FI102692B - Methods of operation of a gas turbine plant for simultaneous production of electricity electricity and heat and gas turbine plant for the practice of the method - Google Patents

Methods of operation of a gas turbine plant for simultaneous production of electricity electricity and heat and gas turbine plant for the practice of the method Download PDF

Info

Publication number
FI102692B
FI102692B FI883440A FI883440A FI102692B FI 102692 B FI102692 B FI 102692B FI 883440 A FI883440 A FI 883440A FI 883440 A FI883440 A FI 883440A FI 102692 B FI102692 B FI 102692B
Authority
FI
Finland
Prior art keywords
pressure turbine
high pressure
gas turbine
electricity
turbine
Prior art date
Application number
FI883440A
Other languages
Finnish (fi)
Swedish (sv)
Other versions
FI883440A (en
FI883440A0 (en
FI102692B1 (en
Inventor
Henrik Harboe
Ben Kyrklund
Original Assignee
Abb Stal Ab
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Abb Stal Ab filed Critical Abb Stal Ab
Priority to FI883440A priority Critical patent/FI102692B/en
Publication of FI883440A0 publication Critical patent/FI883440A0/en
Publication of FI883440A publication Critical patent/FI883440A/en
Application granted granted Critical
Publication of FI102692B1 publication Critical patent/FI102692B1/en
Publication of FI102692B publication Critical patent/FI102692B/en

Links

Description

χ 102692χ 102692

Menetelmä kaasuturbiinilaitteiston käyttämiseksi sähkön ja lämmön samanaikaista tuotantoa varten sekä kaasutur-biinilaitteisto menetelmän suorittamiseksi 5 Keksintö koskee menetelmää kaasuturbiinilaitteiston käyttämiseksi sähkön ja lämmön samanaikaista tuotantoa varten .The invention relates to a method for operating a gas turbine apparatus for the simultaneous production of electricity and heat. The invention relates to a method for using a gas turbine apparatus for the simultaneous production of electricity and heat.

Kaasuturbiinilaitteistolle sähkön ja lämmön samanaikaista tuotantoa varten, esimerkiksi kuumana vetenä kauko-10 lämpöverkkoon, ns. lämpövoimana, asetetaan seuraavia vaatimuksia : - korkeasähköinen hyötysuhde - korkea terminen kokonaishyötysuhde - korkea sähkö/lämpösuhde 15 - joustavuus sähkön ja lämmön tuotannon välillä - erinomaiset osakuormaominaisuudet - tunnottomuus ympäristön lämpötilan vaihteluille.A gas turbine plant for the simultaneous production of electricity and heat, for example as hot water for a district heating network, so-called. as thermal power, the following requirements are set: - high electrical efficiency - high overall thermal efficiency - high electrical / thermal efficiency 15 - flexibility between electricity and heat production - excellent partial load characteristics - insensitivity to ambient temperature variations.

Nämä vaatimukset täyttyvät erittäin hyvin sentyyppisessä kaksiakselisessa kaasuturbiinilaitteistossa, joka 20 käsittää polttokammion, polttokammion kaasun käyttämän kor-keapaineturbiinin ja korkeapaineturbiinin pakokaasun käyttämän matalapaineturbiinin, matalapaineturbiinin käyttämän matalapainekompressorin ja tämän kanssa sarjaan kytketyn korkeapaineturbiinin käyttämän korkeapainekompressorin pai-25 neenalaisen ilman syöttämiseksi polttokammioon, korkeapaineturbiinin käyttämän generaattorin sähkön tuottamiseksi, rekuperaattorin lämmön vaihtamiseksi pakokaasujen ja kompressorin ilman välillä sekä välijäähdyttimen matala- ja korkeapainekompressorien välillä ja pakokaasulämmönvaihti-30 men, molemmat kuuman veden lämmitystä varten.These requirements are highly met well on a type of two-axle gas turbine plant, which 20 comprises the production of the combustion chamber, the combustion chamber of gas used by the high-pressure turbine and the high pressure turbine exhaust gas used by the low-pressure turbine, a low pressure turbine used by the low-pressure compressor and with the series-connected high-pressure turbine used by the high-pressure compressor PAI-25 neenalaisen for supplying air to the combustion chamber, the high pressure turbine used by the generator of electricity , a recuperator for exchanging heat between the exhaust gases and the compressor air, and an intercooler between low and high pressure compressors and an exhaust heat exchanger, both for hot water heating.

Sähkön tuottaa korkeapaineturbiinin akseliin kytketty generaattori samalla kun tuotetaan 70-120 °C lämpöti-laista kuumaa vettä välijäähdyttimessä ja pakokaasulämmön-vaihtimessa. Korkeapaineturbiinin akseli pyörii siten va-35 kiokierrosluvulla kun taas matalapaineturbiinin akseli voi pyöriä vapaasti.The electricity is generated by a generator coupled to the shaft of the high pressure turbine while producing hot water of 70-120 ° C in the intercooler and exhaust heat exchanger. Thus, the shaft of the high pressure turbine rotates at rpm to 35 rpm while the axis of the low pressure turbine is free to rotate.

2 1026922 102692

Termodynaamista prosessia tällaisessa kaasutur-biinilaitteistossa voidaan lyhyesti nimittää "välijäähdyte-tyksi rekuperatiiviseksi pakokaasuturbiiniksi" ja sillä on 30-40 % parempi sähköhyötysuhde kuin yksinkertaisella kaa-5 suturbiinilla, jolla on vastaava turbiinin sisääntulolämpö-tila. Käyttämällä välijäähdyttimen ja pakokaasun lämpöä kuuman veden tuotantoon saavutetaan korkea kokonais-hyötysuhde.The thermodynamic process in such a gas turbine apparatus can be briefly called "intercooled recuperative exhaust gas turbine" and has a 30-40% better electrical efficiency than a simple gas turbine with a similar turbine inlet temperature. By using the heat of the intercooler and the exhaust gas to produce hot water, a high overall efficiency is achieved.

Tekniikan tasoa esillä olevalle keksinnölle on esi-10 tetty julkaisuissa EP-A-247984, EP-A-150990 ja GB-A-836135 Keksintö koskee menetelmää yllä annetun tyyppisen kaasuturbiinilaitteiston käyttämiseksi ja jotta muut annetut vaatimukset täyttyisivät, on keksinnön mukainen menetelmä saanut patenttivaatimuksesta 1 ilmenevät tunnusmer-15 kit. Keksinnön muut toteutukset ilmenevät oheistetuista patenttivaatimuksista 2 - 4.The prior art is disclosed in EP-A-247984, EP-A-150990 and GB-A-836135. appear in the emblem-15 kit. Other embodiments of the invention are apparent from the appended claims 2 to 4.

Keksintö koskee myös kaasuturbiinilaitteistoa keksinnön mukaisen menetelmän suorittamiseksi.The invention also relates to a gas turbine apparatus for carrying out the process of the invention.

Keksinnön lähempää selitystä varten viitataan ohei-20 siin piirustuksiin, joissa kuvio 1 on kaaviokuva kaasuturbiinilaitteistosta keksinnön mukaisen menetelmän suorittamiseksi, kuvio 2 on diagrammi, joka esittää kaasuturbiinilaitteiston käyttöalueen ja 25 kuvio 3 on kaaviokuva kaasuturbiinilaitteistosta, jota on täydennetty välineillä veden sisäänruiskutusta varten .For a more detailed description of the invention, reference is made to the accompanying drawings, in which Figure 1 is a schematic diagram of a gas turbine apparatus for carrying out the method of the present invention, Figure 2 is a diagram showing a gas turbine apparatus operating area;

Viitaten kuvioon 1 esittää esitetty turbiinilait-teisto kaasuturbiiniaggregaatin, joka koostuu kor-30 keapaineturbiinista 10, joka on kytketty korkeapainekom- pressoriin 11 ja vaihteen kautta sähkögeneraattoriin 12 sähköhyötytehon ottamiseksi ulos aggregaatista, sekä mata-lapaineturbiinin 13, joka on kytketty matalapainekompresso-riin 14. Korkeapaineturbiinin ja matalapaineturbiinin vä-35 liin on sovitettu säädin 15 vaihtelevaa matalapaineturbiinin geometriaa varten.Referring to FIG. and a regulator 15 for a variable low pressure turbine geometry is fitted to the low pressure turbine.

3 1026923, 102692

Polttokammio 16 (kattila) on kaasu-ulostulostaan liitetty korkeapaineturbiiniin sen ja sen kanssa sarjaan kytketyn matalapaineturbiinin syöttämiseksi kaasulla. Ma-talapaineturbiini on liitetty savupiippuun, jota on merkit-5 ty nuolella 17, sarjassa rekuperaattorin 18 ja pako-kaasulämmönvaihtimen 19 kanssa. Polttokammio on il-masisääntulostaan liitetty korkeapainekompressoriin paloillaan syöttämiseksi rekuperaattorin kautta. Säädettävä ohi-tusyhteys 20 on sovitettu pakokaasuvirran osan johtamiseksi 10 rekuperaattorin 18 ohitse.The combustion chamber 16 (boiler) is connected at its gas outlet to a high pressure turbine to supply gas and a low pressure turbine connected in series therewith. The low pressure turbine is connected to a chimney marked with arrow 17, in series with recuperator 18 and exhaust gas heat exchanger 19. The combustion chamber, by its air intake, is connected to a high pressure compressor with its chunks for feeding through the recuperator. The adjustable bypass connection 20 is arranged to pass a portion of the exhaust stream 10 past the recuperator 18.

Korkeapainekompressori on kytketty sarjaan matala-painekompressorin kanssa, joka ottaa sisään ilmaa ympäristöstä, kuten on merkitty nuolella 21. Välijäähdytin 22 on sovitettu matalapainekompressorin ja korkeapainekompresso-15 rin väliseen yhteyteen lämmön vaihtamiseksi kompressoripii- rin ilman ja ulkoisen piirin välillä kuuman veden lämmitystä varten ja samaa tarkoitusta varten käytetään pako-kaasulämmönvaihdinta 19.The high pressure compressor is connected in series with the low pressure compressor which draws in air from the environment as indicated by arrow 21. The intercooler 22 is arranged to communicate between the low pressure compressor and the high pressure compressor 15 to exchange heat between the compressor circuit air and external circuit for hot water an exhaust gas heat exchanger 19 is used.

Keksinnön mukaisessa menetelmässä säädetään ensi 20 kädessä ilmavirtausta kun taas lämpötilataso pidetään vakiona muuttamalla matalapainekompressorin pyörimisnopeutta laitteen 15 avulla matalapaineturbiinigeometrian muuttamiseksi. Vasta kun tätä säätömahdollisuutta on täysin käytetty hyväksi siirrytään polttokammion lämpötilan säätöön.In the method of the invention, the air flow is controlled first and foremost, while the temperature level is kept constant by changing the rotational speed of the low pressure compressor by means of the device 15 to change the geometry of the low pressure turbine. Only when this control option has been fully utilized will the furnace temperature control be changed.

' 25 Hyötysuhde tulee tämän säätömenetelmän yhteydessä olemaan yhtä hyvä ellei parempi kuin täyden kuorman pisteessä lähes koko osakuorma-alueella (10-100 % kuorma). Johtamalla osa pakokaasuvirrasta rekuperaattorin 18 ohi säädettävän ohi-tusyhteyden 20 läpi lisätään lämpövirtausta pakokaasuläm-30 mönvaihtimeen 19. Tällöin pienenee sähköntuotanto vakiolla polttoaineen syötöllä polttoilman pienentyneen esilämmityk-sen johdosta. Kaasuturbiinilaitteisto voi täten toimia suurella vaihtelevan sähkö-/lämpösuhteen alueella, kuten on havainnollistettu kuviossa 2. Ohitussuhteen kasvaessa pie-35 nenee sähköhyötysuhde kun taas kokonaishyötysuhde kasvaa.'25 The efficiency of this adjustment method will be as good as, if not better than, the full load point in almost the entire partial load range (10-100% load). By passing a portion of the exhaust gas stream past recuperator 18 through an adjustable bypass connection 20, heat flow to the exhaust gas heat exchanger 19 is increased, thereby reducing power generation by constant fuel supply due to reduced preheating of the combustion air. The gas turbine apparatus can thus operate over a wide range of electrical / thermal ratios, as illustrated in Figure 2. As the bypass ratio increases, the pie-35 reduces the electrical efficiency while the overall efficiency increases.

4 1026924, 102692

Tavanomainen kaasuturbiini on herkkä ympäristön lämpötiloille. Ulostuloteho ja sähköhyötysuhde pienenevät ym-päristölämpötilan kohotessa sisäänimetyn ilman massavirran pienentyessä. Tässä selitetyssä kaasuturbiinilaitteistossa 5 matalapaineturbiinin kierroslukua voidaan asetella laitteen 15 avulla matalapaineturbiinin geometrian muuttamiseksi siten, että ilman massavirta pidetään vakiona ympäristön lämpötilan vaihdellessa.A conventional gas turbine is sensitive to ambient temperatures. The output power and electrical efficiency decrease as the ambient temperature rises and the mass flow of inlet air decreases. In the gas turbine apparatus 5 described herein, the RPM of the low pressure turbine can be adjusted by means of the device 15 to change the geometry of the low pressure turbine so that the air mass flow is kept constant as the ambient temperature fluctuates.

Typpioksidien (N0X) määrää pakokaasuissa voidaan 10 samoin kuin tavanomaisissa kaasuturbiineissa vähentää alhaiselle tasolle ruiskuttamalla ilmaa polttokammioon. Tällöin saadaan tavallisesti kohonnut sähköteho ja heikentynyt sähkö- ja kokonaishyötysuhde. Tässä selitetyssä kaasuturbiinilaitteistossa voidaan kuitenkin sähkötehoa ja sähkö-15 hyötysuhdetta kohottaa veden sisäänruiskutuksella käyttämällä täydentävää laitteistoa, joka on esitetty kuviossa 3. Vesi veden sisäänruiskutusta varten esilämmitetään kompressori-ilman avulla lämmönvaihtimissa 23 ja 24 ja/tai pakokaasujen avulla lämmönvaihtimessa 25, kuten on esitetty 20 kuviossa 3, tullakseen sitten ruiskutetuksi kompressori-ilmaan ennen rekuperaattoria 18 kohdassa 26. Tällöin kasvaa lämmön ulosotto rekuperaattorista parantuneen sähkö-hyötysuhteen ollessa seurauksena. Kokonaishyötysuhde pienenee kuitenkin savupiippuhäviöiden kasvaessa.As with conventional gas turbines, the amount of nitrogen oxides (N0X) in the exhaust gas can be reduced to a low level by injecting air into the combustion chamber. This usually results in increased electrical power and reduced electrical and overall efficiency. However, in the gas turbine apparatus described herein, electrical power and electrical efficiency can be increased by water injection using the auxiliary apparatus shown in Figure 3. Water for water injection is preheated by compressor air in heat exchangers 23 and 24 and / or by exhaust gas in heat exchanger 20, as shown. 3, then to be injected into the compressor air before the recuperator 18 at position 26. Thereby, the heat output from the recuperator increases with the resulting improved electrical efficiency. However, the overall efficiency decreases as the chimney losses increase.

Claims (4)

1. Menetelmä kaasuturbiinilaitteiston käyttämiseksi sähkön ja lämmön samanaikaista tuotantoa varten käsittäen 5 polttokammion (16), polttokammion kaasun käyttämän korkea-paineturbiinin (10) ja korkeapaineturbiinin pakokaasun käyttämän matalapaineturbiinin (13), matalapaineturbiinin käyttämän matalapainekompressorin (14) ja tämän kanssa sarjaan kytketyn korkeapaineturbiinin käyttämän korkeapa!-10 nekompressorin (11) ilman syöttämiseksi paineenalaisena polttokammioon, korkeapaineturbiinin käyttämän generaattorin (12) sähkön kehittämiseksi, rekuperaattorin (18) pakokaasujen ja kompressori-ilman välistä lämmönvaihtoa varten sekä välijäähdyttimen (22) matala- ja korkeapaine-15 kompressorien välillä ja pakokaasulämmönvaihtimen (19), molemmat kuuman veden lämmitystä varten, tunnettu siitä, että haluttu sähköteho säädetään muuttamalla matalapaineturbiinin geometriaa matalapaineturbiinin kierros-luvun muuttamiseksi polttokammion lämpötilan ollessa vakio 20 ja että haluttu lämpöteho säädetään asettelemalla ohitus-virtausta rekuperaattorin ohi.A method of operating a gas turbine apparatus for the simultaneous generation of electricity and heat comprising 5 combustion chambers (16), a high pressure turbine (10) operated by a gas turbine (10) and a high pressure turbine (13) operated by a low pressure turbine and ? -10 for supplying air under pressure to the combustion chamber of the necompressor (11), for generating electricity for the generator (12) used by the high pressure turbine, for heat exchange between the exhaust gases of the recuperator (18) and the low and high pressure compressors (19) ), both for hot water heating, characterized in that the desired electrical power is adjusted by changing the geometry of the low pressure turbine to change the rotational speed of the low pressure turbine with a constant 20 and that the desired thermal power is adjusted by adjusting the bypass flow past the recuperator. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kompressori-ilmaan ruiskutetaan vettä ennen rekuperaattoria.Method according to claim 1, characterized in that water is injected into the compressor air before the recuperator. 3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sisäänruiskutusvesi esilämmitetään.Method according to claim 2, characterized in that the injection water is preheated. 4. Kaasuturbiinilaitteisto jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukaisen menetelmän suorittamiseksi, käsittäen 30 polttokammion (16), polttokammion kaasun käyttämän korkeapaineturbiinin (10) ja korkeapaineturbiinin pakokaasun käyttämän matalapaineturbiinin (13), matalapaineturbiinin käyttämän matalapainekompressorin (14) ja tämän kanssa sarjaan kytketyn korkeapaineturbiinin käyttämän korkeapa!-35 nekompressorin (11) ilman syöttämiseksi paineenalaisena 102692 6 polttokammioon, korkeapaineturbiinin käyttämän generaattorin (12) sähkön kehittämiseksi, rekuperaattorin (18) pakokaasujen ja kompressori-ilman välistä lämmönvaihtoa varten sekä välijäähdyttimen (22) matala- ja korkeapaine-5 kompressorin välissä ja pakokaasulämmönvaihtimen (19), molemmat kuuman veden lämmitystä varten, tunnettu siitä, että matalapaineturbiini (13) on sovitettu geometrialtaan muuttuvaksi ja että rekuperaattorin (18) ohitse on sovitettu säädettävä ohitusyhteys (20). 7 102692A gas turbine apparatus for carrying out the method of any one of claims 1 to 3, comprising: a combustion chamber (16), a high pressure turbine (10) used by the gas of the combustion chamber and a low pressure turbine (14) operated by a low pressure turbine and -35 for supplying air under pressure to 102692 6 combustion chambers, generating electricity for the high pressure turbine generator (12), for exchanging exhaust gas with compressor air in the recuperator (18), and for the low and high pressure intercooler (22) of the intercooler (22) 19), both for hot water heating, characterized in that the low pressure turbine (13) is arranged to be of variable geometry and that an adjustable bypass connection (20) is arranged past the recuperator (18). 7 102692
FI883440A 1988-07-20 1988-07-20 Methods of operation of a gas turbine plant for simultaneous production of electricity electricity and heat and gas turbine plant for the practice of the method FI102692B (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI883440A FI102692B (en) 1988-07-20 1988-07-20 Methods of operation of a gas turbine plant for simultaneous production of electricity electricity and heat and gas turbine plant for the practice of the method

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI883440A FI102692B (en) 1988-07-20 1988-07-20 Methods of operation of a gas turbine plant for simultaneous production of electricity electricity and heat and gas turbine plant for the practice of the method
FI883440 1988-07-20

Publications (4)

Publication Number Publication Date
FI883440A0 FI883440A0 (en) 1988-07-20
FI883440A FI883440A (en) 1990-01-21
FI102692B1 FI102692B1 (en) 1999-01-29
FI102692B true FI102692B (en) 1999-01-29

Family

ID=8526848

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FI883440A FI102692B (en) 1988-07-20 1988-07-20 Methods of operation of a gas turbine plant for simultaneous production of electricity electricity and heat and gas turbine plant for the practice of the method

Country Status (1)

Country Link
FI (1) FI102692B (en)

Also Published As

Publication number Publication date
FI883440A (en) 1990-01-21
FI883440A0 (en) 1988-07-20
FI102692B1 (en) 1999-01-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5347806A (en) Cascaded advanced high efficiency multi-shaft reheat turbine with intercooling and recuperation
US5133180A (en) Chemically recuperated gas turbine
US5465569A (en) Method of establishing part-load operation in a gas turbine group
EP1917469B1 (en) Method using a cogeneration system with oxygen-enriched air assisting system
US5595059A (en) Combined cycle power plant with thermochemical recuperation and flue gas recirculation
US5271215A (en) Natural gas stream turbine system operating with a semi-open cycle
US4893466A (en) Method of operating a gas turbine unit
CN1074085C (en) Exhaust recirculation type combined plant
EP1044321B1 (en) Gas turbine engines connected in series
JP2898290B2 (en) Mechanical energy generator
CA2069593A1 (en) Combined gas/steam power station plant
US20060272334A1 (en) Practical method for improving the efficiency of cogeneration system
EP1285151B1 (en) Method and apparatus for power augmentation for gas turbine power cycles
US5193337A (en) Method for operating gas turbine unit for combined production of electricity and heat
CA1298615C (en) Gas turbine unit for combined production of electricity and heat and method for operating such unit
WO1997031184A1 (en) Hydrogen fueled power plant with recuperation
FI102692B (en) Methods of operation of a gas turbine plant for simultaneous production of electricity electricity and heat and gas turbine plant for the practice of the method
JP2869070B2 (en) Gas turbine unit for electricity and heat generation and method of operation thereof
US10358979B2 (en) Turbocooled vane of a gas turbine engine
JPS63120826A (en) Fuel heating method
RU2767677C1 (en) Method of reducing the power of a gas turbine plant below its permissible lower limit of the control range
JPH02153227A (en) Compound engine
RU2008480C1 (en) Power unit
RU2192551C2 (en) Gas turbine engine with regeneration of heat
DK168126B1 (en) Method of operating a gas turbine unit for simultaneous production of electricity and heat, and gas turbine unit for implementing the method

Legal Events

Date Code Title Description
FG Patent granted

Owner name: ABB STAL AB

FG Patent granted

Owner name: ABB STAL AB

MA Patent expired