DE815425C

DE815425C - Method for improving the partial load efficiency in an open gas turbine process

Info

Publication number: DE815425C
Application number: DEM1958A
Authority: DE
Inventors: Albrecht Dipl-Ing Mann
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1950-02-17
Filing date: 1950-02-17
Publication date: 1951-10-01

Description

Verfahren zur Verbesserung des Teillastwirkungsgrades bei einem offenen Gasturbinenprozeß Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung des Teillastwirkungsgrades von Gasturl>inenanlagen in einem bestimmten Teillastgebiet durch Veränderung des Durchsatzes oder des Durchflul3widerstandes. Bekanntlich werden beim offenen Gasturbinenkreisprozeß mehrere Einheiten von Luftverdichtern und Gasturbinen hintereinander oder parallel geschaltet, um einerseits große N utzleistungen und andererseits ein bestimmtes Betriehsverhalten zu erzielen. In allen Fällen werden ein oder mehrere Verdichter von einer Gasturbine angetrieben. Verdichter und Turbine sind also durch die gemeinsame Drehzahl mechanisch und durch den Durchsatz hydraulisch gekuppelt. Die Turbine stellt für den Verdichter einen Widerstand ähnlich dem Widerstand eines Leitungsnetzes dar. Bei konstantem Gegendruck und Durchsatz kann der Widerstand der Turbine mit Hilfe der durch die vorgeschaltete Brennkammer einstellbaren Turbinenanfangstemperatur geregelt werden. Gegendruck, Durchsatz und Drehzahl ergeben bei festen -Anfangsbedingungen für den Verdichter dessen Betriebspunkt im Kennfeld, wodurch sein Wirkungsgrad bestimmt ist. Der `'Wirkungsgrad von Verdichter und Turbine sowie die Anfangstemperatur vor der Turbine sind maßgebende Größen für den thermischen Wirkungsgrad. Die Temperatur vor der Turbine bei konstantem Gegendruck kann nur konstant gehalten werden, wenn einerseits der Durchsatz und andererseits das Gefälle und damit der Vordruck sich in gleichem Sinne ändern. Im allgemeinen kommt dann auch die Betriebslinie im Verdichterkennfeld in eine Lage entlang besten Wirkungsgrades. Auf diese Weise läßt sich die Leistung der Turbine am wirtschaftlichsten vermindern, und alle Schaltungsmaßnahmen zielen darauf ab, Teillast auf diesem Wege zu erreichen. Verschiedene Gründe, z. B. Erreichung der Pumpgrenze, führen nun oft zu einem Zustand, der es nicht ermöglicht, einen günstigen Durchsatz durch die Turbine einzustellen. Um hier abzuhelfen, ist schon vorgeschlagen worden, einen Teil der Turbine oder die ganze Turbine mit einem Teil des Durchsatzes zu umgehen. Jedoch befriedigt diese Maßnahme nicht in vollem Umfange, zumal das Abblasen des nicht durch die Turbine strömenden Treibmittels unwirtschaftlich ist.Method for improving the partial load efficiency in an open Gas turbine process The invention relates to a method for improving the partial load efficiency of gasturline systems in a certain partial load area by changing the Throughput or flow resistance. It is known that in the open gas turbine cycle several units of air compressors and gas turbines one behind the other or in parallel switched to large utility services on the one hand and a specific one on the other To achieve operational behavior. In all cases there will be one or more compressors driven by a gas turbine. Compressor and turbine are so through the common Speed mechanically and hydraulically coupled through throughput. The turbine turns for the compressor a resistance similar to the resistance of a pipe network With constant back pressure and throughput, the resistance of the turbine can be increased with With the help of the turbine initial temperature that can be set by the upstream combustion chamber be managed. Back pressure, throughput and speed result from fixed initial conditions for the compressor its operating point in the map, which determines its efficiency is. The '' efficiency of the compressor and turbine as well as the initial temperature before of the turbine are decisive parameters for the thermal efficiency. The temperature in front of the turbine at constant back pressure can only be kept constant if on the one hand the throughput and on the other hand the gradient and thus the Form change in the same way. In general, the operating line also comes then in the compressor map to a position with the best efficiency. In this way the power of the turbine can be reduced most economically, and all switching measures aim to achieve part load in this way. Various reasons, e.g. B. Reaching the surge limit, now often lead to a condition that does not allow to set a favorable throughput through the turbine. To remedy this is It has already been proposed to use part of the turbine or the whole turbine with one To bypass part of the throughput. However, this measure is not fully satisfactory Extent, especially the blowing off of the propellant that is not flowing through the turbine is uneconomical.

Erfindungsgemäß wird nun die Verbesserung des Wirkungsgrades bei Teillast in der Weise erreicht, daß der Durchsatz auf zwei oder mehrere parallel geschaltete Verdichter und/oder zwei oder mehrere parallel geschaltete Turbinen aufgeteilt wird und eine Abschaltung des oder der parallel geschalteten Nebenverdichter bzw. einer Zuschaltung der parallel geschalteten Nebenturbine(n) bei Erreichung eines bestimmten Teillastpunktes erfolgt. Hauptturbine und Niederdruckverdichter erhalten also beide mindestens eine Nebenturbine bzw. einen Nebenverdichter, nur ist ihre Funktion bei beiden eine andere. Bei Leistungsminderung wird bei Erreichung eines bestimmten Leistungsbereiches die Nebenturbine zu- und der Nebenverdichter abgeschaltet. Haupt-und Nebenturbine haben zusammen infolge der Querschnittsvergrößerung einen kleineren Widerstand als die Hauptturbine allein, und es kann somit bei festgehaltenem Durchsatz, Vordruck und Druckgefälle die Turbineneintrittstemperatur erhöht werden. Auf der Verdichterseite wird der Durchsatz durch Abschaltung des Nebenverdichters verringert. Der Nebenverdichter wird zweckmäßig abgekuppelt, jedoch ist das bloße Abschalten desselben auch noch wirtschaftlich, wenn der Verdichter saugseitig gedrosselt und mit atmosphärischem Gegendruck (i ata) im Vakuum mitläuft. Die Verringerung des Durchsatzes hat auch hier zur Folge, üaß die Temperatur vor den Turbinen gehoben wird und sich die Betriebslinien der anderen Verdichter in Gebiete besseren Wirkungsgrades verlagern. Mit dieser Maßnahme kann in einem gewünschten Teillastbereich der Teillastwirkungsgrad gehoben werden. Der Anteil des Nebenverdichters am Durchsatz muß um so größer sein, je kleiner die Teillast ist, bei welcher die Wirkungsgradverbesserung stattfinden soll.According to the invention, the improvement in the efficiency at part load is now in such a way that the throughput is achieved on two or more parallel-connected Compressor and / or two or more turbines connected in parallel is divided and a shutdown of the auxiliary compressor or compressors connected in parallel Activation of the parallel-connected auxiliary turbine (s) when a certain level is reached Partial load point takes place. So the main turbine and the low pressure compressor both receive at least one auxiliary turbine or one auxiliary compressor, only its function is at both of them are different. In the event of a reduction in performance, a certain Power range, the secondary turbine is switched on and the secondary compressor switched off. Main and Secondary turbines together have a smaller one due to the increased cross-section Resistance than the main turbine alone, and it can thus, at a fixed flow rate, The inlet pressure and pressure gradient increase the turbine inlet temperature. On the On the compressor side, the throughput is reduced by switching off the auxiliary compressor. The secondary compressor is expediently disconnected, but this is just a shutdown The same is also economical if the compressor is throttled on the suction side and runs with atmospheric back pressure (i ata) in a vacuum. Reducing the Throughput also has the consequence that the temperature in front of the turbines is raised and the operating lines of the other compressors in areas of better efficiency relocate. With this measure, the partial load efficiency can be achieved in a desired partial load range be lifted. The share of the secondary compressor in the throughput must be greater, the smaller the partial load at which the efficiency improvement takes place target.

Haupt- und Nebenverdichter arbeiten bei gemeinsamem Betrieb auf gleichem Gegendruck und mit gleicher Drehzahl. Förderhöhe, Durchsatz und Drehzahl werden zur Kenngröße der spezifischen Drehzahl nach der Formel n, = n - hY2 - H-'1- zusammengefaßt, wobei n die Betriebsdrehzahl, h das Fördervolumen (Durchsatz) und h die Förderhöhe sind. Die Ausführungsart der beiden Verdichter muß eine der spezifischen Drehzahl zugeordnete sein, um besten hydraulischen Wirkungsgrad zu erreichen. Ein Durchsatzverhältnis von 1 : 3 wird z. B. einen Axialverdichter für den Hauptverdichter und einen Radialverdichter für den Nebenverdichter ergeben. Ein Durchsatzverhältnis von i : i ergibt für Haupt-und Nebenverdichter gleiche Bauart, z. B. je einen Axialverdichter.When operated together, the main and secondary compressors work at the same back pressure and at the same speed. Delivery head, throughput and speed are combined to give the specific speed parameters according to the formula n, = n - hY2 - H-'1-, where n is the operating speed, h is the delivery volume (throughput) and h is the delivery head. The design of the two compressors must be assigned to a specific speed in order to achieve the best hydraulic efficiency. A throughput ratio of 1: 3 is z. B. result in an axial compressor for the main compressor and a radial compressor for the secondary compressor. A throughput ratio of i: i results in the same design for main and secondary compressors, e.g. B. one axial compressor each.

Um in Notfällen die Abstellung der gesamten Anlage einfacher zu gestalten, müssen die Kennfelder von Haupt- und Nebenverdichter so beschaffen sein, d'aß Leerlauf auch ohne Abschalten des Nebenverdichters erreicht werden kann. Das Verfahren nach der Erfindung hat auch noch den weiteren Vorteil, daß die Nebenturbine bei Vorhandensein von Druckluft oder bei Beaufschlagung durch expandierende Gase eines Raketensatzes den Anwurfmotor dieser Welle ersetzen kann.In order to make the shutdown of the entire system easier in emergencies, the maps of the main and secondary compressor must be designed in such a way that idling can also be achieved without switching off the secondary compressor. The procedure after the invention also has the further advantage that the auxiliary turbine is present of compressed air or when exposed to expanding gases from a rocket set can replace the starter motor of this shaft.

Das Verfahren nach der Erfindung kann entweder nur durch die Parallelschaltung einer Nebenturbine oder nur durch die Parallelschaltung eines Nebenverdichters durchgeführt werden. Es können aber auch gleichzeitig parallel geschaltete Nebenturbinen und Nebenverdichter Verwendung finden. Der erste Fall, eine Nebenturbine, ist bei allen Gasturbinenanlagen zweckmäßig, die bei Teillast einen starken Temperaturrückgang aufweisen.The method according to the invention can either only be through the parallel connection a secondary turbine or only by connecting a secondary compressor in parallel will. But it can also be parallel-connected auxiliary turbines and Find secondary compressor use. The first case, a secondary turbine, is common to all Gas turbine systems expedient, which have a sharp drop in temperature at part load exhibit.

In der Fig. i ist ein Schaltschema einer Gasturbinenanlage nach der Erfindung beispielsweise dargestellt, während die Fi.g. 2 ein Schaubild zeigt, in dem die Wirkungsgradverbesserung bei Teillast in Verbindung mit einem abschaltbaren Nebenverdichter dargestellt ist.In Fig. I is a circuit diagram of a gas turbine system according to the Invention shown for example, while Fi.g. 2 shows a diagram in the improvement in efficiency at part load in connection with a switchable Secondary compressor is shown.

In dem Schaltschema nach Fig. i ist der Nebenverdichter i mit dem N iederdruckhauptverdichter 2 durch eine ausrückbare Kupplung 3 verbunden. Der Nebenverdichter i ist mit dem Hauptverdichter 2 parallel geschaltet, wenn die Ventile 4 und, 5 geöffnet sind und das Ventil 6 geschlossen ist. Er ist abgeschaltet, wenn die Ventile 4 nahezu und 5-ganz geschlossen sind und das Ventil 6 geöffnet ist. Außerdem kann der Nebenverdichter i durch die Kupplung 3 von der Hauptverdichterwelle ganz getrennt werden. Die vorverdichtete Gesamtluft gelangt zum Hochdruckverdichter 7 und von dort zur Brennkammer B. Hier wird Brennstoff in der hochverdichteten Luft verbrannt, und die Treibgase treten in die Hochdruckturbine 9 ein, wo sie bei ihrer Entspannung Arbeit leisten. Parallel zur Hauptturbine 9 ist die Nebenturbine io geschaltet, die durch die Ventile i i und 12 zu- und abgeschaltet werden kann. Die Treibgase aus den Hochdruckturbinen 8 und 9 werden in der Brennkammer 13 einer Zwischenerhitzung unterzogen und treten dann in die Niederdruckturbine 14 ein, die in vorliegendem Falle als Nutzturbine wirkt und neben den Niederdruckverdichtern 2 und i gleichzeitig den elektrischen Stromerzeuger 15 antreibt.In the circuit diagram of Fig. I, the secondary compressor i is with the Low pressure main compressor 2 connected by a disengageable clutch 3. The secondary compressor i is connected in parallel with the main compressor 2 when the valves 4 and 5 are open and the valve 6 is closed. It is switched off when the valves 4 are almost and 5-are completely closed and the valve 6 is open. In addition, the secondary compressor i are completely separated from the main compressor shaft by the clutch 3. The pre-compressed Total air reaches the high pressure compressor 7 and from there to the combustion chamber B. Here fuel is burned in the highly compressed air and the propellant gases enter into the high pressure turbine 9, where they work in their relaxation. Parallel the secondary turbine io is connected to the main turbine 9, which is operated by the valves i i and 12 can be switched on and off. The propellant gases from the high pressure turbines 8 and 9 are subjected to reheating in the combustion chamber 13 and occur then into the low-pressure turbine 14, which in the present case is a power turbine acts and in addition to the low-pressure compressors 2 and i at the same time the electric Power generator 15 drives.

In der Fig.2 ist der Wirkungsgrad der Gasturbinenanlage in Abhängigkeit von der Leistung aufgetragen. Die ausgezogene Linie zeigt den Wirkungsgradverlauf mit zugeschaltetem Nebenverdichter, die gestrichelte Linie den Wirkungsgradverlauf bei abgeschaltetem und abgekuppeltem Nebenverdichter und die strichpunktierte Linie den Wirkungsgradverlauf bei abgeschaltetem, aber eingekuppeltem Nebenverdichter.In FIG. 2, the efficiency of the gas turbine system is dependent plotted by the performance. The solid line shows the efficiency curve with the secondary compressor switched on, the dashed line shows the efficiency curve with switched off and uncoupled Secondary compressor and the dash-dotted line Line shows the efficiency curve with the secondary compressor switched off but coupled in.

Claims

PATENT CLAIMS: i. A method for improving the partial load efficiency in an open gas turbine process, characterized in that the throughput is divided between two or more parallel-connected compressors (2, 1) and / or two or more parallel-connected turbines (9, io) and a shutdown of the or the parallel connected secondary compressor (i) or a connection of the parallel connected turbine (io) takes place when a certain partial load point is reached.

2. Gas turbine plant for performing the method according to claim i, characterized characterized in that the ratio of the throughput of the slave compressor (i) to The throughput of the main compressor (2) is selected to be greater, the further the location the improvement in efficiency should be shifted to small partial loads.