CH697810B1

CH697810B1 - Gas Turbine System

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: CN101372914A; JP2009052548A; DE102008044442A1; US20090053036A1; CH697810B8; CH697810A2

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.It is presented a gas turbine system (100). The gas turbine system (100) includes a number of inlet guide vanes (150), a compressor (110), a turbine (140), and an air movement means (155) configured to reduce CO emission from the gas turbine system (100) ,

Description

Technisches GebietTechnical area

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gasturbinensystem. The present invention relates to a gas turbine system.

Stand der TechnikState of the art

[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. Due to the increasing fuel costs, natural gas-fired power plants that have been designed to operate mainly at full power output are now operated intermittently. Coal and nuclear energy now account for most of the stable power output. Gas turbines are increasingly being used to offset the difference in periods of peak load. For example, a gas turbine can only be used during the day and then disconnected from the grid at night when the power demand is lower.

[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. [0003] With load reductions or power reductions, gas turbines typically can meet emissions limits down to about forty-five percent (45%) of full load rated power. Under this load, carbon monoxide (CO) emissions can increase exponentially, resulting in the system as a whole no longer meeting emissions limits. Generally speaking, compliance with emission limits requires that the turbine as a whole produce less than the guaranteed or predetermined minimum emission levels. These levels will vary depending on the ambient temperature, system size and other variables.

[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. If a gas turbine must be shut down because it can no longer comply with the emission limits due to a low power demand, it may be necessary that in a combined cycle power plant also other systems must be separated. These plants may include an inlet heat recovery steam generator, a steam turbine, and other devices. Restoring these systems after a gas turbine shutdown can be costly and time consuming.

[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. Such start-up requirements may prevent a power plant from being available at power spikes for power generation. It can be a strategic operational advantage to be able to continue to operate a gas turbine and to comply with emission limits in periods of low power consumption to avoid start-up time and costs.

[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. Therefore, a need exists for a gas turbine system that meets emission limits for periods of lower loads. The load reduction of the gas turbine while maintaining the emission limits can allow the operator to take advantage of these occurring load peaks.

Kurze Beschreibung der ErfindungBrief description of the invention

[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. The present invention relates to a gas turbine system having a number of inlet guide vanes, a compressor, a turbine and an air moving means, which is designed to reduce a CO emission from the gas turbine system.

[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. These and other features of the present invention will become apparent to those skilled in the art from the following detailed description taken in conjunction with the drawings and the appended claims.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

[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.[0009] <Tb> FIG. 1 <sep> is a schematic view of an inlet heat recovery configuration. <Tb> FIG. 2 <sep> is a schematic view of a compressor recirculation configuration. <Tb> FIG. 3 <sep> is a schematic view of a compressor take-off configuration. <Tb> FIG. Figure 4 is a schematic view of a compressor exit housing configuration.

Ausführliche Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention

[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. Referring now to the drawings, wherein like reference numbers refer to like elements throughout the several views, FIG. 1 is a schematic view of a gas turbine system 100. The gas turbine system 100 includes a compressor 110 having a compressor discharge housing 120, a combustor 130 and a turbine 140. Generally described, the gas turbine system 100 receives ambient air through a set of inlet vanes 150. The ambient air is compressed by the compressor 110 and output to the combustor 130, where it is used to burn a fuel flow to supply a hot combustion gas produce. The hot combustion gas is exhausted to the turbine 140, where it is expanded by a number of blades and a shaft to mechanical energy. Turbine 140 and compressor 110 are generally connected to a common shaft, which may also be connected to a power generator or other type of load. Extending compliance with emission limits may be possible by increasing the combustion reaction zone temperatures to inhibit CO (carbon monoxide) evolution and also to ensure flame stability. Compliance with emission limits means that emissions from the gas turbine system 100 as a whole are reduced.

[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. A first technique involves using the inlet heat return and decreasing the angles of the inlet vanes 150. Reducing the minimum angles for the inlet guide vane 150 reduces the core airflow through the gas turbine system 100, thereby increasing the reaction area temperature in the combustion chamber 130 becomes. During power reduction, the angles of the inlet vanes 150 may be reduced until the minimum angle or exhaust temperature isotherm is reached. Operation above this temperature level may cause damage to components behind it. When one of these limits has been reached, a decrease in load makes a reduction in fuel flow necessary. However, this reduction can lower the reaction zone temperature in the combustion chamber 130 and promote the formation of CO. Further reduction in the minimum angle for the inlet guide vanes 150 may therefore permit operation along the exhaust temperature isotherm at a lower load before a reduction in fuel flow becomes necessary. These minimum angles may result in improved performance over part of the ambient temperature range. Depending on the nature of the gas turbine system 100, angles of about 30 to about 50 degrees may be used herein, with a typical full working range extending from about 40 to about 90 degrees. Other angles may be used herein.

[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. The angles of the inlet vanes 150 are generally opened to maintain the exhaust gas temperatures at or below the isotherm. Increasing the exhaust temperature isotherm may therefore allow operation of the inlet vanes 150 at smaller angles. The increase of the isotherm can be achieved by adjusting the operating parameters of the gas turbine system 100 as a whole. Furthermore, changes in the isotherm may be effected by the addition of air channel insulation, a different choice of material and modification of other components.

[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. In the example of FIG. 1, an air moving means 155 is shown having an inlet heat recovery conduit 160 disposed between the compressor discharge housing 120 and the inlet guide vanes 150. The inlet heat recovery line 160 removes air from the compressor discharge housing 120 and introduces it in front of the inlet guide vanes 150. An inlet heat recovery line valve 170 is disposed thereon. The valve 170 has a conventional design. The recirculation of the air from the compressor discharge housing 120 increases the inlet temperature of the compressor 110, reduces the core airflow, and increases the tolerance to disturbed compressor delivery, allowing operation of the inlet guide vanes 150 at smaller angles.

[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. Fig. 2 shows an air moving means 175 in which the inlet heat recovery line 160 is connected directly to the compressor 110. Compressor air is also withdrawn at each stage as needed and then reintroduced to an earlier stage. The recirculation of the air from the compressor 110 may therefore increase the tolerance to disturbed compressor delivery, without the effect on the overall efficiency found using the inlet heat recovery, because such inlet heat recovery will cover the entire flow path of the compressor 110 (FIG. 1). The recirculated air allows the operation of the inlet vanes 150 at smaller angles, thereby reducing the core airflow and increasing the combustion temperatures in the combustor 130.

[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. FIG. 3 shows an air movement means 180 comprising a number of compressor cooling lines 190. Each of the compressor cooling pipes 190 has a valve 200 disposed thereon. The valve 200 has a conventional design. The compressor cooling ducts 190 extract air from the compressor 110, bypass the combustor 130, and cool the turbine 140. This configuration increases the extraction flow during power reduction. The bleed stream may be reintroduced into the turbine 140 or into the exhaust path.

[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. For example, a first compressor cooling line 190 may extend from a thirteenth stage of the compressor 110 to a stage two-port in the turbine 140, with a second compressor cooling line 190 extending from a ninth stage of the compressor 110 to a three-port stage the turbine 140 runs. The introduction into the exhaust gas path can take place before or after each type of exhaust gas temperature measuring point. The withdrawals may be made from each stage of the compressor 110. There may be a common extraction point for cooling, or there may be separate points, especially for air diversion. The choice of location may depend on such factors as the recirculation performance, compressor operability, durability and acoustics. Existing collection points can be used.

[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. Fig. 4 shows an air moving means 210 comprising a compressor cooling line 220 with a valve 230 thereon. The valve 230 has a conventional design. The removal may be at the same location as the inlet heat recovery line 160, or additional bleed points may be used. The configuration may improve the tolerance to disturbed compressor delivery and may be able to increase the withdrawals, inlet heat recovery, and a reduction in minimum angles for the inlet vanes 150.

[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. Depending on the overall configuration of the gas turbine system 100, several of these techniques may be used to improve performance reduction performance. That is, the degree of improvement in performance degradation depends on the housing size of the gas turbine system 100 and the specific combustion technology that is used.

[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. For example, in a gas turbine 7FA + e with a dry-low NOx 2.6 combustion system, the preferred configuration may include reducing the minimum inlet guide vanes 150, doubling the draw flows, and adding a take-off from the compressor discharge housing 120 to divert extra air to the exhaust path. The gas turbine 7FA + e is offered by General Electric Company of Schenectady, New York. For a gas turbine 9FB with a comparable combustion system, only the reduction of the minimum angle of the inlet vanes 150 with an increase in the isotherm may be required. The 9FB gas turbine is also offered by General Electric Company of Schenectady, New York. Other types of gas turbines may be used herein. Compliance with emission limits down to about thirty (30%) of the load can be maintained. Further improvements may be possible.

Claims

A gas turbine engine (100) comprising: a plurality of inlet guide vanes (150); a compressor (110); a turbine (140); and an air movement means (155; 175; 180; 210) adapted to reduce CO emission from the gas turbine system (100).

The gas turbine system (100) of claim 1, wherein the air moving means (155) includes an inlet heat recovery conduit (160) extending from the compressor (110) to ahead of the plurality of inlet vanes (150).

The gas turbine system (100) of claim 1, wherein the compressor (110) includes a compressor discharge housing (120), and wherein the air moving means (155) includes an inlet heat recovery conduit (160) extending from the compressor discharge housing (120) in front of the plurality of inlet guide vanes (150).

The gas turbine system (100) of claim 1, wherein the compressor (110) comprises a plurality of stages and wherein the air moving means (175) includes an inlet heat recovery conduit (160) extending from a rear compressor stage to a front compressor stage.

The gas turbine system (100) of claim 1, wherein the air movement means (155, 175, 180, 210) includes a compressor cooling line (190) extending from the compressor (110) to the turbine (140).

The gas turbine system (100) of claim 1, wherein the air moving means (180) includes a compressor cooling line (190) extending from the compressor (110) to a second stage of the turbine (140).

The gas turbine system (100) of claim 1, wherein the compressor (110) includes a compressor discharge housing (120), and wherein the air moving means (210) includes a compressor cooling line (220) extending from the compressor discharge housing (120) to a second Stage of the turbine (140) runs.

The gas turbine system (100) of claim 1, wherein the mechanical load to be delivered is thirty percent, based on the full load rated power.

9. The gas turbine system (100) of claim 1, wherein the air moving means is configured to increase a temperature of an outlet airflow exiting the compressor (110).

10. The gas turbine system (100) of claim 1, wherein the air moving means is configured to extract air from the compressor (110).