CH698467B1

CH698467B1 - Vorrichtung und Verfahren zum Anfahren eines Kraftwerkes.

Info

Publication number: CH698467B1
Application number: CH00147/09A
Authority: CH
Inventors: James Antony West; Sam D Draper
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2008-02-05
Filing date: 2009-02-02
Publication date: 2013-12-13
Also published as: US8484975B2; JP5476003B2; JP2009185813A; DE102009003425A1; CN101503976A; US20090193787A1; CH698467A2

Abstract

Es wird ein Kraftwerk (10) bereitgestellt, das eine Gasturbine (11) mit einem Verdichter (14) zum Erzeugen verdichteter Luft und einer Brennkammer (15) zum Verbrennen der verdichteten Luft mit einem Brennstoff (19) zum Erzeugen eines heissen Verbrennungsgases (20) enthält. Das Kraftwerk (10) enthält ausserdem einen Wärmerückgewinnungsdampfgenerator WRGD (12) zum Erzeugen eines Dampfstromes (24) mit Hilfe von Abgas (22) aus der Gasturbine (11) und eine Dampfturbine (13) zum Ausdehnen des Dampfstromes (24) aus dem Wärmerückgewinnungsdampfgenerator (12). Die Dampfturbine (13) hat einen Rotor (26), der eine axiale Rotorbohrung (27) aufweist. Das Kraftwerk (10) enthält ausserdem einen Kanal (33) zum Lenken mindestens eines Teils der verdichteten Luft (18) und/oder mindestens eines Teils des heissen Verbrennungsgases (20) aus der Brennkammer (15) der Gasturbine (11) in die Rotorbohrung (27) der Dampfturbine (13), wobei die verdichtete Luft (18) und/oder das heisse Verbrennungsgas (20) die Rotorbohrung (27) der Dampfturbine (13) erwärmen kann.

Description

Technisches Gebiet

[0001] Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Kombikraftwerk und Verfahren zum Anfahren eines Kombikraftwerkes.

Allgemeiner Stand der Technik

[0002] Kombikraftwerke enthalten allgemein eine Gasturbine, die nach dem Brayton-Zyklus arbeitet, und eine Dampfturbine, die nach dem Rankine-Zyklus arbeitet. Ein höherer Wirkungsgrad kann erreicht werden, wenn man eine Gasturbine und eine Dampfturbine im Verbund betreibt, als wenn eine Gasturbine oder eine Dampfturbine getrennt voneinander betrieben werden. Ein Kombikraftwerk enthält in der Regel eine Gasturbine, einen Wärmerückgewinnungsdampfgenerator und eine Dampfturbine. Eine Gasturbine ist mit einem Generator gekoppelt, um Elektrizität zu erzeugen. Ein Abgas von der Gasturbine wird in den Wärmerückgewinnungsdampfgenerator eingeleitet, um einen Dampfstrom zu erzeugen. Der Dampf treibt die Dampfturbine an, die mit einem Generator gekoppelt ist, um zusätzliche Elektrizität zu erzeugen.

[0003] Das Minimieren der Anfahrdauer verbessert die Verfügbarkeit von Kombikraftwerken und verringert die Wartungskosten und die Anfahremissionen. Die Gesamt-Anfahrdauer für ein Kombikraftwerk ist durch die Anfahrdauer der Dampfturbine begrenzt. Das Anfahren der Gasturbine vollzieht sich im Vergleich zum Anfahren der Dampfturbine rasch. Während des Anfahrens kommt es zu einem relativ raschen Ansteigen der Abgastemperatur aus der Gasturbine. Bei zunehmender Belastung der Gasturbine wird eine Obergrenze der Abgastemperatur erreicht. Eine Gasturbinensteuereinheit vergrössert dann den Luftstrom der Einheit, während sie die Abgastemperaturgrenze beibehält. Abgasstrom und Abgastemperatur stehen in direktem Zusammenhang mit der in dem Wärmerückgewinnungsdampfgenerator abgegebenen Energiemenge und der durch den Wärmerückgewinnungsdampfgenerator erzeugten Dampftemperatur.

[0004] Das Anfahren der Dampfturbine vollzieht sich im Vergleich zum Anfahren der Gasturbine langsam. Die Anfahrdauer der Dampfturbine ist durch die thermischen Belastungen begrenzt, die durch Temperaturgradienten zwischen dem Rotorkern und den Rotorschaufeln verursacht werden. Diese thermischen Belastungen werden durch Messen der Temperaturdifferenz zwischen dem Rotor und dem Dampf am Einlass der Dampfturbine überwacht. Die zulässige Dampfeinlasstemperatur ist durch die Rotortemperatur begrenzt. Mit zunehmender Rotortemperatur sind höhere Einlassdampftemperaturen zulässig. Weil die Dampfturbinenrotortemperatur der zulässigen Einlassdampftemperatur eine Grenze auferlegt und die Gasturbinenabgastemperatur die Dampftemperatur steuert, kann die Belastung der Gasturbine erst gesteigert werden, wenn der Dampfturbinenrotor auf eine ausreichende Temperatur erwärmt wurde. Dadurch können die finanziellen Einnahmen sinken, weil das Kraftwerk gezwungen ist, über einen längeren Zeitraum mit geringerem Wirkungsgrad zu arbeiten. Die Anfahremissionen können ebenfalls zunehmen, weil die Belastung der Gasturbine möglicherweise zu gering ist, als dass die Brennkammer effizient arbeiten könnte, wodurch die Konzentrationen von Emissionen wie zum Beispiel NOxund CO grösser werden, als sie es bei höherer Belastung wären.

[0005] Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufwärmen einer Dampfturbine während des Anfahrens der Gasturbine sind wünschenswert, um die thermischen Belastungen zu verringern und die Anfahrdauer eines Kombikraftwerkes zu verkürzen.

Kurze Beschreibung der Erfindung

[0006] Die vorliegende Anmeldung stellt ein Kraftwerk gemäss Anspruch 1 bereit. Das Kraftwerk enthält eine Gasturbine, die einen Verdichter zum Erzeugen verdichteter Luft und eine Brennkammer zum Verbrennen der verdichteten Luft mit einem Brennstoff zum Erzeugen eines heissen Verbrennungsgases aufweist. Das Kraftwerk enthält ausserdem einen Wärmerückgewinnungsdampfgenerator zum Erzeugen eines Dampfstromes mit Hilfe eines Abgases der Gasturbine und eine Dampfturbine zum Ausdehnen des Dampfstromes aus dem Wärmerückgewinnungsdampfgenerator. Die Dampfturbine enthält einen Rotor, in dem axial eine Rotorbohrung verläuft. Das Kraftwerk enthält auch einen Kanal, um mindestens einen Teil der verdichteten Luft und/oder mindestens einen Teil des heissen Verbrennungsgases aus der Gasturbine zu der Rotorbohrung der Dampfturbine zu lenken, wobei die verdichtete Luft und/oder das heisse Verbrennungsgas die Rotorbohrung der Dampfturbine erwärmen können.

[0007] Zudem stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren in einem Kraftwerk gemäss Anspruch 1 bereit, insbesondere ein Verfahren zum Erwärmen einer Dampfturbine während des Anfahrens des Kraftwerkes.

[0008] Das Verfahren zum Erwärmen der Dampfturbine während des Anfahrens enthält Folgendes: Verdichten von Umgebungsluft in dem Verdichter zum Erzeugen verdichteter Luft, Abziehen mindestens eines Teils der verdichteten Luft aus dem Verdichter, und Einleiten der verdichteten Luft in die Rotorbohrung der Dampfturbine, wobei die verdichtete Luft den Rotor erwärmt.

[0009] Die vorliegende Erfindung stellt auch ein alternatives Verfahren zum Erwärmen einer Dampfturbine während des Anfahrens eines Kraftwerkes bereit.

[0010] Das Verfahren zum Erwärmen der Dampfturbine während des Anfahrens enthält Folgendes: Verdichten von Umgebungsluft in dem Verdichter zum Erzeugen verdichteter Luft, Verbrennen der verdichteten Luft mit einem Brennstoff zum Erzeugen eines heissen Verbrennungsgases, Abziehen mindestens eines Teils des heissen Verbrennungsgases aus der Brennkammer und Einleiten des heissen Verbrennungsgases in die Rotorbohrung der Dampfturbine, wobei das heisse Verbrennungsgas den Rotor erwärmt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0011] <tb>Fig. 1<sep>ist eine schematische Ansicht eines Kraftwerkes einer Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung, wie im vorliegenden Text beschrieben. <tb>Fig. 2<sep>ist eine schematische Ansicht eines Kraftwerkes einer Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung, wie im vorliegenden Text beschrieben.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

[0012] Wenden wir uns nun den Zeichnungen zu, wo in den einzelnen Ansichten gleiche Bezugszahlen gleiche Elemente bezeichnen. Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Kraftwerkes 10 einer konkreten Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung. Das Kraftwerk 10 enthält eine Gasturbine 11, einen Wärmerückgewinnungsdampfgenerator («WRDG») 12 und eine Dampfturbine 13.

[0013] Die Gasturbine 11 enthält einen Verdichter 14, eine Brennkammer 15 und eine Turbine 16. Während des normalen Betriebes kann Umgebungsluft 17 durch den Verdichter 14 verdichtet werden, um verdichtete Luft 18 zu erzeugen. Die verdichtete Luft 18 kann zusammen mit einem Brennstoff 19 in die Brennkammer 15 eingeleitet werden. In der Brennkammer 15 kann der Brennstoff 19 mit der verdichteten Luft 18 verbrannt werden, um ein heisses Verbrennungsgas 20 zu erzeugen. In bestimmten Ausführungsformen kann es sich bei dem Brennstoff um Folgendes handeln: Erdgas, Wasserstoff, Propan, Butan, Isopropan, Benzin, Dieselkraftstoff, Düsentriebwerkskraftstoff, Kerosin, Ethanol, Isopropylalkohol oder synthetische Gase aus Kohle. Das heisse Verbrennungsgas 20 kann dann in die Turbine 16 eingeleitet werden, in der sich das heisse Verbrennungsgas 20 ausdehnen kann, um Rotationsarbeit zu erzeugen. Die Turbine 16 kann mit einem ersten Generator 21 gekoppelt sein, um Elektrizität zu erzeugen.

[0014] Das Abgas 22 aus der Turbine 16 der Gasturbine 11 kann zu dem Wärmerückgewinnungsdampfgenerator 12 gelenkt werden. In dem Wärmerückgewinnungsdampfgenerator 12 kann Wärme von dem Gasturbinenabgas 22 zu einem Speisewasserfluss 23 übertragen werden, wodurch ein Dampfstrom 24 erzeugt wird. Nach dem Durchströmen des Wärmerückgewinnungsdampfgenerators 12 kann das abgekühlte Abgas dann über einen Kamin 25 ins Freie abgelassen werden. In einer konkreten Ausführungsform kann der Wärmerückgewinnungsdampfgenerator 12 Leitungen, einschliesslich Rippenrohre, für den Speisewasserfluss 23 enthalten. Das heisse Abgas kann über die Rippenrohre strömen, wodurch ein beträchtlicher Teil seiner Wärme an den Speisewasserfluss abgegeben wird, und dadurch Dampf erzeugen.

[0015] Der Dampfstrom 24 aus dem Wärmerückgewinnungsdampfgenerator 12 enthält dann in die Dampfturbine 13 gelenkt werden. Die Dampfturbine 13 kann einen Rotor 26, in dem sich eine axiale Rotorbohrung 27 befindet. Während des normalen Betriebes kann der Dampf 24 in den Dampfströmungspfad 30 der Dampfturbine 13 eingeleitet werden, wo er sich ausdehnen kann, wodurch er Rotationsarbeit erzeugt. Der Rotor 26 der Dampfturbine 13 kann mit einem zweiten Generator 28 gekoppelt sein, um Elektrizität zu erzeugen. In einer konkreten Ausführungsform können sowohl die Gasturbine als auch die Dampfturbine mit demselben Generator gekoppelt sein, um Elektrizität zu erzeugen. Nach dem Verlassen der Dampfturbine 13 kann der Dampf in einen Kondensator 29 abgelassen werden.

[0016] Während des Anfahrens kann die Gasturbine 11 so schnell wie möglich in einen stabilen Betriebszustand versetzt werden. Das Abgas 22 aus der Gasturbine 11 kann zu dem Wärmerückgewinnungsdampfgenerator 12 gelenkt werden, der einen Dampfstrom 24 erzeugt. Es kann eine gewisse Zeit vergehen, bevor der Wärmerückgewinnungsdampfgenerator 12 in der Lage ist, Dampf mit ausreichender Temperatur und genügend Druck zu erzeugen, um ihn in die Dampfturbine 13 einleiten zu können. Wenn Dampf mit niedriger Temperatur und geringem Druck in die Dampfturbine 13 eingeleitet wird, so könnte dies zu unerwünschter Kondensation innerhalb des Dampfturbinenströmungspfades 30 führen. Dampf kann über den Kanal 31 in den Kondensator 29 abgelassen werden, bis er eine ausreichende Temperatur und genügend Druck besitzt, um in die Dampfturbine 13 eingeleitet werden zu können.

[0017] Es kann ein Auslass 32 vorhanden sein, um mindestens einen Teil der verdichteten Luft 18 aus dem Verdichter 14 der Gasturbine 11 abzuziehen. In einer anderen Ausführungsform kann ein Verdichter getrennt von dem Verdichter 14 der Gasturbine 11 angeordnet sein, um verdichtete Luft zu liefern. Der von dem Verdichter 14 der Gasturbine 11 getrennte Verdichter kann durch einen Elektromotor, einen Kolbenmotor, eine Gasturbine, eine Dampfturbine oder eine andere Antriebsquelle betrieben werden. Während des Anfahrens kann der Teil der verdichteten Luft 18 über einen Kanal 33 in die Rotorbohrung 27 der Dampfturbine 13 eingeleitet werden. Der Kanal 33 kann ein beliebiges Mittel enthalten, mit dem die verdichtete Luft 18 von dem Verdichter 14 in die Rotorbohrung 27 übertragen werden kann. Es kann ein Ventil 34 vorhanden sein, um den Strom durch den Kanal 33 hindurchzusteuern. Während des Anfahrens kann das Ventil 34 geöffnet werden, um die Strömung aus dem Verdichter 14 in die Rotorbohrung 27 hinein zu ermöglichen, wodurch der Rotor 26 erwärmt wird, bevor Dampf in den Dampfströmungspfad 30 eingeleitet wird. Nachdem das Anfahren vollendet ist, kann das Ventil 34 geschlossen werden, wodurch die verdichtete Luft durch die Turbine 16 hindurchgelenkt wird, um nutzbare Arbeit zu erzeugen.

[0018] Fig. 2 zeigt eine schematische Ansicht eines Kraftwerkes gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung. Im Gegensatz zu Fig. 1 enthält das Kraftwerk von Fig. 2 einen Auslass 37 zum Abziehen mindestens eines Teils des heissen Verbrennungsgases 20 aus der Brennkammer 15 der Gasturbine 11. Während des Anfahrens kann der Teil des heissen Verbrennungsgases 20 über einen Kanal 33 in die Rotorbohrung 27 der Dampfturbine 13 eingeleitet werden. Es kann ein Ventil 34 vorhanden sein, um die Strömung durch den Kanal 33 hindurchzusteuern. In einer konkreten Ausführungsform kann ein Kühlsystem zum Kühlen des Kanals vorhanden sein. Während des Anfahrens kann das Ventil 34 geöffnet werden, um die Strömung aus der Brennkammer 15 in die Rotorbohrung 27 hindurch zu ermöglichen, wodurch der Rotor 26 erwärmt wird, bevor Dampf in den Dampfströmungspfad 30 eingeleitet wird. Nachdem das Anfahren vollendet ist, kann das Ventil 34 geschlossen werden, wodurch das heisse Verbrennungsgas 20 durch die Turbine 16 hindurchgeleitet wird, um nutzbare Arbeit zu erzeugen.

[0019] Durch Erwärmen der Dampfturbine während des Anfahrens können die Vorrichtung und das Verfahren der vorliegenden Erfindung die thermischen Belastungen verringern und können die Gesamt-Anfahrdauer von Kombikraftwerken verkürzen.

[0020] Es versteht sich, dass sich das oben Dargelegte nur auf die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung bezieht und dass zahlreiche Änderungen und Modifikationen daran vorgenommen werden können, ohne von dem Geltungsbereich der Erfindung abzuweichen, wie er durch die folgenden Ansprüche definiert wird.

Claims

1. Kraftwerk (10), das Folgendes umfasst: eine Gasturbine (11), die einen Verdichter (14) zum Erzeugen verdichteter Luft (18), eine Brennkammer (15) zum Verbrennen der verdichteten Luft mit einem Brennstoff (19) zum Erzeugen eines heissen Verbrennungsgases (20) und eine Turbine (16) zum Ausdehnen des heissen Verbrennungsgases (20) umfasst; einen Wärmerückgewinnungsdampfgenerator (12) zum Erzeugen eines Dampfstromes (24) mit Hilfe eines Abgases (22) der Gasturbine (11); eine Dampfturbine (13) zum Ausdehnen des Dampfstromes (24) aus dem Wärmerückgewinnungsdampfgenerator (12), wobei die Dampfturbine (13) einen Rotor umfasst, der eine axiale Rotorbohrung (27) aufweist; und einen Kanal (33) zum Lenken mindestens eines Teils der verdichteten Luft (18) oder mindestens eines Teils des heissen Verbrennungsgases (20) aus der Gasturbine (11) in die Rotorbohrung (27) der Dampfturbine (13), wobei die verdichtete Luft (18) oder das heisse Verbrennungsgas (20) die Rotorbohrung (27) der Dampfturbine (13) erwärmen können.

2. Kraftwerk (10) nach Anspruch 1, das des Weiteren ein Ventil (34) zum Steuern der Strömung durch den Kanal (33) hindurch umfasst.

3. Kraftwerk (10) nach Anspruch 3, wobei aus dem Verdichter (14) der Gasturbine (11) die verdichtete Luft (18) in die Rotorbohrung (27) der Dampfturbine (13) über den Kanal (33) lenkbar ist.

4. Kraftwerk (10) nach Anspruch 3, das des Weiteren einen Auslass (32) zum Abziehen mindestens eines Teils der verdichteten Luft (18) aus dem Verdichter (14) der Gasturbine (11) umfasst.

5. Kraftwerk (10) nach Anspruch 1, wobei aus der Brennkammer (15) der Gasturbine (11) das heisse Verbrennungsgas in die Rotorbohrung (27) der Dampfturbine (13) mittels des Kanals (33) lenkbar ist.

6. Kraftwerk (10) nach Anspruch 5, das des Weiteren einen Auslass (37) zum Abziehen mindestens eines Teils des heissen Verbrennungsgases (20) aus der Brennkammer (15) der Gasturbine (11) umfasst.

7. Verfahren zum Erwärmen der Dampfturbine (13) eines Kraftwerks (10) nach Anspruch 1 während des Anfahrens, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: das Verdichten von Umgebungsluft in dem Verdichter (14) zum Erzeugen verdichteter Luft (18); das Abziehen mindestens eines Teils der verdichteten Luft (18) aus dem Verdichter (14); und das Einleiten der verdichteten Luft (18) in die Rotorbohrung (27) der Dampfturbine (13), wobei die verdichtete Luft (18) den Rotor erwärmt.

8. Verfahren zum Erwärmen der Dampfturbine (13) eines Kraftwerks (10) nach Anspruch 1 während des Anfahrens, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: das Verdichten von Umgebungsluft in dem Verdichter zum Erzeugen verdichteter Luft (18); das Verbrennen der verdichteten Luft (18) mit einem Brennstoff (19) zum Erzeugen eines heissen Verbrennungsgases (20); das Abziehen mindestens eines Teils des heissen Verbrennungsgases (20) aus der Brennkammer (15); und das Einleiten des heissen Verbrennungsgases (20) in die Rotorbohrung (27) der Dampfturbine (13), wobei das heisse Verbrennungsgas (20) den Rotor erwärmt.