SE509666C2 - Sätt och anordning för att tillföra luft till en brännkammare - Google Patents

Description

lO 15 20 25 30 35 509 666 2 konfigurationen ovan där ett fast bränsle, vanligen finfördelat kol, brännkammaren. förbrannes i en fluidiserad bädd i I en gasturbinanläggning är vanligen en elektrisk generator för alstring av nyttig energi kopplad till högtrycksturbinen via en växel. Vid start av anläggningen är det möjligt att nyttja generatorn som elmotor för att varva upp kompressorn och därigenom trycksätta brännkammaren.

Vid dimensionering av anläggningen väljes vanligen en kom- pressorstorlek som ger optimalt luftflöde vid en för anläggningsorten känd lag utelufttemperatur. När det ä andra sidan rader högre temperaturer pa orten erhäller luften lägre densitet, varvid massflödet av luft genom kompressorn minskar och därmed anläggningens effekt. En annan anläggningsort kan vara placerad pa en annan höjd över havet där luftens densitet är en annan, vilket gör att anläggningen maste dimensioneras pa ett annat satt.

En liten feldimensionering av vald kapacitet för kompressorn kan inte kompenseras med enkla medel i efterhand.

Vid aldring av den ordinarie kompressorn minskar kapaciteten hos denna, vilket innebär att de ursprungligen beräknade flödena ej längre överensstämmer med verkligheten. Detta gär ej att kompensera.

Ett konventionellt sätt att öka luftens densitet när uteluftens temperatur ökar är att kyla luften antingen med vatten eller med hjälp av ett kylaggregat. Att kyla med vatten är endast möjligt da luftfuktigheten är lag. Att kyla med hjälp av ett kylaggregat är dyrbart. Ingen av de bada lösningarna fungerar i det fall den laga luftdensiteten beror pa att anläggningen är placerad pa hög höjd övet havet. lO 15 20 25 30 35 3 509 666 SE 500 150 beskriver ett sätt och en anordning där de ovan beskrivna problemen lösts genom att tillföra tillskottsluft till en brännkammare vid en gasturbinanläggning med hjälp av en tillsatskompressor. Lösningen innebär att luft komprimeras i tillsatskompressorn och tillföres brännkammaren genom ledning av den komprimerade luften helt eller delvis förbi den ordinarie kompressorn som levererar luft till brännkammaren för trycksättning av brännkammaren och för underhàll av en förbränning i brännkammaren.

Problemet med lösningen i SE 500 150 är att den är komplicerad och dyrbar att installera i anläggningen. Det är svärt att blanda in ett extra luftflöde i anläggningens huvudluftflöde utan att anläggningens aerodynamiska egenskaper störs. Vidare är gasturbinen dimensionerad för ett visst luftflöde. Genom att öka luftflödet genom turbinen utan att öka luftflödet genom kompressorn störs de axiella krafterna i anläggningen.

BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Uppfinningen avser ett sätt och en anordning för att tillföra luft till en brännkammare i en gasturbinanläggning. Uppfinningen innebär att en kompressor i gasturbinanläggningen alltid erhàller ett luftflöde med förutbestämd densitet som är oberoende av vilken höjd över havet den är placerad och oberoende av den omgivande lufttemperaturen.

Distribution av luft med förutbestämd densitet till kompressorn ästadkoms genom anordnande av en ett trycksättningsorgan, exempelvis en konvetionell fläkt uppströms kompressorn. I fläkten komprimeras luften i den män det behövs för att kunna leverera luft med förutbestämd densitet till kompressorns làgtryckssida. Genom att anordna ett trycksättningsorgan före gasturbinanläggningens kompressor för att hälla luftdensiteten pä ett förutbestämt 10 15 20 25 30 35 509 666 4 värde, störs inte gasturbinens ursprungliga aerodynamiska egenskaper.

Genom distribution av luft med förutbestämd densitet till kompressorn uppnäs bättre möjlighet till anpassning av kompressorn till andra komponenter i anläggningen och i beroende av dessa komponenter uppkommet erforderligt luftflöde till förbränningsprocessen i brännkammaren.

Med uppfinningen ges möjlighet att kompensera för effekt- minskning i anläggningen pä grund av minskat luftflöde till brännkammaren vid högre omgivningstemperatur. Ytterligare fördelar är att möjlighet skapas för efterjustering av luftflödeskapaciteten för kompressorerna, vilket är fallet vid t ex en felaktig dimensionering av den ordinarie kompressorn eller vid en inträdande luftflödesminskning pá grund av förändringar i den ordinarie kompressorn orsakade av exempelvis kompressorns älder eller försmutsning.

Ytterligare en fördel med uppfinnigen är att anläggningens övriga egenskaper inte störs av installationen av ett trycksättningsorgan uppströms kompressorn. Vidare är lösningen enkel och kostnadseffektiv.

FIGURBESKRIVNING Uppfinnigen förklaras närmare under hänvisning till bifogade ritningsfigurer.

Figur l visar schematiskt en utföringsform av en gasturbinanläggning där luft tillföres en kompressors lägtryckssida via ett trycksättningsorgan för vidare transport till en brännkammare. Med streckade linjer indikeras ett förgasningsorgan som kan vara anordnat mellan kompressorn och brännkammaren.

Figur 2 visar en utföringsform av en gasturbinanläggning där luft tillföres en kompressors làgtryckssida via ett 10 l5 20 25 30 35 509 666 5 trycksättningsorgan för vidare transport till en brännkammare. Gasturbinanläggningen är kombinerad med en àngcykel och en ventilanordning.

Figur 3 visar en utföringsform av en gasturbinanläggning, där gasturbinen och kompressorn uppdelats i högtrycks- och lagtrycksenheter. Luft tillföres làgtryckskompressorns làgtryckssida via ett trycksättningsorgan för vidare transport till en brännkammare. Med streckade linjer indikeras att gasturbinanläggningen kan kombineras med en ängcykel och en ventilanordning.

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSFORMER I figur l som schematiskt àterger en gasturbinanläggning betecknar BK en brännkammare, i vilken ett bränsle förbrännes under högt tryck. Det höga trycket àstadkommes medelst en kompressor C, som komprimerar luft, vilken föres till brännkammaren BK via luftledningen 8".

Förbränningsgaserna som alstras i brännkammaren BK ledes till en gasturbin GT, via ledning 9, för nyttiggörande av energin i förbrànningsgaserna, varefter de förbrukade avgaserna bortföres via en avgasledning 10. Gasturbinen GT är monterad pà samma axel Al som kompressorn C och driver säledes kompressorn. Pa samma axel Al som kompressorn C och gasturbinen GT är monterade är även en generator G anordnad för omvandling av i gasturbinanläggningen nyttiggjord energi till elektrisk energi.

Luft till kompressorn insugs via ledningen 8' och ett trycksättningsorgan F, t ex en fläkt och en ledning 8.

Trycksättningsorganet F har förmàga att höja densiteten hos den genom denna strömmande luften till ett pä förhand bestämt värde. Trycksättningsorganet F drives av ett drivorgan M som exempelvis utgörs av en reglerbar motor som kan vara av elektrisk, hydraulisk, diesel- eller av explosionstyp eller ocksa kan det utgöras av en ängturbin. 10 15 20 25 30 35 509 666 6 Drivorganet M är anordnat att driva trycksättningsorganet F via en axel A3.

Drivorganet M drivs i beroende av värdet pä densiteten i ledningen 8'. Ett mätorgan 13 är anordnat att mäta densiteten i ledningen 8' och ett styrorgan 14 är anordnat att i beroende av detta mätresultat styra drivorganet M.

Drivorganet M aktiveras i de fall utelufttemperaturen är högre än den som anläggningen är dimensionerad för eller om luftens densitet behöver justeras av nagot annat skäl, t ex pä grund av äldring av anläggningen.

Det trycksättande organet F kan exempelvis regleras genom att av detta innefattade ledskenor är anordnade vridbara för reglering av luftflodesmängden genom detta. Alternativt kan det trycksättande organet P regleras genom att dess varvtal ändras i beroende av mätresultatet frän mätorganet 13.

I figur 1 visas inom streckade linjer en alternativ utföringsform där gasturbinanläggningen kombinerats med ett forgasningsorgan GF. Förgasningsorganet GF är anordnat mellan kompressorn och brännkammaren vilket symboliserar en sä kallad IGCC-anläggning. att en del av den komprimerade luften frän kompressorn C IGCC-anläggningen fungerar sä fors till forgasningsorganet GF for forgasning av ett bränsle exempelvis kol som tillförs forgasningsorganet GF via ledning 6. Det forgasade bränslet fors sedan frän förgasningsorganet GF till brännkammaren BK via ledning 7.

Huvuddelen av den i kompressorn C komprimerade luften förs dock vidare via ledningen 8" till brännkammaren BK.

I figur 2 visas en alternativ utforingsform av uppfinningen där gasturbinanläggningen kombinerats med en ängcykel och en ventilanordning bildande en sä kallad PFBC-anläggning. Ångkretsen symboliseras av matarvatten som med hjälp av en pump 15 cikuleras frän en kondensortank 16 via en ledning 17 till tubsatser 18 i brännkammaren BK for generering/överhettning av änga. Ångan fors vidare till en 10 15 20 25 30 35 509 666 7 angturbin 19 via ledning 20. Kondensat och expanderad ànga áterförs till kondensorn 16 via ledning 21. I figur 2 visas ocksa en intercept- och bypassventil V. Luft till kompressorn C intages via luftledningen 8'.

Förbränningsgaserna som alstras i brànnkammaren BK ledes via intercept- och bypassventilen V till en gasturbin GT via ledning 9 för nyttiggörande av energin i förbränningsgaserna, varefter de förbrukade avgaserna bortföres via en avgasledning 10. Gasturbinen GT är monterad pà samma axel A1 som kompressorn C och driver saledes kompressorn. Via axeln Al driver gasturbinen GT även en generator G för omvandling av i gasturbinanlágg- ningen nyttiggjord energi till elektrisk energi. Intercept- och bypassventilen V innefattar förutom en avstängningsventil för kompressorluft till brànnkammaren BK, och en avstangningsventil för tillförsel av förbranningsgaser till gasturbinen GT aven en bypassledning med en avstangningsventil för möjlighet till kortslutning av kompressor C och gasturbin GT.

Pà samma sätt som beskrivits i anslutning till figur l insugs luft till kompressorn C via ledningen 8' och trycksàttningsorganet F. Trycksattningsorganet F regleras vidare pa samma sätt som beskrivits ovan av ett reglerbart drivorgan M.

I figur 3 visas ytterligare en alternativ utföringsform av uppfinningen där bade gasturbinen GT och kompressorn C är uppdelad i flera steg. Utförandet följer i övrigt den mer allmänna kopplingen enligt figur l. I utföringsformen enligt figur 3 driver förbranningsgaserna fràn brànnkammaren BK en högtrycksturbin HPT, vilken är monterad tillsammans med en högtryckskompressor HPC pà en första axel A1. De i högtrycksturbinen HPT expanderade gaserna föres vidare till en làgtrycksturbin LPT, fràn vilken avgaserna fràn anläggningen bortföres via en avgasledning 10. Pa samma axel, en andra axel A2, som làgtrycksturbinen LPT ar monterad, är aven en lagtryckskompressor LPC anordnad. Till denna lágtryckskompressor föres luft via 10 15 20 25 30 35 509 666 8 luftledningen 8"', varefter luften efter kompression i lägtryckskompressorn LPC föres till högtryckskompressorn HPC, där luften komprimeras ytterligare innan den tillföres brännkammaren BK eventuellt via en med streckade linjer angiven interceptventil V med samma funktion som angivits i figur 2. Efter kompression av luften i lagtryckskompressorn LPC kan luften innan den päföres högtryckskompressorn HPC kylas i en mellankylare IC. Den forsta axeln Al driver, eventuellt via en växel 12, generatorn G för alstring av elektrisk energi.

I denna utforingsform sugs luft till lägtryckskompressorn LPC in via ledningen 8 till trycksättningsorganet F och vidare via ledningen 8"'. Trycksättaningsorganet F drivs via axeln A3 i beroende av densiteten hos luften i ledningen 8'. Ett organ 13 är anordnat att mäta densiteten i ledningen 8' och ett styrorgan 14 är anordnat att i beroende av detta mätresultat styra drivorganet M för drivning av trycksättningsorganet F. drivs trycksättaningsorganet F via axeln A3 i Ett är dä anordnat att mata densiteten i ledningen Alternativt beroende av densiteten hos luften i ledningen 8"'. organ 13' 8... detta mätresultat styra drivorganet M för drivning av och ett styrorgan 14' är anordnat att i beroende av trycksättningsorganet F.

I figur 3 visas vidare med streckade linjer en ängkrets kombinerad med gasturbinanläggningen. Ångkretsen symboliseras pä samma sätt som i figur 2. Det är i huvudsak i kombination med denna ängcykel som det är aktuellt att använda en interceptventil V.

Uppfinnigen är säledes tillämpbar bade i enaxliga- och fleraxliga gasturbinanläggningar och i kombinerade cykler.

Claims (11)

10 15 20 25 30 35 40 'q 509 666 PAT ENT KRAV

1. Sätt att tillföra luft till en trycksatt brännkammare (BK) vid en gasturbinanläggning som för trycksättning av bránnkammaren (BK) innefattar en kompressor (C) driven av en gasturbin (GT), vilken i sin tur drivs av gaser bildade (BK) där lagtryckssida via ett vid förbränning av ett bränsle i bránnkammaren luften tillförs kompressorns (C) trycksättningsorgan (F) kännetecknat av att trycksättningsorganet (F) anordnas separat fràn gasturbinanläggningen och drives av ett drivorgan (M) som regleras i beroende av densiteten hos luften i en (8') trycksättningsorganet (F) tillförselledning anordnad mellan och kompressorn (C) varvid luften i trycksättningsorganet (F) komprimeras sa att luft med en förutbestämd densitet tillförs kompressorn (C).

2. Sätt att tillföra luft till en trycksatt brännkammare (BK) vid en gasturbinanlàggning som för trycksàttning av (BK) en gasturbin (GT), vilken i sin tur drivs av gaser bildade (BK) där kompressorn (C) är uppdelad i en högtryckskompressor (HPC) bránnkammaren innefattar en kompressor (C) driven av vid förbränning av ett bränsle i brànnkammaren och en làgtryckskompressor (LPC) och gasturbinen (GT) uppdelad i en högtrycksturbin (HPT) (LPT) làgtryckskompressorns och en làgtrycksturbin kännetecknat av att luften tillförs (LPC) trycksättningsorgan (F) luft med förutbestämd densitet tillförs lágtryckskompressorn (LPC). làgtryckssida via ett i vilket luften komprimeras sà att

3. Sätt enligt patentkrav 2, kännetecknat av att trycksättningsorganet (F) drives av ett drivorgan (M) som regleras i beroende av densiteten hos luften i en tillförselledning (8') anordnad mellan trycksàttningsorganet (F) och högtryckskompressorn (HPC). 10 15 20 25 30 35 509 666 m

4. Sätt enligt patentkrav 2, kännetecknat av att (F) regleras i beroende av densiteten hos luften i en trycksättningsorganet drives av ett drivorgan (M) som tillförselledning (8"') anordnad mellan trycksättningsorganet (F) lägtryckskompressorn (LPC).

5. Anordning för att tillföra luft till en trycksatt brännkammare (BK) vid en gasturbinanläggning som för trycksättning av brännkammaren (BK) innefattar en (GT), tur drivs av gaser bildade vid förbränning av ett bränsle i (F) är anordnat kompressor (C) driven av en gasturbin vilken i sin innefattande ett trycksättningsorgan (F) som en frán gasturbinanläggningen separat enhet uppströms (C) (M) är kopplat till trycksättningsorganet (A3) och att (M) är anordnat att driva trycksättningsorganet i beroende av luftens densitet i en tillförselledning brännkammaren (BK) kânnetecknad av att trycksättningsorganet kompressorn och att ett drivorgan (F) via en axel drivorganet (F) (8') kompressorn anordnad mellan trycksättningsorgnet (F) och (C) densitet till kompressorns för tillförsel av luft med förutbestämd (C) lágtryckssida. kännetecknad av att ett (F)

6. Anordning enligt patentkrav 5, drivorgan (M) som är kopplat till trycksättningsorganet (A3) (M) är anordnat att driva trycksàttningsorganet och att drivorganet (F) densitet i en tillförselledning via en axel i beroende av luftens (8') (F) och kompressorn (C). anordnad mellan trycksättningsorgnet

7. Anordning för att tillföra luft till en trycksatt brännkammare (BK) vid en gasturbinanläggning som för trycksättning av brännkammaren (BK) innefattar en (C) (GT), tur drivs av gaser bildade vid förbränning av ett bränsle i kompressor driven av en gasturbin vilken i sin (C) är uppdelad i en (LPC) och gasturbinen (GT) uppdelad i en hogtrycksturbin (HPT) (LPT) brännkammaren (BK) där kompressorn högtryckskompressor (HPC) och en làgtryckskompressor och en lägtrycksturbin kännetecknad av att den 10 15 20 25 30 ¿ 509 666 innefattar ett trycksàttningsorgan (F) som är anordnat för tillförsel av luft (LPC) uppströms lágtryckskompressorn (LPC) med förutbestämd densitet till lagtryckskompressorns lagtryckssida. kånnetecknad av att den som är kopplat till och att är anordnat att driva trycksättningsorganet

8. Anordning enligt patentkrav 7, innefattar ett drivorgan (M) trycksättningsorganet (F) via en axel (A3) drivorganet (M) (F) i beroende av luftens densitet i en tillförselledning (8') högtryckskompressorn anordnad mellan trycksàttningsorganet (F) och (HPC).

9. Anordning enligt patentkrav 7, kännetecknad av att den som ar kopplat till trycksättningsorganet (A3) och att (M) är anordnat att driva trycksättningsorganet innefattar ett drivorgan (M) (F) via en axel drivorganet (F) i beroende av luftens densitet i en tillförselledning (8"') anordnad mellan trycksättningsorgnet (F) och lagtryckskompressorn (LPC). 8 eller 9, kânnetecknad av att den innefattar ett màtorgan (13

10. Anordning enligt patentkrav 5, respektive 13') anordnat att mäta densiteten i tillförselledningen (8' respektive 8"') och ett styrorgan (14 respektive l4') anordnat att i beroende av detta mätresultat styra drivorganet (M). 9 eller 10, är en elmotor.

11. ll. Anordning enligt patentkrav 5, 8, kännetecknad av att drivorganet (M)