DK168126B1 - Fremgangsmaade til drift af et gasturbineanlaeg for samtidig frembringelse af elektricitet og varme samt gasturbineanlaeg til udoevelse af fremgangsmaaden - Google Patents

Description

DK 168126 Bl i

Opfindelsen angår en fremgangsmåde til drift af et gasturbineanlæg for samtidig frembringelse af elektricitet og varme omfattende et forbrændingskammer, en af gassen fra forbrændingskammeret drevet højtryksturbine og en af udstødnings-5 gassen fra høj tryksturbinen drevet lavtryksturbine, en af lavtryksturbinen drevet lavtrykskompressor og en med denne seriekoblet af højtryksturbinen drevet højtrykskompressor for tilførsel af luft under tryk til forbrændingskammeret, en af højtryksturbinen drevet generator for frembringelse af elektrici-10 tet, en rekuperator for varmeudveksling mellem udstødningsgasser og kompressorluft samt en mellemkøler mellem lav- og høj -trykskompressoren og en udstødningsgasvarmeveksler, begge til opvarmning af varmt vand.

Ved et gasturbineanlæg til samtidig frembringelse af elektri-15 citet og varme, eksempelvis varmt vand til fjernvarmenet, såkaldt kraftvarme, stilles der krav om: - en høj elektrisk virkningsgrad - en høj total termisk virkningsgrad - et højt el/varmeforhold 20 - fleksibilitet imellem el- og varmeproduktion - udmærkede dellastegenskaber og - ufølsomhed over for variationer i omgivelsernes temperatur.

Et toakslet gasturbineanlæg af den indledningsvis nævnte art opfylder disse krav.

25 Elektricitet produceres af en til højtryksturbinens aksel koblet generator, medens varmt vand af en temperatur på 70-120°C kan produceres i mellemkøleren og varmeudveksleren for udstødningsgas. Højtryksturbinens aksel roterer da med et konstant omløbstal, medens lavtryksturbinens aksel kan rotere frit.

30 Den termodynamiske proces ved et sådant gasturbineanlæg kan kort benævnes "mellemkølet rekuperativ udstødningsgasturbine" 2 DK 168126 B1 og har elvirkningsgrad, der er 30-40% højere end en enkelt gasturbine med modsvarende turbineindløbstemperatur. Ved at udnytte mellemkølerens- og udstødningsgassens varme til frembringelse af varmt vand opnås en høj total virkningsgrad.

5 En konventionel gasturbine er imidlertid ret følsom over for omgivelsernes temperatur. Udgangseffekten og elvirkning s graden aftager med en voksende temperatur af omgivelserne som følge af, at massestrømmen af den indsugede luft reduceres.

Formålet med opfindelsen er at anvise, hvorledes denne ulempe 10 afhjælpes samtidigt med, at der vil kunne opereres inden for et stort område med varierende el/varme-forhold.

En fremgangsmåde af den indledningsvis nævnte art er ifølge opfindelsen ejendommelig ved, at den ønskede effekt indregule-res ved, at lavtryksturbinens geometri ændres til ændring af 15 lavtryksturbinens omløbstal ved konstant temperatur af forbrændingskammeret, og at en ønsket varmeeffekt indreguleres ved en indstilling af en bypass-strøm over rekuperatoren.

Lavtryksturbinens omløbstal kan derved justeres ved, at regulatoren ændrer lavtryksturbinens geometri således, at mas-20 sestrømmen af den indsugede luft kan holdes konstant, selv om temperaturen af omgivelserne ændres.

Opfindelsen angår også et gasturbineanlæg til udøvelse af fremgangsmåden ifølge opfindelsen omfattende et forbrændingskammer, en af gasforbrændingskammeret drevet højtryksturbine 25 og en af udstødninggassen fra højtryksturbinen drevet lavtryksturbine, en af lavtryksturbinen drevet lavtrykskompressor og en dermed seriekoblet og af lavtryksturbinen drevet høj -trykskompressor for tilførsel af luft under tryk til forbrændingskammeret, en af højtryksturbinen drevet generator for 30 frembringelse af elektricitet, en rekuperator for varmeudveksling mellem udstødningsgasser og kompressionsluft samt en mellemkøler mellem lav- og højtrykskompressoren og en varmeud- 3 DK 168126 B1 veksler for udstødningsgas, begge til opvarmning af varmt vand.

Gasturbineanlægget er ifølge opfindelsen ejendommeligt ved, at lavtryksturbinen er indrettet med variabel geometri, og at en 5 regulerbar bypassforbindelse er anbragt over rekuperatoren. Derved opnås et særligt hensigtsmæssigt gasturbineanlæg.

Opfindelsen skal nærmere forklares i det følgende under henvisning til tegningen, hvor fig. 1 viser et diagram over et gasturbineanlæg til udøvelse 10 af fremgangsmåden ifølge opfindelsen, fig. 2 en illustration af gasturbineanlæggets arbejdsområde, og fig. 3 et diagram over et gasturbineanlæg suppleret med en anordning til indsprøjtning af vand.

15 Det i fig. 1 viste gasturbineanlæg omfatter et turbineaggregat bestående af en højtryksturbine 10, som er koblet til en højtrykskompressor 11 og via en aksel er koblet til en elektrisk generator 12 for afgivelse af elektrisk nytteeffekt, samt en lavtryksturbine 13, som er koblet til en lavtrykskompressor 20 14. Mellem højtryksturbinen 10 og lavtryksturbinen 13 er an bragt en regulator 15 til regulering af lavtryksturbinens geometri.

Et forbrændingskammer 16 (en kedel) er med sit gasudløb sluttet til højtryksturbinen 10 for at føde denne og den dermed 25 seriekoblede lavtryksturbine 13 med gas. Lavtryksturbinen 13 er via en rekuperator 18 og en varmeudveksler 19 for udstødningsgasser sluttet til en skorsten, hvilket er vist ved hjælp af en pil 17. Forbrændingskammeret 16 er med sit luftindtag sluttet til højtrykskompressoren 11 for tilførsel af forbræn-30 dingsluft via rekuperatoren 18. En regulerbar bypassforbindel- 4 DK 168126 B1 se 20 kan lede en del af strømmen af udstødningsgasser forbi rekuperatoren 18.

Højtrykskompressoren 11 er koblet i serie med lavtrykskompressoren 14, som indtager luft fra omgivelserne, således som det 5 er vist ved hjælp af en pil 21. En mellemkøler 22 er anbragt i forbindelsen mellem lavtrykskompressoren 14 og højtrykstkom-pressoren 11 for varmeudveksling mellem luften i kompressorkredsen og en ydre kreds for vandopvarmning. Varmeudveksleren 19 for udstødningsgasser tjener samme formål.

10 Ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen reguleres i første omgang luftstrømmen, medens temperaturniveauet holdes konstant ved, at lavtrykskompressorens 14 rotationshastighed varieres ved at regulatoren 15 ændrer lavtryksturbinens 13 geometri. Først når denne reguleringsmulighed er udnyttet fuldt ud, går 15 man over til at regulere forbrændingskammerets 16 temperatur. Ved denne reguleringsmetode er virkningsgraden lige så høj eller højere end i fuldlastpunktet indenfor næsten hele dellastområdet (10-100% belastning) . Ved at lede en del af strømmen af udstødningsgasser gennen den regulerbare bypassforbin-20 delse 20 og forbi rekuperatoren 18, øges varmestrømmen til varmeveksleren 19. Derved mindskes elproduktionen ved konstant brændstoftilførsel som følge af en mindsket forvarmning af forbrændingsluften. Gasturbineanlægget kan herigennem operere inden for et stort område med varierende el/varmeforhold, 25 således som det er anskue liggjort i fig. 2. Ved et voksende bypass-forhold falder elvirkningsgraden, medens den samlede virkningsgrad forøges.

En konventionel gasturbine er ret følsom over for omgivelsernes temperatur. Udgangseffekten og elvirkningsgraden aftager 3 0 med en voksende temperatur af omgivelserne, som følge af, at massestrømmen af den indsugede luft reduceres. I det her beskrevne gasturbineanlæg kan lavtryksturbinens 13 omløbstal justeres ved, at regulatoren 15 ændrer lavtryksturbinens 13 geometri, således at massestrømmen af den indsugede luft hol-

Claims (4)

15 Den totale virkningsgrad reduceres dog som følge af, at tabet i skorstenen øges. Patentkrav.

1. Fremgangsmåde til drift af et gasturbineanlæg for samtidig 20 frembringelse af elektricitet og varme omfattende et forbrændingskammer (16) , en af gassen fra forbrændingskammeret drevet høj tryksturbine (10) og en af udstødningsgassen fra højtryksturbinen drevet lavtryksturbine (13), en af lavtryksturbinen drevet lavtrykskompressor (14) og en dermed seriekoblet og af 25 højtryksturbinen drevet højtrykskompressor (11) for tilførsel af luft under tryk til forbrændingskammeret, en af højtryksturbinen drevet generator (12) for frembringelse af elektricitet, en rekuperator (18) for varmeudveksling mellem udstødningsgasser og kompressorluft samt en mellemkøler (22) mellem 30 lav- og højtrykskompressoren og en udstødningsgasvarmeveksler (19) , begge til opvarmning af varmt vand, kende -tegnet ved, at den ønskede effekt indreguleres ved, at lavtryksturbinens (13) geometri ændres til ændring af lavtryksturbinens omløbstal ved konstant temperatur af forbræn- DK 168126 B1 6 dingskarameret (16) , og at en ønsket varmeeffekt indreguleres ved indstilling af en bypassstrøm over rekuperatoren (18).

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved en indsprøjtning af vand i kompressorluften foran rekuperato- 5 ren (18) .

3. Fremgangsmåde ifølge krav 2, kendetegnet ved, at indsprøjtningsvandet forvarmes.

4. Gasturbineanlæg til udøvelse af fremgangsmåden ifølge krav 1-3, omfattende et forbrændingskammer (16), en af gas fra 10 forbrændingskamret (16) drevet højtryksturbine (10) og en af udstødninggassen fra højtryksturbinen drevet lavtryks turbine (13) , en af lavtryksturbinen drevet lavtrykskompressor (14) og en dermed seriekoblet og af højtryksturbinen (10) drevet højtrykskompressor (11) for tilførsel af luft under tryk til • 15 forbrændingskammeret, en af højtryksturbinen (10) drevet generator (12) for frembringelse af elektricitet, en rekuperator (18) for varmeudveksling mellem udstødningsgasser og kompressionsluft samt en mellemkøler (22) mellem lav- og højtrykskompressoren og en varmeudveksler (19) for udstødningsgas, begge 20 til opvarmning af varmt vand, kendetegnet ved, at lavtryksturbinen (13) er indrettet med variabel geometri, og at en regulerbar bypassforbindelse (20) er anbragt over rekuperatoren (18) . 25