DE2450710A1 - Verfahren zum betrieb einer turbomaschinenanlage und anlage zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zum betrieb einer turbomaschinenanlage und anlage zur durchfuehrung des verfahrens

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DE2450710A1 DE19742450710 DE2450710A DE2450710A1 DE 2450710 A1 DE2450710 A1 DE 2450710A1 DE 19742450710 DE19742450710 DE 19742450710 DE 2450710 A DE2450710 A DE 2450710A DE 2450710 A1 DE2450710 A1 DE 2450710A1
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Description

24507 1Q
BBC
BROWN, BOVERi & CiE · AKTIENGESELLSCHAFT
MAN N H F.! M BROWN BOVERI
Mp.-Nr. 645/74 Mannheim, den 20. Okt. 1974
ZFE/PI-Fs/Bt.
Verfahren zum Betrieb einer Turbomaschinenanlage und Anlage zur Durchfuhrung des Verfahrens,
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Turbomaschinenanlagen, die aus einer Gasturbine, einer Synchronmaschine und einer Verdichteranlage bestehen und bei denen im we seilt liehen die Gasturbine und die Verdichteranlage zeitlich getrennt betrieben werden, wie dies zum Beispiel bei Luftspeichor-Gasturbinenanlagen der Fall ist«, Dabei ist normalerweise beim Ladebetrieb die Gasturbine durch eine schaltbare Kupplung abgekuppelt und die Synchronmaschine als Motor treibt den bzw. die.1 Verdichter an. Im Strom- bzw, Energieerzeugungsbetrieb sind der bzw. die Verdichter abgekuppelt und die Gasturbine treibt die Synchronmaschine als Generator an«,
Die vorliegende Erfindung bezieht sich nun im besonderen auf ein Verfahren zum Betrieb einer Turbomaschinenanlage„ bestehend aus einer Gasturbine 9 einer wechselweise als Arbeits- und Kraftmaschine arbeitenden Synchronmaschine und einer Verdichteranlage, bei der im Verdichterbetrieb die Gasturbine keine Leistung abgibt und die Synchronmaschine den Verdichter antreibt und bei der für den Energie-Erzeugungsbetrieb die Gasturbine zugeschaltet wird bzw« Leistung abgibt 9 so daß sie die Synchronmaschine antreibt, wobei die Verdichteranlage auf einen Betriebszustand mit kleiner Leistungsaufnahme umgestellt wird nach Patent (Patentanmeldung P 23 55 789.3).
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BAD ORIGINAL
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Bei dem Verfahren nach dem Hauptpatent ist normalerweise im Gasturbinen- bzw. Stromerzeugungsbetrieb die Verdichteranlage abgekuppelt, wobei die Gasturbine nur dioSynchronmaschine antreibt. Daher muß bei dem Verfahren nach dem Hauptpatent auch zwischen der Verdichteranlage und der Synchronmaschine eine schaltbare Kupplung vorgesehen sein. Die Erfindung nach dem Hauptpatent sieht nämlich nur für den Fall eines Notbetriebes, d.h. wenn während des Verdichterbetriebes plötzlich die Abgabe von elektrischer Energie (d.h. die Umstellung auf Gasturbinenbetrieb) gefordert wird, vor, daß die Gasturbine zur Energiebzw. Stromerzeugung während des Verdichterbetriebes zugeschaltet und dabei die Verdichteranlage nicht abgetrennt wird. Trots der bei der Erfindung nach dem Hauptpatent vorgesehenen Maßnahmen zur Umstellung der Verdichteranlage av.f einen Betriebszustand mit kleiner Leistungsaufnahme, benötigt dabei die Verdichteranlage, wenn sie im Stromerzeugungsbetrieb mitgeschleppt wird, immer noch einen Teil von 10 bis 20$ der Gasturbinenleistung.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren nach dem Hauptpatent so abzuändern "bzw« zu verbessern^ daß es zumindest das Ersetzen einer schaltbaren Kupplung durch eine starre Kupplung zwischen Verdichteranlage und Synchron- ■ maschine erlaubt. Dabei soll gleichzeitig die Leistungsaufnahme der Verdichteranlage beim Gasturbinen- bzw« Stromerzeugungsbetrieb auf verhältnismäßig sehr niedrigen Werten gehalten werden«,
Zur Lösung dieser Aufgabe bleibt bei dem in Rede stehenden Verfahren zum Betrieb einer Turbomaschinenanlage gemäß der vorliegenden Erfindung die Verdichteranlage für alle Betriebszustände mit der Synchronmaschine gekuppelt und läuft während des Energie- bzw. Stromerzeugungsbetriebes im Valcuumbetrieb mit auf die Gasturbine bezogener, geringfügiger Leistungseinbuße mit. \
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Eine Turbomaschinenanlage zur Durchführung des vorstehend vorgeschlagenen Verfahrens, die aus einer Gasturbine, einer wechselweise als Arbeits- und Kraftmaschine arbeitenden Synchronmaschine und einer Verdichteranlage besteht und bei der die Verdichteranlage mehrere Stufen bzw. Einzelverdichter aufweist, ist ■ dementsprechend gemäß der Erfindung so ausgebildet, daß zwischen der Verdichteranlage und der Synchronaiaschine eine starre Kupp-" lung vorgesehen ist, und daß saugseitig am ersten Verdichter \ ein durch eine ein Ventil enthaltende Bypassleitung umgehbarer . Schieber und nach dem ersten und/oder zweiten bzw. weiteren : Verdichtern je eine ein Ventil enthaltende, zwischen dem vor- ; genannten Schieber und der^augseite des ersten Verdichters in ; die Saugleitnng mündende Umblaseleitung angeordnet ist und daß
ferner nach .iem letzben Verdichter ein Ausblaseventil vorgesehen
ist. - j
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der zu seiner Durchführung dienenden Anlage wird somit im Stromerzeugungsbetrieb
die Verdichteranlage nicht mehr von der Synchronmaschine abgekuppelt t sondern läuft als Vakuumpumpe mit, so daß eine schaltbare Kupplung zwischen der Verdichteranlage und der Synchron-
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maschine eingespart und durch eine/sxarre Kupplung ersetzt ! werden kann. Um während des Strom-bzw. Energieerzeugungsbetriebes die durch die mitlaufende Verdichteranlage verursachten Verluste möglichst gering zu halten, ist vorgesehen, daß die
Verdichteranlage - wie schon gesagt - im Vakuumbetrieb mitläuft. Dies wird gemäß einer Weiterbildung der Erfindung durch den
weiter oben erwähnten saugseitigen Schieber realisiert«, Dabei
kann gemäß der Erfindung so vorgegangen werden, daß für den
Strom- bzw. Energieerzeugungsbetrieb die Gasturbine gestartet
wird, wobei der erwähnte saugseitig angeordnete Schieber geschlossen und das Ausblaseventil geöffnet ist. Dabei wird das
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in der den Schieber umgehenden Bypassleitung angeordnete Ventil und das in der Umblaseleitung vorgesehene Tentil teilweise offengehalten. Nach Erreichen der Nenndrehsahl wird dann das letztgenannte Ventil geschlossen. ;
Mit dem erfindungsgemäß vorgesehenen^ saugseitig angeordneten Schieber können - wenn die Verdichteranlage als Vakuumpumpe mitläuft - je nach Druckverhältnis der Anlage Absolutdrücke vor der Verdichterbeschaufelung zwischen 0,03 bis 0,005 bar erreicht werden. Das bedeutet» daß der durchgesetzte Massenstrcm ent- : sprechend auf 3 bis 0,5 % reduziert v/erden kann. Die Verdichteranlage arbeitet datoei gegen den atmosphärischen Druck. Der verbleibende Leistungsverlust im Stromeraeugungs= bsw. Gasturbinenbetrieb ist abhängig vom Ladeverhältnis ^ Druckverhältnia der Verdichteranlage und den verbleibenden mechanischen Verlusten , bei dieser Betriebsweise und wird sich in den Grenzen zwischen j 0,2 $> bis 1,8 iä der Gasturbinenleistung bewegen« Außerdem ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren während des Ladebetriebes ein sehr rasches Übergehen auf Stromerseugungsbetrieb möglich. Das Verfahren erlaubt darüberhinaus auch eine einfachere Gestaltung der Turbomaschinenanlagej da die üblicherweise durch ■ zwei Schaltkupplungen erforderlichen mehrfachen axialen ■Fixierungen und die damit verbundenen konstruktiven Probleme.. ;entfallen. :
j Anhand der schematischen Zeichnung werden das erfindungsgemäße I Verfahren und die zu seiner Durchführung dienende Turbomaschinen- ;anlage im folgenden näher beschrieben»
Bei dem gewählten Ausführungsbeispiel ist die mit 1 bezeichnete Gasturbine über eine Überholkupplung 2 mit der Synchronmaschine 3 automatisch gekuppelt, wenn die Gasturbine die Synchronmaschine überholen will. Rechts von der.Synchronmaschine ist in der Zeichnung eine Verdichteranlage dargestellt, die aus einem
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Niederdruckverdichter 4 und aus einem Hochdruckverdichter 6 besteht. Mit 5 ist ein eventuell notwendiges Übersetzungsgetriebe bezeichnet, das erforderlich ist, wenn hohe Druckverhältnisse erzeugt werden sollen. Mit 7 und 8 sind Zwischen- und mit 9 j ein Nachkühler bezeichnet.
Zwischen der Verdichteranlage 4» 5* 6 und der Synchronmaschine 3 ist eine "starre" bzw. "nicht ausrückbare", d.h. mit den züge- : hörigen Wellenteilen fest verbundene Kupplung 10 vorgesehen. : Außerdem ist beim Verdichter 4 saugseitig ein Schieber 11 vor- . gesehen, der durch eine ein Ventil 12 enthaltende Bypassleitung 15 umgehbar ist. Weiter ist nach dem ersten Verdichter 4 eine ein Ventil 13 enthaltende Umblaseleitung 16 angeordnet, die an der Stelle 17 zwischen dem Schieber *" 1 und dor Saugseite des : ersten Verdichters 4 in dessen Saugleitung 18 mündet. Ferner
ist nach dem zweiten und hier zugleich letzten Verdichter 6
■ druckseitig eine Ausblaseleitung 19 mit einem Ausblaseventil 14 j vorgesehen. Mit 20 ist die eigentliche Druckleitung bezeichnet, ! die beispielsweise zu einem nicht dargestellte! luftspeicher ! führt, wenn das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die dargestellte Anlage bei Luftspeicher-Gasturbinenanlagen Anwendung findet, In der Druckleitung 20 ist hinter der Abzweigstelle der Aus-
! blaseleitung 19 ein in der Zeichnung nicht dargestelltes Rück-
■ schlagventil angeordnet„ um ein -Zurückströmen bzw. Ausströmen der in der Leitung 20 befindlichen Druckluft beim Öffnen des
Ausblaseventils 14 zu verhindern» ;
ι . i
j Im folgenden werden nun die einzelnen Verfahrensschritte beim Betrieb der dargestellten Turbomaschinenanlage im einzelnen näher beschrieben:
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a) Wird nun die Gasturbine 1 zum Stromerzeugungsbetrieb gestartet, so ist der Schieber 11 geschlossen und das Abblaseventil 14 geöffnet, während das Bypassventil 12 und das Umblaseventil 13 teilweise offengehalten werden. Die am Verdichter 4 über die Wellenstopfbüchsen eindringende Luftmenge sowie die über die teilweise offenen Yentile 12 und 13 strömende luftmenge verhindern bei Teildrehzahlen die bekannte Abreißströmung (rotating stall) und eine damit verbundene Gefährdung der Anlage. Nach Erreichen der Nenndrehzahl wird das Ventil 13 geschlossen, während das Bypassventil 12 weiterhin geöffnet bleibt, um die Verdichteranlage mit der notwendigen MindestTuftmenge zu versorgen.
b) Beim Starten der Anlage zum Ladebetrieb ist der Schieber 11, Ventil 13 und 14 geöffnet und der Verdichter wird mittels der Synchronmaschine 3 motorisch auf die Nenndrehzahl gebracht. Nach Erreichen der Synchrondrehzahl werden die Ventile 13 und 14 geschlossen und der Ladebetrieb beginnt.
Um beim Ladebetrieb die Anfahrleistung zu reduzieren, ist es möglichj, auch für den Ladebetrieb den unter Punkt a) oben beschriebenen Startvorgang zu wählen«, Dabei wird so vorgegangen, daß beim Starten zum Ladebetrieb die Verdichteranlage 4s> 6 mittels der Synchronmaschine 3 motorisch auf Nenndrehzahl gebracht wird, wobei der Schieber 11 geschlossen und das Ausblaseventil 14 geöffnet bleibt und die Ventile 12 und 13 teilweise offengehalten werden und daß nach Erreichen der Synchrondrehzahl der Schieber 11 geöffnet und die Ventile 12, 13 und 14 geschlossen werden.
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c) Wird nun während des Ladebetriebes momentan die Abgabe von elektrischer Energie gefordert, so ist bei der erfindungsgemäßen Anlage ein schneller Übergang vom j Ladebetrieb auf Strom- bzw. Energieerzeugungsbetrieb j in besonders einfacher Weise dadurch möglich, daß die ■ Gasturbine 1 gestartet, der Schieber 11 geschlossen I und die Yentile 12 und 14 geöffnet werden.
Es ist noch darauf hinzuweisen, daß die unter Punkt b) und c) : aufgeführten Betriebsweisen, d.h. Schließen oder Öffnen des ; Schiebers 11 bei Synchrondrehzahl zusätzliche Vorkehrungen im ; Einlaufteil des Axialverdichters, wie Strömungsgleichrichter, Sieb, Registerklappen,, spezielles Einlaufgehäuse, erfordern^ tun die nachfolgende Axialbeschaufelung nicht durch Ablöseströmung des vorgeschalteten Schiebers zu gefährden« ;
Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte bzw. vorbeschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt,, Es sind hierzu vor allem hinsichtlich der schaltungsmäßigen Ausgestaltung der Turbomaschinenanlage verschiedene Abwandlungen denkbar. So könnten beispielsweise statt zweier Terdichter 4 und 6, wie sie bei dem gewählten Ausführungsbeispiel vorgesehen sind, auch eine größere Zahl von Einzelverdichtem vorgesehen sein, d.h. die Anlage könnte beispielsweise aus einem Niederdruckverdichter, einem Mitteldruckverdichter und einem Hochdruckverdichter bestehen. Es wird noch bemerkt, daß als Verdichter bzw. Einzelverdichter hier stets ein von einem Gehäuse umschlossener Verdichter gemeint ist, der in sich ein e kleinere oder größere Anzahl von jeweils aus Laufund Leitrad bestehenden Stufen enthalten kann. Im Falle einer aus mehr als zwei Einzelverdichtern bestehenden Anlage braucht die Umblaseleitung 16 nicht nur nach dem ersten Verdichter angeordnet zu sein. Sie kann auch nach dem zweiten oder nach einem
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der weiteren Verdichter (bis beispielsweise nach dem vorletzten Verdichter) vorgesehen werden oder es können Umblaseleitungen nach mehreren Verdichtern der Anlage, also beispielsweise nach dem ersten bis einschließlich nach dem vorletzten Verdichter vorgesehen sein, wobei alle diese mit Umblaseventilen 13 versehenen Umblaseleitungen in die zum ersten Verdichter führende Saugleitung an einer Stelle zwischen dem saugseitigen Schieber 11 und dem saugseitigen Eintritt in den ersten Verdichter münden.
Schließlich könnte man auch bei Verdichtern, die in einem Gehäuse eine größere Zahl von jeweils aus Lauf- und Leitrad bestehenden Stufen vereinen, nach einer gewissen Stufenzahl eine Umblaseleitung vorsehen bzw. aus dem Gehäuse herausführen, die zwischen dem saugseitigen Schieber 11 und der Saugseite des Verdichters in die Saugleitung mündet. Selbstverständlich könnten, insbesondere wenn, der von einem Gehäuse umschlossene Verdichter eine verhältnismäßig große Anzahl von Einzelstufen enthält, auch mehrere solcher Umblaseleitungen angeordnet werden, die jeweils nach einer bestimmten Anzahl von Stufen aus dem Verdichtergehäuse herausführen und die alle an einer zwischen dem saugseitigen Schieber 11 und dem saugseitigen Verdichtereintritt liegenden Stelle in die Saugleitung münden, wobei in allen diesen Fällen jede dieser Umblaseleitungen mit einem Ventil entsprechend dem Ventil 13 zu versehen ist.
Die erfindungsgemäße Anlage kann aber auch so abgewandelt werden, daß bei großen Ladeverhältnissen auch die schaltbare Kupplung zwischen der Gasturbine und der Synchronmaschine durch eine "starre Kupplung" ersetzt wird, da die bezogenen Ventilationsverluste bei solchen Ladeverhältnissen klein werden. Hierdurch wird eine weitere Vereinfachung und Verbilligung der Anlage erreicht.
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Ι ·! F 1 117^ USOO.'KE)
Schließlich besteht ebenso wie beim Hauptpatent auch hier die Möglichkeit, die erfindungsgemäße Anlage erforderlichenfalls als Gasturbogruppe ohne Speicher zu fahren, wenn die Fördermenge der Verdichteranlage in Größenordnung des Durchsatzes der Gasturbine liegt.
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Pat4 F 1 (172.11500/KE)

Claims (9)

  1. 245071G
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    - 10 Pat entansprüche
    Verfahren zum Betrieb einer Turbomaschinenanlage, bestehend aus einer Gasturbine, einer wechselweise als Arbeite- und Kraftmaschine arbeitenden Synchronmaschine und einer Verdichteranlage, bei der im Verdichterbetrieb die Gasturbine keine Leistung abgibt und die Synchronmaschine den Verdichter antreibt und bei der für den Energie-Erzeugungsbetrieb die Gasturbine zugeschaltet wird bzw. Leistung abgibt, so daß sie die Synchronmaschine antreibt, wobei j die Verdichteranlage auf einen Betriebszustand mit kleiner j Leistungsaufnahme umgestellt wird nach Patent (Patentan- ! meldung P 23 55 789.3)» dadurch gekennzeichnet, daß die | Verdichteranlage für alle Betrieb^zustände mit der Syn- I chronmaschine (3) gekuppelt bleibt und während des Energieerzeugungsbetriebes im Vakuumbetrieb mit auf die Gastur- ; bine (1) bezogener, geringfügiger Leistungseinbuße mit- j
    läuft. j
  2. 2. Verfahren zum Betrieb einer Turbomaschinenanlage nach An- : j spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auch die Gasturbine (1) für alle Betriebszustände mit der Synchronmaschine (3) gekuppelt bleibt. ι
    I
    ι
  3. 3. Turbomaschinenanlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einer Gasturbine, einer wechsel-
    weise als Arbeits- und Kraftmaschine arbeitenden Synchronmaschine und einer Verdichteranlage, bei der die Verdichter-
    anlage mehrere Stufen bzw. Einzelverdichter aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Verdichteranlage und der Synchronmaschine (3) eine starre Kupplung (10) vorge- ; sehen ist und daß saugseitig am ersten Verdichter (4) ein i
    durch eine ein Ventil (12) enthaltende Bypassleitung (15) | umgehbarer Schieber (11) und nach dem ersten und/oder zweiten bzw. weiteren Verdichtern (4) je eine ein Ventil (13) ;
    - 11 -
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    PaI 4 I7 1 (t 72 11 500/KE)
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    enthaltende, zwischen dem Schieber (11) und der Saugseite des ersten Verdichters (4) in die Saugleitung mündende Umblaseleitung (16) angeordnet ist, und daß ferner I nach dem letzten Verdichter (6) ein Ausblaseventil (14) | vorgesehen ist. i
  4. 4. Turbomaschinenanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß auch zwischen der Gasturbine und der Synchron- J maschine eine starre Kupplung vorgesehen ist.
  5. 5. - Verfahren zum Betrieb einer Turbomaschinenanlage nach
    Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,daß für den
    Strom- bzw. Energieerzeugungsbetrieb die Gasturbine (1)
    bei ges~Mossenem Schieber (11) und geöffnetem Ausblaseventil (14) gestartet wird, wobei die Ventile (12 und 13)
    teilweise offengehalten werden, und daß nach Erreichen
    der Nenndrehzahl das bzw. die Ventile (13) geschlossen
    wird bzw. werden.
  6. 6. Verfahren .zum Betrieb einer Turbomaschinenanlage nach : Anspruch 3 oder 4» dadurch gekennzeichnet, daß beim Starten zum Ladebetrieb der Schieber (11) ebenso wie die Ventile
    (13 und 14) geöffnet und die Verdichteranlage (4, 6) ; mittels der Synchronmaschine (3) motorisch auf Nenndreh- ' zahl gebracht wird und daß nach Erreichen der Synchron- j drehzahl die Ventile (13 und 14) geschlossen werden. ;
  7. 7. Verfahren zum Betrieb einer Turbomaschinenanlage nach ' Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß beim Starten zum ladebetrieb die Verdichteranlage (4, 6) mittels der
    Synchronmaschine (3) motorisch auf NenndrehzaM/gebracht
    wird, wobei der Schieber (11) geschlossen und das Ausblaseventil (14) geöffnet bleibt und die Ventile (12 und 13) |
    - 12 -
    8 ü 9 8 2 0 / G ü 4 2
    Pst 4 F 1 (172 11500.'KE)
    245071Q
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    - 12 -
    teilweise offengehalten werden, und daß nach Erreichen der Synchrondrehzahl der Schieber (11) geöffnet und die
    Ventile (12, 13 und 14) geschlossen werden. j
  8. 8. Verfahren zum Betrieb einer Turbomaschinenanlage nach ■ Anspruch 3 oder 4» dadurch gekennzeichnet, daß beim schnei- : len Übergang vom Ladebetrieb auf Strom- bzw. Energieerzeu- · gungsbetrieb die Gasturbine (1) gestartet, der Schieber (11); geschlossen und die Ventile (12 und Η) geöffnet werden.
  9. 9. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1, 2, 5 bis 8 und der Anlage nach Anspruch 3 oder 4 für Luftspeicher-Gasturbinenanlagen.
    6 Ü 9 8 2 0 / ü ü 4 2
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