DE848882C - Verfahren zur Regelung einer mit Gleichdruckverbrennung arbeitenden Gasturbinenanlage - Google Patents

Description

• Verfahren zur Regelung einer mit Gleichdruckverbrennung arbeitenden Gasturbinenanlage Bei einer mit Gleichdruckverbrennung arbeitenden Gasturbinenanlage sind die Maschinengrößen bestimmt durch die Menge des zu verarbeitenden Treibmittels und sein spezifisches Volumen. Die Maschinen werden am größten im offenen Prozeß, d. h. in einem Prozeß, dessen tiefster Druck gleich dem Außendruck ist, und am kleinsten im geschlossenen, unter erhöhtem Druck verlaufenden Prozeß, dessen geringster Druck noch wesentlich über dem Außendruck liegt. Beide Prozesse haben ihre technische Bedeutung. Für den offenen Prozeß spricht in erster Linie die Vereinfachung des Erhitzers und der Wegfall druckfester Anlagenteile, die im Hinblick auf die hohen Temperaturen wegen der geforderten Wärmebeständigkeit bei den hohen Drücken aus Sonderbaustoffen hergestellt werden müßten. Für den geschlossenen Prozeß dagegen ist geltend züi machen, <laß infolge des verringerten spezifischen Volumens des Arbeitsmittels die Maschinenabmessungen wesentlich kleiner werden. Auch sind die Wärmeübergangszahlen in den Wärmeaustauschern wegen der großen Dichte des Arbeitsmittels entsprechend höher. Diese Überlegungen sind besonders wichtig im Hinblick auf die Tatsachen, daß bei derartigen Gasturbinenanlagen nicht nur Nutzleistung erzeugende Maschinen aufzustellen sind, sondern zusätzlich Leistung zur Deckung der Verdichterleistung aufgebracht werden muB. Die Verdichterleistung beträgt aber erfahrungsgemäß ein Mehrfaches, bis etwa das Dreifache dec Nutzleistung. Es bedarf sorgfältiger Prüfung aller Zusammenhänge, wenn man die Entscheidung zugunsten des offenen oder des geschlossenen Prozesses treffen will.
• Eine besonders günstige Lösung verspricht die Vereinigung der beiden Prozesse in der Weise, daß die Nutzleistung in einem offenen Gasprozeß erzeugt wird, während zur Erzeugung der für diesen Prozeß benötigten Verdichterleistung ein geschlossener Heißluftprozeß dient. Eine solche Anlage ist bereits vorgeschlagen worden. Das Schaubild dieser Anlage ist in der Figur nochmals dargestellt. Die Nutzleistungsturbine i zum Antrieb des Stromerzeugers 2 wird mit Brenngas aus dem Erhitzer 3 betrieben. 4 ist die Brennstoffleitung, 5 die Luftleitung. ,Die über die Leitung 5 dem Erhitzer 3 zuströmende Luft wird von einem Verdichter 6 gefördert, und zwar zunächst über den Rekuperator 7, in dem sie die Abwärme des Treibgases der Turbine i aufnimmt.
• Zum Antrieb des Verdichters 6, der also dem offenen Heißgasprozeß der Nutzleistungsturbine zugeordnet ist, dient die Gasturbine 8, die in einen geschlossenen Prozeß eingeschaltet ist. Die über die Leitung 9 dem Erhitzer io zuströmende verdichtete Luft wird hierin erhitzt und leistet dann in der Turbine 8 Arbeit. Die Abluft gelangt zunächst zum Rekuperator i i und wird nach Kühlung in einem Kühler i2 dem Verdichter 13 zugeleitet, der sie über den Rekuperator i i in die Leitung 9 drückt.
• Die drei Maschinen 6, 8 und 13 bilden einen Maschinensatz, wie durch das Bezugszeichen a angedeutet ist.
• Die Erfindung befaßt sich mit der Regelung einer solchen Anlage. Die Drehzahl der Nutzleistungsturbine soll, abgesehen von einem etwaigen Ungleichförmigkeitsgrad, gleichbleiben, ebenso ihre Eintrittstemperatur. Zur Regelung bei Teillasten soll die Drehzahl der Maschine des geschlossenen Heißluftprozesses bei im wesentlich gleichbleibendem Gegendruck verhältnismäßig zur abnehmenden Last verringert und gleichzeitig die Turbineneintrittstemperatur um so viel gesenkt werden, daß der geschlossene Heißluftprozeß leistungsmäßig ausgeglichen ist.
• Es war bereits gesagt, daß die Eintrittstemperatur der Nutzleistungsturbine bei allen Lasten im wesentlichen gleichbleiben soll. Diese Forderung wird deshalb gestellt, damit auch im Teillastgebiet der thermische Wirkungsgrad aufrechterhalten werden kann oder jedenfalls nur unwesentlich abnimmt. Hält man aber die Temperatur auf gleicher Höhe, so muß man die Arbeitsmittelmenge verringern. Das wäre an sich durch Drosselung möglich, die jedoch, je weiter sie getrieben wird, zu einer um so weiter gehenden Wirkungsgradverschlechterung führt. Deshalb ist es von besonderer Bedeutung, wenn bei Teillast die Drehzahl der Maschinen des geschlossenen Heißluftkreislaufes gesenkt wird. Die angesaugten Luftgewichte sind bekanntlich der Drehzahl verhältnisgleich.
• Wenn nun im geschlossenen Kreislauf bei der erniedrigten Drehzahl und gleichgehaltener Eintrittstemperatur die Leistung der Heißluftturbine in jedem Fall gleich der Summe der beiden Verdichterleistungen wäre, so hätte man den Idealfall einer Regelung.
• Die Erfindung beruht nun auf der neuen Erkenntnis, daß die Verhältnisse hier insofern schwierig liegen, als bei abgesenkter Drehzahl und gleichgehaltener Eintrittstemperatur des geschlossenen Kreislaufes in diesem ein Leistungsüberschuß entstehen würde, d. h. die Turbine mehr Leistung abgeben würde, als der Summe der beiden Verdichterleistungen entspräche. Man könnte den Standpunkt vertreten, daß Überschußleistung kein Mangel der Anlage sei, denn man könnte sie an das Netz der Hauptmaschine abgeben. Das würde aber nur bei Gleichstromanlagen ohne wesentliche Schwierigkeiten möglich sein. Bei Drehstromanlagen würde der Wechsel der Drehzahl im geschlossenen Kreislauf den unmittelbaren Leistungsaustausch zwischen geschlossenem und offenem Kreislauf nicht zulassen, so daß es besonderer Energieumformer bedürfen würde, um die beiden Netze zu kuppeln. Deshalb wird auf die Erzeugung von überschußenergie im geschlossenen Kreislauf verzichtet und dafür die Temperatur so weit gesenkt, daß der Leistungsausgleich des geschlossenen Prozesses erhalten bleibt.
• Bei bekannten, völlig im geschlossenen Kreislauf unter Überdruck arbeitenden Anlagen hat man bisher ebenfalls die Eintrittstemperatur der Turbine gleichgehalten. Da man außerdem die Drehzahl des Verdichters auf gleicher Höhe hielt, ließ sich die Anlage nur durch Veränderung des Druckniveaus regeln. Diese Regelung war nur durchführbar, wenn man je nach der Last dem Kreislauf Arbeitsmittel entzogen oder ihm solches zuführte. Das setzt aber die Anwendung zusätzlicher Anlagenteile (Speicher, Hilfsverdichter usw.) voraus. Bei Lastanstieg wird zunächst durch größere Wärmezufuhr die Eintrittstemperatur der Heißluftturbine des geschlossenen Kreislaufes erhöht, d. h. ihre Leistung gesteigert. Da sich das sekundliche Luftgewicht noch nicht geändert hat, führt die Leistungssteigerung zu einer Drehzahlerhöhung und damit zu einer Erhöhung der Verdichterleistung sowohl des Verdichters des. geschlossenen wie des offenen Prozesses. Mit der Erhöhung des Luftgewichtes wird eine Vergrößerung der Treibgasmenge des offenen Prozesses verbunden und auf diese Weise die Leistung der Nutzleistungsturbine gesteigert.
• Die Temperaturabsenkung des geschlossenen Kreislaufes istverhältnismäßiggering. A1sErgebnis einer durchgeführten Rechnung hat sich folgendes ergeben: Die Heißluftturbine wird bei Normallast mit einer Temperatur von 923° K und einem Druckverhältnis von 4,o betrieben. Wird bei Teillast das Druckverhältnis auf 3,o herabgesetzt, so würde dem eine Eintrittstemperatur von 85o°' K entsprechen. Die Temperaturabsenkung würde also 73° betragen, um den Leistungsausgleich innerhalb des geschlossenen Prozesses zu sichern. Das hätte aber zur Voraussetzung, daß die Wirkungsgrade von Turbine und Verdichter auch bei Teillasten gleich hoch bleiben. Das ist jedoch erfahrungsgemäß nicht der Fall, sondern es tritt eine wenn auch nicht allzu große Wirkungsgradsenkung ein. Um diese auszugleichen, darf die Temperatur nicht ganz so weit gesenkt «erden, wie es oben angegeben wurde. Nimmt man eine Wirkungsgradverringerung von 2,5% an, so ergibt sich als Eintrittstemperatur der Heißluftturbine für Teillast ein Wert von 895° K. Die Temperaturabsenkung bewegt sich also zwischen etwa 5 und 15'/0.

Claims (2)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Verfahren zur Regelung einer mit Gleichdruckverbrennung arbeitenden Gasturbinenanlage, in der die Nutzleistungsturbine im offenen Gasprozeß mit gleichbleibender Eintrittstemperatur und gleichbleibender Drehzahl betrieben wird und ihre Verdichterleistung in einem geschlossenen Heißluftprozeß erzeugt wird; dadurch gekennzeichnet, daß bei Teillast die Drehzahl der Maschinen des geschlossenen Heißluftprozesses bei im wesentlichen gleichbleibendem Gegendruck verhältnismäßig zur abnehmenden Last verringert und gleichzeitig die Turbineneintrittstemperatur um so viel gesenkt wird, daß der geschlossene Heißluftprozeß leistungsmäßig in sich ausgeglichen ist.
2. 2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturabsenkung im geschlossenen Heißluftprozeß zwischen 5 und 15% der Turbineneintrittstemperatur bei Normallast beträgt.