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DE3425115A1 - Gas turbine plant with supercharged, partially closed cycle with direct combustion in the operating gas flow - Google Patents

Gas turbine plant with supercharged, partially closed cycle with direct combustion in the operating gas flow

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DE3425115A1
DE3425115A1 DE19843425115 DE3425115A DE3425115A1 DE 3425115 A1 DE3425115 A1 DE 3425115A1 DE 19843425115 DE19843425115 DE 19843425115 DE 3425115 A DE3425115 A DE 3425115A DE 3425115 A1 DE3425115 A1 DE 3425115A1
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Nebojsa Prof Dr Ing Gasparovic
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Abstract

The partial load efficiency of partially closed gas turbine plants for the generation of mechanical energy can be improved by variable geometry in at least one of the turbo-engines of the plant. The compressor of the main cycle, the supercharging compressor and the supercharging turbine can all be considered for this. In the case of the compressors the adjustable inlet guide vanes are especially suitable for this and in the supercharging turbine the adjustable guide vanes of the first stage. Due to the variable geometry different rated power outputs can also be achieved using the same plant parts.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenanlage mit aufgela-The invention relates to a gas turbine system with supercharged

denem, teilgeschlossenem Kreislauf mit unmittelbarer Verbrennung im Arbeitsgasstrom, der eine Mischung aus Frischluft, umgewälzter Luft und Verbrennungsgasen enthält, mit mindestens einem Verdichter, mindestens einer Brennkammer,- in welcher im Arbeitsgasstrom Brennstoff unmittelbar verbrannt wird, mindestens einer den oder die Verdichter treibenden und Nutzleistung abgebenden Turbine und mindestens einem Kühler, der nur von demjenigen Teil des Arbeitsgasstroms durchströmt wird, der durch den oder die Verdichter,-die Brennkammer und die Nutzlastturbine strömt, wobei die Luft und ein Teil der Verbrennungsgase einen geschlossenen Kreislauf bilden, dessen Druckpegel vor dem Eintritt in den Verdichter über dem Umgebungsdruck liegt sowie mit einer Auf lag deturbogruppe, bestehend aus mindestens einem Aufladeverdichter, der die erforderliche Verbrennungsluft aus der Atmosphäre ansaugt und in den Niederdruckteil des Kreislaufs einspeist und auch dessen Druckpegel aufrechterhält und dessen oder deren Leistungsbedarf von mindestens einer Aufladeturbine gedeckt wird, die von dem vor dem Kühler abgezweigten Teil des Arbeitsgasstroms über eine Leitung von der Austrittsseite der Nutzleistungsturbine oder von einer der Niederdruckstufen der Nutzleistungsturbine gespeist wird und auf den Umgebungsdruck entspannt.denem, partially closed circuit with direct combustion in the Working gas stream, which is a mixture of fresh air, recirculated air and combustion gases contains, with at least one compressor, at least one combustion chamber, - in which in the working gas flow fuel is burned directly, at least one of the or the compressor driving and the useful power output turbine and at least one Cooler through which only that part of the working gas flow flows through the compressor or compressors, the combustion chamber and the payload turbine flows, the Air and part of the combustion gases form a closed circuit, its Pressure level before entering the compressor is above ambient pressure and with a support deturbo group, consisting of at least one supercharging compressor, which sucks in the required combustion air from the atmosphere and into the low-pressure section of the circuit feeds and also maintains its pressure level and its or whose power requirements are covered by at least one turbocharger that is operated by the part of the working gas flow branched off in front of the cooler via a line from the outlet side of the power turbine or from one of the low-pressure stages the power turbine is fed and expanded to the ambient pressure.

Die Leistung von Gasturbinenanlagen ist durch den Volumenstrom der Gase am Austritt der Turbinen bzw. durch den Volumenstrom am Eintritt des Verdichters begrenzt. Mit der Erhöhung der Dichte des Fluids ergibt sich eine proportional höhere Leistung, ohne daß gleichzeitig die Strömungsmaschinen vergrößert werden müssen. Dies wirkt sich als Vorteil kostensenkend auf die Anlage aus. Diese Möglichkeit steht den geschlossenen und teilgeschlossenen Gasturbinenprozessen zur Verfügung.The performance of gas turbine systems is determined by the volume flow of the Gases at the turbine outlet or through the volume flow at the compressor inlet limited. As the density of the fluid increases, there is a proportionally higher density Performance without having to increase the size of the turbomachines at the same time. This has the advantage of reducing costs for the system. This possibility is available for closed and partially closed gas turbine processes.

Solche teilgeschlossenen Gasturbinenanlagen ermöglichen eine beträchtliche Senkung des Ausstosses von die Umwelt gefährdenden Stickoxiden (NQx) auf einen Wert, der durch keine der bisher bekannten "trockenen" oder nassen" Methoden der NOx-Unterdrückung bei offenen Gasturbinen erreicht werden kann. Dies ergibt sich aus zwei Tatsachen: Nur ein Teil der an der Verbrennung teilnehmenden Gase gelangt über die Aufladeturbine in die Atmosphäre. Die Verbrennung in der Brennkammer bzw. mehreren parallel angeordneten Brennkammern des Hauptkreislaufs kann so gesteuert werden, daß ein Teil der Verbrennungsgase des Hauptstroms als inerter Bestandteil in die Primär zone der Brennkammer eintritt und damit die Verbrennungstemperatur absenkt. Das ist durch geeignete Führung der vom Aufladeverdichter gelieferten Luft und der Verbrennungsgase des Hauptkreislaufs möglich.Such partially closed gas turbine systems allow a considerable Reduction of the emission of environmentally hazardous nitrogen oxides (NQx) to a value by none of the previously known "dry" or wet "methods of the NOx suppression can be achieved with open gas turbines. This arises from two facts: Only some of the gases involved in the combustion pass through the turbocharger into the atmosphere. Combustion in the combustion chamber or several parallel ones Combustion chambers of the main circuit can be controlled so that part of the combustion gases of the main flow enters the primary zone of the combustion chamber as an inert component and thus lowers the combustion temperature. That is through appropriate guidance of the the air supplied by the supercharger and the combustion gases of the main circuit possible.

Im Kühler des Hauptkreislaufs löst sich das Stickstoffdioxid NO2 im kondensierten, durch die Verbrennung entstandenen Wasserdampf. Dieser Vorgang kann durch Einspritzung zusätzlicher Mengen Wasser in den Gasstrom unterstützt werden. Das säurehaltige Wasser läßt sich dann aus dem Kühler entfernen.The nitrogen dioxide NO2 dissolves in the cooler of the main circuit condensed water vapor created by the combustion. This process can be supported by injecting additional amounts of water into the gas flow. The acidic water can then be removed from the cooler.

Der Erfindung liegen mehrere Aufgaben zugrunde: a) Mit den gleichen Anlageteilen (abgesehen vom Stromerzeuger) können den Wünschen der Betreiber angepaßte Nennleistungen verwirklicht werden.The invention is based on several objects: a) With the same Plant parts (apart from the power generator) can be adapted to the wishes of the operator Nominal power can be achieved.

b) Bei gegebener Anlage läßt sich der Teillastwirkungsgrad verbessern.b) With a given system, the partial load efficiency can be improved.

c) Der Anfahrvorgang kann mit einem Minimum an Einrichtungen bewerkstelligt werden.c) The start-up process can be accomplished with a minimum of facilities will.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens eine der Strömungsmaschinen, wie Aufladeverdichter, Verdichter des Hauptstroms oder Aufladeturbine, mit variabler Geometrie ausgestattet ist. Eine Kombination dieser Maßnahme bei zwei oder allen drei Strömungsmaschinen ist möglich. Diese variable Geometrie kann auch nur einmalig fest eingestellt werden oder kontinuierlich verstellbar sein.These objects are achieved according to the invention in that at least one of the flow machines, such as supercharging, main flow or compressors Supercharging turbine, is equipped with variable geometry. A combination of these Measure for two or all three turbomachines is possible. This variable Geometry can also be set permanently only once or continuously adjustable be.

Vom Aufwand her ist es vorteilhaft, bei den Verdichtern verstellbare Vorleiträder anzuordnen, während die Aufladeturbine ein verstellbares Leitrad der ersten Stufe erhalten kann.In terms of effort, it is advantageous to have adjustable compressors Arrange inlet guide wheels, while the turbocharger has an adjustable guide wheel first stage can get.

Damit stehen bis zu drei zusätzliche Parameter zur Verfügung, um den Massenstrom und den Auf ladedruck im Hauptkreislauf zu regeln. Mit dem an sich geringen Aufwand können unterschiedliche Nennleistungen mit den gleichen Anlageteilen verwirklicht werden Bei der Teillast kann durch eine optimale Kombination von Brennstoffstrom und variabler Geometrie der Wirkungsgrad im Sinne der Brennstoffersparnis maximiert werden.This means that up to three additional parameters are available for the To regulate the mass flow and the supercharging pressure in the main circuit. With what is in itself small Different nominal outputs can be achieved with the same system components At part load can be through an optimal combination of fuel flow and variable geometry that maximizes efficiency in terms of fuel savings will.

Zum Anfahren der Anlage soll erfindungsgemäß in der Leitung des Hauptgasstroms hinter dem Kühler ein Absperrorgan angeordnet werden. Beim Anfahrvorgang ist diese Leitung gesperrt. Bei vollem Betrieb ist sie offen. Auf solche Art ist gewährleistet, daß mit einem Minimum an Einrichtungen der Anfahrvorgang bewerkstelligt werden kann. Beim Anfahren kann wahlweise die Welle des Hauptkreislaufs oder die Welle der Aufladegruppe angeworfen werden.To start up the plant, according to the invention, in the line of the main gas flow a shut-off device can be arranged behind the cooler. This is during the start-up process Line blocked. It is open when it is in full operation. In this way it is guaranteed that the start-up process can be accomplished with a minimum of facilities. When starting up, either the shaft of the main circuit or the shaft of the charging group can be used be started.

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand von einem Ausführungsbeispiel in Bild 1 näher erläutert. Der Aufladeverdichter 1 liefert verdichtete atmosphärische Luft über den Kühler 2 zum Verdichter 3 des Hauptkreislaufs. Der Verdichter 3 verdichtet gleichzeitig auch den über dem Kühler 7 gekühlten Hauptgasstrom. Beide Ströme gelangen danach zur Brennkammer 4, in der durch Zufuhr des Brennstoffs die Verbrennung stattfindet. Danach entspannen die Verbrennungsgase in der Turbine 5 des Hauptkreislaufs. Nach dieser Turbine 5 gelangt ein Teilstrom der Gase zum Kühler 7, während der restliche Teilstrom über die Aufladeturbine 6 auf den Umgebungsdruck entspannt. Diese Auf ladeturbine 6 treibt den Aufladeverdichter 1 an. Die Turbine 5 treibt den Verdichter 3 und den Stromerzeuger 9 an.The invention is described below using an exemplary embodiment explained in more detail in Figure 1. The supercharging compressor 1 supplies compressed atmospheric Air via cooler 2 to compressor 3 of the main circuit. The compressor 3 compresses at the same time also the main gas flow cooled by the cooler 7. Both streams arrive then to the combustion chamber 4, in which the combustion takes place by supplying the fuel. The combustion gases then expand in the turbine 5 of the main circuit. To This turbine 5 reaches a partial flow of the gases to the cooler 7, while the remainder Partial flow relaxed via the turbocharger 6 to the ambient pressure. This on Charging turbine 6 drives the supercharging compressor 1. The turbine 5 drives the compressor 3 and the generator 9.

Erfindungsgemäß ist mindestens eine der Strömungsmaschinen 1, 3 und 6 mit variabler Geometrie ausgestattet. Bei den Verdichtern 1 und 3 ist es zweckmäßig, verstellbare Vorleiträder und bei der Turbine 6 verstellbares Leitrad der ersten Stufe vorzusehen.According to the invention, at least one of the turbomachines 1, 3 and 6 equipped with variable geometry. For compressors 1 and 3, it is advisable to adjustable inlet guide wheels and, in the case of the turbine 6, adjustable guide wheel of the first Stage to be provided.

Das erfindungsgemäß in der Leitung hinter dem Kühler 7 angeordnete Absperrorgan ist für den Anfahrvorgang vorgesehen.According to the invention arranged in the line behind the cooler 7 The shut-off element is intended for the start-up process.

Beim Anfahren bleibt es geschlossen.It remains closed when starting up.

Erweiterungen des Grundgedankens der Erfindung sind möglich.Extensions of the basic idea of the invention are possible.

Die Gruppe der Strömungsmaschinen 3 und 5 des Hauptkreislaufs kann auch mit zwei Wellen ausgeführt werden.The group of flow machines 3 and 5 of the main circuit can can also be carried out with two shafts.

Der Wirkungsgrad der Anlage läßt sich erhöhen, indem in dem Gasstrom zwischen der Turbine 5 und dem Kühler 7 ein Wärmetauscher angeordnet ist, der die Ströme zwischen dem Verdichter 3 und der Brennkammer 4 vorwärmt.The efficiency of the system can be increased by being in the gas flow a heat exchanger is arranged between the turbine 5 and the cooler 7, which the Preheats flows between the compressor 3 and the combustion chamber 4.

Eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrads der Gesamtanlage ermöglicht ein zwischen der Turbine 5 und dem Kühler 7 angeordneter Dampferzeuger. Dabei kann man ggf. auch die Abgaswärme hinter der Aufladeturbine 6 in einem Wärmetauscher zusätzlich ausnutzen.A further improvement in the efficiency of the overall system is made possible a steam generator arranged between the turbine 5 and the cooler 7. Here can if necessary, the exhaust gas heat downstream of the turbocharger 6 in a heat exchanger take advantage of it.

Anstelle oder auch zusätzlich zum Absperrorgan 8 können zum Anfahren absperrbare Leitungen vorgesehen werden, die den Verdichter 3 mit Frischluft versorgen und/oder die Gase hinter der Turbine 5 in die Atmosphäre abführen lassen.Instead of or in addition to the shut-off device 8, you can start up Lockable lines are provided that supply the compressor 3 with fresh air and / or allow the gases downstream of the turbine 5 to be discharged into the atmosphere.

In Betracht gezogene Druckschriften: Gasparovic, N.: Gasturbinenanlage mit aufgeladenem, teilgeschlossenem Kreislauf mit-unmittelbarer Verbrennung im Arbeitsgasstrom. Deutsche Patentschrift 1 235 669. Publications considered: Gasparovic, N .: Gas turbine plant with charged, partially closed circuit with direct combustion in the working gas flow. German patent specification 1,235,669.

Gasparovic, N.: Gasturbinenanlage mit aufgeladenem, teilgeschlossenem Kreislauf mit unmittelbarer Verbrennung im Arbeitsgasstrom. Deutsche Patentschrift 1 262 074.Gasparovic, N .: Gas turbine system with charged, partially closed Circuit with direct combustion in the working gas flow. German patent specification 1,262,074.

Gasparovic, N.: Zur thermodynamischen Auslegung halbgeschlossener Gasturbinenanlagen. Brennst. -Wärme-Kraft 20 (1968) Nr. 6, S. 274-277.Gasparovic, N .: For the thermodynamic design of semi-closed Gas turbine plants. Burn -Wärme-Kraft 20 (1968) No. 6, pp. 274-277.

Gasparovic, N.: Prozeßberechnungen halbgeschlossener Gasturbinenanlagen mit Niederdruckaufladung. Elektrizitätswirtschaft 71 (1972) Nr. 18, S. 517-528.Gasparovic, N .: Process calculations for semi-closed gas turbine plants with low pressure charging. Elektrizitätswirtschaft 71 (1972) No. 18, pp. 517-528.

Gasparovic, N.: Stickoxide in den Gasturbinen: Bildung und Gegenmaßnahmen. Brennst.-Wärme-Kraft 25 (1973) Nr. 1, 5. 1-6. - Leerseite -Gasparovic, N .: Nitrogen Oxides in Gas Turbines: Formation and Countermeasures. Brennst.-Wärme-Kraft 25 (1973) No. 1, 5. 1-6. - blank page -

Claims (3)

Gasturbinenanlage mit aufgeladenem, teilgeschlossenem Kreislauf mit unmittelbarer Verbrennung im Arbeitsgasstrom Patentansprüche: Gasturbinenanlage mit aufgeladenem, teilgeschlossenem Kreislauf mit unmittelbarer Verbrennung im Arbeitsgasstrom, der eine Mischung aus Frischluft, umgewälzter Luft und Verbrennungsgasen enthält, mit mindestens einem Verdichter, mindestens einer Brennkammer, in welcher im Arbeitsgasstrom Brennstoff unmittelbar verbrannt wird, mindestens einer den oder die Verdichter treibenden und Nutzleistung abgebenden Turbine und mindestens einem Kühler, der nur von demjenigen Teil des Arbeitsgasstroms durchströmt wird, der durch den oder die Verdichter, die Brennkammer und die Nutzleistungsturbine strömt, wobei die Luft und ein Teil der Verbrennungsgase einen geschlossenen Kreislauf bilden, dessen Druckpegel vor dem Eintritt in den Verdichter über dem Umgebungsdruck liegt, sowie mit einer Aufladeturbogruppe, bestehend aus mindestens einem Auf ladeverdichter, der die erforderliche Verbrennungsluft aus der Atmosphähre ansaugt und in den Niederdruckteil des Kreislaufs einspeist und auch dessen Druckpegel aufrechterhält und dessen oder deren Leistungsbedarf von mindestens einer Auf ladeturbine gedeckt wird, die von dem vor dem Kühler abgezweigten Teil des Arbeitsgasstroms von der Austrittsseite der Nutzleistungsturbine oder von einer der Niederdruckstufen der-Nutzleistungsturbine gespeist wird und auf den Umgebungsdruck entspannt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine, zwei oder drei der Strömungsmaschinen, wie Aufladeverdichter (1), Verdichter (3) des Hauptkreislaufs und Aufladeturbine (6) mit variabler Geometrie ausgestattet ist bzw. sind.Gas turbine system with charged, partially closed circuit with direct combustion in the working gas flow with charged, partially closed circuit with direct combustion in the working gas flow, which contains a mixture of fresh air, recirculated air and combustion gases, with at least one compressor, at least one combustion chamber in which the working gas flow Fuel is burned directly, at least one of the compressors driving and useful power output turbine and at least one cooler, the is only flowed through by that part of the working gas stream which passes through the or the compressor, the combustor and the power turbine flows, with the air and part of the combustion gases form a closed circuit, the pressure level of which before entering the compressor is above ambient pressure, as well as with a Supercharging turbo group, consisting of at least one supercharging compressor, which has the required Combustion air is sucked in from the atmosphere and into the low-pressure part of the circuit feeds and also maintains its pressure level and its or their power requirements is covered by at least one charging turbine, which is branched off from the front of the cooler Part of the working gas flow from the outlet side of the power turbine or from one of the low pressure stages of the power turbine is fed and to the ambient pressure relaxed, d u r g e k e n n n n n z e i c h n e t that one, two or three of the flow machines, such as supercharging compressor (1), compressor (3) of the main circuit and supercharging turbine (6) equipped with variable geometry is or are. 2. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei den Verdichtern (1) bzw. (3) verstellbare Vorleiträder und bei der Aufladeturbine (6) ein verstellbares Leitrad der ersten Stufe vorzusehen sind.2. Gas turbine plant according to claim 1, characterized in that adjustable inlet guide impellers on compressors (1) and (3) and on the turbocharger (6) an adjustable first stage stator should be provided. 3. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Leitung des Hauptgasstroms hinter dem Kühler (7) ein Absperrorgan (8) angeordnet ist.3. Gas turbine plant according to claim 1, characterized in that a shut-off element (8) is arranged in the line of the main gas flow downstream of the cooler (7) is.
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