure pulse range of the compressor. However, allowing steam and higher temperatures in the advanced Cheng cycle is not only useful in closing the turbine flow section to increase the pressure ratio, but also results in higher efficiency and higher output power at work. This is the reason why the advanced Cheng cycle can enable the high pressure ratio of the turbines.
In Fig. 1 wurde der Betrieb aus dem Stand der Technik hinsichtlich Kraftstoff-Strömungsraten und des Wirkungsgrads (wie im Allison-Katalog in Tabelle 1) als ein auf den Parametern des Cheng-Zyklus beruhendes Beispiel beschrieben, wobei die Dampftemperatur 50ºF (10ºC) unterhalb der Abgastemperatur der Turbine liegt. Weil das Druckverhältnis der Gasturbine 9,3 beträgt und die Kompressorauslaßtemperatur geringer ist, wird ein Beispiel des Betriebs des fortgeschrittenen Cheng-Zyklus gegeben, wobei die Dampfwiedergewinnungstemperatur durch die Kompressorauslaßtemperatur der Gasturbine begrenzt ist. Ein Beispiel des Energiegleichgewichts und der Verbesserung des Wirkungsgrads und der Ausgangsleistung ist ein Vergleich des Betriebs des Cheng-Zyklus bei 1800ºF (982ºC), der durch die aktuellen Allison-Garantiewerte auf 1895ºF (1035ºC) begrenzt ist, wobei die Gasturbine nur wahlweise vorgesehen ist (Spalte 501KH in Tabelle 1), und des fortgeschrittenen Cheng-Zyklus, wobei die Turbinenschaufeltemperatur nun durch die Temperatur des überhitzten Dampfs auf eine niedrigere gewählte Überhitzungstemperatur geregelt ist (siehe Fig. 2), die in bezug zur Kompressorauslaßtemperatur für eine gegebene Turbine steht. Beispielsweise ergibt sich nur beim Vergleich des Stands der Technik (Cheng-Zyklus) mit dem fortgeschrittenen Cheng-Zyklus eine Dampftemperatur von 700ºF (371ºC).In Fig. 1, prior art operation in terms of fuel flow rates and efficiency (as in the Allison catalog in Table 1) was described as an example based on Cheng cycle parameters, with the steam temperature 50ºF (10ºC) below the turbine exhaust temperature. Because the gas turbine pressure ratio is 9.3 and the compressor discharge temperature is lower, an example of advanced Cheng cycle operation is given with the steam recovery temperature limited by the gas turbine compressor discharge temperature. An example of energy balance and efficiency and output improvement is a comparison of operation of the Cheng cycle at 1800ºF (982ºC), limited by the current Allison warranty values to 1895ºF (1035ºC), with the gas turbine only optional (column 501KH in Table 1), and the advanced Cheng cycle, with the turbine blade temperature now controlled by the superheated steam temperature to a lower selected superheat temperature (see Fig. 2) related to the compressor discharge temperature for a given turbine. For example, comparing the prior art (Cheng cycle) to the advanced Cheng cycle only results in a steam temperature of 700ºF (371ºC).
Es ist im Hinblick auf den Betrieb anhand der Figuren offensichtlich, daß der Überhitzer der Einheit kleiner ist und daß wegen der so großen Temperaturdifferenz bei der Wärmeübertragung auf den Verdampfer die Oberflächenerhöhung infolge der zusätzlichen Dampferzeugung nicht ausreichend hoch ist, so daß die Gesamtkosten des Kessels verringert werden. Andererseits werden der Wirkungsgrad und die Leistung erhöht, was dazu führt, daß der fortgeschrittene Cheng-Zyklus einen höheren Wirkungsgrad und geringere Herstellungskosten aufweist, wodurch ein kommerzieller Vorteil für den Wettbewerb auf dem Markt angegeben wird.It is obvious from the operational viewpoint of the figures that the superheater of the unit is smaller and that because of such a large temperature difference in the heat transfer to the evaporator, the surface increase due to the additional steam generation is not sufficiently high, so that the overall cost of the boiler is reduced. On the other hand, the efficiency and power are increased, which leads to the advanced Cheng cycle having a higher efficiency and a lower manufacturing cost, thus giving a commercial advantage for competition in the market.
Der Hochfahrvorgang für den fortgeschrittenen Cheng- Zyklus ist in Fig. 6 dargestellt. Das Ventil 25 ist geschlossen, bis Bedarf am Dampfeinlaß besteht. Die Kesseltrommel 27 wird entweder durch die im Kessel verbleibende Wärme auf einen festgelegten Druck gelegt oder wahlweise über das steuernde Regelventil 24 durch die Stickstoffflasche 29 unter Druck gesetzt. Beim Hochfahren wird die Gasturbine unter der Annahme angelassen, daß bei ihr kein Dampfeinlaß auftritt und die festgelegte Turbineneinlaßtemperatur zuerst für ihren einfachen Gaszyklusbetrieb erreicht wird. Wegen der sehr hohen Abgastemperatur T5 wird durch die Dampferzeugungseinheiten 14 und 15 unabhängig von den Wasserniveaubedingungen im Kessel sehr schnell Dampf erzeugt, was vollkommen verschieden von allen heutigen Kesselbetriebsarten ist.The start-up procedure for the advanced Cheng cycle is shown in Fig. 6. The valve 25 is closed until there is a demand for steam inlet. The boiler drum 27 is either pressurized to a set pressure by the heat remaining in the boiler or alternatively pressurized by the nitrogen bottle 29 via the controlling regulator valve 24. During start-up, the gas turbine is started on the assumption that it will not experience steam inlet and that the set turbine inlet temperature is reached first for its simple gas cycle operation. Because of the very high exhaust gas temperature T5, steam is generated very rapidly by the steam generating units 14 and 15 regardless of the water level conditions in the boiler, which is completely different from any present-day boiler operation.
Wenn der Kesseldruck den festgelegten Druck übersteigt, wird das Dampfventil 25 allmählich geöffnet, um den Druck in der Trommel 27 so zu halten, daß Dampf in die Gasturbine eingelassen wird. Wenn die volle Dampfmenge erzeugt wird, sollte der Trommeldruck 8 höher sein als der durch das Ventil 24 für den Regler festgelegte Druck. Die Dampfrate wird durch ein Steuersystem mit der Kraftstoffströmung durch die Turbine synchronisiert. Während Lastschwankungen wird der Dampf nach erwarteten Dampfbedingungen entsprechend einem vorausschauenden Strömungssteuerschema eingelassen, weil ein höherer Druck in der Trommel 27 vorhanden ist und stets darauf gewartet werden muß, daß Dampf erzeugt wird. Die Koordination zwischen der Kraftstoffströmung und der Dampfströmung verhält sich wie ein Vergaser bei einem Verbrennungsmotor, so daß die Turbineneinlaßtemperatur T4 stets unter Kontrolle ist. Unter Teillastbedingungen wird T4 verringert und die maximale Wärmemenge durch die Wärmewiedergewinnungsgeneratoren wiedergewonnen. Im Fall eines Kombinations-Generatorbetriebs bei Nacht ist eine maximale Dampferzeugung durch die Wärmewiedergewinnungsgeneratoren erforderlich. Im Fall eines Kombinations-Generatorbetriebs bei Nacht, in dem die maximale Dampferzeugung erforderlich ist, jedoch eine minimale elektrische Last erforderlich ist, wird der Dampf vollkommen durch das Kombinations-Generatorventil 17 umgeleitet, und das Ventil 25 wird geschlossen und das Ventil 23 leicht geöffnet, um eine kleine Menge gesättigten Dampfs durch den Überhitzer zu leiten, um ihn für den Kombinations-Generatorbetrieb in der Mischkammer 22 zu mischen. Hierdurch wird die Oberfläche des Überhitzers selbst dann geschützt, wenn kein Dampf in die Gasturbine eingeleitet wird. Der Punkt des Spitzenwirkungsgrads für ein gegebenes Dampf-Luft-Verhältnis gilt noch immer, selbst wenn die Dampftemperatur auf den Kompressorauslaß begrenzt ist, weil bei der niedrigeren Dampftemperatur Wirkungsgrad verlorengeht. Der fortgeschrittene Cheng-Zyklus begrenzt die obere Temperatur nicht durch die Abgastemperatur der Gasturbine, sondern durch die Auslaßtemperatur des Kompressors, wodurch das Erzeugen zusätzlicher Wärme in Form zusätzlichen Dampfs ermöglicht wird. Der Kaskadeneffekt, daß mehr Dampf sogar noch mehr Dampf erzeugt, ist der einzige Gesichtspunkt des Zyklus, der dafür sorgt, daß der ganze fortgeschrittene Cheng-Zyklus viel besser funktioniert als derjenige aus dem Stand der Technik (Cheng-Zyklus), ohne daß die Begrenzung der metallurgischen Temperaturen von Turbinenschaufeln auftritt, wie es im Stand der Technik der Fall war.When the boiler pressure exceeds the set pressure, the steam valve 25 is gradually opened to maintain the pressure in the drum 27 so that steam is admitted to the gas turbine. When the full amount of steam is being produced, the drum pressure 8 should be higher than the pressure set by the valve 24 for the governor. The steam rate is synchronized with the fuel flow through the turbine by a control system. During load fluctuations, the steam is admitted according to expected steam conditions according to a predictive flow control scheme because a higher pressure is present in the drum 27 and one must always wait for steam to be generated. The coordination between the fuel flow and the steam flow behaves like a carburetor in an internal combustion engine so that the turbine inlet temperature T4 is always under control. Under part load conditions, T4 is reduced and the maximum amount of heat is recovered by the heat recovery generators. In the case of night-time combination generator operation, maximum steam generation by the heat recovery generators is required. In the case of night-time combination generator operation where maximum steam generation is required but a minimum electrical load is required, the steam is completely bypassed through the combination generator valve 17 and the valve 25 is closed and the valve 23 is slightly opened to pass a small amount of saturated steam through the superheater for mixing in the mixing chamber 22 for the combination generator operation. This protects the superheater surface even when no steam is being introduced into the gas turbine. The peak efficiency point for a given steam-air ratio still applies even when the steam temperature is limited to the compressor outlet because efficiency is lost at the lower steam temperature. The advanced Cheng cycle limits the upper temperature not by the gas turbine exhaust temperature but by the compressor outlet temperature, thus allowing additional heat to be generated in the form of additional steam. The cascade effect of more steam generating even more steam is the only aspect of the cycle that makes the entire advanced Cheng cycle work much better than the prior art (Cheng cycle) without the limitation of turbine blade metallurgical temperatures that occurred in the prior art.
Zusammenfassend sei bemerkt, daß die Änderung der Turbinenfläche zum Anpassen der Kompressoreigenschaften in der Vergangenheit durch Öffnen des Turbinenströmungsbereichs zum Aufnehmen zusätzlichen Dampfs vorgenommen wurde, um das ursprüngliche Kompressorauslaßdruck-Verhältnis anzupassen. Dies gilt in keiner Weise mehr für den fortgeschrittenen Cheng-Zyklus, weil das Anpassen des Kompressorauslasses mit zusätzlichem Dampf ermöglicht, daß dabei das Druckverhältnis nur begrenzt durch den für eine gegebene festgelegte Turbineneinlaßtemperatur vernünftigen umgekehrten Druckimpulsbereich für den Kompressor erhöht wird. Wenn dies geschieht, ist die Luftauslaßtemperatur des Kompressors daher tatsächlich höher als die Temperaturen beim ursprünglichen Gasturbinenbetrieb allein. Daher ist eine Temperatur unterhalb der tatsächlichen Auslaßtemperatur des Kompressors zu empfehlen, um zum Erzielen einer besseren Turbinenkühlung eine Anpassung an die ursprüngliche Auslaßtemperatur zu bewirken. Aus diesem Grund ist die Anpassung der Öffnung der Turbinenflächen so klein wie möglich, um einen Staudruck auf den Kompressor auszuüben, damit ein höheres Druckverhältnis erzielt wird. Daher werden die Parameter des Zyklus hinsichtlich des Druckverhältnisses, der Turbineneinlaßtemperatur und der Überhitzungstemperatur, wodurch die Dampfmenge begrenzt wird, in ähnlicher Weise wie im Stand der Technik (Cheng-Zyklus) verknüpft, es wird dabei jedoch hinsichtlich der Dampf-Luft-Verhältnisse in einem anderen Bereich gearbeitet, um den hohen Wirkungsgrad und die hohe Ausgangsleistung zu erzielen.In summary, changing the turbine area to adjust compressor characteristics has historically been done by opening the turbine flow area to accept additional steam to adjust the original compressor discharge pressure ratio. This is no longer true for the advanced Cheng cycle because adjusting the compressor discharge with additional steam allows the pressure ratio to be increased only limited by the reasonable reverse pressure pulse range for the compressor for a given fixed turbine inlet temperature. When this occurs, the compressor discharge air temperature is therefore actually higher than the temperatures during original gas turbine operation alone. Therefore, a temperature below the actual compressor discharge temperature is recommended to adjust to the original discharge temperature for better turbine cooling. For this reason, the adjustment of the opening of the turbine surfaces is as small as possible to exert a back pressure on the compressor in order to achieve a higher pressure ratio. Therefore, the parameters of the cycle in terms of pressure ratio, turbine inlet temperature and superheat temperature, which limits the amount of steam, are linked in a similar way to the prior art (Cheng cycle), but it works in a different range in terms of steam-air ratios in order to achieve the high efficiency and high output power.
Damit bei dem Beispiel 501KB zu KH mit Dampfeinlaß wird, wird das Druckverhältnis von 9,3 : 1 auf 11,5 : 1 erhöht. Hierdurch wird wiederum der Wirkungsgrad erhöht. Auch die Turbineneinlaßtemperatur wird nun so eingestellt, daß bei den Temperaturen einer Gasturbine mit einem einfachen Zyklus gearbeitet wird. Der Zyklus ist nicht mehr durch einen Einzelpunktbetrieb begrenzt, weil durch den Betrieb des Cheng-Zyklus aus dem Stand der Technik ersichtlich ist, daß bei einem Kombinations-Generatorbetrieb der Dampf zwischen einer Kombinations-Generatoranforderung und Einlaßanforderungen für die Leistungserzeugung umgeschaltet werden kann. Durch eine zusätzliche Leitungsverbrennung kann Dampf erzeugt werden, ohne daß nur die Abwärme von der Turbine verwendet wird, so daß die elektrische Leistung oder die mechanische Ausgangsleistung und der Dampfbedarf vollkommen unabhängig sein können.In order for the example 501KB to become KH with steam inlet, the pressure ratio is increased from 9.3:1 to 11.5:1. This in turn increases the efficiency. The turbine inlet temperature is also now set so that a simple cycle is used at the temperatures of a gas turbine. The cycle is no longer limited by single-point operation because it is clear from the operation of the Cheng cycle from the state of the art that in a combination generator operation, the steam can be switched between a combination generator demand and intake demands for power generation. By adding line combustion, steam can be generated without using only the waste heat from the turbine, so that the electrical power or mechanical output and the steam demand can be completely independent.
Allison-Spezifikationen für industrielle Gasturbinenmaschinen 501-K-SpezifikationenAllison Specifications for Industrial Gas Turbine Engines 501-K Specifications
Betriebsbedingungen: Internationaler Standardtag - Meeresniveau - keine Verluste 59ºF/15ºC - Nenndampf eingelassen [C] Operating Conditions: International Standard Day - Sea Level - No Losses 59ºF/15ºC - Nominal Steam Inlet [C]
[A] Auf der Grundlage gasförmigen Kraftstoffs[A] Based on gaseous fuel
[B] Einschließlich einer Leistungsturbine[B] Including one power turbine
[C] Auf der Grundlage von 5 lb/s (2,2 kg/s) Dampfeinlaß bei 90ºF (32,2ºC)[C] Based on 5 lb/s (2.2 kg/s) steam inlet at 90ºF (32.2ºC)
[D] Abhängig von der gewählten Turbinenleistung[D] Depending on the selected turbine power
Vergleich der Funktionsweiseverbesserungen zwischen dem Cheng-Zyklus 501KH und dem fortgeschrittenen Cheng-Zyklus 501KH Comparison of functionality improvements between Cheng Cycle 501KH and Advanced Cheng Cycle 501KH
[A] Ausgangstemperatur des Luftkompressors ohne Erhöhung des Ausgangsdrucks[A] Initial temperature of Air compressor without increasing the output pressure
[B] Infolge der höheren Wärmeleitfähigkeit im heißen Strom ist eine etwas geringere Dampf-HRSG-Temperatur empfohlen, um die Temperatur der Schaufeloberfläche aufrechtzuerhalten.[B] Due to the higher thermal conductivity in the hot stream, a slightly lower steam HRSG temperature is recommended to maintain the blade surface temperature.
Anhand der vorstehenden Tabelle 2 ergibt sich, daß die Dampftemperatur unter ISO-Bedingungen bei der Auslaßtemperatur bei maximaler Ausgangsleistung des Kompressors 200ºF (93,3ºC) und 45ºF (7,2ºC) kühler ist. Im heißen Sommer und kalten Winter sollte die Temperatur im Durchschnitt etwa 700ºF (371ºC) betragen. Die Klemmtemperatur (oder die Halstemperatur) beträgt etwa 100ºF (37,7ºC). Der Wirkungsgrad ist 3% höher und die Ausgangsleistung ist 1627 PS (1213 kW) größer.From Table 2 above, the vapor temperature under ISO conditions is 200ºF (93.3ºC) and 45ºF (7.2ºC) cooler at the discharge temperature at maximum compressor output. In hot summer and cold winter, the temperature should average about 700ºF (371ºC). The clamp temperature (or throat temperature) is about 100ºF (37.7ºC). The efficiency is 3% higher and the output is 1627 hp (1213 kW) higher.
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