DE10231827A1 - Gas turbine with integral intake booster system for energy generation etc. has compressor intake channel with intake air booster and downstream air conditioner unit - Google Patents
Gas turbine with integral intake booster system for energy generation etc. has compressor intake channel with intake air booster and downstream air conditioner unitInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasturbine mit mindestens einem Verdichter und mindestens einer Turbine, bei der in zumindest einem Ansaugkanal des Verdichters eine Booster-Stufe angeordnet ist sowie ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Anlage. The present invention relates to a gas turbine with at least one compressor and at least one Turbine, in which in at least one intake duct of the A booster stage is arranged as well as a compressor Method for operating such a system.
Die vorliegende Gasturbine lässt sich in vielen technischen Bereichen einsetzen, beispielsweise als Kompressorantrieb oder in einer Gasturbinen- oder Kombianlage zur Energieerzeugung unter Normalbedingungen sowie insbesondere bei wechselnden Umgebungsbedingungen oder besonderen Netzanforderungen. An derartige Anlagen werden hohe Anforderungen hinsichtlich des Wirkungsgrades und der erbrachten Leistung gestellt. The present gas turbine can be used in many use technical areas, for example as Compressor drive or in a gas turbine or Combined system for energy generation under Normal conditions and especially when changing Ambient conditions or special network requirements. High demands are placed on such systems in terms of efficiency and performance Performance provided.
Bei der Leistungs- und Wirkungsgradsteigerung von Gasturbinen werden unterschiedliche Konzepte verfolgt. When increasing the performance and efficiency of Gas turbines have different concepts.
So ist aus der US 3,979,903 eine Gasturbine bekannt, bei der im Ansaugkanal des Verdichters eine Booster-Stufe (sog. Air-Intake-Booster) mit einem Booster-Gebläse angeordnet ist. Dieses Booster-Gebläse wird mit annähernd konstanter Leistung über eine separate Turbine angetrieben und ermöglicht eine Leistungssteigerung der Gasturbine. So is a gas turbine from US 3,979,903 known, in which in the intake duct of the compressor Booster level (so-called air intake booster) with one Booster blower is arranged. This booster blower is with approximately constant power over a driven separate turbine and enables one Performance of the gas turbine.
Durch den Betrieb dieses Booster-Gebläses wird der Ansaugdruckverlust über den Luftansaugkanal verringert bzw. der Druck am Verdichtereintritt der Gasturbine erhöht. Dies führt zu einer Erhöhung des Ansaug- Luftmassenstroms, aus dem eine Leistungserhöhung der Gasturbine resultiert. Ein solches Booster-Gebläse kann in Spitzenlastzeiten oder bei Notwendigkeit der Bereitstellung einer zusätzlichen Reserveleistung eingesetzt werden. Weiterhin können durch den Betrieb dieses Booster-Gebläses jahreszeitliche, standort- und klimatisch bedingte Einflüsse auf die Leistung der Gasturbine ausgeglichen werden. By operating this booster fan, the Suction pressure loss via the air intake duct is reduced or the pressure at the compressor inlet of the gas turbine elevated. This leads to an increase in the intake Air mass flow from which an increase in performance of the Gas turbine results. Such a booster blower can during peak load times or when the Provision of an additional reserve service be used. Furthermore, through the operation this booster blower seasonal, location and climatic influences on the performance of the Gas turbine to be balanced.
Eine weitere Möglichkeit zur Leistungssteigerung einer Gasturbine besteht in der Anordnung von einem oder mehreren Booster-Gebläsen im Abgaskanal der Turbine. Diese sog. Exhaust-Gas-Booster führen zu einer Absenkung des Druckes im Abgaskanal und somit zu einer Vergrößerung des Expansionsgefälles der aus der Turbine austretenden Heißgase. Die Vergrößerung des Expansionsgefälles resultiert wiederum in einer Leistungssteigerung der Gasturbine. Die Booster-Gebläse im Abgaskanal können, wie auch die Air-Intake-Booster, in Spitzenlastzeiten sowie bei Notwendigkeit der Bereitstellung einer zusätzlichen Reserveleistung zugeschaltet werden. Sie können ebenso zum Ausgleich jahreszeitlich, standort- und klimatisch bedingter Einflüsse auf die Leistung der Gasturbine eingesetzt werden. Another way to increase performance a gas turbine consists of the arrangement of one or several booster fans in the exhaust duct of the Turbine. These so-called exhaust gas boosters lead to a Lowering the pressure in the exhaust duct and thus to one Expansion of the expansion gradient from the turbine escaping hot gases. The enlargement of the Expansion gap in turn results in one Performance of the gas turbine. The booster blowers in the Exhaust duct can, like the air intake booster, in Peak load times and when necessary Provision of an additional reserve service be switched on. You can also use it to compensate depending on the season, location and climate Influences on the performance of the gas turbine used become.
Einen anderen Weg geht die EP 0 945 607 A2 zur Leistungssteigerung einer Kombianlage. In dieser Druckschrift wird vorgeschlagen, die Ansaugluft für den Verdichter vor dem Eintritt in den Verdichter mit einem speziellen Kühlsystem zu kühlen. Durch diese Kühlung erhöht sich die Dichte der angesaugten Luft und somit der Luftmassenstrom, so dass daraus eine Leistungssteigerung der Gasturbine resultiert. Another way is EP 0 945 607 A2 Performance increase of a combination system. In this Document is proposed, the intake air for the Compressor with one before entering the compressor special cooling system to cool. Through this cooling increases the density of the intake air and thus the air mass flow, so that one Performance of the gas turbine results.
Bei einer derartigen Anlage entsteht jedoch aufgrund der für die Kühlung der Ansaugluft erforderlichen konstruktiven Maßnahmen ein Druckverlust im Ansaugkanal, der unabhängig von der Wirkung des konkreten Systems zu einer Leistungsminderung der Anlage führt. With such a system, however, arises due to the cooling of the intake air required constructive measures a pressure loss in the Intake duct, regardless of the effect of the concrete system to reduce the performance of Plant leads.
Weiterhin ist bei einem derartigen System der Betriebsbereich, in dem eine merkliche Leistungssteigerung erreicht wird, in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen begrenzt. So kann beispielsweise eine Kühlung der Ansaugluft bei tiefen Außentemperaturen kaum noch nennenswerte Effekte bringen bzw. bereits die Auslegungsgrenzen des System überschreiten. Furthermore, in such a system Operating area in which a noticeable Performance increase is achieved depending on the Ambient conditions limited. For example cooling the intake air at low Outside temperatures hardly bring any noteworthy effects or the design limits of the system exceed.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbine sowie ein Verfahren zu deren Betrieb bereitzustellen, die eine erhöhte Leistung und/oder einen verbesserten Wirkungsgrad in einem breiten Bereich an Umgebungsbedingungen und Netzanforderungen ermöglichen. Based on this state of the art present invention the task of a Gas turbine and a method for its operation to provide increased performance and / or improved efficiency in a wide range Range of environmental conditions and network requirements enable.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Die Aufgabe wird mit der Gasturbine sowie dem Verfahren gemäß den Patentansprüchen 1 bzw. 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Gasturbine sowie des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche. The task is with the gas turbine as well Method solved according to claims 1 and 11, respectively. Advantageous configurations of the gas turbine and the Procedures are the subject of the subclaims.
Die vorliegende Gasturbine, die beispielsweise in einer Gasturbinen- oder Kombianlage eingesetzt werden kann und in bekannter Weise mit mindestens einem Verdichter zur Verdichtung angesaugter Verbrennungsluft sowie mindestens einer Turbine ausgestattet ist, weist zumindest eine Booster-Stufe (Air-Intake-Booster) im Ansaugkanal des Verdichters auf. Zusätzlich zur Booster-Stufe ist eine Konditioniervorrichtung zur Konditionierung von Ansaugluft im Ansaugkanal angeordnet. The present gas turbine, for example in a gas turbine or combination system can and in a known manner with at least one Compressor for compressing the intake of combustion air and is equipped with at least one turbine at least one booster level (air intake booster) in the Intake duct of the compressor. In addition to Booster stage is a conditioning device for Conditioning of intake air in the intake duct arranged.
Als Konditioniervorrichtung kann hierbei sowohl eine Kühl- als auch eine Heizvorrichtung vorgesehen sein. Beide Vorrichtungen lassen sich auch als kombinierte Kühl-Heizvorrichtung in der vorliegenden Gasturbine zur Kühlung oder Erwärmung der Ansaugluft einsetzen. Die Kühlung bzw. Erwärmung erfolgt in Abhängigkeit von den konkreten Umgebungsbedingungen, um ein Optimum zwischen Leistung und Wirkungsgrad zu bewirken. Eine Erwärmung der Ansaugluft führt in Abhängigkeit des Fahrregimes der Gasturbine zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades, eine Kühlung führt generell zu einer Steigerung der Leistung der Gasturbine. Mittels der Erwärmung der Ansaugluft kann unter kritischen klimatischen Bedingungen einer Vereisung begegnet werden. As a conditioning device, both a cooling and a heating device is provided his. Both devices can also be used as combined cooling-heating device in the present Gas turbine for cooling or heating the intake air deploy. The cooling or heating takes place in Dependence on the specific environmental conditions in order an optimum between performance and efficiency cause. Heating the intake air leads to Dependence of the driving regime of the gas turbine on one Increasing efficiency, cooling leads generally to increase the performance of the Gas turbine. By heating the intake air under critical climatic conditions Icing can be met.
Die zumindest eine Booster-Stufe kann im Hauptansaugkanal oder auch in Bypasskanälen zum Hauptansaugkanal angeordnet sein. Die Booster-Stufe kann jeweils aus einem (großen) oder mehreren (kleinen) Booster- Gebläsen aufgebaut sein. Die einzelnen Booster-Gebläse einer jeweiligen Booster-Stufe können im Bezug auf die Ansaugluft in Reihen- oder Parallelschaltung angeordnet sein. Die Anordnung der Booster-Gebläse ist unabhängig von Einbauten im Ansaugkanal, wie beispielsweise der Luftkonditionierung, einem Luftfilter oder einem Schalldämpfer. Die Booster-Gebläse einer Booster-Stufe können in Strömungsrichtung sowohl vor, nach als auch vor und nach einem Einbau angeordnet sein. The at least one booster level can be in Main intake duct or in bypass ducts for Main intake duct can be arranged. The booster level can each from one (large) or more (small) booster Blower be built. The individual booster blowers of a respective booster level in relation to the Intake air arranged in series or parallel connection his. The arrangement of the booster fans is independent of internals in the intake duct, such as the Air conditioning, an air filter, or an Silencer. The booster blowers of a booster stage can flow both before, after and be arranged before and after installation.
Mit der vorliegenden Gasturbine mit integralem Ansaug-Booster-System kann sowohl eine Leistungs- als auch eine Wirkungsgradsteigerung der Anlage bei unterschiedlichen Umgebungs- und Betriebsbedingungen erreicht werden. Durch die Kombination von Systemen zur Kühlung/Erwärmung der Ansaugluft mit Air-Intake- Boostern wird über die Addition der Wirkungen dieser unterschiedlichen Systeme hinaus auch eine zusätzliche Kombinationswirkung erzielt. So wird durch das oder die Booster-Gebläse der Volumenstrom und damit die Geschwindigkeit der angesaugten Luft erhöht, wodurch eine Verbesserung des Wärmeüberganges und damit der Effizienz bei der Kühlung/Erwärmung der Ansaugluft erreicht wird. Eine Temperaturerhöhung der Ansaugluft durch das Ansaug-Booster-System kann wiederum durch die Ansaugluftkonditionierung kompensiert werden. Weiterhin kann bei gleicher Ausgangsleistung im Vergleich zu einer Anlage ohne Luftkonditionierung bei Kühlung der Ansaugluft die Booster-Stufe mit verminderter Leistung betrieben werden. Dies ist für die Leistungsbilanz einer Gasturbinen- oder Kombianlage besonders vorteilhaft, da die von Booster-Gebläsen aufgenommene Leistung von der dritten Potenz des Volumenstromes abhängt. Durch den gleichzeitigen Betrieb der Ansaugluftkühlung kann somit bei gleicher Ausgangsleistung der Anlage ein verbesserter Wirkungsgrad erreicht werden. With the present gas turbine with integral Intake booster system can be both a performance also an increase in efficiency of the system different environmental and operating conditions can be achieved. By combining systems for Cooling / heating of the intake air with air intake Boosting is about adding up the effects of this different systems also an additional one Combination effect achieved. So through that or that Booster blower the volume flow and thus the Air intake speed increases, causing an improvement in the heat transfer and thus the Efficiency in cooling / heating the intake air is achieved. A temperature increase in the intake air through the intake booster system can turn through the Intake air conditioning can be compensated. Farther can with the same output power compared to a system without air conditioning when cooling the Intake air the booster stage with reduced performance operate. This is for the current account a gas turbine or combination system in particular advantageous because the one taken up by booster blowers Power from the third power of the volume flow depends. By operating the Intake air cooling can thus with the same output power the plant achieves improved efficiency become.
Der Einsatz von Air-Intake-Boostern ermöglicht zunächst, den Druckverlust, der durch das System zur Kühlung bzw. Erwärmung der Ansaugluft, d. h. durch die Konditioniervorrichtung, hervorgerufen wird, zu kompensieren. Ferner lassen sich die Auslegungsspielräume der Anlage durch Steigerung des Ansaugdruckes sowohl konstruktiv, strömungstechnisch als auch wärmetechnisch deutlich erweitern. Die kombinierte Anwendung eines oder mehrerer Booster-Gebläse und der Konditioniervorrichtung im Ansaugkanal führt zu einer Vervielfachung der Vorteile der einzelnen Systeme bezüglich der Leistungs- und Wirkungsgradsteigerung der Anlage. Der Bereich möglicher Betriebsarten wird ebenfalls deutlich erweitert, da je nach Betriebs- bzw. Umgebungsbedingungen die Leistungs- oder Wirkungsgradsteigerung jeweils mit dem System erreicht werden kann, das unter den jeweiligen Bedingungen am effektivsten arbeitet. Hierbei sind selbstverständlich sämtliche Betriebsarten, d. h. einzelner, gleichzeitiger oder aufeinander folgender Betrieb der Booster-Stufen und der Konditioniervorrichtung möglich. The use of air intake boosters enables First of all, the pressure loss caused by the system Cooling or heating the intake air, d. H. through the Conditioning device is caused to compensate. Furthermore, the Design latitude of the plant by increasing the Intake pressure both constructively, fluidically as well expand thermally significantly. The combined Application of one or more booster blowers and the Conditioning device in the intake duct leads to a Multiplication of the advantages of the individual systems with regard to the increase in performance and efficiency of the Investment. The range of possible operating modes is also significantly expanded, since depending on the operating or Environmental conditions the performance or Efficiency increase can be achieved with the system, the most effective under the respective conditions is working. Of course, everyone is here Operating modes, d. H. single, simultaneous or successive operation of the booster stages and conditioning device possible.
Während für netzseitige Spitzenlastzeiten oder bei Abruf von Reserveleistung, d. h. in Zeiten mit einer hohen Stromvergütung, eine Kombination von Leistungseffekten angestrebt wird, besteht die Zielstellung im Normalbetrieb in einer möglichst wirtschaftlichen Kombination von Leistung und Wirkungsgrad, während in Schwachlastzeiten mit geringen Stromvergütungen ein möglichst hoher (Teillast-) Wirkungsgrad bei möglicherweise geringer Leistung im Mittelpunkt der Betriebsführung steht. Die vorliegende Erfindung ermöglicht durch die auf die jeweilige Betriebsbedingung abstimmbare Kombination des Betriebs der Booster-Stufe mit dem Betrieb der Konditioniervorrichtung die Realisierung dieser Zielstellungen auch in Abhängigkeit von tages- und jahreszeitlichen Klimaschwankungen. While for network-side peak load times or at Calling up reserve power, d. H. at times with one high power remuneration, a combination of The goal is to achieve performance effects Normal operation in the most economical possible Combination of performance and efficiency while in Low load times with low electricity tariffs the highest possible (partial load) efficiency possibly low performance at the center of the Management stands. The present invention enables due to the respective operating condition Tunable combination of the operation of the booster stage with the Operation of the conditioning device the realization of these goals also depending on the daily and seasonal climate fluctuations.
Vorzugsweise ist hierfür eine Steuerung vorgesehen, die den Betrieb der Konditioniervorrichtung und den Betrieb der Booster-Stufe entsprechend steuert. Diese Steuerung betrifft einerseits die Leistung der Booster-Gebläse sowie andererseits die Kühl- bzw. Wärmeleistung der Konditioniervorrichtung. Die Erwärmung bzw. Abkühlung der Ansaugluft durch die Konditioniervorrichtung erfolgt durch den Kontakt der Ansaugluft mit entsprechenden Heiz- bzw. Kühlflächen in der Konditioniervorrichtung. Speziell die Abkühlung der Ansaugluft kann vorzugsweise durch Einspritzung eines Mediums in die Ansaugluft, beispielsweise durch Einspritzung von Wasser (Fogging), oder durch Befeuchtung der Ansaugluft, beispielsweise durch Wasserberieselung (Evaporative Cooling), erfolgen. A controller is preferably used for this provided that the operation of the conditioning device and controls the operation of the booster stage accordingly. On the one hand, this control affects the performance of the Booster blower and on the other hand the cooling or Heat output of the conditioning device. The Heating or cooling of the intake air through the Conditioning device takes place through the contact of the Intake air with appropriate heating or cooling surfaces in the conditioning device. Especially the cooling of the Intake air can preferably by injection of a Medium into the intake air, for example Injection of water (fogging), or by humidification the intake air, for example by water sprinkling (Evaporative Cooling).
Vorzugsweise werden die Booster-Gebläse durch drehzahlgeregelte Antriebe angetrieben. Durch die vorzugsweise eingesetzte Steuerung lässt sich auf diese Weise der Leistungsbedarf der Booster-Stufe minimieren. The booster blowers are preferably run through speed-controlled drives driven. Through the preferably used control can be on this How to minimize the power requirement of the booster level.
Um die Booster-Stufe auch bei Netzausfall für spezielle Aufgaben betreiben zu können, ist eine Auslegung der Antriebe der Booster-Gebläse als Niederspannungsantriebe vorteilhaft. Für einen wirtschaftlichen Betrieb der Booster-Stufe ist es ferner zweckmäßig, die Booster-Gebläse mit verstellbaren Lüfterblättern auszurüsten. To the booster level even in the event of power failure for special To be able to carry out tasks is an interpretation of the Booster blower drives as Low voltage drives advantageous. For an economical Operation of the booster stage, it is also convenient that Booster blower with adjustable fan blades equip.
Da die Abgase der Turbine eine sehr hohe Temperatur aufweisen, ist bei einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Gasturbine ein Wärmerückgewinnungssystem zwischen dem Abgaskanal und der Turbine vorgesehen. Hierzu bietet sich insbesondere ein Abhitzekessel zur Warmwasser- oder Dampferzeugung an. Because the exhaust gases from the turbine are very high Having temperature is preferred Design of the present gas turbine Heat recovery system between the exhaust duct and the turbine provided. This is particularly useful a waste heat boiler for hot water or steam generation on.
Die Booster-Stufe und die Konditioniervorrichtung werden beim Betrieb der Gasturbine in Abhängigkeit von den konkreten Betriebsbedingungen einzeln oder in Kombination betrieben. Bei einem hohen Leistungsbedarf bzw. bei der Notwendigkeit zur Bereitstellung von Reserveleistung werden vorzugsweise die Booster-Stufe und die Konditioniervorrichtung gleichzeitig betrieben. Im Normalbetrieb können Booster-Stufe und Konditioniervorrichtung derart aufeinander abgestimmt betrieben werden, dass eine möglichst wirtschaftliche Betriebsweise bei gegebener Leistung erreicht wird. In Schwachlastzeiten erfolgt der Betrieb von Booster-Stufe und Konditioniervorrichtung unter der Maßgabe eines hohen Teillastwirkungsgrades. The booster stage and the conditioning device are dependent on the operation of the gas turbine the specific operating conditions individually or in Combination operated. With a high power requirement or the need to provide Reserve power will preferably be the booster level and the conditioning device operated simultaneously. In normal operation, booster level and Conditioning device operated so coordinated be that as economical as possible Operating mode is achieved at given power. In Low load times are carried out at the booster level and Conditioning device provided a high Part load efficiency.
Mit der Booster-Stufe kann ferner das Spülen von der Gasturbine abgasseitig nachgeschalteten Anlagen (Abhitzekessel, Abgaskanal) mit Luft vor und/oder während dem Anfahren der Anlage erfolgen. Vor dem Zünden einer Gasturbine müssen normalerweise die nachgeschalteten Systeme unter Einhaltung bestimmter Parameter (Zeit, Geschwindigkeit, Massen- bzw. Volumenstrom) mit Luft gespült werden (Purging), um möglicherweise vorhandene brennbare Substanzen auszublasen. Dazu musste die Gasturbine bisher über eine bestimmte Zeit mit einer bestimmten Drehzahl gedreht werden, was mittels des Anfahrumrichters und einem Betrieb des Generators als Motor erfolgte. Dazu kann nun die Booster-Stufe wirkungsvoll eingesetzt werden. With the booster level, the rinsing of plants downstream of the gas turbine (Waste heat boiler, flue gas duct) with air in front and / or while starting the system. Normally, before igniting a gas turbine the downstream systems in compliance certain parameters (time, speed, mass or volume flow) are flushed with air (purging), to combustible substances that may be present blow. So far, the gas turbine has had to a certain time at a certain speed be rotated, which is done by means of the starting converter and the generator was operated as a motor. To can now use the booster level effectively become.
Mit der Booster-Stufe kann ferner das Kühlen (Forced Cooling) von der Gasturbine und der Gasturbine abgasseitig nachgeschalteten Anlagen (Abhitzekessel) mit Luft während und/oder nach dem Abfahren der Anlage erfolgen. Cooling can also be performed with the booster stage (Forced Cooling) from the gas turbine and the gas turbine Downstream systems (waste heat boiler) with air during and / or after the system has shut down respectively.
Dieses Kühlen bietet insbesondere Vorteile bzgl. der Verkürzung der Revisionszeiten von Gasturbine und Abhitzekessel. Dazu musste bisher die Gasturbine über eine bestimmte Zeit mit einer bestimmten Drehzahl gedreht werden, was mittels des Anfahrumrichters und einem Betrieb des Generators als Motor erfolgte. Dazu kann nun die Booster-Stufe wirkungsvoll eingesetzt werden. This cooling offers advantages in particular with regard to Shortening the revision times of gas turbines and Waste heat boiler. So far, the gas turbine had to do this a certain time at a certain speed be rotated, which is done by means of the starting converter and the generator was operated as a motor. To can now use the booster level effectively become.
In Abhängigkeit des Fahrregimes der Gasturbine kann es zur Realisierung eines hohen Teillastwirkungsgrades zweckmäßig sein, mittels der Booster-Stufe den Ansaugdruck am Verdichter abzusenken. Depending on the driving regime of the gas turbine it can help to realize a high Partial load efficiency should be appropriate, using the booster level Lower suction pressure on the compressor.
Die vorliegende Gasturbine wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens nochmals erläutert. Hierbei zeigen: The present gas turbine is described below an embodiment in connection with the Figures without limitation to the general Invention concept explained again. Here show:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Gasturbine gemäß der vorliegenden Erfindung; Figure 1 is a schematic representation of a gas turbine according to the present invention.
Fig. 2 ein Diagramm, das die Wirkungsgrad- und Leistungssteigerung einer Anlage mit Booster-Stufe und ohne Konditioniervorrichtung in Abhängigkeit der Erhöhung des Eingangsdrucks der Verdichterstufe zeigt; und Fig. 2 is a diagram showing the increase in efficiency and performance of a system with a booster stage and without a conditioning device as a function of the increase in the inlet pressure of the compressor stage; and
Fig. 3 ein Diagramm, das die Leistungs- und Wirkungsgradsteigerung einer Anlage gemäß der vorliegenden Erfindung in Abhängigkeit der Erhöhung des Eingangsdrucks der Verdichterstufe in Kombination mit der Kühlung der Ansaugluft zeigt. Fig. 3 is a diagram showing the performance and efficiency increase of a system according to the present invention depending on the increase in the inlet pressure of the compressor stage in combination with the cooling of the intake air.
Fig. 1 zeigt dem grundsätzlichen Aufbau einer Gasturbinenanlage mit einer Gasturbine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, ohne auf Details, wie den genauen Aufbau des Verdichters, der Turbine, der Brennkammer oder der sonstigen Elemente einer derartigen Anlage einzugehen. Diese Details sind dem Fachmann hinreichend bekannt. Fig. 1 shows the basic structure of a gas turbine system with a gas turbine according to an embodiment of the present invention, without going into details such as the exact structure of the compressor, the turbine, the combustion chamber or the other elements of such a system. These details are well known to the person skilled in the art.
Weiterhin wird in diesem Beispiel nicht auf den genauen Aufbau der Booster-Stufe (Air-Intake-Booster) oder der Konditioniervorrichtung eingegangen, deren Gestaltungs- und Auslegungsvielfalt ebenfalls der Fachliteratur entnommen werden kann. Furthermore, this example will not be accurate Structure of the booster stage (air intake booster) or the Conditioning device received, the design and variety of interpretations also in the specialist literature can be removed.
Unter einer Gasturbine wird in der vorliegenden Patenanmeldung eine Anlage bestehend aus mindestens einem Verdichter, mindestens einer Brennkammer und mindestens einer Turbine verstanden. Eine Gasturbinenanlage schließt einen Generator zur Stromerzeugung ein. Unter einer Kombianlage versteht man die Kopplung eines Gas- und eines Dampfprozesses in Form einer Gasturbinenanlage und einer Dampfturbinenanlage. Die Wärme der Abgase der Turbine der Gasturbinenanlage dient dabei zur Dampferzeugung in einem Abhitzekessel. Der erzeugte Dampf wird mittels der Dampfturbinenanlage zur Stromerzeugung genutzt. Under a gas turbine is in the present Patent application a system consisting of at least a compressor, at least one combustion chamber and understood at least one turbine. A Gas turbine plant includes a generator for power generation. A combination system is the coupling of one Gas and a steam process in the form of a Gas turbine plant and a steam turbine plant. The heat serves the exhaust gases of the turbine of the gas turbine plant thereby for steam generation in a waste heat boiler. The The steam generated is used by the steam turbine system Power generation used.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Gasturbinenanlage ist im Ansaugkanal 1 des Verdichters 2 eine Booster- Stufe (Air-Intake-Booster) 3 angeordnet. Diese Booster- Stufe 3 im Ansaugkanal 1 kann in Strömungsrichtung sowohl vor oder auch nach dem nicht dargestellten Gasturbinen-Luftfiltersystem im Ansaugkanal 1 angeordnet sein. In the gas turbine system shown in FIG. 1, a booster stage (air intake booster) 3 is arranged in the intake duct 1 of the compressor 2 . This booster stage 3 in the intake duct 1 can be arranged in the flow direction both before or after the gas turbine air filter system (not shown) in the intake duct 1 .
Stromab der Booster-Stufe 3 ist eine Konditioniervorrichtung 7 zur Kühlung oder Erwärmung der Ansaugluft im Ansaugkanal 1 angeordnet. A conditioning device 7 for cooling or heating the intake air in the intake duct 1 is arranged downstream of the booster stage 3 .
Die Booster-Stufe 3 verringert die Druckverluste über den gesamten Ansaugkanal 1 der Gasturbine bzw. erhöht den Ansaugdruck für den Verdichter 2 und somit den Luftmassenstrom. Durch die Booster-Stufe 3 werden damit in jedem Falle die Druckverluste kompensiert oder überkompensiert, die durch die Luftkonditioniervorrichtung 7 hervorgerufen werden. Andererseits wird durch die Luftkonditionierung, insbesondere Kühlung, der Ansaugluft deren Dichte und somit der Luftmassenstrom zusätzlich erhöht, der in den Verdichter 2 eintritt. The booster stage 3 reduces the pressure losses over the entire intake duct 1 of the gas turbine or increases the intake pressure for the compressor 2 and thus the air mass flow. The booster stage 3 thus compensates or overcompensates for the pressure losses that are caused by the air conditioning device 7 . On the other hand, the air conditioning, in particular cooling, of the intake air additionally increases its density and thus the air mass flow that enters the compressor 2 .
Die über den Verdichter 2 angesaugte Verbrennungsluft wird in einer Brennkammer 10 nach Beimischung des Brennstoffes als Brennstoff-Luft-Gemisch verbrannt und treibt als komprimiertes Heißgas unter Expansion die Turbine 4 an. Die von der Gasturbine, im vorliegenden Fall bestehend aus Verdichter 2, Brennkammer 10 und Turbine 4, abgegebene Nutzleistung dient wiederum zum Antrieb eines Generators 11. Im dargestellten Beispiel ist der Turbine 4 ein Abhitzekessel 5 nachgeschaltet, in dem den heißen Abgasen Wärme entzogen und zur Erzeugung von Dampf für eine hier nicht dargestellte Dampfturbinenanlage eingesetzt wird. An den Abhitzekessel 5 schließt sich der Abgaskanal 6 an. The combustion air drawn in via the compressor 2 is burned in a combustion chamber 10 after admixing the fuel as a fuel-air mixture and drives the turbine 4 as compressed hot gas with expansion. The useful power output by the gas turbine, in the present case consisting of compressor 2 , combustion chamber 10 and turbine 4 , in turn serves to drive a generator 11 . In the example shown, the turbine 4 is followed by a waste heat boiler 5 , in which heat is extracted from the hot exhaust gases and used to generate steam for a steam turbine system, not shown here. The flue gas duct 6 connects to the waste heat boiler 5 .
Die Booster-Stufe 3 kann aus einem oder mehreren parallel oder in Reihe zum Ansaugluftstrom geschalteten Booster-Gebläsen bestehen. Jedes Booster-Gebläse verfügt über einen Antrieb 8. Vorzugsweise werden die Booster-Gebläse über drehzahlgeregelte Antriebe 8 angetrieben, wie dies in der Fig. 1 schematisch dargestellt ist. Durch diese drehzahlgeregelten Antriebe 8 lässt sich der Betrieb der Gasturbinenanlage jederzeit optimal sich verändernden Betriebsbedingungen anpassen, um so eine möglichst wirtschaftliche Fahrweise der Anlage zu ermöglichen. Booster stage 3 can consist of one or more booster blowers connected in parallel or in series with the intake air flow. Each booster fan has a drive 8 . The booster blowers are preferably driven by speed-controlled drives 8 , as is shown schematically in FIG. 1. These speed-controlled drives 8 allow the operation of the gas turbine system to be optimally adapted to changing operating conditions at any time in order to enable the system to be operated as economically as possible.
Das vorliegende beispielhafte System enthält eine Steuerung 9 für die Booster-Stufe 3 (Antriebe 8 der Booster-Gebläse) sowie die Konditioniervorrichtung 7. Durch diese Steuerung 9 können die Booster-Stufe 3 und die Konditioniervorrichtung 7 entweder einzeln oder in Kombination betrieben werden (vgl. Fig. 2 und 3). Zur Anpassung an unterschiedliche Netzanforderungen und/ oder Umgebungsbedingungen können die Booster-Stufe 3 und die Konditioniervorrichtung 7 über die Steuerung 9 auch in weiten Bereichen in ihrer Leistung angepasst und aufeinander abgestimmt werden. The present exemplary system contains a controller 9 for the booster stage 3 (drives 8 of the booster blowers) and the conditioning device 7 . This control 9 enables the booster stage 3 and the conditioning device 7 to be operated either individually or in combination (cf. FIGS. 2 and 3). In order to adapt to different network requirements and / or environmental conditions, the booster stage 3 and the conditioning device 7 can also be adapted and coordinated in their performance over a wide range via the controller 9 .
Die Steuerung 9 wirkt selbstverständlich auch auf die Brennstoffzufuhr für die Brennkammer 10. Auf diese Weise kann auch eine Regelung der Booster-Stufe 3, der Konditioniervorrichtung 7 sowie der Brennkammer in Abhängigkeit von der Leistung des Generators 11 erreicht werden. The controller 9 naturally also acts on the fuel supply for the combustion chamber 10 . In this way, the booster stage 3 , the conditioning device 7 and the combustion chamber can also be controlled as a function of the power of the generator 11 .
Die Antriebe 8 der Booster-Gebläse werden vorzugsweise als Niederspannungsantriebe ausgelegt und folglich von der Niederspannungsebene aus versorgt. Im Gegensatz zum Anfahrumrichter, welcher von der Mittelspannungsebene gespeist wird, bietet die Niederspannungsversorgung der Booster-Antriebe auch die Möglichkeit eines Betriebes unter den Bedingungen des Netzausfalls. The drives 8 of the booster blowers are preferably designed as low-voltage drives and consequently supplied from the low-voltage level. In contrast to the start-up converter, which is fed by the medium-voltage level, the low-voltage supply of the booster drives also offers the possibility of operation under the conditions of the power failure.
Die Anordnung einer Booster-Stufe 3 erlaubt auch ein vereinfachtes Purging, d. h. das aus sicherheitstechnischen Gründen notwendige Spülen der Anlage mit Luft zur Ausblasung von brennbaren Substanzen. Vor dem Zünden einer Gasturbine müssen die nachgeschalteten Systeme unter Einhaltung bestimmter Parameter (Zeit, Geschwindigkeit, Massen- bzw. Volumenstrom) mit Luft gespült werden (Purging). Dazu muss die Gasturbine über eine bestimmte Zeit mit einer bestimmten Drehzahl gedreht werden, um mittels des Verdichters die geforderten Strömungsbedingungen zu erreichen. Das Beschleunigen und das Drehen des Wellenstranges zu bzw. auf einer relativ hohen Drehzahl wird heute üblicherweise über einen Anfahrumrichter und einen Betrieb des Generators 11 als Motor realisiert. Durch einen Betrieb der Booster-Stufe 3 kann nun vor oder während dem Anfahren der Gasturbine ein effizientes Spülen des Abhitzekessels 5 und des Abgaskanals 6 unterstützt bzw. erreicht werden. The arrangement of a booster stage 3 also allows simplified purging, ie the purging of the system with air necessary for safety reasons to blow out combustible substances. Before igniting a gas turbine, the downstream systems must be purged with air in compliance with certain parameters (time, speed, mass or volume flow) (purging). For this purpose, the gas turbine must be rotated at a certain speed for a certain time in order to achieve the required flow conditions by means of the compressor. Accelerating and rotating the shaft train to or at a relatively high speed is usually implemented today using a starting converter and operating the generator 11 as a motor. By operating the booster stage 3 , efficient purging of the waste heat boiler 5 and the exhaust gas duct 6 can now be supported or achieved before or during the start-up of the gas turbine.
Weiterhin kann es zur Verkürzung der Revisionszeiten von Gasturbine und Abhitzekessel 5 zweckmäßig sein, diese möglicherweise bereits während, insbesondere aber nach dem Abfahren zusätzlich zu kühlen. Dieses zusätzliche Kühlen realisiert man bisher üblicherweise wiederum, indem man über den Anfahrumrichter und den Generator 11 die Welle dreht und mittels des Verdichters 2 die Gasturbine und den Abhitzekessel 5 mit kalter Luft durchströmt. Die gleiche Aufgabe kann nun mittels der Booster-Stufe 3 realisiert werden. Furthermore, in order to shorten the revision times of the gas turbine and waste heat boiler 5 , it may be expedient to additionally cool them during, but in particular after, shutdown. This additional cooling has hitherto usually been realized in turn by rotating the shaft via the starting converter and the generator 11 and by means of the compressor 2 through which the gas turbine and the waste heat boiler 5 are flowed with cold air. The same task can now be achieved using booster level 3 .
Im Teillastbereich, insbesondere im unteren Teillastbereich, wenn das Potential der Massenstromregelung über die verstellbaren Leitschaufeln am Verdichtereintritt ausgeschöpft ist, nimmt der Wirkungsgrad der Gasturbine mit sinkender Leistung sehr stark ab. In the partial load range, especially in the lower range Partial load range if the potential of the Mass flow control via the adjustable guide vanes on Compressor inlet is exhausted, the Efficiency of the gas turbine with decreasing output very much strongly.
Aus diesem Grund kann es zweckmäßig sein, mittels der Booster-Stufe 3 den Ansaugdruck am Verdichter 2 abzusenken und damit den Ansaugluftmassenstrom zu verringern. Das bietet den Vorteil, mit sinkendem Luftmassenstrom bei gleicher Leistung höhere Prozesstemperaturen fahren zu können. Dies führt neben einer Anhebung des Teillastwirkungsgrades zu einer Verringerung der Emissionen. For this reason, it may be expedient to lower the intake pressure at the compressor 2 by means of the booster stage 3 and thus to reduce the intake air mass flow. This offers the advantage of being able to drive higher process temperatures with falling air mass flow for the same output. In addition to an increase in the partial load efficiency, this leads to a reduction in emissions.
Möglichkeiten der Absenkung des Ansaugdruckes mittels der Booster-Stufe 3 bestehen im Verringern des Strömungsquerschnittes mittels der verstellbaren Lüfterblätter oder im Rückwärtslauf der Booster-Stufe 3. Possibilities for lowering the suction pressure by means of the booster stage 3 are to reduce the flow cross-section by means of the adjustable fan blades or to reverse the booster stage 3 .
Die Fig. 2 und 3 zeigen im Folgenden einen Vergleich der Leistung bzw. des Wirkungsgrades einer Gasturbinenanlage (GT) und einer Kombianlage (CCPP) mit Booster-Stufe im Ansaugkanal ohne und mit zusätzlicher Luftkonditioniervorrichtung. Figs. 2 and 3 show in the following a comparison of the performance or the efficiency of a gas turbine system (GT) and a combined-cycle plant (CCPP), with booster stage in the intake duct without and with additional air conditioner.
Beide Diagramme beziehen sich auf eine Anlage, die mit Methan unter ISO-Bedingungen betrieben wird, wobei die Ansaugdruckverluste 10.102 Pa (10 mbar) und die Abgasdruckverluste 30.102 Pa (30 mbar) betragen. Both diagrams refer to a system that is operated with methane under ISO conditions, the intake pressure losses being 10 .10 2 Pa (10 mbar) and the exhaust gas pressure losses 30 .10 2 Pa (30 mbar).
Fig. 2 zeigt hierbei den Fall ohne die zusätzliche Luftkonditioniervorrichtung. Durch den Betrieb der Booster-Stufe im Ansaugkanal mit unterschiedlicher Leistung wird ein unterschiedlicher Eingangsdruck der angesaugten Luft am Verdichtereintritt erreicht. Das Diagramm zeigt sowohl die Ausgangsleistung als auch den Wirkungsgrad einer Gasturbinenanlage sowie einer Kombianlage. Die lineare Erhöhung der Leistung bzw. des Wirkungsgrades mit zunehmendem Eingangsdruck in den Verdichter ist deutlich zu erkennen. Fig. 2 this shows the case without the additional air conditioner. By operating the booster stage in the intake duct with different power, a different inlet pressure of the intake air is achieved at the compressor inlet. The diagram shows both the output power and the efficiency of a gas turbine system and a combination system. The linear increase in performance or efficiency with increasing inlet pressure into the compressor can be clearly seen.
Fig. 3 zeigt die gleichen Größen bei einer
erfindungsgemäßen Gasturbinen- und. Kombianlage, bei
denen die Konditioniervorrichtung mittels
Verdampfungskühlung eine Abkühlung der Ansaugluft (Wirkungsgrad der
Verdampfungskühlung 85%) herbeiführt. Durch einen
Vergleich mit dem Diagramm der Fig. 2 sind nochmals
erhöhte Werte der Ausgangsleistung sowie des
Wirkungsgrades zu erkennen, die durch die erfindungsgemäße
Kombination von Booster-Stufe und
Konditioniervorrichtung erreicht werden.
BEZUGSZEICHENLISTE
1 Ansaugkanal
2 Verdichter
3 Booster-Stufe (Air-Intake-Booster)
4 Turbine
5 Abhitzekessel
6 Abgaskanal
7 (Ansaugluft)-Konditioniervorrichtung
8 Drehzahlgeregelter Antrieb
9 Steuerung
10 Brennkammer
11 Generator
Fig. 3 shows the same sizes in a gas turbine and. Combined system in which the conditioning device cools the intake air by means of evaporative cooling (efficiency of the evaporative cooling 85%). A comparison with the diagram in FIG. 2 again shows increased values of the output power and of the efficiency, which are achieved by the combination of booster stage and conditioning device according to the invention. REFERENCE SIGN LIST 1 intake duct
2 compressors
3 booster level (air intake booster)
4 turbine
5 waste heat boilers
6 exhaust duct
7 (intake air) conditioning device
8 Speed-controlled drive
9 control
10 combustion chamber
11 generator
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