DE10231827B4 - Method for operating a gas turbine and gas turbine for carrying out the method - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine mit mindestens einem Verdichter (2) und mindestens einer Turbine (4), bei der in einem Ansaugkanal (1) des Verdichters (2) zumindest eine Booster-Stufe (3) und zusätzlich eine Konditioniervorrichtung (7) zur Konditionierung von Ansaugluft im Ansaugkanal (1) angeordnet sind, mit einem Abgaskanal (6) und einem Abhitzekessel (5) zwischen der Turbine (4) und dem Abgaskanal (6), bei welchem Verfahren die Booster-Stufe (3) und die Konditioniervorrichtung (7) in Abhängigkeit von den konkreten Betriebsbedingungen einzeln oder in Kombination betrieben werden, wobei bei einem hohen Leistungsbedarf oder bei der Notwendigkeit zur Bereitstellung von Reserveleistung die Booster-Stufe (3) und die Konditioniervorrichtung (7) gleichzeitig betrieben werden, dadurch gekennzeichnet, dass im Teillastbereich mittels der Booster-Stufe (3) der Ansaugdruck am Verdichter (2) abgesenkt wird.Method for operating a gas turbine with at least one compressor (2) and at least one turbine (4), in which at least one booster stage (3) and additionally a conditioning device (7) for conditioning in an intake duct (1) of the compressor (2) of intake air are arranged in the intake channel (1), with an exhaust gas channel (6) and a waste heat boiler (5) between the turbine (4) and the exhaust gas channel (6), in which method the booster stage (3) and the conditioning device (7 ) are operated individually or in combination depending on the specific operating conditions, with the booster stage (3) and the conditioning device (7) being operated simultaneously when there is a high power requirement or when there is a need to provide reserve power, characterized in that in the partial load range the suction pressure at the compressor (2) is reduced by means of the booster stage (3).
Description
Technisches AnwendungsgebietTechnical application
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine mit mindestens einem Verdichter und mindestens einer Turbine, bei der in zumindest einem Ansaugkanal des Verdichters eine Booster-Stufe und eine Konditioniervorrichtung zur Konditionierung der Ansaugluft angeordnet sind sowie eine Gasturbine zur Durchführung des Verfahrens.The present invention relates to methods for operating a gas turbine with at least one compressor and at least one turbine, in which a booster stage and a conditioning device for conditioning the intake air are arranged in at least one intake passage of the compressor and a gas turbine for carrying out the method.
Die Erfindung lässt sich in vielen technischen Bereichen einsetzen, beispielsweise als Kompressorantrieb oder in einer Gasturbinen- oder Kombianlage zur Energieerzeugung unter Normalbedingungen sowie insbesondere bei wechselnden Umgebungsbedingungen oder besonderen Netzanforderungen. An derartige Anlagen werden hohe Anforderungen hinsichtlich des Wirkungsgrades und der erbrachten Leistung gestellt.The invention can be used in many technical fields, for example as a compressor drive or in a gas turbine or combined plant for power generation under normal conditions and in particular under changing environmental conditions or special network requirements. At such systems high demands are made in terms of efficiency and performance.
Stand der TechnikState of the art
Bei der Leistungs- und Wirkungsgradsteigerung von Gasturbinen werden unterschiedliche Konzepte verfolgt.In terms of increasing the efficiency and efficiency of gas turbines, different concepts are pursued.
So ist aus der
Durch den Betrieb dieses Booster-Gebläses wird der Ansaugdruckverlust über den Luftansaugkanal verringert bzw. der Druck am Verdichtereintritt der Gasturbine erhöht. Dies führt zu einer Erhöhung des Ansaug-Luftmassenstroms, aus dem eine Leistungserhöhung der Gasturbine resultiert. Ein solches Booster-Gebläse kann in Spitzenlastzeiten oder bei Notwendigkeit der Bereitstellung einer zusätzlichen Reserveleistung eingesetzt werden. Weiterhin können durch den Betrieb dieses Booster-Gebläses jahreszeitliche, standort- und klimatisch bedingte Einflüsse auf die Leistung der Gasturbine ausgeglichen werden.The operation of this booster blower reduces the intake pressure loss via the air intake duct or increases the pressure at the compressor inlet of the gas turbine. This leads to an increase in the intake air mass flow, resulting in a power increase of the gas turbine. Such a booster blower can be used during peak load periods or when additional reserve power is required. Furthermore, can be compensated by the operation of this booster blower seasonal, location and climatic influences on the performance of the gas turbine.
Eine weitere Möglichkeit zur Leistungssteigerung einer Gasturbine besteht in der Anordnung von einem oder mehreren Booster-Gebläsen im Abgaskanal der Turbine. Diese sog. Exhaust-Gas-Booster führen zu einer Absenkung des Druckes im Abgaskanal und somit zu einer Vergrösserung des Expansionsgefälles der aus der Turbine austretenden Heissgase. Die Vergrösserung des Expansionsgefälles resultiert wiederum in einer Leistungssteigerung der Gasturbine. Die Booster-Gebläse im Abgaskanal können, wie auch die Air-Intake-Booster, in Spitzenlastzeiten sowie bei Notwendigkeit der Bereitstellung einer zusätzlichen Reserveleistung zugeschaltet werden. Sie können ebenso zum Ausgleich jahreszeitlich, standort- und klimatisch bedingter Einflüsse auf die Leistung der Gasturbine eingesetzt werden.Another way to increase the performance of a gas turbine is the arrangement of one or more booster blowers in the exhaust duct of the turbine. These so-called exhaust gas boosters lead to a reduction in the pressure in the exhaust gas channel and thus to an increase in the expansion gradient of the hot gases emerging from the turbine. The increase in the expansion gradient, in turn, results in a power increase of the gas turbine. The booster fans in the exhaust duct, as well as the air-intake boosters, can be switched on during peak load periods as well as when additional reserve power is required. They can also be used to compensate for seasonal, location and climatic influences on the performance of the gas turbine.
Einen anderen Weg geht die
Bei einer derartigen Anlage entsteht jedoch aufgrund der für die Kühlung der Ansaugluft erforderlichen konstruktiven Massnahmen ein Druckverlust im Ansaugkanal, der unabhängig von der Wirkung des konkreten Systems zu einer Leistungsminderung der Anlage führt.In such a system, however, arises due to the necessary for the cooling of the intake air constructive measures a pressure drop in the intake passage, which leads regardless of the effect of the specific system to a reduction in performance of the system.
Die Schrift
Ergänzend angeordnete Wärmeübertragungsschlangen sollen die Vereisungsgefahr in diesem Bereich vermindern und ermöglichen die Zugabe eines höheren Wasseranteils.Supplementary arranged heat transfer coils to reduce the risk of icing in this area and allow the addition of a higher water content.
Zum Ausgleich des Druckverlusts im Ansaugkanal ist dem „Fogging-Subsystem” ein Gebläse vorgeschaltet.To compensate for the pressure loss in the intake channel, a fan is connected upstream of the "fogging subsystem".
Weiterhin ist bei einem derartigen System der Betriebsbereich, in dem eine merkliche Leistungssteigerung erreicht wird, in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen begrenzt. So kann beispielsweise eine Kühlung der Ansaugluft bei tiefen Aussentemperaturen kaum noch nennenswerte Effekte bringen bzw. bereits die Auslegungsgrenzen des Systems überschreiten. Eine weitere Alternative zur Leistungssteigerung, basierend auf einer Kühlung der Ansaugluft, stellt die Schrift
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Ausgehend von diesem bekannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine sowie eine Gasturbine bereitzustellen, die einen verbesserten Wirkungsgrad im Teillastbereich, insbesondere im unteren Teillastbereich, ermöglichen.Based on this known prior art, the present invention has the object to provide a method for operating a gas turbine and a gas turbine, which allow improved efficiency in the partial load range, especially in the lower part load range.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine gemäß Patentanspruch 1 sowie eine Gasturbine gemäß Anspruch 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Gasturbine sind Gegenstand der Unteransprüche.This object is achieved by a method for operating a gas turbine according to
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine, die beispielsweise in einer Gasturbinen- oder Kombianlage eingesetzt werden kann und in bekannter Weise mit mindestens einem Verdichter zur Verdichtung angesaugter Verbrennungsluft sowie mindestens einer Turbine ausgestattet ist und zumindest eine Booster-Stufe (Air-Intake-Booster) und eine Konditioniervorrichtung zur Konditionierung von Ansaugluft im Ansaugkanal des Verdichters, sowie einen Abgaskanal und einen Abhitzekessel zwischen Turbine und Abgaskanal aufweist, und bei welchem Verfahren die Booster-Stufe und die Konditioniervorrichtung einzeln oder in Kombination betrieben werden, wobei bei hohem Leistungsbedarf oder bei der Notwendigkeit zur Bereitstellung von Reserveleistung die Booster-Stufe und die Konditioniervorrichtung gleichzeitig betrieben werden, zeichnet sich dadurch aus, dass im Teillastbereich mittels der Booster-Stufe der Ansaugdruck am Verdichter abgesenkt wird.The inventive method for operating a gas turbine, which can be used for example in a gas turbine or combined plant and is equipped in a known manner with at least one compressor for compressing sucked combustion air and at least one turbine and at least one booster stage (Air-Intake Booster) and a conditioning device for conditioning intake air in the intake passage of the compressor, as well as an exhaust passage and a waste heat boiler between the turbine and the exhaust passage, and in which method the booster stage and the conditioner are operated singly or in combination, with high power requirement or necessity To provide reserve power, the booster stage and the conditioning device are operated simultaneously, characterized by the fact that in the partial load range by means of the booster stage, the suction pressure at the compressor is lowered.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsart erfolgt die Absenkung des Ansaugdruckes durch Verringern des Strömungsquerschnittes mittels verstellbarer Lüfterblätter der Booster-Stufe.According to a first preferred embodiment, the lowering of the suction pressure by reducing the flow cross-section is carried out by means of adjustable fan blades of the booster stage.
Gemäß einer alternativen Ausführungsart wird der Ansaugdruck durch Rückwärtslauf der Booster-Stufe abgesenkt.According to an alternative embodiment, the suction pressure is lowered by rewinding the booster stage.
Die Senkung des Ansaugdrucks am Verdichter bietet den Vorteil, mit sinkendem Luftmassenstrom bei gleicher Leistung höhere Prozesstemperaturen fahren zu können. Dies führt neben einer Anhebung des Teillastwirkungsgrades zu einer Verringerung der Emissionen.Reducing the intake pressure at the compressor offers the advantage of being able to drive higher process temperatures with decreasing air mass flow while maintaining the same performance. In addition to an increase in the partial load efficiency, this leads to a reduction in emissions.
Eine Gasturbine zur Durchführung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die zumindest eine Booster-Stufe mit verstellbaren Lüfterblättern ausgerüstet ist oder die Booster-Stufe im Rückwärtslauf betrieben wird.A gas turbine for carrying out the method is characterized in that the at least one booster stage is equipped with adjustable fan blades or the booster stage is operated in reverse.
Die Booster-Stufe und die Konditioniervorrichtung werden beim Betrieb der Gasturbine in Abhängigkeit von den konkreten Betriebsbedingungen einzeln oder in Kombination betrieben. Bei einem hohen Leistungsbedarf bzw. bei der Notwendigkeit zur Bereitstellung von Reserveleistung werden die Booster-Stufe und die Konditioniervorrichtung gleichzeitig betrieben. Im Normalbetrieb können Booster-Stufe und Konditioniervorrichtung derart aufeinander abgestimmt betrieben werden, dass eine möglichst wirtschaftliche Betriebsweise bei gegebener Leistung erreicht wird. In Schwachlastzeiten erfolgt der Betrieb von Booster-Stufe und Konditioniervorrichtung unter der Massgabe eines hohen Teillastwirkungsgrades.The booster stage and the conditioning device are operated individually or in combination during operation of the gas turbine depending on the specific operating conditions. With a high power requirement or the need to provide reserve power, the booster stage and the conditioning device are operated simultaneously. In normal operation, booster stage and conditioning device can be operated in such a coordinated manner that the most economical operation possible for a given performance is achieved. During off-peak hours, the booster stage and conditioner operate under the conditions of high partial load efficiency.
Die zumindest eine Booster-Stufe kann im Hauptansaugkanal oder auch in Bypasskanälen zum Hauptansaugkanal angeordnet sein. Die Booster-Stufe kann jeweils aus einem (grossen) oder mehreren (kleinen) Booster-Gebläsen aufgebaut sein. Die einzelnen Booster-Gebläse einer jeweiligen Booster-Stufe können im Bezug auf die Ansaugluft in Reihen- oder Parallelschaltung angeordnet sein. Die Anordnung der Booster-Gebläse ist unabhängig von Einbauten im Ansaugkanal, wie beispielsweise der Luftkonditionierung, einem Luftfilter oder einem Schalldämpfer. Die Booster-Gebläse einer Booster-Stufe können in Strömungsrichtung sowohl vor, nach als auch vor und nach einem Einbau angeordnet sein.The at least one booster stage can be arranged in the main intake duct or also in bypass ducts to the main intake duct. The booster stage can be made up of one (large) or several (small) booster blowers. The individual booster blowers of each booster stage may be arranged in series or parallel with respect to the intake air. The arrangement of the booster blower is independent of installations in the intake duct, such as the air conditioning, an air filter or a silencer. The booster blower booster stage can be arranged in the flow direction both before, after and before and after installation.
Der Einsatz von Air-Intake-Boostern ermöglicht zunächst, den Druckverlust, der durch die Konditioniervorrichtung hervorgerufen wird, zu kompensieren. Ferner lassen sich die Auslegungsspielräume der Anlage durch Steigerung des Ansaugdruckes sowohl konstruktiv, strömungstechnisch als auch wärmetechnisch deutlich erweitern. Die kombinierte Anwendung eines oder mehrerer Booster-Gebläse und der Konditioniervorrichtung im Ansaugkanal führt zu einer Vervielfachung der Vorteile der einzelnen Systeme bezüglich der Leistungs- und Wirkungsgradsteigerung der Anlage. Der Bereich möglicher Betriebsarten wird ebenfalls deutlich erweitert, da je nach Betriebs- bzw. Umgebungsbedingungen die Leistungs- oder Wirkungsgradsteigerung jeweils mit dem System erreicht werden kann, das unter den jeweiligen Bedingungen am effektivsten arbeitet. Hierbei sind selbstverständlich sämtliche Betriebsarten, d. h. einzelner, gleichzeitiger oder aufeinander folgender Betrieb der Booster-Stufen und der Konditioniervorrichtung möglich.The use of air-intake booster initially makes it possible to compensate for the pressure loss caused by the conditioning device. Furthermore, the design margins of the system can be significantly increased by increasing the intake pressure both constructive, aerodynamically and thermally. The combined use of one or more booster blowers and the conditioning device in the intake channel leads to a multiplication of the advantages of the individual systems with regard to increasing the efficiency and efficiency of the system. The range of possible operating modes is also significantly expanded, since, depending on operating or environmental conditions, the increase in efficiency or efficiency can be achieved in each case with the system which operates most effectively under the respective conditions. In this case, of course, all modes, ie single, simultaneous or consecutive Operation of the booster stages and the conditioning device possible.
Während für netzseitige Spitzenlastzeiten oder bei Abruf von Reserveleistung, d. h. in Zeiten mit einer hohen Stromvergütung, eine Kombination von Leistungseffekten angestrebt wird, besteht die Zielstellung im Normalbetrieb in einer möglichst wirtschaftlichen Kombination von Leistung und Wirkungsgrad, während in Schwachlastzeiten mit geringen Stromvergütungen ein möglichst hoher (Teillast-)Wirkungsgrad bei möglicherweise geringer Leistung im Mittelpunkt der Betriebsführung steht. Die vorliegende Erfindung ermöglicht durch die auf die jeweilige Betriebsbedingung abstimmbare Kombination des Betriebs der Booster-Stufe mit dem Betrieb der Konditioniervorrichtung die Realisierung dieser Zielstellungen auch in Abhängigkeit von tages- und jahreszeitlichen Klimaschwankungen.While for grid-side peak load times or when retrieving reserve power, i. H. In times with high power compensation, a combination of performance effects is sought, the objective in normal operation in the most economic combination of power and efficiency, while in low load periods with low power payments as high as possible (partial load) efficiency with possibly low power at the heart of Business management stands. By virtue of the combination of the operation of the booster stage with the operation of the conditioning device, which can be tuned to the respective operating condition, the present invention makes it possible to realize these objectives as a function of daily and seasonal climatic fluctuations.
Vorzugsweise ist hierfür eine Steuerung vorgesehen, die den Betrieb der Konditioniervorrichtung und den Betrieb der Booster-Stufe entsprechend steuert. Vorzugsweise werden die Booster-Gebläse durch drehzahlgeregelte Antriebe angetrieben. Durch die vorzugsweise eingesetzte Steuerung lässt sich auf diese Weise der Leistungsbedarf der Booster-Stufe minimieren.Preferably, a control is provided for this purpose, which controls the operation of the conditioning and the operation of the booster stage accordingly. Preferably, the booster blower are driven by variable speed drives. By preferably used control can be minimized in this way the power requirement of the booster stage.
Um die Booster-Stufe auch bei Netzausfall für spezielle Aufgaben betreiben zu können, ist eine Auslegung der Antriebe der Booster-Gebläse als Niederspannungsantriebe vorteilhaft.In order to operate the booster stage even with power failure for special tasks, an interpretation of the drives of the booster blower as a low-voltage drives is advantageous.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Die vorliegende Gasturbine wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens nochmals erläutert. Hierbei zeigen:The present gas turbine will be explained again with reference to an embodiment in conjunction with the figures without limiting the general inventive idea again. Hereby show:
Wege zur Ausführung der ErfindungWays to carry out the invention
Weiterhin wird in diesem Beispiel nicht auf den genauen Aufbau der Booster-Stufe (Air-Intake-Booster) oder der Konditioniervorrichtung eingegangen, deren Gestaltungs- und Auslegungsvielfalt ebenfalls der Fachliteratur entnommen werden kann.Furthermore, in this example is not discussed on the exact structure of the booster stage (air intake booster) or the conditioning, whose design and interpretation variety can also be found in the literature.
Unter einer Gasturbine wird in dem vorliegenden Kontext eine Anlage bestehend aus mindestens einem Verdichter, mindestens einer Brennkammer und mindestens einer Turbine verstanden. Eine Gasturbinenanlage schliesst einen Generator zur Stromerzeugung ein. Unter einer Kombianlage versteht man die Kopplung eines Gas- und eines Dampfprozesses in Form einer Gasturbinenanlage und einer Dampfturbinenanlage. Die Wärme der Abgase der Turbine der Gasturbinenanlage dient dabei zur Dampferzeugung in einem Abhitzekessel. Der erzeugte Dampf wird mittels der Dampfturbinenanlage zur Stromerzeugung genutzt.In the present context, a gas turbine is understood to mean a system consisting of at least one compressor, at least one combustion chamber and at least one turbine. A gas turbine plant includes a generator for generating electricity. A combined plant is the coupling of a gas and a steam process in the form of a gas turbine plant and a steam turbine plant. The heat of the exhaust gases of the turbine of the gas turbine plant serves to generate steam in a waste heat boiler. The generated steam is used by the steam turbine plant to generate electricity.
Bei der in
Stromab der Booster-Stufe
Die Booster-Stufe
Die über den Verdichter
Die Booster-Stufe
Das vorliegende beispielhafte System enthält eine Steuerung
Die Steuerung
Die Antriebe
Die Anordnung einer Booster-Stufe
Weiterhin kann es zur Verkürzung der Revisionszeiten von Gasturbine und Abhitzekessel
Im Teillastbereich, insbesondere im unteren Teillastbereich, wenn das Potential der Massenstromregelung über die verstellbaren Leitschaufeln am Verdichtereintritt ausgeschöpft ist, nimmt der Wirkungsgrad der Gasturbine mit sinkender Leistung sehr stark ab.In the partial load range, in particular in the lower part load range, when the potential of the mass flow control via the adjustable guide vanes is exhausted at the compressor inlet, the efficiency of the gas turbine decreases with decreasing power very strong.
Aus diesem Grund wird erfindungsgemäß mittels der Booster-Stufe
Möglichkeiten der Absenkung des Ansaugdruckes mittels der Booster-Stufe
Die
Beide Diagramme beziehen sich auf eine Anlage, die mit Methan unter ISO-Bedingungen betrieben wird, wobei die Ansaugdruckverluste 10 × 102 Pa (10 mbar) und die Abgasdruckverluste 30 × 102 Pa (30 mbar) betragen.Both diagrams refer to a plant operated with methane under ISO conditions, where the intake pressure losses are 10 × 10 2 Pa (10 mbar) and the exhaust gas pressure losses are 30 × 10 2 Pa (30 mbar).
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Ansaugkanalintake port
- 22
- Verdichtercompressor
- 33
- Booster-Stufe (Air-Intake-Booster)Booster level (Air-Intake-Booster)
- 44
- Turbineturbine
- 55
- Abhitzekesselwaste heat boiler
- 66
- Abgaskanalexhaust duct
- 77
- Ansaugluft-KonditioniervorrichtungIntake air conditioner
- 88th
- Antriebdrive
- 99
- Steuerungcontrol
- 1010
- Brennkammercombustion chamber
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- Generatorgenerator
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