CH697810B1

CH697810B1 - Gasturbinensystem

Info

Publication number: CH697810B1
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: 2012-06-15
Also published as: US20090053036A1; DE102008044442A1; JP2009052548A; CH697810B8; CH697810A2; CN101372914A

Abstract

Es ist ein Gasturbinensystem (100) vorgestellt. Das Gasturbinensystem (100) umfasst eine Anzahl von Einlass-Leitschaufeln (150), einen Verdichter (110), eine Turbine (140) und ein Luftbewegungsmittel (155), welches ausgelegt ist, eine CO-Emission aus dem Gasturbinensystem (100) zu reduzieren.

Description

Technisches Gebiet

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gasturbinensystem.

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 sind je nach der Umgebungstemperatur, der Systemgrösse und anderen Variablen unterschiedlich.

[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 einem Gasturbinensystem, welches Emissionsgrenzwerte bei Perioden mit niedrigeren Lasten einhält. 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 betrifft ein Gasturbinensystem mit einer Anzahl von Einlass-Leitschaufeln, einem Verdichter, einer Turbine und einem Luftbewegungsmittel, welches ausgelegt ist, eine CO-Emission vom Gasturbinensystem zu reduzieren.

[0008] Diese und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen für den Fachmann aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen und den beiliegenden Ansprüchen hervor.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0009] <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

[0010] Nun Bezug nehmend auf die Zeichnungen, wobei sich gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Ansichten auf gleiche Elemente beziehen, ist Fig. 1eine schematische Ansicht eines Gasturbinensystems 100. Das Gasturbinensystem 100 umfasst einen Verdichter 110 mit einem Verdichter-Austrittsgehäuse 120, eine Brennkammer 130 und eine Turbine 140. 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 reduziert werden.

[0011] 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 des Gasturbinensystems 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.

[0012] 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 des Gasturbinensystems 100 als Ganzes erreicht werden. Ferner können Änderungen in der Isotherme durch Zusatz von Luftkanalisolierung, eine andere Materialwahl und Änderung anderer Komponenten bewirkt werden.

[0013] In dem Beispiel von Fig. 1wird ein Luftbewegungsmittel 155 gezeigt, welches eine Einlass-Wärmerückführungsleitung 160 aufweist, die zwischen dem Verdichter-Austrittsgehäuse 120 und den Einlass-Leitschaufeln 150 angeordnet ist. Die Einlass-Wärmerückführungsleitung 160 entnimmt aus dem Verdichter-Austrittsgehäuse 120 Luft und führt diese vor den Einlass-Leitschaufeln 150 ein. Ein Einlass-Wärmerückführungsleitungsventil 170 ist daran angeordnet. Das Ventil 170 hat eine konventionelle Auslegung. Die Rückführung der Luft aus dem Verdichter-Austrittsgehäuse 120 erhöht die Einlasstemperatur des Verdichters 110, verkleinert den Kernluftstrom und erhöht die Toleranz gegenüber gestörter Verdichterförderung, was den Betrieb der Einlass-Leitschaufeln 150 bei kleineren Winkeln ermöglicht.

[0014] Fig. 2 zeigt ein Luftbewegungsmittel 175, bei welchem die Einlass-Wärmerückführungsleitung 160 direkt mit dem Verdichter 110 verbunden ist. Verdichterluft wird bei Bedarf auch in jeder Stufe entnommen und dann in eine frühere Stufe wieder eingeleitet. 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.

[0015] Fig. 3 zeigt ein Luftbewegungsmittel 180, welches eine Anzahl von Verdichterkühlleitungen 190 umfasst. Jede der Verdichterkühlleitungen 190 weist ein daran angeordnetes Ventil 200 auf. Das Ventil 200 hat eine konventionelle Auslegung. Die Verdichterkühlleitungen 190 entnehmen aus dem Verdichter 110 Luft, umgehen die Brennkammer 130 und kühlen die Turbine 140. Diese Konfiguration erhöht den Entnahmestrom während der Leistungsminderung. Der Entnahmestrom kann wieder in die Turbine 140 oder in den Abgasweg eingeleitet werden.

[0016] 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.

[0017] Fig. 4 zeigt ein Luftbewegungsmittel 210, welches eine Verdichterkühlleitung 220 mit einem Ventil 230 daran umfasst. Das Ventil 230 hat eine konventionelle Auslegung. Die Entnahme kann an der gleichen Stelle wie bei der Einlass-Wärmerückführungsleitung 160 erfolgen, oder zusätzliche Entnahmestellen können verwendet werden. Die Konfiguration 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.

[0018] Je nach der Gesamtkonfiguration des Gasturbinensystems 100 können mehrere dieser Techniken verwendet werden, um den Betrieb bei Leistungsminderung zu verbessern. Das heisst, dass der Verbesserungsgrad der Leistungsminderung von der Gehäusegrösse des Gasturbinensystems 100 und der spezifischen Verbrennungstechnologie abhängt, die verwendet wird.

[0019] Zum Beispiel kann in einer Gasturbine 7FA+e mit einem Dry-Low-NOx 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. Die Einhaltung der Emissionsgrenzwerte bis hinab zu etwa dreissig (30%) der Last kann beibehalten werden. Weitere Verbesserungen können möglich sein.

Claims

1. Gasturbinen (100), umfassend: eine Vielzahl von Einlass-Leitschaufeln (150); einen Verdichter (110); eine Turbine (140); und ein Luftbewegungsmittel (155; 175; 180; 210), welches ausgelegt ist, eine CO-Emission vom Gasturbinensystem (100) zu reduzieren.

2. Gasturbinensystem (100) nach Anspruch 1, wobei das Luftbewegungsmittel (155) 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 Luftbewegungsmittel (155) 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 das Luftbewegungsmittel (175) eine Einlass-Wärmerückführungsleitung (160) umfasst, 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 (180) eine Verdichterkühlleitung (190) umfasst, die vom Verdichter (110) bis zu einer zweiten Stufe der Turbine (140) verläuft.

7. Gasturbinensystem (100) nach Anspruch 1, wobei der Verdichter (110) ein Verdichter-Austrittsgehäuse (120) umfasst und wobei das Luftbewegungsmittel (210) eine Verdichterkühlleitung (220) umfasst, die vom Verdichter-Austrittsgehäuse (120) bis zu einer zweiten Stufe der Turbine (140) verläuft.

8. Gasturbinensystem (100) nach Anspruch 1, wobei die abzugebende mechanische Last bezogen auf die Volllast-Nennleistung dreissig Prozent beträgt.

9. Gasturbinensystem (100) nach Anspruch 1, wobei das Luftbewegungsmittel ausgebildet ist, um eine Temperatur eines aus dem Verdichter (110) austretenden Auslassluftstroms zu erhöhen.

10. Gasturbinensystem (100) nach Anspruch 1, wobei das Luftbewegungsmittel ausgebildet ist, um Luft aus dem Verdichter (110) zu entnehmen.