CH628400A5

CH628400A5 - Gas turbine plant for very large load surges and method for its operation

Info

Publication number: CH628400A5
Application number: CH1405477A
Authority: CH
Inventors: Rolf Dipl Ing Kehlhofer
Original assignee: Bbc Brown Boveri & Cie
Priority date: 1977-11-17
Filing date: 1977-11-17
Publication date: 1982-02-26
Also published as: JPS5472311A; DE2756490A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasturbinenanlage für sehr grosse Lastsprünge, insbesondere für schwache elektrische Verbundnetze mit extrem starken, schnelle Laständerungen verursachenden Verbraucher, und ein Verfahren zu deren Betrieb.

Schwache Verbundnetze sind z. B. in unterentwickelten Gebieten recht häufig. Zu den Entwicklungsprojekten dieser Länder gehört aber u. a. auch der Bau von Stahlwerken, die leistungsfähige Verbraucher, wie Elektroofen, Walzwerke usw. aufweisen, die für diese schwachen Verbundnetze unzulässig grosse Lastsprünge verursachen. Es sind daher Netzsysteme erforderlich, die diesen extrem schnellen Laständerungen folgen können. Mit der vorliegenden Erfindung sollen die Nachteile der heute verfügbaren Gasturbinenanlagen für schwache Verbundnetze vermieden werden.

Die erfindungsgemässe Gasturbinenanlage weist einen Verdichter zur Lieferung der Verbrennungsluft für die Gasturbine und einen zwischen Verdichter und Gasturbine angeordneten Luftspeicher auf und ist dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter unabhängig von der Gasturbine durch einen Elektromotor antreibbar ist, der aus dem von der Gasturbinenanlage belieferten Stromnetz gespeist wird.

Zur Erhöhung des Anlagenwirkungsgrades kann der Gasturbine ein von deren Abgasen beheizter Abhitzekessel und eine von diesem Kessel gespeiste Dampfturbine mit einem Generator nachgeschaltet werden, der zur Speisung des Netzes beiträgt.

Bei einer weiteren Variante ist ein Hilfskompressor vorgesehen, der zum Auffüllen des Luftspeichers mit einem höheren als dem vom Verdichter aufbringbaren Druck dient.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist zwischen dem Verdichterund dessen Elektromotor eine lösbare Kupplung und zwischen dem Verdichter und der Gasturbine eine hydraulische Anfahrkupplung zum Hochfahren des Verdichters auf die Synchrondrehzahl des Elektromotors vorgesehen.

Das Verfahren zum Betrieb der Gasturbinenanlage ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Deckung grosser positiver Lastsprünge der Elektromotor stillgesetzt oder seine Leistung reduziert wird und die Speisung der Gasturbine währenddessen aus dem Luftspeicher erfolgt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. In dieser stellen dar:

Fig. 1 eine Gasturbinenanlage, bei der der Verdichter durch Abschalten seines Antriebsmotors ausser Betrieb gesetzt werden kann,

Fig. 2 eine Anlage gemäss Fig. 1 .jedoch mit einer von einem Abhitzekessel gespeisten Dampfturbine,

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform der Anlage mit einem Hilfskompressor zur Füllung des Luftspeichers, und

Fig. 4 eine Ausführungsform der Anlage mit einem vom Antriebsmotor abkuppelbaren Verdichter.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszahlen gleiche Elemente der verschiedenen Ausführungsformen.

In Fig. 1 bezeichnet 1 einen Luftverdichter, der von der Gasturbine 2 getrennt ist und seinen Antrieb von einem Elektromotor 3 erhält, der aus dem vom Generator 4 zu beliefernden Netz gespeist wird. Die vom Verdichter 1 gelieferte Luft wird in einen Luftspeicher 5 gedrückt, aus dem die Gasturbine 2 die Verbrennungsluft erhält. Mit 6 ist ein Absperr- oder Rückschlagventil mit 7 ein Abblaseventil für den Verdichter 1 bezeichnet, 8 und 9 sind vom Motor 3 kommende Signalleitungen zur Betätigung der Ventile 6 und 7, die bei stillgesetztem Motor 3 das Ventil 6 absperren und das Abblaseventil 7 öffnen, um ein Pumpen des Verdichters 1 zu verhindern. 10 ist die Brennkammer der Turbine 2.

Mit einer solchen Anlage können sehr grosse Lastsprünge bewältigt werden. Durch Abschalten des Antriebsmotors 3 des Verdichters 1 wird plötzlich eine hohe elektrische Leistung frei, die etwa gleich der eineinhalbfachen Nennleistung ist. Die Turbine wird dabei aus dem Speicher 5 weiterhin mit Verbrennungsluft versorgt und arbeitet daher mit konstanter Leistung weiter.

Gegenüber den bekannten Schaltungen hat diese Lösung den Vorteil, dass die Leistungserhöhung direkt netzseitig erfolgt und damit die doppelte Umwandlung von thermischer Energie in mechanische und dann in elektrische vermieden wird.

Für die Gasturbine ergibt sich der Vorteil, dass sie unter etwa konstanter Last arbeiten kann, was sich in einer erhöhten Lebensdauer auswirkt.

Die Fig. 2 zeigt das Schema eine solchen Anlage, bei der der thermische Wirkungsgrad noch durch einen der Gasturbine 2 nachgeschalteten, von deren Abgasen beheizten Abhitzekessel 11 und eine von diesem gespeiste Dampfturbine 12 erhöht wird. Die Dampfturbine 12 treibt einen Generator 13 an, der seinen Strom ebenfalls ins Verbundnetz liefert. Die auf diese Weise erzielbare Wirkungsgradsteigerung ist beträchtlich.

Bei der Ausführung nach Fig. 3 ist ein Hilfskompressor 14 vorgesehen, der durch einen aus dem Netz gespeisten Elektromotor oder z. B. einem Dieselmotor angetrieben werden kann und der einen höheren Druck liefert als der Verdichter 1. Infolgedessen kann der Luftspeicher 5 kleiner ausgeführt werden als bei Speisung nur durch den Verdichter 1. Diese Variante hat den Vorteil, dass die Gasturbine auch bei längeren Betriebsphasen mit erhöhter Netzbelastung ohne Verdichter laufen kann, weil der Hilfskompressor weiterhin den Luftspeicher füllt, insbesondere bei netzunabhängigem Antrieb des Kompressors.

Bei dieser Anordnung ist noch ein weiteres Absperrventil

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

628400

15 vorgesehen, mit dem bei laufendem Verdichter 1 der Luftspeicher 5 abgesperrt und unabhängig vom Luftbedarf der Turbine 2 auf Vorrat aufgeladen werden kann. Die Steuerung dieses Ventils erfolgt über eine Signalleitung 16, die auf die Druckverhältnisse in der Luftleitung zwischen Verdichter und Turbine anspricht.

Die Fig. 4 zeigt eine Anlage, bei der der Verdichter 1 über eine mechanisch oder elektromagnetisch betätigbare Kupplung 17 mit dem Elektromotor 3 in Antriebsverbindung gebracht bzw. von diesem abgekuppelt werden kann. Dadurch erübrigt sich das Stillsetzen des Motors bei einem Lastsprung, da dieser nach dem Abkuppeln des Verdichters im Leerlauf mit geringer Leistungsaufnahme dreht.

Die hydraulische Kupplung 18 ist während des Verdichterbetriebs ausser Funktion, d. h. sie ist entleert, und es besteht keine Antriebsverbindung zwischen Gasturbine und Verdichter. Nach Rückgang der Lastspitze wird der Verdichter durch Füllen der hydraulischen Kupplung mit Schlupf an die Gasturbine angekuppelt und allmählich auf die Synchrondrehzahl des Motors 3 hochgefahren und mittels der Kupplung 17 an diesen starr angekuppelt, worauf die Antriebsverbindung zwischen Gasturbine und Verdichter durch Entleeren der Kupplung 18 wieder aufgehoben wird.

Eine weitere Möglichkeit, die Leistung des Verdichters zu reduzieren, besteht im Verstellen der Leitschaufeln bzw. im

Öffnen des Abblasesignals 7. Von dieser Möglichkeit wird man aber vorzugsweise nur bei kurzzeitig auftretenden Lastspitzen Gebrauch machen.

Bezeichnungsliste

1 = Luftverdichter

2 = Gasturbine

3 = Elektromotor

4 = Generator

5 = Luftspeicher

6 = Absperr- oder Rückschlagventil

7 = Abblaseventil

8 = Signalleitung

9 = Signalleitung

10 = Brennkammer

11 = Abhitzekessel

12 = Dampfturbine 2o 13 = Generator

14 = Hilfskompressor

15 = Absperrventil

16 = Signalleitung

17 = Ausrückbare Kupplung 25I8 = Hydraulische Kupplung

10

Ì5

2 Blatt Zeichnungen

Claims

628 400

1. Gasturbinenanlage für sehr grosse Lastsprünge, mit einem Verdichter zur Lieferung der Verbrennungsluft für die Gasturbine und einem zwischen Verdichter und Gasturbine angeordneten Luftspeicher, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (1 ) unabhängig von der Gasturbine (2) durch einen Elektromotor (3) antreibbar ist, der aus dem von der Gasturbinenanlage belieferten Stromnetz gespeist wird.

2. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen von den Abgasen der Gasturbine (2) befeuerten Abhitzekessel (11) sowie eine von diesem Abhitzkessel gespeiste Dampfturbine (12) mit einem Generator (13), der zur Speisung des Netzes beiträgt.

2

PATENTANSPRÜCHE

3. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Hilfskompressor (14) zum Auffüllen des Luftspeichers (5) mit einem höheren als dem vom Verdichter (1) aufbringbaren Druck.

4. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine lösbare Kupplung (17) zwischen dem Verdichter ( 1 ) und dem Elektromotor (3) sowie eine hydraulische Anfahrkupplung ( 18) zwischen dem Verdichter ( 1 ) und der Gasturbine (2).

5. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch verstellbare Leitschaufeln im Verdichter (1) und ein Abblaseventil (7) am Ausgang des Verdichters, wobei die Reduktion der Leistungsaufnahme des Motors (3) durch Verstellen der Leitschaufeln und Öffnen des Abblaseventils erfolgt.

6. Verfahren zum Betrieb der Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Deckung grosser positiver Lastsprünge der Elektromotor (3) stillgesetzt oder seine Leistung reduziert wird und die Speisung der Gasturbine währenddessen aus dem Luftspeicher erfolgt.