CH697810A2

CH697810A2 - Gasturbinensystem für den Betrieb bei niedrigen Lasten bei Einhaltung der Emissionsgrenzwerte.

Info

Publication number: CH697810A2
Application number: CH01329/08A
Authority: CH
Inventors: Bradley Donald Crawley; Michael J O'connor; Matthew J Mosley; Christian Lee Wandervort
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2007-08-24
Filing date: 2008-08-21
Publication date: 2009-02-27
Also published as: CH697810B1; CN101372914A; JP2009052548A; CH697810B8; DE102008044442A1; US20090053036A1

Abstract

Ein Gasturbinensystem (100) für den Betrieb bei niedrigen Lasten. Das Gasturbinensystem (100) kann eine Anzahl von Einlass-Leitschaufeln (150), einen Verdichter (110), eine Turbine (140) und ein Luftbewegungssystem (155) umfassen, um eine Emission aus dem Gasturbinensystem (100) unter ein vorbestimmtes Niveau zu halten.

Description

Technisches Gebiet

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Gasturbinen und insbesondere Verfahren und Systeme, um die Einhaltung der Emissionsgrenzwerte von Gasturbinen auf niedrigere Lasten auszuweiten.

Stand der Technik

[0002] Aufgrund der steigenden Treibstoffkosten werden erdgasbefeuerte Kraftwerke, die ausgelegt wurden, um hauptsächlich bei voller Leistungsabgabe betrieben zu werden, nun mit Unterbrechungen betrieben. Kohle- und Kernenergie machen nun den Grossteil der stabilen Leistungsabgabe aus. Gasturbinen werden zunehmend benutzt, um in Perioden mit Lastspitzen die Differenz auszugleichen.

Zum Beispiel kann eine Gasturbine nur tagsüber verwendet werden und dann nachts, wenn der Strombedarf geringer ist, vom Netz getrennt werden.

[0003] Bei Lastabsenkungen oder Leistungsminderungen können Gasturbinen typischerweise bis hinunter zu etwa fünfundvierzig Prozent (45%) der Volllast-Nennleistung die Emissionsgrenzwerte einhalten. Unter dieser Last können Kohlenmonoxid (CO)-Emissionen exponentiell zunehmen und dazu führen, dass das System als Ganzes die Emissionsgrenzwerte nicht mehr einhält. Allgemein gesagt erfordert die Einhaltung der Emissionsgrenzwerte, dass die Turbine als Ganzes weniger als die garantierten oder vorbestimmten Mindestemissionspegel erzeugt.

Diese Pegel je nach der Umgebungstemperatur, der Systemgrösse und anderen Variablen unterschiedlich sein.

[0004] Wenn eine Gasturbine abgeschaltet werden muss, weil sie aufgrund eines geringen Strombedarfs die Emissionsgrenzwerte nicht mehr einhalten kann, kann es notwendig sein, dass in einer Kombikraftwerksanwendung auch noch andere Anlagen getrennt werden müssen. Diese Anlagen können einen Einlass-Wärmerückgewinnungsdampferzeuger, eine Dampfturbine und sonstige Vorrichtungen umfassen. Diese Systeme nach einer Gasturbinenabschaltung wieder in Betrieb zu nehmen, kann kostspielig und zeitraubend sein.

[0005] Solche Anlaufanforderungen können ein Kraftwerk daran hindern, bei Lastspitzen für die Stromerzeugung verfügbar zu sein.

Es kann ein strategischer Betriebsvorteil sein, wenn man in Perioden mit geringem Strombedarf in der Lage ist, eine Gasturbine weiterzubetreiben und die Emissionsgrenzwerte einzuhalten, um die Anlaufzeit und -kosten zu vermeiden.

[0006] Daher besteht ein Bedarf nach Verfahren zum Ausweiten der Einhaltung der Emissionsgrenzwerte bei Gasturbinen auf Perioden mit niedrigeren Lasten. Die Lastabsenkung der Gasturbine bei gleichzeitiger Einhaltung der Emissionsgrenzwerte kann dem Bediener erlauben, diese auftretenden Lastspitzen auszunutzen.

Kurze Beschreibung der Erfindung

[0007] Die vorliegende Erfindung stellt daher ein Gasturbinensystem für den Betrieb bei niedrigen Lasten bereit.

Das Gasturbinensystem kann eine Anzahl von Einlass-Leitschaufeln, einen Verdichter, eine Turbine und ein Luftbewegungssystem umfassen, um eine Emission vom Gasturbinensystem unter einen vorbestimmten Pegel zu halten.

[0008] Die vorliegende Erfindung beschreibt ausserdem eine Gasturbine für den Betrieb bei niedrigen Lasten. Die Gasturbine kann eine Anzahl von Einlass-Leitschaufeln, einen Verdichter und ein Luftrückführungssystem umfassen, um eine Temperatur eines aus dem Verdichter austretenden Auslassluftstroms zu erhöhen.

[0009] Die vorliegende Anmeldung betrifft ausserdem ein Gasturbinensystem für den Betrieb bei niedrigen Lasten.

Das Gasturbinensystem kann eine Anzahl von Einlass-Leitschaufeln, einen Verdichter, eine Turbine und ein Luftentnahmesystem umfassen, um Luft aus dem Verdichter zu entnehmen.

[0010] Diese und andere Merkmale der vorliegenden Anmeldung gehen für den Fachmann aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen und den beiliegenden Ansprüchen hervor.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0011]
<tb>Fig. 1<sep>ist eine schematische Ansicht einer Einlass-Wärmerückführungskonfiguration.

<tb>Fig. 2<sep>ist eine schematische Ansicht einer Verdichter-Rückführungskonfiguration.

<tb>Fig. 3<sep>ist eine schematische Ansicht einer Verdichter-Entnahmekonfiguration.

<tb>Fig. 4<sep>ist eine schematische Ansicht einer Verdichter-Austrittsgehäusekonfiguration.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

[0012] Nun Bezug nehmend auf die Zeichnungen, wobei sich gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Ansichten auf gleiche Elemente beziehen, ist Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Gasturbinensystems 100. Das Gasturbinensystem 100 kann einen Verdichter 110 mit einem Verdichter-Austrittsgehäuse 120, eine Brennkammer 130 und eine Turbine 140 umfassen. Allgemein beschrieben empfängt das Gasturbinensystem 100 Umgebungsluft durch einen Satz Einlass-Leitschaufeln 150. Die Umgebungsluft wird vom Verdichter 110 verdichtet und an die Brennkammer 130 ausgegeben, wo sie benutzt wird, um einen Treibstofffluss zu verbrennen, um ein heisses Verbrennungsgas zu erzeugen.

Das heisse Verbrennungsgas wird zur Turbine 140 ausgegeben, wo es durch eine Anzahl von Laufschaufeln und eine Welle zu mechanischer Energie expandiert wird. Die Turbine 140 und der Verdichter 110 sind allgemein mit einer gemeinsamen Welle verbunden, die auch mit einem Stromgenerator oder einem anderen Typ von Last verbunden sein kann. Die Ausweitung der Einhaltung der Emissionsgrenzwerte kann durch Erhöhen der Verbrennungsreaktionsbereichstemperaturen möglich sein, um die CO (Kohlenmonoxid)-Entstehung zu hemmen und auch, um die Flammenstabilität zu gewährleisten. Die Einhaltung der Emissionsgrenzwerte bedeutet, dass die Emissionen aus dem Gasturbinensystem 100 als Ganzes unter vorbestimmte Pegel gehalten werden.

[0013] Eine erste Technik beinhaltet das Verwenden der Einlass-Wärmerückführung und das Verkleinern der Winkel der Einlass-Leitschaufeln 150.

Die Verkleinerung der Mindestwinkel für die Einlass-Leitschaufel 150 reduziert den Kernluftstrom durch das Gasturbinensystem 100, wodurch die Reaktionsbereichstemperatur in der Brennkammer 130 erhöht wird. Während einer Leistungsminderung können die Winkel der Einlass-Leitschaufeln 150 verkleinert werden, bis der Mindestwinkel oder eine Abgastemperatur-Isotherme erreicht wird. Der Betrieb über diesem Temperaturpegel kann an Komponenten dahinter Schäden verursachen. Wenn eine dieser Grenzen erreicht wurde, macht eine Abnahme in der Last eine Verringerung im Treibstofffluss notwendig. Diese Verringerung kann aber die Reaktionsbereichstemperatur in der Brennkammer 130 senken und die CO-Entstehung fördern.

Eine weitere Verkleinerung im Mindestwinkel für die Einlass-Leitschaufeln 150 kann daher bei einer niedrigeren Last den Betrieb entlang der Abgastemperatur-Isotherme erlauben, bevor eine Verringerung im Treibstofffluss notwendig wird. Diese Mindestwinkel können über einen Teil des Umgebungstemperaturbereichs hinweg zu einer verbesserten Leistungsminderung führen. Je nach Art der Gasturbine 100 können hierin Winkel von etwa 30 bis etwa 50 Grad verwendet werden, mit einem typischen vollen Arbeitsbereich, der sich von etwa 40 bis etwa 90 Grad erstreckt. Andere Winkel können hierin verwendet werden.

[0014] Die Winkel der Einlass-Leitschaufeln 150 werden allgemein geöffnet, um die Abgastemperaturen auf oder unter die Isotherme zu halten. Die Erhöhung der Abgastemperatur-Isotherme kann daher den Betrieb der Einlass-Leitschaufeln 150 bei kleineren Winkeln gestatten.

Die Erhöhung der Isotherme kann durch Anpassung der Betriebsparameter der Gasturbine 100 als Ganzes erreicht werden. Ferner können Änderungen in der Isotherme durch Zusatz von Luftkanalisolierung, eine andere Materialwahl und Änderung anderer Komponenten bewirkt werden.

[0015] In der Ausführungsform von Fig. 1 wird eine Einlass-Wärmerückführungskonfiguration 155 gezeigt. Diese Konfiguration weist eine Einlass-Wärmerückführungsleitung 160 auf, die zwischen dem Verdichter-Austrittsgehäuse 120 und den Einlass-Leitschaufeln 150 angeordnet sein kann. Die Einlass-Wärmerückführungsleitung 160 entnimmt aus dem Verdichter-Austrittsgehäuse 120 Luft und führt diese vor den Einlass-Leitschaufeln 150 ein. Ein Einlass-Wärmerückführungsleitungsventil 170 kann daran angeordnet sein. Das Ventil 170 kann eine konventionelle Auslegung haben.

Die Rückführung der Luft aus dem Verdichter-Austrittsgehäuse 120 kann die Einlasstemperatur des Verdichters 110 erhöhen, den Kernluftstrom verkleinern und die Toleranz gegenüber gestörter Verdichterförderung erhöhen, was den Betrieb der Einlass-Leitschaufeln 150 bei kleineren Winkeln ermöglicht.

[0016] Fig. 2 zeigt eine Verdichter-Rückführungskonfiguration 175. In dieser Konfiguration 175 ist die Einlass-Wärmerückführungsleitung 160 direkt mit dem Verdichter 110 verbunden. Verdichterluft kann bei Bedarf auch in jeder Stufe entnommen werden und dann in eine frühere Stufe wieder eingeleitet werden.

Die Rückführung der Luft aus dem Verdichter 110 kann daher die Toleranz gegenüber gestörter Verdichterförderung erhöhen, ohne die Auswirkung auf den Gesamtwirkungsgrad, die bei Verwendung der Einlass-Wärmerückführung zu finden ist, weil solch eine Einlass-Wärmerückführung den gesamten Strömungsweg des Verdichters 110 (Fig. 1) beeinflusst. Die rückgeführte Luft erlaubt den Betrieb der Einlass-Leitschaufeln 150 bei kleineren Winkeln, wodurch der Kernluftstrom reduziert wird und die Verbrennungstemperaturen in der Brennkammer 130 erhöht werden.

[0017] Fig. 3 zeigt eine schematische Ansicht einer Verdichter-Entnahmekonfiguration 180. Diese Konfiguration 180 kann eine Anzahl von Verdichterkühlleitungen 190 umfassen. Jede der Verdichterkühlleitungen 190 kann ein daran angeordnetes Ventil 200 aufweisen. Das Ventil 200 kann eine konventionelle Auslegung haben.

Die Verdichterkühlleitungen 190 entnehmen aus dem Verdichter 110 Luft, umgehen die Brennkammer 130 und kühlen die Turbine 140. Diese Konfiguration 180 erhöht den Entnahmestrom während der Leistungsminderung. Der Entnahmestrom kann wieder in die Turbine 140 oder in den Abgasweg eingeleitet werden.

[0018] Zum Beispiel kann eine erste Verdichterkühlleitung 190 von einer dreizehnten Stufe des Verdichters 110 zu einem Stufe zwei-Stutzen in der Turbine 140 verlaufen, mit einer zweiten Verdichterkühlleitung 190, die von einer neunten Stufe des Verdichters 110 zu einem Stufe drei-Stutzen in der Turbine 140 verläuft. Die Einleitung in den Abgasweg kann vor oder hinter jeder Art von Abgastemperatur-Messstelle erfolgen. Die Entnahmen können von jeder Stufe des Verdichters 110 erfolgen.

Es kann eine gemeinsame Entnahmestelle zur Kühlung geben, oder es kann separate Stellen geben, vor allem zur Luftumleitung. Die Wahl der Stelle kann von Faktoren wie die Rückführungsleistung, die Verdichter-Betriebsfähigkeit, die Haltbarkeit und die Akustik abhängig sein. Bestehende Entnahmestellen können benutzt werden.

[0019] Fig. 4 zeigt eine schematische Ansicht einer Verdichter-Austrittsgehäusekonfiguration 210. Diese Konfiguration 210 kann eine Verdichter-Austrittsgehäuse-Kühlleitung 220 mit einem Ventil 230 daran umfassen. Das Ventil 230 kann eine konventionelle Auslegung haben. Die Entnahme kann an der gleichen Stelle wie bei der Einlass-Wärmerückführungsleitung 160 erfolgen, oder zusätzliche Entnahmestellen können verwendet werden.

Die Verdichter-Austrittsgehäusekonfiguration 210 kann die Toleranz gegenüber gestörter Verdichterförderung verbessern und kann in der Lage sein, die Entnahmen, die Einlass-Wärmerückführung und eine Reduktion in den Mindestwinkeln für die Einlass-Leitschaufeln 150 zu vergrössern.

[0020] Je nach der Gesamtkonfiguration der Gasturbine 100 können mehrere dieser Techniken verwendet werden. Tatsächlich kann jedes Verfahren geeignet sein, um den Betrieb bei Leistungsminderung zu verbessern. Die Wahl der Verfahren und ihre Arbeitsweise und Interaktion sind von der Gesamtkonzeption des Gasturbinensystems 100 und der zugehörigen Verbrennungstechnologie abhängig.

Das heisst, der Verbesserungsgrad der Leistungsminderung kann von der Gehäusegrösse der Gasturbine 100 und der spezifischen Verbrennungstechnologie abhängen, die verwendet wird.

[0021] Zum Beispiel kann in einer Gasturbine 7FA+e mit einem Dry-Low-N0x 2.6 Verbrennungssystem die bevorzugte Konfiguration die Verkleinerung des Mindestwinkels der Einlass-Leitschaufeln 150, die Verdopplung der Entnahmeströme und den Zusatz einer Entnahme vom Verdichter-Austrittsgehäuse 120 einschliessen, um zusätzliche Luft zum Abgasweg umzuleiten. Die Gasturbine 7FA+e wird von General Electric Company in Schenectady, New York, angeboten. Für eine Gasturbine 9FB mit einem vergleichbaren Verbrennungssystem kann nur die Verkleinerung des Mindestwinkels der Einlass-Leitschaufeln 150 mit einer Erhöhung in der Isotherme erforderlich sein.

Auch die Gasturbine 9FB wird von General Electric Company in Schenectady, New York, angeboten. Andere Typen von Gasturbinen können hierin verwendet werden. Durch Anwendung dieser verschiedenen Verfahren kann die Einhaltung der Emissionsgrenzwerte bis hinab zu etwa dreissig (30%) der Last beibehalten werden. Weitere Verbesserungen können möglich sein.

[0022] Es versteht sich, dass das Vorstehende sich nur auf die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung bezieht, und dass vom Fachmann zahlreiche Änderungen und Modifikationen hierin durchgeführt werden können, ohne vom allgemeinen Geist und umfang der Erfindung abzuweichen, wie er durch die folgenden Ansprüche und deren Äquivalente definiert wird.

Claims

1. Gasturbinensystem (100) für den Betrieb bei niedrigen Lasten, umfassend: eine Vielzahl von Einlass-Leitschaufeln (150); einen Verdichter (110); eine Turbine (140); und Luftbewegungsmittel (155, 175, 180, 210), um eine Emission vom Gasturbinensystem (100) unter einen vorbestimmten Pegel zu halten.

2. Gasturbinensystem (100) nach Anspruch 1, wobei das Luftbewegungsmittel (155, 175, 180, 210) eine Einlass-Wärmerückführungsleitung (160) umfasst, die vom Verdichter (110) bis vor die Vielzahl von Einlass-Leitschaufeln (150) verläuft.

3. Gasturbinensystem (100) nach Anspruch 1, wobei der Verdichter (110) ein Verdichter-Austrittsgehäuse (120) umfasst, und wobei das Luftrückführungsmittel (155, 175, 180, 210) eine Einlass-Wärmerückführungsleitung (160) umfasst, die vom Verdichter-Austrittsgehäuse (120) bis vor die Vielzahl von Einlass-Leitschaufeln (150) verläuft.

4. Gasturbinensystem (100) nach Anspruch 1, wobei der Verdichter (110) eine Vielzahl von Stufen umfasst und wobei die Luftbewegungsmittel (155, 175, 180, 210) eine Verdichter-Rückführungsleitung (160) um fassen, die von einer hinteren Verdichterstufe zu einer vorderen Verdichterstufe verläuft.

5. Gasturbinensystem (100) nach Anspruch 1, wobei das Luftbewegungsmittel (155, 175, 180, 210) eine Verdichterkühlleitung (190) umfasst, die vom Verdichter (110) zur Turbine (140) verläuft.

6. Gasturbinensystem (100) nach Anspruch 1, wobei das Luftbewegungsmittel (155, 175, 180, 210) eine Entnahmeleitung (190) umfasst, die vom Verdichter (110) bis hinter die Turbine (140) verläuft.

7. Gasturbinensystem (100) nach Anspruch 1, wobei der Verdichter (110) ein Verdichter-Austrittsgehäuse (120) umfasst und wobei das Luftentnahmemittel (155, 175, 180, 210) eine Entnahmeleitung (190) umfasst, die vom Verdichter-Austrittsgehäuse (120) bis hinter die Turbine (140) verläuft.

8. Gasturbinensystem (100) nach Anspruch 1, wobei die Last daran so niedrig wie etwa dreissig Prozent (30%) sein kann.

9. Gasturbine (100) für den Betrieb bei niedrigen Lasten, umfassend: eine Vielzahl von Einlass-Leitschaufeln (150); einen Verdichter (110); und Luftrückführungsmittel (175), um eine Temperatur eines aus dem Verdichter (110) austretenden Auslassluftstroms zu erhöhen.

10. Gasturbinensystem (100) für den Betrieb bei niedrigen Lasten, umfassend: eine Vielzahl von Einlass-Leitschaufeln (150); einen Verdichter (110); eine Turbine (140); und Luftentnahmemittel (180), um Luft aus dem Verdichter zu entnehmen.