DE102007010638A1

DE102007010638A1 - Verfahren und Systeme variabler Entnahme für Verdichterschutz

Info

Publication number: DE102007010638A1
Application number: DE102007010638A
Authority: DE
Inventors: James A. West; Robert T. Thatcher
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2006-03-06
Filing date: 2007-03-02
Publication date: 2007-09-13
Also published as: CN101033753B; CN101033753A; US7784288B2; JP5400272B2; JP2007239742A; US20070204625A1; CH700108B1

Abstract

Ein Verfahren zum Schutz eines Turbinenverdichters (104) einer Gasturbinenmaschine (100), als Teil eines kombinierten Kreisprozess-Energiegewinnungssystems (200) mit integrierter Vergasung, eine Lufttrenneinheit (204), welches folgende Schritte umfassen kann: (1) Entnahme einer durch den Turbinenverdichter (104) erzeugten Menge an Druckluft; (2) Bereitstellung der entnommenen Druckluftmenge für die Lufttrenneinheit (204); und (3) Veränderung der vom Turbinenverdichter (104) erzeugten Druckluftmenge anhand eines Soll-Verdichterdruckverhältnisses über den Turbinenverdichter (104). Das Verfahren kann darüber hinaus den Schritt umfassen, der Lufttrenneinheit (204) eine Zufuhr von Druckluft von einem Hauptluftverdichter (202) bereitzustellen. Die Menge an der Lufttrenneinheit (204) vom Hauptluftverdichter (202) bereitgestellter Druckluft kann anhand der vom Turbinenverdichter (104) entnommenen Menge an Druckluft verändert werden.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Anmeldung bezieht sich allgemein auf Verfahren zum Schutz eines Verdichters in einer Gasturbinenmaschine. Im speziellen, jedoch nicht einschränkenden Sinne, bezieht sich die vorliegende Anmeldung auf Verfahren zum Schutz eines Verdichters in einer Gasturbinenmaschine, die Teil eines kombinierten Kreisprozess-Energiegewinnungssystems mit integrierter Vergasung ist, und zwar durch Veränderung der vom Verdichter entnommenen und der Anlage für Prozessnutzungen bereitgestellten Druckluftmenge.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

In den gegenwärtigen Kreisprozess-Energiegewinnungssystemen mit integrierter Vergasung („IGCC") wird einem Vergaser von einer Lufttrenneinheit O₂ zur Verfügung gestellt, welcher dann teilweise verbrannte Gase für die Verwendung in einer Gasturbine produziert. Im Allgemeinen erfolgt die Zufuhr der Druckluft in die Lufttrenneinheit beiderseits von einem Hauptluftverdichter und/oder dem Gasturbinenverdichter durch Entnahme an dem Ausgang. Gegenwärtig ist die von dem Turbinenverdichterausgang entnommene Druckluftmenge annäherungsweise ein fester Prozentsatz des Verdichterflusses, und ist nur vom Bedarf der externen Anforderung abhängig.

Aufgabe für den Gasturbinenbetrieb in solchen Systemen ist die Bereitstellung des Soll-Lastniveaus unter Maximierung des Wirkungsgrades. Es umfasst die Gewährleistung des Gasturbinenbetriebs auf maximalem Soll-Lastniveau unter wechselnden Umgebungsbedingungen ohne Überschreitung des maximalen Last-niveaus und unter Beachtung der Betriebsgrenzen der Turbine. Betriebsgrenzen umfassen zum Beispiel die maximal zulässigen Temperaturen in den Turbinen- oder Brennerkomponenten. Eine Übertretung dieser Temperaturen kann die Turbinenkomponenten beschädigen oder zu einem erhöhten Emissionspegel führen. Eine andere Betriebsgrenze umfasst ein maximales Verdichterdruckverhältnis oder die Verdichterspanne. Die Überschreitung dieses Grenzwertes kann die Anlage zum Pumpen oder zum Strömungsabriss bringen, was zur erheblichen Schädigung des Verdichters führen kann. Darüber hinaus kann die Turbine, abhängig von der maximalen Flussrate der aus der Turbine tretenden verbrannten Gase, eine maximale Mach-Zahl aufweisen. Die Überschreitung dieser maximalen Flussrate kann die Turbinenkomponenten schädigen.

Dementsprechend ist die Regelung des Gasturbinenbetriebs auf einen höheren Wirkungsgrad unter Einhaltung der Betriebsgrenzen oder Betriebsanforderungen ein bedeutendes Ziel in der Industrie. Mehrere bekannte, die Betriebsgrenzen einhaltende Verfahren werden von Turbinenbetreibern für die Regelung oder Begrenzung der Turbinenlast verwendet. Diese bekannten Verfahren umfassen die Manipulation der Zulauf-Entnahmewärme, der Zulaufleitschaufeln des Verdichters, und/oder der Turbinentreibstoffversorgung.

Zulauf-Entnahmewärme erlaubt dem Turbinenbetreiber, die von dem Turbinenverdichter abgegebene Luft abzuführen und die abgeführte Luft dem Verdichterzulauf wieder zuzuführen. Weil ein Teil des Verdichterflusses dem Zulauf wieder zugeführt wird, reduziert dieses Verfahren den durch die Turbine expandierende Strom des Verdichters, was die Ausgangsleistung der Turbine verringert. Dieses Verfahren einer Gasturbinenlastregelung kann ebenso die Erhöhung der Zulauftemperatur der Verdichterzulaufluft durch Mischung der kälteren Umgebungsluft mit der abgeführten Menge der heißen, vom Verdichter abgegebenen Luft umfassen. Dieses Anheben der Temperatur verringert die Luftdichte und folglich den Massenstrom durch den Verdichter zur Gasturbine. Obwohl diese Vorgehensweise angewandt werden kann, um die Gasturbineneinheit unter wechselnden Umgebungsbedingungen auf einem maximalen Lastniveau zu betreiben (unter Einhaltung der Betriebsgrenzen, wie das maximale Verdichterdruckverhältnis), sind damit höhere Kosten verbunden, da sie den thermischen Wirkungsgrad der Gasturbine herabsetzt.

Das Schließen der Zulaufleitschaufeln, die den Luftstrom zu dem Turbinenverdichter regeln, ist ein weiteres verbreitetes Verfahren zur Verringerung des Massenstroms durch die Gasturbine, welches ebenso zur Regelung oder Begrenzung der Turbinenlast verwendet werden kann. Das Schließen der Zulaufleitschaufeln drosselt den Luftdurchgang zu dem Verdichter und verringert so die in den Verdichter eintretende Luftmenge. Diese Vorgehensweise kann ebenso für den Betrieb der Gasturbineneinheit bei maximalem Lastniveau unter wechselnden Umgebungsbedingungen (unter Einhaltung der Betriebsgrenzen, wie maximales Verdichterdruckverhältnis oder Verdichterspanne) verwendet werden, sie verkleinert jedoch ebenso den thermischen Wirkungsgrad der Gasturbine, da der Verdichter außerhalb seines ausgelegten Betriebspunktes betrieben wird.

Schließlich kann die Turbinenlast werden durch die Verringerung des Treibstoffflusses zu dem Brenner geregelt oder begrenzt. Dieser verringert die Verbrennungstemperatur der Turbine und die Ausgangsleistung der Gasturbinenmaschine. Im Falle abnehmender Umgebungstemperaturen erlaubt diese Maßnahme der Turbine, ein maximales Lastniveau zu halten (unter Einhaltung von Betriebsgrenzen, wie maximalem Verdichterdruckverhältnis oder Verdichterspanne). Trotzdem, wie in der Technik bekannt, führt die Abnahme der Verbrennungstemperatur zur Abnahme des Wirkungsgrades der Gasturbinenmaschine.

Diese bekannten Verfahren zur Regelung des Turbinenbetriebs beeinflussen in negativer Weise den Wirkungsgrad der Gasturbinenmaschine. Darüber hinaus nutzt keines dieser Regelungsverfahren die spezifischen Komponenten eines IGCC-Energiegewinnungssystems zur Effizienzsteigerung aus. Folglich besteht ein Bedarf für ein effizienteres Verfahren zum Schutz eines Verdichters einer Gasturbinenmaschine, welche Komponenten eines kombinierten Kreisprozess-Energiegewinnungssystems mit integrierter Vergasung sind.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Anwendung beschreibt ein Verfahren zum Schutz eines Turbinenverdichters einer Gasturbinenmaschine, welcher Teil eines kombinierten Kreisprozess-Energiegewinnungssystems mit integrierter Vergasung ist, wobei letzteres durch eine Lufttrenneinheit gekennzeichnet ist und die folgende Schritte umfasst: (1) Entnahme einer Druckluftmenge, welche durch den Turbinenverdichter erzeugt wird; (2) Bereitstellung der entnommenen Druckluftmenge für die Lufttrenneinheit; (3) Veränderung der vom Turbinenverdichter entnommenen Druckluftmenge, abhängig von einem Soll-Verdichterdruckverhältnis über den Turbinenverdichter. Das Verfahren kann weiterhin den Schritt der Versorgung der Lufttrenneinheit durch vom Hauptluftverdichter bereitgestellte Druckluft umfassen. Die Menge der für die Lufttrenneinheit durch den Hauptluftverdichter bereitgestellten Druckluft kann über die vom Turbinenverdichter entnommene Druckluftmenge verändert werden.

Eine kombinierte Bereitstellung an Druckluft kann die durch den Hauptluftverdichter der Lufttrenneinheit bereitgestellte Druckluftmenge sowie die vom Turbinenverdichter entnommene Druckluftmenge umfassen. Diese kombinierte Bereitstellung von Druckluft kann die Versorgung mit Druckluft umfassen, die den Gesamtbedarf der Lufttrenneinheit an Druckluft abdeckt.

In einigen Ausführungsformen kann der Schritt der Veränderung der Druckluftmenge, die der Lufttrenneinheit durch den Hauptluftverdichter zugeführt wird, abhängig von der Druckluftmenge, die dem Turbinenverdichter entnommen wird, den Schritt umfassen, dass die vom Hauptluftverdichter der Lufttrenneinheit zur Verfügung gestellte Druckluftmenge verringert wird, wenn die vom Turbinenverdichter entnommene Druckluftmenge erhöht wird. Die Menge, um welche die durch den Hauptluftverdichter der Lufttrenneinheit bereitgestellte Druckluft verringert wird, kann annähernd der Menge entsprechen, um welche die vom Turbinenverdichter entnommene Druckluftmenge erhöht wird. Der Schritt der Veränderung der Druckluftmenge, die der Lufttrenneinheit durch den Hauptluftkompressor abhängig von der Druckluftmenge, die dem Turbinenverdichter entnommen wird, zugeführt wird, kann den Schritt umfassen, dass die durch den Hauptluftverdichter der Lufttrenneinheit bereitgestellte Druckluftmenge erhöht wird, wenn die vom Turbinenverdichter entnommene Druckluftmenge verringert wird. Die Menge, um welche die durch den Hauptluftverdichter der Lufttrenneinheit bereitgestellte Druckluft erhöht wird, kann annähernd der Menge entsprechen, um welche die vom Turbinenverdichter entnommene Druckluftmenge verringert wird.

In einigen Ausführungsformen kann der vom Soll-verdichterdruckverhältnis abhängige Schritt, die vom Turbinenverdichter entnommene Druckluftmenge zu verändern, folgende Schritte umfassen: (1) Messung des Drucks an dem Zulauf und Ausgang der Gasturbinenmaschine; und (2) Bestimmung eines Ist-Verdichterdruckes anhand der an dem Zulauf und Ausgang des Turbinenverdichters durchgeführten Druckmessungen und (3) Soll-/Ist-Vergleich des Verdichterdruckverhältnisses. Das Soll-Verdichterdruckverhältnis kann ein entweder kein Pumpen des Turbinenverdichters auslösendes oder die Soll-Verdichterspanne einhaltendes Verdichterdruckverhältnis sein.

Einige Ausführungsformen können den Schritt umfassen, die vom Turbinenverdichter entnommene Druckluftmenge zu erhöhen, wenn das Ist-Verdichterdruckverhältnis größer als das Soll-Verdichterdruckverhältnis gemessen wurde. Einige Ausführungsformen können den Schritt umfassen, die vom Turbinenverdichter entnommene Druckluftmenge zu verringern, wenn das Ist-Verdichterdruckverhältnis kleiner als das Soll-Verdichterdruckverhältnis gemessen wurde.

Die vorliegende Anwendung kann daher ein System zum Schutz eines Turbinenverdichters einer Gasturbinenmaschine umfassen, welche Teil eines kombinierten Kreisprozess-Energiegewinnungssystems mit integrierter Vergasung ist, und das eine Lufttrenneinheit aufweist. Das System kann einen Luft komprimierenden Turbinenverdichter umfassen; Mittel für die Entnahme einer Druckluftmenge vom Turbinenverdichter und Mittel für die Bereitstellung der entnommenen Druckluftmenge für die Lufttrenneinheit; und Mittel für die vom Soll-Verdichterdruckverhältnis über den Turbinenverdichter abhängigen Änderung der vom Turbinenverdichter entnommenen Druckluftmenge.

In einigen Ausführungsformen kann das System Mittel für die Bestimmung des Ist-Verdichterdruckverhältnisses über den Turbinenverdichter umfassen. Ein Soll-Verdichterdruckverhältnis über den Turbinenverdichter kann ein entweder kein Pumpen des Turbinenverdichters auslösendes oder die Soll-Verdichterspanne einhaltendes Verdichterdruckverhältnis sein. Die Mittel für die Veränderung der vom Turbinenverdichter entnommenen Druckluftmenge, abhängig vom Verdichterdruckverhältnis über den Turbinenverdichter, können Mittel zum Vergleich des Ist-Verdichterdruckverhältnis über den Turbinenverdichter mit dem Soll-Verdichterdruckverhältnis über den Turbinenverdichter und Mittel zur Veränderung der vom Turbinenverdichter entnommenen Druckluftmenge in Abhängigkeit vom Vergleich des Ist-Verdichterdruckverhältnisses über den Turbinenverdichter mit dem Soll-Verdichterdruckverhältnis über den Turbinenverdichter umfassen.

In einigen Ausführungsformen kann die vom Turbinenverdichter entnommene Druckluftmenge erhöht werden, wenn das Ist-Verdichterdruckverhältnis größer als das Soll-Verdichterdruckverhältnis gemessen wurde. In einigen Ausführungsformen kann die vom Turbinenverdichter entnommene Druckluftmenge verringert werden, wenn das Ist-Verdichterdruckverhältnis kleiner als das Soll-Verdichterdruckverhältnis gemessen wurde. Die Mittel zur, auf dem Soll-Verdichterverhältnis über den Turbinenverdichter basierenden, Veränderung der vom Turbinenverdichter entnommenen Druckluftmenge können einen Proportional-Integral-Differential Regler umfassen.

In einigen Ausführungsformen kann das System darüber hinaus einen Hauptluftverdichter, der Lufttrenneinheit die Versorgung mit Druckluft vom Hauptluftverdichter gewährleistend, und Mittel für die Veränderung der vom Hauptluftverdichter für die Lufttrenneinheit bereitgestellten Druckluft umfassen. Die vom Hauptluftverdichter für die Lufttrenneinheit bereitgestellte Menge an Druckluft kann anhand der vom Turbinenverdichter entnommenen Druckluftmenge verändert werden. In einigen Ausführungsformen kann die vom Hauptluftverdichter der Lufttrenneinheit bereitgestellte entnommene Druckluftmenge erhöht werden, wenn die vom Turbinenverdichter entnommene komprimierte Druckluftmenge verringert wird und die vom Hauptluftverdichter der Lufttrenneinheit bereitgestellte entnommene Druckluftmenge kann verringert werden, wenn die vom Turbinenverdichter entnommene komprimierte Druckluftmenge erhöht wird.

Diese und andere Merkmale der vorliegenden Anwendung treten bei der Durchsicht der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen, zusammen mit den Zeichnungen und angefügten Patentansprüchen, hervor.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 ist ein schematischer Plan einer beispielhaften Turbine, welche in bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Anwendung verwendet werden kann.
2 ist ein schematischer Plan eines beispielhaften integrierten vergasungskombinierten Kreis ("IGCC") Energiegewinnungssystems, welches in bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Anwendung verwendet werden kann.
Die 3(a), 3(b) und 3(c) umfassen einige verwandte Diagramme, welche die Ergebnisse eines beispielhaften IGCC Energiegewinnungssystems zeigen, in welchem das Entnahmeniveau der vom Turbinenverdichter erzeugten Druckluft so verändert wird, dass eine maximale Last der Turbine unter sich ändernden Umgebungsbedingungen effizient aufrecht gehalten werden kann (unter Einhaltung der Betriebsgrenzen, wie maximalem Verdichterdruckverhältnis oder Verdichterspanne).
4(a) und 4(b) umfasst zwei Diagramme, die zeigen, wie die Temperatur im Brenner 106 verändert werden kann, so dass eine maximal zulässige Gasaustrittstemperatur aus dem Brenner nicht überschritten wird, wenn die Turbine 100 auf einer konstanten Last bei sich ändernden Umgebungsbedingungen betrieben wird.
Die 5(a) und 5(b) umfassen zwei Diagramme, die zeigen, wie die Zulaufsleitschaufeln verändert werden können, so dass eine maximale Austritts-Mach-Zahl nicht überschritten wird, wenn die Turbine 100 auf konstanter Last bei sich ändernden Umgebungsbedingungen betrieben wird.
6 ist ein Flussdiagramm, das ein beispielhaftes Regelungsverfahren zeigt, das für die Einstellung der Abgastemperatur der Turbine verwendet werden kann.
7 ist ein Flussdiagramm, das ein beispielhaftes Regelungsverfahren zeigt, das für die Berechnung eines Einstellungspunktes für die Zulaufleitschaufeln der Turbine (z. B. der Anstellwinkel der Zulaufleitschaufeln) verwendet werden kann.
8 ist ein Flussdiagramm, das ein beispielhaftes Regelungsverfahren für die Berechnung des Einstellungspunktes der Turbinenverdichterentnahme zeigt (z. B. die Menge oder der Prozentsatz an Druckluft des Turbinenverdichters, der entnommen wird und der Lufttrenneinheit bereitgestellt wird).
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Mit Bezug auf die Figuren bedeuten die verschiedenen Zahlen Komponenten in unterschiedlichen Ansichten, 1 zeigt schematisch eine beispielhafte Gasturbinenmaschine 100, die in bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Anwendung verwendet wird. Die Gasturbinenmaschine 100 kann einen Verdichter, der auch bekannt sein kann als Turbinenverdichter 104, einen Brenner 106 und eine Turbine 108 in Serienschaltung umfassen. Der Turbinenverdichter 104 und die Turbine 108 können durch eine Welle 110 gekoppelt sein, ebenfalls kann diese die Turbine 108 zum Betrieb eines elektrischen Generators (nicht gezeigt) koppeln. In bestimmten Ausführungsformen kann die Gasturbine 100 eine 7FB Maschine sein, welche über die Fa. General Electric kommerziell erhältlich ist, jedoch wird die Gasturbinenmaschine 100 hier lediglich beispielhaft gezeigt und beschrieben. Dementsprechend ist die Gasturbine 100 nicht begrenzt auf die in der 1 gezeigte Gasturbinenmaschine. Zum Beispiel, jedoch nicht in einschränkendem Sinne, kann die Gasturbine 100 in einer alternativen Ausführung eine vielachsige Gasturbinenmaschine sein, zwei Wellen für den getrennten Betrieb des elektrischen Generators (nicht gezeigt) und des Turbinenverdichters 104 umfassend.
Während des Betriebs kann über den Turbinenverdichter 104 Luft in die Gasturbinenmaschine 100 strömen (wie durch die Pfeile 112 angedeutet) und komprimiert werden. Druckluft kann dann zu dem Brenner 106 geleitet werden, wo diese mit Treibstoff vermischt und entzündet werden kann. Die expandierenden heißen Gase vom Brenner 106 können die rotierende Turbine 108 antreiben und über einen Abgasdiffusor 114 aus der Gasturbinenmaschine 100 austreten (durch Pfeil 113 angedeutet). Zudem können in einigen Ausführungsformen Abgase von der Turbinenmaschine 100 für die Aufheizung eines Sicherheits-Dampferzeugers (nicht gezeigt) bereitgestellt werden, welcher Dampf für den Betrieb einer Dampfturbine (nicht gezeigt) erzeugt.
2 ist ein schematisches Diagramm eines beispielhaften kombinierten Kreisprozess-("IGCC")Energiegewinnungssystems 200 mit integrierter Vergasung, verwendet in bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Anwendung. Allerdings werden es all jene mit üblichen Kenntnissen begrüßen, dass die vorliegende Anwendung nicht begrenzt ist auf die Verwendung mit dem IGCC Energiegewinnungssystem 200, sondern auch in anderen, aus einer Gasturbine bestehenden, Systemen verwendet werden kann. Das IGCC Energiegewinnungssystem 200 kann die oben beschriebene Gasturbinenmaschine 100 umfassen. Das IGCC System 200 kann darüber hinaus einen Hauptluftverdichter 202 umfassen, eine über Kommunikation des Flusses mit dem Hauptluftverdichter 202 und dem Turbinenverdichter 104 verbundene Lufttrenneinheit 204, einen Vergaser 206, über Kommunikation des Flusses mit der Lufttrenneinheit 204 verbunden, den Brenner 106, über Flusskommunikation mit dem Vergaser 206 verbunden, und die Turbine 108. Die Pfeile in 2 zeigen die Richtungen des Flusses.
Im allgemeinen Betrieb kann der einen oder mehrere kommerziell erhältliche Verdichter umfassende Hauptverdichter 202 Umgebungsluft komprimieren (siehe mit 207 bezeichnete Pfeile). Die vom Hauptverdichter 202 erzeugte Druckluft kann in die Lufttrenneinheit 204 geleitet werden. Vom Turbinenverdichter 104 erzeugte Druckluft kann entnommen und der Lufttrenneinheit 204 zur Verfügung gestellt werden. Die Druckluftentnahme vom Turbinenverdichter 104 kann erfolgen, indem die Druckluft vom Turbinenverdichter 104 in ein Rohr geleitet und die entnommene Druckluft zu der Lufttrenneinheit 204 gelenkt wird. Ein Ventil (nicht gezeigt), wie ein Drossel- oder ähnliches Ventil, kann im Rohr für die Regelung der vom Turbinenverdichter 104 entnommenen Druckluftmenge angebracht werden. Jene mit üblichen technischen Kenntnissen werden es begrüßen, dass andere Systeme und Verfahren für die Druckluftentnahme vom Turbinenverdichter 104 und ihre Bereitstellung für die Lufttrenneinheit 204 verwendet werden können. Die Lufttrenneinheit 204 bekommt damit die für ihre Funktion erforderliche Druckluftmenge von dem Hauptverdichter 202 und von der von dem Turbinenverdichter 104 entnommenen Druckluft.
Die Lufttrenneinheit 204 kann dann die bereitgestellte Druckluft für die Erzeugung von Sauerstoff zur Verwendung durch den Vergaser 206 entsprechend der in der Technik bekannten Verfahren verwenden. Insbesondere kann die Lufttrenneinheit 204 die Druckluft in getrennte Ströme von Sauerstoff (durch Pfad 208 angegebenen Fluss) und ein Gasnebenprodukt, manchmal mit „Verfahrengas" bezeichnet, teilen. Das durch die Lufttrenneinheit 204 erzeugte Verfahrengas kann Stickstoff enthalten und wird darum als „Stickstoffverfahrengas" bezeichnet. Das Stickstoffverfahrengas kann ebenso aus anderen Gasen bestehen, wie z. B. Sauerstoff, Argon, etc. In einigen Aus führungsformen kann das Stickstoffverfahrengas aus zwischen etwa 95% bis 100% Stickstoff bestehen.
Der Sauerstofffluss von der Lufttrenneinheit 204 kann zur Erzeugung teilweise verbrannter Gase, hier für die Verwendung als Treibstoff durch die Gasturbinenmaschine 100 mit „Syngas" bezeichnet, zu dem Vergaser 206 geleitet werden. In einigen bekannten IGCC-Systemen kann mindestens ein Teil des Stickstoffverfahrengasflusses, ein Nebenprodukt der Lufttrenneinheit 204, in die Atmosphäre abgelassen werden (mit Pfad 210 bezeichneter Fluss). In einigen bekannten IGCC Systemen kann ein anderer Teil des Stickstoffverfahrengasflusses (mit Pfad 211 bezeichneter Fluss) einem Stickstoff geladenen Verdichter 208 bereitgestellt werden und dann in den Brenner 106, zur Erleichterung der Emissionsregelung der Turbine 108, geleitet werden.
Der Vergaser 206 kann eine Treibstoffmischung (mit Pfad 212 bezeichneter Fluss), den durch die Lufttrenneinheit bereitgestellten Sauerstoff (mit Pfad 208 bezeichneter Fluss), Dampf (mit Pfad 213 bezeichneter Fluss) und/oder Kalkstein (Fluss nicht abgebildet) in einen Output an Syngas, entsprechend der in der Technik bekannten Verfahren für die Verwendung als Treibstoff in der Gasturbinenmaschine 100, umwandeln. Obwohl der Vergaser 206 viele Treibstoffarten nutzen kann, können in einigen IGCC Systemen vom Vergaser 206 pulverisierte Kohle, Petrolkoks, Rückstandsöle, Ölemulsionen, Ölsand und/oder andere ähnliche Treibstoffe genutzt werden. In einigen bekannten IGCC Systemen kann das vom Vergaser 206 erzeugte Syngas Kohlendioxid, Schwefel oder andere unerwünschte Kontaminationen enthalten. Das vom Vergaser 206 erzeugte Syngas (mit Pfad 214 bezeichneter Fluss) kann mittels einer Reinigungseinheit 216, die auch bekannt sein kann als Säureentfernungssystem, gereinigt werden, um einige oder alle Kontaminationen vor der Bereitstellung für seine Verbrennung durch den Brenner 106 zu entfernen.
Die von der Gasturbinenmaschine 100 abgegebene Energie kann den elektrischen Generator (nicht gezeigt) antreiben, der elektrische Energie für ein Energieverteilernetz (nicht gezeigt) liefert. Abgas von der Gasturbinenmaschine 100 kann für einen Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator (nicht gezeigt) bereitgestellt werden, der Dampf für den Antrieb der Dampfturbine (nicht gezeigt) erzeugt. Die durch die Dampfturbine erzeugte Energie kann einen elektrischen Generator (nicht gezeigt) antreiben, der elektrische Energie für ein Energieverteilernetz liefert. In einigen bekannten IGCC Systemen kann der vom Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator bereitgestellte Dampf auch einem Vergaser 206 für die Herstellung des Syngases bereitgestellt werden.
Als Teil der Ausführungsformen der vorliegenden Anwendung kann die vom Turbinenverdichter 104 entnommene und der Lufttrenneinheit 204 bereitgestellte Druckluftmenge als Mittel zur Regelung der Last der Turbine 100 im IGCC Energiesystem 200 und/oder zur Einhaltung der Betriebsgrenzen der Turbine 100 verändert werden. Als Beispiel zeigt 3 das beispielhafte Ergebnis einer solchen Regelung der Turbine 100 und ihres Betriebs. 3 beinhaltet mehrere verwandte Plots, die beispielhaft den Betrieb der Gasturbine 100 zeigen, wobei das Entnahmeniveau der Druckluft des Turbinenverdichters für die effiziente Aufrechterhaltung (und nicht die Überschreitung) der maximalen Turbinenlast und die Einhaltung der Betriebsgrenzen unter sich ändernden Umgebungsbedingungen verändert wird.
3(a) zeigt beispielhafte Ergebnisse der Entnahme in Prozent (z. B. der Prozentsatz der vom Turbinenverdichter 104 entnommenen und der Lufttrenneinheit 204 bereitgestellten Druckluft), aufgetragen über die Umgebungstemperatur.
3(b) zeigt beispielhaft Ergebnisse für die Spanne des Verdichters, aufgetragen über die Umgebungstemperatur für die veränderte Entnahme in Prozent. Die Spanne des Verdichters gibt den Unterschied zwischen dem gemessenen Druckverhältnis des Turbinenverdichters 104 und dem maximalen Druckverhältnis an, bei dem der Turbinenverdichter 104 für eine gegebene Flussrate und Geschwindigkeit betrieben werden kann, ohne dass der Turbinenverdichter 104 erfahrungsgemäß pumpt. Das Verdichterdruckverhältnis kann das Verhältnis zwischen dem Druck bei der Entnahme und im Zustrom zu dem Turbinenverdichter 104 widerspiegeln. Pumpen ist ein Strömungsabrisszustand, der im Turbinenverdichter 104 bei einem bestimmten Verdichterdruckverhältnis für eine gegebene Flussrate durch den Turbinenverdichter 104 für eine gegebene Turbinenverdichtergeschwindigkeit 104 (z. B., U/min) auftreten kann. Wie beschrieben, kann Pumpen den Turbinenverdichter 104 erheblich schädigen. Eine untere Begrenzungslinie 302 für den Verdichterbetrieb gibt die für den Systembetreiber während des Betriebs der Gasturbinenmaschine 100 minimal zulässige Spanne des Verdichters an (zum Beispiel einen Betriebs-Off-Set).
3(c) zeigt beispielhaft Ergebnisse des Outputs der Turbine (z. B. Last), aufgetragen über die Umgebungstemperatur für eine variable Entnahme in Prozent. Eine Lastgrenzlinie 303 gibt die maximal zulässige Last für die Turbine 100 an.
Wie in den 3(a), 3(b) und 3(c) gezeigt, kann die Entnahme in Prozent für abnehmende Umgebungstemperaturen erhöht werden, so dass nicht gegen das maximale Basislastniveau und andere Betriebsgrenzen, wie die Verdichterspanne, der Turbine 100 verstoßen wird. Zu beachten ist, dass den im Folgenden beschriebenen Diagrammen Daten zugrunde gelegt werden, die rein beispielhaften Charakter haben und nur in demonstrativem Sinne den Gasturbinenbetrieb unter Verwendung der Verfahren und Systeme der vorliegenden Anwendung aufzeigen. Die in den Diagrammen abgebildeten Punkte, Bereiche und Daten können sich für Systeme mit anderen Bedingungen entscheidend ändern. Wie in 3(a) gezeigt, kann die prozentuale Entnahme bei einer Umgebungstemperatur von etwa 70° F (21° C) etwa 5% betragen (Punkt 304). Wenn die Umgebungstemperatur auf etwa 50° F (10° C) fällt, kann die prozentuale Entnahme um etwa 7% erhöht werden (Punkt 306). Wie in 3(b) gezeigt, beträgt die Verdichterspanne bei etwa 70° F (21° C) und bei einer prozentualen Entnahme von etwa 5% etwa 0,30 (Punkt 308). Das Verhältnis der Verdichterspanne bei etwa 50° F (10° C) und bei einer prozentualen Entnahme von etwa 7% ist etwa 0,45 (Punkt 310). 3(c) zeigt, dass in beiden Punkten, bei 70° F (21° C) (Punkt 312) und bei 50° F (10° C) (Punkt 314), das maximale Basislastniveau unter sich verändernden Umgebungsbedingungen gehalten werden kann (z. B. die Last der Turbine 100 bleibt auf der maximalem Basisniveaulinie 303, wenn die Temperatur von 70° auf 50° F fällt (21° auf 10° C )).
Die in den 3(a), 3(b) und 3(c) gezeigten Ergebnisse geben mehrere, aus der Veränderung der vom Turbinenverdichter 104 entnommenen Druckluftmenge resultierenden Vorteile für den Betrieb wieder. Erstens ist die variable Entnahme der Druckluft vom Turbinenverdichter eine zusätzliche Steuervariable, die die Einhaltung der Betriebsgrenzen während des Turbinenbetriebs 100 gestattet. Wie anhand des oben behandelten Beispiels in 3 gezeigt, fällt die Umgebungstemperatur von 70° auf 50° F (21° auf 10° C), dennoch kann das maximale Basislastniveau (Punkte 312 und 314) gehalten und eine akzeptable Spanne des Verdichters aufrechterhalten werden (das Niveau steigt von 0,30 auf 0,45, siehe Punkte 308 und 310).
Darüber hinaus kann die variable Entnahme der Turbine 100 ermöglichen, ein maximales Basislastniveau unter sich verändernden Umgebungsbedingungen zu gewährleisten. Wie in der Technik bekannt, führt die Abnahme der Umgebungstemperatur bei gleich bleibenden übrigen Betriebsfaktoren zu einer Zunahme des Turbinen-Outputs. Somit, um beim Beispiel der 3 zu bleiben, muss der Turbinenbetreiber, im Falle eines Umgebungstemperaturabfalls von 70° auf 50° F (21° auf 10° C) während des Betriebs der Turbine 100 auf maximalem Basislastniveau, die Durchführung bestimmter Regelungsmaßnahmen auslösen, um das maximale Basislastniveau der Turbine 100 zu halten (und nicht zu überschreiten). Wie in der Technik bekannt, können diese Regelungsmaßnahmen die Abführung von Zulaufwärme (z. B. die Abführung der Entladungsluft des Turbinenverdichters 104 und die Wiederzuführung der abgeführten Luft in den Verdichterzulauf), das Schließen der Zulaufleitschaufeln und/oder die Verringerung der Turbinentreibstoffversorgung (z. B. die Verringerung der Turbinenzulauftemperatur) umfassen. Wie bereits behandelt, verringern diese Regelungsmaßnahmen den thermischen Wirkungsgrad der Gasturbine 100 und sind wegen der Erhöhung der prozentualen Entnahme vom Turbinenverdichter 104 nicht effektiv. Die 3(a), 3(b) und 3(c) zeigen, dass die Veränderung des Entnahmeniveaus zu der erfolgreichen Vermeidung der Überschreitung des maximalen Basislastniveaus durch die Turbine 100, unter Einhaltung der Betriebsgrenzen, wie der Verdichterspanne, bedingt durch sich ändernde Umgebungsbedingungen, führt.
Zweitens kann eine Erhöhung der Bereitstellung der dem Turbinenverdichter 104 entnommenen Druckluft zu einer Abnahme gleicher Quantität an Druckluft führen, die vom Hauptverdichter 202 für die Bereitstellung von Druckluft für die Lufttrenneinheit 204 benötigt wird. Dies führt zu einer niedrigeren Belegung des Hauptverdichters 202 und aufgrund des niedrigeren Energieverbrauchs dieser Komponente zu einem höheren Gesamtwirkungsgrad des Systems. Darüber hinaus reduziert eine niedrigere Belegung des Hauptverdichters 202 die mit dem Betrieb verbundenen Instandhaltungskosten. So ermöglicht die Veränderung des Entnahmeniveaus an Druckluft für die Lufttrenneinheit 204, im Gegensatz zu den anderen bekannten Verfahren zur Lastregelung der Turbine 100 und zur Einhaltung ihrer Betriebsgrenzen, einen effizienten Betrieb der Regelungsmaßnahmen durch Erhöhung der Bereitstellung von Druckluft vom Turbinenverdichter 104 für die Lufttrenneinheit 204 (z. B. wird der Bedarf an Output vom Hauptverdichter 202 verringert und sein Energieverbrauch gesenkt).
Wenn andererseits die prozentuale Entnahme vom Turbinenverdichter 104 im oben behandelten Beispiel bei fallender Umgebungstemperatur auf 50° F (10° C) konstant bliebe (z. B. auf dem etwa 4% Niveau von 70° F (21° C)), müsste der Betreiber der Turbine 100 Aktivitäten einleiten, wie Zulauf wärme entnehmen, die Zulaufleitschaufeln schließen und/oder die Turbinentreibstoffversorgung verringern, um die Turbinenlast zu begrenzen und andere Betriebsgrenzen, wie die Verdichterspanne, einzuhalten. Darüber hinaus müsste das Gesamtsystem den Unterschied an vom Turbinenverdichter 104 erzeugter Druckluftmenge zwischen 4% und 7% Entnahmeniveau mit dem Hauptverdichter 202 ausgleichen, was den Wirkungsgrad des Gesamtsystems weiter herabsetzen würde.
Wie in den 3(a), 3(b) und 3(c) gezeigt, kann im allgemeinen der entnommene Anteil bei steigender Umgebungstemperatur verringert werden, so dass das Turbinen-Output auf maximaler Basislastniveaulinie 303 aufrechterhalten wird (z. B. würde das Turbinen-Output bei steigender Umgebungstemperatur fallen, wenn der Entnahmeanteil nicht verringert wird und die übrigen Betriebsfaktoren gleich bleiben). Steigt die Umgebungstemperatur weiter an, ist die Turbine 100 nicht länger in der Lage, die der maximalen Lastgrenzlinie 303 entsprechende Last unter Einhaltung der Betriebsgrenzen (wie die Verdichterbetriebsgrenzlinie 302) bereitzustellen, selbst dann nicht, wenn der Prozentsatz der entnommenen Druckluft weiter verringert wird. In 3 tritt dies bei etwa 80° F (27° C) auf, dennoch kann es für unterschiedliche Systeme unter unterschiedlichen Bedingungen bei anderen Temperaturen auftreten. In diesem Punkt kann die prozentuale Entnahme nicht weiter für die Aufrechterhaltung der maximalen Lastgrenzlinie 303 verringert werden, ohne dass gegen die minimale Verdichterspannenlinie 302 verstoßen wird. Nach diesem Punkt kann die Turbinenlast mit Hilfe anderer Mittel und/oder fortgesetzte Entnahme reduziert werden, so dass der Systemwirkungsgrad bei einem Turbinen-Output-Niveau unterhalb der maximalen Lastgrenzlinie 303 maximiert wird. Bis zu diesem Punkt ist der Output der Turbine (z. B. Last) in effizienter Weise auf maximal benötigtem Niveau geregelt, während andere Betriebsgrenzen, wie die Verdichterspanne, unter wechselnden Umgebungsbedingungen auf den Systemwirkungsgrad maximierende Weise eingehalten werden.
4(a) und 4(b) beinhalten zwei Diagramme, die aufzeigen, wie die Temperatur im Brenner 106 verändert werden kann, so dass eine maximal zulässige Temperatur der aus dem Brenner austretenden Gase bei Betrieb der Turbine 100 auf konstanter Last unter sich ändernden Umgebungsbedingungen nicht überschritten wird. In diesen Diagrammen bedeutet „Tfire" die Gastemperatur am Austritt der ersten Düsenstufe im Brenner 106 und „T3.9" die Gastemperatur am Austritt des Brenners 106. Wie gezeigt, kann bei fallender Umgebungstemperatur Tfire verringert werden, so dass die durch die T3.9 Grenzlinie 402 wiedergegebene maximal zulässige Temperatur T3.9 nicht überschritten wird. Wenn anfangs die Umgebungstemperatur von etwa 100° auf 60° F (von 38° auf 16° C) fällt, kann Tfire auf einem Niveau aufrechterhalten werden, welches einer maximal zulässigen Temperatur Tfire entspricht, die durch eine Tfire Grenzlinie 404 gegeben ist. Wenn also die Umgebungstemperatur von 100° auf 60° F (von 38° auf 16° C) fällt, kann die Temperatur T3.9 bis zum Erreichen der T3.9 Grenzlinie bei Punkt 406 steigen. Wenn die Umgebungstemperatur unter 60° F (16° C) (und wie festgelegt bei Aufrechterhaltung einer konstanten Last) fällt, kann Tfire so verringert werden, dass die T3.9 Grenzlinie nicht überschritten wird. Zum Beispiel kann Tfire bei einer Umgebungstemperatur von 40° F (4° C) bis auf ein Niveau unterhalb der Grenzlinie Tfire 404 (Punkt 408) verringert werden, so dass die Temperatur T3.9 nicht die Grenzlinie T3.9 (Punkt 410) überschreitet.
Variable Entnahme (z. B. Veränderung der vom Turbinenverdichter 104 entnommenen und der Lufttrenneinheit 204 bereitgestellten Druckluftmenge) kann genutzt werden, um sicher zu stellen, dass Betriebsgrenzen, wie die T3.9 Grenzlinie 402 und die Tfire Grenzlinie 404, beachtet werden und der Systemwirkungsgrad maximiert wird. Zum Beispiel, wenn als primäre Regelung für die Begrenzung des Turbinenlastniveaus die Verringerung des Treibstoffflusses verwendet wird, werden die Temperaturen Tfire und T3.9 nicht bis zu ihren Grenzlinien erhöht. Andererseits ist, aufgrund der direkten Beziehung zwischen hohen Systemtemperaturen und erhöhtem Systemwirkungsgrad, die Entnahmeveränderung für die Aufrechterhaltung der maximalen Temperaturen Tfire und T3.9 effektiver. Folglich kann die Entnahme bei fallenden Umgebungstemperaturen so erhöht werden, dass die maximalen Temperaturen Tfire und T3.9 aufrechterhalten werden können, ohne dass das maximale Lastniveau überschritten wird.
5(a) und (b) beinhalten zwei Diagramme, die zeigen, wie die Einstellung der Zulaufleitschaufeln geändert werden kann, so dass eine maximale Geschwindigkeit des aus der Turbine 100 austretenden Fluids bei Betrieb der Turbine 100 auf konstanter Last unter sich ändernden Umgebungstemperaturen nicht überschritten wird. In diesem Diagramm bedeutet „IGV" die Einstellung (z. B. den Anstellwinkel) der Zulaufleitschaufeln und „Axial Exit MN" die Geschwindigkeit des Fluids beim Austritt aus der Turbine, auch bekannt als Turbinen-Mach-Zahl. Wie gezeigt, kann bei Abfallen der Umgebungstemperatur auf unter 80° F (27° C) der Anstellwinkel der Zulaufleitschaufeln verkleinert werden (z. B. werden die Zulaufleitschaufeln weiter „geschlossen"), so dass eine maximal zulässige Austrittstemperatur des Fluids, gegeben durch die Mach-Zahl-Grenzlinie 502, nicht überschritten wird. Zum Beispiel wird der IGV Anstellwinkel von 60° auf 40° F (16° auf 4° C) von etwa 83° (siehe Punkt 504) auf 81° (siehe Punkt 506) verkleinert, so dass die Austrittstemperatur des Fluids auf der oder unterhalb der Mach-Zahl-Grenzlinie 502 (siehe Punkte 508 und 510) aufrechterhalten wird.
Variable Entnahme kann verwendet werden, um die Beachtung der Betriebsgrenzen, wie der Mach-Zahl-Grenzlinie 502, sicher zu stellen bei gleichzeitiger Maximierung des Systemwirkungsgrades oberhalb eines anderen bekannten Regelungsmitteln mögli chen Niveaus, wie der Veränderung der Einstellung der Zulaufleitschaufeln. Zum Beispiel kann die Erhöhung der vom Turbinenverdichter 104 entnommenen prozentualen Druckluftmenge die Menge des für die Expansion durch die Turbine 104 zur Verfügung stehenden Verdichterflusses herabsetzen, was wiederum die Geschwindigkeit des Fluides am Turbinenaustritt herabsetzt. So kann bei fallenden Umgebungstemperaturen der Bedarf, den Luftstrom zu dem Turbinenverdichter 104 durch Manipulation der Zulaufleitschaufeln zu verringern, durch Veränderung (in diesem Fall durch Erhöhung) des Entnahmeniveaus vom Turbinenverdichter 104 verringert werden. Wie bereits angesprochen, ist die Veränderung der Entnahme zur Aufrechterhaltung der Betriebsgrenzen, wie der maximal zulässigen Austrittsgeschwindigkeit des Fluids aus der Turbine 100, effizienter, als das Schließen der Zulaufleitschaufeln, da unter anderem die erhöhte Entnahmeluftmenge der Lufttrenneinheit 204 bereitgestellt werden kann, der an den Hauptluftverdichter 202 gestellte Bedarf verringert werden kann und der Gesamtwirkungsgrad des Systems erhöht wird.
Beim Betrieb des IGCC Energiegewinnungssystems 200 kann daher die zur Versorgung der Lufttrenneinheit 204 vom Turbinenverdichter 104 entnommene Menge an Druckluft für die Regelung der Last der Turbine 100, für die Aufrechterhaltung der Betriebsgrenzen der Turbine 100 und der Maximierung der Systemwirkungsgrade variiert werden. Darüber hinaus kann eine erhöhte Bereitstellung an, vom Turbinenverdichter 104 entnommener, Druckluft den Energieverbrauch des Hauptluftverdichters 202 reduzieren, so dass der Gesamtwirkungsgrad des IGCC Systems 200 erhöht wird. Dieses Verfahren zur Regelung der Turbine 100 kann auf mehrere Arten realisiert werden, darunter, jedoch nicht im Sinne einer Begrenzung, über die in den 6-8 gezeigten Regelungsverfahren.
Das Flussdiagramm in 6 zeigt ein für die Einstellung der Abgastemperatur („Texh") der Turbine 100 verwendetes beispielhaftes Regelungsverfahren. Bei Block 602 erfolgt eine Messung des Druckverhältnisses entlang des Turbinenverdichters 104. Bei 604 kann die Druckverhältnismessung für die Berechnung von Texh für eine Teillast-Bedingung (z. B. eine Betriebsbedingung von kleiner als etwa 96% der Basislast) verwendet werden. Die berechnete Texh der Teillast kann dann abhängig von einer Schalterstellung 608 zu einem „Auswahl Minimal" Block 606 weitergeleitet werden. Wenn ermittelt wurde, dass sich die Turbine 100 in Betrieb unter Teillast Bedingung befindet, kann der Schalter 608 geschlossen werden, was ermöglicht, dass die für Teillast berechnete Texh den Auswahl-Minimal-Block 606 passiert. Wenn andererseits kein Betrieb der Turbine 100 unter Teillast Bedingung ermittelt wurde, bleibt der Schalter 606 geöffnet, so dass die berechnete Texh für Teillast nicht zu dem Auswahl-Minimal-Block 606 weitergeleitet wird.
An einem Block 610 kann eine andere, von dem gemessenen Verdichterdruckverhältnis 602 und einer bekannten Brenneraustrittstemperaturgrenze 612 abhängige Sollwertberechnung für Texh durchgeführt werden, sie stellt die maximal zulässige Austrittstemperatur für den Brenner 106 dar. Die von Block 610 berechnete Texh kann dann in den Auswahl-Minimal-Block 606 eingegeben werden. Der Auswahl-Minimal-Block 606 wird dann anhand zweier Eingangsgrößen, z. B. den Eingängen von Block 604 und 610 zur Selektion des minimalen Sollwerts für Texh, verwendet (angenommen Schalter 608 in geschlossener Stellung).
Eine zweite Minimalauswahl, ein Auswahl-Minimal-Block 613, kann den, über die ihm vom Auswahl-Minimal-Block 606 und von Block 614 bereitgestellten Eingänge berechneten, Mindestsollwert für Texh selektieren. Bei Block 614 kann eine Sollwertberechnung erfolgen, anhängig von dem bei Block 602 berechneten Druckverhältnis und einem bekannten Turbinenzulauf-Temperaturmaximum 616 (z. B. die im Turbinenzulauf maximal zulässige Temperatur). Das Minimum dieser beiden Eingänge im Auswahl-Minimal-Block 613 kann verwendet werden und das Ergebnis kann auf einen Sollwert für Texh 618 führen.
Das Flussdiagramm in 7 zeigt ein beispielhaftes Regelungsverfahren, das für die Berechnung eines Sollwertes für die Zulaufleitschaufeln, den Winkel der Zulaufleitschaufeln der Turbine 100 festlegend, verwendet werden kann. Bei Block 702 kann anhand eines gemessenen Texh-Wertes 704, eines Messwertes des Turbinenabgasdrucks 706 und einer bekannten maximal zulässigen Turbinenabgasflussrate 707 eine Ziel-Abgas-Flussrate der Turbine berechnet werden. Die bei Block 702 berechnete Ziel-Abgas-Flussrate kann dann einem Block 708 zugeführt werden, und zwar zusammen mit: einer gemessenen Umgebungstemperatur 710, einem gemessenen Umgebungsluftdruck 712 und einer gemessenen Treibstoffflussrate 714. Mit dieser Information kann ein Ziel-Zulaufleitschaufelsollwert über in der Technik bekannte Verfahren berechnet werden.
Der bei Block 708 berechnete Wert kann dann einem Auswahl-Minimal-Block 716 zugeführt werden. Auswahl-Minimal-Block 716 kann den Sollwert der Zulaufleitschaufeln anhand folgender Größen selektieren: 1) der Zulaufleitschaufel-Sollwert berechnet bei Block 708; ein Teillast-Zulaufleitschaufel-Sollwert, anhand von in der Technik bekannten Verfahren 718 berechnet und ein bekannter maximal zulässiger Zulaufleitschaufelsollwert 720. Das bei Auswahl-Minimal-Block 716 er mittelte Minimum wird dann als ein Zulaufleitschaufelsollwert 722 verwendet.
Das Flussdiagramm in 8 zeigt ein beispielhaftes Regelungsverfahren für die Berechnung des Entnahmesollwerts des Turbinenverdichters 104 (z. B. die Menge oder der Prozentsatz an vom Turbinenverdichter 104 entnommener Druckluft und der Lufttrenneinheit 204 bereitgestellter Luft). Bei Block 802 kann die Differenz zwischen einer gemessenen Turbinenlast 804 und einer Ziel-Turbinenlast 806 berechnet werden. Die Turbinenlast kann gemessen werden mittels in der Technik bekannter Geräte und Systeme, einschließlich eines Leistungsanalysators, eines Wattstunden-Meters oder anderen ähnlichen Geräten und Systemen. Die gemessene Turbinenlast 804 kann mit der Ziel-Turbinenlast 806 (und einer berechneten Differenz) verglichen werden und zwar mittels Geräten, Reglern und den mit üblichen Kenntnissen in der Technik bekannten Systemen, einschließlich programmierbarem logischem Regler oder anderen ähnlichen Geräten, Reglern und Systemen. Die berechnete Differenz kann dann einem Proportional-Integral-Differential(„PID")Regler oder anderem ähnlichen Gerät an einem Block 808 zugeführt werden und ein Entnahmesollwert, z. B. die vom Turbinenverdichter 104 zu entnehmende Menge an Druckluft, kann anhand der Differenz berechnet werden. Der berechnete Entnahmesollwert von Block 808 kann dann in einen Auswahl-Maximal-Block 812 gegeben werden. Der Auswahl-Maximal-Block 812 kann im Betrieb die Maximalwertselektion von mehrfachen Eingängen übernehmen.
An einem Block 814 kann eine Ist-Verdichter-Klopfspanne berechnet werden, abhängig von aktuellen Betriebsmessungen zu dem Turbinenverdichter 104, einen Umgebungstemperatureingang 816, einen Verdichterdruckverhältniseingang 818, einen Ein gang 820 für die Flussrate über den Verdichter, eine gemessene Verdichtergeschwindigkeit 821, etc. umfassend. Jene mit üblichen Kenntnissen werden es begrüßen, dass die Berechnung der Ist-Verdichter-Pumpspanne auf unterschiedliche Weise ausgeführt werden kann. An einem Block 822 kann eine Differenz zwischen Ist-Verdichterspanne (an Block 814 berechnet) und einem gewünschten Minimal-Verdichterspannenbetriebsgrenzwert (welcher vorher im Text in Bezug auf 3(b) als Verdichterbetriebsgrenzlinie 302 bezeichnet wurde) berechnet werden. Diese Berechnung kann mittels Geräten, Reglern und Systemen, die allen bekannt sind, die mit den üblichen Kenntnissen aus dem Stand der Technik vertraut sind, durchgeführt werden, einen programmierbaren Logikregler oder ähnliche Geräte, Regler und Systeme umfassend. Die berechnete Differenz kann dann in einen Proportional-Integral-Differential („PID") Regler oder in ein ähnliches Gerät bei Block 824 eingegeben werden, und ein Entnahmesollwert, z. B. die vom Turbinenverdichter 104 zu entnehmende komprimierte Druckluftmenge, kann anhand der Differenz berechnet werden.
Der berechnete Entnahmesollwert von Block 824 kann dann in den Auswahl-Maximal-Block 812 eingegeben werden. Der Auswahl-Maximal-Block 812 kann dann den maximalen Entnahmesollwert zwischen den Entnahmesollwerteingängen von den Blöcken 808 und 824 selektieren, welcher auch als selektierter Entnahmesollwert 826 bezeichnet werden kann. Der selektierte Entnahmesollwert 826 kann dann zur Einstellung von Ventilen, wie einem Drosselventil oder ähnlichen Bauteilen im Turbinenverdichter 104 oder der Rohrleitung zwischen Turbinenverdichter 104 und der Lufttrenneinheit 204, verwendet werden, so dass eine erforderliche Menge an Druckluft vom Turbinenverdichter 104 entnommen wird. Die vom Turbinenverdichter 104 entnommene Druckluft kann dann der Lufttrenneinheit 204 über Rohrleitungen und Ventile wie vorher beschrieben zugeführt werden.
Das Gesamtverfahren der variablen Entnahme einer Druckluftmenge vom Turbinenverdichter 104 und die Bereitstellung der entnommenen Druckluftmenge für die Lufttrenneinheit 204 zur Regelung der Turbinenlast, wie oben beschrieben, kann eingebettet und geregelt werden durch ein rechnergestütztes Anlagenbetriebssystem, allen bekannt, die mit den üblichen Kenntnissen aus dem Stand der Technik vertraut sind. Das Betriebssystem kann ein Computer sein, lediglich als Beispiel für ein Hochleistungs-Regelungssystem innerhalb des Umfangs der Anwendung. Zum Beispiel, nicht im Sinne einer Einschränkung, kann das Betriebssystem mindestens einen Silizium-gesteuerten Gleichrichter (SCR), einen Thyristor, einen MOS-gesteuerten Thyristor (MCT) und einen bipolaren Isoliertor-Transistor umfassen. Das Betriebssystem kann auch als einzelner Sonderzweck-Schaltkreis implementiert werden („single spezial purpose integrated circuit"), wie ein ASIC, welcher einen Haupt- oder Zentralprozessorabschnitt für alles globale, dass heißt Regelungen auf System-Niveau, sowie getrennte Abschnitte für die Ausführung verschiedener unterschiedlicher spezifischer Kombinationen, Funktionen und anderer Verfahren, die unter Kontrolle des Zentralprozessorabschnitts stehen. Diejenigen mit Kenntnissen aus dem Stand der Technik werden es begrüßen, dass das Betriebssystem auch unter Verwendung einer Vielzahl von getrennten oder programmierbaren, integrierten oder anderen elektronischen Schaltkreisen oder Geräten, wie verdrahtete Elektronik oder logische Schaltkreise, mit diskreten Elementschaltkreisen oder programmierbaren logischen Geräten, wie PLDs, PALs, PLAs oder ähnlichen, implementiert werden kann. Das Betriebssystem kann auch unter Verwendung eines geeigneten programmierten Universalcomputers, wie einem Mikro prozessor oder Mikro-Steuerelement, oder anderen Prozessorgeräten, wie einer CPU oder MPU, entweder allein oder in Verbindung mit einem oder mehreren Peripheriedaten- und Signalverarbeitungsgeräten, implementiert werden. Im Allgemeinen kann jedes Gerät oder ähnliche Geräte als Betriebssystem verwendet werden, in denen eine finite Status-Maschine das logische Flussdiagramm 200 als Betriebssystem implementieren kann. Wie gezeigt, sollte für eine maximale Daten-/Signalverarbeitungsfähigkeit und Geschwindigkeit einer übergreifenden Verfahrensarchitektur der Vorzug gegeben werden.
Wie von den technisch Ausgebildeten begrüßt werden wird, kann das Betriebssystem darüber hinaus den Betrieb (z. B. das Öffnen, Schließen oder andere Einstellungen) der Ventile und anderer mechanischer Systeme des IGCC Energiegewinnungssystems 200 regeln und Eingangsgrößen von Sensoren, die für die Systemregelung relevante Informationen zur System-Performance (z. B. Messungen von vorliegendem Verdichterdruckverhältnis, Flussrate, Geschwindigkeit, etc.) übertragen, aufnehmen.
Ganz allgemein kann die Menge vom Turbinenverdichter 104 entnommener Druckluft so verändert werden, dass die Betriebsgrenzen, wie Verdichterspanne, eingehalten werden und der Systemwirkungsgrad maximiert wird. Die Verdichterspanne kann die Differenz zwischen gemessenem Verdichterdruckverhältnis des Turbinenverdichters 104 und dem maximalen Druckverhältnis, bei welchem der Turbinenverdichter 104 bei einer gegebenen Flussrate und Geschwindigkeit betrieben werden kann, ohne dass der Turbinenverdichter 104 erfahrungsgemäß pumpt, widerspiegeln. Das Verändern der Entnahme vom Turbinenverdichter 104 kann den Druck der Entladung des Turbinenverdichters 104 und damit das Verdichterdruckverhältnis beeinträchtigen. Das bedeutet, dass das Erhöhen der Entnahme den Druck der Entnah me des Turbinenverdichters 104 verkleinern kann, was das Verdichterdruckverhältnis verkleinern kann, und dass das Verringern der Entnahme den Druck der Entnahme des Turbinenverdichters 104 erhöhen kann, was das Verdichterdruckverhältnis erhöhen kann. Folglich kann die Entnahme anhand einer aktuellen Messung des Verdichterdruckverhältnisses, der Flussrate und Geschwindigkeit, so verändert werden, dass der Turbinenverdichter 104 effizient betrieben wird, und zwar ohne Überschreitung aber in der Nähe eines Verdichterdruckverhältnisses, welches entweder (1) einen Pumpvorfall verursacht oder (2) zu einer Verdichterspanne führt, die gegen die minimale Verdichterbetriebsgrenzlinie 302 verstößt. Wenn darüber hinaus die Menge der vom Turbinenverdichter 104 entnommenen Druckluft erhöht wird, kann die vom Hauptluftverdichter 202 bereitgestellte Versorgung mit Druckluft um annähernd dieselbe Menge verringert werden (so dass die kombinierte Versorgung der Lufttrenneinheit 204 annähernd gleich bleibt). Wenn andererseits die vom Turbinenverdichter 104 entnommene Menge an Druckluft verringert wird, kann die vom Hauptluftverdichter 202 bereitgestellte Versorgung mit Druckluft um annähernd dieselbe Menge erhöht werden.
Wie jemand mit den üblichen Kenntnissen aus dem Stand der Technik es begrüßen würde, kann die Erkennung des Verdichterdruckverhältnisses anhand von Druckmessungen im Zulauf und im Ausgang des Turbinenverdichters 104 bestimmt werden, welche anhand von kommerziell erhältlichen Druckmessgeräten, Aufnehmern oder ähnlichen Geräten, die am Zulauf und Ausgang des Turbinenverdichters 104 angebracht sind, erfolgen können. Die Messung der Flussrate durch den Turbinenverdichter 104 kann durch Messung des Druckabfalls über den Verdichter-Glockenmund mittels Zulaufflussaufnehmern oder anderer Verfahren oder Geräte erfolgen. Die Messung der Geschwindigkeit (z. B. U/min) des Turbinenverdichters 104 kann anhand eines magnetischen Geschwindigkeitsaufnehmers, eines Tastzeigeraufnehmers oder ähnlichen Geräten erfolgen. Wie jemand mit den üblichen Kenntnissen aus dem Stand der Technik es begrüßen würde, kann das relevante Verdichterdruckverhältnis (z. B. das Verdichterdruckverhältnis, das entweder (1) das Verdichterdruckverhältnis, bei welchem Pumpen verursacht wird oder (2) das Verdichterdruckverhältnis, das zu einer gegen die minimale Verdichterbetriebsgrenzlinie 302 verstoßenden Verdichterspanne führt, widerspiegelt) anhand aktueller Prüfergebnisse vorausgesagt werden, erhältlich für kommerziell erhältliche Gasturbinenmaschinen und/oder Berechnungen anhand der Turbinenkenndaten und eine gegebene Flussrate und Geschwindigkeit.
Wie festgestellt, werden jene in der Technik Bewanderten es begrüßen, dass andere Regelungsverfahren, Verfahren und Systeme für die Veränderung des Entnahmeniveaus verwendet werden können, so dass die Turbinenlast effizient geregelt wird. Es sollte offensichtlich sein, das das Vorangehende nur die vorgezogenen Ausführungsformen der vorliegenden Anwendung zum Gegenstand hat und dass zahlreiche Änderungen und Modifikationen darin gemacht werden können, ohne vom Sinn und Geltungsbereich der Anwendung, wie in den folgenden Patentansprüchen und ihren Äquivalenten definiert, abzuweichen.
Ein Verfahren zu dem Schutz eines Turbinenverdichters (104) einer Gasturbinenmaschine (100), als Teil eines kombinierten Kreisprozess-Energiegewinnungssystems (200) mit integrierter Vergasung, eine Lufttrenneinheit (204), welches folgende Schritte umfassen kann: (1) Entnahme einer durch den Turbinenverdichter (104) erzeugten Menge an Druckluft; (2) Bereitstellung der entnommenen Druckluftmenge für die Lufttrennein heit (204); und (3) Veränderung der vom Turbinenverdichter (104) erzeugten Druckluftmenge anhand eines Soll-Verdichterdruckverhältnisses über den Turbinenverdichter (104). Das Verfahren kann darüber hinaus den Schritt umfassen, der Lufttrenneinheit (204) eine Zufuhr von Druckluft von einem Hauptluftverdichter (202) bereitzustellen. Die Menge an der Lufttrenneinheit (204) vom Hauptluftverdichter (202) bereitgestellter Druckluft kann anhand der vom Turbinenverdichter (104) entnommenen Menge an Druckluft verändert werden.

Claims

Verfahren zum Schutz eines Turbinenverdichters (104) einer Gasturbinenmaschine (100), als Teil eines kombinierten Kreisprozess-Energiegewinnungssystems (200) mit integrierter Vergasung, eine Lufttrenneinheit (204) und folgende Schritte umfassend: Entnahme einer durch den Turbinenverdichter (104) erzeugten Menge an Druckluft; Bereitstellung der entnommenen Druckluftmenge an die Lufteilungseinheit (204); und Änderung der Menge entnommener Druckluft vom Turbinenverdichter (104), in Abhängigkeit von einem Soll-Verdichterdruckverhältnis über den Turbinenverdichter (104).
Verfahren nach Anspruch 1, weiter umfassend einen Schritt der Versorgung der Lufttrenneinheit (204) mittels Versorgung mit Druckluft vom Hauptluftverdichter (202).
Verfahren nach Anspruch 2, weiter umfassend einen Schritt der Änderung der durch den Hauptluftverdichter (202) der Lufttrenneinheit (204) zugeführten Menge an Druckluft abhängig von der vom Turbinenverdichter (104) entnommenen Menge an Druckluft.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die kombinierte Bereitstellung von Druckluft Luft für die Lufttrenneinheit (204) die Bereitstellung einer Menge an Druckluft durch den Haupt luftverdichter (202) und der Menge an Druckluft vom Turbinenverdichter (104) umfasst; und wobei die kombinierte Bereitstellung von Druckluft die Versorgung mit Druckluft umfasst, welche die gesamte Bereitstellung von für die Lufttrenneinheit (204) erforderlicher Druckluft umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt der Veränderung der der Lufttrenneinheit (204) vom Hauptluftverdichter (202) bereitgestellten Druckluft von der vom Turbinenverdichter (104) entnommenen Luftmenge abhängt und den Schritt umfasst, die der Lufttrenneinheit (204) vom Hauptluftverdichter (202) bereitgestellte Luftmenge zu verringern, wenn die vom Turbinenverdichter (104) entnommene Menge an Druckluft steigt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt der Veränderung der der Lufttrenneinheit (204) vom Hauptverdichter (202) bereitgestellten Menge an Druckluft abhängig von der vom Turbinenverdichter (104) entnommenen Druckluftmenge den Schritt umfasst, die der Lufttrenneinheit (204) vom Hauptluftverdichter (202) bereitgestellte Druckluftmenge zu erhöhen, wenn die vom Turbinenverdichter (104) entnommene Luftmenge verringert wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Schritt der Änderung der vom Turbinenverdichter (104) entnommenen Druckluftmenge abhängig vom Soll-Verdichterdruckverhältnis folgende Schritte umfasst: Messung des Druckes am Zulauf und Ausgang des Turbinenverdichters (104); und Bestimmung eines Ist-Verdichterdruckes anhand der am Zulauf und Ausgang des Turbinenverdichters (104) durchgeführten Druckmessungen; und Vergleich des Ist-Verdichterdruckverhältnisses mit dem Soll-Verdichterverhältnis.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Soll-Verdichterdruckverhältnis ein Verdichterdruckverhältnis umfasst, entweder kein Pumpen des Turbinenverdichters (104) verursachend oder nicht gegen eine Soll-Minimalverdichterspanne verstoßend.
Verfahren nach Anspruch 8, darüber hinaus den Schritt umfassend, die vom Turbinenverdichter (104) entnommene Menge an Druckluft zu erhöhen, wenn das Ist-Verdichterdruckverhältnis größer als das Soll-Verdichterdruckverhältnis gemessen wurde.
Verfahren nach Anspruch 9, darüber hinaus den Schritt umfassend, die vom Turbinenverdichter (104) entnommene Menge an Druckluft zu verringern, wenn das Ist-Verdichterdruckverhältnis kleiner als das Soll-Verdichterdruckverhältnis gemessen wurde.