DE19703658A1 - Gasturbine für eine kombinierte Gas- und Dampfturbinenanlage und Verfahren zur Minderung von thermischen Spannungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasturbine für eine kombinierte Gas- und Dampfturbinenanlage (GUD®-Anlage, GUD eingetragene Marke der Siemens AG, Berlin und München) mit einem Verdich­ ter, einer Brennkammer und einer Turbine und ein Verfahren zur Minderung von thermischen Spannungen in einer GUD-Anlage.

Eine Gasturbine mit einem Verdichter, einer Brennkammer und einer Turbine, wobei Luft im Verdichter komprimiert, der Brennkammer zugeführt und zusammen mit einem Brennstoff ver­ brannt wird und wobei das in der Brennkammer erzeugte Abgas die Gasturbine antreibt, ist aus der DE 29 19 052 A1 bekannt.

In dieser Schrift wird ein Verfahren zur Verbesserung des Teillastwirkungsgrades einer Gasturbine mit einer nachge­ schalteten Abgaswärmenutzung beschrieben.

Das heiße Abgas aus der Brennkammer erhitzt die von ihm durchströmten Teile, insbesondere einen der Gasturbine even­ tuell nachgeschalteten Abhitzekessel zur Dampferzeugung für eine Dampfturbine. Bei einer plötzlichen Abkühlung des Abga­ ses verursacht der Temperaturunterschied zwischen den noch heißen Bauteilen und dem jetzt kühleren Abgas zusätzliche thermische Spannungen in diesen Bauteilen. Eine solche schnelle Abkühlung tritt insbesondere dann auf, wenn eine der Gasturbine auferlegte Antriebslast, etwa ein nachgeschalteter Generator, abgekoppelt und die Brennstoffzufuhr zur Brennkam­ mer reduziert wird. Die auftretenden thermischen Spannungen können die Lebensdauer der beanspruchten Bauteile reduzieren.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, bei dem im Falle einer plötzlichen Abgasabkühlung zusätzlich auf­ tretende thermische Spannungen gemindert werden. Aufgabe der Erfindung ist es weiterhin, eine Gasturbine für eine GUD- Anlage anzugeben, bei der durch eine plötzliche Abgasabküh­ lung, insbesondere in einem der Gasturbine eventuell nachge­ schalteten Abhitzekessel, zusätzlich hevorrufbare thermische Spannungen reduzierbar sind.

Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der das Verfahren betref­ fenden Aufgabe durch die Angabe eines Verfahrens, bei dem thermische Spannungen vermindert werden, wobei die Gasturbine einen entlang einer Hauptachse gerichteten Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbine aufweist und wobei Luft aus ei­ nem Ansaugbereich des Verdichters über einen Verdichterein­ gang angesaugt und im Verdichter entlang der Hauptachse zu steigenden Druckniveaus komprimiert und der Brennkammer an­ schließend zugeführt wird. Die Reduktion der thermischen Spannungen erfolgt dadurch, daß Luft bei einem ersten Druck­ niveau der Gasturbine entnommen und bei einem zweiten, nied­ rigeren Druckniveau, welches zwischen Verdichtereingang und der Turbine liegt, wieder in die Gasturbine eingeleitet wird.

Damit wird erreicht, daß die der Brennkammer zugeführte Luft­ menge reduziert wird. Dadurch wird der zugeführte Brennstoff in einer geringeren Luftmenge verbrannt, was eine Tempera­ turerhöhung im Abgas zur Folge hat. Zudem wird der Abgas­ massenstrom reduziert. Damit wird die Abkühlgeschwindigkeit der dem Abgas ausgesetzten Bauteile verlangsamt, was eine Verringerung von zusätzlichen thermischen Spannungen bedeu­ tet, die durch die Abkühlung auftreten. Weiterhin wird durch das Zurückleiten von verdichteter Luft in die Gasturbine die der Gasturbine zugeführte Luft erwärmt, da die zurückgeleite­ te Luft durch die Kompression erhitzt ist. Dies hat eine wei­ tere Erhöhung der Abgastemperatur zur Folge.

Bevorzugtermaßen wird die Luft aus dem Verdichter entnommen. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn eventuell be­ reits vorhandene Abblaseleitungen am Verdichter für die Ent­ nahme der Luft benutzt werden, da so der konstruktive Aufwand für die Luftentnahme gering ist.

Vorzugsweise wird die Luft zum Ansaugbereich des Verdichters zurückgeleitet. Dies bewirkt zum einen eine maximale Erwär­ mung der durch die Gasturbine strömenden Luft, und hat zum anderen den Vorteil eines geringen konstruktiven Aufwandes für die Einleitung der zurückgeleiteten Luft in die Gastur­ bine.

Weiterhin bevorzugt wird die zurückgeleitete Luft in ihrer Strömungsrichtung in einem Winkel größer als 45°, insbesonde­ re bei 90°, zur Strömungsrichtung der Luft im Ansaugbereich eingeleitet. Damit wird eine gleichmäßige Temperaturvertei­ lung in der strömenden Luft erreicht. Lokale Temperaturunter­ schiede, die die Verdichterdurchströmung stören könnten, wer­ den so vermieden.

Bevorzugtermaßen wird die zurückgeleitete Luft aus gleich be­ abstandet über die Breite des Ansaugbereichs verteilten Öff­ nungen eingeleitet. Durch diese Maßnahme wird ebenfalls eine gute Durchmischung von kühler und erhitzter Luft gewährlei­ stet.

Vorzugsweise wird die Luft an zumindest zwei un­ terschiedlichen Druckniveaus entnommen. Damit wird erreicht, daß die Temperatur und die Menge der entnommenen Luft abhän­ gig von der Höhe und der Anzahl der Druckniveaus, aus denen Luft entnommen wird, wählbar ist.

Bevorzugt wird Abgas in der Brennkammer erzeugt und in der Turbine entspannt, wobei das Abgas anschließend einem Abhit­ zekessel zugeführt wird. Damit wird die bereits erläuterte Verringerung der Temperaturerniedrigung des Abgases im Falle einer Leistungsreduktion sowie die Verringerung des Abgas­ massenstroms mit den vorteilhaften Auswirkungen auf die Ab­ kühlgeschwindigkeit und damit einer Reduktion zusätzlich auf­ tretender thermischer Spannungen für einen Abhitzekessel nutzbar gemacht.

Erfindungsgemäß wird die auf eine Gasturbine für eine GUD-Anlage gerichtete Aufgabe durch eine Gasturbine gelöst, die einen entlang einer Hauptachse gerichteten Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbine aufweist und wobei Luft aus ei­ nem Ansaugbereich des Verdichters über einen Verdichterein­ gang ansaugbar und im Verdichter mit axialem Abstand vom Ver­ dichtereingang auf ein ansteigendes Druckniveau komprimierbar und der Brennkammer anschließend zuführbar ist, wobei bei ei­ ne Rückleitung zur strömungstechnischen Verbindung eines Hochdruckbereiches und eines Niederdruckbereiches vorgesehen ist.

Die Vorteile einer solchen Ausführung einer Gasturbine er­ geben sich entsprechend dem oben erläuterten Verfahren dar­ aus, daß im Falle einer plötzlichen Leistungsreduktion er­ hitzte Verdichterluft über die Rückleitung in die Gasturbine rezirkulierbar und damit der die zusätzlichen thermischen Spannungen verursachende Temperaturunterschied zwischen hei­ ßen Bauteilen und kühlerem Abgas reduzierbar ist.

Bevorzugt ist eine Ausführung der Gasturbine, bei der die Rückleitung in den Ansaugbereich des Verdichters mündet.

Weiterhin bevorzugt ist es, daß die Rückleitung über äquidi­ stant über den Umfang des Ansaugbereiches verteilte Öffnungen in den Ansaugbereich mündet. Durch diese Ausführung ist eine gute Durchmischung von kalter und warmer Luft erreichbar.

Bevorzugtermaßen sind bei der Gasturbine mindestens zwei Rückleitungen vorgesehen. In einer weiter bevorzugten Ausge­ staltung der Gasturbine ist die Luft aus mindestens zwei un­ terschiedlichen Hochdruckbereichen entnehmbar, wobei jeder Hochdruckbereich mit einer eigenen Rückleitung verbunden ist oder die Hochdruckbereiche mit einer gemeinsamen Rückleitung verbunden sind. Weiterhin bevorzugt ist eine Gasturbine, bei der den einzelnen Hochdruckbereichen jeweils ein Verschluße­ lement zugeordnet ist, so daß für jeden Hochdruckbereich un­ abhängig ein Verschließen oder ein Öffnen zur Rückleitung der Luft erreichbar ist.

Über diese Ausgestaltungen der Erfindung ergibt sich die Mög­ lichkeit der Regelung der Temperatur und der Menge der ent­ nehmbaren Luft.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung geht aus der Zeichnung hervor. Die Zeichnung ist schematisiert und nicht maßstäblich ausgeführt.

Die einzige Figur zeigt eine Gasturbine 1 für eine kombinier­ te Gas- und Dampfturbinenanlage mit einem entlang einer Achse 14 gerichteten Verdichter 4, einer entlang der Verlängerung der Achse 14 gerichteten Turbine 8 und einer zwischen Verdich­ ter 4 und Turbine 8 angeordneten Brennkammer 6. Auf der Ver­ dichterseite ist über eine Kupplung 16 ein Generator 15 an die Gasturbine 1 angekoppelt. Auf der Turbinenseite ist ein Abhitzekessel 18 zur Durchströmung von in der Turbine 8 er­ zeugtem Abgas 17 angeordnet. Ein als Ansaugkanal ausgebilde­ ter Ansaugbereich 2 des Verdichters 4 ist mit dem Verdich­ tereingang 3 verbunden. Der Verdichter 4 ist mit der Brenn­ kammer 6 über eine Verbindungsleitung 5 und die Brennkammer 6 mit der Turbine 8 über eine Verbindungsleitung 7 verbunden. Der Verdichter 4 weist Bereiche 12 unterschiedlicher Druckni­ veaus auf, aus denen jeweils eine Zuleitung 10 zu einer Rück­ leitung 9 führt. In jede Zuleitung 11 ist ein Ver­ schlußelement 10 eingebaut. Die Rückleitung 9 mündet in den Ansaugbereich 2.

Im Normalbetrieb dieser Gasturbine 1 ist der Generator 15 an­ gekoppelt. Luft 13 wird aus dem Ansaugbereich 2 über den Ver­ dichtereingang 3 in den Verdichter 4 angesaugt und dort kom­ primiert. Die Zuleitungen 11 sind über die Verschlußelemente 10 geschlossen. Die komprimierte Luft 13 wird über die Zulei­ tung 5 in die Brennkammer 6 geleitet. Dort wird sie unter Zu­ gabe von Brennstoff verbrannt. Das hierdurch erzeugte heiße Abgas 17 gelangt über die Zuleitung 7 zur Turbine 8 und treibt diese an. Zur Nutzung der Abgaswärme dient der Abhit­ zekessel 18, dem das Abgas 17 zugeführt wird und der z. B. zur Dampferzeugung für eine der Gasturbine 1 nachgeschaltete Dampfturbine in einer kombinierten Gas- und Dampfturbinenan­ lage eingesetzt wird.

Wird der Generator 15 abgekoppelt, so erhöht sich die Dreh­ zahl der von der Generatorlast befreiten Gasturbine 1. Damit erhöht sich auch die Menge der angesaugten Luft 13 und damit die Menge des erzeugten Abgases 17. Gleichzeitig wird aber die zugeführte Brennstoffmenge reduziert, um die Drehzahl der Gasturbine 1 zu verringern. Das bedeutet, daß eine geringere Menge Brennstoff in einer erhöhten Menge Luft 13 verbrannt wird. Dies hat eine deutliche Abgasabkühlung zur Folge und es ergibt sich ein Temperaturunterschied zwischen kühlerem Abgas 17 und den heißen Oberflächen der von dem Abgas durchströmten Bauteile, insbesondere dem Abhitzekessels 18. Damit treten zu­ sätzliche thermische Spannungen auf, die die Lebensdauer der Bauteile reduzieren können. Zur Verringerung des Temperatu­ runterschiedes zwischen den heißen Bauteilen und dem abge­ kühlten Abgas 17 werden im Falle einer auftretenden Ab­ gasabkühlung die Verschlußelemente 10 der Zuleitungen 11 ge­ öffnet. Damit wird komprimierte und erhitzte Luft 13 aus dem Verdichter 4 über die Rückleitung 9 in den Ansaugbereich 2 zurückgeleitet. Die der Verbrennung zur Verfügung stehende Luftmenge wird dadurch verringert und damit auch die Tempera­ tur des Abgases erhöht und dessen Massenstrom reduziert. Dies bewirkt eine Verringerung des Temperaturunterschiedes zwi­ schen Abgas 17 und den heißen Bauteilen und bewirkt so die Reduktion zusätzlich auftretender thermischer Spannungen. Da­ mit kann die Lebensdauer der beanspruchten Bauteile erhöht werden. Über ein voneinander unabhängiges Öffnen oder Ver­ schließen der Verschlußelemente 10 ist eine Regulierung von Menge und Temperatur der zurückgeleiteten Luft 13 möglich.

Claims (14)

1. Verfahren zur Minderung von thermischen Spannungen in ei­ ner Gasturbine (1) für eine kombinierte Gas- und Dampfturbi­ nenanlage mit einem entlang einer Hauptachse (14) gerichteten Verdichter (4), einer Brennkammer (6) und einer Turbine (8), wobei Luft (13) aus einem Ansaugbereich (2) des Verdichters (4) über einen Verdichtereingang (3) angesaugt und im Ver­ dichter (4) entlang der Hauptachse (14) zu steigenden Druck­ niveaus komprimiert und der Brennkammer (6) anschließend zu­ geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß Luft (13) bei einem ersten Druckniveau der Gasturbine (1) entnommen und bei einem zweiten, niedrigeren Druckniveau, welches stromauf­ wärts vom ersten Druckniveau liegt, wieder in die Gasturbine (1) eingeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft (13) aus dem Verdichter (4) entnommen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft (13) in den Ansaugbereich (2) des Verdichters (4) zurückge­ leitet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zurück­ geleitete Luft (13) in ihrer Strömungsrichtung in einem Win­ kel größer als 45°, insbesondere bei 90° zur Strömungsrich­ tung der Luft (13) im Ansaugbereich (2), eingeleitet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zurück­ geleitete Luft (13) aus gleichbeabstandet über die Breite des Ansaugbereiches (2) verteilten Öffnungen eingeleitet wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft (13) an zumindest zwei unterschiedlichen Druckniveaus entnom­ men wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Abgas (17) in der Brennkammer (6) erzeugt und in der Turbine (8) entspannt wird, wobei das Abgas (17) anschließend einem Abhitzekessel (18) zugeführt wird.

8. Gasturbine (1) für eine kombinierte Gas- und Dampfturbi­ nenanlage mit einem entlang einer Hauptachse (14) gerichteten Verdichter (4), einer Brennkammer (6) und einer Turbine (8), wobei Luft (13) aus einem Ansaugbereich (2) des Verdichter­ teils (3) über einen Verdichtereingang (3) ansaugbar und im Verdichter (4) mit axialem Abstand vom Verdichtereingang (3) auf ein ansteigendes Druckniveau komprimierbar und der Brenn­ kammer (6) anschließend zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rück­ leitung (9) zur strömungstechnischen Verbindung eines Hoch­ druckbereiches und eines Niederdruckbereiches vorgesehen ist, wobei der Niederdruckbereich im Ansaugbereich (2) oder zwi­ schen Ansaugbereich (2) und Hochdruckbereich liegt.

9. Gasturbine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Hoch­ druckbereich, der einen größeren axialen Abstand vom Verdich­ tereingang (3) aufweist als der Niederdruckbereich, im Ver­ dichter (4) liegt.

10. Gasturbine nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Rück­ leitung (9) in den Ansaugbereich (2) des Verdichters (4) mün­ det.

11. Gasturbine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Rück­ leitung (9) über gleichbeabstandet über den Umfang des An­ saugbereiches (2) verteilte Öffnungen in den Ansaugbereich (2) mündet.

12. Gasturbine nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Rückleitungen (9) vorgesehen sind.

13. Gasturbine nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß Luft (13) aus mindestens zwei unterschiedlichen Hochdruckbereichen ent­ nehmbar ist, wobei jeder Hochdruckbereich mit einer eigenen Rückleitung (9) verbunden ist oder die Hochdruckbereiche mit einer gemeinsamen Rückleitung (9) verbunden sind.

14. Gasturbine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß den einzel­ nen Hochdruckbereichen jeweils ein Verschlußelement (10) zu­ geordnet ist, so daß für jeden Hochdruckbereich unabhängig ein Verschließen oder ein Öffnen zur Rückleitung der Luft (13) erreichbar ist.