DE19845763A1 - Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine mit nachgeschaltetem Abgassystem und Gasturbine mit einem nachgeschalteten Abgassystem - Google Patents
Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine mit nachgeschaltetem Abgassystem und Gasturbine mit einem nachgeschalteten AbgassystemInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine (10) mit einem nachgeschalteten Abgassystem (11) sowie eine derartige Gasturbine (10). Erfindungsgemäß ist zwischen der Gasturbine (10) und dem Abgassystem (11) die Zufuhr eines Kühlmittels (13) zum Absenken der Temperatur der Abgase vorgesehen. Hierdurch kann das nachgeschaltete Abgassystem (11) auf niedrigere Temperaturen ausgelegt werden, während die Gasturbine (10) mit hohen Temperaturen betrieben wird.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb
einer Gasturbine mit einem nachgeschalteten Abgassystem, ins
besondere mit einem Bypasskamin und einem Abhitzedampferzeu
ger, sowie eine derartige Gasturbine.
Gasturbinen nutzen die Entspannung eines verdichteten und er
hitzten Gases zur Erzeugung mechanischer Arbeit, die an
schließend über einen Generator in elektrische Energie umge
wandelt werden kann. Die aus der Gasturbine austretenden Ab
gase weisen eine wesentlich höhere Temperatur als die Umge
bung auf. Dieser Temperaturunterschied wird in einem nachge
schalteten Abgassystem zur weiteren Energieerzeugung genutzt.
Es bietet sich insbesondere an, die Abgase der Gasturbine zur
Dampferzeugung einzusetzen. Dieser Dampf treibt eine nachge
schaltete Dampfturbine an, die wiederum zur Stromerzeugung
genutzt wird. Alternativ oder zusätzlich kann die in den aus
der Gasturbine austretenden Abgasen enthaltene Wärmeenergie
über einen oder mehrere Wärmetauscher rückgewonnen (innerer
Wärmetausch) oder zu Heizzwecken verwendet werden.
Der Wirkungsgrad einer Gasturbine steigt mit einer Erhöhung
der Eintrittstemperatur des Gases in die Gasturbine an. Al
lerdings führt diese Erhöhung der Eintrittstemperatur auch zu
einer erhöhten Austrittstemperatur der Abgase aus der Gastur
bine. Das nachgeschaltete Abgassystem muß daher bei einer
Steigerung der Eintrittstemperatur des Gases ebenfalls auf
höhere Temperaturen ausgelegt werden. Bei der Erstellung von
Neuanlagen verteuern sich daher die einzelnen Komponente des
Abgassystems. Bereits vorhandene Komponenten des Abgassystems
können bei der Ertüchtigung von Altanlagen auf Grund der er
höhten Austrittstemperatur der Abgase nicht mehr genutzt wer
den.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfah
ren zum Betrieb einer Gasturbine mit einem nachgeschalteten
Abgassystem sowie eine Gasturbine mit einem nachgeschalteten
Abgassystem bereit zustellen, die trotz hoher oder erhöhter
Eintrittstemperatur der Gase in die Gasturbine eine unzuläs
sig hohe Temperatur der Abgase in dem nachgeschalteten Abgas
system verhindern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der
eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß den Abgasen zwi
schen der Gasturbine und dem Abgassystem ein Kühlmittel zum
Absenken der Temperatur der Abgase zugemischt wird.
Durch das Zumischen des Kühlmittels wird die Temperatur der
Abgase vor dem Eintritt in das nachgeschaltete Abgassystem
gesenkt. Bei der Erstellung von Neuanlagen ist somit die Ver
wendung kostengünstiger Bauteile möglich, die nicht auf Spit
zentemperaturen ausgelegt sein müssen. Bei der Ertüchtigung
von Altanlagen kann das vorhandene nachgeschaltete Abgassy
stem beibehalten werden, so daß sich die Kosten für die Er
tüchtigung verringern. Der Gesamtwirkungsgrad der Gasturbine
und des nachgeschalteten Abgassystems wird durch das Zumi
schen des Kühlmittels praktisch nicht beeinflußt. So sinkt
zwar die Temperatur der Abgase wunschgemäß ab, was allerdings
durch die entsprechende Erhöhung des Massenstroms auf Grund
des Zumischens des Kühlmittels wieder weitestgehend ausgegli
chen wird. Die dem nachgeschalteten Abgassystem insgesamt zu
geführte Wärmemenge bleibt, von geringfügigen Verwirbelungs
verlusten abgesehen, unverändert. Es läßt sich somit der Wir
kungsgrad durch eine Erhöhung der Eintrittstemperatur der
Gase steigern, ohne daß hohe Investitionen in das nachge
schaltete Abgassystem erforderlich sind.
Vorteilhaft wird die Menge des zugeführten Kühlmittels in Ab
hängigkeit von der Leistung der Gasturbine festgelegt. Die
Austrittstemperatur der Abgase aus der Gasturbine hängt von
der Leistung ab, so daß bei geringer Leistung auch ver
gleichsweise niedrige Austrittstemperaturen vorliegen. Somit
muß erst ab einer bestimmten Grenzleistung Kühlmittel zuge
führt werden. Eine Erfassung der Austrittstemperatur der Ab
gase ist nach erfolgter Grundeinstellung nicht mehr erforder
lich.
Alternativ oder zusätzlich kann die Menge des zugeführten
Kühlmittels in Abhängigkeit von der Austrittstemperatur der
Abgase aus der Gasturbine festgelegt werden. Die Abgastempe
ratur in dem nachgeschalteten Abgassystem kann hierdurch ge
steuert werden.
In vorteilhafter Weiterbildung wird die Menge des zugeführten
Kühlmittels in Abhängigkeit von der Abgastemperatur stromab
wärts der Kühlmittelzufuhr geregelt. Durch diesen Regelkreis
kann die Abgastemperatur optimal auf einem vorgegebenen Tem
peraturwert gehalten werden.
Es bietet sich an, als Kühlmittel ein Gas, insbesondere Luft
oder Dampf zu verwenden. Gegebenenfalls können auch andere
Gase als Kühlmittel zugeführt werden, die gleichzeitig zur
Reduzierung von Schadstoffen in den Abgasen dienen.
Vorteilhaft wird bei der Verwendung von Luft als Kühlmittel
die Luft auf Grund des statischen Unterdrucks stromabwärts
der Gasturbine aus der Umgebung angesaugt. Zuführeinrichtun
gen für das Kühlmittel können entfallen, so daß die Herstel
lungs- und Wartungskosten sinken.
Bei einer Gasturbine der eingangs genannten Art wird die ge
stellte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in einem
Übergangsbereich zwischen der Gasturbine und dem Abgassystem
mindestens eine Öffnung zum Zuführen eines Kühlmittels zu den
aus der Gasturbine austretenden Abgasen vorgesehen ist.
Die mindestens eine Öffnung erlaubt das Zuführen eines Kühl
mittels und damit eine Absenkung der Austrittstemperatur der
Abgase vor dem Eintritt in das nachgeschaltete Abgassystem.
Hierdurch wird eine hohe Eintrittstemperatur des Gases in die
Gasturbine und damit ein hoher Wirkungsgrad ermöglicht.
Gleichzeitig erlaubt die erfindungsgemäß vorgesehene Tempera
turabsenkung die Verwendung eines kostengünstigen Abgassy
stems oder die Weiterverwendung bereits bestehender Anlagen.
Der Gesamtwirkungsgrad wird durch das Zuführen des Kühlmit
tels nicht verändert, wie obenstehend ausgeführt. Zahl und
Größe der vorgesehenen Öffnungen richten sich nach dem kon
kret vorliegenden Anwendungsfall.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist die mindestens eine Öff
nung im Eintritt eines der Gasturbine nachgeschalteten Diffu
sors angeordnet. Der Diffusor ist im Regelfall unmittelbar an
das Austrittsende der Gasturbine angeschlossen. Die Abgasge
schwindigkeit ist hier relativ hoch, so daß eine zuverlässige
Ansaugung des Kühlmittels auf Grund des statischen Unter
drucks gegeben ist. Darüber hinaus wird die Temperatur der
Abgase unmittelbar nach dem Austritt aus der Gasturbine ver
ringert, so daß praktisch keine Bauteile des nachgeschalteten
Abgassystems auf sehr hohe Temperaturen ausgelegt werden müs
sen.
Vorteilhaft ist der freie Querschnitt und/oder die Anzahl der
Öffnungen zur Festlegung der zugeführten Kühlmittelmenge ver
änderbar. Hierdurch kann eine Anpassung der zugeführten Kühl
mittelmenge in Abhängigkeit von der Leistung der Gasturbine,
der Austrittstemperatur der Abgase und/oder der Abgastempera
tur stromabwärts der Kühlmittelzufuhr erfolgen.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist die mindestens eine Öff
nung mit einem Düsenblech versehen. Das Düsenblech erhöht die
Menge des zugeführten Kühlmittels je Öffnung und erlaubt so
mit eine zuverlässige Senkung der Abgastemperatur.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind
einer oder mehrere Sensoren zur Messung der Abgastemperatur
stromabwärts der Gasturbine vorgesehen. Diese Sensoren erlau
ben eine Messung der tätsächlich vorliegenden Abgastemperatur
und somit eine optimale Festlegung der zugeführten Kühlmit
telmenge.
Vorteilhaft ist mindestens ein Sensor stromabwärts der minde
stens einen Öffnung zum Zuführen des Kühlmittels angeordnet.
Hierdurch wird ein geschlossener Regelkreis geschaffen, der
das genaue Einhalten einer vorgegebenen Abgastemperatur er
laubt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei
spiels näher erläutert, das in schematischer Weise in der
Zeichnung dargestellt ist. Dabei zeigt:
Fig. 1 ein schematisches Schaubild einer Gasturbine mit
nachgeschaltetem Abgassystem;
Fig. 2 eine schematische Darstellung des Übergangsbereichs
zwischen der Gasturbine und dem Abgassystem;
Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie III-III in Fig. 2;
und
Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie IV-IV in Fig. 3.
In Fig. 1 ist schematisch eine Gasturbine 10 mit einem nach
geschalteten Abgassystem 11 dargestellt. Die Gasturbine 10
und das Abgassystem 11 werden in Strömungsrichtung 12 von ei
nem Gas durchströmt. Das Gas tritt erhitzt und unter hohem
Druck in die Gasturbine 10 ein und wird in dieser unter Ab
gabe von Energie auf einen niedrigen Druck entspannt. An
schließend strömen die aus der Gasturbine austretenden Abgase
durch das Abgassystem 11. Zur Verringerung der Abgastempera
tur vor dem Eintritt in das Abgassystem 11 ist nach dem Aus
tritt aus der Gasturbine 10 die Zufuhr eines Kühlmittels 13
vorgesehen.
In Fig. 2 sind die Gasturbine 10 und ein Diffusor 15, der
Teil des Abgassystems 11 ist, näher dargestellt. In dem Über
gangsbereich 14 zwischen der Gasturbine 10 und dem Diffusor
15 erfolgt die Zufuhr des Kühlmittels 13 mittels Öffnungen
16, 17. Die Öffnungen 16, 17 sind mit Abstand zueinander am
Umfang des Übergangsbereichs 14 angeordnet. Vorteilhaft wird
als Kühlmittel 13 Luft verwendet, die wie angedeutet durch
die Öffnungen 16, 17 auf Grund des statischen Unterdrucks der
strömenden Abgase eingesaugt wird.
Zur Ermittlung der Abgastemperaturen sind drei Sensoren 18,
19, 20 vorgesehen. Der erste Sensor 18 ist hierbei am Aus
trittsende der Gasturbine 10 angeordnet. Der zweite Sensor
ist etwas stromabwärts der Öffnungen 16, 17 für die Kühlmit
telzufuhr 13 angeordnet, während der dritte Sensor 20 weiter
stromabwärts vorgesehen ist. In Abhängigkeit von den Meßwer
ten der Sensoren 18, 19, 20 kann die Zufuhr des Kühlmittels
13 optimal festgelegt werden.
In der Querschnittsdarstellung gemäß Fig. 3 sind schematisch
mögliche Ausgestaltungen der Öffnungen 16, 17 dargestellt.
Beide Öffnungen 16, 17 sind im wesentlichen zylindrisch aus
gebildet. Die Öffnung 16 ist innenseitig mit einem Düsenblech
24 überdeckt. Das Düsenblech 24 erhöht die Menge der aus der
Umgebung angesaugten Kühlluft und bewirkt eine zuverlässige
Absenkung der Abgastemperaturen.
Eine mögliche Ausgestaltung als Düsenblech 24 ist in Fig. 4
dargestellt. Das Düsenblech 24 ist als einseitig offene Hutze
ausgebildet.
Die Ausströmung erfolgt in Strömungsrichtung 12. Durch das
Umleiten der Abgase sinkt der statistische Unterdruck, so daß
mehr Kühlluft angesaugt wird.
Zur Veränderung des freien Querschnitts der Öffnungen 16, 17
sowie zum vollständigen Freigeben oder Verschließen können
Schieber 21, 22 dienen, die in Umfangsrichtung 23 verschieb
lich im Übergangsbereich 14 angeordnet sind. Die Öffnung 16
ist teilweise von dem Schieber 21 verschlossen, während die
Öffnung 17 vollständig freigegeben ist. Die Lage der Schieber
21, 22 bestimmt die Menge des zugeführten Kühlmittels.
Alternativ können die Schieber 21, 22 auch in Richtung der
Längsachse des Diffusors 15 verschieblich ausgebildet sein.
Es kann ebenfalls ein ringförmiger Schieber vorgesehen sein,
der seinerseits mit Öffnungen versehen ist.
Die Sensoren 18, 19, 20 und die Schieber 21, 22 sind Teil ei
nes nicht näher dargestellten Regelkreises, mit dem eine vor
gegebene Abgastemperatur genau eingehalten werden kann.
Insgesamt wird mit dem Gegenstand der vorliegende Erfindung
eine Steigerung des Wirkungsgrads von Gasturbinen ermöglicht,
ohne daß teure und hochtemperaturfeste nachgeschaltete Abgas
systeme erforderlich werden. Die Erfindung eignet sich sowohl
für die Erstellung neuer Anlagen als auch für die Ertüchti
gung von Altanlagen.
Claims (12)
1. Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine (10) mit einem
nachgeschalteten Abgassystem (11), insbesondere mit einem
Bypasskamin und einem Abhitzedampferzeuger,
dadurch gekennzeichnet, daß den Abgasen
zwischen der Gasturbine (10) und dem Abgassystem (11) ein
Kühlmittel (13) zum Absenken der Temperatur der Abgase
zugemischt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Menge
des zugeführten Kühlmittels (13) in Abhängigkeit von der
Leistung der Gasturbinen (10) festgelegt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Menge
des zugeführten Kühlmittels (13) in Abhängigkeit von der
Austrittstemperatur der Abgase aus der Gasturbine (10)
festgelegt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Menge
des zugeführten Kühlmittels (13) in Abhängigkeit von der
Abgastemperatur stromabwärts der Kühlmittelzufuhr geregelt
wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmit
tel (13) ein Gas, insbesondere Luft oder Dampf verwendet
wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die als
Kühlmittel (13) dienende Luft auf Grund des statischen
Unterdrucks stromabwärts der Gasturbine (10) aus der Umgebung
angesaugt wird.
7. Gasturbine mit einem nachgeschalteten Abgassystem (11),
insbesondere mit einem Bypasskamin und einem Abhitzedampfer
zeuger, dadurch gekennzeichnet, daß in
einem Übergangsbereich (14) zwischen der Gasturbine (10) und
dem Abgassystem (11) mindestens eine Öffnung (16; 17) zum Zu
führen eines Kühlmittels (13) zu den aus der Gasturbine (10)
austretenden Abgasen vorgesehen ist.
8. Gasturbine nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die
mindestens eine Öffnung (16; 17) im Eintritt eines der
Gasturbine (10) nachgeschalteten Diffusors (15) angeordnet
ist.
9. Gasturbine nach einem der Ansprüche 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, daß der freie
Querschnitt und/oder die Anzahl der Öffnungen (16; 17) zur
Festlegung der Menge des zugeführten Kühlmittels (13) verän
derbar ist.
10. Gasturbine nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß mindestens
eine Öffnung (16) mit einem Düsenblech (24) versehen ist.
11. Gasturbine nach einem der Ansprüche 7 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß einer oder
mehrere Sensoren (18, 19, 20) zur Messung der Abgastemperatur
stromabwärts der Gasturbine (10) vorgesehen sind.
12. Gasturbine nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, daß mindestens
ein Sensor (19, 20) stromabwärts der mindestens einen Öffnung
(16; 17) zum Zuführen des Kühlmittels (13) angeordnet ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1998145763 DE19845763A1 (de) | 1998-10-05 | 1998-10-05 | Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine mit nachgeschaltetem Abgassystem und Gasturbine mit einem nachgeschalteten Abgassystem |
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DE1998145763 DE19845763A1 (de) | 1998-10-05 | 1998-10-05 | Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine mit nachgeschaltetem Abgassystem und Gasturbine mit einem nachgeschalteten Abgassystem |
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DE19845763A1 true DE19845763A1 (de) | 1999-12-16 |
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DE1998145763 Ceased DE19845763A1 (de) | 1998-10-05 | 1998-10-05 | Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine mit nachgeschaltetem Abgassystem und Gasturbine mit einem nachgeschalteten Abgassystem |
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Legal Events
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