DE929161C - Gas turbine plant with separate machine sets for useful power and compressor power - Google Patents

Description

@Gasturbinenanlage mit getrennten Maschinensätzen für Nutzleistung und Verdichterleistung Sofern es der verfügbare Raum und die Anlagekosten zulassen, wird man eine Gasturbinenanlage in zwei Maschinensätze auflösen, einen Maschinensatz, in dem die Verdichterleistung erzeugt wird, und einen zweiten Maschinensatz zur Deckung des Nutzleistungsbedarfes. Ob man dabei die Verdichterturbine vor oder hinter die Nutzleistungsturbine schaltet, ist für die nachstehenden Ausführungen unerheblich. Die Trennung der beiden Maschinensätze hat den Vorteil, daß man sie unabhängig voneinander mit der für sie jeweils günstigen Drehzahl fahren kann. Es sei angenommen, die Nutzleistungsturbine laufe mit konstanter Drehzahl. Die Verdichterturbine dagegen wird mit der Drehzahl betrieben, die für den augenblicklichen Lastzustand am günstigsten ist. Sie läuft also bei hoher Last zur Erzielung einer hohen Luftförderung mit höherer Drehzahl, bei kleinen Lasten mit geringerer Drehzahl.@Gas turbine system with separate machine sets for useful power and compressor capacity If the available space and the system costs permit, a gas turbine plant will be split up into two sets of machines, one set of machines, in which the compressor power is generated, and a second set of machines for Covering the useful power requirement. Whether you put the compressor turbine in front of or behind the power turbine switches is irrelevant for the following explanations. The separation of the two machine sets has the advantage that they can be operated independently of each other can drive at the most favorable speed for them. Assume the power turbine run at a constant speed. The compressor turbine, on the other hand, is running at speed operated which is most favorable for the current load condition. she runs So at high load to achieve a high air flow at a higher speed, with small loads at a lower speed.

Erfahrungsgemäß ist es nicht ganz einfach, die Verdichterdrehzahl absolut genau auf den jeweiligen Belastungswert der Nutzleistungsturbine einzuregeln. Es werden kleine Lastunterschiede auftreten, bei denen der Verdichtersatz zu schnell laufen, also mehr Luft fördern würde als gebraucht wird, oder bei denen er in der Drehzahl etwas zurückbleiben und dann zu wenig fördern würde. Hierfür muß ein gewisser Ausgleich geschaffen werden. Eine weitere wichtige und schwierige Aufgabe tritt aber bei Laständerungen der Nutzleistungsturbine auf, eine Aufgabe, die um so schwieriger wird, je steiler die Laständerungen verlaufen. Der Verdichtermaschinensatz kann wegen seiner erheblichen Schwungmomente den Laständerungen des Generators nicht ohne weiteres folgen, kann sich vielmehr nur mit einer gewissen zeitlichen Verschiebung auf den neuen Belastungswert einstellen. Hieraus ergibt sich die Aufgabe, diese zeitliche Verschiebung wesentlich zu verkürzen.Experience has shown that it is not that easy to adjust the compressor speed to be regulated absolutely precisely to the respective load value of the power turbine. There will be small load differences where the compressor set will run too fast run, i.e. convey more air than is needed, or in which it is in the Speed would lag a little behind and then deliver too little. For this there has to be a certain Balance to be created. Another important and difficult task occurs but when the load on the power turbine changes, a task that is all the more difficult becomes, the steeper the load changes are. The compressor machine set cannot cope with the load changes of the generator due to its considerable moment of inertia can follow without further ado, rather only with a certain time lag set to the new load value. Hence the task of this to shorten the time shift significantly.

Aufgaben dieser Art treten auch in anderen Zweigen des Maschinenbaues auf und werden dann vielfach durch die Einführung eines Schwungrades gelöst. Auch bei der Erfindung soll von einem solchen Schwungrad Gebrauch gemacht werden. Ein Schwungrad kann nur wirksam werden, wenn sich seine Drehzahl ändert. Nur bei Drehzahlabsenkung kann es sich entladen und nur bei Drehzahlanstieg aufladen. Sofern es nur die Aufgabe hat, eine Drehzahl möglichst gleich zu halten,. setzt man es unmittelbar auf die Maschinenwelle. Diese Voraussetzung ist im vorliegenden Fall jedoch nicht gegeben, da, worauf bereits hingewiesen wurde, der Verdichtersatz mit je nach der Belastung wechselnder Drehzahl läuft. Es wäre daher erforderlich, zwischen Schwungrad und Welle des Verdichtermaschinensatzes eine veränderliche übersetzung, etwa in Form eines Flüssigkeitsgetriebes, einzuschalten. Wenngleich dieser Weg gangbar ist, so erfordert er doch einen erheblichen Bauaufwand.Tasks of this kind also occur in other branches of mechanical engineering and are then often solved by the introduction of a flywheel. Even the invention is intended to make use of such a flywheel. A Flywheel can only take effect when its speed changes. Only when the speed is reduced it can discharge and only charge when the engine speed increases. Unless it's just the job has to keep a speed as constant as possible. you put it directly on the Machine shaft. However, this requirement is not met in the present case, there, as has already been pointed out, the compressor set depending on the load changing speed runs. It would therefore be necessary between the flywheel and Wave of the compressor machine set has a variable translation, for example in form a fluid transmission to switch on. Although this path is feasible, so but it requires a considerable construction effort.

Die Erfindung schafft hinsichtlich des Bauaufwandes und der Regelbarkeit dadurch besonders günstige Verhältnisse, daß das Schwungrad von dem Verdichtermaschinensatz getrennt und mit diesem über eine elektrische Kraftübertragung gekuppelt ist. Die mechanische Kraftleitung wird also durch die elektrische Kraftleitung und die mechanische Regelbarkeit durch die elektrische Regelbarkeit ersetzt. Besonders günstig und einfach wird die Lösung unter Verwendung von Gleichstromnebenschlußmaschinen, wie an Hand des Ausführungsbeispiels erläutert werden soll.The invention creates in terms of construction costs and controllability thereby particularly favorable conditions that the flywheel of the compressor machine set is separated and coupled to this via an electrical power transmission. the mechanical power transmission is thus through the electrical power transmission and the mechanical Controllability replaced by electrical controllability. Particularly cheap and easy the solution is made using DC shunting machines, such as on hand of the embodiment is to be explained.

Die Anlage gliedert sich in den Verdichtermaschinensatz mit dem Verdichter i, der Gasturbine a und der zwischengeschalteten Brennkammer 3, während die Nutzleistung in dem aus Turbine 4 und Generator 5 bestehenden Maschinensatz erzeugt wird. Etwaige Wärmeaustauscher, Zwischenüberhitzer usw. sind, da für die Erfindung unerheblich, nicht dargestellt. Der Maschinensatz 4, 5 möge auf ein Netz starrer Frequenz arbeiten, also mit konstanter Drehzahl laufen, während die Drehzahl des Maschinensatzes i, a sich mit der Last ändern soll. Außerdem sollen kleine Lastverschiebungen zwischen den beiden Maschinensätzen ausgeglichen werden. Hierfür ist das Schwungrad 6 vorgesehen, das nun aber nicht unmittelbar mit dem Maschinensatz i, z gekuppelt ist. Vielmehr ist eine elektrische Kraftübertragung zwischengeschaltet, die aus den beiden Gleichstromnebenschlußmaschinen 7 und 8 besteht, deren Anker parallel geschaltet sind. Es sei zunächst angenommen, die beiden Felder io, i Z seien konstant erregt und es herrsche Beharrungszustand. Dann laufen die Maschinen 7 und 8 mit gleichbleibender Drehzahl, und es findet zwischen dem Schwungrad und dem Verdichtermaschinensatz kein Leistungstransport statt. Jetzt sinke aus irgendeinem Grund die Drehzahl der Verdichterturbine. Da sich an der Felderregung nichts geändert hat, wird jetzt das Schwungrad 6 zunächst das Bestreben haben, die Drehzahl der Maschine 8 zu halten, die also jetzt eine höhere Drehzahl als die Maschine 7 hat. Sie wirkt demnach als Generator und gibt an die als Motor laufende Maschine 7 Leistung ab, mit dem Ergebnis, daß deren Drehzahl wieder ansteigt. Bei umgekehrtem Verhalten, Anstieg der Verdichterdrthzahl gegenüber der Schwungraddrehzahl, arbeitet die Maschine 7 als Stromerzeuger und lädt über Maschine 8 das Schwungrad 6 auf.The system is divided into the compressor machine set with the compressor i, the gas turbine a and the intermediate combustion chamber 3, while the useful power is generated in the machine set consisting of turbine 4 and generator 5. Any Heat exchangers, reheaters, etc. are, since irrelevant for the invention, not shown. The machine set 4, 5 may work on a network with a fixed frequency, run at a constant speed, while the speed of the machine set i, a should change with the load. In addition, small load shifts should be between the two machine sets are balanced. The flywheel 6 is provided for this purpose, which is now not directly coupled with the machine set i, z. Much more an electric power transmission is interposed from the two direct current shunt machines 7 and 8, the armatures of which are connected in parallel. Let us first assume the two fields io, i Z are constantly excited and the state of equilibrium prevails. Then the machines 7 and 8 run at a constant speed, and it takes place between the flywheel and the compressor machine set no power transfer takes place. now for some reason the compressor turbine speed is dropping. Because of the field excitement has not changed anything, the flywheel 6 will now initially have the aim To keep the speed of the machine 8, which is now a higher speed than the machine 7 has. It therefore acts as a generator and transmits to the machine that is running as a motor 7 Power down, with the result that their speed increases again. With the opposite Behavior, increase in compressor speed compared to flywheel speed, works the machine 7 as a power generator and charges the flywheel 6 via machine 8.

Jetzt trete eine Belastungsänderung des Generators 5 ein, etwa im Sinne eines Lastanstieges. Es muß also der Verdichtermaschinensatz auf höhere Drehzahl kommen. Diese Drehzahl soll aber möglichst schnell erreicht werden. Hier greift jetzt die elektrische Feldregelung ein, und zwar in der Weise, daß die Felder der beiden Maschinen 7 und 8 gegensinnig erregt werden. Das Feld der Maschine 7 wird geschwächt, `nährend das Feld der Maschine 8 verstärkt wird. Damit wird Maschine 8 zum Generator, der unter Drehzahlabfall und Entladen des Schwungrades-6 Energie an den Verdichtersatz abgibt, und diesen schnell auf die neue Solldrehzahl bringt.Now a change in the load on the generator 5 occurs, for example in Sense of a load increase. So the compressor unit has to run at a higher speed come. However, this speed should be reached as quickly as possible. This is where it works now the electric field control, in such a way that the fields of the two machines 7 and 8 are excited in opposite directions. The field of the machine 7 becomes weakened, `as the field of machine 8 is strengthened. This becomes a machine 8 to the generator operating under speed drop and discharging the flywheel-6 energy to the compressor set, and quickly brings it to the new target speed.

Bei Lastabfall des Generators 5 wäre entsprechend das Feld der Maschine 7 zu verstärken und das Feld der Maschine 8 zu schwächen, um Bremsenergie des Verdichtermaschinensatzes in das Schwungrad 6 überzuleiten.In the event of a drop in the load on generator 5, the field of the machine would be correspondingly 7 to strengthen and to weaken the field of the machine 8 to brake energy of the compressor machine set to transfer into the flywheel 6.

Bei den bisherigen Ausführungen war nur der Leistungstransport zwischen dem Verdichtermaschinensatz und dem Schwungrad behandelt. Es wird jedoch zweckmäßig sein, auch eine Beziehung zu dem Nutzleistungssatz 4, 5 herzustellen. Zu diesem Zweck ist auch mit diesem Maschinensatz eine weitere elektrische Maschine 9 gekuppelt, deren Anker mit den Ankern der Maschinen 7 und 8 parallel geschaltet ist. Das Feld der Maschine 9 wird derart geregelt, daß die Summe der im Schwungrad und im Verdichtermaschinensatz gespeicherten Energie konstant bleibt bzw. einen Mindestbetrag nicht unterschreitet.In the previous versions, only the power transport was between the compressor unit and the flywheel. However, it becomes expedient be to establish a relationship with the rate of useful power 4, 5. To this Another electrical machine 9 is also coupled to this machine set for the purpose, the armature of which is connected in parallel with the armatures of the machines 7 and 8. The field the machine 9 is controlled in such a way that the sum of the in the flywheel and in the compressor machine set stored energy remains constant or does not fall below a minimum amount.

Es sei noch erwähnt, daß der neue Maschinensatz sehr geeignet für das Anfahren der Anlage ist. Denn über die Maschinen 7 und 8 können Verdichtermaschinensatz und Schwungrad aus einer verhältnismäßig schwachen Fremdstromquelle hochgefahren werden. Legt man Wert auf besonders rasches Hochfahren, -so kann man zunächst nur das Schwungrad auf Drehzahl bringen und dann erst den Verdichtermaschinensatz aufschalten.It should also be mentioned that the new machine set is very suitable for the start-up of the system is. This is because the machines 7 and 8 can use the compressor machine set and flywheel started up from a relatively weak external power source will. If you value particularly rapid start-up, then you can initially only Bring the flywheel up to speed and only then switch on the compressor unit.

Die Anordnung gemäß der Erfindung hat, um das hervorzuheben, nichts mit einer Leistungsverschiebung zwischen dem Verdichtermaschinensatz und dem Nutzleistungsmaschinensatz zu tun, woran man auch bereits gedacht hat, etwa in der Weise, däß man dem Verdichter ein Aufladeaggregat mit einem Gleichstrommotor vorschaltet, wobei zwischen den Gleichstrommotor und den Nutzleistungsgenerator ein Gleichrichterwechselrichter geschaltet ist, der einen Leistungstransport zwischen den beiden elektrischen Maschinen in beiden Richtungen gestattet. Auch handelt es sich nicht um eine Zusatzbelastung einer Entspannungsturbine, die beim Nachlassen der Normalbelastung unter eine bestimmte Grenze eine Ersatzbelastung ergibt.The arrangement according to the invention has nothing to emphasize with a power shift between the compressor machine set and the useful power machine set to do what one has already thought of, for example in the way that one gives the compressor A charging unit with a direct current motor is connected upstream, with the direct current motor between and the power generator a rectifier inverter is connected, which transports power between the two electrical machines Allowed in both directions. It is also not an additional burden an expansion turbine, which when the normal load subsides below a certain Limit results in a replacement charge.

Claims (3)

PATENTANSPRÜCHE: r. Gasturbinenanlage mit getrennten Maschinensätzen zur Erzeugung der Verdichterleistung und der Nutzleistung, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichterturbine mit einem Schwungrad ausgerüstet ist, das Schwungrad von dem Verdichtermaschinensatz getrennt und mit diesem über eine regelbare elektrische Kraftübertragung gekuppelt ist. PATENT CLAIMS: r. Gas turbine plant with separate machine sets for generating the compressor output and the useful output, characterized in that, that the compressor turbine is equipped with a flywheel, the flywheel of the compressor machine set separately and with this via a controllable electrical Power transmission is coupled. 2. Gasturbinenanlage nach Anspruch r, dadurch gekennzeichnet, daß Schwungrad und Verdichtermaschinensatz mit je einer elektrischen Gleichstromnebenschlußmaschine gekuppelt sind, deren Anker parallel geschaltet sind. 2. Gas turbine plant according to claim r, characterized in that that flywheel and compressor machine set each with an electrical DC shunt machine are coupled, the armatures of which are connected in parallel. 3. Gasturbinenanlage nach Anspruch z und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldregler der beiden Gleichstromnebenschlußmaschinen so geschaltet und regelbar sind, daß die Felder bei Laständerungen gegensinnig geregelt werden. 4.. Gasturbinenanlage nach einem der Voransprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auch mit dem Leistung erzeugenden Maschinensatz eine elektrische Maschine gekuppelt ist, deren Anker den Ankern der beiden anderen Maschinen parallel geschaltet ist. . Gasturbinenanlage nach Anspruch 4., dadurch gekennzeichnet, daß die Felder der drei Maschinen so geregelt werden, daß die Summe der in Schwungrad und Verdichtermaschinensatz aufgespeicherten mechanischen Energie konstant bleibt bzw. einen Mindestbetrag nicht unterschreitet. Angezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 657 69o; schweizerische Patentschrift Nr. 216 5o4; deutsche Patentanmeldung S 9653 Ia/46f.3. Gas turbine plant after Claims z and 2, characterized in that the field regulators of the two direct current shunt machines are switched and controllable in such a way that the fields are controlled in opposite directions when the load changes will. 4 .. Gas turbine plant according to one of the preceding claims, characterized in that that an electric machine is also coupled to the power generating machine set whose armature is connected in parallel to the armatures of the other two machines. . Gas turbine plant according to claim 4, characterized in that the fields of the three machines are controlled so that the sum of the flywheel and compressor machine set stored mechanical energy remains constant or a minimum amount is not falls below. Cited publications: German Patent No. 657 69o; Swiss U.S. Patent No. 216504; German patent application S 9653 Ia / 46f.