CH700018B1

CH700018B1 - Verfahren zum Regeln der Temperatur in Turbinenlaufradzwischenräumen.

Info

Publication number: CH700018B1
Application number: CH02047/06A
Authority: CH
Inventors: Chris Rickert; Jeffrey S Palmer
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2005-12-19
Filing date: 2006-12-18
Publication date: 2010-06-15
Also published as: CN1991142A; JP2007170384A; DE102006060491A1; US20070137213A1

Abstract

Ein Verfahren zum Regeln der Temperatur in Laufradzwischenräumen in einer Gasturbine (10), umfassend: (a) Abziehen von Luft aus einem Verdichter (12), der dafür verwendet wird, verdichtete Luft zu der Gasturbine (10) zur Verbrennung zuzuführen; (b) Zuführen von Luft, die in Schritt (a) abgezogen wurde, zu den Laufradzwischenräumen in der Gasturbine (10); und (c) Regeln des in Schritt (b) zugeführten Luftstromes dergestalt, dass eine gewünschte Temperatur in den Laufradzwischenräumen erreicht wird.

Description


  Allgemeiner Stand der Technik

  

[0001]    Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln der Temperatur in Laufradzwischenräumen in einer Gasturbine und eine Gasturbine.

  

[0002]    Laufradzwischenräume sind jene Bereiche zwischen den Turbinenläufern oder Laufrädern, die jeweilige Reihen von Turbinenschaufeln tragen. Das heisst, die Laufradzwischenräume befinden sich radial einwärts des Hauptgasstromes, der durch die aneinandergrenzenden Stufen hindurchströmt. In der Regel werden die radial inneren Läufer durch Wärmeleitung von den Rotorschaufeln, durch das Eintreten des Hauptstromes in die Laufradzwischenraumhohlräume und durch Luftwiderstandserwärmung innerhalb der Laufradzwischenräume erwärmt.

  

[0003]    Die genauen Temperaturen in den Laufradzwischenräumen sind eine Funktion der Leistung, der Umgebungstemperatur und des Verschleisses oder Zustands der Einheit. Die Temperaturen in den Laufradzwischenräumen werden ständig überwacht, und mittels Alarmen werden Temperaturmesswerte signalisiert, die oberhalb der Akzeptanzgrenze liegen. Derzeit verringern die Bediener die Leistung, um solche Alarme für andernfalls inakzeptabel hohe Temperaturen in den Laufradzwischenräumen zu vermeiden. Diese Praxis verursacht finanzielle Verluste und begrenzt möglicherweise die Gesamtleistung des Elektrizitätswerkes an heisseren Tagen. Eine weitere Option, um ein Senken der Temperaturen in den Laufradzwischenräumen zu erreichen, ist das Abschalten der Einheit, das Auswechseln der Drosselscheiben im Kühlkreislauf und das anschliessende Wiederhochfahren der Einheit.

   Diese Verfahrensweise verursacht allerdings Abschalt- und Wiederanlaufverzögerungen und erfordert ein häufiges Justieren in Abhängigkeit von der äusseren Umgebungstemperatur.

  

[0004]    Zu einer weiteren Option gehört eine Verringerung des Kühlstromes, womit der umgekehrte Effekt auf die Temperaturen in den Laufradzwischenräumen erreicht wird. Das Einstellen höherer Temperaturen in den Laufradzwischenräumen führt zu einer höheren Leistung, kann aber auch die Grenznutzungsdauer der Einheit verkürzen.

Kurzdarstellung der Erfindung

  

[0005]    Die vorliegende Erfindung ermöglicht es dem Bediener, den Kühlstrom auf der Grundlage des Zustands der Einheit, der Umgebungstemperatur und der angezeigten Temperaturen in den Laufradzwischenräumen mit Hilfe eines Modulationsventils zu verstärken (oder zu verringern). Es können Justierungen vorgenommen werden, um eine Ausweitung des Betriebsbereiches zu gestatten, indem die Kühlung bzw. die Strömung verringert wird, und/oder um eine verlängerte Grenznutzungsdauer des Rotors unter ungünstigen Bedingungen zu ermöglichen, indem der Kühlstrom verstärkt wird. In dieser Hinsicht kann man dank der kontinuierlichen Überwachung des Systems die Einheit an heissen Tagen mit höherer Leistung unterhalb der Laufradzwischenraum-Temperaturgrenzen arbeiten lassen, und man gewinnt Flexibilität zur Unterstützung anderer betrieblicher Prioritäten und erweiterter Betriebsbereiche.

  

[0006]    Die gegenwärtige Praxis des Abziehens von Luft aus dem Turbinenverdichter und des Zuführens von Spül- oder Kühlluft in die Laufradzwischenraumhohlräume durch feste Blenden wird beibehalten, aber es kommen grössere Blenden zum Einsatz, damit ein neu hinzugefügtes Modulationssteuerventil die Strömung der aus dem Verdichter abgezogenen Kühlluft zu den Laufradzwischenraumhohlräumen verstärken oder verringern kann. Ausserdem braucht nur ein einziges Steuerventil in den mehreren Leitungen installiert zu werden, die in der Regel dazu dienen, abgezogene Luft zu den Laufradzwischenräumen zu leiten. Oder anders ausgedrückt: Ein einziges Steuerventil reicht aus, um die erwartete Verstellfähigkeit bereitzustellen, um die aus dem Verdichter abgezogene Luft zu den Laufradzwischenräumen zu verstärken oder verringern.

  

[0007]    In einer beispielhaften Ausführungsform regelt die Erfindung die aus dem Verdichter abgezogenen Luftströme, die zurückströmen, um die Laufradzwischenraumhohlräume zu kühlen und zu spülen. Die Kühlströmung wird im Wesentlichen kontinuierlich durch ein Modulationsventil geregelt, das so betätigt wird, dass die aus dem Verdichter abgezogene gewünschte Strömungsmenge zum Laufradzwischenraum gelangen kann. Die Strömungsmenge wird durch Steuereinstellungen bestimmt, die so gewählt werden, dass eine gewünschte Temperatur in den Laufradzwischenräumen erreicht wird.

  

[0008]    In einer ersten weiteren beispielhaften Ausführungsform wird eine offene Regelkreis-Steueranordnung bereitgestellt, wobei das Modulationsventil in eine gewünschte Position eingestellt werden kann; und wenn die überwachten Temperaturen in den Laufradzwischenräumen nicht akzeptabel sind, so kann der Bediener das Ventil in eine andere Position verstellen.

  

[0009]    In einer zweiten weiteren beispielhaften Ausführungsform wird eine geschlossene Regelkreisanordnung bereitgestellt, wobei die Ventilposition automatisch so verändert wird, dass die Temperatur in den Laufradzwischenräumen auf einem Sollwert gehalten wird.

  

[0010]    Dementsprechend betrifft die vorliegende Erfindung gemäss einem Aspekt ein Verfahren zum Regeln der Temperatur in Laufradzwischenräumen in einer Gasturbine, umfassend: (a) Abziehen von Luft aus einem Verdichter, der dafür verwendet wird, verdichtete Luft zu der Gasturbine hauptsächlich zur Verbrennung zuzuführen; (b) Zuführen von Luft, die in Schritt (a) abgezogen wurde, zu den Laufradzwischenräumen in der Gasturbine; und (c) Regeln des in Schritt (b) zugeführten Luftstromes dergestalt, dass eine gewünschte Temperatur in den Laufradzwischenräumen erreicht wird.

  

[0011]    Gemäss einer beispielhaften Ausführungsform betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Regeln der Temperatur in Laufradzwischenräumen in einer Gasturbine, umfassend: (a) Abziehen von Luft aus einem Verdichter, der dafür verwendet wird, verdichtete Luft zu der Gasturbine hauptsächlich zur Verbrennung zuzuführen;

   (b) Zuführen von Luft, die in Schritt (a) abgezogen wurde, zu den Laufradzwischenräumen in der Gasturbine; und (c) Regeln des in Schritt (b) zugeführten Luftstromes dergestalt, dass eine gewünschte Temperatur in den Laufradzwischenräumen erreicht wird; wobei Schritt (c) durch ein Abzapfsteuerventil ausgeführt wird, welches in einer Leitung, die abgezogene Kühlluft zu den Laufradzwischenräumen leitet, installiert ist, und wobei Steuereinstellungen für das Abzapfsteuerventil automatisch so gewählt werden, dass die gewünschte Temperatur in den Laufradzwischenräumen in Übereinstimmung mit dem Ziel einer Verlängerung der Grenznutzungsdauer der Gasturbine erreicht wird.

  

[0012]    Weiters betrifft die Erfindung eine Gasturbine mit einem System zum Regeln der Temperatur in Laufradzwischenräumen der Gasturbine, wobei das System umfasst: eine Leitung, die zwischen einem Verdichter, der dafür verwendet wird, verdichtete Luft zu der Gasturbine hauptsächlich zur Verbrennung zuzuführen, und den Laufradzwischenräumen verläuft, zum Zuführen von abgezogener Luft aus dem Verdichter zu den Laufradzwischenräumen; ein Abzapfsteuerventil, welches in der Leitung installiert ist; und ein Mittel zum Regeln des Abzapfsteuerventils dergestalt, dass eine gewünschte Temperatur in den Laufradzwischenräumen erreicht wird.

  

[0013]    Die Gasturbine enthält eine Vorrichtung zum Zuführen von abgezogener Luft aus einem Verdichter zu Laufradzwischenräumen, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst: eine oder mehrere Luftzufuhrleitungen, die zwischen dem Verdichter und den Laufradzwischenräumen verlaufen; wenigstens ein Steuerventil in einer oder mehreren Leitungen; und ein Mittel zum Regeln des Steuerventils in Abhängigkeit von wenigstens der Umgebungstemperatur und der Temperatur in den Laufradzwischenräumen.

  

[0014]    Die Erfindung wird nun im Detail in Verbindung mit der weiter unten besprochenen einzigen Zeichnungsfigur beschrieben.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

  

[0015]    Eine einzige Zeichnungsfigur veranschaulicht gemäss einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung schematisch ein System zum Regeln von aus einem Verdichter abgezogener Luft, die dazu verwendet wird, den Laufradzwischenraum zu kühlen und zu spülen.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen

  

[0016]    Wie in der Zeichnungsfigur dargestellt, wird einer Gasturbinenkomponente 10 verdichtete Luft über einen Verdichter 12 zugeführt, der axial auf einer einzelnen Welle ausgerichtet sein kann, die durch eine in Längsrichtung verlaufende Mittelachse 14 dargestellt wird. Der grösste Teil der verdichteten Luft wird den (nicht gezeigten) Turbinenbrennkammern zugeführt, aber ein Teil wird für andere Zwecke abgezogen. Zum Beispiel wird in einem Kreislauf Kühlluft an Abzugsöffnungen 16, 18 aus dem Kompressor abgezogen und über Leitungen 20, 22 zu den Laufradzwischenraumbereichen oder -hohlräumen (oder einfach "Laufradzwischenräumen") innerhalb der Turbine über Einlassöffnungen 24, 26, 28 und 30 zugeführt.

   In einem anderen Kreislauf wird Kühlluft aus Verdichteröffnungen 32, 34 abgezogen und über Leitungen 36, 38 zu den Laufradzwischenräumen über Einlassöffnungen 40, 42, 44 und 46 zugeführt.

  

[0017]    Es sind auch Kreisläufe für den zeitweiligen Gebrauch, zum Beispiel während der Anlaufphase, vorhanden, wobei überschüssige Verdichterluft über Leitungen 48, 50, 52 und 54 unter der Steuerung jeweiliger Schaltventile 56, 58, 60 und 62 in den Turbinenauslass abgelassen wird. In herkömmlichen Systemen wird die Strömung in den verschiedenen Kreislaufleitungen mittels fester Blenden 64 gesteuert. Es versteht sich, dass die Anzahl von Abzugsöffnungen, Einlassen usw. verändert werden kann, um sie an konkrete Anwendungen und Rohrleitungskonfigurationen anzupassen.

  

[0018]    Gemäss dieser Erfindung kann der Kühlstrom zu den Laufradzwischenräumen verstärkt werden, indem die Strömung durch wenigstens einen der Kühlkreise mittels eines Abzapf- oder Modulationssteuerventils geregelt wird, obgleich es sich versteht, dass gewünschtenfalls weitere Steuerventile verwendet werden können. Gemäss der beispielhaften Ausführungsform ist ein Modulations-Steuerventil 66 in die Leitung 22 in einer geschlossenen Regelkreisanordnung eingesetzt, um nach Bedarf ein Justieren der aus dem Verdichter abgezogenen zugeführten Kühlluft (über die Öffnung 18) zu den Laufradzwischenräumen (über Einlasse 24, 26) zu ermöglichen.

   In dieser Hinsicht kann das Ventil 66 durch einen Mikroprozessor 68 geregelt und so programmiert werden, dass es automatisch die Kühlstrommenge in Abhängigkeit zum Beispiel vom Zustand der Einheit (der zum Beispiel anhand des Verdichterauslassdrucks bestimmt wird), der Umgebungstemperatur und der momentan angezeigten Temperatur in den Laufradzwischenräumen verändert. Weil die Regelungen auf momentanen Temperaturmesswerten basieren, können Justierungen automatisch vorgenommen werden, um entweder eine Ausweitung des Betriebsbereiches zu gestatten und/oder um eine verlängerte Grenznutzungsdauer des Rotors unter ungünstigen Bedingungen zu ermöglichen.

   Oder anders ausgedrückt: Es kann eine kontinuierliche Überwachung des Systems ausgeführt werden, um die Einheit an heissen Tagen mit höherer Leistung arbeiten zu lassen, aber man gewinnt auch Flexibilität zur Unterstützung anderer betrieblicher Prioritäten und erweiterter Betriebsbereiche. In dieser Hinsicht kann das Ventil 66 in Richtung einer weit geöffneten Position verstellt werden, um den Kühlstrom zu verstärken und dadurch die Grenznutzungsdauer zu verlängern, oder es kann in Richtung einer geschlossenen Position verstellt werden, um die Leistung auf Kosten der Grenznutzungsdauer zu erhöhen. Um das Ventil 66 mit bestehenden Spülluftanordnungen kompatibel zu machen, können die Blenden 64 in der Leitung 22 vergrössert werden, um den gewünschten Strömungsbereich zu ermöglichen, während gleichzeitig eine Strömungsmengen-Obergrenze festgesetzt wird.

   Alternativ kann die Blende 64 weggelassen werden, aber es ist bevorzugt, die Blenden beizubehalten, um im Fall eines Ventilausfalls über einen gewissen Grad an Steuerbarkeit zu verfügen.

  

[0019]    In einer Abwandlung der obigen Anordnung kann eine offene Regelkreisanordnung zum Einsatz kommen, wenn das Ventil 66 in eine bestimmte Position verstellt wird; und wenn die gewünschte Temperatur in den Laufradzwischenräumen nicht erreicht wird, so kann der Bediener das Ventil selektiv in eine andere Position bewegen, wobei dieser Vorgang nach Bedarf wiederholt wird, um die gewünschte Temperatur oder eine Temperatur innerhalb eines gewünschten Bereichs zu erreichen.

  

[0020]    Obgleich die Erfindung in Verbindung damit beschrieben wurde, was derzeit als die praktikabelste und bevorzugte Ausführungsform angesehen wird, versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf die offenbarte Ausführungsform beschränkt werden darf, sondern dass es ganz im Gegenteil beabsichtigt ist, verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen zu erfassen, die im Geltungsbereich der angehängten Ansprüche enthalten sind.

Bezugszeichenliste

  

[0021]    
<tb>10<sep>Gasturbinenkomponente


  <tb>12<sep>Verdichter


  <tb>14<sep>Mittelachse


  <tb>16, 18<sep>Abzugsöffnungen


  <tb>20, 22, 36, 38, 48, 50, 52, 54<sep>Leitungen


  <tb>24, 26, 28, 30, 40, 42, 44, 46<sep>Einlassöffnungen


  <tb>32, 34<sep>Verdichteröffnungen


  <tb>56, 58, 60, 62<sep>Schaltventile


  <tb>64<sep>Blenden


  <tb>66<sep>Steuerventil


  <tb>68<sep>Mikroprozessor

Claims

1. Verfahren zum Regeln der Temperatur in Laufradzwischenräumen in einer Gasturbine (10), umfassend:

(a) Abziehen von Luft aus einem Verdichter (12), der dafür verwendet wird, verdichtete Luft zu der Gasturbine (10) hauptsächlich zur Verbrennung zuzuführen;

(b) Zuführen von Luft, die in Schritt (a) abgezogen wurde, zu den Laufradzwischenräumen in der Gasturbine (10); und

(c) Regeln des in Schritt (b) zugeführten Luftstromes dergestalt, dass eine gewünschte Temperatur in den Laufradzwischenräumen erreicht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Schritt (c) durch ein Abzapfsteuerventil (66) ausgeführt wird, welches in einer Leitung (22), die abgezogene Kühlluft zu den Laufradzwischenräumen leitet, installiert ist, und wobei Steuereinstellungen für das Abzapfsteuerventil (66) automatisch so gewählt werden, dass die gewünschte Temperatur in den Laufradzwischenräumen erreicht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Schritt (c) durch ein Abzapfsteuerventil (66) ausgeführt wird, welches in einer Leitung (22), die abgezogene Kühlluft zu den Laufradzwischenräumen leitet, installiert ist, und wobei Steuereinstellungen für das Abzapfsteuerventil (66) manuell so eingegeben werden, dass die gewünschte Temperatur in den Laufradzwischenräumen erreicht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Schritt (b) beinhaltet, abgezogene Luft über mehrere Einlasse (24, 26, 28, 30) zu den Laufradzwischenräumen zuzuführen.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Schritt (c) ausgeführt wird, um durch ein Erhöhen des zugeführten Luftstromes mittels entsprechenden Steuereinstellungen die Temperatur in den Laufradzwischenräumen auf die gewünschte Temperatur zu senken.

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Schritt (c) ausgeführt wird, um durch ein Verringern des zugeführten Luftstromes mittels entsprechenden Steuereinstellungen die Temperatur in den Laufradzwischenräumen auf die gewünschte Temperatur zu erhöhen.

7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Schritt (c) derart ausgeführt wird, dass in Abhängigkeit des Verdichterauslassdrucks der zugeführte Luftstrom verändert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Schritt (c) derart ausgeführt wird, dass in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur und der Temperatur in den Laufradzwischenräumen der zugeführte Luftstrom verändert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 2, wobei wenigstens eine feste Blende (64) stromabwärts des Abzapfsteuerventils (66) angeordnet ist.

10. Gasturbine (10) mit einem System zum Regeln der Temperatur in Laufradzwischenräumen in der Gasturbine (10), wobei das System umfasst:

eine Leitung (22), die zwischen einem Verdichter (12), der dafür verwendet wird, verdichtete Luft zu der Gasturbine (10) hauptsächlich zur Verbrennung zuzuführen, und den Laufradzwischenräumen verläuft, zum Zuführen von abgezogener Luft aus dem Verdichter (12) zu den Laufradzwischenräumen;

ein Abzapfsteuerventil (66), welches in der Leitung (22) installiert ist; und

ein Mittel (68) zum Regeln des Abzapfsteuerventils (66) dergestalt, dass eine gewünschte Temperatur in den Laufradzwischenräumen erreicht wird.