DE917759C - Verfahren zur Regelung der in die Gasturbinen einer Gasturbinenanlage eingefuehrten Waermemenge gemaess der Belastung - Google Patents

Description

• Verfahren zur Regelung der in die Gasturbinen einer Gasturbinenanlage eingeführten Wärmemenge gemäß der Belastung Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung der in die Gasturbinen einer Gasturbinenanlage eingeführten Wärmemenge gemäß der Belastung, wobei die Gastur'binenanlage aus einer Hilfsturbine zum Antrieb eines als Strömungsgebläse ausgebildeten Luftverdichters, einem den gasförmigen Brennstoff verdichtenden und der Brennkammer der Gasturbine zuführenden, als Strömungsgebläse ausgebildeten Gasverdichter u:ndeiner die Nutzleistung abgebenden Hauptturbine besteht, und die Gasturbinen in der Hauptsache durch einen gasförmigen Brennstoff angetrieben werden. Es ist bekannt, daß rotierende Verdichter im Gegensatz zu Kolbenverdichtern einen optimalen Nutzeffekt haben, welcher einer bestimmten Brennstoffmenge entspricht; man lädt daher derartige Verdichter mit einer Brennstoffmenge arbeiten, die dem optimalen: Nutzeffekt entspricht.
• Bei einer Gasturbine, die mit einem gasförmigen Brennstoff, wie beispielsweise Hochofengas, Koksofengas, Generatorgas usw. gespeist wird, gilt diese Beobachtung sowohl für den Luftverdichter als auch für den Gasverdichter. Die Regelung der in die Maschine eingeführten Wärmemenge erfordert aber von vornherein eine Änderung der Menge des gasförmigen Brennstoffes.
• Die beiden Bedingungen zwecks Erzielung des optimalen Nutzeffekts und der Regelung der Brennstoffmenge wildersprechen sich somit gewissermaßen.
• Gemäß ,der Erfindung wird das dadurch gelöst, daß beim Arbeiten des Gasverdichters im optimalen. Arbeitspunkt seiner Charakteristik die in die Brennkammer der Gasturbinen eingeführte Wärmemenge geändert wird, indem entweder der Heizwert des gasförmigen Brennstoffes vor dem Eintritt in den Gasverdichter geändert oder ein Brennstoffzuschuß, beispielsweise flüssiger Brennstoff, unmittelbar in die gleiche Brennkammer eingeführt und die Menge dieses Brennstoffzuschusses geregelt wird. Hierdurch wird der Vorteil erzielt, daß der Luftverdichter und der Gasverdichter, welche vorzugsweise aus Gründen der mechanischen Vereinfachung von einer und derseilben Gasturbine angetrieben werden, alsdann mit ihrem optimalen Nutzeffekt arbeiten, ohne .daß die Regelung der eingeführten Wärmemenge verhindert wird.
• Die Erhöhung der Wärmekraft des brennbaren Gases kann durch Mischung mit einem an Gas reicheren Brennstoff (Köksofengas, Acetylen, natürliches Gas, Destillationsgas der Steinkohle usw.) oder durch Verdampfung eines geeigneten flüssigen Brennstoffes (Butan) verwirklicht werden. Die Verdünnung kann durch Mischung mit einem ärmeren brennbaren Gas (Hochofengas, armes Gas) oder durch Mischung mit Luft oder mit in:erten Gasen (abgekühltes Verbrennungsgas) ausgeführt werden.. Das Gemisch wird mit dem geringstmöglichen Energieverbrauch durch einen Satz von Klappen, die beispielsweise in Rohrleitungen von großen Abmessungen angebracht sind, oder durch Verwendung von Verdichtern der Strömungs- oder Verdrängerbauart zur Herstellung eines Überdruckes eingeführt. Die gleichzeitigen Regelungen der Gebläse oder Klappen können derart ausgeführt «-erden, daß der Arbeitspunkt des Gasverdichters merklich in der Nähe des Punktes des maximalen Wirkungsgrades verbleibt.
• Gemäß einer anderen Ausführung der Erfindung werden der oder die Verdichter des gasförmigen Brennstoffes, wenn mehrere Maschinen in Reihe verwendet werden, durch einen Motor angetrieben, der verschieden von dem Antriebsmotor des Luftverdichters ist.
• ,Dieser Motor kann eine Gasturbine sein, die in irgendeiner geeigneten Weise in: Reihe oder in Parallelschaltung mit Bezug auf die anderen verwendeten Gasturbinen angeordnet ist, oder ein Elektromotor, welcher von einem Stromerzeuger, der auf der Hauptwelle angebracht ist, oder durch eine Abzweigung von dem Stromerzeuger gespeist wird, welcher von dem Aggregat angetrieben wird. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß man die Drehzahl des Gasverdichters unabhängig von der Drehzahl .des Luftverdichters regeln kann.
• Als Abänderung dieser Anordnung kann man getrennte Antriebe nur für einen Teil des Verdichters für den gasförmigen Brennstoff benutzen, indem man die Druckbeziehung zwischen den beiden Teilen zerlegt oder indem man die Fördermenge des gasförmigen Brennstoffes in zwei Teile teilt. Eine besonders zweckmäßige Anordnung besteht darin, den Niederdruckteil der Kompression des. gasförmigen Brennstoffes in einem Zentrifugalgebläse, welches durch einen besonderen Motor, aber auch in anderer Weise angetrieben werden kann, und den Hochdruckteil durch einen Verdrängungsverdichter zu verwirklichen, der durch einen. unabhängigen Motor auf Hinund@herbewegung oder Drehung angetrieben wird. Die Drehzahlregelung dieses letztgenannten Motors ermöglicht, die Fördermenge mit gutem Nutzeffekt zu verringern, wobei der Niederdruckverdichter nicht mehr angewandt zu werden braucht, aber der hierdurch bedingte Verlust infolge der geringen, durch diese Maschine erzeugten Druckhöhe klein bleibt.
• Gemäß einer dritten Ausführung der Erfindung benutzt man darüber hinaus als gasförmigen Brennstoff einen festen oder flüssigen zusätzlichem Brennstoff, auf den die Regelungen ausgeführt werden. Der Gasverdichter kann, braucht aber nicht unmittelbar mit dem Luftverdichter gekuppelt zu werden, und man erhält immer seine optimale Regelung. Der zusätzliche .Brennstoff kann in derselben Brennkammer wie der gasförmige Brennstoff verbrannt werden, kann aber auch in einer anderen. Kammer zur Verbrennung gelangen.
• In den Zeichnungen sind Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise dargestellt, und zwar zeigen die Abb. r bis 6 schematische Ansichten, die sich auf die verschiedenen Ausführungen der Erfind.un:g beziehen.
• Abb. r veranschaulicht als Ausführungsbeispiel eine Gasturbinen:anlage von sehr einfacher Art; die Anlage weist einen Luftverdichter C und einen Verdichter G für das brennbare Gas auf, welche von derselben Hilfsturbine Ta angetrieben werden. Die Hauptturbine Tna ist mit der Hilfsturbine Ta parallel geschaltet. Die Hauptleitung c für das brennbare Gas 'hat an der Saugseite des Verdichters G parallel geschaltet eine Leitung c' für ein reicheres brennbares Gas. Die Regelung des. Heizwertes des dem Verdichter G und von dort der Brennkammer Clt zugeführten Brennstoffes erfolgt durch gleichzeitige Betätigung von zwei Klappen 0, 0'; die Stellung dieser beiden Organe kann experimentell berechnet oder bestimmt werden, so daß eine solche Gesamtmenge von Gas zugeführt wird, daß der Arbeitspunkt des Verdichters G auf seiner charakteristischen Kurve in Nähe des maximalen Leistungspunktes gehabten wird.
• Die Leitung c' kann auch eine Leitung zum Ansaugen von Luft oder von inertem Gas oder eine Leitung für ein ärmeres Gas als. .das hauptsächlich ,benutzte sein. Man kann den Antrieb durch das reichere oder ärmere Gas ohne Unterschied benutzen; die Verdichter C, G sind jedoch. in diesen beiden Fällen nicht in derselben Weise dimensioniert.
• Abb. z veranschaulicht eine Abänderung, bei der zwei Ventilatoren oder Gebläse 1', L" an Stelle der beiden Klappen O, O' verwendet werden. Die Regelung erfolgt, indem man auf die Drehzahl der Motoren m, m' einwirkt, welche die Gebläse antreiben, und diese beiden gleichzeitigen Wirkungen können gleichfalls in der Weise ausgeführt werden, daß der Arbeitspunkt des Verdichters G genau konst.an't erhalten wird.
• In diesen beiden Fällen könnte man auch die Regelung nur über eine einzelne Klappe oder ein einzelnes Gebläse herbeiführen. Man braucht dabei nur eine einzelne Klappe oder ein einzelnes Gebläse, wenn in einer der Leitungen mit Bezug auf die andere ein Über- oder Unterdruck herrscht.
• .Diese Anordnungen können ohne Rücksicht auf die .gewählte Einrichtung der Maschinenanlage .mit Gasturbinen verwendet werden. Der Gasverdichter G kann. auf einer Welle aufgekeilt sein, die verschieden von der des Luftverdichters C ist.
• Abb.3 bezieht sich auf die zweite Ausführung der Erfindung. Der Gasverdichter G wird .durch einen besonderen Motor angetrieben, der beim Ausführungsbeispiel eine kleine Gasturbine T' ist, welche in Reihe oder in Parallelschaltung mit den anderen angeordnet sein kann. ;Die Regelung der Fördermenge des der Brennkammer Ch zugeführten brennbaren Gases erfolgt alsdann über den Antriebsmotor T', indem man beispielsweise den Eintritt der diese Turbine antreibenden heißen Gase mehr oder weniger abdrosselt.
• Abb. q. ist eine Abänderung der vorhergehenden Ausführung, bei welcher der Verdichter G des brennbaren Gases durch einen Elektromotor M angetrieben wird, über dem die Regelung erfolgt. Der Motor wird hier durch eine Abzweigung eines elektrischen Stromerzeugers K gespeist, welchen die Hauptturbine Tm antreibt.
• Bei der Ausführung der A'bb. 5 erfolgt die Kompression des 'brennbaren Gases in zwei besonderen, in Reihe geschalteten Stufen. ,Der Niederdruckteil der Kompression erfolgt in einem Ventilator oder einem Gebläse h, welches auf der Welle des Verdichters C aufgekeilt sein kann. Der Hochdruckteil der Kompression erfolgt in einem volumetrischen Verdichter G, der von einem Motor M mit variabler Geschwindigkeit (beispielsweise durch einen Elektromotor) angetrieben wird, über den die Regelungen erfolgen.
• Abb. 6 bezieht sich auf die dritte Ausführung der Erfindung. Man verwendet hier zusätzlichen flüssigen Brennstoff, der durch die Rohrleitung a zugeführt wird, und auf den die Regelungen durch die Kappe v erfolgen. Bei dem in dieser Abbildung dargestellten Beispiel sind der Luftverdichter C und der Gasverdichter G auf derselben Welle aufgekeilt (wozu aber auch eine andere Welle verweh det werden kann), und das Gas und der zusätzliche Brennstoff -werden in derselben Brennkammer Ch verbrannt. Falls es erforderlich ist, 'könnte man auch zwei verschiedene Brennkammern benutzen.
• Bei allen Abbildungen ist die als Beispiel gewählte Gasturbinenanlage von besonderer Gattung. Die Erfindung ist aber auch für alle anderen Gasturbinengattungen geeignet, welches auch die Anordnungen und gewählten Gruppierungen sowie gegebenenfalls die Benutzung von Kühlern, Wärmerückgewinnern, Aufheizvorrichtun.gen- u. dgl. sein mögen.

Claims (6)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Verfahren zur Regelung der in die Gasturbinen einer aus einer Hilfsturbine zum Antrieb Beines als Strömungsgebläse ausgebildeten Luftverdichters, einem den gasförmigen Brennstoff verdichtenden und der Brennkammer der Gasturbine zuführenden als Strömungsgebläse ausgebildeten Gasverdichter und einer die Nutzleistung abgebenden Hauptturbine bestehenden Gasturbinenanlage eingeführten Wärmemenge gemäß der Belastung, wobei die Gasturbinen in der Hauptsache durch einen gasförmigen Brennstoff angetrieben werden, .dadurch gekennzeichnet, daß beim Arbeiten des Gasverdichters im optimalen Arbeitspunkt seiner Charakteristik die in die Brennkammer der Gasturbine eingeführte Wärmemenge geändert wird, indem entweder der Heizwert des gasförmigere Brennstoffes vor dem Eintritt in den Gasverdichter geändert oder ein Brennstoffzu.schuß, ibeispieIswei-se flüssiger Brennstoff, unmittelbar .in die gleiche Brennkammer eingeführt und die Menge dieses Brennstoffzuschusses geregelt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasverdichter oder nur ein Teil dieses Verdichters von einem Motor angetrieben wird, der unabhängig von der Gasturbine ist, welche den Luftverdichter antreibt, und daß die Regelung der Menge des gasförmi;gen Brennstoffes gemäß der Belastung dadurch geändert wird, daß die diesem Motor gelieferte Energiemenge geändert wird, während der Luftverdichter und gegebenenfaills derjenige Teil des Gasverdichters, der gemeinsam mit dem Luftverdichter angetrieben wird, mit dem Bestwert ihrer Nutzleistung und mit im wesentlichenkonstantem Abgabevolumen arbeiten.
3. 3. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die .mit der Gasturbine gekuppelten Gasverdichter (G, Abb. i) aus zwei oder mehreren Behältern gasförmigen Brennstoff von unterschiedlichem Heizwert durch Leitungen (c, c') ansaugen, welche mit Regelungsverschlüssen (o, o') versehen .sind, deren gleichzeitiger Antrieb den Heizwert dies gasförmigen iGemisches gemäß der Belastung der Gastu.rbinenanlage zu regeln erlaubt. q..
4. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch i und der Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen (c, c'), durch welche der oder die Gasverdichter gasförmigen Brennstoff von unterschiedlichem Heizwert ansaugen, Hilfsgebläse (v, v', Abb. 2) aufweisen, die von Motoren (m, m') angetrieben werden, deren Drehzahlen unabhängig voneinander regelbar sind, um den Heizwert des gasförmigen,Gemisches zu ändern.
5. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch a, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasverdichter (G, Abb. 3 bis 5), welche einer oder mehreren Verdichtungsstufen des gasförmigen Brennstoffes entsprechen, unabhängig von den Gasturbinen von Maschinen, deren Betrieb regelbar ist, angetrieben werden.
6. 6. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch i, gekennzeichnet durch einen regelbaren Verteiler (ca, v, Abb. 6), der gestattet, daB in die Brennkammer bzw. Brennkammern (Ch) ein zusätzlicher fester oder flüssiger Brennstoff eingeführt werden kann. Angezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 632 316, 704 i34.