DE1476806A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bereitschafts-Leerlaufbetrieb eines Gasturbogenerators,der an ein elektrisches Kraftversorgungsnetz angeschlossen ist - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Bereitschafts-Leerlaufbetrieb eines Gasturbogenerators,der an ein elektrisches Kraftversorgungsnetz angeschlossen istInfo
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Description
pa re α/γα λ/ wjii. re
J£ic/iard ^ffüßer-JQorner H 7 § § Q ß
8 MÜNCHEN 22 - WIDENMAYERSTRASSE 49
19 474
General Electric Company, Schenectady , N.Y. (USA)
Verfahren und Vorrichtung zum Bereitschafts-Leerlaufbetrieb
eines Gasturbogenerators, der an ein elektrisches Kraftversorgungenetz
angeschlossen ist.
Die Erfindung betrifft allgemein die Verwendung von Gasturbogeieratoren
als Reserveaggregate in Kraftwerken und bezweckt insbesondere die Schaffung einer erhöhten Reservekapazität
für die elektrische Krafterzeugung unter Verwendung von im BereitschaftswLeerlaufbetrieb befindlichen Gasturbogeneratoren.
In elektrischen Kraftversorgungsnetzen müssen Kapazitäten in
Reserve gehalten werden, damit das System bei einem erzwungenen Ausfall eines Haupterzeugungsaggregats nicht zusammen«*
bricht. Diese Reservekapazität muss imstande sein, die volle Last innerhalb von Sekunden, nachdem ein erzwungener Ausfall
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aufgetreten ist, zu übernehmen. Sie soll daher bereits warmgelaufen
aein und mit der -normalen Betriebedrehzahl laufen,
damit, sie für die Übernahme der Last bereit ist. Diese laufende Reservekapazität kann als im Bereitschafts-Leerlaufbetrieb
befindlich bezeichnet werden. Die Aufgabe besteht nun darin, diese Reservekapazität so vorzusehen, dass nur minimale
Kosten hierfür notwendig sind.
Es ist schon vorgeschlagen worden, für diesen Zweck Dampf«·
turbogeneratoren zu verwenden, wobei der Generator als
Motor zum Aufrechterhalten der Drehzahl des Aggregats dient und die Turbine nur mit so viel Dampf beschickt wird, dass
die Turbinenteile annähernd auf der Betriebstemperatur gehalten werden, so dass bei der Lastübernahme durch das Aggregat
ein Wärmeschock vermieden wird. Dieses Verfahren ist aber nicht zweckmässig, weil die kostspieligen Dampfwiedererhitzungseinrichtungen
in modernen Kraftwerken nicht mit genügender Wirtschaftlichkeit für die Aufrechterhaltung des
Bereitschaftszustandes verwendet werden können.
Die in der Turbine einer Gasturbinenanlage erzeugte Energie wird auf zweierlei Weise ausgenutzt. Sie dient einerseits
zum Antrieb des Verdichters« Der Rest stellt eine Nutzleistung dar, die beispielsweise zum Antrieb eines Generators
verwendet wird. Sin Generator muss unabhängig von seiner Belastung mit einer konstanten Drehzahl von beispielsweise
36OO U/min angetrieben werden, so dass die Gasturbine und ihr
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Verdienter, der entweder auf derselben Veil· angeordnet oder
durch ein Getriebe Hit der Generatorwelle verbunden iet,
unabhängig ▼en dea Leietungspegel ait voller Leistung laufen.
Ohne beeondere Masanahaen würde daher der Verdichter bei
allen Leistungspegeln dieselbe Luftaenge ansaugen und bei
kleinerer Last einen grosseren Teil der Turbinenlei·tune
aufnehaen. Bei niedriger Ausgangsleistung arbeitet das Aggregat daher alt einea relativ hohen Kraftetoffverbrauch. Zur
Herabsetzung durch die TIi eimVwsi einer Gasturbinenanlage
hindurohtretenden Luftaenge bei niedriger Ausgangsleistung der Turbine kann «an den Lufteinlass des Verdichters drosseln,
so dass der Kraftstoffverbrauch herabgesetzt wird. Nan kann die durch die Brennkaaaer der Gasturbinenanlage hindurch»
tretende Luftaenge auoh daduroh herabsetzen und dadurch bei niedrigeren Leistungepegeln Kraftstoff sparen, dass verdichtete
Luft abgezapft und ia Kreislauf zu dea Einlass des Verdichters oder su einer vorhergehenden Verdichterstufe
zurUokgeführt wird, so dass die Brennkaaaer nur eine Luftaenge erhfl.lt, welche der Differenz zwisohen der in den Koapressor
eingetretenen und der ia Kreislauf zurückgeführten Luftaenge entspricht.
Beia Betrieb eines Verdichters unter bestiaaten Bedingungen hinsichtlich der Haasenstrttaung, des Druokverhältnisses und
der Drehzahl tritt sine als "Puapen" ("surging") bezeichnete
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Erscheinung auf, bei der das Strömungsmittel nloht wie sonst
längs «in·r vorhersehbaren Bahn durch den Verdichter strömt,
sondern einen labilen Zustand annimmt, so dass der Druck beträchtlich sinkt. Die Beziehung zwischen den "vorstehend angegebenen
Grossen ist derart, dass bei einer gegebenen Drehzahl das Pumpen mit höherer Wahrscheinlichkeit bei höheren
Druokverhältnissen, höheren Lieferdrücken und niedrigeren
Maesenströmungsmengen durch den Verdichter eintritt. Infolge
des Drosseins der Massenströmung nähert sich daher der Ver-
: diohter der Gasturbine seiner Pumpgrenze. Wenn dagegen die ▼on dem Verdichter abgegebene Luft teilweise im Kreislauf
zum Einlass des Verdichtere sEurüokgeführt wird, erhält man
ein niedrigeres Druckverhältnis und einen niedrigeren Ver-·
dichterenddruok. Die Drosselung am Eintritt setzt daher die
Masβanströmung herab, aber auoh das Drüokverhältnl* und den
Enddruok, so dass das Pumpen vermieden wird. Bei Kreislaufführung kann daher der Luftstrom am Eintritt des Verdichters
stärker gedrosselt werden als ohne die Kreislaufführung.
Die Erfindung bezweckt nun die Schaffung einer Vorrichtung und eines Verfahrens, die es ermöglichen, eine Gasturbine
bei minimaler Belastung, im Leerlauf oder sogar mit einer negativen Belastung (d.h., dass sie dem Generator Leistung
entnimmt) mit der normalen Betriebsdrehzahl und Betriebstemperatur
zu betreiben, so dass sie sofort einsatzbereit ist.
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Zu dieaea Zweck aohafft di· Erfindung «inen Gas turbogenerator,
der an die von einen Kraftwerk abgehende Leitung angeaobJLeaaen
iat. Der Generator entniauat der Leitung Leiatung und dient aoait ala Motox^sua Antrieb dea Aggregate· Der in
die Gaaturbine eintretende Lüftetroa wird gedroaaelt. Voa
Verdichter abgegebene Luft wird abgezapft und zua Eintritt zurückgeführt, ao dasa die der Brennkaanaer angeführte Luftaenge
und damit auch der Kraftatoffverbrauch minimal aind.
Infolge der Kreialaufführung der Druckluft hat die zur
Brennkaaoaer gelangende Luft eine höhere Temperatur, ao daaa die Verbrennung verbeaaert wird. Die Gaaturbine wird aoait
aechaniach entlaatet und der ala Motor arbeitende Generator ait der entapreohenden Laat beaufaohlagt. In der Brennkammer
verbrennt nur eine minimale Kraftatoffaenge mit
einer kleineren Luftaenge, in erator Linie zur Aufrechterhaltung
der Betriebstemperatur der Turbine. Ein Auaftihrungsbeiepiel
der Erfindung wird anhand der Figuren 1 und 2 der Zeichnung näher erläutert. Ee zeigern ,
Fig. 1 eoheaatieoh ein Ausführungabeiapiel einea erfindungegeaäaeen
Gaeturbogeneratore und
Fig. 2 ein Kurvenbild, daa den Wirkungagrad der Turbine in
Abhängigkeit von der Sohaufelgeeohwindigkeit und der DUaenauatrittageaohwindigkeit dee Gaaea dareteilt.
-6-
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1478809
Pig. 1 zeigt einen Gas turbogenerator ait eine* Verdienter 1 ,
einer Brennkammer 2, einer Gasturbine 3 und einer dynamoelektrischen
Maschine oder einem Generator k, der mit einem
Stromversorgungenetz 5 verbunden ist. Unter normalen Betriebsbedingungen
tritt Luft durch eine Cintrittsleitung 6 in den Verdichter 1, wo s'ie verdichtet und über die Verbin»
dungs leitung 7 an die Brennkammer 2 abgegeben wird. Der
" Kraftstoff tritt durch die Leitung 8 in die Brennkammer 2
ein, wo durch Verbrennung des Kraftstoffes mit der Luft ein heisses Gas erzeugt wird, das durch die Leitung 9 in di.·
Turbine 3 strömt und dann durch die Leitung 10 ins Freie tritt. Xn der Turbine wird die wärmeenergie des Gases in
mechanische Energie umgewandelt, die zum Antrieb des Verdichters 1 und des Generators k dient. Die Turbine 3 und
der Verdichter 1 sind über eine gemeinsame Welle 11 verbunden.
Die Turbine 3 und der Generator k sind ebenfalls über
eine gemeinsame Welle 12 verbunden. Die Wellen 11 und 12
sind weiterhin miteinander verbunden. Das bedeutet, die Turbine 3 ist eine Einwellenturbine, in welcher der Verdichter,
die Turbine und die Nutzlast auf ein und derselben Welle angeordnet sind.
Obwohl vorstehend ein typischer Gasturbogenerator im normalen
Betriebszustand beschrieben wurde, und zwar ein System - mit nur einer Brennkammer und einer Leitung, können jedoch
009808/0386 *AD 0RlG!NAL
na dl· Turbinenwelle herum mehrere derartig· Syeteme angeerd·
m«t aoin· In dem beschriebenen Ausftthrungebeiepiel iat dar
Generator direkt alt dar ihn antraibandan Turbine verbunden.
Sa kann aber sviaoben dar Turbine und dem Generator auch ein
Getriebe, s.B. Untersetzungsgetriebe angeordnet sein.
Auaaer den vorstehend angegebenen Hauptteilen einer Gasturbinenanlage
iat in dem erfindungagomäaaen Turbogenerator
in der Xintrittaleitung 6 ein Bintrittadroaaelventil 13 an» geordnet· D*t Hoohdruokteil dea Verdichter· 1 iat duroh
eine Sttokfttnrungaleitong Ik sit «iner Stelle der Eintritte-IeItang
6 verbunden, die swiaohen de« Drosselventil 13 and dom eintritt de· Verdichter· 1 liegt. Die RUokTtthrungal«itnng
«nthillt ein KUokfuhrungar«g«lorgan 15. Man kann di·
RUokTUhrungelaitung 14 auoh in eine andere Stuf· d·· Ver»
diohtera 1 fuhren, die unter einen niedrigen Druck steht.
Naohatehend wird nun la Vergleioh «u des voratehend angegebenen,
normalen Betrieb da· erfindungageaäaae Betrieb·-
▼erfahren beechriaben. Die noraalerweiae in der Turbin· au
•rmeagende Lei·tang iat nioht erforderlioh, wenn aich die
Turbine la Bereltaohafta-Leerlaufbetrieb befindet. Die
noraalerweiae fur den Antrieb dea Generators k erforderlioh·
■•chaniaeh· Leistung wird jetzt nioht benötigt, da der Generator
ala ein Motor lMuft, der von de« Nets 5 goap«iat wird.
Di· normalerweise für den Antrieb des Verdiehters «rfordor-
00 9808/0386 BAd original
-β- H76806
liehe Leistung ist stark herabgesetzt, weil erstens der
Zutritt von freier Luft durch das Ventil 13 gedrosselt und zweitens heisse Druckluft durch die Leitung 14 zum Eintritt
des Verdichters im Kreislauf zurückgeführt wird. Die durch den Verdichter strömende Luftmenge wird herabgesetzt, weil
Luft im Kreislauf zurückgeführt wird, die Drossel den Eintrittedruck
herabsetzt, die Kreislaufführung eine Erwärmung
der heissen Druckluft bewirkt und eine Verbrennung einer
ρ kleineren Kraftstoffmenge mit gutem Wirkungsgrad ermöglicht.
Weil die Luft sioh bei ihrer Verdichtung erwärmt, hat die
Kreislaufführung der vom Verdichter abgegebenen Luft eine
höhere Lufttemperatur zur Folge, die ihrerseits zu einer
besseren Verbrennung und damit zu einer weiteren Kraftstoff einsparung führt. Die Drosselung am Eintritt und die
Kreislaufführung der vom Verdichter abgegebenen Luft ermöglichen
es daher, bei minimalem Kraftstoffverbrauch die
Turbinentemperaturen im wesentlichen auf dieselben Werte zu bringen wie unter Vollast bzw. im normalen Betriebs··
zustand. Dadurch wird der Wäxmoschock, dei sonst bei einem
schnellen Auslief dm- Temperatur auf die Vollastwerte eintreten
würde, herabgesetzt oder ganz i>ri?©i tigt,
Fig. 2 zeigt ein Kurvenbild, das den Verlauf dos Wirkungsgrades
einer reinen Gleichdruckturbine- darstellt. Durch diese Darstellung wird die Erfindung nicht begrenzt, sondern
sie dient lediglich zur Erläuterung der Erfindung. Der Wir-
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kungsgrad ist das Verhältnis zwischen der tatsächlich abgegebenen Arbeit und der idealen Arbeit, d.h. der Arbeit,
die von einer verlustlos arbeitenden Kraftmaschine bei
Verwendung deswselben Arbeitsmittels geleistet würde. Die
auf der Abszisse aufgetragene, unabhängige Veränderliche
ist das veränderliche Verhältnis ψ- . Dabei ist W die
ο Geschwindigkeit der Schaufelspitzen der Turbine und V
die Diisenaustrittsgeschwindigkeit des Arbeitsmittels.
Eine reine Gleichdruckturbine erreicht ihren höchstmöglichen Wirkungsgrad dann, wenn die Laufschaufelgesohwindigkeit
V halb so gross ist wie die Geschwindigkeit des Arbeitsmittels. Wie leicht erkennbar ist und aus der Kurve
hervorgeht, gibt die Turbine dann keine Leistung ab, wenn sich die Laufschaufeln und das Arbeitsmittel annähernd
mit derselben Geschwindigkeit bewegen. Die Verlängerung der Kurve in dem Bereich, in dem der indizierte Wirkung·«·
grad negativ und «- grosser ist als 1 (die Schaufel··
ο
spitze bewegt sich schneller als das Arbeitsmittel), kennzeichnet den Fall, in dem die Turbine von dem Genera» tor getrieben wird und dem Netz Energie entnimmt anstatt zuführt.
spitze bewegt sich schneller als das Arbeitsmittel), kennzeichnet den Fall, in dem die Turbine von dem Genera» tor getrieben wird und dem Netz Energie entnimmt anstatt zuführt.
Es wird derzeit angenommen, dass die Anlage im Rahmen der Erfindung vorzugsweise in dem in Fig. 2 mit "B" bezeichneten
Bereich arbeitet. Das heisst, dass mehr Leistung
dem Netz 5 entnommen und weniger Kraftstoff verbrannt wird
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H76808
als in Bereich "A", Dies wird derzeit bevorzugt, weil es
wirtschaftlicher ist» die für den Bereitschafts-Leerlauf»
betrieb erforderliche Energie als elektrische Energie dem Netz zu entnehmen, als diese Energie durch Verbrennen des
teuren Kraftstoffes für Gasturbinen zu erzeugen.
Die in den Verdichter eintretende Luft kann beispielsweise auf einen Druck von 0,25-0,20 at am Verdichtereinlass gedrosselt
werden. Die im Kreislauf geführte Luftmenge beträgt vorzugsweise etwa 20-^5 <£ der vom Verdichter abgegebenen
Luftmenge. Der optimale Leerlaufzustand einer Gas—
turbine ist durch eine bestimmte Kombination dieser beiden Veränderlichen gekennzeichnet. BmT Wert der Veränderlichen
in dieser Kombination ist von den Eigenschaften der verschiedenen
Bestandteile der Gasturbine und dem Kraftstoff abhängig. Die beste Kombination ist vorhanden, wenn alle
nachstehenden Forderungen erfüllt sindt
1. Maximale Turbinentemperatur
2. Kleinster Pumpbereich des Verdichters ("minimum compressor
surge margin")
3. Geringste Erwärmung durch die Verbrennung
k. Geringste Luftströmung durch die Brennkammer
5. Kleinster Kraftstoffverbrauch in der Brennkammer.
Aufgrund der vorstehenden Angaben kann der Fachmann ohne weiteres die optimalen Bedingungen für eine gegebene Anlage bestimmen.
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U768Ö8
Bei einer abgeänderten Ausführungsform der Erfindung kann
beispielsweise eine Zweiwellen-Gasturbine verwendet werden, in der die Wellen 11 und 12 voneinander getrennt sind und
die Gasturbine mehr als eine Stufe umfasst. In dem gemeinsamen Mantel sind zwei voneinander getrennte Turbinen angeordnet,
von denen die eine mit dem Verdichter verbunden ist und ihn antreibt und die andere mit dem Generator verbunden
ist. Xn dieser Ausführungsform treibt der Generator
die Niederdrucketui·, doch hält die Verdichterturbine die Drehzahl des Verdichtere aufrecht, so dass sie wenigstens
eine minimale Energie verbraucht und der Kraftstoffverbrauch höher ist als in der zuerst beschriebenen Anlage,
in der zwar auch Kraftstoff verbrannt wird, jedoch nicht zur Energieerzeugung.
Es wurde vorstehend ein Gasturbogenerator beschrieben, der
mit einer minimalen oder negativen Ausgangsleistung und
mit einer solchen Drehzahl und Temperatur betrieben werden kann, dass er innerhalb von Sekunden Last aufnehmen und
zur Erzeugung seiner vollen Leistung verwendet werden kann. Diese leerlaufende Reservekapazität besitzt sowohl infolge
des minimalen Kraft stoffverbrauche als auch Infolge der
niedrigen Anlagekoeten einer solchen Gasturbinenanlage eine
relativ hohe Wirtschaftlichkeit.
Zur Erfindung gehurt alles dasjenige, war; in der Beschreibung
enthalten und bzw. oder in der Zeichnung dargestellt ist,
■ ■ ..Cl-':.'
<
einschliesslich dessen, was in Abweichung von den konkreten
Ausfuhrungsbeispielen für den Fachmann naheliegt.
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Claims (5)
1. Verfahren zum Bereitschafts-Leerlaufbetrieb eines Gasturbogenerators,
der an ein elektrisches Kraftversorgungsnetz angeschlossen ist, wobei die Turbine mit einer Drehzahl
angetrieben wird, die im wesentlichen der Synchrondrehzahl des als Motor arbeitenden Generators entspricht,
und der in den Verdichter eintretende Luftstrom gedrosselt wird, um den durch die Turbine gehenden Luftstrom herabzusetzen,
dadurch gekennzeichnet, dass Luft des Verdichters
von einer Stelle, die sich auf einer relativ hohen Temperatur und unter einem relativ hohen Druck befindet, abgenommen
und im Kreislauf zu einer Stelle des Verdiohters zurückgeführt wird, die sich unter einem niedrigeren Druck
befindet, so dass die durch die Turbine gehende Luftströmung herabgesetzt wird·
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FERNSCHREIBER: 0184057
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H76808
2. Verfahren naoh Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
in der zugehörigen Brennkammer Kraftstoff verbrannt wird und Drosselung und Henge der im Kreislauf geführten
Luft so aufeinander eingeregelt werden, dass bei einer vorbestimmten Betriebstemperatur der Turbine ein
minimaler Kraftstoffverbrauch auftritt.
3* Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
dass die eintretende Luft in dem Ausmass gedrosselt wird, f
dass der Oruck am Eintritt des Verdichters 1/4 bis 1/5
des atmosphärischen Druokes beträgt und dass die im Kreislauf zurückgeführte Luftmenge 20-45 % der Gesamtmenge
der durch den Verdichter hindurohtretenden Luftmenge
beträgt.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach ein·«
der Ansprüche 1 bis 3 mit einer Wärmekraftmaschine, die
mit einer dynamoelektrischen Maschine verbunden ist, welche an ein elektrisches Kraftversorgungssystem angeschlossen
ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekraftmaschine
eine Luftzuleitung (6), einen Luftverdiohter (1), eine Kraftstoffquell·, eine Brennkammer
(2) zur Vereinigung und Verbrennung von Kraftstoff und Luft, eine Gasturbine (3), in welch· die Verbrennungsprodukte expandieren, ein· Drossel (13) zur Steuerung
der durch die Zuleitung der Wärmekraftmaschine züge«
-3-
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führten Luft und eine mit einem Regelorgan (15) versehene Rückführungsleitung .(Ik) zum Entnehmen von Druckluft von
dem Verdichter (i) und zum Zurückführen der entnommenen Luft zu einem unter niedrigerem Druck stehenden Teil des
Verdichters (i) aufweist, so dass die der Brennkammer (2) zugeführte Luftmenge der Differenz zwischen der Luftmenge
am Lufteintritt (6) und der im Kreislauf (14,15) zurückgeführten Luftmenge entspricht.
5. Verfahren und Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis k, ansonst wie beschrieben und bzw. oder
dargestellt.
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Country Status (4)
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