-
QUERVERWEIS AUF VERWANDTE
ANMELDUNGEN
-
Diese
Anmeldung ist mit der vorläufigen
US-Patentanmeldung Nr. 61/178,013 mit dem Titel „Availablity Improvements
to Heavy Fuel Gas Turbines” („Verfügbarkeitsverbesserungen
für mit
schwerem Brennstoff gefeuerte Gasturbinen”), die am 13. Mai 2009 eingereicht
worden ist und auf die General Electric Co. lautet, verwandt und
nimmt die Priorität
dieser Anmeldung in Anspruch, die durch Verweis hierin mit aufgenommen
ist.
-
HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
-
Die
Erfindung betrifft allgemein Gasturbinen und insbesondere ein Verfahren
und eine Ausrüstung
zur Erzielung beschleunigter Gasturbinenabschaltungen.
-
Die
Wirtschaftlichkeit des Gasturbinenbetriebs schreibt vor, dass Gasturbinen
in dem maximal möglichen
Maße zur
Leistungserzeugung verfügbar
sind. Jedoch ist es bekannt, dass geplante Abschaltungen und ungeplante
Ausfälle
für eine
vorbeugende Instandhaltung und Reparatur der Gasturbine im Laufe
der Lebenszeit der Ausrüstung
erforderlich sind. Es ist vorteilhaft in der Lage zu sein, die Gasturbine
prompt abzuschalten, die zur Durchführung der Instandhaltungsmaßnahme erforderlichen
Bedingungen zu schaffen und anschließend, nachdem die Instandhaltungsmaßnahme beendet
ist, schnell zum Betrieb zurückzukehren.
Ein Beispiel für
eine Maßnahme,
die ein Abschalten, Abkühlen,
Starten und Erwärmen
einer Gasturbine erfordert, stellt eine Turbinenwasserwäsche eines
Heißgaspfades
dar.
-
Um
schwere Brennstoffe (Roh- und Reststandsöl) zu verbrennen, sind Turbinenwäschen erforderlich. Diese
Waschvorgänge
finden je nach der Zusammensetzung des Brennstoffs und anderen Betriebs-
und Umgebungsbedingungen alle 3 bis 17 Tage statt. Der herkömmliche
Waschgang sieht ein Einspritzen einer Waschlösung in eine Brennkammer und
durch den Heißgaspfad
der Gasturbine vor. Der Waschgang enthält einen Wasch-, einen Einweich-,
einen Spühl-,
einen Ablass- und einen Trocknungsvorgang. Der Waschgang kann etwa
1–2 Stunden
dauern. Jedoch kann die gesamte Zeitdauer, die herkömmlichweise
erforderlich ist, um die Gasturbine abzuschalten und abzukühlen, den
Waschgang durchzuführen
und anschließend
die Gasturbine zur Grundlast zurückzubringen,
bis zu etwa 45 Stunden benötigen.
Zum großen
Teil ist die gesamte Zeitdauer vom Abschalten der Gasturbine bis
zu einer Rückkehr
zum Grundlastmodus dadurch begrenzt, dass ein unerzwungenes Abkühlen bis
auf etwa 150°F
zugelassen wird, um Wärmebelastungen
und eine reduzierte Lebensdauer für den Lebensdauer für den Turbinenrotor,
den Verdichterrotor und die Gehäuseteile
zu vermeiden.
-
Es
ist äußerst kostspielig
für den
Kraftwerksbetreiber, wenn Gasturbinen alle 3 bis 17 Tage für etwa 45 Stunden
für den
Turbinenwaschgang außer
Betrieb gesetzt werden. Ferner erfordert die Maßnahme des Waschgangs einen
beträchtlichen
Arbeitsaufwand über
eine längere
Zeitdauer hinweg, um den Waschgangvorgang zu unterstützen. Dieses
Personal ist normalerweise nicht Rund um die Uhr im Dienst.
-
Demgemäß ist es
erwünscht,
ein Verfahren und eine Ausrüstung
zur Reduktion der Ausfallzeit für
Gasturbinenmaßnahmen
des Abschaltens, Abkühlens,
Startens und der Wiederinbetriebnahme bei gleichzeitiger Begrenzung
wärmebedingter
Belastungen an Gasturbinenkomponenten und Verhinderung übermäßiger Ermüdung oder
Beschädigung
an Komponenten aufgrund von Übergangsvorgängen zu
schaffen.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
In
Kürze,
ist gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Durchführung einer Instandhaltungsmaßnahme für einen
Heißgaspfad
einer Gasturbine geschaffen. Das Verfahren enthält ein Halten der Turbine unter
Höchstdrehzahl-Nulllast-Bedingungen
für eine
Zeitdauer während
einer Abschaltung. Das Verfahren enthält ferner ein Steuern einer
Beschleunigung der Turbine auf eine erste Abkühldrehzahl und eine zweite
Abkühldrehzahl
während
einer erzwungenen Abkühlung
auf eine Temperatur, die für
die Durchführung
der Instandhaltungsmaßnahme
geeignet ist. Ein Drehen des Gasturbinenrotors mit diesen Drehzahlen treibt
Luft durch die Gasturbine, die die Gasturbine schneller abkühlt als
die unerzwungene Abkühl-Basismaßnahme.
Das Verfahren führt
eine teilweise Turbinenabkühlung
mit einer ersten Abkühldrehzahl
durch und vervollständigt
die Turbinenabkühlung
mit einer zweiten Abkühldrehzahl,
wobei die zweite Abkühldrehzahl
größer ist
als die erste Abkühldrehzahl.
Wenn die Turbinenbedingungen geschaffen sind, wird anschließend die
Instandhaltungsmaßnahme
durchgeführt.
Das Verfahren enthält
ferner ein rampenartiges Erhöhen
der Turbinendrehzahl mit einer reduzierten Rate während der
Startbeschleunigung vom Zünden
bis zum Höchstdrehzahl-Nulllast-Zustand
und ein Halten der Turbine unter Höchstdrehzahl-Nulllast-Bedingungen
für eine
Zeitdauer, bevor die Turbine belastet wird.
-
Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur
Durchführung
einer Abschaltung einer Gasturbine, die einen Verdichter und eine
Turbine enthält,
bis zu einem abgekühlten
Zustand für
eine Instandhaltungsmaßname
geschaffen. Das Verfahren enthält
ein Halten der Gasturbine unter Höchstdrehzahl-Nulllast-Bedingungen
für eine
Zeitdauer während
einer Abschaltung. Das Verfahren sieht eine Steuerung der Beschleunigung
der Gasturbine auf eine erste Abkühldrehzahl und eine zweite
Abkühldrehzahl
während
einer erzwungenen Abkühlung
auf eine Temperatur vor, die sich zur Durchführung eines Waschvorgangs des
Heißgaspfads
eignet. Eine teilweise Turbinenabkühlung wird bei einer ersten
Abkühldrehzahl
bewerkstelligt. Die Turbinenabkühlung
wird bei einer zweiten Abkühldrehzahl
vervollständigt,
wobei die zweite Abkühldrehzahl
größer ist
als die erste Abkühldrehzahl.
-
Ein
dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung ergibt ein Verfahren zur
Wiederherstellung von einer Abschaltung bzw. einem Ausfall einer
Gasturbine, die einen Verdichter und eine Turbine enthält, von
einem für eine
Instandhaltung abgekühlten
Zustand. Das Verfahren enthält
ein rampenartiges Verändern
der Gasturbinendrehzahl mit einer reduzierten Rate während der
Startbeschleunigung vom Zünden
bis zum Höchstdrehzahl-Nulllast-Zustand
und ein anschließendes
Halten der Gasturbine unter Höchstdrehzahl-Nulllast-Bedingungen
für eine
Zeitdauer, bevor die Turbine belastet wird.
-
KURZE BESCREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Diese
und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden besser verstanden, wenn die folgende detaillierte Beschreibung
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen gelesen wird, in denen gleiche Bezugszeichen überall in
den Zeichnungen gleiche Teile repräsentieren, worin veranschaulichen:
-
1 einen
Basis-Turbinenwaschgang unter Verwendung eines herkömmlichen
Verfahrens;
-
2 einen
Arbeitsablauf für
eine Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Verfahrens
für eine Gasturbinenabkühlung und
Rückkehr
zum belasteten Betriebszustand der Gasturbine;
-
3 ein
Flussdiagramm für
ein Verfahren zum Durchführen
einer Abschaltung einer Gasturbine, die einen Verdichter und eine
Turbine enthält,
wobei ein Heißgaspfad
für die
Gasturbine auf einen Instandhaltungszustand abgekühlt wird,
die Instandhaltungsmaßnahme
durchgeführt
wird und der Betriebszustand der Gasturbine wiederhergestellt wird;
-
4 ein
Flussdiagramm für
ein Verfahren zum Durchführen
einer Abschaltung einer Gasturbine, die einen Verdichter und eine
Turbine enthält,
auf einen abgekühlten
Zustand für
eine Instandhaltungsmaßnahme;
-
5 ein
Flussdiagramm für
ein Verfahren zum Zurückkehren
zum Betriebsmodus von einem abgekühlten Zustand nach einer Abschaltung;
und
-
6 ein
Rotationssytem für
eine betriebsfreie Gasturbine mit einem Anlassermotor und einem
Drehmomentwandler.
-
DEATILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
-
Die
folgenden Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung haben viele Vorteile, einschließlich einer
deutlichen Reduktion der momentanen Ausfallzeit für Leistungsgasturbinen
während
Betriebsvorgängen, die
eine Abschaltung und Abkühlung
und ein anschließendes
Starten und Erwärmen
einer Gasturbine oder ihrer einzelnen Teile erfordern. Es ist ein
Verfahren geschaffen, um die Dauer der Ausfälle zu verringern, einschließlich einer
erzwungenen Kühlung
des Systems, die bisher vermieden worden ist. Wichtig für diese
Systemarbeitsweise ist die Aufrechterhaltung der Lebensdauer des
Verdichters und Turbinenrotors, der Gehäuse, der Starteinrichtungen
und des Abgassystems. Um dies zu erreichen, ist ein Verfahren geschaffen,
um die Dauer des Starts und der Abschaltung zu verlängern und
die Motorrampenrate während
der Beschleunigung auf die Drehzahl der erzwungenen Kühlung auszudehnen,
was in sicherer Weise eine erzwungene Abkühlung ermöglicht, um so die gesamte Zeitdauer
für den
Ausfall deutlich zu reduzieren. Eine Steuerung der Drehzahl für die unbelastete
Gasturbine wird durch einen neuen Einsatz eines Anlassermotors und
Drehmomentwandlers der Gasturbine erzielt.
-
Ein
Beispiel für
eine derartige Abschaltung bzw. einen derartigen Ausfall bildet
eine Wasserwaschmaßnahme
des Heißgaspfads
für die
Gasturbine. Weitere Beispiele enthalten eine Wasserwäsche des
Verdichters, eine Inspektion und Instandhaltung der Brennkammerbauteile,
eine Inspektion und Instandhaltung der Bauteile des Heißpfades
und eine Inspektion und Instandhaltung des gesamten Systems.
-
1 liefert
eine graphische Darstellung, die ein herkömmliches Verfahren zum Durchführen eines Turbinenwaschgangs
ausgehend von einem Betriebszustand unter Grundlast bis zu einer
Rückkehr
zum Grundlastbetrieb. Die Kurve zeichnet den Prozentsatz der Turbinennenndrehzahl 5 über der
Zeit 6 auf. Der gesamte konventionelle Vorgang dauert etwa
45 Stunden. Zum Zeitpunkt 0, 10, wird eine Abschaltung
der Gasturbine von der vollen Betriebsdrehzahl angefordert. Bei
etwa 0,5 Stunden, 15, hat die Turbine die Rastdrehzahl
erreicht, bei der sie periodisch durch eine Rastvorrichtung gedreht
wird. Im Laufe der nächsten
39 Stunden kühlt
sich die Turbine aufgrund von Wärmeverlusten
zur Umgebung auf eine unerzwungene Weise ab. Zum Zeitpunkt von etwa
40 Stunden, 20, hat sich die Turbine bis auf etwa 150°F (einer
Temperatur, die als zur Durchführung
der Wäsche
akzeptabel betrachtet wird), wie durch in der Gasturbine eingebaute
Temperaturmessvorrichtungen gemessen, abgekühlt. Die Zeitdauer für die Abkühlung wird
durch die Umgebungstemperatur beeinflusst, die in bestimmten geografischen
Regionen besonders hoch sein und folglich die Abkühlrate unter
Umgehungsbedingungen nachteilig beeinflussen kann.
-
Bei
etwa 41,5 Stunden, 25, wird ein Satz Ventile in dem Gasturbinensystem
von Hand positioniert, um die Turbine für die Wasserwäsche durch
die Brennkammer und Heißgaspfad
einzurichten. Die Schritte des Waschens 26, Einweichens 27,
Spulens 28, Ablassens 29 und einer Trocknung 30 des
gesamten Waschvorgangs 31 nehmen lediglich 1 Stunde ein.
Während
der Wäsche 26 und
der Trocknung 30 wird die Gasturbine bei etwa 11% der Höchstdrehzahl 35 gedreht.
Der Rotationsmechanismus ist der Anlassermotor und der Drehmomentwandler.
Wenn der Waschvorgang 31 beendet ist, werden die manuellen
Ventile an schließend
bei etwa 44,1 Stunden 32 (von der Waschgangsposition zu
einer Einstellung für
den Turbinenbetrieb) neu positioniert. Die Turbine wird von möglichen
Verbrennungselementen gespült 33,
gezündet 34,
und der Rotor wird auf die volle Drehzahl ohne Last beschleunigt 35,
wobei anschließend
die Turbine bei etwa 44,6 Stunden bis zur Grundlast belastet wird 36.
-
Von
der gesamten betrieblichen Zeit, von der Grundlast bis zur Grundlast,
umfasst lediglich etwa 1 Stunde den Waschvorgang selbst. Fast 40 Stunden
nimmt die Abkühlung
der Turbine auf eine für
den Waschvorgang akzeptable Temperatur in Anspruch. Die langsame
Abkühlung
bis auf etwa 150 Grad F für
den Waschvorgang ist in herkömmlicher
Weise durchgeführt
worden, um Belastungen in dem Verdichter und den Turbinenrotoren
sowie in weiteren Komponenten zu minimieren, die gegebenenfalls
eine Beschädigung
herbeiführen
und die Lebenszeit dieser Komponenten verkürzen könnten.
-
2 veranschaulicht
eine Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Verfahrens
für eine
Gasturbinenabschaltung, Abkühlung
und Rückkehr
zum Betriebmodus. Das Verfahren wird verwendet, um einen Turbinenwaschgang
ausgehend von einem Betriebszustand unter Grundlast bis zu einer
Rückkehr
zum Grundlastbetrieb durchzuführen.
Es sollte verstanden werden, dass das Verfahren im weiteren Sinne
für vielfältige Maßnahmen
verwendet werden kann, die Abkühlungen
bis auf Instandhaltungsbedingungen und eine Wiederherstellung des
Turbinenbetriebs erfordern. Es sollte ferner verstanden werden,
dass Teile des Verfahrens angewandt werden können, ohne das vollständige Verfahren
auszuführen.
-
Die
grafische Darstellung nach 2 zeichnet
die Turbinendrehzahl 105 im Laufe der Zeit 106 während des
Ablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens
auf. Die gesamte Maßnahme
kann etwa 12 Stunden dauern, was eine Verbesserung von etwa 33 Stunden
gegenüber
dem herkömmlichen
Verfahren ergibt.
-
Zum
Zeitpunkt 0, 110, wird eine Abschaltung der Gasturbine
von der vollen Betriebsdrehzahl angewiesen. Es wird eine herkömmliche
Entlastung eingeleitet, wobei aber ein Halten 115 von etwa
10 Minuten bei dem Höchstdrehzahl-Nulllast-Zustand (FSNL, full
speed-no load) durchgeführt
wird. Eine Kurve der Feuerungstemperatur 111 ist veranschaulicht.
Nach dem FSNL-Halten 115 wird eine herkömmliche Verzögerung 120 durchgeführt, bis
in etwa 0,7 Stunden die Rastdrehzahl 125 erreicht ist.
Bei der Rastdrehzahl wird die Turbine durch eine Rastvorrichtung
periodisch gedreht.
-
Bei
etwa 2,0 Stunden 130 wird ein intelligentes Abkühlen eingeleitet.
Bei einem intelligenten Abkühlen wird
die Turbine durch einen Anlassermotor über einen Drehmomentwandler
betrieben, der Umgebungsluft treibt, damit diese in den Verdichtereinlass,
durch die Brennkammer und durch den Heißgaspfad hindurch strömt. Die
Strömung
der Umgebungsluft durch die Turbine hat eine beschleunigte Abkühlung zur
Folge. Die Turbinendrehzahl wird rampenartig bis auf eine Drehzahl 136 von
etwa 11% erhöht 135,
wobei die Kühlung
bei dieser Drehzahl für
etwa 1 Stunde fortgesetzt wird. Bei etwa 3 Stunden wird eine zweite
Drehzahlerhöhung 140 auf
eine Drehzahl von etwa 22% vorgenommen, wobei die Kühlung bei
der 22%-Drehzahl für
etwa 7 Stunden fortgesetzt wird 141, bis die Turbinenradraumtemperatur
für den
Waschvorgang zufrieden stellend ist. Eine schnellere Drehzahl saugt
mehr Kühlluft
an und erhöht die
Kühlrate.
Für den
Wasserwaschvorgang wird die Abkühlung
bis auf etwa 150°F
durchgeführt.
Jedoch kann das Verfahren durchgeführt werden, um andere Temperaturen,
die für
andere Betriebsvorgänge
geeignet sind, einzurichten.
-
Der
Turbinenwaschvorgang 150 wird bei etwa 10,0 Stunden durchgeführt, nachdem
Ventile positioniert worden sind, um die Turbine für den Wasserwäscheströmungspfad
durch die Brennkammer und den Heißgaspfad einzurichten. Die
intelligente Abkühlung
spart gegenüber
dem herkömmlichen
Abkühlverfahren etwa
30 Stunden ein. Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung können die Ventile fernbetätigte Ventile
sein. Außerdem
kann die Schaltfolge der Ventilbetätigung von der Ferne von einem
Bedienfeld aus oder gemäß einer
automatischen Ablauffolge von einer Steuerungseinrichtung, wie beispielsweise,
jedoch nicht darauf beschränkt,
einem Turbinensteuersystem, ausgelöst werden.
-
Die
Wäsche 151 kann
durchgeführt
werden, während
die Turbine die Drehzahl von der 22%-Drehzahl auf die 11%-Drehzahl verringert 152.
Das Spülen 153,
Ablassen 154 und Trocknen 155 kann bei der Drehzahl von
etwa 11% durchgeführt
werden. Wenn der Waschvorgang 150 beendet ist, kann die
Ventileinstellung für einen
normalen Gasturbinenstart entsprechend einer automatisierten Schaltfolge
wiederhergestellt werden.
-
Bei
etwa 11,1 Stunden kann die Turbine für eine Rückkehr zum Betriebmodus vorbereitet
werden 156. Die Turbine wird zunächst von möglichen Verbrennungselementen
gespült 157.
Bei etwa 11,2 Stunden wird die Turbine gezündet 158. Die Turbine
wird anschließend
durch den Einsatz einer intelligenten Dreh zahlrampe 159 bis
zur Höchstdrehzahl
ohne Last beschleunigt. Die intelligente Drehzahlrampe 159 enthält eine
reduzierte Rampenrate 160 zwischen etwa 35%-Drehzahl und
55%-Drehzahl für
eine Belastungsreserve des Verdichters, gefolgt von einer herkömmlichen
Rampenrate 161 bis zum FSNL-Betrieb. Sobald ein FSNL-Zustand
erreicht ist, kann ein FSNL-Halten 162 von etwa 10 Minuten
für eine
Belastungsreserve der Turbine vorgenommen werden. Nach dem FSNL-Halten 162 kann
eine herkömmliche
Belastung 163 der Turbine vorgenommen werden. Die Feuerungstemperatur 111 ist
für den
Start veranschaulicht.
-
Die
erzwungene Abkühlung
reduziert die Zeitdauer, die erforderlich ist, um die benötigte Radzwischenraumtemperatur
für die
spezielle Instandhaltungsmaßnahme
(wie beispielsweise eine Temperatur von weniger als 150°F für eine Heißgaswäsche) zu
erreichen. Die reduzierte Abkühlzeit
geht mit dem Nachteil erhöhter
Belastungen und einer reduzierten Lebensdauer der Turbine und des
Verdichterrotors sowie in den Gehäusen einher. Die Belastungen
in dem Rotorraum während
der erzwungenen Abkühlung
lassen sich dehnen. Um die Belastungen der erzwungenen Abkühlung auszugleichen
und die Lebensdauer des Rotors wiederherzustellen, werden der Start
und die Abschaltung der Maschine hinsichtlich der Länge leicht
ausgedehnt. Die erzwungene Abkühlung
reduziert die Gesamtzeit für
den Turbinenwaschgang um bis zu 30 Stunden. Eine Verlängerung
der Zeitdauer des Starts und der Abschaltung um jeweils so wenig
wie 10 Minuten wiegt die Belastungen der erzwungenen Abkühlung mehr
als auf. Ein Hauptaspekt der Erfindung ist die gesamte Kombination
aus schnellerer Abkühlung
mit langsamerem Starten und Abschalten, die eine Nettovergrößerung der
Lebensdauer des Rotors und der Gehäuse ergibt.
-
Während einer
Abschaltung der Gasturbine beginnen die Belastungen während des
Entlastungsteils der Abschaltung der Einheit anzusteigen. Dies ist
auf die Kühlung
des Rotorrandes zurückzuführen, während die
Bohrungen der Rotoren heiß bleiben.
Der Verdichterrotor hat eine Spitzenbelastung nach FSNL während der
Verlangsamung. Der Turbinenrotor hat seine Spitzenbelastung bei
FSNL. Bei einigen Gasturbinen ist die Lebensdauer des Verdichterrotors
geringer als die Lebensdauer des Turbinenrotors. Ein Halten während der Abschaltung
bei FSNL wird eine Reduktion der Lebensdauer des Turbinenrotors,
aber eine Verlängerung
der Lebensdauer des Verdichterrotors herbeiführen. Für jede spezielle Turbinenanwendung
kann eine Analyse durchgeführt
werden, um die ideale Zeitdauer zum Halten bei FSNL zu berechnen,
um die Belastungen zu vermindern und die Lebensdauer des Verdichterrotors
zu erhöhen,
ohne dabei die Beschädigung
an dem Turbinenrotor wesentlich zu vergrößern, wodurch das System für eine Nettoverlängerung
der Lebensdauer abgeglichen wird.
-
Einheiten
im Feld nehmen heutzutage erzwungene Abkühlungen vor. Diese erzwungenen
Abkühlungen
rufen zusätzliche
Belastungen in dem Rotor hervor und reduzieren dadurch die Lebensdauer.
Einige Einheiten im Feld warten nach einer Abschaltung zwei Stunden
lang, bevor sie mit der erzwungenen Abkühlung beginnen. Eine erneute
Beschleunigung des Rotors bewirkt, dass sich die Rotorrandtemperatur
im Vergleich zu der Bohrung schnell abkühlt. Wenn die Wärmewelle
den Rotor von dem Rand zu der Bohrung durchdringt, wird ein „stoßhafter” bzw. „schockhafter” Wärmegradient
erzeugt. Dieser „stoßhafte” Wärmegradient
(Wärmegradientschock)
ruft die hohen Belastungen in dem Rotor, den Gehäusen, dem Abgassystem hervor
und verursacht Spielprobleme.
-
Durch
Unterteilung der Beschleunigung des Turbinenrotors während einer
erzwungenen Abkühlung
in zwei Schritte kann der Wärme-„Stoß” bzw. -„Schock” reduziert
werden, wodurch dem Rotorrand ermöglicht wird, sich langsam abzukühlen, und
der Wärmewelle
gestattet wird, zu der Bohrung durchzudringen. Bei einer intelligenten
Abkühlung
wird die Drehzahl des Rotors derart gesteuert, dass die Abkühlrate begrenzt
ist, wodurch der höchste
Temperaturgradient zwischen der Masse des Rotorlaufrads und dem
Rand des Rotorrads begrenzt wird, wodurch die Belastung in dem Gasturbinenrotor
begrenzt wird.
-
Ein
Start der Maschine ruft in dem Verdichterrotor Druckbelastungen
hervor. Eine Reduktion der Druckbelastungen während des Starts reduziert
den gesamten Verformungsbereich über
den Zyklus hinweg, was die Lebensdauer deutlich vergrößert. Die
Konstruktionsdetails des Verdichters schaffen einen Zustand, in dem
bestimmte Stufen des Verdichters von dem halten bei FSNL während des
Starts profitieren, während
andere Stufen gegebenenfalls nur von eine langsameren Rampenrate
während
der Beschleunigung auf FSNL profitieren können. Die Beschleunigung muss
nicht ein Halten auf einer Zwischendrehzahl enthalten, und der Abschnitt
mit verlangsamter Beschleunigung muss bei der Beschleunigung hinreichend
spät, um
eine ausreichende Temperatur zu haben, und früh genug erfolgen, um eine rotierende
Abreißströmung zu
vermeiden. Folglich kann eine verlangsamte Beschleunigung in dem
Drehzahlbereich von 30% bis 55% durch eine Kombination aus Anlassermotorsteuerung
durch den Drehmomentwandler und Brennstoffeinteilung der Turbine
erzielt werden. Eine Begrenzung der Beschleunigungsrate während einer
intelligenten Drehzahlrampe reduziert die Aufheizrate der Radtemperatur
des begrenzenden Verdichterrads, wodurch die maximale Temperaturdifferenz
zwischen dem Rand und der Masse reduziert wird. Demgemäß wird die
Spitzenbelastung an dem begrenzenden Verdichterrad reduziert. Eine
verlangsamte Rampenrate mit einer Drehzahl in dem Bereich von 30%
bis 55% reduziert die Spitzenbelastung, wenn FSNL erreicht wird,
um ein wesentliches Maß.
-
Ein
weiterer Aspekt des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung
ist das Halten bei der Höchstdrehzahl-Nulllast-Bedingung, während eine
Gasturbine bei einer erfindungsgemäßen Abschaltung wieder in Betrieb
genommen wird. Die beschränkende
Komponente an dem Punkt der Belastung der Gasturbine ist ein Verdichterrad.
Ein 5-minütiges
Halten bei FSNL, bevor die Gasturbine belastet wird, reduziert die
Temperaturdifferenz zwischen der Masse des Verdichterrads und dem
Rand. Durch Reduktion dieser Temperaturdifferenz kann die Spitzenbelastung,
die während
der Lasterhöhung
auftritt, in einem wesentlichen Maße reduziert werden.
-
3 veranschaulicht
ein Flussdiagramm für
ein Verfahren zum Durchführen
einer Abschaltung bzw. Außerbetriebnahme
einer Gasturbine, die einen Verdichter und eine Turbine enthält, wenn
eine Heißgaspfad für die Gasturbine
auf eine Instandhaltungsbedingung abgekühlt und der Betrieb wiederhergestellt
wird. In Schritt 310 hält
die Gasturbine die Höchstdrehzahl-Nulllast-Bedingungen
(FSNL-Bedingungen) während
einer Abschaltung aufrecht, um wärmebedingte
Belastungen in einer am meisten begrenzenden Komponente der Gasturbine
unter FSNL-Bedingungen zu reduzieren. Die Gasturbine wird für eine bestimmte
Zeitdauer unter den FSNL-Bedingungen gehalten. In Schritt 320 wird
eine erzwungene Abkühlrate
festgesetzt, in dem Umgebungsluft durch den Heißgaspfad der Gasturbine ent sprechend
einer Drehzahl der Gasturbine strömen gelassen wird. Ein Schritt 330 steuert
die Beschleunigung der Gasturbine bis zu einer ersten Abkühldrehzahl
und einer zweiten Abkühldrehzahl
während
der erzwungenen Abkühlung
auf einer Temperatur, die sich zur Durchführung einer Instandhaltungsmaßnahme eignet.
In Schritt 340 wird eine teilweise Turbinenabkühlung mit
der ersten Abkühldrehzahl
vorgenommen. In Schritt 350 wird die Gasturbinenabkühlung mit
einer zweiten Abkühldrehzahl
vorgenommen, wobei die zweite Abkühldrehzahl größer ist
als die erste Abkühldrehzahl.
In Schritt 360 wird die Gasturbinendrehzahl während eines
Starts mit einer reduzierten Rate relativ zu einer normalen Rampenrate
während
des Starts erhöht,
wenn die Drehzahl sich in einem bestimmten Bereich unterhalb von FSNL
befindet. Die Gasturbine wird vor einer Belastung entsprechend dem
Schritt 370 für
eine bestimmte Zeitdauer unter FSNL-Bedingungen gehalten.
-
4 veranschaulicht
ein Flussdiagramm für
ein Verfahren zum Durchführen
einer Abschaltung einer Gasturbine, die ein Verdichter und eine
Turbine enthält,
bis zu einem abgekühlten
Zustand für
eine Instandhaltungsmaßnahme.
Ein Schritt 410 hält
die Gasturbine unter Höchstdrehzahl-Nulllast-Bedingungen (FSNL-Bedingungen)
während
einer Abschaltung, um wärmebedingte
Belastungen in einer unter FSNL-Bedingungen am meisten begrenzenden
Komponente der Gasturbine zu verringern. Die Gasturbine wird unter
den FSNL-Bedingungen für
eine bestimmte Zeitdauer gehalten. In Schritt 420 wird
eine erzwungene Abkühlung durchgeführt, indem
Umgebungsluft durch den Heißgaspfad
der Gasturbine entsprechend einer Drehzahl der Gasturbine strömen gelassen
wird. Ein Schritt 430 steuert die Beschleunigung der Gasturbine
bis zu einer ersten Abkühldrehzahl
und einer zweiten Abkühldrehzahl
während
einer erzwunge nen Abkühlung
auf einer Temperatur, die sich zur Durchführung einer Instandhaltungsmaßnahme eignet.
In Schritt 440 wird eine teilweise Turbinenabkühlung bei
einer ersten Abkühldrehzahl
durchgeführt.
In Schritt 450 wird die Gasturbinenabkühlung mit einer zweiten Abkühldrehzahl
durchgeführt,
wobei die zweite Abkühldrehzahl
größer ist
als die erste Abkühldrehzahl,
wodurch die Gasturbine bis zu dem benötigten Temperaturzustand für die Instandhaltungsmaßnahme abgekühlt wird.
-
5 veranschaulicht
ein Flussdiagramm für
ein Verfahren zum Rückkehren
zum Betriebsmodus von einem abgekühlten Zustand nach einem Ausfall.
In Schritt 510 wird die Gasturbinendrehzahl während eines Starts
mit einer reduzierten Rate relativ zu einer normalen Rampenrate
während
des Starts rampenartig erhöht,
wenn sich die Drehzahl in einem bestimmten Bereich unterhalb von
FSNL befindet. Die Gasturbine wird gemäß Schritt 520 vor
einer Belastung für
eine bestimmte Zeitdauer unter FSNL-Bedingungen gehalten.
-
6 veranschaulicht
eine Drehzahlsteueranordnung 200 für eine nicht operative Gasturbine
mit einem Anlassermotor und einen Drehmomentwandler. Der Anlassermotor 210 kann
durch den Drehmomentwandler 220 die Welle 245 der
unbelasteten Gasturbine 240 antreiben. Die Gasturbine 240 kann
einen Verdichterabschnitt 241 und ein Turbinenabschnitt 242 enthalten.
Der Anlassermotor 210 ist mit einer Eingangsseite des Drehmomentwandlers 220 über eine
Eingangswelle 215 verbunden. Der Drehmomentwandler 220 ist
mit der Gasturbine 240 über
eine Ausgangswelle 230 verbunden. Der Anlassermotor 210 kann
ein Motor mit konstanter Drehzahl (von 3600 U/Min für 60 Hz-
oder 3000 U/Min für
50 Hz-Betrieb) sein. Es kann eine (nicht veranschaulichte) Ein-Aus-Steuerung
für den
Motor mit einem Ü bertemperaturschutz
vorgesehen sein. Es ist ein Verfahren vorgesehen, um den durch den
Anlassermotor angetriebenen Drehmomentwandler zu verwenden, um die
Beschleunigung des Gasturbinenrotors zu verlangsamen, wodurch die
Aufheiz- oder Abkühlraten
begrenzt werden, was ansonsten übermäßige Spitzenbelastungen
an begrenzenden Komponenten herbeiführen würde.
-
Die
obigen Ausführungsformen
ergeben einige Aspekte, die für
den Betrieb der Gasturbine von Vorteil sind. Der erste Aspekt enthält eine
Verkürzung
des gesamten Wasserwaschgangs bei gleichzeitiger Erhöhung der
Dauer des Starts und der Abschaltung, um die Rotorlebensdauer zu
verbessern. Der Waschgang wird von etwa 45 Stunden auf weniger als
12 Stunden reduziert. Ein zweiter Aspekt umfasst die Hinzufügung eines
Haltens bei der Höchstdrehzahl-Nulllast-Bedingung
(FSNL-Halten) beim
Abschalten, um einen Ausgleich der Rotortemperaturen zu ermöglichen.
Ein dritter Aspekt enthält
ein Halten bei der Höchstdrehzahl-Nulllast (FSNL-Halten)
beim Starten, um Spannungen in der Mitte des Rotors zu vermindern,
und an ein Verlangsamen der Drehzahlrampenrate bei einer Drehzahl
im Bereich zwischen 30% und 55%, um Belastungen in dem hinteren
ende des Verdichterrotors zu vermindern. Ein weiterer Aspekt fügt weitere
Drehzahlpunkte zwischen der Nulldrehzahl (Rastdrehzahl) nach dem
Abschalten und der 22%-Drehzahl hinzu (die momentan zur erzwungenen
Abkühlung
verwendet wird). Es sollte ferner verstanden werden, dass die Anwendung
dieser Verfahren für
viele Betriebs- und Instandhaltungserfordernisse der Gasturbinensausrüstung vorteilhaft
ist, die Abschaltungen, Abkühlungen,
Start- und Aufheizvorgänge
erfordern, und nicht auf einen Wasserwaschgang beschränkt ist.
Während
verschiedne Ausführungsformen
hierin beschrieben sind, wird aus der Of fenbarung verständlich,
dass hier verschiedene Kombinationen von Elementen, Veränderungen
oder Verbesserungen vorgenommen werden können und diese in dem Umfang
der Erfindung liegen.
-
Instandhaltungsmaßnahmen
für einen
Heißgaspfad
einer Gasturbine
240 erfordern eine Abschaltung und abgekühlte Bedingungen.
Wenn eine Gasturbine
240 abgeschaltet wird, verursachen
Wärmegradienten an
Hauptkomponenten der Gasturbine
240 und des Verdichters
243 Belastungen,
die die Lebensdauer für
diese Komponenten begrenzen. Wenn die Abkühlrate vergrößert wird,
um die Instandhaltungszeit zu reduzieren, werden Belastungen vergrößert, wodurch
die Komponentenlebensdauer reduziert wird. Es sind ein Verfahren und
eine Ausrüstung
geschaffen, um die gesamte Zykluszeit für die Instandhaltung zu reduzieren
und dennoch die Lebensdauernachteile zu mildern, wodurch eine größere Leistungserzeugung
erzielt wird, während
die Komponentenlebensdauer aufrechterhalten (oder möglicherweise
ausgedehnt) wird. Das Verfahren enthält kurze Haltezeiten
115,
162 während der
Turbinenabschaltung und des Turbinenstarts und langsamere Gasturbinenrampenraten
137,
142,
162 während der
Abkühlung
und des Starts, was wärmebedingte
Belastungen durch eine erzwungene Abkühlung mehr als aufwiegt, wobei
der gesamte Vorgang deutlich verkürzt wird. Teileliste:
| 5 | Turbinendrehzahl |
| 6 | Zeit |
| 10 | t
= 0 |
| 15 | t
= 0,5 |
| 20 | 40
Stunden |
| 25 | 41,5
Stunden |
| 26 | Wäsche |
| 27 | Einweichen |
| 28 | Spülen |
| 29 | Ablassen |
| 30 | Trocknen |
| 31 | Gesamte
Wäsche |
| 32 | 44,1
Stunden |
| 33 | Spülen |
| 34 | Zünden |
| 35 | Beschleunigt
bis FSNL |
| 36 | Belastet |
| 110 | t
= 0 |
| 111 | Feuerungstemperatur |
| 115 | FSNL-Halten |
| 120 | Verzögern |
| 125 | Rastdrehzahl |
| 130 | t
= 2 Stunden |
| 135 | Turbinenrampe |
| 136 | Erste
Abkühldrehzahl |
| 137 | Erste
langsame Einweichbeschleunigung |
| 140 | Zweite
Rampe |
| 141 | Zweite
Abkühldrehzahl |
| 142 | Zweite
langsame Einweichbeschleunigung |
| 150 | Turbinenwaschvorgang |
| 151 | Wäsche |
| 152 | Rampe
von 22% zu 11% |
| 153 | Spülen |
| 154 | Ablassen |
| 155 | Trocknen |
| 156 | Vorbereiten
für ein
Rückkehr
zum Betrieb |
| 157 | Turbine
gespült |
| 158 | Zünden der
Turbine |
| 159 | Intelligente
Drehzahlrampe |
| 160 | Reduzierte
Lampenrate |
| 161 | Herkömmliche
Rampenrate |
| 162 | FSNL-Halten |
| 163 | Turbinenbelastung |
| | |
| 200 | Drehzahlsteuerungsanordnung |
| 210 | Anlassermotor |
| 215 | Eingangswelle
des Drehmomentwandlers |
| 220 | Drehmomentwandler |
| 221 | Körper des
Drehmomentwandlers |
| 222 | Arbeitsfluid |
| 230 | Ausgangswelle
des Drehmomentwandlers |
| 240 | Gasturbine |
| 241 | Verdichter |
| 242 | Turbine |
| 243 | Elektrischer
Generator |
| 244 | Rotorwelle
der Gasturbine |