DE2919052A1

DE2919052A1 - Verfahren zur verbesserung des teillastverhaltens einer gasturbine mit abgaswaermenutzung

Info

Publication number: DE2919052A1
Application number: DE19792919052
Authority: DE
Inventors: Manfred Gard
Original assignee: AEG Kanis Turbinenfabrik GmbH
Current assignee: Alstom Power Turbinen GmbH
Priority date: 1979-05-09
Filing date: 1979-05-09
Publication date: 1980-11-20

Description

Verfahren zur Verbesserung des Teillastverhaltens
einer Gasturbine mit Abgaswärmenutzung, Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Im Teillastbereich fällt nicht nur der Wirkungsgrad von Gasturbinen, sondern auch die Abgastemperatur der Turbine. Das hat bei kombinierten Gas-/Dampfturbinenprozessen oder bei Gasturbinen mit Abgaswärmenutzung in Form von Abhitze-/ Dampfkesseln oder Rekuperatoren zur Folge, daß der Teillastwirkungsgrad selbst im oberen Lastbereich, d.h. um 80 %, schon stark abnimmt.
.Bedingt durch diesen, durch die Thermodynamik der Gasturbine hervorgerufenen Nachteil, sind die Betreiber von Gasturbinen mit Abgaswärmenutzung gehalten , möglichst 100 % Gasturbinenleistung (Vollast) zu fahren, um die maximale Brennstoffnutzung sicherzustellen.
Teillasten, falls möglich, müßten von konventionellen Dampfturbinen oder Kesselanlagen übernommen werden, weil diese ein besseres Teillastverhalten haben als Gasturbinen.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, den Wirkungsgrad einer Gasturbine mit Abgaswärmenutzung im Teillastbereich, insbesondere bei Teillasten von 65 bis 80 %, erheblich und auf einfache Weise, d.h. ohne größeren kostenmäßigen Aufwand wesentlich zu verbessern.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art durch die flerkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die nachstehend erläuterten, t;rfindungsgem2l3en Möglichkeiten zur Wirkungsgradverbesserung im Teillastbereich, sind brennstoff abhängig. So ist für erdgasgefeuerte Maschinen folgende positive Wirkungsgradbeeinflussung im Teillastgebiet möglich: -Die Lastabsenkung erfolgt nicht wie herkömmlich durch Reduzieren der Feuerungstemperatur der Brennkammer, sondern durch Abgasrezirkulation zum Ansaugbereich. Dadurch erhöht man die Xompressoransaugtemperatur und reduziert so die -Leistung des Turbosatzes mit folgendem Effekt: Die Abgastemeperatur der Turbine steigt bei verminderter Leistung derselben. Der spezifische Wärmeverbrauch der Turbine steigt an aufgrund der höheren Eintrittstemperatur der Ansaugluft am Kompressor. Das geringere Abgasvolumen mit höherer Abgastemperatur als bi Vollast macht jedoch die Abgas seite spezifisch effizienter. Insgesamt steigt der Wirkungsgrad in erster Linie bedingt durch-das größere nutzbare Temperaturgefälle hinter der Gasturbine und zum anderen aufgrund geringerer Abgasverluste. Der Anstieg im C02-Gehalt, bedingt durch die Abgasrezirkulatiön, reduziert nämlich den Abgasverlust.
Es gibt zwei Möglichkeiten, das Abgas zu entnehmen, nämlich vor und nach dem Kessel. Letztere Entnahme (siehe Fig. 1) erfordert allerdings eine Gebläse und eine Rezirkulationsmenge von ca. 25 Vol-%, was den 02-Gehalt vor Eintritt in die Turbine auf etwa 16 Vol-% senken würde. Bei Entnahme der Rezirkulationsgase vor dem Kessel ergäbe eine Rezirkulationsmenge von etwa 8 Vol-% der Ansaugluftmenge und somit ein entsprechend höherer 02-Gehalt in dem vom Kompressor angesaugten Luft-Abgasgemisch. Die Rezirkulation -erfolgt dann ohne Gebläse durch den vor dem Sesselhfflrschenden Druck des Abgases.
In der beigefügten Prinzipskizze ist eine erfindungsgemäße Anlage schematisch dargestellt. Darin sind mit 1 der 7erdichter, mit 2 die Brennkammer, mit 3 die Gasturbine, mit 6 der Abhitzekessel, mit 7 das Gebläse zur Rauchgasrückführung und mit 4 u. 5 ein Lastgetriebe und der Generator, die an die Gasturbine gekuppelt sind, gekennzeichnet.
Von beiden vorgenannten Möglichkeiten ist die erste, wegen des daraus resultierenden höheren Wirkungsgrades, anzustreben.
Der Nebeneffekt zur Wirkungsgradverbesserung wäre eine positive Beeinflussung der NO -Bildung bei der Verbrennung aufgrund geringerer Sauerstoffkonzentration im Flammenbereich und geringerer Flammentemperatur bei entsprechender Ausbildung des Brenners.
Beiliegendes Diagramm (Fig.2) zeigt überschläglich berechnete Kurven einer Gas turbine bei ISO-Bedingungen mit nachgeschaltetem Abhitzekessel. Der Kessel soll Dampf erzeugen mit 12 bar Austrittsdruck und 20 °C Überhitzung bei einem Pintchpoint von 25 00. Die Kurven zeigen, daß die Brennstoffnutzung bei 75 % bei Gasturbinenlast von 73,5 %auf 67,8 % fallen würde (Kurven a,d,g) wenn man,wie bekannt, die Turbinenleistung durch Reduzieren der Feuerungstemperatur vermindern würde.
Nutzt man die Kesselabgasrezirkulation zum Deillastbetrieb von 75 % (Kurven b,e,h), so tritt keine Verminderung der Brennstoffnutzung, sondern eine Erhöhung ein, nämlich von 73,5 bei 100 % LQst auf 79,5 % bei 75 % Last.
Gegenüber der herkömmlichen Fahrweise steigt der Brennstoffnutzungsgrad bei 75 % Last der Gasturbine von 67,8 % auf 79,5 % also um 11,7 % In diesem Diagramm ist die Umgebungslufttemperatur mit 15 oC angenommen worden. Die maximale Rezirkulationswärmemenge beträgt etwa 4 bis 5 % des Wärmeverbrauchs bei Vollast.
Vorgenannte Verbesserung des Wirkungsgrades läßt sich nur bei Erdgas als Turbinenbrennstoff einsetzen, weil im Abgas der Turbine keine korrosiven Bestandteile enthalten sind. Sobald Schwefel oder Chlor im Brennstoff enthalten sind, wie z.B. in Heizöl, ist eine andere Methode zur Wirkungsgradverbesserung im Teillastbereich anzuwenden.
Anstelle heißer Abgase, entnommen vor oder hinter Kessel wird dann Umgebungsluft über einen im Abgasstrom liegenden Wärmetauscher zur Anhebung der Kompressoransauglufttemperatur verwendet. Bei der Entnahme dieser Abgasmenge vor dem Kessel 6.
Es ergäben sich dann etwa folgende Werte bei 75 % Teillast (Kurven c,f): - bei Senkung der Turbineneintrittstemperatur würde der Brennstoffnutzungsgrad von 73,5 % auf 67,8 % fallen - bei Erhöhung der Kompressoransauglufttemperatur durch Heißluftbeimischung steigt der Wirkungsgrad von ca 73,5 % auf ca 74,0 %.
Die Lastabsenkung durch Anheben der Eompressoransauglufttemperatur ist gegenüber der herkömmlichen Methode wirtschaftlicher und zwar um etwa 74,0 % bis 67,8 % = 6,2 %.
Mit der Lastminderung durch den Anstieg der Eompressoransanglufttemperatur hat man weiterhin den Vorteil der wirtschaftliche.
Veränderung des Strom-/ Dampfverhältnisses.
Ein weiterer großer Vorteil aus diesen beiden Verfahren zur Verbesserung des Teillastwirkungsgrades bei Gasturbinen mit Abgaswärmenutzung, ergibt sich im Hinblick auf den Einsatz "zu großer Modelle".
Oftmals scheitert die Wirtschaftlichkeit einer geplanten Anlage am schlechten Teillastwirkungsgrad eines Modelles, weil es 10 bis 20 % zu groß ist. Bei einem akzeptablen Narktpreis läßt sich mit der Erhöhung der Kompressoransauglufttemperatur der schlechtere Anlagenwirkungsgrad des "zu großen Modelles" kompensieren, ja sogar verbessern.
Die vorbeschriebenen Methoden zur Verbesserung des Teillastwirkungsgrades basieren auf der Reduktion der vom Kompressor angesaugten Masse. Mit relativ geringem technischen Aufwand läßt sich dieser Effekt auch erreichen durch Einbau einer Drosselklappe im Ansaugkanal. Hierbei stellt sich nach überschlägigen Ermittlungen etwa der gleiche Brennstoffnutzungsgrad ein, wie bei Rückführung von Warmluft.
Durch Drosselung im Ansaugkanal läßt sich jedoch nicht der hohe Wirkungsgrad erreichen, wie bei Rückführung der Turbinenabgase aus dem Bereich hinter Kessel bzw. Rekuperator In dem Kurvendiagramm sind noch die Abgastemperaturen bei den verschiedenen Fällen (Kurven d,e,f), die Leistung P der Gasturbine und jeweils der spezifische Wärmeverbrauch im herkömmlichen Fall (Lastminderung) und bei der Rauchgas- bzw.
Wärmerückführung (LuSttemperatur-Anstieg) des Rechenbei spiels aufgetragen.
In dem Eurvendiagramm sind noch als Abkürzungen benutzt GT = Gasturbine WT = Wärmetauscher #Ges= Gesamtwirkungsgrad der Gasturbinenanlage.

Claims

Patent ansprüche t) Verfahren zum Betrieb einer Gasturbinenanlage, bestehend aus der Gasturbine mit dem Verdichter für die Verbrennungs luft und dazwischen geschalteter Brennkammer sowie einen der Gasturbine nachgeschalteten Abhitzekessel oder Rekuperator bei Teillast, gekennzeichnet durch eine Verringerung des Kompressordurchsatzes durch Drosselung oder durch eine Rückführung von einem eil des Abgases der Gasturbine vom Gasturbinen- oder Kesselaustritt zum Verdichteransaugbereich und Rezirkulation dieser Abgasmenge durch die Gasturbinenanlage.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rezirkulationsmenge bei Entnahme derselben vor dem Abhitzekessel (6) oder Rekuperator 6 bis 10 Vol-% der Ansaugluftmenge bei 75 % Turbinenteillast beträgt und ansonsten dieses Mengenverhältnis etwa proportional den Turbinenteillasten geändert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rezirkulationsmenge bei Entnahme derselben vor dem Abhitzekessel oder Rekuperator etwa 8 % beträgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rezirkulationsmenge bei Entnahme hinter dem Abhitzekessel (6) oder Rekuperator 20 bis 30 Vol-% der Ansaugluftmenge bei 75 % Turbinenteillast beträgt und ansonsten dieses Nengenverhältnis etwa proportional den Turbinenteillasten geändert wird.
So Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rezirkulationsmenge bei Entnahme hinter dem Abhitzekessel oder Rekuperator etwa 25 % beträgt.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rauchgasrückführung durch eine Rückführung von vom vor dem Eessel (6) entnommenem Rauchgas erwärmter uft ersetzt ist.