DE1209811B - Kombinierte Gasturbinen-Dampfkraft-Anlage - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

F021

Deutsche KL: 46 h -

Nummer: 1209 811

Aktenzeichen: B 61963 I a/46 h

Anmeldetag: 30. März 1961

Auslegetag: 27. Januar 1966

Die Erfindung bezieht sich auf eine kombinierte Gasturbinen-Dampfkraft-Anlage und hat die Aufgabe, eine solche Anlage derart auszugestalten, daß sie zur Deckung stark wechselnder und steil ansteigender Belastungsänderungen dienen kann.

Man hat für diesen Zweck bisher vielfach Niederdruck-Dampfkraft-Anlagen mit einem entsprechenden Speichervermögen benutzt, die jedoch aus folgenden Gründen nachteilig sind: Um eine hohe Speicherfähigkeit des Kessels bzw. Dampfspeichers zu erreichen, muß der Arbeitsdruck in demselben verhältnismäßig niedrig sein. Weiter muß auch die Frischdampftemperatur niedrig sein, um unzulässige Temperaturbeanspruchungen der Dampfturbine bei steilen und schnellen Laständerungen zu vermeiden. Diese Forderungen wirken sich sehr ungünstig auf den thermischen Wirkungsgrad aus, so daß eine Erzeugung der Spitzenleistungen in einem reinen Niederdruckdampfprozeß in den meisten Fällen unwirtschaftlich ist. Außerdem erfordern diese bekannten Anlagen verhältnismäßig hohe spezifische Anlagekosten.

Es sind kombinierte Gasturbinen-Dampfkraft-Anlagen bekannt, mit einer Nutzarbeit leistenden Gasturbine und einer von dieser getrennten Verdichterantriebsturbine, sowie mit aus einem Dampfspeicher gespeisten Hilfsdampfturbinen zur raschen Anpassung der Anlage an Belastungserhöhungen. Weiter ist bei diesen bekannten Anlagen eine Regeleinrichtung vorgesehen, die in Abhängigkeit von den Änderungen der abgegebenen Leistung die Menge des den Hilfsdampfturbinen zugeführten Dampfes regelt.

Bei diesen bekannten Anlagen haben die Hilfsdampfturbinen nicht die Aufgabe, während der ganzen Dauer der Belastungsspitzen die erforderliche zusätzliche Leistung aufzubringen. Bei Lastspitzen mit verhältnismäßig steilem Lastanstieg unterstützt die eine Hilfsdampfturbine zunächst die Nutzleistungsgasturbine, während gleichzeitig durch die andere Hilfsdampfturbine der Verdichter beschleunigt wird, jedoch nur bis zur Erreichung des neuen Gleichgewichtszustandes. Dabei wird dem Brenner des Brennraumes der Gasturbinenanlage bei steigender Last mehr Brennstoff zugeführt. Nach Erreichung des Gleichgewichtszustandes wird die Dampfzufuhr zu den Hilfsdampfturbinen gesperrt und es wird während der restlichen Dauer der Belastungsspitzen die zusätzliche Leistung allein von der Gasturbinenanlage aufgebracht.

Eine Temperaturregelung einer offenen Gasturbinenanlage, wie sie bei diesen bekannten Anlagen vorgesehen ist, ergibt jedoch schlechte Teillast-Kombinierte Gasturbinen-Dampfkraft-Anlage

Anmelder:

Brown, Boveri & Cie. Aktiengesellschaft,

Mannheim-Käfertal, Kallstadter Str. 1

Als Erfinder benannt:
Dipl.-Ing. H. Meißenberg. Ursenbach;
Karl-Heinz Schulter, Mannheim-Feudenheim;
Dipl.-Ing. R. Zinkl, München

Wirkungsgrade. Bei Lastspitzen mit verhältnismäßig langsamem Lastanstieg greifen die Hilfsdampfturbinen überhaupt nicht ein und tragen daher überhaupt nichts zur Deckung solcher Lastspitzen bei.

Ein v/eiterer Nachteil dieser bekannten Anlagen mit getrennter Nutzleistungsgasturbine und Verdichierantriebsturbine besteht darin, daß die Schwungmassen der Nutzleistungsturbine nicht ausreichen, um sehr steil ansteigende plötzliche Belastungszunahmen des Stromerzeugers so zu übernehmen, daß das Schwungmoment der Gasturbine die Frequenz ausreichend stützt, um dadurch unzulässige Frequenzabsenkungen zu verhindern.

Schließlich wird bei diesen bekannten kombinierten Gasturbinen-Dampfkraft-Anlagen die Gasturbinenabwärme nicht ausgenutzt und geht verloren, was sich ungünstig auf den thermischen Wirkungsgrad dieser Anlagen auswirkt.

Zur Vermeidung der vorgenannten Nachteile ist bei einer kombinierten Gasturbinen-Dampfkraft-Anlage, vorzugsweise in Blockschaltung mit mindestens einer Nutzarbeit leistenden Gasturbine und mindestens einer aus einem Dampfspeicher gespeisten Hilfsdampfturbine zur raschen Anpassung der Anlage an Belästungserhöhungen und einer Regeleinrichtung, die in Abhängigkeit von den Änderungen der abgegebenen Leistung die Menge des der Dampfturbine zugeführten Dampfes regelt, gemäß der Erfindung die als Niederdruckanlage ausgebildete Dampfkraftanlage der Gasturbinenanlage derart nachgeschaltet, daß die Abwärme der Gasturbinenanlage zur Dampferzeugung in an sich bekannter Weise in einem nachgeschalteten Abhitzekessel ausgenutzt wird und der Dampf in der nachgeschalteten Dampfturbine zur Entspannung gelangt, wobei die Nutzleistungsgasturbine zumindest mit einem Teil

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der Brennluftverdichterstufen gekoppelt ist und die kann. Es ist dabei ohne weiteres möglich, je nach den Teile der kombinierten Anlage so bemessen sind, daß jeweils vorliegenden Gegebenheiten, wie Schwungdie Gasturbinenanlage im wesentlichen für die Dek- moment der Gasturbinenanlage, Größe und Steilheit kung des Grundlastanteiles ausreicht und die Dampf- der zu erwartenden maximalen Belastungsspitzen kraftanlage für die Deckung der zusätzlichen Lei- 5 usw., die Regeleinrichtung, beispielsweise unter Verstung während der Dauer der Lastspitzen ausgelegt wendung an sich bekannter elektrischer Schnellregler, ist, wobei der Abhitzekessel ein solches Speicher- so auszubilden, daß die Totzeit und Stellzeit des vermögen besitzt, daß er während der Lasttäler das Lastreglers und der Düsenventile der Dampfturbine überschüssige Wärmeangebot durch Temperatur- und und das gegebene Schwungmoment der Gasturbinen-Drucksteigerung aufnehmen und während der Dauer io anlage so aufeinander abgestimmt sind, daß der Einder Lastspitzen durch Druckabsenkung den zusatz- griff der Regeleinrichtung die Erhöhung der von der liehen Dampfbedarf zu decken vermag und es ist die Dampfturbine abgegebenen Leistung noch innerhalb Regeleinrichtung als schnell arbeitende Regeleinrich- einer Zeit bewirkt, in welcher das Schwungmoment tung ausgebildet und so ausgelegt, daß sie auch bei der Gasturbine zur Stützung der Frequenz ausreicht, den maximalen Weiten von Spitzenlast und Steilheit 15 Selbst bei ungewöhnlichen Anforderungen hinsichtdes Belastungsanstieges eine ausreichende Erhöhung lieh Größe und Schnelligkeit der möglichen Lastder von der Dampfturbine abgegebenen Leistung änderungen, wie sie beispielsweise im Walzwerksinnerhalb einer Zeitspanne bewirkt, in welcher das betrieb vorkommen, lassen sich diese mit der Schwungmoment der Nutzleistungsgasturbine ein- erfindungsgemäßen Anlage noch einwandfrei beschließlich der mit dieser gekuppelten Brennluft- 20 herrschen.

verdichterstufen einen Drehzahlabfall bzw. eine Fre- Es liegt auf der Hand, daß der vorgenannte Vorquenzabsenkung auf einen unzulässigen Wert ver- teil nicht nur erreicht werden kann, wenn die Gashindert, turbinenanlage als einwellige Gasturbinenanlage aus-

Die kombinierte Gasturbinen-Dampfkraft-Anlage gebildet ist, sondern auch bei Verwendung sonach der Erfindung besitzt, außer weiteren an spä- 25 genannter zweistufiger bzw. zweiwelliger Gasturterer Stelle noch aufgeführten Vorteilen, durch die binenanlagen, bei welchen die Nutzleistungsturbine an sich bekannte Vorschaltung eines Gasturbinen- zumindestens mit einem Teil des Gaserzeugers geprozesses, dessen Abwärme ganz oder teilweise zur koppelt ist.

Deckung des Wärmebedarfs des nachgeschalteten Es ist somit nicht die an sich bekannte Kom-Niederdruckdampfprozesses dient, einen sehr guten 3° bination einer Gasturbinenanlage und einer Dampf-Prozeßwirkungsgrad. Es bleibt dabei auch bei der kraftanlage Gegenstand der Erfindung, sondern vor Deckung starker Laststöße der Betriebszustand der allem die spezielle Auslegung der einzelnen Anlage-Gasturbinenanlage im wesentlichen unbeeinflußt, so teile einer solchen kombinierten Anlage im Hinblick daß diese stets mit bestem Wirkungsgrad durchlaufen auf ihre Verwendung zur Deckung stark wechselnder kann. 35 und steiler Belastungsänderungen.

Durch die Erfindung wird somit eine wirtschaft- Das Verhältnis der Leistungen, für die die Gasliche Betriebsweise der zur Deckung von stark wech- turbinenanlage und die Dampfkraftanlage auszulegen selnden und steilen Belastungsänderungen dienenden sind, richtet sich nach dem im Einzelfall zu erwarten-Niederdruckdampfanlage von großer Speicherfähig- den Verlauf bzw. der Größe und Dauer der Bekeit erzielt. Dabei kann die nachgeschaltete Dampf- 4° lastungsänderungen. Es kann beispielsweise für kraftanlage zwischen Nullast und Maximallast be- Walzwerksbetriebe zweckmäßig sein, die Teile der aufschlagt werden. kombinierten Anlage so auszulegen, daß die von

Die Niederdruck-Dampfkraft-Anlage mit ihren der Gasturbinenanlage zu übernehmende Leistung

kleineren rotierenden Massen besitzt relativ gute zur Maximalleistung der Anlage sich etwa wie 1:3

Teillastwirkungsgrade und läßt sich durch Ver- 45 verhält.

größerung bzw. Änderung der Dampfmenge schnell Der Abhitzekessel kann mit einer eigenen Hilfs-, regeln, wobei die erforderliche Dampfmenge von dem feuerung ausgerüstet sein, die so ausgelegt ist, daß je nach Größe und Dauer der zu erwartenden Last- sie den Wärmebedarf des Kessels vollständig oder spitzen entsprechend bemessenen Abhitzekessel her- zum Teil decken kann. Dabei kann die Dampfkraftgegeben wird. 50 anlage einschließlich Abhitzekessel und Hilfsfeuerung

Da bei der erfindungsgemäßen Gasturbinen- so bemessen sein, daß die Dampfkraftanlage erforder-Dampfkraft-Anlage die Nutzleistungsgasturbine zu- lichenfalls auch die Spitzenlast der gesamten Anlage mindest mit einem Teil der Brennluftverdichterstufen übernehmen kann, so daß auch im Falle eines Ausgekoppelt ist, ergibt sich als weiterer wesentlicher fallens der Gasturbinenanlage, beispielsweise bei Gas-Vorteil, daß auch plötzlich auftretende Spitzenlasten 55 turbinenrevisionen, die für die Deckung der Spitzenbzw. Laststöße mit sehr steilem Belastungsanstieg last erforderliche Leistung erzeugt werden kann,
ohne Schwierigkeiten ausgefahren werden können. Zur weiteren Verbesserung des thermischen Wir-

Derartige Spitzenlasten können von der Gastur- kungsgrades der kombinierten Anlage kann die Niebinenanlage dank ihrer großen Schwungmasse auf- derdruck-Dampfkraft-Anlage als eine Zweidruckgenommen werden, indem die Bewegungsenergie der 60 anlage mit zwei oder mehr in ihren Drücken verrotierenden Massen zur Deckung des Laststoßes min- schiedenen Dampfkreisläufen ausgeführt sein. Der destens so lange herangezogen wird, bis andere Regel- thermische Wirkungsgrad und die spezifischen Anvorgänge eingreifen. Durch die gemäß der Erfindung lagekosten einer solchen kombinierten Gasturbinenvorgesehene und ausgelegte schnell arbeitende Regel- Dampfkraft-Anlage sind vergleichbar den entspreeinrichtung ist dabei gewährleistet, daß die Nieder- 65 chenden Werten einer reinen Hochdruck-Dampfkraftdruck-Dampfkraft-Anlage genügend schnell zur Lie- Anlage. Während aber eine Hochdruckanlage zur f erung der zur Übernahme der Lastspitze erforder- Deckung großer und steiler Laständerungen nicht geliehen vermehrten Leistung herangezogen werden eignet ist, können solche Spitzenlasten von der erfin-

dungsgemäßen Anlage gedeckt und die erforderlichen Leistungen betriebssicher erzeugt werden.

Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnungen beschrieben. In Fig.) ist mit 1 die Gasturbine, mit 2 der Brennluftverdichter, mit 3 der Generator und mit 4 die Brennkammer der Gasturbinenanlage bezeichnet, der der flüssige oder gasförmige Brennstoff zugeführt wird. Es ist eine einwellige Gasturbinenanlage mit offener Prozeßführung dargestellt. Die Gasturbinen- to abgase werden in den Abhitzekessel 5 geführt und verlassen das Kesselsystem, nachdem der größte Teil der Abwärme an den Niederdruckdampfprozeß übertragen wurde. Der erzeugte Abdampf wird in die Kondensationsturbine 6 geführt und tritt nach Entspannung und Leistungserzeugung in den Kondensator 10 ein. Das Turbinenkondensat wird mittels einer Kondensatpumpe 11 wieder in den Abhitzekessel 5 geführt. Mit 7 ist der Generator der Dampfkraftanlage bezeichnet.

Bei 13 ist eine schnell arbeitende Regeleinrichtung angedeutet, die in Abhängigkeit von den Änderungen der von dem Generator 7 abgegebenen Leistung die Menge des der Turbine 6 zugeführten Dampfes durch Öffnen bzw. Schließen des Dampfeinlaßventils 8 so regelt, daß die Dampfmengenänderungen den durch die Einrichtung 13 gemessenen Leistungsänderungen etwa proportional sind. Der Drehzahlregler 9 der Dampfkraftanlage hat dabei nur korrigierenden Einfluß.

Die Gasturbine liefert — da sie eine gleichbleibende Leistung erzeugt — eine gleichbleibende Abwärmemeüge, die im Abhitzekessel 5 zur Dampferzeugung ausgenutzt wird. Zu Zeiten geringer Lastanforderung dient die Gasturbinenabwärme zur Temperatur- und Drucksteigerung im Kesselsystem und damit zur Speicherung von Arbeitsvermögen, während zu Zeiten von Spitzenlasten der ansteigende Dampfbedarf durch Druckabsenkung im Kessel abgedeckt wird.

Die Teile der kombinierten Anlage können so ausgelegt sein, daß die Dampfkraftanlage nur zur Dekkung der Lastspitzen dient, und während der Lasttäler die volle Abwärmemenge der Gasturbinenanlage gespeichert wird. Die Lastverteilung kann aber auch so vorgenommen werden, daß die Dampfkraftanlage auch einen gewissen Teil der Grundlast bzw. der Belastung während der Lasttäler deckt und dabei nur das überschüssige Abwärmeangebot der Gasturbinenanlage zur Speicherung verwendet wird.

Aus dem gleichbleibenden Abwärmeangebot der Gasturbinenanlage, dem überschüssigen Wärmeangebot in den Lasttälern bzw. den während dieser Zeit gespeicherten Wärmemengen ergibt sich unter Berücksichtigung der Dauer der zu erwartenden Spitzenbelastungen und der Speicherkapazität des Abhitzekessels das Verhältnis von Grundlast zu Spitzenlast, das mit der Anlage ausgefahren werden kann. Dabei soll das mittlere Wärmeangebot im Abhitzekessel etwa gleich dem mittleren Wärmebedarf für die Dampferzeugung bei wechselnder Belastung der Anlage sein.

[n F i g. 2 ist eine kombinierte Anlage nach der Erfindung dargestellt, bei der die Dampfkraftanlage als Zweidruckanlage ausgeführt ist. Dabei sind für Anlageteile, die den in der F i g. 1 dargestellten Teilen entsprechen, gleiche Bezugszeichen gewählt worden. Mit 14 ist die in dem Dampfkreislauf höheren Druckes und mit 15 die in dem Kreislauf niederen Druckes liegende Turbine bezeichnet, während 16 und 17 die entsprechenden Teile des Abhitzekessels darstellen. 19 ist eine in dem Kreislauf höheren Druckes liegende zusätzliche Speisewasserpumpe.

Die Regeleinrichtung 13 wirkt — wie durch die gestrichelten Linien angedeutet ist — sowohl auf das vor der Turbine 14 liegende Dampfeinlaßventil 8 als auch auf das die Dampfzufuhr zur Turbine 15 steuernde Ventil 20 ein und regelt in Abhängigkeit von den Leistungsänderungen am Generator 7 die den Turbinen zugeführten Dampfmengen. Bei 21 ist eine zusätzliche Gegendruckregelung angedeutet, während 22 ein Sicherheitsventil darstellt, durch das bei übermäßig hohem Druckanstieg Dampf in den Kondensator 10 abgeblasen wird.

Bei besonders hohen Spitzenlastforderungen kann es wirtschaftlich sein, für den Abhitzekessel oder einen Teil desselben eine eigene Hilfsfeuerung vorzusehen. Eine solche als Brenner ausgeführte Hilfsfeuerung ist in der F i g. 2 mit 12 und der zugehörige Brennluftverdichter mit 23 bezeichnet. Als Brennluft für den Hilfsbrenner kann Frischluft aus der Umgebung, wie bei 18 angedeutet, oder Gasturbinenabgas aus dem Abhitzekessel angesaugt werden. Durch die letztgenannte Maßnahme können die Wärmeverluste im Abgas weiter verkleinert werden. In der F i g. 2 der Zeichnung ist die zwischen dem Heizraum des Abhitzekessels 16 und der Hilfsfeuerung 12 vorgesehene Verbindungsleitung zu erkennen, durch welche als Verbrennungsluft dienendes Gasturbinenabgas aus dem Heizraum angesaugt und der Hilfsfeuerung 12 zugeleitet werden kann.

Der Luftgehalt im Gasturbinenabgas ist dabei in den meisten Fällen ausreichend, um eine einwandfreie Verbrennung zu gewährleisten.

Die Feuerleistung des Hilfsbrenners kann für einen konstanten, von der jeweiligen Belastung der Anlage unabhängigen Wert ausgelegt sein. Die Feuerleistung des Hilfsbrenners kann aber auch einstellbar sein, so daß das Verhältnis der Grandlast zur maximalen Spitzenlast, die von der Anlage gedeckt werden kann, durch die Brennereinstellung verändert und den jeweils vorliegenden Gegebenheiten angepaßt werden kann.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Es sind hiervon verschiedene Abweichungen, vor allem baulicher Art möglich. So können beispielsweise statt eines auch mehrere Abhitzekessel vorgesehen sein. Weiter kann der Gasturbinensatz und der Dampfturbinensatz auch auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sein und es kann dabei die Regelung der der Dampfkraftanlage zugeführten Dampfmenge in Abhängigkeit von den Änderungen der von der Gesamtanlage abgegebenen Leistung erfolgen.

Da die Gegenstände der Unteransprüche 2 bis 5 im wesentlichen an sich bekannt sind, wird für die Gegenstände dieser Ansprüche Schutz nur in Verbindung mit dem Gegenstand des Hauptanspruches beansprucht.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Kombinierte Gasturbinen-Dampkraft-Anlage, vorzugsweise in Blockschaltung mit mindestens einer Nutzarbeit leistenden Gasturbine und mindestens einer aus einem Dampfspeicher gespeisten Hilfsdampfturbine zur raschen Anpas-

sung der Anlage an Belastungserhöhungen und einer Regeleinrichtung, die in Abhängigkeit von den Änderungen der abgegebenen Leistung die Menge des der Dampfturbine zugeführten Dampfes regelt, dadurch gekennzeichnet, daß die als Niederdruckanlage ausgebildete Dampfkraftanlage der Gasturbinenanlage derart nachgeschaltet ist, daß die Abwärme der Gasturbinenanlage zur Dampferzeugung in an sich bekannter Weise in einem nachgeschalteten Abhitzekessel (5,16,17) ausgenutzt wird und der Dampf in der nachgeschalteten Dampfturbine (6,14,15) zur Entspannung gelangt, wobei die Nutzleistungsgasturbine zumindest mit einem Teil der Brennluftverdichterstufen gekoppelt ist und die Teile der kombinierten Anlage so bemessen sind, daß die Gasturbinenanlage im wesentlichen für die Deckung des Grundlastanteiles ausreicht und die Dampfkraftanlage für die Deckung der zusätzlichen Leistung während der Dauer der Lastspitzen ausgelegt ist, wobei der Abhitzekessel (5, 16,17) ein solches Speichervermögen besitzt, daß er während der Lasttäler das überschüssige Wärmeangebot durch Temperatur- und Drucksteigerung aufnehmen und während der Dauer der Lastspitzen durch Druckabsenkung den zusätzlichen Dampfbedarf zu decken vermag, und daß die Regeleinrichtung als schnell arbeitende Regeleinrichtung ausgebildet und so ausgelegt ist, daß sie auch bei den maximalen Werten von Spitzenlast und Steilheit des Belastungsanstieges eine ausreichende Erhöhung der von der Dampfturbine abgegebenen Leistung innerhalb einer Zeitspanne bewirkt, in welcher das Schwungmoment der Nutzleistungsgasturbine einschließlich der mit dieser gekuppelten Brennluftverdichterstufen einen Drehzahlabfall bzw. eine Frequenzabsenkung auf einen unzulässigen Wert verhindert.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Niederdruck-Dampfkraft-Anlage als Zweidruckanlage mit zwei oder mehr in ihren Drücken verschiedenen Dampfkreisläufen ausgeführt ist.

3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abhitzekessel mit einer eigenen Hilfsfeuerung (12) ausgerüstet ist, die so ausgelegt ist, daß sie den Wärmebedarf des Kessels vollständig oder zum Teil decken kann.

4. Anlage nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Verbindungsleitung zwischen dem Heizraum des Abhitzekessels (16) und der Hilfsfeuerung (12), durch welche als Verbrennungsluft dienendes Gasturbinenabgas aus dem Heizraum angesaugt und der Hilfsfeuerung (12) zugeleitet werden kann.

5. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasturbosatz und der Dampfturbosatz auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Auslegeschriften Nr. 1 051 572,
050 609;

schweizerische Patentschriften Nr. 303 787,
749, 211 358, 211 357;

französische Patentschrift Nr. 965 429;

britische Patentschriften Nr. 756 065, 504 114.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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