Verfahren zum Betrieb einer Gasturbinenanlage und Gasturbinenanlage zur Durchführung des Verfahrens. Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfah ren zum Betrieb einer Gasturbinenanlage, in welcher die Verbrennung in verdichteter Luft erfolgt.
Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass als Brennstoff ein verdichtetes Brenngas im untern, bis hinauf zu der dem Optimum des spezifischen Wärmeverbrauchs entsprechen den Leistung reichenden Leistungsbereich der Anlage allein verwendet wird, und dass der im obern Leistungsbereich erforderliche Mehr- bedarf an Brennstoff mittels eines Zusatz brennstoffes gedeckt wird, welcher das Brenn- gas in bezug auf Heizwert je Raumeinheit übertrifft.
Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Gasturbinenanlage zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung, welche ge kennzeichnet ist durch einen Brenngasver- dichter, welcher den Brenngasbedarf derAn- lage im untern, bis hinauf zu der dem Opti mum des spezifischen Wärmeverbrauchs ent sprechenden Leistung reichenden Leistungs bereich der Anlage allein deckt und durch eine Einrichtung, mittels welcher zur Deckung des im obern Leistungsbereich erforderlichen Mehrbedarfs an Brennstoff der Zusatzbrenn stoff zugeführt werden kann.
Der Zusatzbrennstoff kann der gleichen Brennkammer zugeführt werden, in der auch das Brenngas verbrannt wird.
Hierbei kann der Zusatzbrennstoff dem Brenngas vor dessen Eintritt in die Brenn- kammer zugeführt werden. Als Zusatzbrennstoff kann ein flüssiger Brennstoff gewählt werden.
Im Vergleich zu einer mit Brennöl ge feuerten Gasturbinenanlage ist in einer mit Brenngas gefeuerten Anlage das anzusau gende Brennstoffvolumen sehr gross. Es kann, wenn zum Beispiel Gichtgas als Brenngas ver-, wendet wird, mehr als das Zehntausendfache des bei Brennöl benötigten betragen. Erfolgt die Verbrennung in verdichteter Luft, so muss ferner dieses grosse Volumen gegen minde stens den Druck der verdichteten Luft geför dert werden, und infolgedessen ist auch der Leistungsbedarf des hierzu dienenden Brenn gasverdichters gross.
Zum Beispiel vermag bei Verwendung von Gichtgas der Leistungs bedarf des Brenngasverdichters etwa die Grö ssenordnung des Leistungsbedarfs des Luft verdichters zu erreichen.
Auf den Gesamtwirkungsgrad einer mit Brenngas gefeuerten Gasturbinenanlage, bei welcher die Verbrennung in verdichteter Luft erfolgt, übt also der Wirkungsgrad des Brenn- gasverdichters einen wesentlichen Einfuss aus.
Nun vermag zwar im absolut günstigsten Be triebspunkt der Wirkungsgrad eines solchen Brenngasverdichters dem Wirkungsgrad des Luftverdichters zu gleichen; im Gegensatz zum Luftverdichter hat sich jedoch die För dermenge des Brenngasverdichters dem mit der augenblicklichen Leistung der Anlage und ausserdem mit der augenblicklichen Güte des verwendeten Brenngases sich ändernden Brenngasbedarf der Anlage anzupassen.
Dies hat zur Folge, dass der Betriebszustand des Brenngasverdichters, zum Schaden des Wir kungsgrades, sich oft wesentlich weiter von dem hinsichtlich Drehzahl, Druck und För dermenge absolut günstigsten Betriebspunkt entfernen muss, als dies beim Luftverdichter der Fall ist. Hinzu kommt, dass von einer sol chen Anlage nicht nur die Nennleistung, son dern zeitweise auch eine Überleistung gefor dert wird und dass diese Überleistung selbst dann geliefert werden muss, wenn das Brenn- gas augenblicklich schlecht ist.
Der Brenn stoffbedarf der Anlage überdeckt also einen Bereich, welcher sich vom Leerlauf der An lage bei augenblicklich bester Brennstoff beschaffenheit bis hinauf zu äusserster Über leistung bei augenblicklich schlechtester Brennstoffbeschaffenheit erstreckt.
Insbesondere für einen mehrstufigen Axial verdichter, wie er als Brenngasverdichter für eine Gasturbinenanlage in Betracht kommt, entstehen hierdurch grosse Schwierigkeiten, zumal überdies noch der Förderdruck sich dem Druck der verdichteten Luft anzupassen hat und daher nicht nach Belieben zusammen mit der Fördermenge geändert werden kann.
Aus diesem Grunde ist es zum Beispiel nicht ohne weiteres angängig, auf den Brenngas- verdichter das als das günstigste bekannte Regelungsverfahren anzuwenden, bei wel chem die sekundliche Fördermenge mittels einer Änderung der Drehzahl des Verdichters möglichst derart verändert wird, dass, unter gleichzeitiger Änderung des Förderdruckes, der Betriebszustand des Verdichters längs einer Kurve geführt wird, welche die bei den jeweiligen Drehzahlen günstigsten Betriebs punkte miteinander verbindet und welche so mit auch den absolut günstigsten Betriebs punkt enthält..
Dieses günstigste Regelungs verfahren, bei welchem übrigens die erwähnte Kurve innerhalb gewisser Grenzen ungefähr einem Gleichbleiben der auf eine Umdrehung des Brenngasverdichters berechneten Brenn- gasmenge entspricht, bleibt vielmehr in sei ner Anwendung auf solche Fälle beschränkt, in denen die gesamte Anlage mit veränder- licher Drehzahl betrieben wird, vermag aber auch dann nur einen Teil der Regelung der Brenngasmenge zu bewirken, da ja auch bei den jeweiligen Drehzahlen der Anlage, ent sprechend dem augenblicklichen Drehmoment der Anlage sowie der augenblicklichen Be schaffenheit des Brenngases,
weitgehende Än derungen der auf eine Umdrehung des Brenn- gasverdichters berechneten Brenngasmenge und damit weitgehende Abweichungen des Betriebszustandes des Brenngasv erdichters von der erwähnten Kurve günstigster Be triebspunkte gefordert werden müssen.
Auch dann also erweist es sich als notwendig, zu sätzlich noch andere Regelungsverfahren an zuwenden, zum Beispiel also den Ansaug querschnitt des Brenngasverdichters zu dros seln, Stufen zu überbrücken, Schaufelwinkel zu verstellen oder gar einen Teil des verdich teten Brenngases wieder in die Saugleitung zurückzublasen, wobei bei einem Teil dieser Verfahren der Wirkungsgrad noch wesentlich weiter verschlechtert wird und bei einem andern Teil dieser Verfahren die Gefahr be steht, dass der Betriebszustand des Verdich ters die sogenannte Pumpgrenze überschrei tet, der Verdichter also in betriebsgefährden der Weise stossweise zu fördern beginnt.
Diese wie ersichtlich ernsthaften Schwie rigkeiten vermögen in gewissem Umfang schon bei einer sogenannten geschlossenen Gasturbinenanlage aufzutreten, bei welcher immer wieder das gleiche Arbeitsmittel einen gegen die Atmosphäre verschlossenen Kreis lauf durchströmt und die Wärme in einer ge sonderten Feuerung erzeugt und dem Ar beitsmittel mittels Wärmetausches zugeführt wird. Schon in einer solchen Anlage kann es sich unter Umständen empfehlen, die Ver brennung in gegenüber der Atmosphäre etwas verdichteter Luft erfolgen zu lassen.
In grösse rem Umfang treten die beschriebenen Schwie rigkeiten auf bei einer sogenannten offenen Gasturbinenanlage, bei welcher ein Luftver dichter die gesamte Arbeitsluft der Anlage aus der Atmosphäre ansaugt und sie auf einen höheren Druck verdichtet und bei welcher die Verbrennung in dieser verdichteten Luft er- folgt und die Verbrennungsprodukte alsdann als Arbeitsmittel zum Antrieb der Gastur bine dienen.
In noch grösserem Umfang treten die beschriebenen Schwierigkeiten auf bei einer sogenannten teilgeschlossenen Gastur binenanlage, bei welcher Luft als Arbeitsmit tel einen unter einem gegenüber der Atmo sphäre erhöhten Druckniveau stehenden, einen Verdichter und eine Turbine enthalten den Kreislauf durchströmt, welchem ständig eine mittels eines Aufladeverdichters ver dichtete Menge frischer Luft aus der Atmo sphäre zugeführt wird und welchem hierfür ständig eine unter dem höchsten Druck des Kreislaufes stehende Teilmenge Luft ent zogen wird, in welcher hochverdichteten Luft alsdann die Verbrennung erfolgt, deren Ver brennungsprodukte zum Antrieb einer zwei ten Turbine dienen.
Dass, wie eben beschrieben, diese Schwie rigkeiten bei erhöhtem Druck der verdich teten Luft, in welcher die Verbrennung er folgt, und somit bei erhöhtem Förderdruck des Brenngasverdichters anwachsen, be gründet sich in der Hauptsache dadurch, dass ein mehrstufiger Axialverdichter, wie er als Brenngasverdichter für eine Gas turbinenanlage in Betracht kommt, um so empfindlicher auf ein Abweichen von seinem absolut günstigsten Betriebspunkt reagiert, je höher sein Förderdruck in diesem Betriebs punkt ist.
Unter anderem fällt dann bei einer Überschreitung der diesem Betriebs punkt entsprechenden Fördermenge der För- derdruck schon sehr steil ab, welcher Um stand dazu zwingt, die diesem Betriebspunkt entsprechende Fördermenge sehr nahe an den Höchstwert des Brenngasbedarfs der Anlage zu rücken. Dies hat aber zur Folge, dass als dann schon bei einer Verringerung des Brenn- gasbedarfs auf seinen Normalwert mit wesent licher Verschlechterung des Wirkungsgrades zu rechnen ist und dass schon bei relativ klei ner weiterer Verringerung Gefahr besteht, dass die dem absolut günstigsten Betriebs punkt schon empfindlich naheliegende Pump grenze überschritten wird.
Zwecks Verminderung dieser somit sehr ernsthaften Schwierigkeiten wird gemäss der Erfindung vorgeschlagen, als Brennstoff für eine Gasturbinenanlage, in welcher die Ver brennung in verdichteter Luft erfolgt, ein verdichtetes Brenngas im untern, bis hinauf zu der dem Optimum des spezifischen Wärme verbrauchs entsprechenden Leistung reichen den Leistungsbereich der Anlage allein zu ver wenden und den im obern Leistungsbereich erforderlichen Mehrbedarf an Brennstoff mit tels eines Zusatzbrennstoffes zu decken,
tel- cher das Brenngas in bezug auf Heizwert je Raumeinheit übertrifft.
Hierdurch wird erzielt, dass der Bereich, innerhalb dessen die Fördermenge des Brenn- gasverdichters verändert werden muss, zu gunsten seines Wirkungsgrades wesentlich kleiner ausfällt. Ferner darf der Brenngasver- dichter nunmehr derart gewählt werden, dass sein absolut günstigster Betriebspunkt dem jenigen seiner Betriebszustände naheliegt, welcher bei der dem Optimum des spezifischen Wärmeverbrauchs entsprechenden Leistung der Anlage erreicht wird,
und daB der Brenn- gasverdichter demzufolge gerade in diesem Betriebszustand einen besonders hohen Wir kungsgrad aufweist.
An Hand der Fig. 1 und 2 sollen Ausfüh rungsbeispiele einer Gasturbinenanlage zur Durchführung des Verfahrens nach der Er findung erläutert werden.
In beiden Figuren ist als Ausführungsbei spiel eine wie vorstehend erläutert sogenannte offene Gasturbinenanlage gewählt, bei wel cher Gichtgas als Brenngas verwendet wird und welche zum Antrieb eines Hochofen gebläses dient.
In schematischer Darstellung zeigt Fig. 1 die erwähnte Anlage bei Verwen dung eines zweiten hochwertigeren Brenn . gases als Zusatzbrennstoff, Fig. 2 die erwähnte Anlage bei Verwen dung eines flüssigen Brennstoffes als Zusatz brennstoff.
In beiden Fig. 1 und 2 bezeichnet 1 den Luftverdichter, 2 den Brenngasverdichter, 3 die Brennkammer, 4 die Gasturbine der An- lage, 5 das von der Anlage angetriebene Hoch ofengebläse und 6 einen zum Anwerfen der Anlage dienenden Elektromotor. Dem Wind bedarf des nicht gezeichneten Hochofens wer den die Fördermenge und der Förderdruck des Hochofengebläses 5 in der Hauptsache zunächst mittels Änderung der Drehzahl der gesamten Anlage angepasst.
Infolgedessen ändert sich selbsttätig auch der Betriebs zustand des Brenngasverdichters 2 zunächst wenigstens ungefähr auf der im vorstehenden erläuterten Kurve der günstigsten Betriebs punkte, wodurch selbsttätig schon eine ge wisse Grundregelung des Brenngasverdich- ters 2 bewirkt wird. Änderungen in den Be triebsbedingungen machen es jedoch, wie im vorstehenden erläutert wurde, nötig, oft wesentlich von dieser Kurve der günstigsten Betriebspunkte abzuweichen, und es erweist sich deshalb eine der erwähnten Grundrege lung übergelagerte weitere Regelung des Brenngasverdichters 2 als erforderlich.
Diese weitere Regelung wird bewirkt mittels der in der Saugleitung des Brenngasverdichters 2 angeordneten Drosselklappe 7 und mittels des dicht an der Brennkammer 3 in der Druck leitung des Brenngasverdichters 2 angeord neten Drosselventils B. In stationärem Zu stand ist das Ventil 8 derart eingestellt, dass das Brenngas vor dem Ventil 8, also in der Druckleitung des Brenngasverdichters 2, einen geringen Überdruck gegenüber der Brennkammer 3 besitzt.
Dieser Überdruck verhütet einerseits ein Zurückschlagen aus der Brennkammer 3 in die Brenngasdruck leitung und anderseits ermöglicht er, durch eine Öffnungsbewegung des Ventils 8 die Brenngaszufuhr ohne jede Verzögerung er höhen und somit der durch die Volumen kapazität des Brenngasverdichters 2 sowie der Brenngasdruckleitung verzögerten Wir kung einer gleichzeitigen Öffnungsbewegung der Drosselklappe 7 vorgreifen zu können. Ebenso greift auch eine Schliessbewegung des Ventils 8 der Wirkung einer gleichzeitigen Schliessbewegung der Klappe 7 vor.
Endgül tig wird jedoch die veränderte Brenngas- menge mittels der Klappe 7 eingestellt, da hierbei der Wirkungsgrad und das Betriebs verhalten des Brenngasverdichters 2 weniger geschädigt werden als durch eine Einstellung mittels des Ventils B.
Überschreitet der Brennstoffbedarf der Anlage diejenige Gichtgasmenge, welche bei der dem Optimum des spezifischen Wärme verbrauchs entsprechenden Leistung der An lage benötigt wird, so wird der Mehrbedarf an Brennstoff mittels eines Zusatzbrennstoffes gedeckt, welcher das Gichtgas in bezug auf Heizwert je Raumeinheit übertrifft.
Bei der Anlage nach Fig. 1 ist als Zusatz brennstoff Leuchtgas gewählt, welches mit tels eines nicht gezeichneten Leuehtgasver- dichters nach Öffnen des Ventils 9 durch die Rohrleitung 10 dem Gichtgasstrom vor des sen Eintritt in die Brennkammer 3 zugeführt wird.
Da der Heizwert von Leuchtgas je Raumeinheit etwa fünfmal so gross ist wie der von Gichtgas und der Leuchtgasverdichter zudem j a nur einen Teil des Brennstoffbedarfs der Anlage und auch diesen Teil nur zeitweise zu liefern hat, so sind die Anforderungen, welche hinsichtlich guter Wirkungsgrade bei Änderung seiner Fördermenge gestellt wer den müssen, beim Leuchtgasv erdichter we sentlich kleiner als beim Gichtgasverdichter 2.
Unter Umständen kann es sich sogar empfeh len, als Leuchtgasverdichter einen volumetri- schen Verdichter zu wählen, zumal ein solcher es erlaubt, eine durch Verstellen seiner Fül lung oder seiner Drehzahl in sehr weiten Grenzen ohne wesentliche Schädigung seines Wirkungsgrades veränderbare Leuchtgas- menge, vom Förderdruck fast unbeeinflusst, der Anlage zuzuführen.
Bei der Anlage nach Fig. 2 ist als Zusatz brennstoff ein flüssiger Brennstoff gewählt, welcher mittels einer nicht gezeichneten Pumpe nach Öffnen des Ventils 12 durch eine Düse 11 zerstäubt der in der Brennkammer 3 brennenden Gichtgasflamme zugeführt. wird und dessen Menge in bekannter Weise ohne Schädigung des Wirkungsgrades der Anlage nach Belieben verändert werden kann.