Die Erfindung betrifft eine Gas- und Dampfturbinenanlage in Einwellenanordnung mit einer Welle, die mit einer ersten Gasturbine, einer zweiten Gasturbine, einer Dampfturbine und einem Generator in Verbindung ist, wobei die erste Gasturbine am ersten Ende der Welle angeordnet ist.
Eine Gas- und Dampfturbinenanlage, bei der am ersten Ende der Welle die Gasturbine und am zweiten Ende derselben Welle der Generator vorgesehen, ist aus der EP 0 407 132 A1 bekannt. Dazwischen befinden sich eine Hochdruckteil- und eine Niederdruckteil-Dampfturbine, die jeweils mittels Schaltkupplungen trennbar mit der Welle verbunden sind. Die den Generator antreibende Welle wird durch die Gas- und ggf. zusätzlich durch die Dampfturbinen in Drehbewegung versetzt. Der zum Antrieb der Dampfturbinen notwendige Dampf wird zur Verfügung gestellt, indem die heißen Abgase der Gasturbine einem Dampferzeuger zugeführt werden. Diese Anlage erfordert einen hohen Platzbedarf, da zur Erzielung einer heutigen Ansprüchen genügenden Kraftwerksgesamtleistung von bis zu über 1000 MW elektrischer Leistung üblicherweise eine Mehrzahl der obigen Anlagen notwendig. Die Zielsetzung der EP 0 407 132 A1 liegt in einer Verbesserung der Relativwärmedehnungen zwischen Turbinengehäuse und Turbinenwelle, was durch eine geeignete Wahl eines Fixpunktes erreicht werden soll.
In der DE 33 16 070 A1 ist eine einzige Gasturbine bestehend aus einer Hochdruck-Teilturbine (HD-Turbine) und einer Niederdruck-Teilturbine (ND-Turbine), beschrieben. Diese Teilturbinen sind jeweils unmittelbar an jeweils einer Seite eines gemeinsamen Generators angekuppelt. Die einheitliche Gasturbine weist eine komplexe Leitungsführung zur Führung der Gasströme zwischen den einzelnen Teilturbinen auf. Durch die Bildung einer einzigen Gasturbine ist eine Gasströmung realisiert, die beginnend in einem ND-Verdichter über den HD-Verdichter, die HD-Brennkammer, die HD-Turbine, die ND-Brennkammer in die ND-Turbine und von dort gegebenenfalls in einen Abhitzekessel führt.
Die DE 39 07 217 A1 zeigt ebenfalls einen kombinierten Gasturbinen-/Dampfturbinen-Prozeß auf, bei dem eine Gasturbine mit einer Niederdruck-Teilturbine und einer Hochdruck-Teilturbine vorhanden ist. Die Teilturbinen sind mit einem einzigen Generator an einer jeweiligen Generatorseite verbunden. Die Dampfturbine hingegen ist auch in diesem Fall räumlich von der Gasturbine getrennt angeordnet und an einen eigenen Generator angeschlossen. Gleiches trifft auch für den Artikel "Gasturbinenkraftwerke und Kombi-Kraftwerke kleiner Leistung" von K. W. Förster in VGB Kraftwerkstechnik 70, 1990, Heft 4 zu, in dem ein Kombi-Kraftwerk mit einer elektrischen Leistung von maximal etwa 20 MW für eine Rübenzukkerfabrik beschrieben ist. Der Artikel weist zudem ausdrücklich auf die prinzipiellen technischen Unterschiede zwischen Kraftwerks-Kombiprozessen und Industrie-Kombiprozessen hin. Die Gasturbinenanlage ist von der Dampfturbinenanlage räumlich strikt getrennt. Gasturbinenanlage sowie Dampfturbinenanlage verfügen jeweils über einen eigenen Generator.
Aus der JP 06288204 A ist eine Gas- und Dampfturbinenanlage in Einwellenanordnung bekannt, bei der ein zwei Gasturbinen umfassender Gasturbinenteil einem Dampfturbinenteil auf einer gemeinsamen Welle vorgeschaltet ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Gas- und Dampfturbinenanlage in Einwellenanordnung anzugeben, die einen geringen Platzbedarf bei gleichzeitig hoher elektrischer Leistungsabgabe aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Patentansprüche 2 bis 9.
Nach Maßgabe der Erfindung ist vorgesehen, daß die Welle an ihrem zweiten Ende mit der zweiten Gasturbine in Verbindung steht, insbesondere starr oder schaltbar daran gekuppelt ist.
Dies hat den Vorteil, daß bei nur unwesentlich erhöhtem Platzbedarf der Anlage wesentlich mehr Elektrizität erzeugt werden kann. Aufgrund des durch die zweite Gasturbine zusätzlich auf die Welle aufgebrachten Drehmoments ist es möglich, einen Generator höherer elektrischer Leistung anzutreiben. - Somit kann zur Erzielung einer vergleichbaren Kraftwerksgesamtleistung eine Mehrzahl von bekannten Anlagen durch eine einzige erfindungsgemäße Anlage ersetzt werden. Es ist möglich, daß die erste Gasturbine und die zweite Gasturbine jeweils zur Erzeugung gleicher elektrischer Leistung oder unterschiedlicher elektrischer Leitung ausgelegt sind. Durch Gasturbinen für große elektrische Leistung ( z. B. bis über 200 MW) können mit der Gas- und Dampfturbinenanlage elektrische Leistungen bis über 1000 MW erzeugt werden.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Drehrichtungen der ersten Gasturbine und der zweiten Gasturbine entgegengesetzt. Alternativ dazu kann aber die Drehrichtung der ersten Gasturbine und der zweiten Gasturbine auch gleich sein, wobei zwischen der ersten Gasturbine oder der zweiten Gasturbine ein Wendegetriebe angeordnet ist, so daß diese mit entgegengesetztem Drehsinn, d.h. in Gegeneinanderschaltung, an die Welle angekuppelt werden kann.
Insbesondere bei kleineren Anlagen, vorzugsweise zwischen 100 MW und 300 MW elektrischer Leistung, können vorzugsweise zwei Gasturbinen mit gleichgerichtetem Drehsinn in Hintereinanderschaltung eingesetzt werden, wobei die eine Gasturbine verdichterseitig und die andere Gasturbine turbinenseitig an den Wellenstrang angekuppelt ist. In diesem Fall sind die in Richtung der gegenüberliegenden Gasturbine abströmenden heißen Abgase der ersten Gasturbine oder der zweiten Gasturbine um etwa 90° umzulenken. Vorzugsweise erfolgt allerdings eine axiale Abströmung der heißen Abgase.
Vorzugsweise ist zwischen der ersten Gasturbine und/oder zweiten Gasturbine und der Welle eine Kupplung vorgesehen.
Zwischen der Dampfturbine und dem Generator ist vorteilhafterweise ebenfalls eine Kupplung vorgesehen. Je nach den vorgegebenen technischen Notwendigkeiten kann es sich bei der Kupplung um eine schaltbare oder um eine starre Kupplung handeln.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen
Bei der nachfolgenden Beschreibung der Figuren sind der Übersichtlichkeit halber funktionsgleiche Komponenten mit jeweils denselben Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer kombinierten Gas- und Dampfturbinenanlage 22 in Einwellenanordnung. Mit einer Welle 1 stehen nacheinander eine erste Gasturbine 2, ein Generator 3 mit einem Transformatorblock 3a, eine Niederdruckdampfturbine 4, eine Hochdruckdampfturbine 5 und eine zweite Gasturbine 6 über entsprechende Kupplungen 8,9,11 in Verbindung. Die erste Gasturbine 2 ist an einem ersten Ende 23 mit der Welle 1 über ein Wendegetriebe 7 und eine nachgeschaltete erste Schaltkupplung 8 trennbar verbunden. Der nachgeschaltete Generator 3 ist über eine starre Kupplung 9 mit den Nieder- und Hochdruckteil-Dampfturbinen 4 und 5 verbunden. Die zweite Gasturbine 6 ist über ein Getriebe 10 mittels einer zweiten Schaltkupplung 11 an einem zweiten Ende 24 auf die Welle 1 aufgeschaltet. - Die erste Gasturbine 2 und die zweite Gasturbine 6 stehen mit jeweils einer endständig angeordneten ersten Abhitzekesselanlage 12 bzw. einer zweiten Abhitzekesselanlage 13 in Verbindung. Diese Abhitzekesselanlagen 12, 13 sind mittels einer Rohrleitungstrasse 14 miteinander verbunden. Von der Rohrleitungstrasse 14 zweigen erste Versorgungsleitungen 15 zur Versorgung der Hochdruck-Teilturbine 5 und eine zweite Versorgungsleitung 16 zur Versorgung der Niederdruck-Teilturbine 4 ab. Eine weitere Versorgungsleitung 16 führt von der Hochdruck-Teilturbine 5 zur Niederdruck-Teilturbine 5. Die Niederdruck-Teilturbine 4 (mit zugehörigem nicht dargestelltem Kondensator) steht über Überströmleitungen 17 mit einem Kühlwasservorrat 18 in Verbindung. Die Gasturbinen 2,6 liegen vorzugsweise in der Leistungsklasse von ca. 40 MW bis 70 MW. Die Leistung der Dampfturbine beträgt etwa die Hälfte der Gesamtleistung beider Gasturbinen 2,6 zusammen.
In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel dargestellt. Dabei handelt es sich im wesentlichen um eine Anlage 22 nach Fig. 1, wobei allerdings sowohl das Wendegetriebe 7 als auch das Getriebe 10 nicht vorgesehen sind. Aufgrund der axialen und endständigen Anordnung der ersten Abhitzekesselanlage 12 bzw. der zweiten Abhitzekesselanlage 12 weisen die in diesem Ausführungsbeispiel gezeigte erste Gasturbine 2 und zweite Gasturbine 6 eine entgegengesetzte Drehrichtung auf.
Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei handelt es sich um eine kombinierte Gas- und Dampfturbinenanlage 22 in Einwellenanordnung, die insbesondere für kleinere Einheiten zur Erzeugung von Elektrizität Verwendung findet. Im Unterschied zu der in Fig. 1 gezeigten Anordnung ist hier zwischen dem Generator 3 und der Niederdruck-Teilturbine 4 eine dritte Schaltkupplung 19 statt der starren Kupplung 9 vorgesehen. Die Leistung der Gasturbinen 2,6 beträgt jeweils etwa bis ca. 30 MW.
Fig. 4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Es handelt sich dabei um eine Anlage 22 nach Fig. 1, wobei allerdings kein Getriebe 10 vorgesehen ist, da in diesem Fall die Gasturbinen mit Generatordrehzahl betrieben werden.
In Fig. 5 ist ein fünftes Ausführungsbeispiel dargestellt. Dabei handelt es sich im wesentlichen um eine Anordnung nach Fig. 1, wobei weder ein Getriebe 10 noch ein Wendegetriebe 7 vorgesehen ist. Die erste Abhitzekesselanlage 12 und die zweite Abhitzekesselanlage 13 sind im Gegensatz zur Anlage 22 nach Fig. 1 nicht axial, sondern in einem Winkel von etwa 90° gegenüber der Welle 1 angeordnet. Eine der ersten Gasturbine 2 zugeordnete erste Luftansaugung 20 und eine der zweiten Gasturbine 6 zugeordnete zweite Luftansaugung 21 sind ebenfalls in einem Winkel von etwa 90° gegenüber der Welle 1 angeordnet. Die Gasturbinen 2,6 liegen vorzugsweise in der Leistungsklasse über 100 MW elektrischer Leistung.
Fig. 6 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei handelt es sich im wesentlichen um eine Anlage 22 nach Fig. 5, wobei allerdings die starre Kupplung 9 durch eine dritte Schaltkupplung 19 ersetzt worden ist. Die Gasturbinen 2,6 drehen hierin ebenfalls mit Generatordrehzahl und liegen vorzugsweise in der Leitungsklasse von bis etwa 60 MW.
In Fig. 7 ist eine siebtes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, welches sich von dem in Fig. 6 gezeigten dadurch unterscheidet, daß zwischen der ersten Gasturbine 2 und der ersten Schaltkupplung 8 ein Wendegetriebe 7 vorgesehen ist.
Fig. 8 zeigt schließlich ein achtes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei handelt es sich im wesentlichen um eine Anlage 22 nach Fig. 7, wobei allerdings die der ersten Gasturbine 2 zugeordnete Abhitzekesselanlage 12 axial zur Welle 1 angeordnet ist.
Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist folgende.
Die heißen Abgase der ersten Gasturbine 2 und der zweiten Gasturbine 6 gelangen zur Erzeugung von Dampf in die jeweils zugeordnete Abhitzekesselanlage 12, 13. Der darin erzeugte Dampf wird je nach Dampfzustand (Temperatur, Druck) über eine die Abhitzekesselanlagen 12,13 verbindende Rohrleitungstrasse 14 der Niederdruck-Teilturbine 4 oder der Hochdruck-Teilturbine 5 zum Entspannen zugeführt. Die Niederdruck-Teilturbine 4 wird durch eine zweite Versorgungsleitung 14 mit Dampf versorgt, welche von der Rohrleitungstrasse 14 abzweigt. Die Hochdruck-Teilturbine 5 wird über erste Versorgungsleitungen 15 mit Dampf versorgt, die ebenfalls von der Rohrleitungstrasse 14 abzweigen. Das durch die erste Gastrubine 2 bzw. die zweite Gasturbine 6 und die Hochdruck-Teilturbine 4 und Niederdruck-Teilturbine 5 auf die Welle 1 aufgegebene Drehmoment dient zum Antrieb des Generators 3. Zur Anpassung der Drehzahl der Dampfteil- und Gasturbinen können zwischen den gegebenenfalls höherdrehenden Gasturbinen 2,6 und der Welle 1 Untersetzungsgetriebe vorgesehen sein. Zur Anpassung der Drehrichtung der ersten Gasturbine 2 und/oder zweiten Gasturbine 6 kann statt dem Getriebe 10 auch ein Wendegetriebe 7 vorgesehen sein. Je nach Ausgestaltung der Anordnung sind zur Trennung der einzelnen Komponenten gegenüber der Welle 1 starre und/oder schaltbare Kupplungen 8,9,11 vorgesehen.