DE102007015311A1 - Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine - Google Patents

Abstract

Eine Gasturbine mit einem Kompressor, einer Brennkammer mit einer Mehrzahl von Brennern (8) und einer Turbine umfasst ein Flüssigbrennstoffsystem (11) zur Zuführung von Flüssigbrennstoff zu den Brennern (8). Parallel zum Flüssigbrennstoffsystem (11) ist ein Spülwasserverteiler (6) vorgesehen, der über ein den Durchfluss bestimmendes bzw. regelndes Element (4a, 4b) mit unter Druck stehendem Wasser beaufschlagt wird. Das Flüssigbrennstoffsystem (11) und der Spülwasserverteiler (6) sind über Ventile (7, 12) mit den Brennern (8) verbunden. Der Spülwasserverteiler (6) wird insbesondere zum Ausspülen von Brennstoffresten beim Umschalten auf gasförmigen Brennstoff eingesetzt. Das von einer Wasserpumpe (2) auf Druck gebrachte Wasser kann auch zur Spülung des Kompressors eingesetzt werden.

Description

• Technisches Gebiet
• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Stand der Technik
• Aus US 6,256,975 ist ein Verfahren zur zuverlässigen Entfernung von Flüssigbrennstoff aus dem Brennstoffsystem einer Gasturbine mit einem inerten Hilfsmedium bekanntgeworden. Insbesondere beansprucht das Schutzrecht ein System mit einer Unterbrechungsstelle in der Flüssigversorgungsleitung und einer Eingabestelle, über welche das inerte Medium in das Flüssigbrennstoffsystem gelangt, um es zu spülen. Die Eingabestelle befindet sich zwischen der Flüssigbrennstoffunterbrechungsstelle und dem Brenner. Das Verfahren besteht aus einem Niederdruckspülvorgang, um zuerst den größten Teil des Flüssigbrennstoffs zu entfernen, und Verweilen unter der Magerzündungsgrenze, gefolgt von einem Hochdruckspülzyklus, um die restlichen Rückstände zu entfernen. Außerdem erwähnt diese Patentschrift eine Vorrichtung zum Entfernen des Flüssigbrennstoffs aus dem Brennstoffsystem der Gasturbine.
• EP 1 199 453 schlägt ein Wasserspülsystem für eine Gasturbinenheizöldüse in Kombination mit einer Kompressorspülung vor. Ein Wasserspültank, der durch Luft unter Druck gesetzt wird, liefert Wasser entweder zum Spülen des Kompressors oder zum Reinigen der Brennstoffdüsen. Das System ist durch ein Spülwasserumleitrohrsystem und ein Öffnungs/Schließventil zwischen dem Heizöl- und dem Kompressorspülwasserversorgungssystem gekennzeichnet. Wenn das Öffnungs/Schließventil geöffnet wird, kann den Heizöldüsen Wasser zugeführt werden.
• EP 1 184 623 beschreibt ein Brennstoffspülsystem, das Kompressorabluft verwendet, um die Brennstoffdüsen zu reinigen. Das System weist einen Druckreinigungsverteiler, der mit einer Kompressorluftaustrittsöffnung gekoppelt ist, um Druckluft in das Reinigungssystem zu saugen, und mehrere Dreiwegventile auf, eines für jede Ringrohrbrennkammer, welche den Reinigungsverteiler und die Flüssigbrennstoffversorgung koppeln und ein Betätigungselement aufweisen, das mit der Brennstoffversorgung und dem Ventil verbunden ist. Das Ventil weist eine Spül- und eine Flüssigbrennstoffstellung auf. Das Ventil wird durch den Flüssigbrennstoffdruck, der auf das Betätigungselement ausgeübt wird, in die Brennstoffstellung geschaltet. Dieses Spülsystem stellt einen kontinuierlichen Strom von Spülluft bereit, um den Flüssigbrennstoff aus den Brennstoffdüsen auszuspülen, diese abzukühlen und den Rückfluss von heißen Verbrennungsprodukten durch die Düse und den Flüssigbrennstoffverteiler zu verhindern, wenn kein Flüssigbrennstoff fließt.
• EP 1 199 442 schlägt ein alternatives Luftspülsystem vor, in dem Außendruckluft zum Ausspülen des Flüssigbrennstoffs aus den Versorgungsrohrleitungen, sowie aus den Brennstoffdüsen verwendet wird. Die Heizölversorgungsrohrleitungen sind mit dem Ablassrohrsystem verbunden, um den Flüssigbrennstoff abzuführen.
• Bei US 6,256,975 ist es so, dass während des Hochdruckspülzyklus eine beträchtliche Menge Wasser verbraucht, was ein klarer Nachteil in geografischen Gebieten ist, wo Wasser knapp ist. Andererseits hat die Felderfahrung gezeigt, dass insbesondere dieser in Betrieb stehender Hochdruckzyklus während die Turbine noch heiß ist, eine negative Auswirkung auf die Lebensdauer der Turbine selbst hat.
• Zwar ist es richtig, dass bei EP 1 184 623 keine Rückschlagventile im System wirken, welche an der Flüssigbrennstoff/Luftschnittstelle zu Undichtheiten und Koksbildung neigen können. Andererseits erfordert dieses Luftspülsystem eine Zusatzausrüstung, wie beispielsweise mindestens ein Filter, einen Spülluftkühler und einen Druckverstärker, um die Spülluft auf den richtigen Druck und die richtige Temperatur zu bringen. Von der Betriebssicherheit hergesehen sind solche Zusatzausrüstungen unerwünscht, abgesehen davon, dass dies immer mehrkosten verursacht, wobei die Serviceleistungen auch nicht zu unterschätzen sind.
• Dieselben Ueberlegungen wie oben lassen sich bei EP 1 199 442 feststellen.
• EP 1 199 453 schlägt vor, ein bestehendes Hilfssystem sowohl für Kompressorspülung als auch für Öldüsenspülung zu einem einzigen System zu vereinigen. Um jedoch den Wasserspültank unter Druck zu setzen, ist Außenluft bei hohem Druck erforderlich, und in Abhängigkeit von den Spülzeiten muss der Tank eine erhebliche Größe aufweisen, was regelmässig zu erheblichen Investitionskosten führt, auch eingedenk der Tatsache, dass die Bereitstellung einer Hochdruck-Luftmenge Mehrkosten verursacht, wobei noch Ueberlegungen angestellt werden müssten, wie eine diesbezüglichen Redundanz zu bewerkstelligen wäre.
• Darstellung der Erfindung
• Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, eine alternative kostengünstige Lösung für ein Wassersystem vorzuschlagen, welches gleichzeitig mehrere Funktionalitäten in sich vereinigt, um eine Gasturbine zu betreiben, indem Brennstoffdüsenspülung, Unterdrückung von Verbrennungsinstabilitäten, Reduktion von NOx-Emissionen und Kompressorspülung optimal angegangen werden.
• Es ist des weiteren auch Aufgabe der Erfindung, Instabilitäten insbesondere während des Anfahrprozesses, in den transienten Lastbereichen, im Vollbetrieb und während eines Hinunterfahrens zu unterdrücken.
• Dabei ist die Erfindurg in einer Ausgestaltung darin zu sehen, dass die Brenner bei einer Gasturbinenbrennkammer mit einem gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoff betrieben werden. Wenn nun diese Brennkammer bei einem Flüssigbrennstoffbetrieb abgestellt wird, um auf einen gasförmigen Betrieb zu schalten, wird der im System zurückgebliebene Flüssigbrennstoff durch Wasser ausgespült, wobei dieses Wasser dann bei Niederdruck durch ein System zugeführt wird, welches bei Bedarf zur Auffangung von Instabilitäten des Systems allgemein, zur Flammenstabilisierung selbst, zur Reduktion der Nox-Emissionen, zur Kompressorspülung, etc., zur Anwendung gelangt.
• Die Aufgabe wird anhand folgender Abläufe erfüllt, wobei hier zum besseren Verständnis bei Bedarf auf die Bezugszeichen zurückgegriffen wird.
• Im Betrieb mit Flüssigbrennstoff wird flüssiger Brennstoff vom Ölversorgungssystem (11) zum Verteiler des Brennstoffverteilungssystems (FDS für engl. Fuel Distribution System) geliefert. Im FDS wird der Brennstoff an die Brenner X1 bis Xn (8) verteilt. Während des Flüssigbrennstoffbetriebs sind die Flüssigbrennstoffsektorventile (12) offen, die Wassersektorventile (7) sind geschlossen, und das Mindestdurchflussventil (3) ist in der Umleitposition, um das Wasser in einer geschlossenen Schleife mit einem Mindestwasserdurchfluss zirkulieren zu lassen, um das System unter Druck zu halten.
• Das Einspritzen von Flüssigbrennstoff zusammen mit Wasser ist eine Möglichkeit, um Verbrennungsinstabilitäten zu mindern und NOx-Emissionen zu reduzieren. Dies wird durch Öffnen des Mindestwasserdurchflussventils in der Richtung des Wasserverteilers (6), sowie des Regelventils (4a) und der Sektorreinigungsventile (7) während des Betriebs mit Flüssigbrennstoff realisiert. In diesem Fall werden beide Flüssigkeiten stromaufwärts der Brennersektoren gemischt. Eine Pumpe (2) führt das Wasser zu, das gebraucht wird, um den Verbrennungsprozess zu steuern. Der Wassermassenstrom könnte, wann immer notwendig, entweder durch ein Regelventil (4a), 1, oder durch ein System mit einer oder mehr Öffnungen (4b), 2, reguliert werden. In Abhängigkeit vom Gasturbinenbetrieb, Mischzyklus (CC für engl. Combined Cycle) oder Einfachzyklus (SC für engl. Simple Cycle), wird Wasser aus der Anlage oder aus einem Tank (1) geliefert.
• Wenn vom Öl- auf den Gasbetrieb zurückgeschaltet wird, oder wenn der Lauf mit Flüssigbrennstoff angehalten wird, müssen die Brennstoffdüsen gespült werden. Wenn das Spülprogramm gestartet wird, werden zuerst die Flüssigbrennstoffsektorventile (12) geschlossen. Dann wird die Wasserpumpe (2) eingeschaltet, und durch Öffnen der Sektorventile (7) fließt Wasser zu den Brennstoffdüsen der Brenner X1 bis Xn (8). Das Reinigen der Brennstoffdüsen erfolgt auf eine kontrollierte Art und Weise bei niedrigem Druck, um Lastübergänge während des Brennstoffumschaltens zu minimieren und eine Wiederzündung von Flüssigbrennstoff nach einem Halt zu vermeiden. Die vorgeschlagenen Systemkonstruktionen (1 und 2) machen dies möglich.
• Das Wasserfördersystem (1 + 2) ist vom FDS und der Brennkammer durch ein Ventil (3) getrennt. Durch Einfügen eines Zweigs kann die Funktionalität des Systems leicht mit einer Kompressorspülung (10) kombiniert werden.
• Aus Sicherheitsgründen muss das System mit einem Not-Teilsystem ausgestattet sein, derart dass im Falle eines Wechselstromverlusts (WS) oder eines Notabschaltungsverlusts (Auslöser) das Flüssigbrennstoffsystem noch immer gespült werden kann. Dies geschieht mithilfe eines oder mehrerer Wasserspeicher (9). vor jedem Anfahren der Gasturbine, werden die Speicher bis zum erforderlichen Druckniveau gefüllt. Im Falle der zuvor erwähnten Ereignisse kann das unter Druck gesetzte Wasservolumen in den Speichern freigegeben werden, um die Flüssigbrennstoffdüsen zu spülen.
• Im folgenden wird anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung unwesentlichen Merkmale sind fortgelassen. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben.
• Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• 1 stellt eine schematische Ansicht des Flüssigbrennstoff- und Wassereinspritzsystems zur Flüssigbrennstoffspülung und Schwankungssteuerung dar, welches, wenn umgeleitet, auch mit einer Kompressorspülung kombiniert werden kann.
• 2 stellt ein alternatives System dar, in welchem das Regelventil (4a) durch ein Ein/Aus-Ventil in Kombination mit einer Öffnung bzw. Blende (4b) ersetzt ist.
• Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche verwertbarkeit
• Die Systembeschreibung nimmt auf die Zeichnungen Bezug, wobei die Bezugszeichen die entsprechenden Teile bezeichnen.
• 1 stellt die Brennkammer, das FDS und die Hilfssystemblöcke schematisch dar. Genauer gesagt, stellt sie das System dar, das mehreren Brennern X1 bis Xn (8) Wasser zur Flüssigbrennstoffspülung, thermoakustischen Stabilisierung und NOx-Reduktion zuführt, was möglicherweise resp. vorzugsweise mit einer Kompressorspülung kombiniert werden kann.
• In Abhängigkeit von der Art von Gasturbinenbetrieb, z.B. SC oder CC, wird Wasser von einem Wassertank oder von der Anlage (1) bezogen. Eine Wasserpumpe (2) befördert das Wasser. Das Mindestdurchflussventil (3) und das Kompressorspülventil (10) trennen beide Systeme vom Förder- (2) und Zuführsystem (1).
• Bevor jede Gasturbine anfährt, werden der Spülungsverteiler (6) und der/die Spülungsspeicher (9) bis zum erforderlichen Druck gefüllt.
• Wenn die Gasturbine mit Flüssigbrennstoff läuft, werden die Sektorventile (12) geöffnet, und die Spülsektorventile (7) werden geschlossen.
• Die Erfahrung hat gezeigt, dass im Falle von Verbrennungsinstabilitätsproblemen oder der Notwendigkeit einer NOx-Reduktion die Einspritzung von Wasser während des Flüssigbrennstoffbetriebs eine Stabilisierungsmaßnahme sein kann. Zu diesem Zweck kann dasselbe System, wie zuvor beschrieben, verwendet werden, mit dem Unterscheid, dass das Flüssigbrennstoff- und das Wassersystem beide aktiv sind (Sektorventile (7) und (12) offen). Beide Flüssigkeiten mischen sich stromaufwärts der Brenner (8). Durch Regeln des Ventils (4a) kann der Wassermassenstrom verändert werden. 2 stellt ein alternatives, kostenoptimiertes System dar. Die Öffnung (4b) in 2 ersetzt das Regelventil (4a) in 1, was die Möglichkeit bietet, über einen Massenstrom zu verfügen, der durch den Systemwiderstand automatisch gegeben ist. Der Aufbau aller anderen Abschnitte von 2 ist gleich wie der von 1. Natürlich könnte eine Kombination von mehr Öffnungen und Ventilen eine Option sein, falls ein kleiner Bereich von Wassermassenströmen benötigt wird. Steht außerdem eine frequenzgeregelte Pumpe (2) zur Verfügung, bietet dies die zusätzliche Möglichkeit, den Zuführdruck zu verändern.
• Wenn der Betrieb mit Flüssigbrennstoff abgestellt oder auf Gas umgestellt wird, wird ein Niederdruckspülverfahren eingeleitet, welches den restlichen Brennstoff auf eine kontrollierte Art und Weise bei einem geringen Massenstrom ausspült. Wenn dies eingeleitet ist, werden das Regelventil (4a) und die Wasserspülsektorventile (7) geöffnet, wohingegen die Flüssigbrennstoffversorgung abgestellt wird (die Flüssigbrennstoffsektorventile (12) geschlossen werden).
• Im Falle eines AC-Verlusts (AC = engl. Alternative Current) ist die Wasserpumpe (2) nicht verfügbar. Stattdessen wird Wasser von den unter Druck gesetzten Wasserspeichern verwendet, um das Flüssigbrennstoffsystem zu spülen.
• Als eine Option könnte durch Modifizieren des Systems, indem ein Zweig plus Ventil (10) installiert wird, das Wasser auch zur Kompressorspülung verwendet werden. Während der Kompressorspülung ist das Kompressorspülventil (10) geöffnet, und das Ventil (4b) ist geschlossen.

1

Öffnung/Tank/Anlage

2

Pumpe/Wasserpumpe

3

Mindestdurchflussventil

4a

Ventil

4b

Öffnung

5, 10

Kompressorspülventil

6

Spülwasserverteiler

7, 12

Sektorventile

8

Brenner

9

Wasserspülungsspeicher

11

Flüssigbrennstoffsystem

Claims (9)

1. Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine mit mindestens einer Brennkammer und mit mindestens einem Brenner, wobei der Brenner mit verschiedenartigen Brennstoffen betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei Umstellung des Verbrennungsvorganges anhand eines Flüssigbrennstoffbetrieb zu einem gasförmigen Betrieb der durch die Verbrennung zurückgebliebene erste Brennstoff durch Wasser ausgespült wird, und dass dieses Wasser in ein System zur Stabilisierung des Verbrennungssystems und/oder zur Erhöhung des Wirkungsgrads der Gasturbine und/oder zur Reduktion der Schadstofemissionen aus der Verbrennung eingeleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser in ein Niederdruck-System eingeleitet wird.
3. Verfahren nach Ansprüch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser über mindestens eine geregelte Wasserpumpe zur Flüssigbrennstoffspülung der Brenner eingesetzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser über mindestens eine geregelte Wasserpumpe zur Steuerung von thermoakustischen Instabilitäten eingesetzt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser über mindestens eine geregelte Wasserpumpe zur Reduktion der Schadstoffemissionen eingesetzt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 3, dass die Wasserpumpe frequenzgeregelt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser zur Reduktion der Nox eingesetzt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser in einen mit dem System gekoppelten Wasserspülspeicher geleitet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dass die Zuleitung des Wasser in das System durch miteinander abgestimmte Regelorgane vonstatten geht.