CH701038A2

CH701038A2 - Verfahren zum Durchführen einer Abschaltung einer Gasturbine.

Info

Publication number: CH701038A2
Application number: CH00728/10A
Authority: CH
Inventors: Samuel David Draper; David August Snider; Robert Thomas Thatcher
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2009-05-13
Filing date: 2010-05-10
Publication date: 2010-11-15
Also published as: JP2010265888A; US20100287948A1; CH701038A8; CN101886575A; US20100287944A1

Abstract

Instandhaltungsmassnahmen für einen Heissgaspfad einer Gasturbine (240) erfordern eine Abschaltung und abgekühlte Bedingungen. Wenn eine Gasturbine (240) abgeschaltet wird, verursachen Wärmegradienten an Hauptkomponenten der Gasturbine (240) und des Verdichters (241) Belastungen, die die Lebensdauer für diese Komponenten begrenzen. Wenn die Abkühlrate vergrössert wird, um die Instandhaltungszeit zu reduzieren, werden Belastungen vergrössert, wodurch die Komponentenlebensdauer reduziert wird. Es sind ein Verfahren und eine Ausrüstung geschaffen, um die gesamte Zykluszeit für die Instandhaltung zu reduzieren und dennoch die Lebensdauernachteile zu mildern, wodurch eine grössere Leistungserzeugung erzielt wird, während die Komponentenlebensdauer aufrechterhalten (oder möglicherweise ausgedehnt) wird. Das Verfahren enthält kurze Haltezeiten während der Turbinenabschaltung und des Turbinenstarts und langsamere Gasturbinenrampenraten während der Abkühlung und des Starts, was wärmebedingte Belastungen durch eine erzwungene Abkühlung mehr als aufwiegt, wobei der gesamte Vorgang deutlich verkürzt wird.

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldungen

[0001] Diese Anmeldung ist mit der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/178 013 mit dem Titel "Availablity Improvements to Heavy Fuel Gas Turbines" ("Verfügbarkeitsverbesserungen für mit schwerem Brennstoff gefeuerte Gasturbinen"), die am 13. Mai 2009 eingereicht worden ist und auf die General Electric Co. lautet, verwandt und nimmt die Priorität dieser Anmeldung in Anspruch, die durch Verweis hierin mit aufgenommen ist.

Hintergrund zu der Erfindung

[0002] Die Erfindung betrifft allgemein Gasturbinen und insbesondere ein Verfahren und eine Ausrüstung zur Erzielung beschleunigter Gasturbinenabschaltungen.

[0003] Die Wirtschaftlichkeit des Gasturbinenbetriebs schreibt vor, dass Gasturbinen in dem maximal möglichen Masse zur Leistungserzeugung verfügbar sind. Jedoch ist es bekannt, dass geplante Abschaltungen und ungeplante Ausfälle für eine vorbeugende Instandhaltung und Reparatur der Gasturbine im Laufe der Lebenszeit der Ausrüstung erforderlich sind. Es ist vorteilhaft in der Lage zu sein, die Gasturbine prompt abzuschalten, die zur Durchführung der Instandhaltungsmassnahme erforderlichen Bedingungen zu schaffen und anschliessend, nachdem die Instandhaltungsmassnahme beendet ist, schnell zum Betrieb zurückzukehren. Ein Beispiel für eine Massnahme, die ein Abschalten, Abkühlen, Starten und Erwärmen einer Gasturbine erfordert, stellt eine Turbinenwasserwäsche eines Heissgaspfades dar.

[0004] Um schwere Brennstoffe (Roh- und Reststandsöl) zu verbrennen, sind Turbinenwäschen erforderlich. Diese Waschvorgänge finden je nach der Zusammensetzung des Brennstoffs und anderen Betriebs- und Umgebungsbedingungen alle 3 bis 17 Tage statt. Der herkömmliche Waschgang sieht ein Einspritzen einer Waschlösung in eine Brennkammer und durch den Heissgaspfad der Gasturbine vor. Der Waschgang enthält einen Wasch-, einen Einweich-, einen Spühl-, einen Ablass- und einen Trocknungsvorgang. Der Waschgang kann etwa 1-2 Stunden dauern. Jedoch kann die gesamte Zeitdauer, die herkömmlicherweise erforderlich ist, um die Gasturbine abzuschalten und abzukühlen, den Waschgang durchzuführen und anschliessend die Gasturbine zur Grundlast zurückzubringen, bis zu etwa 45 Stunden benötigen.

Zum grossen Teil ist die gesamte Zeitdauer vom Abschalten der Gasturbine bis' zu einer Rückkehr zum Grundlastmodus dadurch begrenzt, dass ein unerzwungenes Abkühlen bis auf etwa 150[deg.]F zugelassen wird, um Wärmebelastungen und eine reduzierte Lebensdauer für den Lebensdauer für den Turbinenrotor, den Verdichterrotor und die Gehäuseteile zu vermeiden.

[0005] Es ist äusserst kostspielig für den Kraftwerksbetreiber, wenn Gasturbinen alle 3 bis 17 Tage für etwa 45 Stunden für den Turbinenwaschgang ausser Betrieb gesetzt werden. Ferner erfordert die Massnahme des Waschgangs einen beträchtlichen Arbeitsaufwand über eine längere Zeitdauer hinweg, um den Waschgangvorgang zu unterstützen. Dieses Personal ist normalerweise nicht Rund um die Uhr im Dienst.

[0006] Demgemäss ist es erwünscht, ein Verfahren und eine Ausrüstung zur Reduktion der Ausfallzeit für Gasturbinenmassnahmen des Abschaltens, Abkühlens, Startens und der Wiederinbetriebnahme bei gleichzeitiger Begrenzung wärmebedingter Belastungen an Gasturbinenkomponenten und Verhinderung übermässiger Ermüdung oder Beschädigung an Komponenten aufgrund von Übergangsvorgängen zu schaffen.

Kurze Beschreibung der Erfindung

[0007] In Kürze, ist gemäss einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Durchführung einer Instandhaltungsmassnahme für einen Heissgaspfad einer Gasturbine geschaffen. Das Verfahren enthält ein Halten der Turbine unter Höchstdrehzahl-Nulllast-Bedingungen für eine Zeitdauer während einer Abschaltung. Das Verfahren enthält ferner ein Steuern einer Beschleunigung der Turbine auf eine erste Abkühldrehzahl und eine zweite Abkühldrehzahl während einer erzwungenen Abkühlung auf eine Temperatur, die für die Durchführung der Instandhaltungsmassnahme geeignet ist. Ein Drehen des Gasturbinenrotors mit diesen Drehzahlen treibt Luft durch die Gasturbine, die die Gasturbine schneller abkühlt als die unerzwungene Abkühl-Basismassnahme.

Das Verfahren führt eine teilweise Turbinenabkühlung mit einer ersten Abkühldrehzahl durch und vervollständigt die Turbinenabkühlung mit einer zweiten Abkühldrehzahl, wobei die zweite Abkühldrehzahl grösser ist als die erste Abkühldrehzahl. Wenn die Turbinenbedingungen geschaffen sind, wird anschliessend die Instandhaltungsmassnahme durchgeführt. Das Verfahren enthält ferner ein rampenartiges Erhöhen der Turbinendrehzahl mit einer reduzierten Rate während der Startbeschleunigung vom Zünden bis zum Höchstdrehzahl-Nulllast-Zustand und ein Halten der Turbine unter Höchstdrehzahl-Nulllast-Bedingungen für eine Zeitdauer, bevor die Turbine belastet wird.

[0008] Gemäss einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Durchführung einer Abschaltung einer Gasturbine, die einen Verdichter und eine Turbine enthält, bis zu einem abgekühlten Zustand für eine Instandhaltungsmassname geschaffen. Das Verfahren enthält ein Halten der Gasturbine unter Höchstdrehzahl-Nulllast-Bedingungen für eine Zeitdauer während einer Abschaltung. Das Verfahren sieht eine Steuerung der Beschleunigung der Gasturbine auf eine erste Abkühldrehzahl und eine zweite Abkühldrehzahl während einer erzwungenen Abkühlung auf eine Temperatur vor, die sich zur Durchführung eines Waschvorgangs des Heissgaspfads eignet. Eine teilweise Turbinenabkühlung wird bei einer ersten Abkühldrehzahl bewerkstelligt.

Die Turbinenabkühlung wird bei einer zweiten Abkühldrehzahl vervollständigt, wobei die zweite Abkühldrehzahl grösser ist als die erste Abkühldrehzahl.

[0009] Ein dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung ergibt ein Verfahren zur Wiederherstellung von einer Abschaltung bzw. einem Ausfall einer Gasturbine, die einen Verdichter und eine Turbine enthält, von einem für eine Instandhaltung abgekühlten Zustand. Das Verfahren enthält ein rampenartiges Verändern der Gasturbinendrehzahl mit einer reduzierten Rate während der Startbeschleunigung vom Zünden bis zum Höchstdrehzahl-Nulllast-Zustand und ein anschliessendes Halten der Gasturbine unter Höchstdrehzahl-Nulllast-Bedingungen für eine Zeitdauer, bevor die Turbine belastet wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0010] Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden, wenn die folgende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in denen gleiche Bezugszeichen überall in den Zeichnungen gleiche Teile repräsentieren, worin veranschaulichen:
<tb>Fig. 1<sep>einen Basis-Turbinenwaschgang unter Verwendung eines herkömmlichen Verfahrens;

<tb>Fig. 2<sep>einen Arbeitsablauf für eine Ausführungsform eines erfindungsgemässen Verfahrens für eine Gasturbinenabkühlung und Rückkehr zum belasteten Betriebszustand der Gasturbine;

<tb>Fig. 3<sep>ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Durchführen einer Abschaltung einer Gasturbine, die einen Verdichter und eine Turbine enthält, wobei ein Heissgaspfad für die Gasturbine auf einen Instandhaltungszustand abgekühlt wird, die Instandhaltungsmassnahme durchgeführt wird und der Betriebszustand der Gasturbine wiederhergestellt wird;

<tb>Fig. 4<sep>ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Durchführen einer Abschaltung einer Gasturbine, die. einen Verdichter und eine Turbine enthält, auf einen abgekühlten Zustand für eine Instandhaltungsmassnahme;

<tb>Fig. 5<sep>ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Zurückkehren zum Betriebsmodus von einem abgekühlten Zustand nach einer Abschaltung; und

<tb>Fig. 6<sep>ein Rotationssytem für eine betriebsfreie Gasturbine mit einem Anlassermotor und einem Drehmomentwandler.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

[0011] Die folgenden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung haben viele Vorteile, einschliesslich einer deutlichen Reduktion der momentanen Ausfallzeit für Leistungsgasturbinen während Betriebsvorgängen, die eine Abschaltung und Abkühlung und ein anschliessendes Starten und Erwärmen einer Gasturbine oder ihrer einzelnen Teile erfordern. Es ist ein Verfahren geschaffen, um die Dauer der Ausfälle zu verringern, einschliesslich einer erzwungenen Kühlung des Systems, die bisher vermieden worden ist. Wichtig für diese Systemarbeitsweise ist die Aufrechterhaltung der Lebensdauer des Verdichters und Turbinenrotors, der Gehäuse, der Starteinrichtungen und des Abgassystems.

Um dies zu erreichen, ist ein Verfahren geschaffen, um die Dauer des Starts und der Abschaltung zu verlängern und die Motorrampenrate während der Beschleunigung auf die Drehzahl der erzwungenen Kühlung auszudehnen, was in sicherer Weise eine erzwungene Abkühlung ermöglicht, um so die gesamte Zeitdauer für den Ausfall deutlich zu reduzieren. Eine Steuerung der Drehzahl für die unbelastete Gasturbine wird durch einen neuen Einsatz eines Anlassermotors und Drehmomentwandlers der Gasturbine erzielt.

[0012] Ein Bespiel für eine derartige Abschaltung bzw. einen derartigen Ausfall bildet eine Wasserwaschmassnahme des Heissgaspfads für die Gasturbine. Weitere Beispiele enthalten eine Wasserwäsche des Verdichters, eine Inspektion und Instandhaltung der Brennkammerbauteile, eine Inspektion und Instandhaltung der Bauteile des Heisspfades und eine Inspektion und Instandhaltung des gesamten Systems.

[0013] Fig. 1 liefert eine graphische Darstellung, die ein herkömmliches Verfahren zum Durchführen eines Turbinen-waschgangs ausgehend von einem Betriebszustand unter Grundlast bis zu einer Rückkehr zum Grundlastbetrieb. Die Kurve zeichnet den Prozentsatz der Turbinennenndrehzahl 5 über der Zeit 6 auf. Der gesamte konventionelle Vorgang dauert etwa 45 Stunden. Zum Zeitpunkt 0, 10, wird eine Abschaltung der Gasturbine von der vollen Betriebsdrehzahl angefordert. Bei etwa 0,5 Stunden, 15, hat die Turbine die Rastdrehzahl erreicht, bei der sie periodisch durch eine Rastvorrichtung gedreht wird. Im Laufe der nächsten 39 Stunden kühlt sich die Turbine aufgrund von Wärmeverlusten zur Umgebung auf eine unerzwungene Weise ab.

Zum Zeitpunkt von etwa 40 Stunden, 20, hat sich die Turbine bis auf etwa 150[deg.] F (einer Temperatur, die als zur Durchführung der Wäsche akzeptabel betrachtet wird), wie durch in der Gasturbine eingebaute Temperaturmessvorrichtungen gemessen, abgekühlt. Die Zeitdauer für die Abkühlung wird durch die Umgebungstemperatur beeinflusst, die in bestimmten geografischen Regionen besonders hoch sein und folglich die Abkühlrate unter Umgehungsbedingungen nachteilig beeinflussen kann.

[0014] Bei etwa 41,5 Stunden, 25, wird ein Satz Ventile in dem Gasturbinensystem von Hand positioniert, um die Turbine für die Wasserwäsche durch die Brennkammer und Heissgaspfad einzurichten. Die Schritte des Waschens 26, Einweichens 27, Spülens 28, Ablassens 29 und einer Trocknung 30 des gesamten Waschvorgangs 31 nehmen lediglich 1 Stunde ein. Während der Wäsche 26 und der Trocknung 30 wird die Gasturbine bei etwa 11% der Höchstdrehzahl 35 gedreht. Der Rotationsmechanismus ist der Anlassermotor und der Drehmomentwandler. Wenn der Waschvorgang 31 beendet ist, werden die manuellen Ventile anschliessend bei etwa 44,1 Stunden 32 (von der Waschgangsposition zu einer Einstellung für den Turbinenbetrieb) neu positioniert.

Die Turbine wird von möglichen Verbrennungselementen gespült 33, gezündet 34, und der Rotor wird auf die volle Drehzahl ohne Last beschleunigt 35, wobei anschliessend die Turbine bei etwa 44,6 Stunden bis zur Grundlast belastet wird 36.

[0015] Von der gesamten betrieblichen Zeit, von der Grundlast bis zur Grundlast, umfasst lediglich etwa 1 Stunde den Waschvorgang selbst. Fast 40 Stunden nimmt die Abkühlung der Turbine auf eine für den Waschvorgang akzeptable Temperatur in Anspruch. Die langsame Abkühlung bis auf etwa 150 Grad F für den Waschvorgang ist in herkömmlicher Weise durchgeführt worden, um Belastungen in dem Verdichter und den Turbinenrotoren sowie in weiteren Komponenten zu minimieren, die gegebenenfalls eine Beschädigung herbeiführen und die Lebenszeit dieser Komponenten verkürzen könnten.

[0016] Fig. 2 veranschaulicht eine Ausführungsform eines er-findungsgemässen Verfahrens für eine Gasturbinenabschaltung, Abkühlung und Rückkehr zum Betriebmodus. Das Verfahren wird verwendet, um einen Turbinenwaschgang ausgehend von einem Betriebszustand unter Grundlast bis zu einer Rückkehr zum Grundlastbetrieb durchzuführen. Es sollte verstanden werden, dass das Verfahren im weiteren Sinne für vielfältige Massnahmen verwendet werden kann, die Abkühlungen bis auf Instandhaltungsbedingungen und eine Wiederherstellung des Turbinenbetriebs erfordern. Es sollte ferner verstanden werden, dass Teile des Verfahrens angewandt werden können, ohne das vollständige Verfahren auszuführen.

[0017] Die grafische Darstellung nach Fig. 2zeichnet die Turbinendrehzahl 105 im Laufe der Zeit 106 während des Ablaufs des erfindungsgemässen Verfahrens auf. Die gesamte Massnahme kann etwa 12 Stunden dauern, was eine Verbesserung von etwa 33 Stunden gegenüber dem herkömmlichen Verfahren ergibt.

[0018] Zum Zeitpunkt 0, 110, wird eine Abschaltung der Gasturbine von der vollen Betriebsdrehzahl angewiesen. Es wird eine herkömmliche Entlastung eingeleitet, wobei aber ein Halten 115 von etwa 10 Minuten bei dem Höchstdrehzahl-Nulllast-Zustand (FSNL, füll speed-no load) durchgeführt wird. Eine Kurve der Feuerungstemperatur 111 ist veranschaulicht. Nach dem FSNL-Halten 115 wird eine herkömmliche Verzögerung 120 durchgeführt, bis in etwa 0,7 Stunden die Rastdrehzahl 125 erreicht ist. Bei der Rastdrehzahl wird die Turbine durch eine Rastvorrichtung periodisch gedreht.

[0019] Bei etwa 2,0 Stunden 130 wird ein intelligentes Abkühlen eingeleitet. Bei einem intelligenten Abkühlen wird die Turbine durch einen Anlassermotor über einen Drehmomentwandler betrieben, der Umgebungsluft treibt, damit diese in den Verdichtereinlass, durch die Brennkammer und durch den Heissgaspfad hindurch strömt. Die Strömung der Umgebungsluft durch die Turbine hat eine beschleunigte Abkühlung zur Folge. Die Turbinendrehzahl wird rampenartig bis auf eine Drehzahl 136 von etwa 11% erhöht 135, wobei die Kühlung bei dieser Drehzahl für etwa 1 Stunde fortgesetzt wird. Bei etwa 3 Stunden wird eine zweite Drehzahlerhöhung 140 auf eine Drehzahl von etwa 22% vorgenommen, wobei die Kühlung bei der 22%-Drehzahl für etwa 7 Stunden fortgesetzt wird 141, bis die Turbinenradraumtemperatur für den Waschvorgang zufrieden stellend ist.

Eine schnellere Drehzahl saugt mehr Kühlluft an und erhöht die Kühlrate. Für den Wasserwaschvorgang wird die Abkühlung bis auf etwa 150[deg.] F durchgeführt. Jedoch kann das Verfahren durchgeführt werden, um andere Temperaturen, die für andere Betriebsvorgänge geeignet sind, einzurichten.

[0020] Der Turbinenwaschvorgang 150 wird bei etwa 10,0 Stunden durchgeführt, nachdem Ventile positioniert worden sind, um die Turbine für den Wasserwäscheströmungspfad durch die Brennkammer und den Heissgaspfad einzurichten. Die intelligente Abkühlung spart gegenüber dem herkömmlichen Abkühlverfahren etwa 30 Stunden ein. Gemäss einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung können die Ventile fernbetätigte Ventile sein. Ausserdem kann die Schaltfolge der Ventilbetätigung von der Ferne von einem Bedienfeld aus oder gemäss einer automatischen Ablauffolge von einer Steuerungseinrichtung, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, einem Turbinensteuersystem, ausgelöst werden.

[0021] Die Wäsche 151 kann durchgeführt werden, während die Turbine die Drehzahl von der 22%-Drehzahl auf die 11%-Drehzahl verringert 152. Das Spülen 153, Ablassen 154 und Trocknen 155 kann bei der Drehzahl von etwa 11% durchgeführt werden. Wenn der Waschvorgang 150 beendet ist, kann die Ventileinstellung für einen normalen Gasturbinenstart entsprechend einer automatisierten Schaltfolge wiederhergestellt werden.

[0022] Bei etwa 11,1 Stunden kann die Turbine für eine Rückkehr zum Betriebsmodus vorbereitet werden 156. Die Turbine wird zunächst von möglichen Verbrennungselementen gespült 157. Bei etwa 11,2 Stunden wird die Turbine gezündet 158. Die Turbine wird anschliessend durch den Einsatz einer intelligenten Drehzahlrampe 159 bis zur Höchstdrehzahl ohne Last beschleunigt. Die intelligente Drehzahlrampe 159 enthält eine reduzierte Rampenrate 160 zwischen etwa 35%-Drehzahl und 55%-Drehzahl für eine Belastungsreserve des Verdichters, gefolgt von einer herkömmlichen Rampenrate 161 bis zum FSNL-Betrieb. Sobald ein FSNL-Zustand erreicht ist, kann ein FSNL-Halten 162 von etwa 10 Minuten für eine Belastungsreserve der Turbine vorgenommen werden. Nach dem FSNL-Halten 162 kann eine herkömmliche Belastung 163 der Turbine vorgenommen werden.

Die Feuerungstemperatur- 111 ist für den Start veranschaulicht.

[0023] Die erzwungene Abkühlung reduziert die Zeitdauer, die erforderlich ist, um die benötigte Radzwischenraumtemperatur für die spezielle Instandhaltungsmassnahme (wie beispielsweise eine Temperatur von weniger als 150[deg.] F für eine Heissgaswäsche) zu erreichen. Die reduzierte Abkühlzeit geht mit dem Nachteil erhöhter Belastungen und einer reduzierten Lebensdauer der Turbine und des Verdichterrotors sowie in den Gehäusen einher. Die Belastungen in dem Rotorräum während der erzwungenen Abkühlung lassen sich dehnen. Um die Belastungen der erzwungenen Abkühlung auszugleichen und die Lebensdauer des Rotors wiederherzustellen, werden der Start und die Abschaltung der Maschine hinsichtlich der Länge leicht ausgedehnt. Die erzwungene Abkühlung reduziert die Gesamtzeit für den Turbinenwaschgang um bis zu 30 Stunden.

Eine Verlängerung der Zeitdauer des Starts und der Abschaltung um jeweils so wenig wie 10 Minuten wiegt die Belastungen der erzwungenen Abkühlung mehr als auf. Ein Hauptaspekt der Erfindung ist die gesamte Kombination aus schnellerer Abkühlung mit langsamerem Starten und Abschalten, die eine Nettovergrösserung der Lebensdauer des Rotors und der Gehäuse ergibt.

[0024] Während einer Abschaltung der Gasturbine beginnen die Belastungen während des Entlastungsteils der Abschaltung der Einheit anzusteigen. Dies ist auf die Kühlung des Rotorrandes zurückzuführen, während die Bohrungen der Rotoren heiss bleiben. Der Verdichterrotor hat eine Spitzenbelastung nach FSNL während der Verlangsamung. Der Turbinenrotor hat seine Spitzenbelastung bei FSNL. Bei einigen Gasturbinen ist die Lebensdauer des Verdichterrotors geringer als die Lebensdauer des Turbinenrotors. Ein Halten während der Abschaltung bei FSNL wird eine Reduktion der Lebensdauer des Turbinenrotors, aber eine Verlängerung der Lebensdauer des Verdichterrotors herbeiführen.

Für jede spezielle Turbinenanwendung kann eine Analyse durchgeführt werden, um die ideale Zeitdauer zum Halten bei FSNL zu berechnen, um die Belastungen zu vermindern und die Lebensdauer des Verdichterrotors zu erhöhen, ohne dabei die Beschädigung an dem Turbinenrotor wesentlich zu vergrössern, wodurch das System für eine Nettoverlängerung der Lebensdauer abgeglichen wird.

[0025] Einheiten im Feld nehmen heutzutage erzwungene Abkühlungen vor. Diese erzwungenen Abkühlungen rufen zusätzliche Belastungen in dem Rotor hervor und reduzieren dadurch die Lebensdauer. Einige Einheiten im Feld warten nach einer Abschaltung zwei Stunden lang, bevor sie mit der erzwungenen Abkühlung beginnen. Eine erneute Beschleunigung des Rotors bewirkt, dass sich die Rotorrandtemperatur im Vergleich zu der Bohrung schnell abkühlt. Wenn die Wärmewelle den Rotor von dem Rand zu der Bohrung durchdringt, wird ein "stoss-hafter" bzw. "schockhafter" Wärmegradient erzeugt. Dieser "stosshafte" Wärmegradient (Wärmegradientschock) ruft die hohen Belastungen in dem Rotor, den Gehäusen, dem Abgassystem hervor und verursacht Spielprobleme.

[0026] Durch Unterteilung der Beschleunigung des Turbinenrotors während einer erzwungenen Abkühlung in zwei Schritte kann der Wärme-"Stoss" bzw. -"Schock" reduziert werden, wodurch dem Rotorrand ermöglicht wird, sich langsam abzukühlen, und der Wärmewelle gestattet wird, zu der Bohrung durchzudringen. Bei einer intelligenten Abkühlung wird die Drehzahl des Rotors derart gesteuert, dass die Abkühlrate begrenzt ist, wodurch der höchste Temperaturgradient zwischen der Masse des Rotorlaufrads und dem Rand des Rotorrads begrenzt wird, wodurch die Belastung in dem Gasturbinenrotor begrenzt wird.

[0027] Ein Start der Maschine ruft in dem Verdichterrotor Druckbelastungen hervor. Eine Reduktion der Druckbelastungen während des Starts reduziert den gesamten Verformungsbereich über den Zyklus hinweg, was die Lebensdauer deutlich vergrössert. Die Konstruktionsdetails des Verdichters schaffen einen Zustand, in dem bestimmte Stufen des Verdichters von dem halten bei FSNL während des Starts profitieren, während andere Stufen gegebenenfalls nur von eine langsameren Rampenrate während der Beschleunigung auf FSNL profitieren können. Die Beschleunigung muss nicht ein Halten auf einer Zwischendrehzahl enthalten, und der Abschnitt mit verlangsamter Beschleunigung muss bei der Beschleunigung hinreichend spät, um eine ausreichende Temperatur zu haben, und früh genug erfolgen, um eine rotierende Abreissströmung zu vermeiden.

Folglich kann eine verlangsamte Beschleunigung in dem Drehzahlbereich von 30% bis 55% durch eine Kombination aus Anlassermotorsteuerung durch den Drehmomentwandler und Brennstoffeinteilung der Turbine erzielt werden. Eine Begrenzung der Beschleunigungsrate während einer intelligenten Drehzahlrampe reduziert die Aufheizrate der Radtemperatur des begrenzenden Verdichterrads, wodurch die maximale Temperaturdifferenz zwischen dem Rand und der Masse reduziert wird. Demgemäss wird die Spitzenbelastung an dem begrenzenden Verdichterrad reduziert. Eine verlangsamte Rampenrate mit einer Drehzahl in dem Bereich von 30% bis 55% reduziert die Spitzenbelastung, wenn FSNL erreicht wird, um ein wesentliches Mass.

[0028] Ein weiterer Aspekt des Verfahrens gemäss der vorliegenden Erfindung ist das Halten bei der Höchstdrehzahl-Nulllast-Bedingung, während eine Gasturbine bei einer er-findungsgemässen Abschaltung wieder in Betrieb genommen wird. Die beschränkende Komponente an dem Punkt der Belastung der Gasturbine ist ein Verdichterrad. Ein 5-minütiges Halten bei FSNL, bevor die Gasturbine belastet wird, reduziert die Temperaturdifferenz zwischen der Masse des Verdichterrads und dem Rand. Durch Reduktion dieser Temperaturdifferenz kann die Spitzenbelastung, die während der Lasterhöhung auftritt, in einem wesentlichen Masse reduziert werden.

[0029] Fig. 3 veranschaulicht ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Durchführen einer Abschaltung bzw. Ausserbe-triebnahme einer Gasturbine, die einen Verdichter und eine Turbine enthält, wenn eine Heissgaspfad für die Gasturbine auf eine Instandhaltungsbedingung abgekühlt und der Betrieb wiederhergestellt wird. In Schritt 310 hält die Gasturbine die Höchstdrehzahl-Nulllast-Bedingungen (FSNL-Bedingungen) während einer Abschaltung aufrecht, um wärmebedingte Belastungen in einer am meisten begrenzenden Komponente der Gasturbine unter FSNL-Bedingungen zu reduzieren. Die Gasturbine wird für eine bestimmte Zeitdauer unter den FSNL-Bedingungen gehalten. In Schritt 320 wird eine erzwungene Abkühlrate festgesetzt, in dem Umgebungsluft durch den Heissgaspfad der Gasturbine entsprechend einer Drehzahl der Gasturbine strömen gelassen wird.

Ein Schritt 330 steuert die Beschleunigung der Gasturbine bis zu einer ersten Abkühldrehzahl und einer zweiten Abkühldrehzahl während der erzwungenen Abkühlung auf einer Temperatur, die sich zur Durchführung einer Instandhaltungsmassnahme eignet. In Schritt 340 wird eine teilweise Turbinenabkühlung mit der ersten Abkühldrehzahl vorgenommen. In Schritt 350 wird die Gasturbinenabkühlung mit einer zweiten Abkühldrehzahl vorgenommen, wobei die zweite Abkühldrehzahl grösser ist als die erste Abkühldrehzahl. In Schritt 360 wird die Gasturbinendrehzahl während eines Starts mit einer reduzierten Rate relativ zu einer normalen Rampenrate während des Starts erhöht, wenn die Drehzahl sich in einem bestimmten Bereich unterhalb von FSNL befindet. Die Gasturbine wird vor einer Belastung entsprechend dem Schritt 370 für eine bestimmte Zeitdauer unter FSNL-Bedingungen gehalten.

[0030] Fig. 4 veranschaulicht ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Durchführen einer Abschaltung einer Gasturbine, die ein Verdichter und eine Turbine enthält, bis zu einem abgekühlten Zustand für eine Instandhaltungsmassnahme. Ein Schritt 410 hält die Gasturbine unter Höchstdrehzahl-Nulllast-Bedingungen (FSNL-Bedingungen) während einer Abschaltung, um wärmebedingte Belastungen in einer unter FSNL-Bedingungen am meisten begrenzenden Komponente der Gasturbine zu verringern. Die Gasturbine wird unter den FSNL-Bedingungen für eine bestimmte Zeitdauer gehalten. In Schritt 420 wird eine erzwungene Abkühlung durchgeführt, indem Umgebungsluft durch den Heissgaspfad der Gasturbine entsprechend einer Drehzahl der Gasturbine strömen gelassen wird.

Ein Schritt 430 steuert die Beschleunigung der Gasturbine bis zu einer ersten Abkühldrehzahl und einer zweiten Abkühldrehzahl während einer erzwungenen Abkühlung auf einer Temperatur, die sich zur Durchführung einer Instandhaltungsmassnahme eignet. In Schritt 440 wird eine teilweise Turbinenabkühlung bei einer ersten Abkühldrehzahl durchgeführt. In Schritt 450 wird die Gasturbinenabkühlung mit einer zweiten Abkühldrehzahl durchgeführt, wobei die zweite Abkühldrehzahl grösser ist als die erste Abkühldrehzahl, wodurch die Gasturbine bis zu dem benötigten Temperaturzustand für die Instandhaltungsmassnahme abgekühlt wird.

[0031] Fig. 5 veranschaulicht ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Rückkehren zum Betriebsmodus von einem abgekühlten Zustand nach einem Ausfall. In Schritt 510 wird die Gasturbinendrehzahl während eines Starts mit einer reduzierten Rate relativ zu einer normalen Rampenrate während des Starts rampenartig erhöht, wenn sich die Drehzahl in einem bestimmten Bereich unterhalb von FSNL befindet. Die Gasturbine wird gemäss Schritt 520 vor einer Belastung für eine bestimmte Zeitdauer unter FSNL-Bedingungen gehalten.

[0032] Fig. 6 veranschaulicht eine Drehzahlsteueranordnung 200 für eine nicht operative Gasturbine mit einem Anlassermotor und einen Drehmomentwandler. Der Anlassermotor 210 kann durch den Drehmomentwandler 220 die Welle 245 der unbelasteten Gasturbine 240 antreiben. Die Gasturbine 240 kann einen Verdichterabschnitt 241 und ein Turbinenabschnitt 242 enthalten. Der Anlassermotor 210 ist mit einer Eingangsseite des Drehmomentwandlers 220 über eine Eingangswelle 215 verbunden. Der Drehmomentwandler 220 ist mit der Gasturbine 240 über eine Ausgangswelle 230 verbunden. Der Anlassermotor 210 kann ein Motor mit konstanter Drehzahl (von 3600 U/Min für 60 Hz- oder 3000 U/Min für 50 Hz-Betrieb) sein. Es kann eine (nicht veranschaulichte) Ein-Aus-Steuerung für den Motor mit einem Übertemperaturschutz vorgesehen sein.

Es ist ein Verfahren vorgesehen, um den durch den Anlassermotor angetriebenen Drehmomentwandler zu verwenden, um die Beschleunigung des Gasturbinenrotors zu verlangsamen, wodurch die Aufheiz- oder Abkühlraten begrenzt werden, was ansonsten übermässige Spitzenbelastungen an begrenzenden Komponenten herbeiführen würde.

[0033] Die obigen Ausführungsformen ergeben einige Aspekte, die für den Betrieb der Gasturbine von Vorteil sind. Der erste Aspekt enthält eine Verkürzung des gesamten Wasserwaschgangs bei gleichzeitiger Erhöhung der Dauer des Starts und der Abschaltung, um die Rotorlebensdauer zu verbessern. Der Waschgang wird von etwa 45 Stunden auf weniger als 12 Stunden reduziert. Ein zweiter Aspekt umfasst die Hinzufügung eines Haltens bei der Höchstdrehzahl-Nulllast-Bedingung (FSNL-Halten) beim Abschalten, um einen Ausgleich der Rotortemperaturen zu ermöglichen. Ein dritter Aspekt enthält ein Halten bei der Höchstdrehzahl-Nulllast (FSNL-Halten) beim Starten, um Spannungen in der Mitte des Rotors zu vermindern, und an ein Verlangsamen der Drehzahlrampenrate bei einer Drehzahl im Bereich zwischen 30% und 55%, um Belastungen in dem hinteren Ende des Verdichterrotors zu vermindern.

Ein weiterer Aspekt fügt weitere Drehzahlpunkte zwischen der Nulldrehzahl (Rastdrehzahl) nach dem Abschalten und der 22%-Drehzahl hinzu (die momentan zur erzwungenen Abkühlung verwendet wird). Es sollte ferner verstanden werden, dass die Anwendung dieser Verfahren für viele Betriebs- und Instandhaltungserfordernisse der Gasturbinenausrüstung vorteilhaft ist, die Abschaltungen, Abkühlungen, Start- und Aufheizvorgänge erfordern, und nicht auf einen Wasserwaschgang beschränkt ist. Während verschiedene Ausführungsformen hierin beschrieben sind, wird aus der Offenbarung verständlich, dass hier verschiedene Kombinationen von Elementen, Veränderungen oder Verbesserungen vorgenommen werden können und diese in dem Umfang der Erfindung liegen.

[0034] Instandhaltungsmassnahmen für einen Heissgaspfad einer Gasturbine 240 erfordern eine Abschaltung und abgekühlte Bedingungen. Wenn eine Gasturbine 240 abgeschaltet wird, verursachen Wärmegradienten an Hauptkomponenten der Gasturbine 240 und des Verdichters 243 Belastungen, die die Lebensdauer für diese Komponenten begrenzen. Wenn die Abkühlrate vergrössert wird, um die Instandhaltungszeit zu reduzieren, werden Belastungen vergrössert, wodurch die Komponentenlebensdauer reduziert wird. Es sind ein Verfahren und eine Ausrüstung geschaffen, um die gesamte Zykluszeit für die Instandhaltung zu reduzieren und dennoch die Lebensdauernachteile zu mildern, wodurch eine grössere Leistungserzeugung erzielt wird, während die Komponentenlebensdauer aufrechterhalten (oder möglicherweise ausgedehnt) wird.

Das Verfahren enthält kurze Haltezeiten 115, 162 während der Turbinenabschaltung und des Turbinenstarts und langsamere Gasturbinenrampenraten 137, 142, 162 während der Abkühlung und des Starts, was wärmebedingte Belastungen durch eine erzwungene Abkühlung mehr als aufwiegt, wobei der gesamte Vorgang deutlich verkürzt wird.

Bezugszeichenliste

[0035]
<tb>5<sep>Turbinendrehzahl

<tb>6<sep>Zeit

<tb>10<sep>t=0

<tb>15<sep>t=0, 5

<tb>20<sep>40 Stunden

<tb>25<sep>41,5 Stunden

<tb>26<sep>Wäsche

<tb>27<sep>Einweichen

<tb>28<sep>Spülen

<tb>29<sep>Ablassen

<tb>30<sep>Trocknen

<tb>31<sep>Gesamte Wäsche

<tb>32<sep>44,1 Stunden

<tb>33<sep>Spülen

<tb>34<sep>Zünden

<tb>35<sep>Beschleunigt bis FSNL

<tb>36<sep>Belastet

<tb>110<sep>t=0

<tb>111<sep>Feuerungstemperatur

<tb>115<sep>FSNL-Halten

<tb>120<sep>Verzögern

<tb>125<sep>Rastdrehzahl

<tb>130<sep>t=2 Stunden

<tb>135<sep>Turbinenrampe

<tb>136<sep>Erste Abkühldrehzahl

<tb>137<sep>Erste langsame Einweichbeschleunigung

<tb>140<sep>Zweite Rampe

<tb>141<sep>Zweite Abkühldrehzahl

<tb>142<sep>Zweite langsame Einweichbeschleunigung

<tb>150<sep>Turbinenwaschvorgang

<tb>151<sep>Wäsche

<tb>152<sep>Rampe von 22% zu 11%

<tb>153<sep>Spülen

<tb>154<sep>Ablassen

<tb>155<sep>Trocknen

<tb>156<sep>Vorbereiten für ein Rückkehr zum Betrieb

<tb>157<sep>Turbine gespült

<tb>158<sep>Zünden der Turbine

<tb>159<sep>Intelligente Drehzahlrampe

<tb>160<sep>Reduzierte Lampenrate

<tb>161<sep>Herkömmliche Rampenrate

<tb>162<sep>FSNL-Halten

<tb>163<sep>Turbinenbelastung

<tb>200<sep>Drehzahlsteuerungsanordnung

<tb>210<sep>Anlassermotor

<tb>215<sep>Eingangswelle des Drehmomentwandlers

<tb>220<sep>Drehmomentwandler

<tb>221<sep>Körper des Drehmomentwandlers

<tb>222<sep>Arbeitsfluid

<tb>230<sep>Ausgangswelle des Drehmomentwandlers

<tb>240<sep>Gasturbine

<tb>241<sep>Verdichter

<tb>242<sep>Turbine

<tb>243<sep>Elektrischer Generator

<tb>244<sep>Rotorwelle der Gasturbine

Claims

1. Verfahren zum Durchführen einer Abschaltung einer Gasturbine (240), die einen Verdichter (241) und eine Turbine (242) enthält, wobei die Gasturbine (240) auf einen Instandhaltungszustand abgekühlt wird, wobei das Verfahren aufweist:

Halten der Gasturbine (240) unter Höchstdrehzahl-Nulllast (FSNL) -Bedingungen für eine bestimmte Zeitdauer (115) während einer Abschaltung, um wärmebedingte Belastungen in einer am meisten begrenzenden Komponente der Gasturbine (240) unter FSNL-Bedingungen zu vermindern.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Halten der Gasturbine (240) unter Höchstdrehzahl-Nulllast(FSNL)-Bedingungen für die bestimmte Zeitdauer (115) nicht dazu führt, dass eine nicht begrenzende Komponente unter FSNL-Bedingungen für die Gasturbine (120) mehr begrenzend wird als die unter FSNL-Bedingungen am meisten begrenzende Komponente aufgrund von wärmebedingten Belastungen durch das Halten der Gasturbine unter FSNL-Bedingungen für die bestimmte Zeitdauer.

3. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner aufweist:

Durchführen einer erzwungenen Abkühlung durch Strömenlassen von Umgebungsluft durch einen Heissgaspfad der Gasturbine (240) entsprechend einer Drehzahl der Gasturbine;

Steuern der Beschleunigung der Gasturbine (240) auf eine erste Abkühldrehzahl (136) und eine zweite Abkühldrehzahl (141) während einer erzwungenen Abkühlung auf eine Temperatur, die sich zur Durchführung einer Instandhaltungsmassnahme eignet;

Vornahme einer teilweisen Turbinenabkühlung mit einer ersten Abkühldrehzahl (136);

Beendigen der Turbinenabkühlung mit einer zweiten Abkühldrehzahl (141), wobei die zweite Abkühldrehzahl (141) grösser ist als die erste Abkühldrehzahl (136).

4. Verfahren nach Anspruch 3, das ferner aufweist:

Durchführen einer langsamen Einweichbeschleunigung (137) der Gasturbine (240) von einer Rastdrehzahl (125) auf eine erste Abkühldrehzahl (136); und

Durchführen einer langsamen Einweichbeschleunigung (142) der Gasturbine (240) von der ersten Abkühldrehzahl (136) auf eine zweite Abkühldrehzahl (141).

5. Verfahren nach Anspruch 3, wobei ein Begrenzen der ersten Abkühldrehzahl (136) und der zweiten Abkühldrehzahl (141) einen Temperaturschock an der am meisten begrenzten Komponente der Gasturbine (240) während der Abkühlung beschränkt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die am meisten begrenzende Komponente der Gasturbine während der Abkühlung einen Turbinenrotor aufweist.

7. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner aufweist:

Erhöhung der Drehzahl (159) der Gasturbine (240) während eines Starts mit einer reduzierten Rate relativ zu einer normalen Rampenrate während eines Starts.

8. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt der Erhöhung mit einer reduzierten Rate ferner aufweist:

Erhöhen der Drehzahl der Gasturbine (240) mit einer reduzierten Rate, wenn die Gasturbine in einem Drehzahlbereich zwischen etwa 30% und 55% von FSNL arbeitet.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt der Erhöhung der Drehzahl (160), wenn die Gasturbine (240) in einem Drehzahlbereich zwischen etwa 30% und 55% von FSNL arbeitet, eine Druckbelastung begrenzt.

10. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner aufweist:

Halten der Gasturbine (240) unter FSNL-Bedingungen für eine bestimmte Zeitdauer (162) vor einer Belastung (163).