DE102008044442A1

DE102008044442A1 - Systeme und Verfahren zur Erweiterung des Emissionseinhaltungsbereichs bei Gasturbinen

Info

Publication number: DE102008044442A1
Application number: DE102008044442A
Authority: DE
Inventors: Bradley D. Crawley; Michael J. O'connor; Matthew J. Mosley; Christian L. Vandervort
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-08-24
Filing date: 2008-08-18
Publication date: 2009-02-26
Also published as: CH697810A2; CH697810B1; CN101372914A; JP2009052548A; CH697810B8; US20090053036A1

Abstract

Es wird ein Gasturbinensystem (100) für einen Betrieb bei Niedriglasten bereitgestellt. Das Gasturbinensystem (100) kann eine Anzahl von Einlassleitschaufeln (150), einen Verdichter (110), eine Turbine (140) und ein Luftbewegungssystem (155, 175, 180, 210) enthalten, um eine Emission aus dem Gasturbinensystem (100) unter einem vorbestimmten Pegel zu halten.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Gasturbinen und insbesondere Verfahren und Systeme zur Erweiterung der Emissionseinhaltungsbereichs von Gasturbinen bei niedrigeren Belastungen
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Aufgrund steigender Brennstoffkosten werden erdgasbefeuerte Kraftwerke, die für einen Betrieb hauptsächlich bei voller Leistungsabgabe ausgelegt sind, nun auf einer intermittierenden Basis betrieben. Kohle und Nuklearenergie decken nun im Wesentlichen den Grossteil der Grundlast. Gasturbinen werden zunehmend dazu genutzt, den Differenzbetrag während Spitzenbedarfsperioden zu decken. Beispielsweise kann eine Gasturbine nur tagsüber eingesetzt und dann nachts, wenn der Energiebedarf gering ist, vom Netz genommen werden.
Während Lastabsenkungen oder "Abschaltungen" können Gasturbinen typischerweise bis zu etwa 45% der Volllastabgabe innerhalb des Emissionseinhaltungsbereichs bleiben. Unterhalb dieser Last können Kohlenmonoxid-(CO)-Emissionen exponentiell zunehmen und bewirken, dass das System insgesamt den Emissionseinhaltungsbereich überschreitet. Allgemein erfordert der Emissionseinhaltungsbereich, dass die Turbine insgesamt weniger als die garantierten oder vorbestimmten minimalen Emissi onspegel erzeugt. Solche Pegel können mit der Umgebungstemperatur, der Systemgröße und anderen Variablen variieren.
Wenn eine Gasturbine abgeschaltet werden muss, da sie aufgrund geringen Energiebedarfs nicht in dem Emissionseinhaltungsbereich bleiben kann, kann auch die restliche Anlage in einer Kombinationszyklusanwendung vom Netz genommen werden müssen. Diese Anlage kann einen Wärmerückgewinnungsdampfgenerator, eine Dampfturbine und weitere Einrichtungen umfassen. Diese restlichen Systeme nach einer Gasturbinenabschaltung wieder in das Netz zu bringen, kann teuer und zeitaufwendig sein.
Derartige Startanforderungen können verhindern, dass ein Kraftwerk zur Erzeugung von Energie zur Verfügung steht, wenn der Bedarf hoch ist. Es kann ein strategischer Betriebsvorteil sein, eine Gasturbine am Netz und im Emissionseinhaltungsbereich während Perioden geringen Energiebedarfs halten zu können, um somit die Startzeit und Kosten zu vermeiden.
Es besteht daher ein Wunsch nach Verfahren zur Erweiterung des Emissionseinhaltungsbereichs von Gasturbinen während Teillastperioden. Eine Verringerung der Last auf der Gasturbine bei gleichzeitigem Verbleiben in dem Emissionseinhaltungsbereich kann dem Betreiber ermöglichen, den Vorteil dieser Spitzenbedarfsgelegenheiten zu nutzen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Anmeldung schafft somit ein Gasturbinensystem für einen Betrieb bei Teillasten. Das Gasturbinensystem kann eine Anzahl von Einlassleitschaufeln, einen Verdichter, eine Turbine und Luftbewegungssystem enthalten um eine Emissi on aus dem Gasturbinensystem unter einen vorbestimmten Niveau zu halten.
Die vorliegende Erfindung beschreibt ferner eine Gasturbine für einen Betrieb bei Teillast. Die Gasturbine kann eine Anzahl von Einlassleitschaufeln, einen Verdichter und ein Luftrückführungssystem enthalten, um eine Temperatur eines den Verdichter verlassenden Auslassluftstroms zu erhöhen.
Die vorliegende Anmeldung beschreibt ferner ein Gasturbinensystem für einen Betrieb bei Teillasten. Das Gasturbinensystem kann eine Anzahl von Einlassleitschaufeln, einen Verdichter, eine Turbine und ein Luftentnahmesystem zum Entnehmen von Luft aus dem Verdichter enthalten.
Diese und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann auf diesem Gebiet nach Durchsicht der nachstehenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den verschiedenen Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen ersichtlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Ansicht einer Einlassabzweigwärmekonfiguration.
2 ist eine schematische Ansicht einer Verdichterrückführungskonfiguration.
3 ist eine schematische Ansicht einer Verdichterentnahmekonfiguration.
4 ist eine schematische Ansicht einer Verdichterauslassgehäusekonfiguration.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In den Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente durchgängig durch die verschiedenen Ansichten bezeichnen, ist 1 eine schematische Ansicht eines Gasturbinensystems 100. Das Gasturbinensystem 100 kann einen Verdichter 110 mit einem Verdichterauslassgehäuse 120, eine Brennkammer 130 und eine Turbine 140 enthalten. Allgemein beschrieben nimmt das Gasturbinensystem 100 Umgebungsluft über einen Satz von Einlassleitschaufeln 150 auf. Die Umgebungsluft wird durch den Verdichter 110 verdichtet und an die Brennkammer 130 geliefert, wo sie dazu genutzt wird, einen Brennstoffstrom zu verbrennen, um ein heißes Verbrennungsgas zu erzeugen. Das heiße Verbrennungsgas wird an die Turbine 140 geliefert, wo es über eine Anzahl von Laufschaufeln und eine Welle zu mechanischer Energie expandiert wird. Die Turbine 140 und der Verdichter 110 sind allgemein mit einer gemeinsamen Welle verbunden, die auch mit einem elektrischen Generator oder einer anderen Art von Last verbunden sein kann. Eine Erweiterung des Emissionseinhaltungsbereichs kann durch Anheben der Verbrennungsreaktionszonentemperaturen zur Verhinderung einer CO (Kohlenstoffmonoxid) Erzeugung und auch zur Schaffung einer Flammenstabilität möglich sein. Emissionsbereicheinhaltung bedeutet, dass die Emissionen aus dem Gasturbinensystem 100 insgesamt unter vorbestimmten Pegeln gehalten werden.
Eine erste Technik beinhaltet die Verwendung von Einlassabzweigwärme und die Reduzierung der Winkel für die Einlassleitschaufeln 150. Eine Reduzierung der minimalen Winkel für die Einlassleitschaufeln 150 verringert den Kernluftstrom durch das Gasturbinensystem 100 und erhöht somit die Reaktionszonentemperatur in der Brennkammer 130. Während einer Abschaltung können die Winkel der Einlassleitschaufeln 150 bis zu dem minimalen Winkel reduziert werden, oder bis eine Auslasstemperaturisotherme erreicht ist. Ein Betrieb über diesem Temperaturwert kann eine Beschädigung der stromabwärts befindlichen Komponenten bewirken. Nach Erreichen eines dieser Grenzwerte erfordert eine Verringerung der Last eine Reduzierung in dem Brennstoffstrom. Diese Reduzierung kann jedoch die Reaktionszonentemperatur in der Brennkammer 130 verringern und die CO-Erzeugung begünstigen. Eine weitere Reduzierung in dem minimalen Winkel für die Einlassleitschaufel 150 kann daher einen Betrieb entlang der Abgastemperaturisotherme bei einer geringeren Last zulassen, bevor eine Reduzierung im Brennstoffstrom erforderlich sein kann. Diese minimalen Winkel können zu einer verbesserten Abschaltung über einem Teil des Umgebungstemperaturbereichs führen. Abhängig von der Art der Gasturbine 100 können Winkel von etwa 30 bis etwa 50 Grad hierin verwendet werden, wobei sich ein typischer Volllastbetriebsbereich von etwa 40 bis etwa 90 Grad erstreckt. Andere Winkel können hierin verwendet werden.
Die Winkel der Einlassleitschaufels 150 werden im Wesentlichen geöffnet, um die Abgastemperaturen an der oder unter der Isotherme zu halten. Eine Anhebung der Abgastemperaturisotherme kann auch einen Betrieb bei geringeren Winkeln der Einlassleitschaufeln 150 zulassen. Eine Anhebung der Isotherme kann erreicht werden, indem die Betriebparameter der Gasturbine 100 insgesamt angepasst werden. Weitere Veränderungen in der Isotherme können durch Hinzufügen einer Kanalisolation, Auswahl anderen Materials und Variieren weiterer Komponenten bewirkt werden.
In der Ausführungsform von 1 ist eine Einlassabzeigwärme-Konfiguration 155 dargestellt. Diese Konfiguration beinhaltet eine Einlassabzweigwärme-Leitung 160, die zwischen dem Verdichterauslassgehäuse 120 und den Einlassleitschaufeln 150 positioniert sein kann. Die Einlassabzweigwärme-Leitung 160 entnimmt Luft aus dem Verdichterauslassgehäuse 120 und führt sie stromauf vor den Einlassleitschaufeln 150 ein. Ein Einlassabzweigwärme-Leitungsventil 170 kann darin positioniert sein. Das Ventil 170 kann eine herkömmliche Konstruktion haben. Die Rückführung von Luft aus dem Verdichterauslassgehäuse 120 kann die Einlasstemperatur des Verdichters 110 anheben, den Kernluftstrom reduzieren und die Strömungsabrissgrenze so verbessern, dass ein Betrieb bei kleineren Winkeln für die Einlassleitschaufeln 150 ermöglicht wird.
2 stellt eine Verdichterrückführungskonfiguration 175 dar. In dieser Konfiguration 175 ist die Einlassabzeigwärmeleitung 160 direkt mit dem Verdichter 110 verbunden. Verdichterluft kann auch an jeder Stufe entnommen und dann wo benötigt an einer vorherigen Stufe wieder eingeführt werden. Die Rückführung der Luft aus dem Verdichter 110 kann somit Strömungsabrissgrenzen ohne Einfluss auf den Gesamtwirkungsgrad, der bei der Nutzung der Einlassabzweigwärme zu finden ist, zu verbessern, da eine derartige Einlassabzweigwärme den Gesamtströmungspfad des Verdichters 10 (1) beeinflusst. Die zurückgeführte Luft ermöglicht einen Betrieb bei niedrigeren Winkeln für die Einlassleitschaufeln 150, um so den Kernluftstrom zu reduzieren und die Verbrennungstemperaturen in der Brennkammer 130 zu erhöhen.
3 stellt eine schematische Ansicht einer Verdichterentnahmekonfiguration 180 dar. Diese Konfiguration 180 kann eine Anzahl von Verdichterkühlleitungen 190 beinhalten. Jede von den Kompressorkühlleitungen 190 kann ein darin angeordnetes Ventil 200 haben. Das Ventil 200 kann eine herkömmliche Konstruktion haben. Die Verdichterkühlleitungen 190 erzeugen Entnahmen aus dem Verdichter 110, umgehen die Brennkammer 130 und kühlen die Turbine 140. Diese Konfiguration 180 erhöht den Entnahmestrom während des Abschaltvorgangs. Der Entnahmestrom kann wieder in die Turbine 140 oder in den Abgaspfad eingeführt werden.
Beispielsweise kann sich eine erste Verdichterkühlleitung 190 von einer dreizehnten Stufe des Verdichters 110 zu einer Düse der zweiten Stufe in der Turbine 140 erstrecken, während sich eine zweite Verdichterkühlleitung 190 von einer neunten Stufe des Verdichters 110 zu einer Düse in der dritten Stufe in der Turbine 140 erstreckt. Eine Einführung in den Abgaspfad kann stromaufwärts oder stromabwärts vor irgendeiner Art von Abgastemperaturmessstelle liegen. Die Entnahmen können aus jeder Stufe des Verdichters 110 stattfinden. Es kann eine gemeinsame Entnahmestelle für die Kühlung geben oder es können getrennte Stellen insbesondere für den Zweck der Vorbeiführung von Luft geben. Die Wahl der Stelle kann von Faktoren, wie zum Beispiel Rückführungswirkungsgrad, Verdichterbetreibbarkeit, Haltbarkeit und Akustik abhängen. Bestehende Entnahmestellen können verwendet werden.
4 stellt eine schematische Ansicht einer Verdichterauslassgehäuse-Entnahmekonfiguration 210 dar. Diese Konfiguration 210 kann eine Verdichterauslassgehäuse-Kühlleitung 220 mit einem Ventil 230 darin enthalten. Das Ventil 230 kann eine herkömmliche Konstruktion haben. Die Entnahme kann an derselben Stelle wie der in der Einlassabzweigwärme-Leitung 160 verwendeten stattfinden, oder es können zusätzliche Entnahmen verwendet werden. Die Verdichterauslassgehäusekonfiguration 210 kann die Verdichterströmungsabrissgrenze verbessern und kann in der Lage sein Entnahmen, Einlassabzweigwärme und eine Reduzierung in den minimalen Winkeln für die Einlassleitschaufeln 150 zu vergrößern.
Eine Anzahl dieser Techniken kann abhängig von der Gesamtkonfiguration der Gasturbine 100 eingesetzt werden. Praktisch kann jedes Verfahren für die Verbesserung des Abschaltverhaltens eingesetzt werden. Die Auswahl der Verfahren und deren Betrieb und Wechselwirkung hängen von der Gesamtkonstruktion des Gasturbinensystems 100 und der zugehörigen Verbrennungstechnologie ab. Insbesondere kann der Grad der Abschaltverbesserung von der Rahmengröße der Gasturbine 100 und der speziell eingesetzten Verbrennungstechnologie abhängen.
Beispielsweise kann in einer 7FA+e Gasturbine mit einem Dry-Low-NOx 2.6 Verbrennungssystem die bevorzugte Konfiguration die Reduzierung des minimalen Winkels der Einlassleitschaufeln 150, die Verdopplung der Entnahmeströme und die Hinzufügung einer Entnahme aus dem Verdichterauslassgehäuse 120 beinhalten, um zusätzliche Luft zu dem Auslass zu führen. Die 7FA+e Gasturbine ist von General Electric Company of Schenectady, New York beziehbar. Für eine 9FB Gasturbine mit einem ähnlichen Verbrennungssystem kann nur eine Reduzierung des minimalen Winkels der Einlassleitschaufeln 150 mit einer Erhöhung in der Isotherme erforderlich sein.
Die 9FB Gasturbine ist ebenfalls von General Electric Company of Schenectady, New York beziehbar. Weitere Arten von Gasturbinen können hierin verwendet werden. Durch Verwendung dieser verschiedenen Verfahren kann der Emissionseinhaltungsbereich bis zu etwa 30% der Volllast eingehalten werden. Weitere Verbesserungen können möglich sein.
Es dürfte ersichtlich sein, dass Vorstehendes nur bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betrifft, und dass zahlreiche Änderungen und Modifikationen hierin durch einen Fachmann auf dem Gebiet ohne Abweichung von dem allgemeinen Erfindungsgedanken und Schutzumfang der Erfindung gemäß Definition durch die nachfolgenden Ansprüche und deren Äquivalente ausgeführt werden können.
Es wird ein Gasturbinensystem 100 für einen Betrieb bei Niedriglasten bereitgestellt. Das Gasturbinensystem 100 kann eine Anzahl von Einlassleitschaufeln 150, einen Verdichter 110, eine Turbine 140 und ein Luftbewegungssystem 155, 175, 180, 210 enthalten, um eine Emission aus dem Gasturbinensystem 100 unter einem vorbestimmten Pegel zu halten.

100: Gasturbinensystem
110: Verdichter
120: Verdichterauslassgehäuse
130: Brennkammer
140: Turbine
150: Einlassleitschaufeln
155: Einlassabzweigwärme-Konfiguration
160: Einlassabzweigwärme-Leitung
170: Ventil
175: Verdichterrückführungskonfiguration
180: Verdichterentnahmekonfiguration
190: Verdichterkühlleitungen
200: Ventil
210: Verdichterauslassgehäuse-Entnahmekonfiguration
220: Verdichterauslassgehäuse-Kühlleitung
230: Ventil

Claims

Gasturbinensystem (100) für einen Betrieb bei Niedriglasten, aufweisend: mehrere Einlassleitschaufeln (150); einen Verdichter (110); eine Turbine (140); und eine Luftbewegungseinrichtung (155, 175, 180, 210), um eine Emission aus dem Gasturbinensystem (100) unter einem vorbestimmten Pegel zu halten.
Gasturbinensystem (100) nach Anspruch 1, wobei die Luftbewegungseinrichtung (155, 175, 180, 210) eine Einlassabzweigwärme-Leitung (160) aufweist, die sich von dem Verdichter (110) zu einem Punkt stromaufwärts vor den mehreren Einlassleitschaufeln (150) erstreckt.
Gasturbinensystem (100) nach Anspruch 1, wobei der Verdichter (110) ein Verdichterauslassgehäuse (120) aufweist, und wobei die Luftrückführungseinrichtung (155, 175, 180, 210) eine Einlassabzweigwärme-Leitung (160) aufweist, die sich von dem Verdichterauslassgehäuse (120) zu einem Punkt stromaufwärts vor den mehreren Einlassleitschaufeln (150) erstreckt.
Gasturbinensystem (100) nach Anspruch 1, wobei der Verdichter (110) mehrere Stufen aufweist, und wobei die Luftbewegungseinrichtung (155, 175, 180, 210) eine Verdichterrückführungsleitung (160) aufweist, die sich von einer stromab wärts liegenden Verdichterauslassgehäuse (120) zu einer stromaufwärts liegenden Verdichterstufe erstreckt.
Gasturbinensystem (100) nach Anspruch 1, wobei die Luftbewegungseinrichtung (155, 175, 180, 210) eine Verdichterkühlleitung (190) aufweist, die sich von dem Verdichter (110) zu der Turbine (140) erstreckt.
Gasturbinensystem (100) nach Anspruch 1, wobei die Luftbewegungseinrichtung (155, 175, 180, 210) eine Entnahmeleitung (190) aufweist, die sich von dem Verdichter (110) stromabwärts zu der Turbine (140) erstreckt.
Gasturbinensystem (100) nach Anspruch 1, wobei der Verdichter (110) ein Verdichterauslassgehäuse (120) aufweist, und wobei die Luftentnahmeeinrichtung (155, 175, 180, 210) eine Entnahmeleitung (190) aufweist, die sich von dem Verdichterauslassgehäuse (120) zu einem Punkt stromabwärts zu der Turbine (140) erstreckt.
Gasturbinensystem (100) nach Anspruch 1, wobei deren Belastung etwa 30% beträgt.
Gasturbine (100) für einen Betrieb bei Niedriglasten, aufweisend: mehrere Einlassleitschaufeln (150); einen Verdichter (110); eine Turbine (140); und eine Rückführungseinrichtung (175), um eine Temperatur eines den Verdichter verlassenden Auslassluftstroms zu erhöhen.
Gasturbinensystem (100) für einen Betrieb bei Niedriglasten, aufweisend: mehrere Einlassleitschaufeln (150); einen Verdichter (110); eine Turbine (140); und eine Entnahmeeinrichtung (180), um Luft aus dem Verdichter zu entnehmen.