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Verfahren zum Betrieb von Gasturbinenanlagen mit offenem Kreislauf
hie Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb von Gasturbinenanlagen,
die im offenen Kreislauf arbeiten, wobei das Treibmittel der \Tutzturbine bei gleichbleibender
Belastung mit konstantem Druck zugeführt wird. Es ist bekannt, das Treibmittel für
derartige Anlagen in der Weise zu erzeugen, daß man Luft aus der Atmosphäre ansaugt,
mittels eines Turboverdichters auf einen bestimmten Druck verdichtet und in einem
Erhitzer auf eine möglichst hohe Temperatur bringt. Die obere Grenze der Treibmitteltemperatur
wird von den für die Turbine zur Verfügung stehenden \\'erkstoffen bestimmt. Um
die Betriebssicherheit der Turbine zu gewährleisten, darf die Höchsttemperatur nicht
überschritten werden. Andererseits muß angestrebt werden, diese Höchsttemperatur
auch bei Teillasten beizubehalten, um möglichst hohe Teillastwirkungsgrade zu erzielen.
Die Leistungsregelung erfolgt bei diesen Anlagen durch Änderung der Brennstoffzufuhr
zum Erhitzer, die eine Temperaturänderung des Treibmittels hervorruft. Bei Laststeigerungen
besteht dann aber die Gefahr, daß die Höchsttemperatur erheblich überschritten wird.
Um dies mit Sicherheit zu vermeiden, muß die Anlage bei Teillasten mit entsprechend
niedrigen Temperaturen gefahren werden. Die zulässige Höchsttemperatur kann praktisch
nur bei Höchstlast erreicht werden. Bei Teillasten sinkt der thermische Wirkungsgrad
dieser Anlagen erheblich ab. Günstigere Verhältnisse ergeben
Anlagen,
deren Treibgas in bekannter Weise mittels Motorkolbenverdichter, insbesondere Freikolben-Treibgaserzeuger,
erzeugt wird. Diese Treibgaserzeuger sind in der Lage, die Treibmittel menge sehr
schnell zu erhöhen, ohne dabei deren Temperatur zu erhöhen. Bei diesem Verfahren
ist es jedoch nachteilig, daß für eine größere Nutzleistung eine verhältnismäßig
große Anzahl Freikolben-Treibgaserzeuger erforderlich sind.
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Um die Vorteile des Verfahrens mit Freikolben-Treibgaserzeugern auch
für größere Anlagen ausnutzen zu können und die Überschreitung der Temperaturgrenze
zu vermeiden, soll gemäß der Erfindung, ausgehend von einem bekannten Verfahren,
bei dem Gasturbinenanlagen mit Freikolben-Treibgaserzeugern betrieben werden, wobei
jedoch ein Teil der für die Nutzleistung benötigten Treibmittelmenge von einem oder
mehreren Turboverdichtern mit nachgeschaltetem Erhitzer erzeugt wird, die Gasturbinenanlage
so ausgelegt werden, daß der oder die Turbo-Treibgaserzeuger (Turboverdichter -1-
Erhitzer) das Treibmittel für den unteren Lastbereich (Grundlast) die Freikolben-Treibgaserzeuger
zusätzlich das Treibmittel für den oberen, meistgefahrenen Lastbereich erzeugen.
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' Die Anwendung des Verfahrens beschränkt sich nicht auf eine spezielle
Schaltung einer Gasturbinenanlage, sie kann vielmehr den jeweiligen Schaltungen
und Betriebsverhältnissen angepaßt werden. Bei einwelligen Turbogeneratoranlagen
müß z. B. die Forderung erfüllt werden, daß der Maschinensatz bei allen Teillasten
mit gleicher Drehzahl arbeitet. In diesem Fall wird nach der Erfindung die Gasturbinenanlage,
nachdem sie, eventuell mit Fremdenergie, angefahren worden ist, mit Hilfe des Turbo-Treibgaserzeugers
im Leerlauf auf die Betriebsdrehzahl hochgefahren. Bei Lastaufnahme und weiterer
Erhöhung der Belastung wird die dem Erhitzer zugeführte Brennstoffmenge so lange
erhöht, bis das Treibgas die zulässige Höchsttemperatur erreicht hat. Erfindungsgemäß
wird dieser Lastpunkt bereits bei einer bestimmten Teilbelastung der Anlage erreicht.
Während der Turboverdichter die größte Fördermenge liefert, für die er ausgelegt
ist, ist die Turbine selbst noch nicht ausgelastet. Die weitere Steigerung der Nutzlast
geschieht nun dadurch, daß die Freikolben-Treibgaserzeuger nacheinander eingesetzt
werden und die noch weiter erforderliche Treibmittelmenge liefern. In dem ganzen
Arbeitsbereich der Freikolben-Treibgaserzeuger kann die Höchsttemperatur ohne Gefahr
für die Turbine eingehalten werden. Infolgedessen arbeitet die Gasturbinenanlage
auch in diesem Teillastbereich mit dem bestmöglichen thermischen Wirkungsgrad. Bei
Gasturbinenanlagen, die getrennte Verdichter- und Nutzleistungsturbinen besitzen,
die also mit veränderlichen Verdichterdrehzahlen fahren, ergibt das Verfahren nach
der Erfindung noch günstigere Verhältnisse. Bei diesen Schaltungen kann die Anlage
im ganzen Lastbereich mit der Höchsttemperatur gefahren werden. Das Verfahren nach
der Erfindung ist aber auch bei Gasturbinenanlagen mit mehreren Druckstufen sowie
mit nebeneinandergeschalteten Turbinen anwendbar. In dem von den Freikolben-Treibgaserzeugern
belieferten Lastbereich erfolgt erfindungsgemäß die Regelung der Nutzleistung dadurch,
daß die den Freikolben-Treibgaserzeugern zugeführte Brennstoffmenge geändert wird.
Die Regelung kann aber auch so erfolgen, daß die von einem oder mehreren Freikolbenmaschinen
erzeugte Treibmittelmenge in einem Behälter gespeichert und nach Bedarf über ein
Regelorgan der Turbine zugeleitet wird. Bekanntlich können Gasturbinenanlagen, die
nur mit Turbomaschinen betrieben werden, nicht aus eigener Kraft anfahren. Ein weiterer
Vorteil des neuen Verfahrens ist, daß zum Anfahren der Anlage ein oder auch mehrere
Freikolben-Treibgaserzeuger benutzt werden können, wobei die erzeugte Treibgasmenge
den Turbosatz so lange beschleunigt, bis er selbsttätig arbeitet.
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Im folgenden sind einige Anwendungsbeispiele des neuen Verfahrens
unter Bezugnahme auf die Schaltbilder und Leistungskurven beschrieben.
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Fig. i zeigt das Schaltbild eines Einwellen-Generatorsatzes und Fig.
2 dessen Leistungskurven über dem gesamten Treibmitteldurchsatzgewicht.
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Fig.3 ist das Schaltbild einer Gasturbinenanlage mit getrennt arbeitender
Nutzturbine, und Fig.4 zeigt den Verlauf der Leistungskurve einer solchen Anlage;
Fig.5 endlich zeigt das Schaltbild einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden
zweistufigen Gasturbinenanlage.
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In Fig. i besteht der Turbogaserzeuger aus dem Verdichter i, dem Wärmetauscher
2 und dem Erhitzer 3. Die Turbine 4 treibt sowohl den Verdichter i als auch den
Generator 5 an, der die Nutzleistung in Form von elektrischer Energie erzeugt. 6
und 7 sind zwei Freikolben-Treibgaserzeuger, deren Treibgas durch die Leitung ä
ebenfalls der Turbine 4 zugeleitet wird. Durch die Leitung 9 werden die Abgase der
Turbine 4 dem Wärmetauscher 2 zugeführt, um dort einen Teil ihrer Wärme an die verdichtete
Luft zu übertragen. Der Drehzahlregler io beeinflußt über die Impulsleitung ii sowohl
die Brennstoffregelorgane i:2 und 13 der beiden Freikolben-Treibgaserzeuger 6 und
7 als auch das Regelorgan 14 des Erhitzers 3. Der Erhitzer 3 wird außerdem noch
von dem Tetnperaturfühler 15 aus über die Impulsleitung 16 geregelt. Die Leistungskurve
A-E (Fig. 2) gibt den Verlauf der Leistung an, die der Verdichter i bei steigendem
Fördergewicht benötigt. Die Kurve A'-D wäre der Verlauf der Turbinenleistung, wenn
die Höchsttemperatur des Treibmittels konstant bliebe. Zum Anfahren benötigt die
Anlage eine Mindestleistung von LA, die von den Freikolben-Treibgaserzeugern geliefert
wird. Vom Punkt B ab beginnt der Turbosatz bei Höchsttemperatur sell)-ständig zu
arbeiten. Bis zum Punkt E wird der Turbosatz ohne Hilfe der Freikolben-Treibgaserzeuger
durch Steigerung der Brennstoffmenge
des Erhitzers beschleunigt.
Bei E ist die volle Betriebsdrehzahl der Anlage erreicht und der Verdichter voll
ausgelastet, die zulässige Höchsttemperatur jedoch noch nicht erreicht. Bei Lastaufnahme
des Generators wird die Brennstoffmenge des Erhitzers weiter erhöht und damit auch
die Temperatur der Treibgase. Die Nutzleistung kann auf diese Weise von E bis C
gesteigert werden. Hier wird die Leistungskurve bei Höchsttemperatur erreicht. Bei
weiterer Leistungsanforderung werden die Freikolben-Treibgaserzeuger eingesetzt,
die das zusätzliche Treibmittelgewicht G2 bis zum Höchstleistungspunkt D erzeugen.
Bei dieser Höchstleistung ist LV die Leistung, die der Verdichter benötigt.
LN ist die gesamte Nutzleistung, wovon L,Nl den Betrag des Turbo-Treibgaserzeugers
und LNZ den Betrag der Freikolben-Treibgaserzeuger bedeuten.
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In dem Schaltbild Fig. 3 ist 21 der Verdichter, 22 der Wärmetauscher,
23 der Erhitzer und 24 die Turbine des Turbo-Treibgaserzeugers. 26 und 27 sind zwei
Freikolben-Treibgaserzeuger, von denen aus das erzeugte Treibgas durch die Leitung
28 der Verdichterturbine 24 zugeführt wird. Die gesamte Treibgasmenge strömt, nachdem
sie in der Turbine 24 die Energie für die Verdichterleistung abgegeben hat, der
Nutzleistungsturbine 29 zu. Die Leitung 3o leitet die Abgase dann zum Wärmetauscher
22. Vom Drehzahlregler 31 aus werden über die Impulsleitung 32 die Regelorgane 33,
34 und 35 beeinflußt, ebenso vom Temperaturfühler 36 aus über die Impulsleitung
37 das Regelorgan 35. Beim Anfahren der Anlage mittels der Freikolben-Treibgaserzeuger
wird das Absperrorgan 40 geschlossen und das Absperrorgan 41 geöffnet. Sobald der
Verdichter 21 eine genügend große Luftmenge fördert, wird das Absperrorgan 40 selbsttätig
geöffnet und, nachdem der Turbo-Treibgaserzeuger selbständig zu arbeiten beginnt,
das Absperrorgan 41 geschlossen. Die Nutzturbine 29 wird hierauf bis zur Betriebsdrehzahl
hochgefahren. Parallel zurTurbine 24 ist ein Überströrnregelorgan 42 angeordnet,
welches über die Impulsleitung 43 durch den Förderdruck des Verdichters 21 beeinflußt
wird. In Fig. 4 entspricht der Punkt B der Kurve A-D dem Leerlaufpunkt der
Anlage. Die Kurve zeigt den Verlauf der Turbinenleistung bei konstanter Höchsttemperatur.
Die Kurve B-E wäre die Kurve des Leistungsverlaufen des Turbo-Treibgaserzeugers,
wenn dieser allein arbeiten würde. Durch die -zusätzliche Treibmittelmenge der Freikolben-Treibgaserzeuger
verlagert sich die Kurve nach B-F. Die senkrechten Abstände zwischen den beiden
Kurven B-F und h-D geben die jeweilige Nutzleistung an. Bei der Höchstleistung,
Punkt D, ist I_v die vom Verdichter benötigte Leistung, LN die gesamte Nutzleistung,
LNl der Anteil des Turbo-Treibgaserzeugers und I_N., der Anteil der Freikolben-Treibgaserzeuger.
Die Kurven zeigen, daß bei dieser Schaltung das neue Verfahren sich besonders günstig
auswirkt. Bei allen Teillasten kann mit der zulässigen Höchsttemperatur gefahren
werden. In Fig. 5 ist 5 i der Niederdruckverdichter, 52 die Niederdruckturbine,
53 der Hochdruckverdichter und 54 die Hochdruckturbine. Mit dem Erhitzer 55 und
dem Zwischenerhitzer 56 bilden diese Turbomaschinen den Turbo-Treibgaserzeuger,
während 57 und 58 zwei Freikolben-Treibgaserzeuger bedeuten. Das von den letzteren
erzeugte Treibgas wird durch die Leitung 59 über den Speicherbehälter 6o der Niederdruckturbine
52 zugeleitet. Nach der Energieabgabe in dieser Turbine strömt das Treibgas zur
Nutzleistungsturbine 61, die den die elektrische Energie erzeugenden Generator 62
antreibt. Beim Anfahren wird das Absperrorgan 63 geschlossen und das Absperrorgan
64 geöffnet. Die Regelung der Anlage geschieht ähnlich wie bei der Schaltung nach
Fig. 3 und 4.. Die Brennstoffmenge des Erhitzers 55 ist nur abhängig von der Höchsttemperatur
vor der Turbine 54. Sie wird durch den Temperaturfühler 65 und das Regelorgan 66
geregelt, und zwar so, daß die Höchsttemperatur der Treibgase vor der Turbine 54
konstant bleibt. Der Drehzahlregler 67 beeinflußt über die Impulsleitung 68 sowohl
das Regelorgan 69 des Erhitzers 56 als auch das vor der Turbine 52 angeordnete Regelorgan
70. Es ist auch möglich, vom Speicherbehälter 6o aus der Nutzturbine 61 Treibgas
auf direktem Wege über das Regelorgan 71 zuzuführen. Die Regelorgane 72 und 73 der
Freikolben-Treibgaserzeuger 57 und 58 werden in diesem Fall auch durch den im Speicherbehälter
6o herrschenden Überdruck beeinflußt. Über den Temperaturfühler 74, die Impulsleitung
75 und das Regelorgan 69 wird zusätzlich die Brennstoffmenge des Erhitzers 56 beeinflußt.
Die aus dem Speicherbehälter 6o den Turbinen 52 bzw. 61 zuzuleitenden Treibgase
können durch einen zwischengeschalteten, nicht eingezeichneten Erhitzer bis auf
die zulässige Höchsttemperatur erhitzt werden.