CH663448A5

CH663448A5 - Method for operating a combined with gas-steam turbine circuit operating mechanism in partial load.

Info

Publication number: CH663448A5
Application number: CH450/83A
Authority: CH
Inventors: Zoltan Vadas; G Bela Wenczel; Zoltan Belcsak; Geze Takacsy
Original assignee: Energiagazdalkodasi Intezet
Priority date: 1982-01-27
Filing date: 1983-01-27
Publication date: 1987-12-15
Also published as: FR2526482B1; SU1517765A3; GB2117056B; FR2526482A1; IT1158321B; GB2117056A; NL8203867A; IT8283487A0; DE3302733A1; DE3302733C2; JPS58133407A; GB8301939D0

Description

663448 663448

PATENTANSPRUCH Verfahren zum Betrieb einer kombinierten, mit Gas-Dampfkreislauf arbeitenden Turbinenanlage bei Teillast, welche zum Antrieb von Arbeitsmaschinen in einem Kraftwerk oder in einer Pumpstation einer Erdgas- oder Erdölfernleitung dient, wobei die Anlage mindestens eine aus einer Dampfturbine und einer Gasturbine bestehende erste und/ oder mindestens eine aus einer Dampfturbine und zwei Gasturbinen bestehende zweite Turbinengruppe umfasst, wobei die Turbinen der bzw. jeder Gruppe wärmeseitig miteinander koppelbar sind und mit je einer Arbeitsmaschine - mit bei Vollast etwa gleicher Leistung - zu deren Antrieb verbunden sind, und der bzw. den Gasturbine(n) abgasseitig je ein Abwärmekessel mit Zusatzfeuerung nachgeschaltet ist, der zur Dampferzeugung für die zugeordnete Dampfturbine vorgesehen ist, wobei im Teillastbetrieb der Anlage eine Gasturbine abgeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, dass durch Aufsteuern der Zusatzfeuerung zumindest eines noch betriebenen Abwärmekessels der die abgeschaltete Gasturbine betreffenden Gruppe der Dampfdruck von 16-^60 bar auf 40-H50 bar und gleichzeitig die Dampftemperatur von 300-^-480°C auf 400-h540°C erhöht werden, derart, dass bei einer Teillastleistung der Anlage, die gleich oder grösser ist als die Leistungsabgabe der die Gruppe der abgeschalteten Gasturbine betreffenden Dampfturbine im Vollastbetrieb der Anlage, der eine erhöhte Arbeitskapazität aufweisende Dampf in dieser bei veränderlichen Dampfzuständen betreibbar ausgebildeten Dampfturbine die gegenüber Volllastbetrieb der Anlage gleiche Leistungsabgabe der Dampfturbine hervorruft. PATENT CLAIM Method for operating a combined gas-steam cycle turbine system at partial load, which is used to drive work machines in a power plant or in a pump station of a natural gas or oil pipeline, the system comprising at least one first and / or gas turbine or comprises at least one second turbine group consisting of a steam turbine and two gas turbines, wherein the turbines of the or each group can be coupled to one another on the heat side and are connected to their drive with a machine - with approximately the same power at full load - and the or the Gas turbine (s) on the exhaust gas side is followed by a waste heat boiler with additional firing, which is provided for generating steam for the associated steam turbine, a gas turbine being switched off in the part-load operation of the installation, characterized in that at least one waste heat boiler which is still in operation is activated by turning on the additional firing If the group relating to the shutdown gas turbine, the steam pressure is increased from 16- ^ 60 bar to 40-H50 bar and at the same time the steam temperature is increased from 300 - ^ - 480 ° C to 400-h540 ° C in such a way that at a partial load capacity of the plant, which is equal to or greater than the power output of the steam turbine relating to the group of the shutdown gas turbine when the system is operating at full load, the steam which has an increased working capacity in this steam turbine which can be operated under variable steam conditions produces the same power output of the steam turbine as the full load operation of the system.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäss dem Oberbegriff des Anspruches. The invention relates to a method according to the preamble of the claim.

Ein derartiges Verfahren ist aus der DE-OS 2 924160 bekanntgeworden. Such a method has become known from DE-OS 2 924160.

Der sogenannte kombinierte Gas-Dampf-Kreislauf liefert einen ziemlich guten Gesamtwirkungsgrad, indem die Abwärme der Gasturbinen zur Dampferzeugung für die Dampfturbinen genutzt und dadurch eine zusätzliche Antriebsleistung gewonnen wird. Ein Dampfdefizit kann mit Zusatzfeuerungen der Abwärmekessel ausgeglichen werden. Der kombinierte Kreislauf wird insbesondere bei Elektrizitätswerken verwendet; neuerdings jedoch beginnt man ihn auch als kombinierten Antrieb der Kompressoren in Pumpstationen von Erdgas-Fernleitungen einzusetzen. Die den derzeitigen Stand der Technik darstellenden Ausführungsformen richten jedoch keine entprechende Aufmerksamkeit darauf, eine Änderung der Gesamtleistung mit einem guten Wirkungsgrad durchzuführen, was jedoch wegen des Charakters des Antriebes der genannten Anlagen von ausserordentlicher Wichtigkeit ist. So ist für die Gasturbinen - bei ihren zahlreichen vorteilhaften Eigenschaften - bei Teillastantrieb ein ziemlich schlechter Wirkungsgrad charakteristisch. Hinzu kommt, dass bei geringerem Dampfdurchsatz auch der Wirkungsgrad der Dampfturbine zurückfällt, so dass eine mit Gas-Dampf-Kreislauf arbeitende Anlage bei einer den Nennwert unterschreitenden Leistung nur mit einem schlechten Wirkungsgrad betrieben werden kann. Beispielsweise beträgt der Wirkungsgrad einer 3x10 MW-Anlage 41% bei einer Leistung von 30 MW und 35% bei einer Leistung von 22,5 MW, wohingegen er bei einer Leistung von 15 MW nur 25% beträgt. The so-called combined gas-steam cycle provides a fairly good overall efficiency by using the waste heat from the gas turbines to generate steam for the steam turbines and thereby gaining additional drive power. A steam deficit can be compensated with additional firing of the waste heat boiler. The combined cycle is used particularly in power plants; recently, however, it has also started to be used as a combined drive for compressors in pumping stations for natural gas pipelines. However, the embodiments which represent the current state of the art do not pay adequate attention to carrying out a change in the overall performance with a good degree of efficiency, which is, however, of extraordinary importance because of the character of the drive of the systems mentioned. For the gas turbines - with their numerous advantageous properties - a rather poor efficiency is characteristic with part-load drive. In addition, with a lower steam throughput, the efficiency of the steam turbine also falls back, so that a system operating with a gas-steam circuit can only be operated with poor efficiency at an output below the nominal value. For example, the efficiency of a 3x10 MW system is 41% with an output of 30 MW and 35% with an output of 22.5 MW, whereas it is only 25% with an output of 15 MW.

Bei zahlreichen Anwendungsfällen (Kraftwerke mit Inselbetrieb, Pumpstationen) kommt ein Teillastbetrieb häufig vor und so tritt die Verwirklichung eines elastischen und gleichzeitig mit gutem Wirkungsgrad arbeitenden System als eine tatsächliche Forderung in Erscheinung. In numerous applications (power plants with stand-alone operation, pumping stations) a partial load operation occurs frequently and so the realization of an elastic and at the same time working with good efficiency appears as an actual requirement.

Durch die Erfindung wird die Aufgabe gelöst, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art so zu verbessern, dass eine definierte Teillastleistung der Kraftmaschinen erhalten wird. The object of the invention is to improve a method of the type mentioned at the outset in such a way that a defined partial load power of the engines is obtained.

Dies wird gemäss der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches erreicht. This is achieved according to the invention by the characterizing features of the claim.

Für den Teillastbetrieb wird mit Hilfe der auch den 02-Gehalt des Rauchgases verwertenden Zusatzfeuerung beispielsweise der bei einem Verhältnis gleichzeitig arbeitenden Gasturbinen und Dampfturbinen von 2:1 günstige Dampfdruckwert von 16-60 bar auf den bei einem Gasturbinen-Dampfturbinen-Verhältnis von 1:1 günstigen Wert von 40-150 bar erhöht, bei gleichzeitiger Erhöhung der Überhit-zungstemperatur des Dampfes von vorzugsweise 300-480°C auf 400-540°C. Mit dem auf diese Weise eine erhöhte Arbeitskapazität aufweisenden Dampf wird in einer für einen Dampfbetrieb mit veränderlichen (gleitenden) Parametern geeigneten Dampfturbine die gleichbleibende Leistungsabgabe der Dampfturbine erzeugt. For part-load operation, with the help of the additional combustion also utilizing the 02 content of the flue gas, the gas pressure and steam turbines working at a ratio of 2: 1 working simultaneously, for example, the favorable steam pressure value of 16-60 bar is reduced to that of a gas turbine-steam turbine ratio of 1: 1 Favorable value increased from 40-150 bar, while increasing the superheating temperature of the steam from preferably 300-480 ° C to 400-540 ° C. With the steam which has an increased working capacity in this way, the constant power output of the steam turbine is generated in a steam turbine suitable for steam operation with variable (sliding) parameters.

Ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird anhand der Fig. 1 und 2 erläutert. An embodiment of the method is explained with reference to FIGS. 1 and 2.

Die kombinierte Gas-Dampf turbinenanlage weist drei Einheiten I, II, III auf. Die Einheiten I und II bestehen aus je einer Gasturbine 1, Abwärmekessel 4, Zusatzfeuerung 5 und Arbeitsmaschine 2, während die Einheit III eine von einer Dampfturbine 34 angetriebene Arbeitsmaschine 2 aufweist. Im Vollastbetrieb produziert die Anlage mit den beiden Gasturbinen 1 aus dem Rauchgas der Gasturbinen ohne Verwendung der Zusatzfeuerung 5 oder mit deren geringfügigem Einsatz zusammen soviel Dampf, wie zum Betreiben der von der Dampfturbine 3 angetriebenen Arbeitsmaschine 2 mit der vollen Nennleistung ausreicht. The combined gas-steam turbine system has three units I, II, III. Units I and II each consist of a gas turbine 1, waste heat boiler 4, additional firing 5 and machine 2, while unit III has a machine 2 driven by a steam turbine 34. In full-load operation, the system with the two gas turbines 1 produces as much steam from the flue gas of the gas turbines without using the auxiliary firing 5 or with their minor use as is sufficient to operate the working machine 2 driven by the steam turbine 3 with the full nominal output.

Im Teillastbetrieb (Fig. 2) hingegen, wenn z.B. lediglich zwei Drittel der möglichen Gesamtleistung benötigt wird, wird die eine Gasturbine 1 der Einheit I mit der von ihr angetriebenen Arbeitsmaschine 2 abgestellt. Die weiterarbeitende Gasturbine 1 der Einheit II wird mit voller Belastung und gutem Wirkungsgrad auf die Weise gefahren, dass die an den noch betriebenen Abwärmekessel 4 angeschlossene Zusatzfeuerung 5 der Einheit II mit voller Kapazität (bei ca. 100% zusätzlicher Kesselleistung) in Gang gesetzt wird. Dies bedeutet jedoch nicht eine Erhöhung des Dampfdurchsatzes auf das Doppelte, denn eine normale Durchsatzerhöhung bei im übrigen gleichbleibenden sonstigen Dampfparametern würde unter Umständen zu einer Verringerung des Wirkungsgrades der Dampfturbine bzw. des Gesamtwirkungsgrades führen, sondern die entsprechende Erhöhung des nutzbaren Energieinhaltes des erzeugten Dampfes durch eine variable entsprechende Änderung der Dampfparameter wie Druck, Temperatur, Enthalpie, Volumen und Durchsatz. Durch die variable Einstellung der Parameter wird der Wirkungsgrad verbessert. Da die Änderung der Dampfparameter durch Wärmezufuhr mittels der Zusatzfeuerung 5 hinter der Gasturbine 1 erfolgt, wird durch die Änderung der Dampfenergie keine weitere Leistungsforderung in der Gasturbine 1 erzeugt und gleichwohl wird ein besserer Wirkungsgrad erhalten. Auf diese Weise liefert mit dem auf einem höheren energetischen Potential erzeugten Dampf die die Dampfmaschine enthaltende Maschineneinheit III infolge der für einen Betrieb mit veränderlichen Parametern geeigneten Konstruktion der Dampfturbine die gleiche Leistung wie im Vollastbetrieb bei praktisch unverändert gutem Gesamtwirkungsgrad der Anlage. In contrast, in partial load operation (Fig. 2), e.g. If only two thirds of the possible total output is required, the one gas turbine 1 of the unit I is switched off with the driven machine 2 driven by it. The working gas turbine 1 of unit II is operated with full load and good efficiency in such a way that the additional combustion 5 of unit II connected to the still operating waste heat boiler 4 is started at full capacity (with approx. 100% additional boiler output). However, this does not mean an increase in steam throughput by a factor of two, because a normal increase in throughput with the other steam parameters remaining the same would in some circumstances lead to a reduction in the efficiency of the steam turbine or the overall efficiency, but rather a corresponding increase in the usable energy content of the steam generated by one variable corresponding change in steam parameters such as pressure, temperature, enthalpy, volume and throughput. The efficiency is improved by the variable setting of the parameters. Since the change in steam parameters takes place behind the gas turbine 1 by supplying heat by means of the additional firing 5, no further power requirement is generated in the gas turbine 1 by the change in the steam energy, and nevertheless a better efficiency is obtained. In this way, with the steam generated at a higher energetic potential, the machine unit III containing the steam engine, due to the construction of the steam turbine suitable for operation with variable parameters, delivers the same power as in full-load operation with virtually unchanged good overall efficiency of the system.

In der beschriebenen Weise wird sowohl eine spezielle Dampfturbine als auch eine spezielle Zusatzfeuerung einge2 In the manner described, both a special steam turbine and a special additional firing are installed

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

3 3rd

663448 663448

setzt, die beide für die Lieferung bzw. Verarbeitung von Dampfarten unterschiedlicher Parameter ausgelegt sind. Die mit veränderlichen Parametern betreibbare Dampfturbine, ausgelegt auf die durch zwei unterschiedliche Dampfarten bestimmten Betriebszustände, besteht aus zwei Teilen, nämlich aus einem Hochdruck- und einem Niederdruckteil. Sowohl der Hochdruckteil wie auch der Niederdruckteil verfügen bei einer durchschnittlichen Ausführung über selbständige Einlassorgane (Haupt- und Regelventil). Die freie Durchströmung zwischen dem Hochdruckteil und dem Niederdruckteil ist aber jeweils sichergestellt und/oder es ist ein Bypasskanal vorgesehen, welcher den Hochdruckteil mit dem Niederdruckteil verbindet. Die Einlass- und Regelorgane können in einer Baueinheit ausgeführt werden. sets, both of which are designed for the delivery or processing of steam types of different parameters. The steam turbine, which can be operated with variable parameters and is designed for the operating states determined by two different types of steam, consists of two parts, namely a high-pressure part and a low-pressure part. Both the high-pressure section and the low-pressure section have, on an average design, independent inlet elements (main and control valve). However, the free flow between the high-pressure part and the low-pressure part is ensured in each case and / or a bypass channel is provided which connects the high-pressure part to the low-pressure part. The inlet and control elements can be carried out in one unit.

Das Dampfvolumen, das in dem Hochdruckteil maximal verdichtet werden kann (Teillastbetrieb) ergibt eine Auslastung des Niederdruckteils von etwa 50%. Die Parameter des Abhitzekessels sind in diesem Fall gegenüber dem Vollastbetrieb der Anlage höher. Bei Vollast der Anlage wird der Niederdruckteil auf 100% ausgelastet, während in diesem The maximum volume of steam that can be compressed in the high-pressure section (partial-load operation) results in a utilization of the low-pressure section of around 50%. In this case, the parameters of the waste heat boiler are higher compared to the full load operation of the system. At full load of the system, the low-pressure part is fully utilized to 100%, while in this

Fall der Hochdruckteil nur eine Kühldampfzuführung aufweist (zum Zwecke der Kühlung). Die grössere Dampfmenge im Vergleich zum Betriebsfall 1:1 bei Teillast der Anlage ermöglicht die Verkleinerung (Herabsetzung) der Frisch-5 dampfparameter des Abhitzekessels. Der Übergang von einem Betriebszustand in den anderen erfolgt durch kontinuierliche Veränderung der Frischdampfparameter (gleitende Parameter). If the high-pressure part has only one cooling steam supply (for cooling purposes). The larger amount of steam compared to the 1: 1 operating case at partial load of the system enables the fresh steam parameters of the waste heat boiler to be reduced (reduced). The transition from one operating state to the other takes place by continuously changing the live steam parameters (sliding parameters).

Anstelle einer Anlage mit drei, d.h. ihrer Zahl nach unpaa-lo rigen Kraftmaschinen bzw. neben derselben kann auch eine Anlage mit zwei, d.h. ihrer Zahl nach paarigen Kraftmaschinen errichtet werden. Eine Anlage mit vier Kraftmaschinen kann aus je zwei Gasturbinen und Dampfturbinen, eine Anlage mit fünf Kraftmaschinen aus drei Gasturbinen 15 und zwei Dampfturbinen aufgebaut werden. Um die Betriebsbereitschaft einer Anlage mit Koppelung zweier Kraftmaschinen (eine Gasturbine, eine Dampfturbine) zu erhöhen, muss der Abwärmekessel mit einer Feuerungseinrichtung versehen werden, die auch ohne Betrieb der Gastur-20 bine in der Lage ist, die Dampfturbine in Betrieb zu halten. Instead of a system with three, i.e. In terms of number of unpaired power machines or in addition to the same, a system with two, i.e. in terms of their number, paired engines are built. A system with four engines can be built from two gas turbines and steam turbines, a system with five engines from three gas turbines 15 and two steam turbines. In order to increase the operational readiness of a system with the coupling of two engines (one gas turbine, one steam turbine), the waste heat boiler must be equipped with a firing device that is able to keep the steam turbine in operation even when the Gastur-20 bine is not in operation.

B B

/ /

1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings