DE102009026211B4 - Verfahren und Systeme zum Betreiben eines Kombikraftwerks - Google Patents

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Abstract

Gasturbinenkraftwerksystem, das aufweist:
ein Gasturbinensystem, das eine Gasturbine (20) aufweist, die mit einem elektrischen Generator (34) über eine erste Welle gekoppelt ist, wobei die Gasturbine (20) einen Verdichter (24), eine Brennkammer (26) und eine Turbine aufweist, die mit dem Verdichter (24) und dem elektrischen Generator (34) antriebsmäßig gekoppelt ist;
eine Quelle von Zapfluft von dem Verdichter (24), die mit einem Einlass eines drehzahlveränderlichen Boosters (208) in Strömungsverbindung gekoppelt ist;
eine Luftzerlegungseinheit (14), die mit einem Auslass des drehzahlveränderlichen Boosters (208) in Strömungsverbindung gekoppelt ist, wobei der drehzahlveränderliche Booster (208) über eine zweite Welle mit einem Antriebsmotor (210) mit veränderlicher Drehzahl gekoppelt ist; und
einen Regelantrieb (35, 48), der wahlweise mit dem elektrischen Generator (34) während eines Startablaufs des Gasturbinensystems in einer ersten Konfiguration des Gasturbinenkraftwerksystems (10) und mit dem Antriebsmotor (210) mit veränderlicher Drehzahl in einer zweiten Konfiguration des Gasturbinenkraftwerksystems (10) koppelbar ist.

Description

  • HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
  • Diese Erfindung betrifft allgemein Energieerzeugungssysteme und insbesondere Gas-und-Dampf-Kombikraftwerke, die große, mit variabler Drehzahl betreibbare Prozessausrüstungen enthalten.
  • Wenigstens einige bekannte kombinierte Gas-und-Dampfkraftwerke mit integrierter Brennstoffvergasung verwenden eine Luftzerlegungseinheit, um einen Fluss eines Oxidationsmittels für den Vergasungsprozess zu erzeugen. Für einen ordnungsgemäßen Betrieb benötigt die Luftzerlegungseinheit eine Quelle mit Druckluft relativ konstanten Flusses und Drucks. Zur Lieferung der Druckluft mit dem erforderlichen Fluss und Druck wird gewöhnlich ein Motor angetriebener Verdichter eingesetzt. Jedoch stellt der Motor angetriebene Verdichter ein kostspieliges Ausrüstungsteil dar, das eine beträchtliche Menge an elektrischer Leistung verbraucht. Eine andere Druckluftquelle bildet ein Gasturbinenverdichter. Jedoch ist der durch den Gasturbinenverdichter gelieferte Luftfluss und -druck in Abhängigkeit von einer Last an dem Generator veränderlich.
  • US 5 609 041 A offenbart ein Gasturbinenkraftwerksystem, mit einem Gasturbinensystem, das eine Gasturbine aufweist, die mit einem elektrischen Generator über eine erste Welle gekoppelt ist, wobei die Gasturbine einen Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbine aufweist, die mit dem Verdichter und dem elektrischen Generator antriebsmäßig gekoppelt ist. Eine Quelle von Zapfluft aus dem Verdichter steht mit einem Einlass eines drehzahlveränderlichen Boosters in Strömungsverbindung. Eine Luftzerlegungseinheit ist mit einem Auslass des drehzahlveränderlichen Boosters strömungsmäßig gekoppelt.
  • Es ist bekannt und bspw. aus Weber, Klaus H.: „Inbetriebnahme verfahrenstechnischer Anlagen“, Berlin Heidelberg, Springer Verlag, 1997, S. 275 bis 281, entnehmbar, dass Antriebsmaschinen für einen Verdichter mit veränderlichen Drehzahlen gefahren werden, um ein stabiles Anfahren des Verdichters zu ermöglichen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Gemäß der Erfindung ist einZ KFH *HIEJKLJM EGO neues Gasturbinenkraftwerksystem mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 geschaffen. Besonders bevorzugte AusführungsformenHRLMOF 5LGI]\HLJMGITHQFJK der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • In einer Ausführungsform enthält ein Gasturbinenkraftwerksystem ein Gasturbinensystem, das eine Gasturbine enthält, die mit einem elektrischen Generator über eine erste Welle gekoppelt ist, wobei die Gasturbine einen Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbine enthält, die mit dem Verdichter und dem elektrischen Generator antriebsmäßig gekoppelt ist. Das System enthält ferner einen drehzahlveränderlichen Booster, dessen Einlass mit einer Quelle von Zapfluft von dem Verdichter in Strömungsverbindung gekoppelt ist. Das System enthält ferner eine Luftzerlegungseinheit, die mit einem Auslass des drehzahlveränderlichen Boosters in Strömungsverbindung gekoppelt ist, wobei der drehzahlveränderliche Booster über eine zweite Welle mit einem Antriebsmotor mit veränderlicher Drehzahl, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, einem Turbinenantrieb oder einem Elektromotor, gekoppelt ist, der mit einer Last über eine zweite Welle gekoppelt ist. Das System enthält ferner ein Antriebssystem mit veränderlicher Drehzahl bzw. Regelantriebssystem, das wahlweise mit dem elektrischen Generator während eines Startablaufs des Gasturbinensystem in einer ersten Konfiguration des Gasturbinenkraftwerksystems und mit dem Antriebsmotor mit veränderlicher Drehzahl in einer zweiten Konfiguration des Gasturbinenkraftwerksystems gekoppelt werden kann.
  • In einer weiteren Ausführungsform enthält ein Verfahren zum Betreiben eines Maschinengeneratorsystems ein elektrisches Koppeln eines Ausgangs eines Antriebs mit veränderlicher Drehzahl bzw. Regelantriebs mit einem Maschinengenerator, ein Starten der Maschine unter Verwendung des drehzahlveränderlichen Antriebs, um den Maschinengenerator auf eine vorbestimmte Drehzahl anzutreiben, und ein Umschalten des Ausgangs des drehzahlveränderlichen Antriebs von dem Maschinengenerator, wenn die Maschine gestartet worden ist, zu einer Last in einer derartigen Weise, dass ein Startvorgang und ein mit veränderlicher Drehzahl erfolgender Betrieb der Last unter Verwendung des drehzahlveränderlichen Antriebs gesteuert ist.
  • In einer noch weiteren Ausführungsform enthält ein Gas-und Dampf-Kombikraftwerksystem mit integrierter Vergasung (IGCC-Kraftwerk, Integrated Gasification Combined Cycle Power System) ein Gasturbinengeneratorsystem, das einen Verdichter und einen mit einer Gasturbine antriebsmäßig gekoppelten Generator enthält. Das System enthält ferner einen Booster mit variabler Drehzahl, der in Strömungsverbindung zwischen dem Verdichter und einer Luftzerlegungseinheit eingekoppelt ist, wobei der Booster mit variabler Drehzahl konfiguriert ist, um eine Strömung einer Druckluft mit veränderlichem Durchfluss und Druck zu empfangen und eine Strömung von Druckluft mit einem im Wesentlichen konstanten Durchfluss und einem im Wesentlichen konstanten Druck für die Luftzerlegungseinheit zu erzeugen. Der Booster mit veränderlicher Drehzahl ist mit einem drehzahlveränderlichen Antriebsmotor antriebsmäßig gekoppelt. Das System enthält ferner einen drehzahlveränderlichen Antrieb, der während eines Starts des Gasturbinengeneratorsystems mit dem Generator koppelbar ist und mit dem drehzahlveränderlichen Antriebsmotor gekoppelt werden kann, wenn das Gasturbinengeneratorsystem nicht gestartet worden ist.
  • Figurenliste
    • 1-3 zeigen beispielhafte Ausführungsformen des Verfahrens und der Systeme, wie sie hierin beschrieben sind.
    • 1 zeigt eine schematisierte Darstellung eines beispielhaften Gas-und-Dampf-Kombikraftwerksystems mit integrierter Brennstoffvergasung (IGCC-Kraftwerksystems);
    • 2 zeigt ein schematisiertes Blockschaltbild eines Teils des in 1 veranschaulichten Systems gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
    • 3 zeigt ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Betreiben eines Maschinen-Generator-Systems.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Die folgende detaillierte Beschreibung veranschaulicht Ausführungsformen der Erfindung als ein Beispiel und nicht als eine Beschränkung. Es ist vorgesehen, dass die Erfindung beim Betrieb von Maschinen mit veränderlicher Drehzahl bzw. Geschwindigkeit, einschließlich elektrisch angetriebener Ausrüstungen in industriellen, kommerziellen und wohnungsbezogenen Anwendungen, allgemeine Anwendung findet.
  • In dem hier verwendeten Sinne sollte ein Element oder Schritt, das in der Einzahl angegeben ist und dem das Wort „ein“ oder „eine“ vorangestellt ist, nicht derart verstanden werden, als würde dies mehrere Elemente oder Schritte ausschließen, wenn ein derartiger Ausschluss nicht explizit angegeben ist. Ferner sollen Bezugnahmen auf „eine Ausführungsform“ gemäß der vorliegenden Erfindung nicht derart interpretiert werden, als würden sie die Existenz weiterer Ausführungsformen, die die angegebenen Merkmale ebenfalls enthalten, ausschließen.
  • 1 zeigt ein schematisiertes Schaubild eines beispielhaften Gas-und-Dampf-Kombikraftwerksystems mit integrierter Brennstoffvergasung (IGCC-Kraftwerksystems) 10. Das IGCC-System 10 enthält allgemein einen Hauptluftverdichter 12, eine Luftzerlegungseinheit (ASU, Air Separation Unit) 14, die mit dem Verdichter 12 in Strömungsverbindung gekoppelt ist, einen Vergaser 16, der mit der ASU 14 in Strömungsverbindung gekoppelt ist, einen Synthesegaskühler 18, der mit dem Vergaser 16 in Strömungsverbindung gekoppelt ist, eine Gasturbine bzw. Gasturbinenmaschine 20, die mit dem Synthesegaskühler 18 in Strömungsverbindung gekoppelt ist, und eine Dampfturbine 22, die mit dem Synthesegaskühler 18 in Strömungsverbindung gekoppelt ist. In verschiedenen Ausführungsformen sind der Vergaser 16 und der Synthesegaskühler 18 zu einem einzelnen integralen Gefäß miteinander vereinigt.
  • Im Betrieb komprimiert der Verdichter 12 Umgebungsluft, die anschließend zu der ASU 14 geleitet wird. In der beispielhaften Ausführungsform wird zusätzlich zu der Druckluft von dem Verdichter 12 Druckluft von einem Gasturbinenverdichter 24 zu der ASU 14 geliefert. Alternativ wird der ASU 14 Druckluft von dem Gasturbinenverdichter 24 zugeführt, anstatt dass der ASU 14 Druckluft von dem Verdichter 12 zugeführt wird. In der beispielhaften Ausführungsform verwendet die ASU 14 die Druckluft, um Sauerstoff zur Nutzung durch den Vergaser 16 zu erzeugen. Insbesondere zerlegt die ASU 14 die Druckluft in gesonderte Flüsse von Sauerstoff (O2 ) und einem Gasnebenprodukt, das manchmal als „Prozessgas“ bezeichnet wird. Der O2 -Fluss wird zu dem Vergaser 16 geleitet, um bei der Erzeugung teilweise verbrannter Gase verwendet zu werden, die hierin als „Synthesegas“ bezeichnet werden und zur Verwendung durch die Gasturbine 20 als Brennstoff dienen, wie dies in größeren Einzelheiten nachstehend beschrieben ist.
  • Das durch die ASU 14 erzeugte Prozessgas enthält Stickstoff und wird hier als „Stickstoff-Prozessgas“ (NPG, Nitrogen Process Gas) bezeichnet. Das NPG kann auch andere Gase, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, Sauerstoff und/oder Argon enthalten. Beispielsweise enthält das NPG in der beispielhaften Ausführungsform zwischen etwa 95% und etwa 100% Stickstoff. In der beispielhaften Ausführungsform wird wenigstens ein Teil des NPG-Flusses aus der ASU 14 in die Atmosphäre entlüftet, und ein Teil des NPG-Flusses wird in eine (nicht veranschaulichte) Brennzone innerhalb einer Gasturbinenbrennkammer 26 injiziert, um eine Steuerung von Emissionen der Maschine 20 zu ermöglichen und insbesondere eine Reduktion der Verbrennungstemperatur sowie eine Reduktion stickoxidhaltiger Emissionen aus der Maschine 20 zu ermöglichen. In der beispielhaften Ausführungsform enthält das IGCC-System 10 einen Verdichter 28 zur Komprimierung des Stickstoff-Prozessgasflusses, bevor dieser in die Verbrennungszone der Gasturbinenbrennkammer 26 eingeleitet wird.
  • In der beispielhaften Ausführungsform wandelt der Vergaser 16 ein Gemisch aus Brennstoff, das von einer Brennstoffversorgung 30 zugeführt wird, O2 , das durch die ASU 14 geliefert wird, Dampf und/oder Kalkstein in ein Synthesegasprodukt zur Verwendung durch die Gasturbine 20 als Brennstoff. Obwohl der Vergaser 16 jeden beliebigen Brennstoff einsetzen kann, verwendet der Vergaser 16 in der beispielhaften Ausführungsform Kohle, Petrolkoks, Restöl, Ölemulsionen, Teersand und/oder andere ähnliche Brennstoffe. Außerdem enthält das durch den Vergaser 16 erzeugte Synthesegas in der beispielhaften Ausführungsform Kohlendioxid. Der Vergaser 16 kann ein Festbettvergaser, ein Wirbelschichtvergaser und/oder ein Flugstromvergaser sein.
  • In der beispielhaften Ausführungsform wird das durch den Vergaser 16 erzeugte Synthesegas zu dem Synthesegaskühler 18 geleitet, um eine Kühlung des Synthesegases zu ermöglichen, wie dies hier nachstehend in größeren Einzelheiten beschrieben ist. Das abgekühlte Synthesegas wird von dem Synthesegaskühler 18 zu einer Reinigungsvorrichtung 32 zur Reinigung des Synthesegases geleitet, bevor dieses zu der Gasturbinenbrennkammer 26 für seine Verbrennung geleitet wird. Während des Reinigungsvorgangs kann Kohlendioxid (CO2) aus dem Synthesegas abgetrennt werden, und es kann in der beispielhaften Ausführungsform zu der Atmosphäre entlassen werden. Die Gasturbine 20 treibt einen Generator 34 an, der elektrische Leistung zu einem (nicht veranschaulichten) Energieversorgungsnetz liefert. Abgase aus der Gasturbine 20 werden zu einem Abhitzedampferzeuger 36 geleitet, der Dampf zum Antreiben der Dampfturbine 22 erzeugt. Durch die Dampfturbine 22 erzeugte Leistung treibt einen elektrischen Generator 38 an, der elektrische Leistung zu dem Energieversorgungsnetz liefert. In der beispielhaften Ausführungsform wird Dampf von dem Abhitzedampferzeuger 36 dem Vergaser 16 zugeführt, um Synthesegas zu erzeugen.
  • Beim Starten der Gasturbine 20 empfängt eine Starter- bzw. Anlassereinrichtung 35, wie beispielsweise ein Last geführter Umrichter (LCI, Load-Commutated Inverter) oder ein statischer Frequenzumrichter (SFC, Static-Frequency Converter) elektrische Wechselstromleistung von einem Stromversorgungssystembus 37 in der beispielhaften Ausführungsform über einen Stromabschalter bzw. Unterbrecher 42 und einen Leistungstransformator 44. Die Startereinrichtung 35 richtet die Wechselstromleistung in Gleichstromleistung gleich und wandelt anschließend die Gleichstromleistung in Wechselstromleistung, die eine veränderliche Wechselstromfrequenz aufweist, um über einen Trennschalter 46 den Generator 34 zu versorgen. Der Generator 34 wird als Synchronmotor betrieben, um eine Drehmomentsteuerung zu bieten, die benötigt wird, damit die Gasturbine startet. Wenn die Gasturbine 20 eine selbsterhaltende Drehzahl erlangt, die sie rein aufgrund ihrer eigenen Verbrennungsenergie aufrechterhalten kann, wird der Trennschalter 46 geöffnet, um die Startereinrichtung 45 von dem Generator 34 zu trennen. Der Unterbrechungsschalter 42 wird ebenfalls geöffnet, um die Stromversorgung von dem Versorgungssystembus 37 zu unterbrechen. Eine Startersteuerung 48 empfängt verschiedene Sensor- und Befehlssignale, die sie verarbeitet, um den Betrieb des Generators 34 zu regeln, wenn der Generator 34 während eines Starts bzw. Anlaufs der Gasturbine 20 als ein Motor betrieben wird. Die Startereinrichtung 35 stellt einen Betrieb mit einstellbarer Drehzahl sicher und sorgt für ein sanftes Starten des Generators 34. Ein sanfter Start reduziert die mechanische Belastung an dem Generator 34 und der Gasturbine 20 und ermöglicht es, elektrische Stromimpulse beim Starten in dem Wechselstromversorgungssystem 37 zu beseitigen. Ein Ausgangstransformator ermöglicht der Startereinrichtung 35, mit einer Maschine jeder beliebigen Spannung zu arbeiten.
  • Ferner enthält das System 10 in der beispielhaften Ausführungsform eine Pumpe 40, die gekochtes Wasser bzw. Siedewasser von dem Dampfgenerator 36 zu dem Synthesegaskühler 18 liefert, um ein Kühlen des von dem Vergaser 16 aus geleiteten Synthesegases zu ermöglichen. Das Siedewasser wird durch den Synthesegaskühler 18 hindurch geleitet, wobei das Wasser in Dampf gewandelt wird. Der Dampf von dem Synthesegaskühler 18 wird anschließend zu dem Dampferzeuger 36 zurückgeführt, um in dem Vergaser 16, dem Synthesegaskühler 18 und/oder der Dampfturbine 22 verwendet zu werden.
  • 2 zeigt ein schematisiertes Blockdiagramm eines Teils des Systems 10 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In der beispielhaften Ausführungsform wird Druckluft von dem Gasturbinenverdichter 24 zu der ASU 14 durch einen Zwischenkühler 204 und beispielsweise einen verstellbare Leitschaufeln aufweisenden Booster 208 geliefert. Insbesondere wird in der beispielhaften Ausführungsform Hochtemperatur-Druckluft von dem Gasturbinenverdichter 24 durch einen ersten Strömungspfad 202 eines Zwischenkühlers 204 hindurch geleitet. Ein Kühlfluidfluss strömt durch einen zweiten Fluidpfad 206 durch den Zwischenkühler 204 hindurch. Die ASU 14 nutzt die Druckluft, um Sauerstoff zur Verwendung durch den Vergaser 16 zu erzeugen. Insbesondere zerlegt die ASU 14 die Druckluft in gesonderte Ströme aus Sauerstoff (O2 ) und einem Gasnebenprodukt, das manchmal als „Prozessgas“ bezeichnet wird. Um der ASU 14 zu ermöglichen, den Gesamtwirkungsgrad des Systems 10 zu steigern, wird die der ASU 14 zugeführte Druckluft von dem Gasturbinenverdichter 24 entnommen und unter Verwendung des Boosters 208 mit verstellbaren Leitschaufeln auf einem relativ konstanten Druck gehalten.
  • Im Betrieb liefert der Gasturbinenverdichter 24 Druckluft zu der Brennkammer 26 und der ASU 14. Der Druck des aus dem Gasturbinenverdichter 24 abgegebenen Verdichterzapfluftstroms ist schwankend und steht mit der Last an dem Generator 34 in Beziehung. Anstatt den einen veränderlichen Druck aufweisenden Verdichterzapfluftstrom direkt zu der ASU 14 zu leiten, wird der Booster 208 mit verstellbaren Leitschaufeln dazu verwendet, einen Einlassdruck für die ASU 14 durch Beeinflussung der Drehzahl des variable Leitschaufeln aufweisenden Boosters 208 unter Verwendung der Startereinrichtung 35 und Anpassung des Luftflusses zu der ASU 14 mit der sich ändernden Drehzahl unter Verwendung eines Satzes verstellbarer Leitschaufeln an dem Booster 208 mit variablen Leitschaufeln zu regeln, so dass der der ASU 14 zugeführte Luftstrom einen im Wesentlichen konstanten Druck über einen weiten Betriebslastbereich der Gasturbine 20 aufweist.
  • Um den Druck des zu der ASU 14 geführten Luftflusses zu regeln, läuft der verstellbare Leitschaufeln aufweisende Booster 208 mit einer variablen Drehzahl um, um einen im Wesentlichen konstanten Auslassdruck aufrechtzuerhalten. Zur Beeinflussung des Luftstroms der aus dem Gasturbinenverdichter 24 zu der ASU 14 strömenden Druckluft positioniert der verstellbare Leitschaufeln aufweisende Booster 208 die Leitschaufeln, um Schwankungen in dem Fluss, die auf die Änderung der Drehzahl zurückzuführen sind, aufzunehmen, und entsprechend den Luftdurchsatzanforderungen der ASU 14. Der Betrieb des Boosters 208 mit verstellbaren Leitschaufeln lässt weite Schwankungen des Verdichterzapfluftflusses und/oder -drucks aufgrund von Veränderungen der Last an der Gasturbine 20 zu, während er gleichzeitig einen im Wesentlichen konstanten Luftdruck mit einer erforderlichen Luftflussmenge an dem Einlass der ASU 14 aufrechterhält.
  • In der beispielhaften Ausführungsform wird der verstellbare Leitschaufeln aufweisende Booster 208 durch einen Elektromotor 210 mit veränderlicher Drehzahl angetrieben. Nachdem sie für den Start der Gasturbine 20 eingesetzt worden ist, wird die Startereinrichtung 35 aus dem Betrieb genommen, und sie würde in herkömmlichen Kraftwerksystemen bis zu dem nächsten Start der Gasturbine 20 in einem Standby- bzw. Bereitschaftszustand belassen werden. Jedoch wird die Startereinrichtung 35 in verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umgeschaltet, um während eines Betriebs des Systems 10, nachdem die Gasturbine 20 gestartet worden ist, Leistung für variable Drehzahl zu dem verstellbare Leitschaufeln aufweisenden Booster 208 zu liefern. Beispielsweise kann ein Schalter 212 den Ausgang der Startereinrichtung 35 wahlweise mit dem Generator 34 oder mit dem Booster 208 mit verstellbaren Leitschaufeln verbinden. In einer alternativen Ausführungsform kann der Schalter 212 beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, zwei oder mehrere Unterbrechungsschalter aufweisen, die mit dem Versorgungsbus für variable Drehzahl gekoppelt werden können. In der beispielhaften Ausführungsform enthält die Steuerungseinrichtung 48 einen Prozessor 214 und ist konfiguriert, um Befehle zu empfangen, um den Betrieb der Startereinrichtung 35 in Verbindung mit dem Generator 34 oder dem verstellbare Leitschaufeln aufweisenden Booster 208 zu steuern.
  • Der Ausdruck Prozessor, wie er hierin verwendet wird, richtet sich auf zentrale Verarbeitungseinheiten, Mikroprozessoren, Schaltungen für reduzierten Befehlssatz (RISCs), anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs), Logikschaltungen und jede beliebige sonstige Schaltung oder jeden beliebigen sonstigen Prozessor, die bzw. der in der Lage ist, die hierin beschriebenen Funktionen auszuführen.
  • In dem hierin verwendeten Sinne sind die Ausdrücke „Software“ und „Firmware“ gegeneinander austauschbar und enthalten jedes beliebige Computerprogramm, das zur Ausführung durch den Prozessor 214 in einem Speicher, einschließlich eines RAM-Speichers, ROM-Speichers, EPROM-Speichers, EEPROM-Speichers und eines nicht flüchtigen RAM-Speichers (NVRAM-Speichers), gespeichert ist. Die obigen Speicherarten sind lediglich beispielhafter Natur und somit hinsichtlich der Bauarten eines Speichers, der zur Speicherung eines Computerprogramms einsetzbar ist, nicht beschränkend.
  • 3 zeigt ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 300 zum Betreiben eines Maschinen-Generator-Systems. In der beispielhaften Ausführungsform enthält das Verfahren 300 ein elektrisches Koppeln 302 eines Ausgangs eines Antriebs mit veränderlicher Drehzahl bzw. Regelantriebs mit dem Maschinengenerator, ein Starten bzw. Anlassen 304 der Maschine unter Verwendung des drehzahlveränderlichen Antriebs, um den Maschinengenerator auf eine vorbestimmte Drehzahl anzutreiben, und ein Umschalten 306 des Ausgangs des drehzahlveränderlichen Antriebs von dem Maschinengenerator, wenn die Maschine gestartet worden ist, zu einer Last, so dass das Starten und ein Betrieb der Last mit veränderlicher Drehzahl unter Verwendung des drehzahlveränderlichen Antriebs gesteuert wird.
  • Wie auf der Grundlage der vorstehenden Beschreibung verstanden wird, können die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Offenbarung mit Computerprogrammierungs- oder Ingenieurmethoden, einschließlich Computersoftware, Firmware, Hardware oder jeder beliebigen Kombination oder Untermenge von diesen, realisiert werden, wobei der technische Effekt in der Steuerung eines Antriebs mit veränderlicher Drehzahl beruht, der mit mehreren unterschiedlichen Arten von mit veränderlicher Drehzahl antreibbaren Lasten, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, mit Generatoren, die als Motoren und synchrone und nichtsynchrone Motorantriebe funktionieren, gekoppelt werden kann. Jedes derartige resultierende Programm, das Computer lesbare Codemittel aufweist, kann auf einem oder mehreren Computer lesbaren Medien verkörpert sein oder bereitgestellt werden, wodurch ein Computerprogrammprodukt, d.h. ein Herstellungsartikel, gemäß den erläuterten Ausführungsformen der Offenbarung geschaffen wird. Das Computer lesbare Medium kann beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, ein Festplattenlaufwerk (eine Festplatte), eine Diskette, eine optische Disk, ein Magnetband, ein Halbleiterspeicher, wie beispielsweise ein Festwertspeicher (ROM) und/oder jedes beliebige Sende/Empfangs-Medium, wie beispielsweise das Internet oder ein anderes Kommunikationsnetzwerk oder eine andere Kommunikationsverbindung, sein. Der Herstellungsartikel, der den Computercode enthält, kann geschaffen und/oder verwendet werden, indem der Code unmittelbar von einem Medium aus ausgeführt wird, indem der Code von einem Medium zu einem anderen Medium kopiert wird oder indem der Code über ein Netzwerk übertragen wird.
  • Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen eines Verfahrens und von Systemen zum Betreiben eines Kombikraftwerks ergeben kostengünstige und zuverlässige Mittel zur Bereitstellung eines einstellbaren Flusses und eines im Wesentlichen konstanten Drucks für eine Luftzerlegungseinheit. Insbesondere ermöglichen die Verfahren und Systeme, wie sie hierin beschrieben sind, die Verwendung einer einen variablen Fluss und Druck aufweisenden Verdichterzapfluft zur Versorgung der Luftzerlegungseinheit. Zusätzlich ermöglichen die vorstehend beschriebenen Verfahren und Systeme die Verwendung eines relativ kostengünstigen Boosters zur Anpassung des Verdichterflusses und selbst der Druckschwankungen des Gasturbinenverdichters, anstatt die Luftzerlegungseinheit mit einem einstellbaren Fluss und einem im Wesentlichen konstanten Druck von einem im Vergleich hierzu teureren gesonderten Motor angetriebenen Verdichter versorgen zu müssen. Infolgedessen ermöglichen die hierin beschriebenen Verfahren und Systeme einen Betrieb der Kraftwerksanlage auf eine kostengünstige und zuverlässige Weise.
  • Vorstehend sind beispielhafte Verfahren und Systeme zum Betreiben eines Kombikraftwerks in Einzelheiten beschrieben. Die veranschaulichten Systeme sind nicht auf die hierin beschriebenen speziellen Ausführungsformen beschränkt, so dass vielmehr Komponenten von jedem unabhängig und gesondert von anderen hierin beschriebenen Komponenten eingesetzt werden können. Jede Systemkomponente kann auch in Kombination mit anderen Systemkomponenten eingesetzt werden.
  • Während die Erfindung anhand verschiedener spezieller Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist ohne weiteres zu erkennen, dass die Erfindung innerhalb des Rahmens und Schutzumfangs der Ansprüche mit Modifikationen ausgeführt werden kann.
  • Es ist ein Gasturbinenkraftwerksystem geschaffen. Das Gasturbinenkraftwerksystem enthält ein Gasturbinensystem, das eine Gasturbine 20 enthält, die mit einem elektrischen Generator 34 über eine erste Welle gekoppelt ist, wobei die Gasturbine einen Verdichter 24, eine Brennkammer und eine Turbine enthält, die mit dem Verdichter und dem elektrischen Generator antriebsmäßig gekoppelt ist, eine Quelle von Zapfluft von dem Verdichter, die mit einem Einlass eines drehzahlveränderlichen Boosters in Strömungsverbindung gekoppelt ist, und eine Luftzerlegungseinheit 14, die mit einem Auslass des drehzahlveränderlichen Boosters in Strömungsverbindung gekoppelt ist, wobei der drehzahlveränderliche Booster 208 über eine zweite Welle mit einer drehzahlveränderlichen Antriebsmaschine gekoppelt ist.
  • Bezugszeichenliste
  • 10
    Kombizyklussystem mit integrierter Vergasung (IGCC-System)
    12
    Hauptluftverdichter
    14
    Luftzerlegungseinheit (ASU)
    16
    Vergaser
    18
    Synthesegaskühler
    20
    Gasturbine
    22
    Dampfturbine
    24
    Gasturbinenverdichter
    26
    Gasturbinenbrennkammer
    28
    Verdichter
    30
    Brennstoffversorgung
    32
    Reinigungsvorrichtung
    34
    Generator
    35
    Starter, Anlasser
    36
    Abhitzedampferzeuger
    37
    Versorgungssystembus
    38
    Elektrischer Generator
    40
    Pumpe
    42
    Unterbrechungsschalter
    44
    Leistungstransformator
    46
    Trennschalter
    48
    Startersteuerung
    202
    Erster Strömungspfad
    204
    Zwischenkühler
    206
    Zweiter Strömungspfad
    208
    Booster mit verstellbaren Leitschaufeln
    210
    Elektrischer Regelmotor, drehzahlveränderlicher elektrischer Motor
    212
    Schalter
    214
    Prozessor
    300
    Beispielhaftes Verfahren
    302
    Elektrisches Koppeln eines Ausgangs eines drehzahlveränderlichen Antriebs mit dem Maschinengenerator
    304
    Starten der Maschine unter Verwendung des drehzahlveränderlichen Antriebs, um den Maschinengenerator auf eine vorbestimmte Drehzahl anzutreiben
    306
    Umschalten des Ausgangs des drehzahlveränderlichen Antriebs von dem Maschinengenerator, wenn die Maschine gestartet hat, zu einer Last, so dass ein Start und ein drehzahlveränderlicher Betrieb der Last mit dem drehzahlveränderlichen Antrieb gesteuert wird.

Claims (9)

  1. Gasturbinenkraftwerksystem, das aufweist: ein Gasturbinensystem, das eine Gasturbine (20) aufweist, die mit einem elektrischen Generator (34) über eine erste Welle gekoppelt ist, wobei die Gasturbine (20) einen Verdichter (24), eine Brennkammer (26) und eine Turbine aufweist, die mit dem Verdichter (24) und dem elektrischen Generator (34) antriebsmäßig gekoppelt ist; eine Quelle von Zapfluft von dem Verdichter (24), die mit einem Einlass eines drehzahlveränderlichen Boosters (208) in Strömungsverbindung gekoppelt ist; eine Luftzerlegungseinheit (14), die mit einem Auslass des drehzahlveränderlichen Boosters (208) in Strömungsverbindung gekoppelt ist, wobei der drehzahlveränderliche Booster (208) über eine zweite Welle mit einem Antriebsmotor (210) mit veränderlicher Drehzahl gekoppelt ist; und einen Regelantrieb (35, 48), der wahlweise mit dem elektrischen Generator (34) während eines Startablaufs des Gasturbinensystems in einer ersten Konfiguration des Gasturbinenkraftwerksystems (10) und mit dem Antriebsmotor (210) mit veränderlicher Drehzahl in einer zweiten Konfiguration des Gasturbinenkraftwerksystems (10) koppelbar ist.
  2. System nach Anspruch 1, wobei der Regelantrieb (35, 48) einen Frequenzumrichter (35) für elektrische Leistung aufweist.
  3. System nach Anspruch 1, wobei der Regelantrieb (35, 48) wenigstens entweder einen Last geführten Umrichter (LCI) und/oder eine statische Starteinrichtung (SSE) aufweist.
  4. System nach Anspruch 1, wobei der drehzahlveränderliche Booster (208) eine oder mehrere Reihen verstellbarer Leitschaufeln aufweist, die eingerichtet sind, um einen Fluss durch den drehzahlveränderlichen Booster (208) zu beeinflussen.
  5. System nach Anspruch 1, wobei der drehzahlveränderliche Booster (208) wenigstens entweder einen Axialbooster und/oder einen Zentrifugalbooster aufweist.
  6. System nach Anspruch 1, das ferner ein Druckluftversorgungssystem aufweist, das konfiguriert ist, um einen Druckluftfluss mit einem im Wesentlichen konstanten Druck zu einer Luftzerlegungseinheit (14) zu liefern, wobei das Druckluftversorgungssystem eine Quelle von Zapfluft aus dem Verdichter (24), einen Zwischenkühler (204) und den drehzahlveränderlichen Booster (208) aufweist, die in serieller Strömungsverbindung miteinander gekoppelt sind.
  7. System nach Anspruch 1, wobei der Antriebsmotor (210) mit veränderlicher Drehzahl mit dem drehzahlveränderlichen Booster (208) antriebsmäßig gekoppelt ist, wobei der Booster (208) ferner konfiguriert ist, um unter Verwendung des Antriebsmotors (210) mit veränderlicher Drehzahl zur Steuerung einer Drehzahl des drehzahlveränderlichen Boosters (208) einen Druckluftstrom mit einem im Wesentlichen konstanten Druck zu der Luftzerlegungseinheit (14) zu liefern.
  8. System nach Anspruch 1, wobei der Regelantrieb (35, 48) einen Last geführten Umrichter (35) aufweist.
  9. System nach Anspruch 1, wobei der Antriebsmotor (210) mit veränderlicher Drehzahl einen Synchronmotor aufweist.
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