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WO2015193016A1 - Gasturbinengeneratorkühlung - Google Patents

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WO2015193016A1
WO2015193016A1 PCT/EP2015/059464 EP2015059464W WO2015193016A1 WO 2015193016 A1 WO2015193016 A1 WO 2015193016A1 EP 2015059464 W EP2015059464 W EP 2015059464W WO 2015193016 A1 WO2015193016 A1 WO 2015193016A1
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WO
WIPO (PCT)
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generator
expander
cooling
air
cooling air
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2015/059464
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Uwe Juretzek
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Priority to EP15721652.4A priority Critical patent/EP3129606A1/de
Priority to JP2016573952A priority patent/JP6382355B2/ja
Priority to US15/317,130 priority patent/US20170138259A1/en
Priority to CN201580032612.1A priority patent/CN106460545B/zh
Publication of WO2015193016A1 publication Critical patent/WO2015193016A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D15/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of engines with devices driven thereby
    • F01D15/10—Adaptations for driving, or combinations with, electric generators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C3/00—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
    • F02C3/04—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid having a turbine driving a compressor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use
    • F02C6/04—Gas-turbine plants providing heated or pressurised working fluid for other apparatus, e.g. without mechanical power output
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    • F02C6/08—Gas-turbine plants providing heated or pressurised working fluid for other apparatus, e.g. without mechanical power output providing compressed gas the gas being bled from the gas-turbine compressor
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    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/30—Application in turbines
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
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    • F05D2260/213—Heat transfer, e.g. cooling by the provision of a heat exchanger within the cooling circuit
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/16—Combined cycle power plant [CCPP], or combined cycle gas turbine [CCGT]

Definitions

  • the present invention relates to a gas turbine plant with a compressor, a combustion chamber, a turbine and a generator, which is driven by the turbine, wherein a cooling air line is connected to a housing of the generator, via which the interior of the generator cooling air can be supplied. Furthermore, the invention relates to a method for operating a gas turbine plant with a
  • Compressor a combustion chamber, a turbine and a generator which is driven by the turbine, wherein the generator cooling air is supplied.
  • a turbomachine for example in a gas turbine, flow of hot action fluid, e.g. a hot gas, won as a result of its expansion work.
  • Gas turbine plants basically include an air inlet, a compressor section, a combustion chamber and a turbine section.
  • the compressor section may be formed from axial or radial compressors.
  • Axial compressors usually consist of several impellers with compressor blades in an axial arrangement, these usually being subdivided into low-pressure and high-pressure compressor stages.
  • Compressor section receives the incoming air mass by means of supplied kinetic energy in the diffuser-shaped spaces of the compressor blades pressure energy.
  • a complete compressor stage of an axial compressor thus consists of a rotor stage, in which both pressure and temperature, as well as the speed increase, and a stator stage, in which the pressure increases to the detriment of the speed.
  • the combustion chamber the compressed and heated due to the compression of air is mixed with a fuel, and the resulting fuel-air mixture is burned. Due to the exothermic reaction, the temperature increases again strongly, and the gas expands. This results in a hot gas that is expanded in the subsequent turbine section, wherein thermal energy converts into mechanical energy, which is partly used to drive the compressor section, and is otherwise used to drive a generator or the same.
  • Coolant taken and supplied to the interior of the hollow turbine blades to cool them on the inside.
  • the cooling air then passes through corresponding cooling fluid passages which pass through the wall of the turbine blades to the outer surface of the turbine blades, where it forms a cooling film intended to protect the turbine blades from direct contact with the hot gas.
  • the power output of the generator of the gas turbine plant is also dependent on the permissible internal heating of the generator components. So-called insulation classes limit the absolute value of temperatures.
  • a utilization according to class B or F is usual, which is a permissible component tem- corresponds to temperature of 130 ° C and 155 ° C. Exceeding the permissible component temperature results in accelerated component aging and thus a reduced service life.
  • open air cooling may be provided (so-called open air cooling, OAC), in which ambient air is sucked in, conducted through the components of the generator to be cooled, and heated again to the environment.
  • the generator may follow gas turbine performance, which also increases with lower ambient air. Furthermore, for example, from the WO
  • 2004/017494 AI known to equip generators with a closed cooling circuit.
  • the circulating in a closed circuit cooling air is cooled in a generator cooler with a cooling water circuit, the temperature of the cooling water is lowered before entering the generator cooler in addition in a refrigeration unit.
  • the self-adjusting cooling gas temperature in the generator is associated with a correspondingly maximum possible apparent power of the generator.
  • Object of the present invention is therefore to provide a gas turbine plant of the type mentioned with an improved generator cooling available.
  • This object is achieved in a gas turbine plant of the type mentioned above in that the cooling air line is connected to the inlet side of the compressor and in the cooling air line behind each other at least one heat exchanger and an expander, in particular a turboexpander are arranged, wherein for cooling the generator precompressed air branched off from the compressor via the cooling air line, cooled in the heat exchanger and expanded in the expander with further cooling, before it is supplied to the interior of the generator.
  • the above object is achieved accordingly by removing compressed air from the compressor to cool the air and cooling the precompressed air in a heat exchanger and then expanding it in an expander with further cooling before it reaches the generator is supplied.
  • a small part of the already compressed air is diverted to improve the generator cooling.
  • This compressed, still hot air is cooled by a heat exchanger and expanded in an expander, in particular a turboexpander, to "generator pressure", using the energy contained in the compressed air, thereby further cooling the air supplied air, a cooling capacity provided, which makes it possible to cool the generator components satisfactorily, so that their temperature is kept below a desired allowable temperature.
  • the invention is therefore based on the consideration that the compressor of the gas turbine plant with the present invention see heat exchanger or the heat exchangers for heat dissipation, the expander and the generator to a
  • Compressor chiller with the working fluid to link air.
  • the air is guided in an open circuit, i. E. it is discharged after flowing through the generator to the environment through a correspondingly large-sized generator exhaust duct. This prevents an increase in pressure in the generator housing.
  • the advantage of the solution according to the invention lies in an increased apparent power of a given, air-cooled generator by lowering the cooling gas temperature. This is far beyond the possibilities that are achievable by repairs to normal heat removal systems, which give their heat simply to the environment and thus limited.
  • the improved cooling and thus the possible increase in the apparent power can be temporarily, i. only with a correspondingly high power requirement to the generator, or even permanently provided.
  • the refrigeration machine concept according to the invention is particularly suitable for the retrofitting business, but also for new plants there are cost advantages, since if necessary the jump to a considerably more expensive, for example, hydrogen-cooled generator can be prevented.
  • a further advantage is that with comparatively little effort, an existing generator can be upgraded and thus, for example, an increase in output of the gas turbine is no longer contrary to limitation. It makes sense to provide only a relatively small amount of air exactly those areas on the generator that require better cooling. This may in particular be the generator rotor. However, larger amounts of cooling air can also be provided by the design according to the invention.
  • cooling in particular an already existing direct cooling with ambient air, which has its strengths at low ambient air temperatures, be supplemented, so that the cooling provided according to the invention needs to be switched on only at peak loads.
  • the cooling air can be mixed with the ambient air before entering the generator.
  • the cooling air can be supplied via appropriate cooling air ducts (ducts, pipes) only the areas of a generator that require special cooling.
  • the cooling air line is associated with an inlet valve, via which the amount of the branched off from the compressor air in particular in dependence on the generator to be provided to the cooling capacity is set.
  • the cold side of the heat exchanger is connected to a fuel gas supply line through which the combustion chamber is supplied with a fuel gas to preheat the fuel gas in the heat exchanger.
  • This refinement is considered to be particularly advantageous, since with rising gas turbine powers, the fuel gas mass flow also increases directly and thus Far from the heat dissipation the rising generator cooling demand immediately follows with increasing power.
  • Condensate are heated before it enters a condensate preheater. It is also possible to heat the medium pressure feed water in the heat exchanger.
  • the expander can sit on the same shaft as the generator to drive it. In this case, the expander can be connected to the generator shaft in particular via a self-synchronizing clutch (SSS) via which a coupling of the expander with the generator automatically takes place when the shaft speed of the expander shaft reaches the speed of the generator shaft.
  • SSS self-synchronizing clutch
  • This embodiment also offers the advantage that the generator cooling can be easily switched on or off as needed. It is also possible to use the expander with an additional
  • Compressor extraction pressure and / or a correspondingly high temperature of the air before the expansion in the expander can be achieved that the temperature of the supplied air after relaxation does not fall below the dew point. If the air temperature is also to be lowered, or if it has been additionally moistened before or during the compression in the compressor, the air must be dehumidified before being expanded, otherwise undesired formation of water or below 0 ° C. will result in ice formation.
  • a dehumidifier is provided on the heat exchanger or between the heat exchanger and the expander, which extracts the excess moisture from the air at the heat exchanger for heat reduction or before entering the expander.
  • the cooling technology according to the invention is also suitable for steam turbine generators, which are part of a gas and steam power plant (combined cycle power plant). Due to the small amount of compressor air required, the gas turbine can also supply the steam turbine generator with cooling air. In this
  • FIG. 1 shows the single figure, the embodiment of the gas turbine plant according to the invention in a schematic representation.
  • This comprises a compressor 1, a combustion chamber 2, a gas turbine 3 and a generator 4, which are formed in a conventional manner.
  • the compressor 1 is seated on a turbine shaft 3a of the gas turbine 3, so that the compressor 1 is driven by the gas turbine 3.
  • the turbine shaft 3 a is connected to a generator shaft 4 a to drive the generator 4.
  • the generator 4 is equipped with an air cooling, which operates on the principle of open air cooling, at which more the interior of the generator 4 cooling air, which is taken from the environment, fed via an air supply line 5 and after flowing through the generator 4 via an exhaust duct 6 is returned to the environment.
  • a cooling air line 7 is connected, which is connected on the inlet side via an inlet valve 8 to the compressor 1 of the gas turbine plant.
  • a heat exchanger 9 and a Turboexpander 10 arranged in the cooling air line 7, one behind the other.
  • the heat exchanger 9 is shown here by way of example, it can also be provided a plurality of heat exchangers connected in series.
  • pre-compressed air can be taken from the compressor 1, which is then cooled in the heat exchanger 9 and expanded in the turbo-expander 10 with further cooling.
  • cooling air can be provided with a comparatively low temperature, which is admixed in the supply air duct 5 of the ambient air in order to increase the available cooling capacity. It is particularly advantageous not to mix this cooling air in the supply air duct with the ambient air, but rather to selectively send it via suitable cooling air ducts (ducts, pipes) only to those areas in the generator which require special cooling.
  • the amount of mixed cooling air can be adjusted via the inlet valve 8. In particular, it is also possible to produce cooling air only in case of need via the heat exchanger 9 and the expander 10.
  • the expander shaft 10a of the turboexpander 10 is in the illustrated embodiment via a self-synchronizing clutch (SSS clutch) 11 and a generator 4 associated exciter 12 connected to the generator shaft 4a to drive this, so that the released in the Turboexpan- 10 Energy can be used.
  • SSS clutch self-synchronizing clutch
  • a dehumidifier 13 is provided in the cooling air line 7 between the heat exchanger 9 and the turboexpander 10, via which, if necessary, moisture can be extracted from the air cooled in the heat exchanger 9.
  • the heat exchanger 9 itself may also be associated with a dehumidifier to eliminate any resulting in the heat release air moisture or condensate directly from the air.
  • the compressor 1 is removed via the cooling air line 7 by actuation of the inlet valve 8 pre-compressed air at a pressure of 1.5 to 3 bar.
  • the amount of removed cooling air is adjustable via the inlet valve 8 corresponding to the required cooling capacity.
  • the air taken from the compressor 1 is cooled in the heat exchanger 9, optionally dehumidified in the dehumidifier 13 and then expanded in the turboexpander 10 with further cooling, so that cooling air with a low temperature is made available, which is the ambient air in the Supply air line 5 is mixed or specifically targeted to be cooled particularly points in the generator via suitable cooling air ducts (channels, pipes) is provided.

Landscapes

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Motor Or Generator Cooling System (AREA)
  • Control Of Turbines (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenanlage mit einem Verdichter (1), einer Brennkammer (2), einer Turbine (3) und einem Generator (4), der von der Turbine (3) angetrieben wird, wobei an ein Gehäuse (4b) des Generators (4) eine Kühlluftleitung (7) angeschlossen ist, über welche dem Innenraum des Generators (4) Kühlluft zugeführt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlluftleitung (7) einlassseitig an den Verdichter (1) angeschlossen ist und in der Kühlluftleitung (7) hintereinander wenigstens ein Wärmetauscher (9) und ein Expander (10), insbesondere ein Turboexpander angeordnet sind, wobei zur Kühlung des Generators (4) vorverdichtete Luft über die Kühlluftleitung (7) aus dem Verdichter (1) abgezweigt, in dem Wärmetauscher (9) abgekühlt und in dem Expander (10) unter weiterer Abkühlung entspannt wird, bevor sie dem Innenraum des Generators (4) zugeführt wird.

Description

Gasturbinengeneratorkühlung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasturbinenanlage mit einem Verdichter, einer Brennkammer, einer Turbine und einem Generator, der von der Turbine angetrieben wird, wobei an ein Gehäuse des Generators eine Kühlluftleitung angeschlossen ist, über welche dem Innenraum des Generators Kühlluft zugeführt werden kann. Desweiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbinenanlage mit einem
Verdichter, einer Brennkammer, einer Turbine und einem Generator, der von der Turbine angetrieben wird, wobei dem Generator Kühlluft zugeführt wird. In einer Strömungsmaschine, beispielsweise in einer Gasturbine, wird durch einströmendes heißes Aktionsfluid, z.B. ein Heißgas, in Folge von dessen Expansionsarbeit gewonnen.
Gasturbinenanlagen umfassen prinzipiell einen Lufteinlauf, einen Verdichterabschnitt, eine Brennkammer und einen Turbinenabschnitt. Der Verdichterabschnitt kann aus Axial- oder Radialverdichtern gebildet sein. Axialverdichter bestehen in der Regel aus mehreren Laufrädern mit Verdichterschaufeln in axialer Anordnung, wobei diese üblicherweise in Niederdruck- und Hochdruckverdichterstufen untergliedert sind. Durch den
Verdichterabschnitt erhält die einströmende Luftmasse mittels zugeführter kinetischer Energie in den diffusorförmigen Zwischenräumen der Verdichterschaufeln Druckenergie. Nach dem Gesetz von Bernoulli erhöht sich in einem an Querschnittsflä- che zunehmenden Kanal der statische Druck, während die Strömungsgeschwindigkeit sinkt. Die verlorene kinetische Energie wird in einer Rotorstufe wieder zugeführt. Eine komplette Verdichterstufe eines Axialverdichters besteht damit aus einer Rotorstufe, in der sowohl Druck und Temperatur, als auch die Geschwindigkeit steigen, und einer Statorstufe, in welcher der Druck zu Ungunsten der Geschwindigkeit steigt. In der Brennkammer wird die komprimierte und aufgrund der Verdichtung erhitzte Luft mit einem Brennstoff gemischt, und das entstehende Brennstoff-Luft-Gemisch wird verbrannt. Durch die exotherme Reaktion steigt die Temperatur nochmals stark an, und das Gas dehnt sich aus. So entsteht ein Heißgas, das im nachfolgenden Turbinenabschnitt entspannt wird, wobei sich thermische Energie in mechanischer Energie umwandelt, welche zum Teil genutzt wird, um den Verdichterabschnitt anzutreiben, und im Übrigen zum Antrieb eines Generators oder der- gleichen verwendet wird.
Im Hinblick auf die Erhöhung des Wirkungsgrades einer Gasturbinenanlage wird u.a. versucht, eine möglichst hohe Temperatur des Heißgases zu erreichen. Die dem Heißgas unmittelbar ausgesetzten Bauteile sind daher thermisch besonders stark belastet. Im Falle einer Gasturbine betrifft dies z.B. die Beschaufelung in der Turbine sowie die den Raum mit dem strömenden Heißgas begrenzenden Wandelemente der Turbine. Aus diesem Grund werden die dem Heißgas ausgesetzten Bauteile mit aufwendigen Wärmedämmschichtsystemen versehen, welche insbesondere die Turbinenschaufeln vor dem Heißgas schützen sollen. Desweiteren werden die dem Heißgas ausgesetzten Komponenten gekühlt. Zur Kühlung von Turbinenschaufeln hat sich beispielsweise die sog. Filmkühlung bewährt. Hierbei wird dem Verdichter der Gasturbinenanlage vorverdichtete Luft als
Kühlmittel entnommen und dem Inneren der hohl ausgebildeten Turbinenschaufeln zugeführt, um diese innenseitig zu kühlen. Die Kühlluft tritt dann durch entsprechende Kühlfluidkanäle , welche die Wandung der Turbinenschaufeln durchsetzen, zur Au- ßenoberfläche der Turbinenschaufeln, wo sie einen Kühlfilm ausbildet, welcher die Turbinenschaufeln vor einem direkten Kontakt mit dem Heißgas schützen soll.
Die Leistungsabgabe des Generators der Gasturbinenanlage ist ebenso abhängig von der zulässigen inneren Erwärmung der Generatorkomponenten. Sogenannte Isolationsklassen begrenzen den Absolutwert von Temperaturen. Üblich ist eine Ausnutzung nach Klasse B oder F, was einer zulässigen Komponententempe- ratur von 130°C bzw. 155°C entspricht. Eine Überschreitung der zulässigen Komponententemperatur resultiert in einer beschleunigten Komponentenalterung und damit einer verringerten Lebensdauer. Zur Kühlung des Generators kann z.B. eine offene Luftkühlung vorgesehen sein (sog. open air cooling, OAC) , bei welcher Umgebungsluft angesaugt, durch die zu kühlenden Komponenten des Generator geführt und erwärmt wieder an die Umgebung abgegeben wird. Bei kälterer Umgebungsluft ergibt sich die Möglichkeit, über die Vergrößerung des Temperaturhubs zwischen der Kühlluft und der zulässigen Komponententemperatur die elektrische Leistungsabgabe des Generators zu erhöhen, ohne die zulässigen Komponententemperaturen zu überschreiten. In erwünschter Weise kann der Generator so einer Gasturbinenleistung folgen, welche ebenfalls mit tieferer Um- gebungsluft zunimmt. Ferner ist beispielsweise aus der WO
2004/017494 AI bekannt, Generatoren mit einem geschlossenen Kühlkreislauf auszustatten. Hierbei wird die in einem geschlossenen Kreislauf umgeführte Kühlluft in einem Generatorkühler mit einem Kühlwasserkreislauf gekühlt, wobei die Tem- peratur des Kühlwassers vor dem Eintritt in den Generatorkühler zusätzlich in einem Kälteaggregat abgesenkt wird. Dabei ist der sich einstellenden Kühlgastemperatur im Generator eine entsprechend maximal mögliche Scheinleistung des Generators zugeordnet .
Insbesondere durch die Weiterentwicklung der Gasturbinentechnik und darauf basierenden Leistungserhöhungen kann es passieren, dass der ursprünglich an die Gasturbine gekoppelte Generator eine zu geringe Scheinleistung (bei gegebener Kühl- werttemperatur) hat, um die steigende Wirkleistung (erhöhte
Wellenleistung der Gasturbine) bei noch ausreichender Bereitstellung von Blindleistung abdecken zu können. Damit wird der Verkauf von Gasturbinen- Upgrades mit der Ertüchtigung oder ggf. sogar dem Austausch des Generators verknüpft, was die Wirtschaftlichkeit verschlechtert . Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Gasturbinenanlage der eingangs genannten Art mit einer verbesserten Generatorkühlung zur Verfügung zu stellen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Gasturbinenanlage der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Kühl- luftleitung einlassseitig an den Verdichter angeschlossen ist und in der Kühlluftleitung hintereinander wenigstens ein Wärmetauscher und ein Expander, insbesondere ein Turboexpander angeordnet sind, wobei zur Kühlung des Generators vorverdichtete Luft über die Kühlluftleitung aus dem Verdichter abgezweigt, in dem Wärmetauscher abgekühlt und in dem Expander unter weiterer Abkühlung entspannt wird, bevor sie dem Innenraum des Generators zugeführt wird.
Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art wird die vorstehende Aufgabe entsprechend dadurch gelöst, dass zur Erzeugung der Kühlluft dem Verdichter vorkomprimierte Luft entnommen und die vorverdichtete Luft in einem Wärmetauscher abge- kühlt und anschließend in einem Expander unter weiterer Abkühlung entspannt wird, bevor sie dem Generator zugeführt wird .
Erfindungsgemäß wird zur Verbesserung der Generatorkühlung ein kleiner Teil der bereits verdichteten Luft abgezweigt.
Diese verdichtete, noch heiße Luft wird durch einen Wärmetauscher abgekühlt und in einem Expander, insbesondere einem Turboexpander, auf „Generatordruck" entspannt und nutzt dabei die in der komprimierten Luft enthaltene Energie. Die Luft kühlt dadurch weiter ab. Im Ergebnis wird über die dem Generator zugeführte Luft eine Kühlleistung zur Verfügung gestellt, die es ermöglicht, die Generatorkomponenten in zufriedenstellender Weise zu kühlen, so dass deren Temperatur unterhalb einer gewünschten zulässigen Temperatur gehalten wird.
Der Erfindung liegt somit die Überlegung zugrunde, den Verdichter der Gasturbinenanlage mit dem erfindungsgemäß vorge- sehenen Wärmetauscher bzw. den Wärmetauschern zur Wärmeabgabe, dem Expander und dem Generator zu einer
Verdichterkältemaschine mit dem Arbeitsmittel Luft zu verknüpfen. Dabei wird die Luft in einem offenen Kreislauf ge- führt, d.h. sie wird nach dem Durchströmen des Generators an die Umgebung durch einen entsprechend groß dimensionierten Generatorabluftkanal abgeführt. Damit wird eine Druckerhöhung im Generatorgehäuse verhindert . Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt in einer erhöhten Scheinleistung eines vorgegebenen, luftgekühlten Generators durch eine Absenkung der Kühlgastemperatur. Diese liegt weit über den Möglichkeiten, die durch Nachbesserungen an normalen Wärmeabfuhrsystemen, welche ihre Wärme einfach an die Umgebung abgeben und damit begrenzt sind, erzielbar sind.
Die verbesserte Kühlung und die damit mögliche Erhöhung der Scheinleistung kann zeitweise, d.h. nur bei entsprechend hoher Leistungsanforderung an den Generator, oder auch perma- nent bereitgestellt werden.
Das erfindungsgemäße Kältemaschinenkonzept eignet sich besonders für das Nachrüstungsgeschäft, aber auch für Neuanlagen ergeben sich Kostenvorteile, da ggf. der Sprung auf einen we- sentlich teureren bspw. Wasserstoffgekühlten Generator verhindert werden kann.
Von Vorteil ist ferner, dass mit vergleichsweise geringem Aufwand ein vorhandener Generator ertüchtigt werden kann und damit bspw. einer Leistungssteigerung der Gasturbine nicht mehr als Begrenzung entgegensteht. Dabei bietet es sich an, nur eine vergleichsweise geringe Menge Luft genau denjenigen Bereichen am Generator zukommen zu lassen, die einer besseren Kühlung bedürfen. Hierbei kann es sich insbesondere um den Generatorrotor handeln. Es können aber auch größere Mengen Kühlluft durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung bereitgestellt werden. Durch die Kühlung kann insbesondere auch eine bereits vorhandene Direktkühlung mit Umgebungsluft, die ihre Stärken bei niedrigen Umgebungslufttemperaturen hat, ergänzt werden, so dass die erfindungsgemäß vorgesehene Kühlung nur bei Spitzen- belastungen zugeschaltet werden braucht.
Dabei kann die Kühlluft mit der Umgebungsluft vor dem Eintritt in den Generator vermischt werden. Alternativ kann die Kühlluft über entsprechende Kühlluftführungen (Kanäle, Rohre) nur den Bereichen eines Generators zugeführt werden, die einer besonderen Kühlung bedürfen.
Als Richtwert kann man unterstellen, dass jedes Grad Celsius Absenkung der Kühlgastemperatur ca. 2 MVA zusätzliche Schein- leistung bei großen luftgekühlten Generatoren bringen. Wie groß am Ende der Gewinn an Scheinleistung ist, ist abhängig davon, wieviel zusätzliche gekühlte Luft bereitgestellt werden soll. Insgesamt sollten aber bis zu 30-40 MVA auch bei sonst schlechten Rückkühlbedingungen aufgrund von hohen Umge- bungs- bzw. Kühlwassertemperaturen mit vertretbaren Verlusten erreicht werden können.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kühlluftleitung ein Einlassventil zugeordnet ist, über welches die Menge der aus dem Verdichter abgezweigten Luft insbesondere in Abhängigkeit von der dem Generator zur Verfügung zu stellenden Kühlleistung eingestellt wird.
Damit die Wärme, welche der aus dem Verdichter abgezweigten Luft in dem Wärmetauscher entzogen wird, nicht wirkungsgradschädlich nur an die Umgebung abgegeben wird, ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Kaltseite des Wärmetauschers an eine Brenngasversorgungsleitung angeschlossen ist, über welche die Brennkammer mit einem Brenngas versorgt wird, um das Brenngas in dem Wärmetauscher vorzuwärmen. Diese Ausgestaltung wird als besonders vorteilhaft angesehen, da bei steigenden Gasturbinenleistungen unmittelbar auch der Brenngasmassenstrom steigt und inso- fern die Wärmeabfuhr dem steigenden Generator Kühlbedarf bei steigenden Leistungen unmittelbar folgt. Alternativ ist es auch möglich, die der Luft in dem Wärmetauscher entzogene Wärme dem Wasserdampfkreislauf einer Gas- und Dampfturbinen- anläge zuzuführen. Beispielsweise kann das Wasserdampf-
Kondensat vor dessen Eintritt in einen Kondensatvorwärmer erwärmt werden. Ebenso ist es möglich, das Mitteldruck Speisewasser in dem Wärmetauscher zu erhitzen. Der Expander kann auf der gleichen Welle wie der Generator sitzen, um diesen anzutreiben. Dabei kann der Expander mit der Generatorwelle insbesondere über eine selbstsynchronisierende Schaltkupplung (SSS) verbunden sein, über welche eine Kopplung des Expanders mit dem Generator automatisch erfolgt, wenn die Wellendrehzahl der Expander-Welle die Drehzahl der Generatorwelle erreicht. Diese Ausgestaltung bietet auch den Vorteil, dass die Generatorkühlung je nach Bedarf problemlos ein- oder ausgeschaltet werden kann. Ebenso ist es möglich, den Expander mit einem zusätzlichen
Sekundär-Generator zu verbinden, um diesen anzutreiben. Durch Festlegung eines entsprechend niedrigen
Verdichterentnahmedrucks und/oder einer entsprechend hohen Temperatur der Luft vor der Entspannung in dem Expander kann erreicht werden, dass die Temperatur der zugeführten Luft nach erfolgter Entspannung nicht unter den Taupunkt fällt. Soll die Lufttemperatur darüber hinaus gesenkt werden oder wurde sie insbesondere vor bzw. während der Komprimierung in dem Verdichter zusätzlich befeuchtet, muss die Luft vor der Entspannung entfeuchtet werden, sonst kommt es zur unerwünschten Bildung von Wasser bzw. unterhalb von 0°C zur Eisbildung. Für diesen Fall ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung am Wärmetauscher oder zwischen den dem Wärmetauscher und dem Expander ein Entfeuchter vorgesehen, welcher der Luft am Wärmetauscher zur Wärmesenkung bzw. vor dem Eintritt in den Expander die überschüssige Feuchtigkeit entzieht . Grundsätzlich eignet sich die erfindungsgemäße Kühltechnik auch für Dampfturbinengeneratoren, welche Teil eines Gas- und -Dampf-Kraftwerks (GUD-Kraftwerk) sind. Durch die benötigte geringe Menge an Verdichterluft kann die Gasturbine auch den Dampfturbinen-Generator mit Kühlluft versorgen. In diesem
Fall wird ein Teil der aus dem Expander austretenden Kühlluft im Generator der Dampfturbine zugeführt. Dieser Generator wäre dann auch mit einem entsprechenden Abluftkanal auszustatten, um eine Druckerhöhung innerhalb des Generatorgehäuses zu vermeiden.
Desweiteren ist eine Anbindung des Expanders an die Generatorwelle mittels SSS-Kupplung vergleichsweise klein und damit günstig .
Nachfolgend wird eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gasturbinenanlage anhand der Zeichnung erörtert . In der
Zeichnung zeigt die einzige Figur das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Gasturbinenanlage in schematischer Darstel- lung . Diese umfasst einen Verdichter 1, eine Brennkammer 2, eine Gasturbine 3 und einen Generator 4, die in üblicher Weise ausgebildet sind. Dabei sitzt der Verdichter 1 auf einer Turbinenwelle 3a der Gasturbine 3, so dass der Verdichter 1 von der Gasturbine 3 angetrieben wird. Desweiteren ist die Turbinenwelle 3a mit einer Generatorwelle 4a verbunden, um den Generator 4 anzutreiben.
Der Generator 4 ist mit einer Luftkühlung ausgestattet, die nach dem Prinzip einer offenen Luftkühlung arbeitet, bei wel- eher dem Innenraum des Generators 4 Kühlluft, welche der Umgebung entnommen wird, über einen Zuluftleitung 5 zugeführt und nach Durchströmen des Generators 4 über einen Abluftkanal 6 wieder an die Umgebung abgegeben wird. An die Zuluftleitung 5 ist eine Kühlluftleitung 7 angeschlossen, die einlassseitig über ein Einlassventil 8 mit dem Verdichter 1 der Gasturbinenanlage verbunden ist. In der Kühlluftleitung 7 sind hintereinander ein Wärmetauscher 9 und ein Turboexpander 10 angeordnet. Der Wärmetauscher 9 ist hier exemplarisch dargestellt, es können auch mehrere hintereinander geschaltete Wärmetauscher vorgesehen sein. Über das Einlassventil 8 kann dem Verdichter 1 vorkomprimierte Luft ent- nommen werden, welche dann in dem Wärmetauscher 9 abgekühlt und in dem Turboexpander 10 unter weitere Abkühlung entspannt wird. Auf diese Weise kann Kühlluft mit einer vergleichsweise niedrigen Temperatur zur Verfügung gestellt werden, welche in dem Zuluftkanal 5 der Umgebungsluft zugemischt wird, um die zur Verfügung stehende Kühlleistung zu erhöhen. Besonders vorteilhaft ist es, diese Kühlluft nicht im Zuluftkanal mit der Umgebungsluft zu mischen sondern ganz gezielt über geeignete Kühlluftführungen (Kanäle, Rohre) nur den Bereichen im Generator zukommen zu lassen, die einer besonderen Kühlung bedürfen. Die Menge an zugemischter Kühlluft kann dabei über das Einlassventil 8 eingestellt werden. Insbesondere ist es auch möglich, Kühlluft nur im Bedarfsfall über den Wärmetauscher 9 und den Expander 10 zu erzeugen. Die Expander-Welle 10a des Turboexpanders 10 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel über eine selbstsynchronisierende Schaltkupplung (SSS-Kupplung) 11 und einen dem Generator 4 zugeordneten Erreger 12 an die Generatorwelle 4a angeschlossen, um diesen anzutreiben, so dass die im Turboexpan- der 10 freigegebene Energie genutzt werden kann.
Lediglich schematisch dargestellt ist, dass in der Kühlluftleitung 7 zwischen dem Wärmetauscher 9 und dem Turboexpander 10 ein Entfeuchter 13 vorgesehen ist, über welchen im Be- darfsfall der im Wärmetauscher 9 gekühlten Luft Feuchtigkeit entzogen werden kann. Dem Wärmetauscher 9 selbst kann ebenfalls eine Entfeuchtungseinrichtung zugeordnet sein, um bei der Wärmeabgabe entstehende Luftfeuchtigkeit bzw. entstehendes Kondensat direkt aus der Luft zu beseitigen.
Im Betrieb der Gasturbinenanlage wird angesaugte Luft in dem Verdichter 1 komprimiert. In der Brennkammer 2 wird die komprimierte und aufgrund der Verdichtung erhitzte Luft mit ei- nem Brennstoff gemischt, und das entstehende Brennstoff-Luft- Gemisch wird verbrannt. Durch die exotherme Reaktion steigt die Temperatur nochmals stark an und das Gas dehnt sich aus. So entsteht ein Heißgas, das in der nachfolgenden Gasturbine 3 entspannt wird, wobei sich thermische Energie in mechanische Energie umwandelt, welche einerseits genutzt wird, um den Verdichter 1 anzutreiben, und im Übrigen zum Antrieb des Generators 4 dient. Dieser wird über Umgebungsluft gekühlt, welche durch die Zuluftleitung 5 dem Inneren des Generators 4 zugeführt und über den Abluftkanal 6 wieder an die Umgebung abgesaugt wird. Wenn die über die Umgebungsluft erreichbare Kühlung nicht ausreichend ist, wird dem Verdichter 1 über die Kühlluftleitung 7 durch Betätigung des Einlassventils 8 vorverdichtete Luft mit einem Druck von 1,5 bis 3 bar entnommen. Die Menge an entnommener Kühlluft ist dabei über das Einlassventil 8 entsprechend der erforderlichen Kühlleistung einstellbar. Die dem Verdichter 1 entnommene Luft wird in dem Wärmetauscher 9 abgekühlt, ggf. in dem Entfeuchter 13 entfeuchtet und anschließend in dem Turboexpander 10 unter wei- tere Abkühlung entspannt, so dass Kühlluft mit einer niedrigen Temperatur zur Verfügung gestellt wird, welche der Umgebungsluft in der Zuluftleitung 5 zugemischt wird bzw. gezielt den besonders zu kühlenden Stellen im Generator über geeignete Kühlluftführungen (Kanäle, Rohre) zur Verfügung gestellt wird.
Wenn die Drehzahl der Expander-Welle 10a des Turboexpanders 10 der Drehzahl der Generatorwelle 4 entspricht, werden die beiden Wellen 4a, 10a über die Schaltkupplung 11 miteinander verbunden, so dass der Generator 4 durch den Turboexpander 10 (mit- ) angetrieben wird.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .

Claims

Patentansprüche
1. Gasturbinenanlage mit einem Verdichter (1), einer Brennkammer (2), einer Turbine (3) und einem Generator (4), der von der Turbine (3) angetrieben wird, wobei an ein Gehäuse (4b) des Generators (4) eine Kühlluftleitung (7) angeschlossen ist, über welche dem Innenraum des Generators (4) Kühl- luft zugeführt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlluftleitung (7) einlassseitig an den Verdichter (1) angeschlossen ist und in der Kühlluftleitung (7) hintereinander wenigstens ein Wärmetauscher (9) und ein Expander (10), insbesondere ein Turboexpander angeordnet sind, wobei zur Küh- lung des Generators (4) vorverdichtete Luft über die Kühl- luftleitung (7) aus dem Verdichter (1) abgezweigt, in dem Wärmetauscher (9) abgekühlt und in dem Expander (10) unter weiterer Abkühlung entspannt wird, bevor sie dem Innenraum des Generators (4) zugeführt wird.
2. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kühlluftleitung (7) ein Einlassventil (8) zugeordnet ist, über welches die Menge der aus dem Verdichter (1) abgezweigten Luft insbesondere in Abhängigkeit von der dem Generator (4) zur Verfügung zu stellenden Kühlleistung eingestellt wird .
3. Gasturbinenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kaltseite des Wärmetauschers (9) an eine Brenngasversor- gungsleitung angeschlossen ist, über welche die Brennkammer (1) mit einem Brenngas versorgt wird, um das Brenngas in dem Wärmetauscher (9) vorzuwärmen.
4. Gasturbinenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Expander (10) mit dem Generator (4) verbunden ist, um diesen anzutreiben.
5. Gasturbinenanlage nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Expander (10) mit dem Generator (4) über eine selbstsynchronisierende Schaltkupplung (11) verbunden ist.
6. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
der Expander mit einem zusätzlichen Sekundär-Generator verbunden ist, um diesen anzutreiben.
7. Gasturbinenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen dem Wärmetauscher (9) und dem Expander (10), ein Entfeuchter (13) vorgesehen ist, um der im Wärmetauscher (9) abgekühlten Luft vor dem Eintritt in den Expander (10) Feuchtigkeit zu entziehen.
8. Verfahren zum Betreiben einer Gasturbinenanlage mit ei- nem Verdichter (1), einer Brennkammer (2), einer Turbine (3) und einem Generator (4), der von der Turbine (3) angetrieben wird, wobei dem Generator (4) Kühlluft zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Kühlluft dem Verdichter (1) vorkomprimierte Luft entnommen und die vorver- dichtete Luft in einem Wärmetauscher (9) abgekühlt und anschließend in einem Expander (10) unter weiterer Abkühlung entspannt wird, bevor sie dem Generator (4) zugeführt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die dem Verdichter (1) entnommene Luft vor der Entspannung in dem Expander (10) entfeuchtet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
die indem Expander (10) entspannte Kühlluft gezielt nur den Stellen im Generator zugeführt wird, die einer besonderen Kühlung bedürfen.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
die in dem Expander (10) entspannte Kühlluft vor dem Eintritt in den Generator (4) mit Umgebungsluft gemischt wird, welche dem Generator (4) zugeführt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Teil der aus dem Expander austretenden Kühlluft dem Generator einer Dampfturbine zugeführt wird.
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