EP2627883A1 - Verfahren zum betreiben einer gasturbine bei lastabwurf, vorrichtung zum regeln des betriebs einer gasturbine sowie kraftwerk - Google Patents
Verfahren zum betreiben einer gasturbine bei lastabwurf, vorrichtung zum regeln des betriebs einer gasturbine sowie kraftwerkInfo
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- EP2627883A1 EP2627883A1 EP11781771.8A EP11781771A EP2627883A1 EP 2627883 A1 EP2627883 A1 EP 2627883A1 EP 11781771 A EP11781771 A EP 11781771A EP 2627883 A1 EP2627883 A1 EP 2627883A1
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Definitions
- the invention relates to a method for operating a gas turbine during load shedding and / or during quick closing with the steps: operating the gas turbine by burning fuel in at least one combustion chamber of the gas turbine with the addition of combustion air.
- the inven ⁇ tion relates to a device for controlling the operation of a gas turbine, with which a method for operating a gas turbine during load shedding and / or quick closure is feasible and a power plant comprising a gas turbine with at least ⁇ at least one combustion chamber and a compressor wherein the combustion chamber from the compressor provided combustion air and fuel can be fed.
- the stationary gas turbines usually drive an electric generator, which feeds the electrical energy generated by it into a power distribution network.
- the shaft train of the power plant which includes the genera ⁇ torrotor and the gas turbine rotor rotates duringdes ⁇ sen with the grid frequency of the electrical power distribution network: at 50 Hz mains frequency with a speed of 3000 min -1 and 60 Hz mains frequency with a speed of 3600 min - 1 .
- the speed is imposed on the shaft train from the mains frequency due to the mostly synchronous generators.
- the load decelerating the gas turbine rotor falls away.
- the speed of the Wel ⁇ lenstrangs is no longer specified by the grid frequency.
- Admission of the aforementioned case which is also known as load shedding, so far the fuel valves have been closed to an extent necessary for idling operation. If a multi-stage burner system is present, all burner stages, with the exception of those necessary for idling operation, switched off and their fuel valves are closed.
- Due to the self-adjusting in the gas turbine Druckgeponent ⁇ les concluded between the Brennstoffventi ⁇ len and the fuel nozzles escapes into the fuel line verblie ⁇ bene proportion of fuel into the combustion chamber. In the combustion chamber, this fuel fraction supports the combustion that is still taking place, as a result of which the rotor is still driven in the turbine unit. This accelerates the rotor of the gas turbine or the shaft train, so that the speed increases sharply and rises to a so-called overspeed. Since ⁇ falls after the speed again and the gas turbine is operated at idle.
- a similar method is known in the case of the quick closure.
- a quick-closing is usually triggered in the case of a Be ⁇ dysfunction of the gas turbine or power plant. Again, the generator is disconnected from the power distribution network. In addition, however, all fuel valves are closed and the combustion stopped as quickly as possible. In this case too, the fuel which relaxes from the lines between fuel valves and burner nozzles still ensures a short speed acceleration of the gas turbine. Thereafter, however, the rotor runs out and is held only at ge ⁇ ringer speed of a few hundred revolutions per minute in the so-called turn-operation to ab ⁇ cool the gas turbine.
- US Pat. No. 5,680,753 proposes to temporarily set the fuel quantity of premix burners during load shedding by means of a control valve and a bypass valve connected in parallel thereto .
- US 5,896,736 proposes to change the ratio of the fuel-air mixture in the short term.
- a correction signal for the position of the Ver Whyreinlassleitschaufein is generated during the load shedding, by which they continue to turn for a predetermined period of time.
- a small amount of compressor air flows into the burner, whereby the fuel-air mixture is enriched.
- WO 99/54610 Al discloses the purging of fuel lines and burner stages of a gas turbine with air after a load shedding. Accordingly, the still present in the lines of fuel with increased pressure in the combustion ⁇ chamber is fed. This leads to an undesirable Extend the previous combustion process with a correspondingly increased overspeed.
- gas turbines also see polykalori- fuels, such as syngas fired who can ⁇ .
- Such gas turbines have - compared to gas turbines with identical rated power, which are operated with high calorific fuel, much larger wire cross-sections for the fuel lines in order to provide the appropriate amount of energy as well.
- the object of the invention is therefore to provide a method for operating a gas turbine during load shedding and / or quick closing, with which the smallest possible over ⁇ speed and / or a low speed acceleration can be realized Siert.
- Another object of the invention is the Be ⁇ provision of a device for controlling the operation of a gas turbine, with which the overspeed of the gas turbine can be reduced in load shedding and quick closure.
- Another object of the invention is to provide a power station, in which also the disadvantages mentioned safely ver ⁇ avoided.
- the object relating to the method object is achieved with a ⁇ Ver drive for operating a gas turbine during load disconnection and quick-dissolved, which according to the features of the
- Patent claim 1 is configured.
- the solution of the object directed to the device comprising the features of at ⁇ entitlement 7.
- the object relating to a power plant object is achieved with such according to the features of claim 9.
- the invention is based on the finding that the acceleration of the rotor speed and the overspeed also depend on the Pressure level in the combustion chamber and its time course are dependent.
- additional refers to the amount of fuel and the amount of combustion air, which would otherwise be fed into the combustion chamber of the gas turbine after load shedding or rapid closure - without appropriate action.
- the maximum overspeed is limited at load shedding or quick closing, with the result that the rotating components undergo a lower mechanical load and also a low centrifugal load.
- This extends the life of the rotating components and protects the compo ⁇ nents from damage.
- gas volume Compressed air used.
- other media such as nitrogen or the like to maintain a higher pressure in the combustion chamber after the load shedding or rapid closure are fed.
- the gas volume can be removed from a correspondingly dimensioned gas storage tank or gas tank.
- gas turbines which are designed for operation with low calorific fuel and having a so-called Heilentsleyleitun
- the gas volume of this air extraction line can be removed.
- Such gas turbines usually have an air extraction line when compressed air is needed for the production of low calorific fuel.
- the amount of air taken represents a significant proportion of the total compressor mass flow.
- the compressed air is supplied to an air separation plant. Part of the decomposed air is then used to produce the low calorific fuel. Since the usual way such air extraction lines are relatively long - usually 100m and longer - they have a corre sponding volume.
- the air bleed pipe in operation continuously fed Ver compressor air input side and the output side is ent ⁇ taken, it can be considered also as a reservoir for a volume of gas and used.
- a comparatively large amount of air ⁇ stored in the air extraction line which is then not supplied to the Luftzerlegungsstrom in the case of load shedding or fast conclusion. Rather, then present therein air entgege their previous flow direction back to gas turbine compressor and then on to the combustion chamber In order to supply these as additional gas volume of the combustion chamber this is only necessary that the existing in the air extraction line existing valve remains open at load shedding and quick closing.
- the method may preferably be performed at power plants where a gas turbine in operation drives an electrical generator connected to a power distribution network and wherein the load shedding is by a sudden reduction of the electric power to be supplied by the generator or by disconnecting the generator from the power distribution network he follows.
- inventive method can advantageously be used even when the Lastab ⁇ litter or quick-closing occurs unexpectedly or is only simulated.
- the latter is required, for example in the commissioning ⁇ drive reduction newly created gas turbine systems where the intended operation of the gas turbine must be demonstrated to the operator.
- the device according to the invention comprises an input with which a signal representing the load state of the gas turbine or a signal representing the coupling state of the generator and the power distribution network can be fed.
- the device comprises an output whose signal controls an actuator by means of which a combustion chamber of the gas turbine in the normal operation of the gas turbine is not provided for supplying into the combustion chamber gas volume can be supplied, wherein a unit is provided which theönsig ⁇ nal depending on Input signal controls, preferably according to the methods described above.
- the power plant according to the invention comprises a gas turbine with at least one combustion chamber and a compressor, wherein the combustion chamber provided by the compressor combustion air and fuel can be fed.
- Power plant also has a space filled with a gas volume, and means are provided with which in load shedding and / or quick closing the gas volume in addition to
- FIG 1 Shown schematically are a power plant with some components of a gas turbine and a generator coupled thereto; a time-pressure diagram of the pressure in a Brennkam mer the gas turbine; a time-rotation diagram of the gas turbine rotor; an alternative to FIG 1 embodiment of the inventions ⁇ to the invention power plant in a schematic representation
- a power plant 10 is shown in a schematic representation.
- the power plant 10 comprises a gas turbine 12 and a generator 14 coupled thereto. In operation, the latter feeds the electrical energy generated by it into a power distribution network 15 during operation.
- the power plant 10 may further include a steam turbine.
- the coupling of the generator 14 with the gas turbine 12 or the steam turbine ⁇ he is known to follow the connection of the gas turbine rotor 16 and possibly the steam turbine rotor with the rotor 18 of the generator 14 to a shaft train.
- components of the gas turbine 12 shown here are the compressor 20, the combustion chamber 22 and the turbine unit 24.
- the Brennkam- mer 22 may be configured on the one hand as an annular combustion chamber.
- the combustion chamber 22 may also include a plurality of combustion chambers, which are known as tube combustion chambers.
- the gas turbine 12 shown in FIG. 1 is equipped for operation with a low-calorie fuel F, for example synthesis gas or the like, which can be fed to the combustion chamber 22 via a corresponding fuel line 26 and main burner connected thereto.
- a fuel valve 27 is arranged, which shuts off the supply of fuel F in the combustion chamber 22 via the main burner at load shedding. If the gas turbine 12 is also equipped with pilot burners, they will continue to be supplied with fuel even during load shedding.
- the compressor 20 is designed and dimensioned such that it draws in during operation much more ambient air U and compresses than the amount required for the combustion of the supplied fuel F ⁇ .
- the gas turbine 12 includes a Lucasent ⁇ acquisition line 28, taken out through the compressor end and a larger amount of, for example, to a non Darge ⁇ introduced air separation plant can be forwarded.
- the removal of Verêtrend Kunststoff for Heilzerlegungsstrom can be controlled via a valve 30, which übli ⁇ cher way in the immediate vicinity of the compressor housing is seen before ⁇ .
- the valve 30 is arranged in the air extraction line 28 on the input side.
- Air passages introduced into the combustion chamber 22 The addition of fuel into the combustion chamber 22 via
- Power distribution network 15 feeds.
- FIG. 3 the rotational speed of the gas turbine rotor 16 and the generator rotor 18 rigidly coupled thereto are shown, wherein the rotational speed n0 is predetermined by the grid frequency of the power distribution network 15 until the time t0.
- a load rejection a for example, by an unplanned separation of the generator 14 from the power ⁇ distribution network 15. Because of the loss of contact of the genes ⁇ rators 14 to the power distribution network 15, the speed of the rotors 16, 18 are no longer on the mains frequency of the power distribution network 15 predetermined. Likewise, the braking effect that produced the electrically interrogated power so far falls away.
- the pressure in the combustion chamber dropped relatively quickly after load shedding.
- the previous course of the combustion chamber pressure p is shown schematically in FIG. 2 with a dashed line type as a characteristic curve 42. As a result, set a speed curve, as shown in FIG 3 in the dashed line shown characteristic 40.
- the speed of the rotors increased with a large gradient - that is comparatively fast - up to a maximum overspeed nl and then decreased with a comparably large, but signed gradient after a short undershoot on the target speed nO again.
- Combustion chamber 22 flows.
- the air extraction line 28 thus serves as a gas storage. Due to the provision of the additional volume of gas from the air extraction conduit 28 and the delivery of the volume of gas stored therein into the combustion chamber 22, the pressure drop in the combustion chamber 22 can be retarded compared to the prior art. This is shown in FIG.
- the solid line curve 44 shown therein shows that in its drop
- combustion chamber 22 shown schematically in FIGS. 1 and 4 is now equipped as an annular combustion chamber or as a so-called tube combustion chamber, of which the gas turbine can have, for example, two or substantially more.
- the solution shown in FIG. 4 is also particularly suitable for stationary gas turbines which are to be operated for operation with high or higher calorific fuel since, as a rule, such gas turbines 12 have no significant removal of compressor air, apart from that in the turbine unit and in the combustion chamber used cooling and
- the compressor 20 illustrated in FIG. 4 is suitably dimensioned for the thermal power output provided in the turbine unit 24.
- Both embodiments each comprise a device 34 for regulating the operation of the gas turbine 12.
- the device 34 comprises at least one input E, which represents a signal representing the load state of the gas turbine 12 or the coupling state of generator 14 and power distribution network 15 representing signal can be fed. Further, the device 34 comprises an output 38 whose signal controls an actuator, that is, the valve 30, with the help of the
- Combustion chamber 22 of the gas turbine 12 a in the operation of Gastur- bine 12 not provided for supplying into the combustion chamber 22 gas volume can be fed.
- FIGS. 1 and 4 merely serve to explain the invention and are not restrictive of it. So can in particular several
- Combustion chambers 22 may be provided, each comprising a pilot burner and a main burner, each having one or more stages.
- the description of the invention is given by way of example with gaseous fuel. However, the use of gaseous fuel is not mandatory.
- the invention relates to a method for limiting an overspeed of a gas turbine 12 during load shedding comprising the steps of: operating the gas turbine 12 by combusting fuel F in a combustion chamber 22 of the gas turbine 12 and adding combustion air. Furthermore, the invention relates to a device 34 for controlling such an operation and a power plant 10 with a gas turbine 12 and a generator 14. In order to further reduce the maximum overspeed of the gas turbine rotor 16 during load shedding, it is proposed that with or immediately after the load shedding of the combustion chamber 22 additionally a gas volume is supplied, in addition to the otherwise supplied combustion air of the otherwise supplied fuel stream.
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Begrenzen einer Überdrehzahl einer Gasturbine (12) bei Lastabwurf mit den Schritten: Betreiben der Gasturbine (12) durch Verbrennen von Brennstoff (F) in einer Brennkammer (22) der Gasturbine (12) und Zugabe von Verbrennungsluft. Weiter betrifft die Erfindung eine Vorrichtung (34) zum Regeln eines solchen Betriebes und ein Kraftwerk (10) mit einer Gasturbine (12) und einem Generator (14). Um die maximale Überdrehzahl des Gasturbinenrotors (16) bei Lastabwurf oder Schnellschluss weiter zu verringern, wird vorgeschlagen, dass mit oder unmittelbar nach dem Lastabwurf der Brennkammer (22) zusätzlich ein Gasvolumen zugeführt wird, neben der ansonsten zugeführten Verbrennungsluft des ansonsten zugeführten Brennstoffstroms.
Description
Beschreibung
Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine bei Lastabwurf, Vorrichtung zum Regeln des Betriebs einer Gasturbine sowie Kraftwerk
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine bei Lastabwurf und/oder bei Schnellschluss mit den Schritten: Betreiben der Gasturbine durch Verbrennen von Brennstoff in zumindest einer Brennkammer der Gasturbine unter Zugabe von Verbrennungsluft. Weiter betrifft die Erfin¬ dung eine Vorrichtung zum Regeln des Betriebs einer Gasturbine, mit welchem ein Verfahren zum Betreiben einer Gastur- bine bei Lastabwurf und/oder bei Schnellschluss durchführbar ist sowie ein Kraftwerk, umfassend eine Gasturbine mit zumin¬ dest einer Brennkammer und einem Verdichter, wobei der Brennkammer vom Verdichter bereitgestellter Verbrennungsluft und Brennstoff zuführbar ist.
Kraftwerke und stationäre Gasturbine sowie Verfahren zum Betreiben von Gasturbinen sind aus dem Stand der Technik in großem Umfang bekannt. Die stationären Gasturbinen treiben zumeist einen elektrischen Generator an, der die von ihm er- zeugte elektrische Energie in ein Stromverteilungsnetz einspeist. Der Wellenstrang des Kraftwerks, welcher den Genera¬ torrotor und den Gasturbinenrotor umfasst, dreht währenddes¬ sen mit der Netzfrequenz des elektrischen Stromverteilungsnetzes: bei 50 Hz Netzfrequenz mit einer Drehzahl von 3000 min-1 und bei 60 Hz Netzfrequenz mit einer Drehzahl von 3600 min-1. Die Drehzahl wird dem Wellenstrang von der Netzfrequenz aufgrund der zumeist synchron arbeitenden Generatoren aufgezwungen . Im Fall der unplanmäßigen Trennung des Generators vom Stromverteilungsnetz fällt einerseits die den Gasturbinenrotor abbremsende Last weg. Andererseits wird die Drehzahl des Wel¬ lenstrangs nicht mehr durch die Netzfrequenz vorgegeben. Mit
Eintritt des vorgenannten Falls, welcher auch als Lastabwurf bekannt ist, wurden bisher die Brennstoffventile auf ein für einen Leerlaufbetrieb notweniges Maß geschlossen. Sofern ein mehrstufiges Brennersystem vorhanden ist, werden alle Brennerstufen mit Ausnahme derer für den Leerlaufbetrieb notwendigen, abgeschaltet und deren Brennstoffventile geschlossen. Aufgrund des sich in der Gasturbine einstellenden Druckgefäl¬ les entweicht der zwischen den geschlossenen Brennstoffventi¬ len und den Brennstoffdüsen in der Brennstoffleitung verblie¬ bene Brennstoffanteil in die Brennkammer. In der Brennkammer unterstützt dieser Brennstoffanteil die noch stattfindende Verbrennung, wodurch in der Turbineneinheit der Rotor noch weiter angetrieben wird. Hierdurch bescheunigt der Rotor der Gasturbine bzw. der Wellenstrangs, so dass die Drehzahl stark zunimmt und auf eine so genannte Überdrehzahl ansteigt. Da¬ nach fällt die Drehzahl wieder ab und die Gasturbine wird bei Leerlauf weiterbetrieben.
Ein ähnliches Verfahren ist für den Fall des Schnellschlusses bekannt. Ein Schnellschluss wird in der Regel bei einer Be¬ triebsstörung der Gasturbine oder des Kraftwerks ausgelöst. Auch dabei wird der Generator vom Stromverteilungsnetz getrennt. Darüber hinaus werden jedoch alle Brennstoffventile geschlossen und die Verbrennung schnellstmöglich gestoppt. Auch im diesen Fall sorgt der aus den Leitungen zwischen Brennstoffventilen und Brennerdüsen sich entspannende Brennstoff noch für eine kurze Drehzahlbeschleunigung der Gasturbine. Danach läuft der Rotor jedoch aus und wird nur bei ge¬ ringer Drehzahl von einigen hundert Umdrehungen pro Minute im so genannten Turn-Betrieb gehalten, um die Gasturbine abzu¬ kühlen .
Sowohl beim Lastabwurf als auch beim Schnellschluss muss demnach sicher gestellt werden, dass die sich einstellende Dreh¬ zahlbeschleunigung nicht zu schnell erfolgt und eine be¬ stimmte Überdrehzahl nicht überschritten wird. Andernfalls können diese Betriebsfälle zu umfangreichen und dauerhaften
Beschädigungen sowohl in der Gasturbine als auch im Generator führen .
Aus diesem Grund ist es stets besonders wichtig, bei Lastab¬ wurf und Schnellschluss die Überdrehzahl des Rotors bzw. des Wellenstrangs und den Gradienten der Drehzahlbeschleunigung möglichst klein zu halten.
Um das Leitungsvolumen zwischen den Brennstoffventile und den Brennstoffdüsen so gering wie möglich zu halten, wurden daher bisher die entsprechenden Brennstoffventile so nah wie mög¬ lich an den Brennstoffdüsen angeordnet. Hierdurch konnte eine Begrenzung der Überdrehzahl erreicht werden. Der Verringerung des Abstands sind jedoch temperaturbedingte oder geometrische Grenzen gesetzt. Insgesamt besteht daher das Bestreben, die Überdrehzahl und die maximale Beschleunigung der Rotordrehzahl weiter zu verringern.
Um diesem Problem zu begegnen, schlägt die US 5,680,753 vor, beim Lastabwurf die Brennstoffmenge von Vormischbrennern mit Hilfe eines Regelventils und eines diesem parallel ge¬ schalteten Bypass-Ventils kurzzeitig einzustellen.
Gleichzeitig ist es bekannt, dass im Falle eines Lastabwurfs die Flammen in der Gasturbine verlöschen können. Um dies zu verhindern, schlägt die US 5,896,736 vor, das Verhältnis des Brennstoff-Luftgemischs kurzfristig zu verändern. Dazu wird beim Lastabwurf ein Korrektur-Signal für die Stellung der Verdichtereinlassleitschaufein generiert, durch welches diese sich für eine vorbestimmte Zeitdauer weiter zudrehen. Dadurch strömt eine geringe Menge an Verdichterluft in die Brenner ein, wodurch das Brennstoff-Luftgemisch angereichert wird.
Daneben offenbart die WO 99/54610 AI das Spülen von Brennstoffleitungen und Brennerstufen einer Gasturbine mit Luft nach einem Lastabwurf. Demgemäß wird der in den Leitungen noch vorhandene Brennstoff mit erhöhtem Druck in die Brenn¬ kammer eingespeist. Dies führt zu einer ungewünschten Ver-
längerung des bisherigen Verbrennungsprozesses mit einer entsprechend gesteigerten Überdrehzahl.
Weiter ist bekannt, dass Gasturbinen auch mit niederkalori- sehen Brennstoffen, beispielsweise Synthesegas, befeuert wer¬ den können. Derartige Gasturbinen weisen - im Vergleich zu Gasturbinen mit identischer Nennleistung, die mit hochkalorischem Brennstoff betrieben werden, wesentlich größere Leitungsquerschnitte für die Brennstoffleitungen auf, um die entsprechende Energiemenge ebenso bereitstellen zu können.
Dies hat zur Folge, dass bei Gasturbinen für niederkalorische Brennstoffe das bisherige Konzept zur Begrenzung der Über¬ drehzahl des Rotors der Gasturbine bzw. des Wellenstrangs des Kraftwerks nicht ausreichend ist.
Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung eines Verfahrens zum Betreiben einer Gasturbine bei Lastabwurf und/oder Schnellschluss , mit der eine möglichst kleine Über¬ drehzahl und/oder eine geringe Drehzahlbeschleunigung reali- siert werden kann. Weitere Aufgabe der Erfindung ist die Be¬ reitstellung einer Vorrichtung zum Regeln des Betriebs einer Gasturbine, mit welcher die Überdrehzahl der Gasturbine bei Lastabwurf und Schnellschluss verringert werden kann. Weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Kraft- werks, bei dem ebenfalls die genannten Nachteile sicher ver¬ mieden werden.
Die auf das Verfahren gerichtete Aufgabe wird mit einem Ver¬ fahren zum Betreiben einer Gasturbine bei Lastabwurf und Schnellschluss gelöst, welches gemäß den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 ausgestaltet ist. Die Lösung der auf die Vorrichtung gerichteten Aufgabe umfasst die Merkmale des An¬ spruchs 7. Die auf ein Kraftwerk gerichtete Aufgabe wird mit einem solchen nach den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass die Be¬ schleunigung der Rotordrehzahl und die Überdrehzahl auch vom
Druckniveau in der Brennkammer und dessen zeitlichen Verlauf abhängig sind.
Alle Lösungen sehen vor, mit oder unmittelbar nach dem Lastabwurf und/oder Schnellschluss der Brennkammer über eine Luftpassage zusätzlich ein Gasvolumen zuzuführen, um das Druckniveau in der Brennkammer und dessen zeitlichen Verlauf zur Erreichung des gewünschten Zweckes entsprechend
einzustellen. Der Begriff „zusätzlich" bezieht sich auf die Brennstoffmenge und die Verbrennungsluftmenge, die ansonsten nach dem Lastabwurf bzw. Schnellschluss - ohne entsprechende Maßnahme - in die Brennkammer der Gasturbine eingespeist werden würde.
Durch das schnellstmögliche Einbringen eines zusätzlichen Gasvolumens zum Brennstoff und zur Verbrennungsluft in die Brennkammer fällt das darin befindliche Druckniveau langsamer ab, verglichen mit einem Betrieb ohne Zuführung eines zusätzlichen Gasvolumens. Dies führt dazu, dass der in der Brenn¬ stoffleitung zwischen geschlossenen Brennstoffventilen und Brennstoffdüsen befindliche Restbrennstoff gegen den in der Brennkammer nun länger anstehenden erhöhten Druck sich entspannen muss, so dass unmittelbar nach dem Lastabwurf bzw. Schnellschluss zuerst eine geringere Menge an Brennstoff als bisher in die Brennkammer einströmen kann und dabei leis- tungsabgebend verbrannt wird. Die verzögerte Leistungsabgabe nach dem Schließen der Brennstoffventile führt zu einer ge¬ ringeren Beschleunigung der Rotordrehzahl. Gasturbinenrotor und der daran angekoppelte Generatorrotor als Wellenstrang des Kraftwerks reagieren dann mit einer geringeren Überdrehzahl, als es ohne Zuführung des zusätzlichen Gasvolumens der Fall gewesen wäre. Folglich wird mit dem angegebenen Verfahren die maximale Überdrehzahl bei Lastabwurf bzw. Schnellschluss begrenzt, was zur Folge hat, dass die rotierenden Bauteile eine geringere mechanische Belastung und auch eine geringe Fliehkraftbelastung erfahren. Dies verlängert die Lebensdauer der rotierenden Bauteile und schützt die Kompo¬ nenten vor Beschädigungen. Vorzugsweise wird als Gasvolumen
Druckluft verwendet. Selbstverständlich ist es auch vorstell bar, dass andere Medien z.B. Stickstoff oder Ähnliches zur Aufrechterhaltung eines höheren Drucks in der Brennkammer nach dem Lastabwurf bzw. Schnellschluss eingespeist werden.
Vorzugsweise kann das Gasvolumen einem entsprechend dimensio nierten Gasspeicher oder Gastank entnommen werden. Bei Gasturbinen, die für einen Betrieb mit niederkalorischem Brennstoff ausgelegt sind und eine so genannte Luftentnahmeleitun aufweisen, kann das Gasvolumen dieser Luftentnahmeleitung entnommen werden. Derartige Gasturbinen weisen in der Regel dann eine Luftentnahmeleitung auf, wenn Druckluft für die Herstellung des niederkalorischen Brennstoffs benötigt wird. Die entnommene Luftmenge stellt einen signifikanten Anteil des Gesamt-Verdichtermassenstroms dar. In der Regel wird die Druckluft einer LuftZerlegungsanlage zugeführt. Ein Teil der in ihre Bestandteile zerlegten Luft wird dann zur Erzeugung des niederkalorischen Brennstoffs eingesetzt. Da üblicher Weise derartige Luftentnahmeleitungen vergleichsweise lang sind - in der Regel 100m und länger - weisen sie ein entspre chendes Volumen auf.
Obwohl der Luftentnahmeleitung im Betrieb kontinuierlich Ver dichterluft eingangsseitig zugeführt und ausgangsseitig ent¬ nommen wird, kann diese auch als ein Speicher für ein Gasvolumen aufgefasst und eingesetzt werden kann. Insofern wird in der Luftentnahmeleitung eine vergleichsweise große Luft¬ menge gespeichert, die im Falle des Lastabwurfs bzw. Schnell Schlusses dann nicht der LuftZerlegungsanlage zugeführt wird Vielmehr wird dann die darin aktuell vorhandene Luft entgege ihrer bisherigen Strömungsrichtung zurück in Richtung Gastur binenverdichter und dann weiter zur Brennkammer geführt, um diese als zusätzliches Gasvolumen der Brennkammer zuzuführen Dazu ist lediglich erforderlich, dass das in der Luftentnahmeleitung eingangsseitige vorhandene Ventil bei Lastabwurf und Schnellschluss geöffnet bleibt.
Das Verfahren kann vorzugsweise bei Kraftwerken durchgeführt werden, bei welchen eine Gasturbine in Betrieb einen elektrischen Generator antreibt, welcher an ein Stromverteilungsnetz angeschlossen ist und bei dem der Lastabwurf durch eine schlagartige Reduzierung der vom Generator zu erbringenden elektrischen Leistung oder durch die Trennung des Generators vom Stromverteilungsnetz erfolgt.
Selbstverständlich kann das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhafterweise auch dann eingesetzt werden, wenn der Lastab¬ wurf oder Schnellschluss unplanmäßig erfolgt oder auch nur simuliert wird. Letzteres ist beispielsweise bei der Inbe¬ triebsetzung neu erstellter Gasturbinenanlagen erforderlich, bei denen die bestimmungsgemäße Wirkungsweise der Gasturbine dem Betreiber nachgewiesen werden muss.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen Eingang, mit welchem ein den Lastzustand der Gasturbine repräsentierendes Signal oder ein den Kopplungszustand von Generator und Stromverteilungsnetz repräsentierendes Signal zuführbar ist.
Weiter umfasst die Vorrichtung einen Ausgang, dessen Signal ein Stellorgan steuert, mit dessen Hilfe einer Brennkammer der Gasturbine ein im Normalbetrieb der Gasturbine nicht zum Zuführen in die Brennkammer vorgesehenes Gasvolumen zuführbar ist, wobei eine Einheit vorgesehen ist, die das Ausgangssig¬ nal in Abhängigkeit vom Eingangssignal steuert, vorzugsweise nach den voranbeschriebenen Verfahren.
Das erfindungsgemäße Kraftwerk umfasst eine Gasturbine mit zumindest einer Brennkammer und einem Verdichter, wobei der Brennkammer vom Verdichter bereitgestellte Verbrennungsluft und Brennstoff zuführbar ist. Erfindungsgemäß weist das
Kraftwerk zudem einen mit einem Gasvolumen gefüllten Raum auf, und es sind Mittel vorgesehen, mit denen bei Lastabwurf und/oder Schnellschluss das Gasvolumen zusätzlich zur
Verbrennungsluft und zum Brennstoff in die Brennkammer einspeisbar ist.
Die auf das Verfahren gerichteten Merkmale lassen sich in analoger Weise ebenso auf ein Kraftwerk übertragen, wobei die Verfahrensvorteile dann entsprechend auftreten. Weitere Vorteile, Merkmale und Eigenschaften der Erfindung werden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in der folgenden Zeichnung näher erläutert. Zweckmäßige Ausgestal¬ tungen ergeben sich auch durch vorteilhafte Kombinationen von Merkmalen der dargestellten erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Es zeigen: in schematischer Darstellung ein Kraftwerk mit einigen Komponenten einer Gasturbine und einen daran angekoppelten Generator; ein Zeit-Druck-Diagramm des Drucks in einer Brennkam mer der Gasturbine; ein Zeit-Drehzahl-Diagramm des Gasturbinenrotors; eine zu FIG 1 alternative Ausgestaltung des erfin¬ dungsgemäßen Kraftwerks in schematischer Darstellung
In FIG 1 ist ein Kraftwerk 10 in schematischer Darstellung gezeigt. Das Kraftwerk 10 umfasst eine Gasturbine 12 und einen daran angekoppelten Generator 14. Dieser speist im Be- trieb die von ihm währenddessen erzeugte elektrische Energie in ein Stromverteilungsnetz 15 ein. Das Kraftwerk 10 kann ferner auch eine Dampfturbine umfassen. Die Kopplung des Generators 14 mit der Gasturbine 12 bzw. der Dampfturbine er¬ folgt bekanntermaßen über das Verbinden des Gasturbinenrotors 16 und ggf. des Dampfturbinenrotors mit dem Rotor 18 des Generators 14 zu einem Wellenstrang. Weiter, hier dargestellte Komponenten der Gasturbine 12 sind der Verdichter 20, die Brennkammer 22 und die Turbineneinheit 24. Die Brennkam-
mer 22 kann einerseits als Ringbrennkammer ausgestaltet sein. Andererseits kann die Brennkammer 22 auch mehrere Verbrennungsräume umfassen, die als Rohrbrennkammern bekannt sind. Die in FIG 1 dargestellte Gasturbine 12 ist zu einem Betrieb mit einem niederkalorischen Brennstoff F, beispielsweise Synthesegas oder ähnlichem, ausgestattet, welcher der Brennkammer 22 über eine entsprechende Brennstoffleitung 26 und daran angeschlossene Hauptbrenner zuführbar ist. In der Brennstoff- leitung ist ein Brennstoffventil 27 angeordnet, welches bei Lastabwurf die Zufuhr von Brennstoff F in die Brennkammer 22 über die Hauptbrenner abgeschaltet. Sofern die Gasturbine 12 auch mit Pilotbrennern ausgestattet ist, werden diese selbst bei Lastabwurf weiter mit einem Brennstoff versorgt.
Der Verdichter 20 ist so ausgestaltet und dimensioniert, dass dieser während des Betriebs wesentlich mehr Umgebungsluft U ansaugt und verdichtet, als die für die Verbrennung des zuge¬ führten Brennstoffs F erforderliche Menge. Aus diesem Grund umfasst die Gasturbine 12 am Verdichterausgang eine Luftent¬ nahmeleitung 28, durch die eine größere Menge an Verdichterendluft entnommen und beispielsweise zu einer nicht darge¬ stellten LuftZerlegungsanlage weitergeleitet werden kann. Die Entnahme von Verdichterendluft für die LuftZerlegungsanlage kann dabei über ein Ventil 30 gesteuert werden, welches übli¬ cher Weise in unmittelbarer Nähe des Verdichtergehäuses vor¬ gesehen ist. Mit anderen Worten, das Ventil 30 ist in der Luftentnahmeleitung 28 eingangsseitig angeordnet. Während des Betriebs des in FIG 1 dargestellten ersten Aus¬ führungsbeispiels des Kraftwerks 10 wird die vom Verdichter 20 verdichtete Luft über in den Brennern vorgesehene
Luftpassagen in der Brennkammer 22 eingebracht. Die Zugabe von Brennstoff in die Brennkammer 22 erfolgt über
entsprechende Brennerstufen der Brenner. Sonach verbrennt das Brennstoff-Luft-Gemisch zu einem Heißgas. Dieses entspannt sich anschließend in der Turbineneinheit 24 an den
Laufschaufeln des Gasturbinenrotors 16 arbeitsleistend . Der
am Gasturbinenrotor 16 starr angekoppelte Generatorrotor 18 wird dadurch angetrieben, wodurch der Generator 14
währenddessen elektrische Energie erzeugt und in das
Stromverteilungsnetz 15 einspeist.
FIG 2 zeigt den Druckverlauf in der Brennkammer 22. Bis zum Zeitpunkt tO ist der Druckverlauf konstant (Normalbetrieb) , unter der Annahme, dass die Gasturbine 12 eine beliebige, je¬ doch konstante Last erbringen muss.
In FIG 3 ist die Drehzahl des Gasturbinenrotors 16 und des daran starr angekoppelten Generatorrotors 18 gezeigt, wobei die Drehzahl nO bis zum Zeitpunkt tO von der Netzfrequenz des Stromverteilungsnetzes 15 vorgegeben ist.
Zum Zeitpunkt tO tritt ein Lastabwurf ein, beispielsweise durch eine ungeplante Trennung des Generators 14 vom Strom¬ verteilungsnetz 15. Durch den Verlust des Kontakts des Gene¬ rators 14 zum Stromverteilungsnetz 15 wird die Drehzahl der Rotoren 16, 18 nicht mehr von der Netzfrequenz des Stromverteilungsnetzes 15 vorgegeben. Gleichfalls fällt die bremsende Wirkung weg, die die elektrisch abgefragte Leistung bisher erzeugte . Bei aus dem Stand der Technik bekannten Gasturbinen fiel der Druck in der Brennkammer relativ schnell nach dem Lastabwurf ab. Der bisherige Verlauf des Brennkammerdrucks p ist in FIG 2 mit gestrichelter Linienart als Kennlinie 42 schematisch dargstellt. Dadurch stellte sich ein Drehzahlverlauf ein, wie er in FIG 3 in der in gestrichelter Linienart dargestellten Kennlinie 40 wiedergegeben ist. Demnach stieg die Drehzahl der Rotoren mit großem Gradient - also vergleichsweise schnell - bis zu einer maximalen Überdrehzahl nl an und sank danach mit vergleichbar großem, jedoch vorzeichennegiertem Gradient nach einem kurzen Unterschwinger auf die Solldrehzahl nO wieder ab.
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass zum Begrenzen der Überdrehzahl einer Gasturbine 12 bei Lastabwurf mit - also zum Zeitpunkt tO - oder unmittelbar nach dem Lastabwurf - also unmittelbar nach dem Zeitpunkt tO - der Brennkammer 22 ein zusätzliches Gasvolumen zum verzögerten Druckabfall in der Brennkammer 22 zugeführt wird. In der gemäß FIG 1 darge¬ stellten Ausgestaltung des Kraftwerks 10 wird dies erreicht, indem das in der Luftentnahmeleitung 28 angeordnete Ventil 3 bei Lastabwurf nicht geschlossen wird wie bisher, sondern ge öffnet bleibt. Die sich dann einstellenden Druckverhältnisse in der Gasturbine führen dazu, dass das stromab des Ventils 30 in der Luftentnahmeleitung 28 angeordnete Gasvolumen, sprich Verdichterendluft, seine Strömungsrichtung sofort um¬ kehrt und unverzüglich über die Luftpassage in die
Brennkammer 22 einströmt. Die Luftentnahmeleitung 28 dient somit als Gasspeicher. Aufgrund der Bereitstellung des zusätzlichen Gasvolumens aus der Luftentnahmeleitung 28 und dem Zuführen des darin gespeicherten Gasvolumens in die Brennkammer 22 kann der Druckabfall in der Brennkammer 22 verzögert werden, verglichen zum Stand der Technik. Dies ist in FIG 2 dargestellt. Die darin gezeigte, in Volllinie gezeichnete Kennlinie 44 zeigt den in seinem Abfall
verzögerten Druckverlauf in der Brennkammer 22 beim
Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Durch den verzögerten bzw. langsameren Druckabfall in der Brennkammer 22 entweicht der in den Brennstoffleitungen zwischen dem Brennstoffventil 27 und den Brennstoffdüsen verbliebene Restbrennstoff langsamer in die Brennkammer 22, be¬ zogen auf das Nachströmen des verbliebenen Restbrennstoffs ohne den zusätzlich eingespeisten Gasvolumen. Dies hat zur Folge, dass erstmal weniger Restbrennstoff verbrannt und so¬ mit erstmal weniger thermische Leistung in der Brennkammer 2 erzeugt wird. Demnach gibt das Heißgas auch weniger Energie in der Turbineneinheit 24 an den Gasturbinenrotor 16 ab. Durch die zeitliche Verzögerung der Leistungsabgabe unmittel bar nach dem Lastabwurf kann die maximale Überdrehzahl n2 de Gasturbinenrotors 16 abgesenkt werden. Dies ist in FIG 3
visualisiert , bei der die mit 46 bezeichnete Kennlinie den Verlauf der Rotordrehzahl angibt, welcher nach Lastabwurf zum Zeitpunkt tO eintritt, wenn der Brennkammer 22 ein zusätzliches Gasvolumen zugeführt wird. Zwar erfolgt das Absenken auf die Nenndrehzahl nO nach Erreichen der maximalen Überdrehzahl mit geringem Gradienten und mit höherer Drehzahl als bisher, jedoch ist dies weniger bauteilbelastend als die ansonsten bisher aufgetretene Überdrehzahl nl . Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung, welche in FIG 4 schematischer dargestellt ist, kann anstelle der Luftentnahmeleitung 28 ein Gastank 36 als Gasspeicher verwendet werden, welcher beispielsweise mit Hilfe der dem Verdichter 20 entnommenen Druckluft gefüllt werden kann. Die ansons- ten aus der FIG 1 bekannten Merkmale sind in FIG 4 mit iden¬ tischen Bezugszeichen versehen.
Selbstverständlich ist es für die Erfindung unwesentlich, ob die in den Figuren 1 und 4 schematisch dargestellte Brennkam- mer 22 nun als Ringbrennkammer ausgestattet ist oder als sog. Rohrbrennkammer, von denen die Gasturbine beispielsweise 2 Stück oder auch wesentlich mehr aufweisen kann.
Die in FIG 4 dargestellte Lösung eignet insbesondere auch für stationäre Gasturbinen, die zum Betrieb mit hoch- oder höherkalorischem Brennstoff betrieben werden sollen, da in der Regel derartige Gasturbinen 12 keine signifikante Entnahme von Verdichterluft aufweisen, abgesehen von der in der Turbineneinheit und in der Brennkammer verwendeten Kühl- und
Sperrluft. Dementsprechend ist der in der FIG 4 dargestellte Verdichter 20 zur in der Turbineneinheit 24 vorgesehenen thermischen Leistungsabgabe passend dimensioniert.
Beide Ausgestaltungen umfassen jeweils eine Vorrichtung 34 zum Regeln des Betriebs der Gasturbine 12. Die Vorrichtung 34 umfasst zumindest einen Eingang E, welchem ein den Lastzustand der Gasturbine 12 repräsentierendes Signal oder ein den Kopplungszustand von Generator 14 und Stromverteilungsnetz 15
repräsentierendes Signal zuführbar ist. Ferner umfasst die Vorrichtung 34 einen Ausgang 38, dessen Signal ein Stellorgan, d.h. das Ventil 30 steuert, mit dessen Hilfe der
Brennkammer 22 der Gasturbine 12 ein im Betrieb der Gastur- bine 12 nicht zum Zuführen in die Brennkammer 22 vorgesehenes Gasvolumen zuführbar ist.
Die in den Figuren 1 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Erläuterung der Erfindung und sind für diese nicht beschränkend. So können insbesondere mehrere
Brennkammern 22 vorgesehen sein, die jeweils einen Pilotbrenner und einen Hauptbrenner mit jeweils einer oder mehreren Stufen umfassen. Die Beschreibung der Erfindung erfolgt anhand eines Beispiels mit gasförmigem Brennstoff. Die Verwen- dung von gasförmigem Brennstoff ist jedoch nicht zwingend.
Die Beschreibung der Erfindung erfolgte anhand des Beispiels eines Lastabwurfs. Dennoch gilt das voranbeschriebene ebenso für einen Schnellschluss . Zu beachten ist dabei lediglich der Unterschied, dass der Schnellschluss zum Stillsetzen der Gas¬ turbine führt.
Ingesamt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Begrenzen einer Überdrehzahl einer Gasturbine 12 bei Lastabwurf mit den Schritten: Betreiben der Gasturbine 12 durch Verbrennen von Brennstoff F in einer Brennkammer 22 der Gasturbine 12 und Zugabe von Verbrennungsluft. Weiter betrifft die Erfindung eine Vorrichtung 34 zum Regeln eines solchen Betriebes und ein Kraftwerk 10 mit einer Gasturbine 12 und einem Generator 14. Um die maximale Überdrehzahl des Gasturbinenrotors 16 bei Lastabwurf weiter zu verringern, wird vorgeschlagen, dass mit oder unmittelbar nach dem Lastabwurf der Brennkammer 22 zusätzlich ein Gasvolumen zugeführt wird, neben der ansonsten zugeführten Verbrennungsluft des ansonsten zugeführten Brenn- stoffStroms.
Claims
1. Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine (12) bei Last- abwurf und/oder Schnellschluss mit den Schritten:
Betreiben der Gasturbine (12) durch Verbrennen von Brennstoff (F) in einer Brennkammer (22) der Gasturbine (12) unter Zugabe von Verbrennungsluft über eine Luftpassage und Antrieb einer Last,
dadurch gekennzeichnet, dass
mit oder unmittelbar nach dem Lastabwurf bzw. Schnellschluss der Brennkammer (22) zusätzlich ein Gasvolumen über die Luftpassage zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
bei dem das Gasvolumen einem Gasspeicher entnommen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
bei dem als Gasvolumen Druckluft verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1,
bei dem während des Betriebs der Gasturbine (12) einem Ver¬ dichter (20) der Gasturbine (12) ein Anteil der darin verdichteten Luft über eine Luftentnahmeleitung (28) entnommen wird, und
bei dem im Falle des Lastabwurfs bzw. Schnellschlusses die in der Luftentnahmeleitung (28) strömende Druckluft als Gasvolumen verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
bei dem die Gasturbine (12) im Betrieb einen elektrischen Generator (14) antreibt, welcher an ein Stromverteilungs¬ netz (15) angeschlossen ist und bei dem der Lastabwurf durch eine schlagartige Reduzierung der vom Generator (14) zur erbringenden elektrischen Leistung oder durch die Trennung des Generators (14) vom Stromverteilungsnetz (15) erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Lastabwurf unplanmäßig erfolgt oder simuliert wird .
7. Vorrichtung (34) zum Regeln des Betriebs einer Gasturbine ( 12 ) ,
- mit einem Eingang (E) , welchem ein den Lastzustand der Gasturbine (12) repräsentierendes Signal oder ein den Kopp¬ lungszustand von Generator (14) und Stromverteilungsnetz (15) repräsentierendes Signal zuführbar ist,
- mit einem Ausgang (38), dessen Signal ein Stellorgan (30) steuert, mit dessen Hilfe einer Brennkammer (22) der Gasturbine (12) ein Gasvolumen über eine Luftpassage zuführbar ist und
- mit einer Einheit, die das Ausgangssignals in Abhängig¬ keit vom Eingangssignal steuert.
8. Vorrichtung (34) nach Anspruch 7,
zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
9. Kraftwerk (10) ,
umfassend eine Gasturbine (12) mit zumindest einer Brenn¬ kammer (22) und einem Verdichter (20), wobei der Brennkam- mer (22) vom Verdichter (20) bereitgestellter Verbrennungsluft über eine Luftpassage und Brennstoff (F) zuführbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein mit einem Gasvolumen gefüllter Raum vorhanden ist und Mittel vorgesehen sind, mit denen das Gasvolumen über die Luftpassage zusätzlich zur Verbrennungsluft und zum
Brennstoff (F) in die Brennkammer (22) einspeisbar ist.
10. Kraftwerk (10) nach Anspruch 9,
bei dem der Raum in einem Gastank (36) angeordnet ist und die Mittel eine den Gastank (36) mit der Brennkammer (22) verbindende Leitung (31) umfasst, in welcher Leitung (31) ein Stellorgan (30) zum Öffnen und Schließen der Leitung angeordnet ist.
11. Kraftwerk (10) nach Anspruch 9 oder 10,
mit einer Vorrichtung (34) nach einem der Ansprüche 7 oder 8.
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