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Die Erfindung bezieht sich auf eine
Gasturbine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie
auf ein Regelverfahren zum Regeln der Gasturbine.
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In den letzten Jahren hat man als
Kraftstoff, der einer Brennkammer einer Gasturbine zugeführt und
verbrannt wird, verschiedene Kraftstoffe verwendet, beispielsweise
in einem Kohlvergasungsofen erzeugtes Gas, ein in einem Hochofen
oder Koksofen erzeugtes Gas (Nebenproduktgas) usw.. Solche Gase
haben jedoch die Eigenschaft, dass der Heizwert niedriger ist als
bei einem üblichen
Kraftstoff. Die JP A 60-222531 offenbart, dass ein Kraftstoff-Luft-Verhältnis so
reguliert wird, dass es richtig ist, indem ein Luftverdichter und
ein Kraftstoffverdichter vorgesehen werden, die mit mehrstufigen
variablen Schaufeln versehen sind, und indem die mehrstufigen variablen
Schaufeln entsprechend dem Heizwert des in der Brennkammer zu verbrennenden Kraftstoffs
geregelt werden.
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Bei der oben erwähnten Vorrichtung ist jedoch
die Konstruktion des Verdichters kompliziert. Außerdem hat ein üblicher
Kraftstoff, wie LNG, einen Heizwert von etwa 10.000 kcal/kg, während der
Heizwert eines Nebenproduktgases aus einem Hochofen beispielsweise
etwa 1.000 kcal/kg beträgt,
was niedrig ist und etwa 1/10 desjenigen des üblichen Kraftstoffs beträgt. Zur
Erzeugung eines Gases mit hoher Temperatur und hohem Druck durch
Verbrennung eines Kraftstoffgases mit niedrigem Heizwert in gleicher
Weise, als wenn ein üblicher
Kraftstoff zugeführt würde, ist
es erforderlich, das Kraftstoffgas mit einem größeren Durchsatz (etwa das 10fache
in diesem Fall) einzublasen als den üblichen Kraftstoff entsprechend
dem Heizwert des Kraftstoffgases. Wenn auf diese Weise viel Verbrennungsgas
in die Turbine strömt,
steigt der Förderdruck
des Verdichters, und die Pumpgrenze des Verdichters nimmt ab. Wenn
andererseits ein Verdichter mit geringerer Luftleistung als ein
Gasturbinenverdichter für
einen üblichen Kraftstoff
verwendet wird, um den Förderdruck
konstant zu machen, so dass die Verbrennungsgasmenge, die in die
Turbine strömt,
die gleiche wird wie diejenige in der Turbine, die für einen üblichen
Kraftstoff verwendet wird, kann einer solchen Anforderung nicht
durch nur einen derartigen Verdichter in einem Fall genügt werden,
indem eine Vielzahl von Kraftstoffgasen mit unterschiedlichem Heizwert
der Brennkammer zugeführt
werden.
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In der
US 2 826 038 A ist eine Gasturbine mit einem
Verdichter, mit einer Brennkammer, der ein erstes Kraftstoffzufuhrsystem
für eine
Zufuhr eines ersten Kraftstoffs und ein zweites Kraftstoffzufuhrsystem
für eine
Zufuhr eines zweiten Kraftstoffs mit einem Heizwert, der geringer
ist als der des ersten Kraftstoffs, aufweist und von dem Kompressor
geförderte
verdichtete Luft und Kraftstoff verbrennt, der durch Umschalten
zwischen dem ersten Kraftstoffzufuhrsystem und dem zweiten Kraftstoffzufuhrsystem zugeführt wird,
mit einer Turbine, die mit dem Verdichter über eine Welle verbunden ist
und durch Verbrennungsgas aus der Brennkammer angetrieben wird,
mit einem Extraktionssystem zum Extrahieren eines Teils der verdichteten
Luft, die der Brennkammer von dem Verdichter aus zugeführt wird,
und mit einem Umgehungsventil, das an dem Extraktionssystem vorgesehen
ist, offenbart. Wenn die Gasturbine mit Kraftstoff betrieben werden
soll, der einen Heizwert hat, der niedriger ist als derjenige, für den die Gasturbine
ausgelegt ist, muss ein größerer Massenstrom
vorgesehen werden, um die gewünschte
Düsentemperatur
in der Turbine zu erreichen. Damit der gesamte Massenstrom durch
die Turbine nicht größer wird
als derjenige, für
den die Turbine ausgelegt ist, ist es erforderlich, den Massenstrom
der der Verbrennungskammer zugeführten
Luft um eine Menge zu reduzieren, die zu dem zusätzlichen Massenstrom des Kraftstoffs äquivalent
ist. Für
diesen Zweck ist in dem Extraktionssystem das Umgehungsventil vorgesehen.
Durch Öffnen
des Umgehungsventils wird die überschüssige verdichtete
Luft zu einer Expansionseinrichtung geführt, in welcher die Energie
in Nutzarbeit umgewandelt wird.
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Aus der
EP 0 501 313 A1 ist ein
Verfahren zum Regeln einer Verbrennungsvorrichtung bekannt, die
einen Vormischbrenner und einen Diffusionsbrenner hat, wobei die
Menge der dem Vormischbrenner zugeführten Luft entsprechend dem
Heizwert des zuzuführenden
Kraftstoffs geregelt wird, so dass man ein niedriges Nox in einem
Bereich erhält,
in dem der Vormischbrenner eine stabile Verbrennung bewirkt.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung
besteht darin, eine Gasturbine bereitzustellen, die in der Lage ist,
in einem Fall, in dem Kraftstoffe mit unterschiedlichem Heizwert
in die Brennkammer eingeführt
werden, stabil zu arbeiten.
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Dieses Ziel wird durch eine Gasturbine
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Bevorzugte Ausgestaltungen
der Gasturbine der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 2 und
3.
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Das Ziel wird weiterhin durch ein
Regelverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 4 erreicht.
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Wenn die Menge der extrahierten Luft
erfindungsgemäß durch
Einstellen der Öffnung
des Regelventils in Übereinstimmung
mit dem Heizwert des zweiten Kraftstoffs geregelt wird, kann die
Gasturbine stabil und leicht geregelt werden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine Ansicht eines Gasturbinensystems einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung,
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2 ist
eine Ansicht eines Gasturbinensystems einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung,
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3 zeigt
in einem Diagramm die Abhängigkeit
der Last vom Verdichterförderdruck
in Beziehung zur Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung,
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4 zeigt
in einem Diagramm die Abhängigkeit
der Last vom Verdichterförderdruck
bezogen auf die Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung,
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5 zeigt
in einem Diagramm die Abhängigkeit
der Extraktionsstrommengen vom Verdichterförderdruck unter der Bedingung,
dass die Verbrennungstemperatur konstant ist, bezogen auf die Ausgestaltung
der vorliegenden Erfindung, und
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6 zeigt
in einem Diagramm die Abhängigkeit
der Heizwerte des Kraftstoffgases und der Extraktionsstrommengen,
um den Kompressorförderdruck
konstant zu halten, bezogen auf die Ausgestaltung der vorliegenden
Erfindung.
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Beschreibung
der Ausführungsformen
der Erfindung
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Anhand von 1 wird eine Gasturbine einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung erläutert.
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Es wird auf Kohle Bezug genommen,
da die Kohlenreserven umfangreicher sind als die von Öl und die
Kohle als Austausch für Öl verwendet
werden kann. Deshalb wird in den letzten Jahren ein Kraftwerk in
Betracht gezogen, das ein Gas verwendet, das in einem Kohlevergasungsofen
als Kraftstoff für eine
Brennkammer einer Gasturbine als fossile Kraft werksausrüstung erzeugt
wird. Andererseits wird ein Nebenproduktgas, das in einem Hochofen
und Koksofen einer Eisenhütte
erzeugt wird, einem Blasofen, einem Heizofen usw. zugeteilt, es
kann jedoch in einigen Fällen
für die
Umwandlung in die elektrische Leistung verwendet werden, so dass
es eine hohe Anpassfähigkeit
hat. Das Nebenproduktgas aus dem Hochofen und dem Koksofen hat jedoch
nicht nur einen niedrigen Heizwert, sondern auch einen niedrigen
Druck, so dass es erforderlich ist, es in dem Fall unter Druck zu
setzen, in dem das Nebenproduktgas als Kraftstoff für eine Gasturbine
verwendet wird.
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Über
eine Welle 401 ist ein durch die Atmosphäre 111 gespeister
Verdichter 101 mit einer Turbine 102 verbunden. Über eine
Welle 402 ist die Turbine 102 mit einem Verdichter 114 für ein Gas
mit niedrigem Heizwert zur Druckerhöhung verbunden. Eine Last (ein
Generator) 103 ist an eine Welle 403 angeschlossen,
die mit dem Verdichter für
das Gas mit niedrigem Heizwert verbunden ist. Aus dem Verdichter 101 abgeführte verdichtete
Luft wird einer Brennkammer 104 zum Verbrennen von Kraftstoff
zugeführt.
Das aus der Brennkammer 104 abgeführte Verbrennungsgas wird der
Turbine 102 für
ihren Antrieb zugeführt.
Das Abgas 112 aus der Turbine 102 wird als Wärmequelle
für einen
Abwärme-Rückgewinnungskessel
usw., falls erforderlich, verwendet.
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Die verdichtete Luft, deren Druck
durch den Verdichter 101 erhöht wurde, wurde durch eine
Extraktionsleitung 116, die mit einem Regelventil 117 zum
Regeln des Durchsatzes versehen ist, einer Expansionseinrichtung 113 zugeführt, beispielsweise einer
Expansionsturbine, usw., die ohne Anschluss an die Welle gesondert
angeordnet ist, die die Turbine 102 anschließt. Aus
der Expansionseinrichtung 113 austretendes Abgas 118 wird
beispielsweise Luft benötigenden
Abschnitten in der Anlage zugeführt.
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Die Expansionseinrichtung 113 ist
mit einem Verdichter 114 für Gas mit niedrigem Heizwert
für eine
Druckerhöhung über eine
Welle 405 verbunden, um den Druck das Gases 105 mit
niedrigem Heizwert zu erhöhen,
das von einer Zuführeinrichtung
für Gas mit
niedrigem Heizwert zugeführt
wird. Dem Verdichter 115 für die Druckerhöhung von
Gas mit niedrigem Heizwert, der mit der Turbine 102 durch
die Welle 402 verbunden ist, wird ein primäres Druckgas 106 mit
niedrigem Heizwert zugeführt,
das durch den Verdichter 114 für Gas mit niedrigem Heizwert
mit Druck beaufschlagt wurde. Über
eine Zuführleitung 107 für Kraftstoff
mit niedrigem Heizwert und ein Durchsatzregulierventil 108 für Gas mit
niedrigem Heizwert zur Steuerung des Durchsatzes des Gases mit niedrigem
Heizwert wird dem Verdichter 104 ein sekundäres Druckgas
mit niedrigem Heizwert zugeführt,
das durch seinen Verdichter 115 mit Druck beaufschlagt wurde.
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Andererseits wird ein üblicher
Kraftstoff mit hohem Heizwert, beispielsweise Öl, LNG, usw., aus einer üblichen
Kraftstoffzuführeinrichtung
durch einen übliche
Kraftstoffzuführleitung 109 zugeführt. Die Zuführleitung 109 ist
mit einem Durchsatzregelventil 110 zum Regeln des Durchsatzes
des der Brennkammer 104 zugeführten Kraftstoffs versehen.
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An der Zuführleitung 107 um das
Durchflussregelventil 108 für das oben erwähnte Gas
mit niedrigem Heizwert herum ist eine Erfassungsvorrichtung 130 zum
Erfassen eines Kraftstoff Heizwerts angeordnet. Es können auch
beliebige andere Detektoren verwendet werden, solange die Kraftstoffheizwerte erfasst
werden können.
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Es ist ein Regler 120 zum
Regeln jedes der Durchsatzregelventile 117, 110, 108 vorgesehen.
In die Regeleinrichtung 120 wird ein Lastsignal 123 von einem
Lastdetektor zum Erfassen einer Gasturbinenlast gegeben. Die Ausführung basiert
auf Signalen aus dem Generator 103.
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Der Aufbau einer üblichen Gasturbinenanlage mit
Verdichter 101, Gasturbine 102 und Brennkammer 104 und
Last 103 (Generator) sind die gleichen wie bei einer üblichen
Gasturbinenanlage, die Kraftstoff mit üblichem Heizwert verwendet.
Im Falle von Kraftstoff mit üblichem
Heizwert wird die Flüssigkraftstoff-Zuführleitung 109 für diesen
Kraftstoff verwendet, wobei der der Brennkammer 104 zugeführte Kraftstoff
durch das Regelventil 110 geregelt und wobei ein Betrieb
bei einer konstanten Verbrennungstemperatur in einem Grundlast-Betriebsmodus
bewirkt wird. Bei dieser Ausführung
sind für
einen Kraftstoff mit Gas von niedrigem Heizwert der Verdichter 115 mit
Gas von niedrigem Heizwert für
die Druckerhöhung
eines Gases mit niedrigem Heizwert und niedrigem Speisedruck, die
Zuführleitung 107 für Kraftstoff
mit niedrigem Heizwert zum Zuführen
des Kraftstoffs mit niedrigem Heizwert zur Brennkammer 104 und
das Regelventil 108 vorgesehen. Wenn ein Gas mit niedrigem
Heizwert als Kraftstoffgas verwendet wird, wird die Zufuhr des üblichen
Kraftstoffs aus der Flüssigkraftstoff-Zuführleitung 109 unterbrochen, indem
das Regelventil 110 geschlossen wird und die Kraftstoffzufuhr
durch Öffnen
des Regelventils 108 für
Gas mit niedrigem Heizwert geöffnet
wird, das an der Zuführleitung
für Kraftstoff
mit niedrigem Heizwert vorgesehen ist. Der Ablauf wird basierend
auf einer Beziehung zwischen Abgastemperaturen der Turbine und Verdichterauslassdrucken
geregelt, so dass die Gasturbinenverbrennungstemperatur konstant
wird. Wenn jedoch der Betrieb unter dieser Bedingung fortgesetzt
wird, strömt
viel Gas mit niedrigem Heizwert in die Brennkammer 104,
um die gleiche Verbrennungstemperatur zu erreichen, als wenn ein üblicher
Kraftstoff verwendet würde,
da der Heizwert des Kraftstoffs niedrig ist. Als Folge ergibt sich das
Problem, dass das Druckverhältnis
ansteigt und die Grenze für
ein Pumpen des Verdichters absinkt. Bei der vorliegen den Ausgestaltung
wird zur Vermeidung dieses Problems eine Menge der aus dem Verdichter 101 abgezogenen
verdichteten Luft dadurch reguliert, dass eine Öffnung des Regelventils 117 eingestellt
wird. Eine Menge der extrahierten Luft wird so reguliert, dass sie
in dem Fall größer ist,
in dem der Heizwert des Kraftstoffs niedrig ist und im Falle eines
höheren
Heizwerts kleiner wird. Bei dieser Ausführungsform sind weiterhin die
Expansionseinrichtung 113 und der Verdichter 114 zur
Drucksteigerung des Gases mit niedrigem Heizwert jeweils getrennt angeordnet,
um die Leistung der abgezogenen Luft wirksam zu nutzen. Die abgezogene
Luft, die vom Auslass des Verdichters 101 zu der gesondert
Expansionseinrichtung 113 geführt wird, erzeugt durch ihre
Expansion Leistung für
den Antrieb des Verdichters 114 zur Drucksteigerung des
Gases mit niedrigem Heizwert. Die Leistung für den Verdichter 115 zur
Drucksteigerung des Gases mit niedrigem Heizwert, der an der Gasturbinenwelle
angeordnet ist, kann durch eine Leistungsmenge reduziert werden, die
für die
Druckerhöhung
durch den Verdichter 114 zur Druckerhöhen des Gases mit niedrigem
Heizwert erforderlich ist, der mit der Expansionseinrichtung 113 über die
Welle 405 verbunden ist. Dadurch kann die Leistung des
Verdichters 101 wirksam genutzt und der Betrieb mit einem hohen
Anlagenwirkungsgrad insgesamt ausgeführt werden.
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Bei dem oben erwähnten Aufbau wird primäre Druckerhöhung des
Kraftstoffgases mit niedrigem Heizwert durch den Verdichter 114 für die Druckerhöhung des
Gases mit niedrigem Heizwert bewirkt, der gesondert angeordnet ist,
während
dann seine sekundäre
Druckerhöhung
durch den Verdichter 115 zur Druckerhöhung des Gases mit niedrigem
Heizwert bewirkt wird, der mit der Gasturbine 102 verbunden
ist, wonach das Kraftstoffgas mit niedrigem Heizwert der Brennkammer 104 zugeführt wird.
Es kann jedoch auch ein solcher Aufbau vorgesehen werden, dass Kraftstoffgas
mit niedrigem Heizwert einer primären Duckerhöhung durch den Verdichter 115 zur Druckerhöhung des
Gases mit niedrigem Heizwert unterworfen wird, der mit der Gasturbine 102 verbunden
ist, wonach die sekundäre
Drucksteigerung durch den Verdichter 114 zur Druckerhöhung des
Gases mit niedrigem Heizwert folgt, der getrennt angeordnet ist,
wonach es der Brennkammer 104 zugeführt wird.
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Auf diese Weise wird eine Druckluftmenge, die
aus dem Verdichter abgezogen wird, reguliert, indem die Extraktionsleitung 116 und
das Regelventil 117 für
die Kompressorförderluft
vorgesehen werden und die von dem Verdichter 101 abgezogene
verdichtete Luft durch die Expansionseinrichtung 113 und den
Verdichter 114 für
die Druckerhöhung
des (Gases mit niedrigem Heizwert, die getrennt angeordnet sind,
wirksam genutzt wird. Dadurch kann die Gasturbine ohne eine Reduzierung
der Pumpgrenze des Verdichters 101, ohne Leistungsverringerung
auch dann, wenn die Brennkammer 104 Kraftstoff in einem weiten
Bereich des Heizwerts von etwa 1.000 kcal/kg bis zum üblichen
Kraftstoff von etwa 10.000 kcal/kg verbrennt, betrieben werden,
wobei eine Abgabeleistungs- und Wirkungsgradverringerung unterdrückt werden.
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Es wird nun der Betrieb der Gasturbinenanlage
von 1 erläutert. Zur
Hauptgasturbine 102 gehören
der Verdichter 101 und die Last 103. Der zum Anlaufzeitpunkt
zugeführte
Kraftstoff ist gewöhnlich
ein flüssiger
Kraftstoff, wie Leichtöl
oder LNG, bei dem es sich um einen üblichen Kraftstoff mit hohem
Heizwert handelt. Der übliche
Kraftstoff wird der Brennkammer 104 zugeführt, wofür die Flüssigkraftstoff-Zuführleitung 109 und
das Regelventil 108 verwendet werden, und verbrannt, indem
das Regelventil 117, das an der Extraktionsleitung 116 für die Kompressorluftextraktion
angeordnet ist, geschlossen wird. Das durch die Verbrennung in der
Brennkammer 104 erzeugte Verbrennungsgas treibt die Gasturbine 102 für den Antrieb
der Last 103, beispielsweise des Generators, an. In dem
Fall, in dem ein Kraftstoff mit niedrigem Heizwert, beispielsweise ein
Kohlvergasungsgas, das durch Vergasen von Kohle erzeugt wird, ein
Nebenproduktgas, das im Hochofen oder Koksofen erzeugt wird, als
Kraftstoff für
die Gasturbine verwendet wird, wird, da diese Art von Kraftstoff
mit niedrigem Heizwert eine schlechtere Zündbarkeit als üblicher
Kraftstoff hat, ein Flüssigkraftstoff
oder LNG-Kraftstoff mit einem hohen Heizwert vom Start auf einen
stabilen Betrieb verwendet. Wenn dann der Betrieb einen Zustand
erreicht, in dem ein Kraftstoffumschaltvorgang vom Kraftstoff mit hohem
Heizwert auf Kraftstoff mit niedrigem Heizwert möglich wird, wird der Kraftstoffumschaltvorgang ausgeführt. Bei
der Kraftstoffumschaltung wird zunächst das Regelventil 108 der
Zuführleitung 107 für Gas mit
geringem Heizwert etwas geöffnet,
um Gas mit niedrigem Heizwert in die Brennkammer 104 zu führen. Nachdem
bestätigt
ist, dass der Kraftstoff mit niedrigem Heizwert in der Brennkammer
gezündet hat,
wird das Regelventil 108 der Zuführleitung für Gas mit niedrigem Heizwert
weiter geöffnet,
um den Durchsatz an Gas mit niedrigem Heizwert zu steigern, während eine Öffnung des
Durchsatzregelventils 110 mit flüssigem Kraftstoff verkleinert
wird, um den Durchsatz von flüssigem
Kraftstoff mit hohem Heizwert zu verringern, der der Brennkammer
zugeführt
wird. Durch Ausführen
der Kraftstoffumschaltung zum Zeitpunkt eines Teillastbetriebs der
Gasturbine kann Kraftstoffumschaltung in dem Zustand ausgeführt werden,
dass das Extraktionsluft-Durchsatzregelventil 117 der
Extraktionsleitung 116 geschlossen ist, da ein ausreichender
Spielraum für
ein Druckverhältnis
vorliegt. Nach Abschluss der Kraftstoffumschaltung kann die Gasturbine
mit freier Änderung
der Gasturbinenlast arbeiten. Beispielsweise wird üblicher
Kraftstoff, wie flüssiger
Kraftstoff, usw. zum Zeitpunkt des Starts, des Anhaltens der Gasturbine
oder zu einem Zeitpunkt, an dem sich gewisse Schwierigkeiten bei
der Kraftstoffzuführung
für Kraftstoff
mit niedrigem Heizwert, beispielsweise Nebenproduktgas, usw. ergeben,
zugeführt
(in diesem Fall beispielsweise das Umschalten so reguliert, dass beide
Regelventile 117 und 108 geschlossen sind und
das Regelventil 110 geöffnet
ist).
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2 zeigt
ein System, das den gleichen Grundaufbau hat wie das Gasturbinensystem
von 1, wobei ein Generatormotor 219 hinzugefügt ist,
der durch eine Welle 406 mit dem Verdichter 114 für die Druckerhöhung von
Gas mit niedrigem Heizwert verbunden ist, der von der gesondert
angeordneten Expansionseinrichtung 113 angetrieben wird. In 2 ist der Verdichter 114 ein
Verdichter für
Gas mit niedrigem Heizwert, wie er in 1 gezeigt
ist, jedoch wird in einem Fall, in welchem eine bestimmte Lastdifferenz
zwischen der Expansionseinrichtung 113 und dem Verdichter 114 auftritt,
d. h. in dem Fall, in welchem die Leistung der Verdichtungseinrichtung 113 unzureichend
ist, der Generatormotor 219 als Motor verwendet und in
dem Fall, in dem die Leistung der Expansionseinrichtung Überschuss
aufweist, der Generatormotor 219 als Generator verwendet.
Der übrige
Aufbau entspricht dem von 1.
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Auch wenn bei dem Aufbau in der vorliegenden
Ausgestaltung von einem Betrieb mit üblichem Kraftstoff von hohem
Heizwert auf einen Betrieb mit Kraftstoff mit niedrigem Heizwert
umgeschaltet wird und sich der Heizwert des Kraftstoffs mit niedrigem Heizwert
stark ändert,
ist ein stabiler Betrieb möglich.
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In einem Fall, in welchem Kraftstoff
mit niedrigem Heizwert zugeführt
wird, ergibt sich kein spezielles Problem, auch wenn ein Nebenproduktgas
mit niedrigem Druck der Gasturbinenbrennkammer zugeführt wird,
da die verdichtete Luft, die von dem Kompressor bei Betrieb mit
niedriger Last gefördert wird,
einen niedrigen Druck hat. Auch wenn viel Nebenproduktgas, wie oben
erwähnt,
zugeführt
wird, steigt der Druck der geförderten
verdichteten Luft nicht so stark an. Wenn jedoch die Last zunimmt, nimmt
auch die Temperatur am Einlass der ersten Düsenstufe zu, so dass der Druck
zusätzlich
ansteigt und auch der Brennstoffverbrauch zunimmt. Es ist deshalb
zu befürchten,
dass der Druck innerhalb der Brennkammer schnell ansteigt, jedoch
kann erfindungsgemäß eine Laständerung
stabil bewirkt werden, während
ein Pumpen vermieden wird. Außerdem
gibt es eine glatte Lösung
dafür,
wenn ein erforderlicher Druckbereich des Nebenproduktgases aufgrund
der Drucksteigerung usw. größer wird,
der durch die oben erwähnte
Laststeigerung usw. verursacht wird, wobei der zulässige Bereich
des Pumpens der Gasturbine groß sein
muss.
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3 und 4 zeigen jeweils einen Vergleich der
Förderdruckänderungen
während
des Betriebs des Hauptgasturbinenverdichters der Ausgestaltung der
vorliegenden Erfindung. 3 zeigt Änderungen der
Förderdrucke
des Gasturbinenverdichters für Kraftstoff
mit niedrigem Heizwert und Auslassdrucke des Gasturbinenverdichters
für üblichen
Kraftstoff bei Gasturbinenlasten, wenn verdichtete Luft aus dem Verdichter
während
einer Zeit der Turbi nenteillast bis zu einer Zeit mit Volllast abgezogen
wird. Insbesondere wird die Menge der von dem Verdichter abgezogenen
verdichteten Luft so reguliert, dass der Auslassdruck des Gasturbinenverdichters
für Kraftstoff mit
niedrigem Heizwert nicht höher
wird als der höchste
Förderdruck
des Gasturbinenverdichters für üblichen
Kraftstoff.
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4 zeigt Änderungen
der Förderdrucke des
Gasturbinenverdichters für
Kraftstoff mit niedrigem Heizwert und Auslassdrucke des Gasturbinenverdichters
für üblichen
Kraftstoff bei Gasturbinenlasten zum Zeitpunkt der Teillast der
Gasturbine, insbesondere, wenn verdichtete Luft aus dem Verdichter vom
Zustand lastfrei bis Volllast abgezogen wird.
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Sowohl 3 als
auch 4 zeigen Beispiele
der Änderungen
von Förderluftdrucken
für Gasturbinenverdichter
für Kraftstoff
mit niedrigem Heizwert und für
Gasturbinenverdichter für üblichen Kraftstoff
bei Gasturbinenlasten, wobei in beiden Figuren die Drucke bei der
Gasturbinenlast von 0% mit (531), (631) und die Drucke für eine Gasturbinenlast von
100% mit (532), (632) bzw. (533), (633) bezeichnet sind. Obwohl
die tatsächlichen Änderungen
nicht einfach verlaufen, werden die Änderungen in 3 und 4 durch
gerade Linien ausgedrückt.
Der Grund dafür,
dass der Druck der Gasturbine für
Kraftstoff mit niedrigem Heizwert höher ist als der der Gasturbine für üblichen
Kraftstoff, besteht darin, dass der Heizwert des Kraftstoffs mit
niedrigem Heizwert gering ist und eine Menge des Kraftstoffs, die
größer ist
als die eines üblichen
Kraftstoffs, in die Brennkammer eingeblasen wird, um ein Gas mit
hoher Temperatur und hohem Druck zu erzeugen. Da der Verdichterauslassdruck
für einen
Auslegungsdruck eines Verdichtergehäuses oder eines Turbinengehäuses sowie
für das
Problem des Pumpgrenzdrucks des Verdichters relevant ist, sollte
der Verdichterauslassdruck nicht höher sein als der höchste Druck
der Gasturbine mit üblichem
Kraftstoff, wenn das Gehäuse
das gleiche ist wie das der Gasturbine für üblichen Kraftstoff. In 3 wird die Verdichterförderluft
einer Turbinenlast abgezogen, die größer ist als die vorgegebene Teillast
(535), während
der Förderdruck
von einer vorgegebenen Teillast (536) aus bis zu einer Turbinenlast
von 100% bei (533) konstant ist, wodurch unterdrückt werden kann, dass der Förderdruck
kleiner wird als der höchste
Druck (533) bei einer Last von 100% der Gasturbine für üblichen
Kraftstoff. Solche Druckänderungen
sind in der Figur durch Schraffierungslinien (538) bzw. (539) gezeigt.
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4 zeigt
einen Zustand, bei dem eine Extraktionszeit in der Gasturbine für Kraftstoff
mit niedrigem Heizwert früher
fortschreitet. In 4 ist
ein Druck (636), der niedriger ist als der bei der oben erwähnten vorgegebenen
Teillast, ein Extraktionsstartpunkt, während eine Teillast zu dieser
Zeit eine Last (635) ist. Es ist möglich, einen Druck (631) bei
lastfreiem Zustand zu nehmen, indem mit der Extraktion eher als
am Punkt (636) begonnen wird. In einem Betriebsablaufmuster nimmt
die Turbinenlast von lastfrei (631) aus zu, und der Förderdruck
steigt entsprechend der Lastzunahme an, und wenn der Druck den Druck
(636) erreicht, beginnt die Luftextraktion, wonach es möglich ist,
dass der Druck konstant gehalten wird, bis die Last eine vorgegebene
Last erreicht, und dann der Druck zunimmt, so dass er dem Förderdruck
der Gasturbine für üblichen
Kraftstoff entspricht. Alternativ ist ein solcher Ablauf möglich, dass die
Extraktionsmenge eingestellt wird, einen unterschiedlichen Druck
von einer Druckänderungslinie (636),
(641) und (633) abzunehmen. Indem der Förderdruck geringer gehalten
wird als der Druck (633), ergeben sich keine Probleme hinsichtlich
der Festigkeit und des Pumpens. Beispielsweise erfolgt eine Zündung bei üblichem
Kraftstoff zu einem Startzeitpunkt, wobei nach der Zündung die
oben erwähnte Kraftstoffumschaltung
auf Kraftstoff mit niedrigem Heizwert bei einer Teillast bewirkt
wird, die geringer ist als die Lasten (535), (635), wonach der Förderdruck
des Verdichters 101 durch Regeln des Regelventils 117 der
Extraktionsleitung 116 entsprechend Gasturbinenlasten,
wie oben erwähnt,
geregelt wird.
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5 zeigt
eine Beziehung zwischen den Extraktionsmengen und den Verdichtertörderdrucken bei
einem Betrieb bei einer festgelegten Verbrennungstemperatur. Es
wird ein Grundlastbetrieb der Gasturbine mit üblichem Kraftstoff längs einer
Abgastemperatur-Regellinie
reguliert, die eine Beziehung zwischen den Abgastemperaturen und
den Verdichterförderdrucken
ist, während
die Gasturbine zu diesem Zeitpunkt einen Betrieb mit einer festen
Verbrennungstemperatur hat. Man kann sagen, dass 5 eine Beziehung zwischen Extraktionsmengen
und Verdichterförderdrucken
bei einer üblichen
Grundlastbetriebregelung zeigt. Da eine Erhöhung der Extraktionsmengen
die Gasmengen, wie oben erwähnt, verringert,
nimmt der Verdichterförderdruck
ab, wobei die Beziehung in 5 durch
eine Linie 711 gezeigt ist. Da eine Abnahme des Heizwerts des Kraftstoffgases,
das in das System eingeführt
wird, das Einführen
einer größeren Kraftstoffmenge
in die Brennkammer 104 erfordert, nimmt der Verdichterförderdruck
zu, so dass er eine Kennlinie hat, die durch die Linie 712 veranschaulicht
ist. Da andererseits ein höherer
Heizwert des Kraftstoffgases den Verdichterförderdruck verringert, ergibt
sich die Kennlinie, die durch die Linie 713 gezeigt ist.
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Im Falle einer fehlenden Regelung
der Einstellung der Extraktionsmengen steigt der Verdichterförderdruck
vom Punkt A zu Punkt D in 5,
wenn der Heizwert des Kraftstoffgases niedrig wird. Deshalb wird
der Verdichterförderdruck
konstant gehalten, indem die Verbrennungstemperatur verringert wird.
Eine Verringerung der Verbrennungstemperatur führt jedoch zu einer Verringerung
des Zykluswirkungsgrades.
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Wenn bei dieser Ausgestaltung der
Heizwert des Kraftstoffgases niedriger wird, wird der Verdichterförderdruck
konstant gehalten, indem die Extraktionsmenge (von 721 auf 723)
erhöht
wird. Wenn im Gegensatz dazu der Heizwert des Kraftstoffgases höher wird,
wird der Verdichterförderdruck
konstant gehalten, indem die Extraktionsmenge (von 721 nach 722)
verringert wird. D. h., dass, wie in 6 gezeigt ist,
durch Einschließen
einer Beziehung (811) zwischen Heizwerten und Extraktionswerten
in den Regler die Extraktionsmenge durch das Extraktionsdurchsatzregelventil 117 entsprechend
einer Änderung
des Heizwerts eingestellt wird. Die Regelung zur Erhöhung einer
Extraktionsmenge, dass sie größer ist,
wenn der Kraftstoffheizwert kleiner ist, als wenn er größer ist,
wird so bewirkt, dass das Druckverhältnis 812 konstant
gehalten wird.
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Beispielsweise ist am Punkt C eine
Extraktionsmenge (832) beim Heizwert (822), am Punkt A eine Extraktionsmenge
(831) bei einem Heizwert (821) und am Punkt die Extraktionsmenge
(833) bei einem Heizwert (823).
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Bei dem in 1 gezeigten Gasturbinensystem ist beispielsweise
konkret ein Detektor 130 zum Erfassen eines Heizwerts des
Kraftstoffs an der Zuführleitung 107 für Kraftstoff
mit niedrigem Heizwert um das Regelventil 108 herum vorgesehen,
um eine Extraktionsmenge zu regeln, indem das Regelventil 117 an
der Leitung 116 basierend auf einem Signal aus dem Detektor 130 reguliert
wird. Zu diesem Zeitpunkt wird ein Gasturbinendruckverhältnis immer konstant
als ein Verhältnis
(812) gehalten, das in 6 gezeigt
ist. Wie oben erwähnt,
werden die Extraktionsmenge entsprechend den Heizwerten eingestellt
und so reguliert, dass sie sich auf einer Linie 714 bewegen, wodurch
die Gasturbine im optimalen Zustand arbeiten kann.
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Es kann in Betracht gezogen werden,
eine Strömungsverteilung
innerhalb der Brennkammer 104 nach Heizwerten zu ändern. D.
h., dass der Durchsatz innerhalb der Brennkammer geändert wird,
die ein Element der Gasturbine ist. Wenn der Heizwert des Kraftstoffs
geringer wird, nimmt der Durchsatz des Kraftstoffgases zu, so dass
eine Last konstant gehalten wird, während die für die Verbrennung erforderliche
Luft erhöht
wird, indem ein Umgehungsdurchsatz verringert wird, um das Kraftstoff-Luft-Verhältnis konstant
zu machen. Bei diesem Aufbau wird nur eine Strömungsverteilung innerhalb der
Brennkammer geändert,
während
eine Luftmenge, die durch die Brennkammer hindurchgeht, konstant
gehalten wird, so dass eine Erhöhung
der Kraftstoffgasmenge einen Durchsatz des in die Turbine strömenden Gases
um dieses Inkrement erhöht
und das Druckverhältnis
zunimmt. Bei diesem Aufbau gibt es somit kein Problem, auch wenn
eine Änderung
von mehreren % des Heizwerts auftritt, er kann jedoch nicht auf
eine große Änderung
des Heizwerts ansprechen, wenn sie beispielsweise größer als
1/2 des Heizwerts wird. In 5 ist
gezeigt, dass, wenn der Heizwert niedrig wird, eine Umgehungsstrommenge
ebenfalls zunimmt, dass jedoch der Druck auch zunimmt, wenn das
Kraftstoffgas zunimmt, was eine Bewegung auf der Linie 715 bedeutet.
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Auch in einem Fall, in dem der Kraftstoffgas mit
niedrigem Heizwert zugeführt
wird, kann bei diesen Ausgestaltungen unterdrückt werden, dass es geringer
wird als zum Zeitpunkt der Zuführung
von üblichem
Kraftstoff.
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Da ferner eine Änderung des Förderdrucks durch
Einstellen einer Extraktionsmenge der Verdichterförderluft
unterdrückt
werden kann, ist es möglich, den
Betriebszustand der Gasturbine zu optimieren. Ferner ist es möglich, einen
Betrieb mit großem
Freiheitsgrad zu erhalten.
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Die abgezogene Luft kann als Luftquelle
für die
gesondert angeordnete Expansionseinrichtung verwendet werden, wobei
der Betriebsfreiheitsgrad der Expansionseinrichtung von den Betriebsbedingungen
der Hauptgasturbine fast nicht beeinflusst wird und somit groß gemacht
werden kann, während der
Betriebsbereich bei hohem Wirkungsgrad breit gemacht werden kann.
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Auch wenn Brennstoffe unterschiedlicher Heizwerte
der Brennkammer zugeführt
werden, kann erfindungsgemäß ein stabiler
Betrieb der Gasturbine auf einfache Weise ausgeführt werden.