DE2353493C3

DE2353493C3 - Zwei- oder mehrstufige Luftspeicher-Gasturbinenanlage

Info

Publication number: DE2353493C3
Application number: DE19732353493
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl.-Ing. 6806 Viernheim Hoffeins
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 1973-10-25
Filing date: 1973-10-25
Publication date: 1981-10-01
Also published as: SE7413244L; DK135004B; FR2249239A1; CA1014360A; JPS5073011A; DK135004C; SE399102B; JPS5844844B2; GB1474779A; FR2249239B1; DK550274A; DE2353493A1; NL7413845A; DE2353493B2

Description

Die Erfindung betrifft eine /wei- oder mehrstufige Luftspeicher-Gasturbinenanlage, insbesondere für Spitzenstrombetrieb, bei der eine Hochdruck- und eine Niederdruckturbinenstufe auf einer mit einem Generator kuppelbaren Welle angeordnet sind, mit mindestens einem Abgaswärmeübertrager und mil mindestens einer /wischen die Turbinenstufen geschalteten Erhitzungseinrichtung zur Wärmezufuhr an das Strömungsmedium.

Wenn bei einer bekannten Gasturbinenanlage dieser Art der Abgaswärmeübertrager naih längeren Stillstandszeilen ausgekühlt ist, wird bei einer erneuten Inbetriebnahme der Gasturbinenanlage das durch den Abgaswärmeübertrager zur Hochdruckturbinenstufe bzw. den Hochdruckturbinenstufen fließende Strömungsmedium praktisch kaum aufgeheizt, so daß dieses bei der sich anschließenden Expansion in den Turbinen-JUifen sehr stark abkühlt, wobei gegebenenfalls Temperaturen unter dem Nullpunkt auftreten können (DE-OS 21 16 851). Hierdurch Werden einmal diese Turbinenstufen sehr stark abgekühlt und es treten in der nachfolgenden Erhitzungseinrichturig (beispielsweise einer Brennkammer), in welcher das mit sehr niedriger Temperatur eintretende Strömungsmedium hoch erhitzt wird, der großen Erhitzungsspanne entsprechende Wäfmespannungen auf, Ürfi diese in zulässigen Grenzen zu halten, muß die Belastungsgeschwindigkeii beim Anfahren der Gasturbinenanlage niedrig gehalten werden. Damit ist wiederum ein geringer Durchsatz verbunden, der eine Verlängerung der Aufheizzeil des Abgaswärmeübertragers bzw. des Anfahrvorganges zur Folge hat. Eine verlängerte Anfahrzeit ist jedoch unerwünscht, da Luftspeicher-Gasiurbinenanlagen meist als Spilzenanlastanlagen betrieben werden und daher möglichst schnell hohe Leistung abgeben sollen.

to Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbinenanlage der eingangs genannten Art anzuge ben, die schnell angefahren werden kann und bei welcher dieses Ziel mit möglichst geringem Bauaufwand erreichbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß nun dadurch gelöst, daß für die aus dem Luftspeicher und durch den Abgaswärmeübertrager strömende Luft eine von der zu der Hochdruckturbinenstufe führenden Hauptleitung abzweigende, direkt mit der Erhitzungseinrichtung verbundene Bypassleitung vorgesehen isi, die ein Bypassventil aufweist, und daß in der Hauptleitung zwischen dem Ah/wcigiingspunki und der Hochdruckturbinenstufe ein Hauptleitungsventil angeordnet ist.
Beim Betrieb dieser Gasturbinenanlage wird nun vorteilhaft so vorgegangen, daß beim Anfahren das Strömungsmedium aus dem an den Luftspeicher angeschlossenen Abgaswärmeübertrager durch Öffnen des Bypassventüs um' Schließen des Haupileitungsventils direkt in die Erhitzungseinrichtung und von da in die Niederdnjcklurbinenstufe geleitet wird, die schon nach ihrem Hochfahren Nutzleistung an den Generator abgibt, und daß ferner nach Erreichen von 50 bis 100% der mittleren Betriebstemperatur des Abgaswärmeübertragers die Anlage auf Vollastbetrieb umgeschaltet

S5 wird, indem das Bypassventil geschlossen und das Hauptleitungsventil geöffnet wird, wodurch die vom Abgaswärmeübertrager kommende Luft der Hochdruckturbinenstufe zugeführt wird, bevor sie /u der Erhit/ungseinrichtung geleitet wird.

Auf diese Weise wird erreicht, daß ^!as Strömungsmedium auch beim Beginn des Anfahrens keine nennenswerte Temperaturabsenkung erfährt und in die Erhit/ungseinrichtung. in welcher das Strömungsmedium vor Eintritt in die folgende b/w. die folgenden Turbinenstufen aufgewärmt wird, bereits mit einer solchen Temperai r eintritt, die unzulässige Wärmespannungen vermeidet Die Belastungsgeschwindigkeit beim Anfahren braucht daher nicht niedrig gehalten zu werden. Der Vorteil der Erfindung liegt somit vor allem darin, daß die Ciasturbinenanlage kurzfristig hohe Leistungen abgeben kann. Dabei fehlt während dieser Phase des Anfahrvorganges, während welcher die Hochdruckturbinenstu^· b/w stufen vom Strömungsmedium umgangen werden, nur der Leistungsante'l dieser Stufen, was jedoch gegenüber den erreichten Vorteilen wenig ins Gewicht fällt. Der schon während des Anfahrens mögliche große Durchsatz bzw, Massenstrom bewirkt eine schnelle Aiifhci/ung des Abgaswärmeübertragers, was da/u beiträgt, die Start/eit der Anlage verhältnismäßig niedrig /u hallen.

Weitere Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung eines Äusführungsbeispieles im Zusammenhang mit der schemaiischcn Zeichnung hervor,

Die Zeichnung zeigt unter Fortlassung von für die Erfindung unwesentlichen Vorrichtungen einen Teil einer Luftspcichef-Gaslurbiriehanlage, Hierbei bedeutet 2 die Hochdrucklurbinenstufe und 6 die Nieder-

druckturbinenstufe einer offenen Gasturbinenanlage, wobei Hochdruck- und Niederdruckturbinenslufe auf einer gemeinsamen Welle 7 sitzen. Mit 8 ist der elektrische Generator bezeichnet, der beim Ladebetrieb den bzw. die in der Zeichnung nicht dargestellten Verdichter antreiben, welche dabei den ebenfalls nicht dargestellten Speicher aufladen. Beim Spitzenstrombetrieb wird der Generator 8 durch die Gasturbine angetrieben, die dann ihren Luftbedarf aus dem Speicher deckt. Mit 9 und 10 sind Kupplungen to bezeichnet, die entsprechend ausgebildet sind, um das Zu- und Abschalten der Aggregate für die vorgesehenen Betriebsweisen zu ermöglichen.

Mit 1 ist ein Abgaswärmeüberlrager bezeichnet, in den das aus dem nicht dargestellten Speicher kommen- t^r> de Strömungsmedium (beispielsweise Luft) über die Leitung 14 in Pfeilrichiung eintritt. Dabei kann die Anlage so ausgelegt sein, daß die Temperatur des in den Abgaswärmeübertrager 1 eintretenden und dort /u erwärmenden Strömungsmediums verhältnismäßig niedrig ist und vorzugsweise unterhalb von ca. 100"C liegt. Nach Verlassen des genannten Abgaswärmeübertragers 1 gelangt das Strömungsmedium bei n.irmalu' Betriebsweise der Gasturbinenanlage über die Hauptleitung 11 in die Hochdruckturbinenstufe 2 und von dort ·?■> über eine weitere Leitung 15 zur Erhitzungseinrichtung 5, die im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels als Brennkammer ausgebildet ist. Die Brennstoffzufuhr /ur Brennkammer ist bei 16 angedeutet.

Nach entsprechender Aufwärmung in der Exhit/ungs- in einrichtung 5 gelangt das Strömungsmedium über die Leitung 17 in die Niederdruckturbinenstufe 6, von welcher es nach entsprechender Expansion über die Leitung 18 zum Abgaswärmeübertrager I geführt wird und dort das über die Leitung 14 aus dem Speicher J^r> eintretende Strömungsmedium erwärmt.

Über die Leitung 19 gelangen das abgekühlte Strömungsmedium bzw. die Abgase in einen ins l-'rcie mündenden Kamin.

Mit 12 ist die Bypassleitung bezeichnet, die am Abzweigungspunkt 13 von der f lauptleitung 11 abzweigt und direkt zur Erhit/ungseinrichlung 5 führt. In dieser Bypassleitung 12 ist ein Bypassventil 4 angeordnet, während sich in dem Abschnitt der Hauptleitung 11, der /wischen dem Ab/weigungspunkt 1.3 und der I lochdiuckturbinenstufe 2 liegt, ein llauptleitungsventil 3 befindet. Bei der geschilderten normalen Betriebsweise ist das Haupileifingsventil 3 geöffnet und das Bypassventil 4 geschlossen.

Beim Anfahren der Anlage wird nun die Hochdruckturbinenstufe 2 durch Schließen des Hauptleitungsventils 3 und öffnen des Bypassventils 4 umgangen, so daß das Strömungsmedium über die Erhitzungseinrichtung 5 der Niederdruckturbinenstufe 6 unmittelbar zugeleitet wird. Sobald eine ausreichende Erwärmung des Abgaswärineübertragers 1 erreicht ist, wird das Bypassventil 4 nach einem vorgegebenen Programm geschlossen, wobei gleichzeitig das Hauptleitungsventil 3 entsprechend geöffnet wird. Auf diese Weise vollzieht sich der Übergang auf den Normalbetrieb, der, wie weiter oben beschrieben, unter Beaufschlagung der Hoch- und Niederdruckturbinenstufen abläuft. Das vorbeschriebene Ausführungsbeispiel kann verschiedene Varianten aufweisen, so kann die Stulenzahl der Turbine den gegebenen Verhältnissen entsprechend gewählt werden bzw. es kann die Anordnung so getroffen werden, daß beim Anfahren nur die erste oder außer der ersten noch mehrere sich an diese anschließende Turbinenstufen vom Strömungsmedium umgangen werden. Je nach den gegebenen Verhälinissen können auch zwei oder mehrere Abgaswärmeübertrager de. bzw. den ersten Turbinenstufen vorgeschaltet werden und erforderlichenfalls auch mehr als eine Erhitzungseinrichtung vorgesehen sein.

Schließlich wäre es auch denkbar, das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel so abzuändern, daß der der oder den ersten Turbinenstufen vorgeschaltete Wärmeübertrager, d. h. der Abgaswärmeübertrager 1, nicht vom Abgas der Gasturbine, sondern vom Strömungsmedium beheizt wird, nachdem dieses die Erhitzangseinrichtjng 5, d.h. die Brennkammer, oder falls mehrere Erhitzungseinrichtungen vorhanden sind, mindestens die erste von diesen durch strömt hat.

Auch ist die Anordnung des Abgaswärineübertragers 1 im Strang des aufzuheizenden Strömungsmediums nicht an die Stelle vor dem Hauptleitungsventil 3 gebunden. Es könnte auch zwischen dem Hauptleitungsventil 3 und den ersten Turbinenstufen bzw. der Hochdruckturbinenstufe 2 angeordnet sein.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Zwei- oder mehrstufige Luftspeicher-Gasturbinenanlage, insbesondere für Spitzenstrombetrieb, bei der eine Hochdruck- und eine Niederdruckturbinenstufe auf einer mit einem Generator kuppelbaren Welle angeordnet sind, mit mindestens einem Abgaswärmeübertrager und mindestens einer zwischen die Turbinenstufen geschalteten Erhitzungseinrichtung zur Wärmezufuhr an das Strömungsmedium, dadurch gekennzeichnet, daß für die aus dem Luftspeicher und durch den Abgaswärmeübertrager (1) strömende Luft eine von der zu der Hochdruckturbinenstufe (2) führenden Hauptleitung (11) abzweigende, direkt mit der Erhitzungseinrichtung (5) verbundene Bypassleitung (12) vorgesehen ist, die ein Bypassventil (4) aufweist und daß in der Hauptleitung (11) zwischen dem Abzweigungspunkt (13) und der Hochdruckturbinenstufe (2) ein Hauptleitungsventil (3) angeordnet ist.

2. Verfaß.en zum Betrieb der Anlage nach Anspruch !, dadurch gekennzeichnet, daß beim Anfahren das Strömungsmedium aus dem an den Luftspeicher angeschlossenen Abgaswärmeübertrager (1) durch Öffnen des Bypassventüs (4) und Schließen des Hauptleitungsventils (3) direkt in die Erhitzungseinrichtung (5) und von da in die Niedere!ruckturbinenstufe (6) geleitet wird, die schon nach ihrem Hochfahren Nutzleistung an den Generator (8) abgibt, und daß fener nach Erreichen von 50 bis 100% der mittleren Betriebstemperatur des Abgasw;^;rmeübertragers (1) die Anlage auf Vollastbetrieb umgeschaltet wird, indem das Bypassventil (4) geschlossen und das hauptleitungsventil (3) geöffnet wird, wodurch üie vom Abgaswärmeübertrager (1) kommende Luft der I .ochdruckturbinenstufe (2) zugeführt wird, bevor sie /u der Erhitzungseinr.chtung (5) geleitet wird.