SE459112B

SE459112B - Gas turbine for simultaneous electricity and heat prodn.

Info

Publication number: SE459112B
Application number: SE8700354A
Authority: SE
Inventors: H Harboe; B Kyrklund
Original assignee: Abb Stal Ab
Priority date: 1987-01-28
Filing date: 1987-01-28
Publication date: 1989-06-05
Also published as: SE8700354D0; SE8700354L

Abstract

A recuperator is provided for heat exchange between the exhaust exhaust gases and the compressor air, and an intermediate cooler is located between the low and high pressure compressors and an exhaust gas heat exchanger. The required electrical effect is regulated by alteration of the geometry of the low pressure turbine in order to vary its speed at constant combustion chamber temp. The desired heat effect is adjusted by regulating the by-pass flow over the recuperator. Heated water is sprayed into the compressor air ahead of the recuperator. Electricity is produced by a generator connected to the shaft of the high pressure turbine, whilst heat water in the temp. range of 70 - 120 deg. C. is produced in the intermediary cooler and exhaust gas heat exchanger. The shaft of the high pressure turbine rotates at constant speed, whilst that of the low pressure turbine can rotate freely. (Provisional basic advised week 88/37)

Description

J 459 112 10 15 20 25 30 35 binens axel kopplade generatorn, medan hetvatten av 70-l20°C temperatur produceras i mellankylaren och avgasvärmeväxlaren. Högtrycksturbinens axel roterar sålunda med konstant varvtal, medan lågtrycksturbinens axel kan rotera fritt. J 459 112 10 15 20 25 30 35 bee shaft connected the generator, while hot water off 70-120 ° C temperature is produced in the intercooler and the exhaust heat exchanger. The shaft of the high pressure turbine rotates thus at constant speed, while the low pressure turbine shaft can rotate freely.

Den termodynamiska processen vid en sådan gastur- binanläggning kan kortfattat benämnas "mellankyld re- kuperativ avgasturbin" och har 30-40% bättre elverk- ningsgrad än en enkel gasturbin med motsvarande tur- bininloppstemperatur. Genom att mellankylare- och av- gasvärmet utnyttjas för hetvattenproduktion, erhålles hög totalverkningsgrad.The thermodynamic process of such a gas bee plant can be briefly referred to as "intermediate-cooled cooperative exhaust turbine "and has 30-40% better power degree than a simple gas turbine with a corresponding bin inlet temperature. By cooling the intercooler and av- the gas heat is used for hot water production, is obtained high overall efficiency.

Uppfinningen avser ett sätt för drift av en gas- turbinanläggníng av den ovan angivna typen, och för att har de övriga här angivna kraven skall tillgodoses, sättet enligt uppfinningen erhållit kännetecknen som framgår av patentkravet l.The invention relates to a method for operating a gas turbine plant of the type indicated above, and for to has the other requirements specified here must be met, the method according to the invention has obtained the characteristics as stated in claim 1.

Uppfinningen avser också en gasturbinanläggning för utövning av sättet enligt uppfinningen.The invention also relates to a gas turbine plant for practicing the method according to the invention.

För närmare förklaring av uppfinningen hänvisas till bifogade ritningar, på vilka FIG l är ett schema över en gasturbinanläggning för utövning av sättet enligt uppfinningen, FIG 2 är ett diagram, som visar gasturbinanlägg- ningens driftomràde, och FIG 3 är ett schema över gasturbinanläggningen, kompletterad med apparatur för vatteninsprutning.For a more detailed explanation of the invention, reference is made to the accompanying drawings, on which FIG. 1 is a diagram of a gas turbine plant for practicing the method according to the invention, Fig. 2 is a diagram showing the gas turbine plant operating area, and Fig. 3 is a diagram of the gas turbine plant, supplemented with equipment for water injection.

Med hänvisning till FIG l innefattar den där vi- sade turbinanläggningen ett gasturbinaggregat, bestå- ende av en högtrycksturbin lO, som är kopplad till en högtryckskompressor ll och via en växel till en _ elektrisk generator 12 för uttagning av elektrisk nyt- toeffekt från aggregatet, samt en lågtrycksturbín l3, som är kopplad till en lâgtryckskompressor 14. Mellan högtrycksturbinen och lâgtrycksturbinen är anordnad en 10 15 20 25 30 35 459 112 regulator 15 för variabel lágtrycksturbingeometri.Referring to FIG. 1, it comprises said the turbine plant a gas turbine unit, consisting of end of a high pressure turbine 10, which is connected to a high pressure compressor ll and via a gear to a _ electric generator 12 for the extraction of electric utility power from the unit, and a low-pressure turbine l3, which is connected to a low pressure compressor 14. Between the high-pressure turbine and the low-pressure turbine are arranged one 10 15 20 25 30 35 459 112 regulator 15 for variable low pressure turbine geometry.

En brännkammare 16 (panna) är med sitt gasutlopp ansluten till högtrycksturbinen för att mata denna och den därmed seriekopplade lågtrycksturbinen med gas.A combustion chamber 16 (boiler) is with its gas outlet connected to the high pressure turbine to feed it and the associated low-pressure turbine with gas.

Lâgtrycksturbínen är ansluten till en skorsten, som är markerad med en pil 17, i serie med en rekuperator 18 och en avgasvärmeväxlare l9. Brännkammaren är med sitt luftinlopp ansluten till högtryckskompressorn för tillförsel av förbränningsluft via rekuperatorn. En - reglerbar bypassförbindelse 20 är anordnad för ledning av en del av avgasflödet förbi rekuperatorn l8.The low pressure turbine is connected to a chimney, which is marked with an arrow 17, in series with a recuperator 18 and an exhaust heat exchanger l9. The combustion chamber is with its air inlet connected to the high pressure compressor for supply of combustion air via the recuperator. One - adjustable bypass connection 20 is provided for conduction of a portion of the exhaust gas flow past the recuperator 18.

Högtryckskompressorn är seriekopplad med låg- tryckskompressorn, som tar in luft från omgivningen, såsom är markerat med en pil 2l. En mellankylare 22 är anordnad i förbindelsen mellan làgtryckskompressorn och högtryckskompressorn för värmeväxling mellan luf- ten i kompressorkretsen och en extern krets för värm- ning av hetvatten, och för samma ändamål är avgasvär- meväxlaren 19 anordnad.The high pressure compressor is connected in series with low- the pressure compressor, which takes in air from the surroundings, as marked with an arrow 2l. An intercooler 22 is arranged in the connection between the low-pressure compressor and the high-pressure compressor for heat exchange between the air in the compressor circuit and an external heating circuit hot water, and for the same purpose exhaust gas the exchanger 19 arranged.

Vid sättet enligt uppfinningen regleras i första hand luftflödet, medan temperaturnivån hålles kon- stant, genom att lâgtryckskompressorns rotationshas- _ tighet varieras med hjälp av anordningen 15 för änd- ring av lågtrycksturbinens geometri. Först när denna reglermöjlighet har utnyttjats till fullo, övergår man till att reglera brännkammartemperaturen. Verknings- graden kommer vid detta regleringssätt att vara lika bra som eller bättre än den i fullastpunkten inom näs- tan hela dellastomrádet (lO-100% last). Genom att en del av avgasflödet ledes förbi rekuperatorn l8 genom den reglerbara bypassförbindelsen 20, ökas värmeflödet- till avgasvärmeväxlaren l9. Därvid minskar elproduk- tionen vid konstant bränsletillförsel pá grund av minskad förvärmning av förbränningsluften. Gasturbin- anläggningen kan härigenom operera inom ett stort om- 459 112 10 15 20 25 30 35 râde med varierande el/vârmeförhâllande, såsom är åskâdliggjort i FIG 2. Vid Ökande bypassförhållande minskar elverkningsgraden, medan totalverkningsgraden ökar.In the method according to the invention is regulated in the first control the air flow, while keeping the temperature level constant, by rotating the low pressure compressor is varied by means of the device 15 for ring of the geometry of the low pressure turbine. Only when this regulatory opportunity has been fully utilized, it is transferred to regulate the combustion chamber temperature. Effective the degree will be equal in this mode of regulation good as or better than that at the full load point within the nasal tan the entire dellastom range (10-100% load). By a part of the exhaust gas flow is led past the recuperator 18 through the adjustable bypass connection 20, the heat flow to the exhaust heat exchanger l9. In doing so, electricity production constant fuel supply due to reduced preheating of the combustion air. Gas turbine- the plant can thereby operate within a large 459 112 10 15 20 25 30 35 advice with varying electricity / heat ratio, as is illustrated in FIG 2. At Increasing bypass ratio decreases the electricity efficiency, while the total efficiency increases.

En konventionell gasturbin är känslig för omgiv- ningstemperaturen. Uteffekt och elverkningsgrad mins- kar med ökande omgivningstemperatur genom att den in- sugna luftens massflöde minskar. I den här beskrivna gasturbinanläggningen kan lâgtrycksturbínens varvtal - justeras med hjälp av anordningen l5 för ändring av lågtrycksturbinens geometri, så att luftens massflöde hålles konstant vid varierande omgivningstemperatur.A conventional gas turbine is sensitive to the environment. temperature. Output power and electricity efficiency minimum with increasing ambient temperature by suction air mass flow decreases. In the one described here the gas turbine plant can the low pressure turbine speed - adjusted by means of the device 15 for changing the the geometry of the low pressure turbine, so that the mass flow of air kept constant at varying ambient temperatures.

Mängden kväveoxider (NOX) i avgaserna kan lik- som i konventionella gasturbiner reduceras till lága nivåer genom vatteninsprutning i brännkammaren. Härvid erhålles vanligen en ökad eleffekt och försämrad _ el och totalverkningsgrad. I den här beskrivna gastur- binanläggningen kan emellertid eleffekten och elverk- ningsgraden ökas genom vatteninsprutning med använd- ning av den kompletterande apparatur, som är visad i FIG 3. Vatten för vatteninsprutning förvärmes medelst kompressorluften i värmeväxlare 23 och 24 och/eller medelst avgaserna i en värmeväxlare 25, såsom är visat i FIG 3, för att sedan sprutas in i kompressorluften före rekuperatorn 18 vid 26. Härvid ökar värmeupptag- ningen i rekuperatorn med förbättrad elverkningsgrad som följd. Totalverkningsgraden minskar dock genom att skorstensförlusten ökar.The amount of nitrogen oxides (NOX) in the exhaust gases can be which in conventional gas turbines is reduced to low levels by water injection into the combustion chamber. Hereby an increased electrical power is usually obtained and deteriorated _ electricity and total efficiency. In the gas described here However, the electricity plant and the power plant the degree of increase is increased by water injection using the supplementary apparatus shown in FIG 3. Water for water injection is preheated by the compressor air in heat exchangers 23 and 24 and / or by means of the exhaust gases in a heat exchanger 25, as shown in FIG. 3, to then be injected into the compressor air before the recuperator 18 at 26. This increases the heat absorption in the recuperator with improved electrical efficiency resulting. However, the overall efficiency is reduced by chimney loss increases.

Claims

15 20 25 PATENT REQUIREMENTS

A method of operating a gas turbine plant for the simultaneous production of electricity and heat, comprising a combustion chamber (16), a high-pressure turbine (10) driven by gas from the combustion chamber and a low-pressure turbine (13) driven by the exhaust gas from the high-pressure turbine, a a low-pressure compressor (14) driven by the low-pressure turbine and a high-pressure compressor (11) driven by the high-pressure turbine connected to it in series for supplying air under pressure to the combustion chamber, a generator (12) driven by the high-pressure turbine, a recuperator (18) for heat exchange between exhaust and compressor air and an intercooler (22) between low and high pressure compressor and an exhaust heat exchanger (l9), both for heating hot water, characterized in that the desired electrical power is regulated by that the geometry of the low-pressure turbine is changed to change the speed of the low-pressure turbine at a constant combustion chamber temperature and that the desired heat output is regulated by setting a bypass solder over the recuperator.

2. A method according to claim 1, characterized in that water is injected into the compressor air before the recuperator.

3. A method according to claim 2, characterized in that the injection water is preheated. t