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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine, die stromauf des Einlasses des Verdichters eine Vorrichtung zum Abkühlen der vom Verdichter ansaugbaren Luft aufweist, mit den Schritten: Ansaugen von Umgebungsluft, Verdichten der angesaugten Luft im Verdichter und Zuführen von Brennstoff zur verdichteten Luft, Verbrennen des Brennstoff-Luftgemischs in mindestens einer Brennkammer zu einem Heißgas und Expandieren des Heißgases in einer Turbine.
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Es ist gemeinhin bekannt, dass stationäre Gasturbinen und auch Dampfturbinen zur elektrischen Energieerzeugung eingesetzt werden. Dabei treibt die Gasturbine im Betrieb einen elektrischen Generator an, der die mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt. Die so erzeugte elektrische Energie wird in ein Stromverteilungsnetz eingespeist, welches in der Regel eine Soll-Netzfrequenz von 50Hz oder 60Hz aufweist. Gemäß nationaler Anforderungen, die weitläufig auch als Grid-Code bekannt sind, sind die Netzbetreiber derartiger Netze verpflichtet, die Netzfrequenz weitestgehend stabil zu halten. Jedoch hängt die tatsächliche Netzfrequenz von der aktuell abgefragten Last ab. Beispielsweise kann eine zu große elektrische Last im Stromverteilungsnetz dazu führen, dass dessen Netzfrequenz absinkt. In diesem Fall ist die von den Kraftwerken zu erbringende Leistung zu erhöhen, um den Netzfrequenzabfall zu kompensieren.
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Dabei wird zur Stützung der Netzfrequenz zwischen unterschiedlichen Betriebsmoden unterschieden. Bei einem Primär-Frequenzstützungsbetrieb müssen danach arbeitende Kraftwerke sehr schnell ihre Leistungsabgabe ändern können, um die Änderung der Netzfrequenz zu begrenzen. Dazu überwacht eine Leittechnik die Netzfrequenz und reagiert bei zu großen Abweichungen von der Sollfrequenz direkt mit einer Anpassung der abgegebenen Kraftwerksleistung, was als Primärregelung bezeichnet wird. Bei zu großem Frequenzabfall wird die abgegebene Leistung des Kraftwerks schnellstmöglich erhöht und bei zu großem Frequenzanstieg abgesenkt. Dabei ist die Steigung ΔPSoll = f(Δn) mit
- ΔPSoll
- = geforderte Leistungsänderung und
- Δn
- = Frequenzabweichung
meist im nationalen Grid-Code festgelegt.
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Ein zweiter Betriebsmodus zur Frequenzstützung ist der Sekundär-Frequenzstützungsbetrieb. Aufgabe des Kraftwerks ist dann, die aktuelle Frequenz wieder auf ihren Sollwert zurückzuführen. Sobald die Sekundärregelung aktiviert und mit der angepassten Leistung der Frequenzfehler verringert wird, nimmt die Primärregelung die Leistung zurück. Damit wird diese wieder für den nächsten Einsatz frei. Wenn absehbar ist, dass die Sekundärregelleistung längere Zeit aktiv sein müsste, kann eine Minutenreserve (auch Terziärregelung bzw. Tertiär-Frequenzstützung) manuell aktiviert werden, wodurch die Leistung aus der Sekundärregelung automatisch zurückgeht.
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Kraftwerksbetreiber, die ihr Kraftwerk in einem Frequenzstützungsmodus betreiben, erhalten eine zusätzliche Vergütung, da der Betreiber prinzipiell einige Nachteile in Kauf nehmen muss. Einerseits ist das Kraftwerk in Teillast zu betreiben, damit es fähig ist, bei einem Frequenzabfall seine abgegebene Leistung stufenlos zu steigern – es wird somit eine Leistungsreserve vorgehalten. Die Leistungsreserve kann 10% der Nennlast des Kraftwerks betragen, so dass der Betreiber sein Kraftwerk in der Betriebsart Frequenzstützung bei einer Teillast von 90% und weniger betreiben muss. Andererseits produziert das Kraftwerk die geringere Leistung auch bei einem niedrigeren Wirkungsgrad, da der Teillastwirkungsgrad stets kleiner ist als der Wirkungsgrad bei Nennlast.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Bereitstellung eines Verfahrens zum Betreiben einer Gasturbine, bei dem trotz eines Betriebs zur Frequenzstützung die Gasturbine besonders effizient betrieben werden kann.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben, deren Merkmale in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden können.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Gasturbine im Frequenzstützungsmodus betrieben wird und dass eine währenddessen geforderte Steigerung der abgegebenen Gasturbinen-Leistung auch durch ein Absenken der Temperatur der in den Verdichter einströmenden Luft erreicht wird.
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Mit der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Verdichtermassenstrom und somit auch der Turbinenmassenstrom durch die Gasturbine signifikant zur Leistungssteigerung erhöht wird, indem die Temperatur der in den Verdichter einströmenden Luft abgesenkt wird, sofern es die Umgebungstemperaturen erlauben und eine Vereisung im Verdichter sicher vermieden wird. Eine Vorrichtung zur Abkühlung der einströmenden Luft ist vorzugsweise ein Wärmetauscher, der direkt hinter Ansaugluftfiltern der Gasturbine angebracht ist. Dieser wird in der Regel als Verdichtereinlassluftkühler oder im Englischen auch als „Compressor Inlet Air Chiller“ (CIAC) bezeichnet und ist häufig bei denjenigen Gasturbinen ohnehin installiert, die in wärmeren Regionen aufgestellt sind. Durch die Absenkung der Temperatur der angesaugten Luft erhöht sich deren Dichte, so dass der Verdichtermassenstrom zunimmt. Diese Zunahme wirkt sich auf die Gasturbine leistungssteigernd aus.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Gasturbine trotz ihres Betriebs im Frequenzstützungsmodus bei Nennlast betrieben werden kann und zumindest ein Anteil der zur Frequenzstützung erforderlichen Leistungssteigerung durch das Absenken der angesaugten Verdichterluft bereitgestellt werden kann. Nennlast bedeutet in diesem Fall, das bei vollständig geöffneten Einlassleitschaufeln und unter Berücksichtigung der Verdichtereintrittstemperatur der für diesen Zustand maximale Brennstoffmassenstrom in der Gasturbine verbrannt wird, ohne die Gasturbine zu überfeuern.
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Somit kann der Gasturbinenbetreiber trotz der Betriebsweise Frequenzstützung die Gasturbine bei Nennlast betreiben, wodurch diese effizienter arbeitet.
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Der besondere Vorteil der Erfindung liegt darin, dass im Frequenzstützungsbetrieb die Gasturbine an sich einen höheren Wirkungsgrad erreicht und dennoch die für den primären Frequenzstützungsmodus erforderliche Leistungsreserve bereitstellen kann.
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Zudem ist die Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens ohne konstruktive Änderungen der Gasturbine möglich, d.h., zur Umsetzung der Erfindung ist lediglich die Leittechnik ohne nennenswerten Aufwand an das erfindungsgemäße Verfahren anzupassen, sofern die Vorrichtung zum Abkühlen der vom Verdichter ansaugbaren Luft bereits existiert.
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Anstelle des CIAC kann beispielsweise auch ein sogenannter Evaporationskühler eingesetzt werden, welcher der angesaugten Luft eine Flüssigkeit zuführt. Die in der Luft zumindest teilweise verdampfende Flüssigkeit kühlt diese dann ab, noch bevor sie in den Verdichter einströmt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zudem auch für den Lastfolgebetrieb.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden in einem Ausführungsbeispiel angegeben, welches die Erfindung rein schematisch und nicht einschränkend näher beschreibt. Es zeigen:
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1 den schematischen Aufbau einer Gasturbine und
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2 ein Diagramm, bei dem die Stellung der Einlassleitschaufeln des Verdichters, die abgegebene Gasturbinenleistung und die Temperatur der vom Verdichter angesaugten Luft am Verdichtereintritt jeweils über der Netzfrequenz aufgezeigt ist.
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1 zeigt schematisch eine stationäre Gasturbine 10 mit einem Verdichter 12 und einer Turbineneinheit 14, deren Rotoren miteinander starr gekoppelt sind. Zwischen dem Verdichterausgang und dem Eintrittsabschnitt der Turbineneinheit 14 ist eine Brennkammer 16 vorgesehen. Diese kann als Silobrennkammer, Rohrbrennkammer oder als Ringbrennkammer ausgestaltet sein. Im Falle von Rohrbrennkammern sind zumeist zehn, zwölf oder noch mehr Rohrbrennkammern vorgesehen. An dem Verdichterrotor ist zudem ein Generator 11 zur Stromerzeugung angekoppelt. Am Lufteinlass des Verdichters 12 sind um ihre Längsachse schwenkbare Verdichtereinlass-Leitschaufeln 13 vorgesehen, mit denen der Verdichtermassenstrom mV einstellbar ist. Diese Leitschaufeln 13 sind lediglich schematisch dargestellt. Die Turbineneinheit 14 umfasst gemäß dem Ausführungsbeispiel vier aufeinanderfolgende Turbinenstufen 14 a, 14 b, 14 c und 14 d, die ebenfalls nur schematisch dargestellt sind.
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Im Strömungspfad der vom Verdichter 12 angesaugten Umgebungsluft ist zudem ein Wärmetauscher als Vorrichtung 9 zur Abkühlung der Luft vorgesehen, der hinter nicht weiter dargestellten Luftfiltern der Gasturbine 10 angebracht ist. Er bedeckt somit etwa den gleichen Strömungsquerschnitt wie die Filter und besteht in der Regel aus Kupferrohren, auf denen Aluminiumfinnen aufgeschoben sind. Durch die Kupferrohre kann eine gekühlte Glykol-Wasser-Mischung geleitet werden. Mit Hilfe des Wärmetauschers kann bei Bedarf die Temperatur der Gasturbinenansaugluft herabgesetzt werden.
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Im Betrieb saugt der Verdichter 12 Umgebungsluft an, verdichtet diese und führt sie der Brennkammer 16 zu. Dort wird die verdichtete Luft mit einem Brennstoff B gemischt und in einer Flamme zu einem Heißgas HG verbrannt. Das Heißgas HG strömt in den Eintritt der Turbineneinheit 14 und entspannt sich an den nicht weiter dargestellten Turbinenschaufeln der Turbineneinheit 14 arbeitsleistend. Das so entstehende Abgas RG strömt am Austritt der Turbineneinheit 14 über einen nicht dargestellten Abgasdiffusor ab. Danach wird das Abgas RG entweder über einen Schornstein in die Umgebung abgelassen oder das Abgas RG wird in einem sogenannten Kessel, welcher als Abhitzedampferzeuger bekannt ist, zur Erzeugung von Dampf genutzt. Der im Abhitzedampferzeuger erzeugte Dampf dient dann zum Antrieb von nicht weiter dargestellten Dampfturbinen oder auch als Prozessdampf. Mit Hilfe des Brennstoffmassenstroms mB und des Verdichtermassenstroms mV lässt sich die von der Gasturbine 10 zu erbringende Leistung einstellen.
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Sofern die von der Gasturbine 10 abzugebende Leistung zur Frequenzstützung gesteigert werden soll, wird der Wärmetauscher aktiviert. Dazu wird der Wärmetauscher sekundärseitig von der Glykol-Wasser-Mischung durchströmt. Die an den Aluminiumfinnen vorbeiströmenden Luft übergibt währenddessen teilweise die in der angesaugten Luft enthaltene Wärmeenergie, welche dann von der Flüssigkeitsmischung abgeführt werden kann. Hierdurch sinkt die Temperatur der vorbeiströmenden Luft ab und es steigt die Luftdichte an. Mithin steigt der Verdichtermassenstrom mV, was sich leistungssteigernd auf die Gasturbine 10 auswirkt.
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Das Diagramm nach 2 zeigt die von der Gasturbine 10 abgegebene Leistung P bzw. die von der Gasturbine 10 zu erbringende Leistung PSoll in Prozent, den Öffnungsgrad LSV der Eingangsleitschaufeln 13 des Verdichters 10 in Prozent und die Temperatur TV1 der in den Verdichter einströmenden Luft jeweils über die Netzfrequenz n. Die Netzfrequenz n entspricht bei einem Generator 11 mit nur einem Polpaar der Drehzahl der Gasturbine 10.
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Der erfindungsgemäße Betrieb wird anhand eines Beispiels erklärt, bei dem die Umgebungstemperatur 30°C beträgt. Dennoch kann das erfindungsgemäße Verfahren auch bei geringeren Umgebungstemperaturen angewendet werden, wobei dann der erfindungsgemäße Anteil der von dem Kraftwerk bereitzustellenden Leistungsreserve sinkt.
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Eine erste gepunktet dargestellte Kennlinie 20 zeigt die vom Grid-Code geforderte Leistung PSoll in Prozent an, die je nach Abweichung von der Soll-Netzfrequenz n0 ansteigen oder fallen soll. Die Soll-Netzfrequenz n0 liegt im beschriebenen Ausführungsbeispiel bei 50Hz. Schwankt die Netzfrequenz um die Soll-Netzfrequenz n0 innerhalb eines darum angesiedelten Totbandes 21, ist keine Frequenzstützung erforderlich, so dass die erforderliche Gasturbinenleistung PSoll konstant bleibt. Überschreitet die Netzfrequenz die obere Grenze des Totbandes 21 oder unterschreitet die Netzfrequenz die untere Grenze des Totbandes 21, so muss zur Frequenzstützung die von der Gasturbine zu erbringende Leistung PSoll gemäß der Kennlinie 20 sinken bzw. steigen.
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In der Regel wird die Gasturbinen-Leistung über den veränderlichen Brennstoffmassenstrom mB und die Gasturbinen-Abgastemperatur über den veränderlichen Verdichtermassenstrom mv eingestellt. Letzterer ist auch von dem Öffnungsgrad LSV der verstellbaren Einlassleitschaufeln 13 des Verdichters 12 abhängig. Eine zweite gestrichelt dargestellte Kennlinie 24 zeigt den Öffnungsgrad LSV der verstellbaren Leitschaufel in Abhängigkeit der Netzfrequenz n.
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Ist die Netzfrequenz n gleich der Soll-Netzfrequenz n0, so beträgt der relative Verdichtermassenstrom mv 100%, was bedeutet, dass die am Verdichter 12 angesiedelten Einlassleitschaufeln 13 vollständig geöffnet sind. Fällt die Netzfrequenz n unter die untere Grenze des Totbandes 21, fordert der Grid-Code eine Anhebung der zu erbringenden Gasturbinen-Leistung PSoll. Um dies zu erreichen, wird dem Wärmetauscher eine entsprechende Verdichtereintrittstemperatur TV1Soll vorgegeben, was eine dritte in Volllinie dargestellte Kennlinie 22 zeigt. Mit Hilfe des Wärmetauschers wird dann die Verdichtereintrittstemperatur TV1 auf die gewünschte Verdichtereintrittstemperatur TV1Soll abgesenkt. Die Absenkung der Verdichtereintrittstemperatur TV1 erhöht die Luftdichte, weswegen der Verdichter dann einen größeren Massenstrom als bisher ansaugt. Somit erhöht sich auch der Luftmassenstrom durch die Brenner und die Brennkammer. Bei unverändertem Brennstoffmassenstrom würden dann die Flammentemperatur und die Turbineneintrittstemperatur abfallen, was aber ungewünscht ist. Da die Gasturbine weiterhin mit der vorgesehenen Turbineneintrittstemperatur betrieben werden soll, wird der Brennstoffmassenstrom automatisch soweit erhöht, dass die gewünschte Turbineneintrittstemperatur gehalten wird. Dadurch ergibt sich eine Steigerung der abgegebenen Gasturbinen-Leistung. Diese Leistungssteigerung dient zur Stützung der Netzfrequenz n. Steigt die Netzfrequenz n über die obere Grenze des Totbandes 21 hinaus, wird die Gasturbinenleistung PSoll wie üblich abgesenkt, indem die Leitschaufeln 13 des Verdichters 12 weiter zugedreht werden und der Brennstoffmassenstrom verringert wird. Ersteres ist durch die Werte für den Öffnungsgrad LSV kleiner 100% repräsentiert. Der Wärmetauscher ist dann außer Funktion.
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Insgesamt wird somit ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine 10 im Frequenzstützungsmodus angegeben. Um nun die Gasturbine 10 bei vergleichsweise hohem Wirkungsgrad zu betreiben und dennoch eine ausreichende Leistungsreserve für den Frequenzstützungsfall vorhalten zu können, wird vorgeschlagen, dass die währenddessen geforderte Steigerung der abgegebenen Gasturbinen-Leistung durch ein Absenken der Temperatur TV1 der in den Verdichter 12 einströmenden Luft ermöglicht wird.
