DE19902437C5

DE19902437C5 - Verfahren und Vorrichtung zum schnellen Anfahren und zur schnellen Leistungssteigerung einer Gasturbinenanlage

Info

Publication number: DE19902437C5
Application number: DE19902437.5A
Authority: DE
Inventors: Richard Blatter; Erhard Liebig
Original assignee: General Electric Technology GmbH
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 1999-01-22
Filing date: 1999-01-22
Publication date: 2017-01-12
Anticipated expiration: 2019-01-23
Also published as: GB0000199D0; DE19902437A1; GB2347467B; DE19902437B4; GB2347467A; US6378285B1; US20020023425A1; US6470688B2

Abstract

Die Anfahrzeit bzw. der Leistungsgradient einer Gasturbinenanlage beim Anfahren sind durch den maximal zulässigen Temperaturgradienten begrenzt. Folglich ist auch die Steigerung des zugeführten Brennstoffmassenstromes eventuell in Kombination mit dem zugeführten Verbrennungsluftmassenstromes begrenzt. Zur Beschleunigung des Anfahrens bzw. zur Erhöhung des Leistungsgradienten beim Anfahren wird nun gleichzeitig zum Brennstoffmassenstrom und/oder Verbrennungsluftmassenstrom ein den die Turbine durchströmenden Massenstrom erhöhendes, zusätzliches Arbeitsmittel, beispielsweise Wasser oder Dampf zugeführt. Damit wird der Leistungsgradient bei gleichem maximal zulässigen Temperaturgradient erhöht, so dass eine geforderte Leistung schneller erreicht wird.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum schnellen Anfahren und zur schnellen Leistungssteigerung einer Gasturbinenanlage, die mindestens eine Druckluftquelle, eine Brennkammer und eine Turbine aufweist. Sie betrifft weiter eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, eine Gasturbinenanlage mit einem Generator und ein Kombikraftwerk mit einer solchen Vorrichtung.
Stand der Technik
Wenn in einem elektrischen Netz, in welches Leistung von verschiedenen Kraftwerken eingespiesen wird, ein erhöhter Leistungsbedarf auftritt, muss die Leistung der verfügbaren Kraftwerke erhöht werden. Gleiche Anforderungen entstehen infolge ungeplanten erzeugerseitigen Ausfalls, sind aber auch bei Netzstörungen und dergleichen denkbar.
Es ist offensichtlich, dass die Leistungssteigerung der Kraftwerke bzw. deren Erzeugereinheiten mit einem möglichst grossen Leistungsgradienten möglich sein sollte, unter anderem aus Gründen der Einhaltung des vorgeschriebenen Frequenzbandes des elektrischen Netzes.
Eine solche Leistungssteigerung kann bei jedem beliebigen Betriebszustand, beispielsweise Teillast oder Volllast eines jeweiligen Energieerzeugers erforderlich werden.
Der Begriff der Volllast ist dabei identisch mit den Begriffen der Nennleistung oder der Grenzdauerleistung, also einer oberen Leistung, für welche die Anlage für den Dauerbetrieb ausgelegt ist. Unter Teillast wird dabei eine Leistung unterhalb der Grenzdauerleistung und unter Überlast eine Leistung oberhalb der Grenzdauerleistung verstanden. Für die zeitlich begrenzte maximal fahrbare Leistung wird nachfolgend der Begriff Grenzleistung verwendet.
Leistungssteigerungen sind insbesondere während netzseitiger Spitzenlastzeiten kritisch, während welchen die jeweiligen Energieerzeuger bereits mit ihrer Grenzdauerleistung (Nennleistung) betrieben werden, und gleichzeitig ein ungeplantes Ereignis auftritt, welches eine kurzzeitige Leistungserhöhung über die Grenzdauerleistung hinaus erfordert.
In diesem Zusammenhang bekannt ist der Ausdruck ”Primary Response”, der sich auf eine Steigerung der Leistung über die angemeldete bzw. aktuell gefahrene Ist-Leistung eines jeweiligen Energieerzeugers mit einem definierten Leistungsgradienten bezieht. Beispielsweise soll die Zunahme der Leistung von der Ist-Leistung zu einer geforderten ca. 10% höheren Leistung innerhalb 10 Sekunden erfolgen.
Mit ”Secondary Response” wird das Halten einer Zusatzleistung über einer Ist-Leistung definiert, d. h. beispielsweise der Betrieb mit einer Zusatzleistung von z. B. 8% während einem Zeitraum von z. B. 30 Minuten.
Für Fragen von ”Primary Response” und ”Secondary Response” sind damit der maximal fahrbare Leistungsgradient, der Betrag der Zusatzleistung in Abhängigkeit der aktuell gefahrenen Ist-Leistung und die maximale Dauer für das Fahren der Zusatzleistung von Interesse. Das Erbringen einer Zusatzleistung sollte mit Ausnahme der Grenzleistung aus jedem Lastpunkt heraus möglich sein.
Allgemein heisst das, dass in Kraftwerken Reserven in irgendwelcher Form vorhanden sein müssen, die einerseits eine schnelle Leistungssteigerung (Primary Response) und andererseits ein zeitlich befristetes Halten einer Zusatzleistung (Secondary Response) ermöglichen.
Unabhängig von den Möglichkeiten der Leistungssteigerung kommt es im Fall von ”Primary Response”-Anforderungen darauf an, durch geeignete Mittel einen möglichst grossen Leistungsgradienten über die Grenzdauerleistung hinaus fahren zu können.
Um über eine Reserve zur schnellen Leistungserhöhung zu verfügen, ist es beispielsweise bekannt, Dampfturbinen in einem Dampfkraftwerk angedrosselt zu betreiben. Damit werden jedoch ständig Verluste (Verringerung des Gesamtwirkungsgrades des Kraftwerkes) und ein erhöhter Verschleiss in Kauf genommen.
Als weitere Möglichkeit einer schnellen Bereitstellung von Zusatzleistung in einem konventionellen Kraftwerk ist die Abschaltung regenerativer Vorwärmer bzw. die Abkopplung von anderen Dampfverbrauchern bekannt.
Bekannt sind auch Kraftwerke mit einer ständigen heissen Reserve, also Energieerzeugern, die sich ständig im Anfahrzustand befinden. Dies bedeutet wiederum einen permanenten Einsatz von Brennstoff, Personal und dergleichen.
Auch sind schnellstartende Anlagen, z. B. Dieselmotoren mit Generator bekannt, um beispielsweise in Störfallsituationen einen Minimalumfang an Betriebs- und Regelfähigkeit eines Kraftwerkes sicherzustellen.
Weiter können auch Wasserkraftwerke und insbesondere Pumpspeicherwerke als Leistungsreserve eingesetzt werden, wobei letztere insbesondere den tageszeitlichen Ausgleich absichern sollten.
Mit Ausnahme von Gasturbinenanlagen sind nur die Möglichkeiten der Androsselung bzw. Öffnung der Einlassventile an Dampfturbinen und die Möglichkeit der Abschaltung von Dampfentnahmen aus Dampfturbinen für einen schnellen Leistungsanstieg im Sinne von ”Primary Response” geeignet. Es handelt sich also ausschliesslich um mitlaufende Reserven (spinning reserve) auf Nenndrehzahl mit bestehender elektroseitiger Verbindung zum Netz. Erst zu startende bzw. in der Drehzahl hochzufahrende und zu synchronisierende Anlagen sind hinsichtlich von Deckungsbeiträgen im Bereich ”Primary Response” ungeeignet.
Bei anderen Anlagen ist die mögliche zeitliche Leistungsauflastung systembedingt zu gering oder der Einsatz hängt wie im Fall von Pumpspeicherwerken zum Zwecke von ”Primary Response” vom momentanen Betriebszustand aber auch von der hydrologischen Situation ab.
Ferner bindet das Vorhalten von Leistung als heisse oder kalte Reserve Kapital. Drosselungen, Teillastfahrweisen, Warmhaltebetrieb und dergleichen beeinflussen die Anlagenwirtschaftlichkeit negativ.
Eine Ausnahme bilden wie bereits erwähnt die Gasturbinenanlagen, welche durch ihr gutes dynamisches Verhalten bereits heute zu ”Primary Response”-Zwecken herangezogen werden.
Dabei gibt es prinzipiell zwei Möglichkeiten, die Leistung einer Gasturbinenanlage zu erhöhen:

1. Erhöhung der oberen Prozesstemperatur (Gasturbineneintrittstemperatur);
2. Erhöhung des Massenstromes durch die Gasturbine.

Die Erhöhung der Prozesstemperatur durch Erhöhung der Feuerungsleistung also des Brennstoffmassenstromes als Mittel der Leistungssteigerung stösst an Grenzen der thermischen Material- und Systembeanspruchung in Form einer maximal zulässigen Temperatur. Der während einer Leistungserhöhung maximal zulässige Leistungsgradient stösst an Grenzen der thermischen Material- und Systembeanspruchung in Form eines maximal zulässigen Temperaturgradienten.
Eine Leistungssteigerung durch die Erhöhung des Massenstromes durch die Gasturbinenanlage kann, abgesehen von den Möglichkeiten der Regelung des Luftmassenstromes im Zusammenhang mit den Möglichkeiten der Regelung des Brennstoffmassenstromes durch Einspritzung von Wasser, Dampf oder eines Wasser-/Dampf-Gemisches erfolgen.
Kann im Fall von Wasser- oder Dampfeinspritzung die aktuell gefahrene Prozesstemperatur am Gasturbineneintritt durch gleichzeitige Erhöhung der Feuerungsleistung nicht gehalten werden, so kann die Leistungssteigerung mit einem Wirkungsgradverlust einhergehen. Im Extremfall kann auch die Gasturbinenleistung selbst rückläufig sein. In welchem Masse die Wasser- oder Dampfeinspritzung den Wirkungsgrad des Gasturbinenprozesses und die abgegebene Leistung beeinflusst, hängt von den Möglichkeiten seitens der Feuerungsleistung, vom Zustand des zusätzlichen Arbeitsmittels (Wasser oder Dampf) und dessen Temperatur aber auch von den konstruktiven Gegebenheiten der Gasturbinenanlage selbst ab.
Im Falle von Wasser- oder Dampfeinspritzung handelt es sich um einen relativ kalten Zusatzmassenstrom, welcher im Falle von Wasser in der Gasturbinenanlage zusätzlich verdampft werden muss.
Man setzt Gasturbinenanlagen heute zum Zwecke von ”Primary Response” bzw. als Spitzenlastanlagen wie folgt ein:

1. Durch die Erhöhung der Feuerungsleistung eventuell im Zusammenhang mit Leitschaufelverstellungen am Verdichter zur Steigerung des Luftmassenstromes wird die Gasturbinenanlage entsprechend dem zulässigen Temperatur- bzw. Leistungsgradienten bis zur maximal zulässigen Temperatur bzw. bis zur Grenzdauerleistung hochgefahren.
2. In einem zweiten Schritt wird durch Wasser- oder Dampfeinspritzung im Zusammenhang mit einer Erhöhung der Feuerungsleistung bei Einhaltung der maximal zulässigen Temperatur zusätzliche Leistung maximal bis zum Erreichen der Grenzleistung erzeugt.

Unter den Bedingungen der Öffnung der Strommärkte entwickeln sich immer neue Anforderungen an die Erzeugungsanlagen insbesondere im Hinblick auf die Leistungsflexibilität. Daher besteht auch bei Gasturbinenanlagen die Aufgabe, nach neuen Lösungen zu suchen, um den maximal fahrbaren Leistungsgradienten im Sinne von ”Primary Response” zu erhöhen.
Aus der JP 09021328 A ist ein Verfahren zur Leistungssteigerung einer in Betrieb befindlichen Gasturbine zu entnehmen, bei dem zu Zwecke eines schnellen Abrufes zusätzlicher Leistung Wasser und Brennstoff zugleich in die Brennkammer eingespeist werden.
Die DE 38 30 804 C2 beschreibt ein Verfahren zur Regelung der Brennstoffzufuhr einer Gasturbine, die zum Antrieb in einem Flugtriebwerk eingesetzt ist. Zum Zwecke der Leistungssteigerung, die der Erhöhung der Wellendrehzahl dient, wird die Brennstoffzugabe unter Berücksichtigung von nicht zu überschreitenden thermischen Betriebsparametern der Gasturbine geregelt.
In der US 4,134,258 A ist ein Steuersystem zur Brennstoffzugabe in eine Gasturbine beschrieben, die dem Antrieb von Fahrzeugen dient. Die Brennstoffzugabe wird nach Massgabe von Drehzahl und Beschleunigung vorgenommen, so dass ein Überschreiten von festgelegten Maximalwerten in Bezug auf Drehzahl und Beschleunigung vermieden wird.
Darstellung der Erfindung
Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum schnelleren Anfahren und zur schnelleren Leistungssteigerung einer Gasturbinenanlage zu schaffen, so dass ein grösstmöglicher Leistungsgradient ohne ein Überschreiten des maximal zulässigen positiven Temperaturgradienten oder sonstiger maximal zulässiger mechanischer oder thermischer Materialbelastungen fahrbar ist.
Lösungsgemäss zeichnet sich das Verfahren zum Anfahren und zur Leistungssteigerung einer Gasturbinenanlage mit einer Druckluftquelle, einer Brennkammer und einer Turbine, wobei der der Gasturbinenanlage zugeführte Brennstoffmassenstrom erhöht und gleichzeitig ein den die Turbine durchströmenden Massenstrom erhöhendes, zusätzliches Arbeitsmittel zugeführt wird, dadurch aus, dass das zusätzliche Arbeitsmittel Kaltwasser, Warmwasser, Heisswasser, Sattwasser, Nassdampf, Sattdampf oder überhitzter Dampf ist, und dass der Gasturbinenanlage ein festgelegter, maximal zulässiger positiver Temperaturgradient zugeordnet ist, wobei der zugeführte Massenstrom des zusätzlichen Arbeitsmittels und der zugeführte Brennstoffmassenstrom derart gesteuert werden, dass das Anfahren und die Leistungssteigerung der Gasturbinenanlage unter Zugrundelegung des festgelegten, maximal zulässigen positiven Temperaturgradienten mit einem maximalen Leistungsgradienten erfolgt.
Eine alleinige Erhöhung der Brennstoffzufuhr zur Leistungssteigerung führt zu einer Erhöhung der Temperatur, insbesondere in der Brennkammer und in der Turbine, die wie bekannt, wegen der thermischen Material- und Systembeanspruchung in ihrer Höhe und ihrem Gradienten beschränkt ist.
Das alleinige Einspritzen von Wasser oder Dampf führt zu einer Absenkung der Temperatur der in Strömungsrichtung nach der Einspritzstelle liegenden Komponenten. Abgesehen von nicht in allen Fällen positiven Leistungs- und Wirkungsgradeffekten, sind der Einspritzung eines derartigen zusätzlichen Arbeitsmittels durch negative Temperaturgradienten ebenfalls Grenzen gesetzt.
Dem erfindungsgemässen Verfahren liegt die Idee zugrunde, beide hinsichtlich der thermischen Belastung gegenläufigen Fahrweisen unabhängig vom Lastzustand der Gasturbinenanlage kombiniert einzusetzen, um

– bei gleicher thermischer Belastung höhere Leistungsgradienten fahren zu können oder
– bei gleichen Leistungsgradienten die thermische Belastung zu senken.

Durch diese Kombination kann bei gleichen Temperatur- bzw. Leistungsbedingungen der Gasturbinenanlage die Feuerungsleistung und damit auch die abgegebene mechanische Leistung schneller bzw. Anlagenschonender erhöht oder verringert werden.
Für den Erfindungsgedanken ist der konkrete Ort der Wasser- bzw. Dampfeinspritzung ohne Bedeutung. Möglichkeiten bestehen durch Einspritzung in den Bereich zwischen Verdichteraustritt und Brennkammer, in die Brennkammer im speziellen über die Brenner selbst und nach der Brennkammer entweder direkt in den Gasmassenstrom oder indirekt über die Leit- oder Laufschaufeln, eventuell auch als Gemisch mit zusätzlicher Kühlluft. Vorteilhafterweise sollte die Wasser- bzw. Dampfeinspritzung an einer Stelle ohne Einfluss auf die Verbrennung bzw. die Flammenstabilität erfolgen. Nachfolgend wird daher allgemein nur von der Zuführung eines zusätzlichen Arbeitsmittels zur Gasturbinenanlage bzw. vom Einspritzpunkt gesprochen.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zeichnet sich aus durch eine Druckluftquelle, eine Brennkammer und eine Turbine, durch eine Brennstoffleitung zur Zufuhr eines Brennstoffes zur Brennkammer und durch eine Arbeitsmittelleitung zur Zufuhr des zusätzlichen Arbeitsmittels zum Einspritzpunkt und durch ein Regelgerät zur Steuerung des jeweiligen Massenstromes durch die Brennstoffleitung und die Arbeitsmittelleitung, in welchem Regelgerät der Wert des maximal zulässigen positiven Temperaturgradienten der Gasturbinenanlage gespeichert ist und welches Regelgerät den jeweiligen Massenstrom durch die Brennstoffleitung und die Arbeitsmittelleitung derart steuert, dass der Wert des maximal zulässigen positiven Temperaturgradienten der Gasturbinenanlage nicht überschritten wird.
Ein Kombikraftwerk mit einer Gasturbinenanlage mit einem Generator und einem Regelgerät zur Steuerung des Massenstromes des Brennstoffes und des zusätzlichen Arbeitsmittels zur Begrenzung des positiven Temperaturgradienten und der Beanspruchung von Bauteilen der Gasturbinenanlage enthält einen durch das Abgas der Gasturbine beheizten Abhitzekessel und einen Dampfturbosatz, wobei das zusätzliche Arbeitsmittel aus dem Wasser-/Dampf-Kreislauf des Kombikraftwerkes abgezweigtes Kaltwasser, Warmwasser, Heisswasser, Sattwasser, Nassdampf, Sattdampf oder überhitzter Dampf ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Das erfindungsgemässe Verfahren wird nachfolgend anhand vereinfachter Diagramme und die erfindungsgemässe Vorrichtung anhand von Prinzipskizzen dargestellt.
1 ist ein Diagramm, welches vereinfacht den Verlauf der für den Erfindungsgedanken wesentlichen Parameter einer Gasturbinenanlage beim Anfahren zur grundsätzlichen Erläuterung zeigt;
2 ist ein Diagramm entsprechend dem der 1, in welchem der Verlauf dieser Parameter gemäss einer ersten Ausführung der Erfindung dargestellt ist;
3 zeigt eine Gasturbinenanlage mit getrennter Zufuhr von Brennstoff und zusätzlichem Arbeitsmittel;
4 zeigt eine Gasturbinenanlage mit der Zufuhr eines Gemisches aus Brennstoff und zusätzlichem Arbeitsmittel;
5 zeigt eine Gasturbinenanlage mit einem Regelgerät zur Steuerung der der Gasturbinenanlage zugeführten Massenströme, und
6 zeigt vereinfacht ein Kombikraftwerk mit einem Abhitzekessel.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Vorerst soll allgemein festgehalten werden, dass unter Brennstoff Gas oder Öl zu verstehen ist, wobei der Brennstoff gegebenenfalls vorgewärmt und mit Zusätzen versehen sein kann. Das zusätzliche Arbeitsmittel kann Kaltwasser, Warmwasser, Sattwasser, Nassdampf, Sattdampf und überhitzter Dampf sein. Dieses zusätzliche Arbeitsmittel kann von einem die Gasturbinenanlage enthaltenen Gesamtsystem oder aus einer externen Quelle beispielsweise einem Heisswassernetz oder einem Dampfnetz stammen. Ist der Gasturbinenanlage ein Abhitzekessel möglicherweise eines Kombikraftwerkes zugeordnet, kann das zusätzliche Arbeitsmittel an jeder zweckmässigen Stelle dem Abhitzekessel bzw. dem Wasser-/Dampf-Kreislauf entnommen werden.
Das zusätzliche Arbeitsmittel muss in jedem Fall so aufbereitet sein, dass es den Bedingungen der Gasturbinenanlage entspricht.
In den 1–2 sind die für den Erfindungsgedanken wesentlichen Parameter auf der Ordinatenachse in angegeben. Auf der Abszissenachse ist die Zeit T aufgetragen.
Zur Vereinfachung der Erläuterungen wird bei instationären Prozessen, d. h. bei den für die Erfindung wesentlichen Vorgängen des Anfahrens und der Leistungssteigerung, von einer linearen Abhängigkeit der Parameter der Gasturbinenanlage von der Zeit bzw. von konstanten Parametergradienten und einer proportionalen Abhängigkeit dieser Parameter ausgegangen. Die in der Praxis anzutreffende komplexe und nichtlineare Abhängigkeit dieser Parameter ist für den Erfindungsgedanken jedoch unwesentlich.
Weiterhin wird angenommen, dass das Anfahren der Gasturbinenanlage mit dem Zünden zum Zeitpunkt T₀ erfolgt. Nach einer gewissen Zeit T₁ ist bei einer bestimmten Temperatur die Nenndrehzahl der Gasturbinenanlage erreicht. Gleichzeitig wurde die Netzsynchronisation durchgeführt und es beginnt die Abgabe von Leistung.
Zur Definition der nachfolgend dargestellten Parameter sei vermerkt, dass die Temperatur t ein für das System kritischer Parameter aus Gründen unterschiedlicher Dehnungen der Bauteile der Gasturbinenanlage, infolge durch Temperaturgradienten hervorgerufener Spannungen, infolge Veränderung der Werkstoffeigenschaften und dergleichen in bestimmten Betriebszuständen und während transienter Vorgänge ist. Dies findet seinen Ausdruck in einer maximal zulässigen Temperatur und einem maximal zulässigen Temperaturgradienten. Da diese Temperaturanforderungen von den konstruktiven Besonderheiten, den Parametern, den Werkstoffen usw. der konkreten Gasturbinenanlage abhängen, soll nachfolgend nur von einer Temperatur bzw. einem Temperaturgradienten gesprochen werden.
Die Leistung P kennzeichnet die an die Welle abgegebene Leistung der Gasturbinenanlage. Der Brennstoff und das zusätzliche Arbeitsmittel sind durch Massenströme m_BR (Brennstoffmassenstrom) und m_ZAM (Massenstrom des zusätzlichen Arbeitsmittels) gekennzeichnet.
In der 1 ist nun ein normaler Anfahrvorgang dargestellt. Mit dem Zünden der Brenner zum Zeitpunkt T0 beginnt die kontinuierliche Erhöhung der Brennstoffzufuhr und damit die Aufheizung des Systems.
Ohne auf den Zusammenhang zwischen Brennstoffmassenstrom und Luftmassenstrom im nachfolgenden näher einzugehen, wird in den nachfolgenden Erläuterungen für den Fall von Änderungen des Brennstoffmassenstromes abhängig von der jeweiligen Gasturbinenanlage auch von entsprechenden Anpassungen des Luftmassenstromes ausgegangen.
Zum Zeitpunkt T₁ ist die Nenndrehzahl erreicht und es beginnt die Leistungsabgabe. Zum Zeitpunkt T₂ sind die Parameter der Grenzdauerleistung entsprechend erreicht.
Dieser Anfahrvorgang wurde mit dem für das System maximal zulässigen Temperaturgradienten durchgeführt. Mit dem Erreichen der Grenzdauerleistung wurde auch die für das System maximal zulässige Temperatur erreicht.
Entweder direkt im Anschluss oder zu einem späteren Zeitpunkt kann bei konstanter maximal zulässiger Temperatur durch Einspritzung eines zusätzlichen Arbeitsmittels bei gleichzeitiger Erhöhung der Zufuhr des Brennstoffmassenstromes die Leistung weiter bis zur Grenzleistung erhöht werden.
Es wird nun auf die 2 verwiesen. Gemäss einem ersten Erfindungsgedanken, wird beim Anfahren beginnend zum Zeitpunkt T₀ der Gasturbinenanlage nicht nur zunehmend Brennstoff und Verbrennungsluft zugeführt, sondern gleichzeitig ein den Massenstrom erhöhendes, zusätzliches Arbeitsmittel, beispielsweise Kaltwasser, Warmwasser, Heisswasser, Sattwasser, Nassdampf, Sattdampf oder überhitzter Dampf.
Bei einem unveränderten maximal zulässigen Temperaturgradienten können nun durch gleichzeitige Zuführung eines zusätzlichen Arbeitsmittels die Brennstoffzufuhr und damit die Leistung im Vergleich zu dem in 1 dargestellten Anfahrvorgang erhöht werden. Dies führt als Folge zu einer früheren Leistungsabgabe, insbesondere aber zu einem grösseren Leistungsgradienten. Die Grenzdauerleistung wird nun bei einer niedrigeren Temperatur gefahren. Erst mit der Grenzleistung wird die maximal zulässige Temperatur erreicht.
Analog zu dem in 1 beschriebenen Vorgang kann man die Grenzdauerleistung oder direkt die Grenzleistung anfahren.
Zu den 1–2 bzw. den beschriebenen Anfahrvorgängen sei vermerkt, dass mit diesen Vorgängen jede beliebige Leistung zwischen 0 und der Grenzleistung angefahren werden kann. Die einzelnen Fahrweisen können auch bei beliebigen Ist-Leistungen beginnen. Im Sinne von ”Primary Response” muss die in 2 beschriebene Fahrweise mit maximalem Leistungsgradienten aus jedem beliebigen Betriebszustand heraus realisierbar sein.
Selbstverständlich ist die beschriebene Fahrweise auch in umgekehrter Richtung, d. h. für ein schnelles bzw. schonendes Abfahren der Gasturbinenanlage einsetzbar.
Die 3–6 zeigen verschiedene Anlagen zur Durchführung des Verfahrens.
3 zeigt vereinfacht eine Gasturbinenanlage 1, welche eine Druckluftquelle 2, eine Brennkammer 3 und eine Turbine 4 enthält. Die Druckluftquelle 2 kann ein Verdichter sein, jedoch auch beispielsweise in einer Kaverne gespeicherte Druckluft. Durch die Brennstoffleitung 6 wird der Brennstoff der Brennkammer 3 zugeführt und durch die Arbeitsmittelleitung 7 wird das zusätzliche Arbeitsmittel, also Wasser oder Dampf zugeführt. Der Brennstoff und das zusätzliche Arbeitsmittel werden bei dieser Ausführung getrennt in die Brennkammer 3 hineingeführt und erst in der Brennkammer 3 miteinander vermischt.
Die Brennkammer als Einspritzpunkt des zusätzlichen Arbeitsmittels ist nur als Beispiel in den Figuren und in den Erläuterungen zu verstehen. Bereits in den vorangehenden Erläuterungen wurde darauf verwiesen, dass für die Zuführung des zusätzlichen Arbeitsmittels abhängig von den konstruktiven Gegebenheiten der Gasturbinenanlage der Bereich zwischen dem Verdichteraustritt und der Turbine in Frage kommt.
Gemäss der Ausführung nach 4 wird der durch die Brennstoffleitung 6 zuströmende Brennstoff und das durch die Arbeitsmittelleitung 7 zuströmende zusätzliche Arbeitsmittel in einer Mischvorrichtung 8 vermischt und als Gemisch über die Gemischleitung 10 der Brennkammer 3 zugeführt.
Die 5 zeigt eine Gasturbinenanlage, wobei hier die Druckluftquelle 2 ein Verdichter ist und die Turbine 4 als Antrieb dient, beispielsweise eines Kompressors 9 zur Verdichtung eines Gases oder einer Pumpe zur Förderung eines Mediums. Offensichtlich könnte hier auch ein Generator vorhanden sein. Die Brennstoffleitung 6 weist ein Regelorgan 11 und die Arbeitsmittelleitung 7 ein weiteres Regelorgan 12 auf. Die Regelorgane 11 und 12 werden von einem Regelgerät 13 gesteuert. Ein solches Regelgerät 13 ist auch bei den Ausführungen nach 3, 4 und 6 vorhanden.
Im Regelgerät 13 sind beispielsweise die zu bestimmten Temperaturen/Temperaturgradienten fahrbaren Leistungen/Leistungsgradienten bzw. die zu bestimmten Fahrregimen gehörenden Massenströme/Massenstromgradienten für Brennstoff und zusätzliches Arbeitsmittel mit den entsprechenden Grenzwerten für das System gespeichert.
Das Regelgerät 13 kann ebenso für jeden transienten Zustand abhängig vom Zustandspunkt nach Vorgabe der konkreten Eigenschaften von Brennstoff und zusätzlichem Arbeitsmittel die erforderlichen Parameter ermitteln.
Abhängig von einem vorgegebenen Anfahrprogramm werden durch das Regelgerät 13 das Regelorgan 11 und das weitere Regelorgan 12 gesteuert. Dabei werden die Massenströme derart gesteuert, dass der Wert des maximal zulässigen positiven Temperaturgradienten bzw. des maximal zulässigen positiven Leistungsgradienten der Gasturbinenanlage in keinem Fall überschritten wird, abhängig davon, ob eine schnellstmögliche oder eine möglichst schonende Leistungserhöhung erfolgen soll.
Zur Erhöhung der Genauigkeit der Vorgänge beim Anfahren und bei Lastwechseln können die Massenströme m_BR und m_ZAM in der Brennstoffleitung 6 und der Arbeitsmittelleitung 7, die von der Welle abgegebene Leistung P und die für die Gasturbinenanlage 1 repräsentative Temperatur t gemessen und dem Regelgerät 13 zur Korrektur der Massenströme in den Leitungen über die Regelorgane 11 und 12 aufgeschalten werden.
Die 6 zeigt ein Kombikraftwerk mit einer Gasturbinenanlage 1 einschliesslich einem Verdichter 2, einer Brennkammer 3, einer Turbine 4 sowie einem Generator 5.
Der beispielsweise als Trommelkessel ausgebildete Abhitzekessel 14 enthält einen Economizer 15, einen Verdampfer 16 mit der Trommel 17 und einen Überhitzer 18. Der im Abhitzekessel 14 erzeugte Dampf wird einer Kondensation-Dampfturbine 19 zugeführt, die mit einem Generator 20 verbunden ist.
Weiter sind der Kondensator 21 und die Speisewasserpumpe 22 des Wasser-/Dampf-Kreislaufs der Kombianlage dargestellt.
Es ist eingangs ausgesagt worden, dass das zusätzliche Arbeitsmittel zur Erhöhung des Massenstromes durch die Turbine Kaltwasser, Warmwasser, Heisswasser, Sattwasser, Nassdampf, Sattdampf oder überhitzter Dampf sein kann. Dieses zusätzliche Arbeitsmittel wird über die Arbeitsmittelleitung 7 der Brennkammer 3 zugeführt. Abhängig davon, ob das zusätzliche Arbeitsmittel Wasser oder Dampf in einem der vorgenannten Zustände ist, kann dieses von einer geeigneten Stelle des Wasser-/Dampf-Kreislaufs der Kombianlage entnommen werden, so wie mit der Quellenstelle 23 angedeutet ist.
Bezugszeichenliste

T: Zeit (Abszissenachse)
T₀: Zeitpunkt Zünden
T₁: Zeitpunkt Synchronisieren
T₂: Zeitpunkt Grenzdauerleistung erreicht
T: Temperatur
P: Leistung
m_ZAM: Massenstrom des zusätzlichen Arbeitsmittels
m_BR: Massenstrom des Brennstoffes
1: Gasturbinenanlage
2: Druckluftquelle/Verdichter
3: Brennkammer
4: Turbine
5: Generator
6: Brennstoffleitung
7: Arbeitsmittelleitung
8: Mischvorrichtung
9: Vorrichtung (Kompressor, Pumpe)
10: Gemischleitung
11: Regelorgan für Brennstoff
12: Weiteres Regelorgan für zusätzliches Arbeitsmittel
13: Regelgerät
14: Abhitzekessel
15: Economizer
16: Verdampfer
17: Trommel
18: Überhitzer
19: Kondensations-Dampfturbine
20: Generator
21: Kondensator
22: Speisewasserpumpe
23: Quellenstelle

Claims

Verfahren zum Anfahren und zur Leistungssteigerung einer Gasturbinenanlage (1) mit einer Druckluftquelle (2), einer Brennkammer (3) und einer Turbine (4), wobei der der Gasturbinenanlage (1) zugeführte Brennstoffmassenstrom erhöht und gleichzeitig ein den die Turbine (4) durchströmenden Massenstrom erhöhendes, zusätzliches Arbeitsmittel zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche Arbeitsmittel Kaltwasser, Warmwasser, Heisswasser, Sattwasser, Nassdampf, Sattdampf oder überhitzter Dampf ist und der Gasturbinenanlage (1) ein festgelegter, maximal zulässiger positiver Temperaturgradient zugeordnet ist, wobei der zugeführte Massenstrom des zusätzlichen Arbeitsmittels und der zugeführte Brennstoffmassenstrom derart gesteuert werden, dass das Anfahren und die Leistungssteigerung der Gasturbinenanlage (1) mit einem maximalen Leistungsgradienten erfolgen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Brennstoff und das zusätzliche Arbeitsmittel der Gasturbinenanlage (1) getrennt zugeführt und erst in der Gasturbinenanlage (1) miteinander vermischt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Brennstoff und das zusätzliche Arbeitsmittel an einer Stelle (8) vor der Gasturbinenanlage (1) miteinander vermischt werden und das damit entstandene Gemisch in die Gasturbinenanlage (1) eingebracht wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche Arbeitsmittel in den die Gasturbinenanlage (1) durchströmenden Massenstrom an einer Stelle innerhalb eines vom Verdichteraustritt über die Brennkammer (4) bis hin zur Turbine reichenden Bereiches eingespritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das zusätzliche Arbeitsmittel in die Turbine eingespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche Arbeitsmittel direkt oder indirekt, vorzugsweise mit Kühlluft, über die Leit- und/oder Laufschaufeln in den die Gasturbinenanlage (1) durchströmenden Massenstrom eingespritzt wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Druckluftquelle (2), eine Brennkammer (3) und eine Turbine (4), eine Brennstoffleitung (6) zur Zufuhr des Brennstoffes, durch eine Arbeitsmittelleitung (7) zur Zufuhr des zusätzlichen Arbeitsmittels zur Gasturbinenanlage (1), und durch ein Regelgerät (13) zur Steuerung des jeweiligen Massenstromes durch die Brennstoffleitung (6) und die Arbeitsmittelleitung (7), in welchem Regelgerät (13) der Wert des maximal zulässigen, positiven Temperaturgradienten und des maximalen Leistungsgradienten der Gasturbinenanlage (1) gespeichert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6 wobei im Regelgerät (13) der Wert des maximal zulässigen positiven Temperaturgradienten der Gasturbinenanlage (1) gespeichert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelgerät (13) derart ausgebildet ist, dass es den zugeführten Massenstrom des zusätzlichen Arbeitsmittels und den zugeführten Brennstoffmassenstrom derart steuert, dass das Anfahren und die Leistungssteigerung der Gasturbinenanlage (1) mit einem maximalen Leistungsgradienten erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Mischvorrichtung (8), zu welcher eine Brennstoffleitung (6) und eine Arbeitsmittelleitung (7) führen und von welcher eine Gemischleitung (10) für das aus Brennstoff und zusätzlichem Arbeitsmittel bestehende Gemisch zur Gasturbinenanlage (1) verläuft.
Gasturbinenanlage mit einer Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluftquelle (2) ein Verdichter ist und die Turbine (4) mit einer Vorrichtung (9) zum Verdichten oder Pumpen eines Fluids oder mit einem Generator (5) verbunden ist.
Kombikraftwerk mit einer Gasturbinenanlage (1) nach Anspruch 9 mit einem Verdichter (2), einer Brennkammer (3), einer Turbine (4), einem Generator (5) und mit einem durch das Abgas der Turbine (4) beheizten Abhitzekessel (14) und einem Dampfturbosatz (19, 20), dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche Arbeitsmittel aus dem Wasser-/Dampf-Kreislauf des Kombikraftwerkes entnommen wird.