DE102013202984A1

DE102013202984A1 - Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine unterhalb ihrer Nennleistung

Info

Publication number: DE102013202984A1
Application number: DE102013202984.5A
Authority: DE
Inventors: Andreas Böttcher; Eberhard Deuker; Andre Kluge; Marco Link; Philipp Kreutzer; Ansgar Sternemann; Marc Tertilt; Martin Wilke
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-02-22
Filing date: 2013-02-22
Publication date: 2014-08-28
Also published as: EP2943669A1; WO2014128000A1; US20160010566A1; JP2016510098A; CN105074169A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine unterhalb ihrer Nennleistung, bei dem mit dem Absenken der abgegebenen Gasturbinenleistung eine CO-Emission im Abgas der Gasturbine ansteigt, wobei bei Erreichen eines (beliebig wählbaren) vorgegebenen Grenzwertes für die CO-Emission oder bei Unterschreiten eines relativ oder absolut angegebenen vorgegebenen Grenzwertes für die abgegebene Gasturbinenleistung die Verbrennungstemperatur in der Brennkammer der Gasturbine erhöht wird. Um die Gasturbine emissionsarm zu betreiben, ist vorgesehen, dass bei konstanter Leistungsabgabe die sich durch die Verbrennungstemperaturerhöhung einstellende Abgastemperaturerhöhung am Austritt der Gasturbine durch die Zugabe eines flüssigen oder dampfförmigen Mediums zumindest teilweise kompensiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine unterhalb ihrer Nennleistung, bei dem mit Absenken der abgegebenen Gasturbinenleistung eine CO-Emission im Abgas der Gasturbine ansteigt, wobei bei Erreichen eines vorgegebenen Grenzwertes für die CO-Emission oder bei Unterschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes für die abgegebene Gasturbinenleistung die Verbrennungstemperatur in der Brennkammer der Gasturbine erhöht wird.
Bei zur elektrischen Energieerzeugung eingesetzten Gasturbinen ist es bekannt, dass diese nicht nur bei Nennlast betrieben werden, sondern auch darunter. Dieser so genannte Teillastbetrieb kann jedoch dazu führen, dass ein wesentlicher Luftüberschuss bei der Verbrennung des Brennstoffs auftritt; das Verbrennungsluftverhältnis ist dann wesentlich größer 1. Bei Lastabsenkung wird zumeist der Verdichtermassenstrom reduziert, wodurch sich das Druckverhältnis des Verdichters und somit auch die Verbrennungstemperatur des Brennstoff-Luft-Gemischs in der Brennkammer absenkt, was sich auf die für die CO-Emission relevante Primärzonen-Temperatur analog auswirkt. Wenn diese Temperatur dann einen Minimalwert unterschreitet, werden verstärkt CO-Emissionen generiert. Bei weiter reduzierter Primärzonen-Temperatur können die CO-Emissionen so weit ansteigen, dass sie einen zumeist gesetzlich vorgegebenen Emissionsgrenzwert übersteigen, wodurch der CO-emissionskonforme Teillastbereich der Gasturbine verlassen wird. Durch diese Tatsache kann der Betreiber der Gasturbine gezwungen werden – sofern ein gesetzlicher CO-Emissionsgrenzwert vorliegt – seine Gasturbine abzuschalten, es sei denn, dass die Leistung seiner Gasturbine weiter reduziert und gleichzeitig der CO-Emissionsgrenzwert unterschritten werden kann.
Um die soeben beschriebene Teillastfähigkeit der Gasturbine weiter zu erhöhen, schlägt die aus dem Stand der Technik bekannte DE 10 2008 044 442 A1 vor, derartige Gasturbinen mit einem Bypass-System auszustatten, durch welche ein Teil der Verdichterendluft an der Brennkammer vorbeigeführt und in den Abgaskanal der Gasturbine eingespeist werden kann. Dadurch kann die der Verbrennung zugeführte Luftmenge reduziert werden, was die Verbrennungstemperatur und somit die relevante Primärzonen-Temperatur anhebt. Die Anhebung führt dann zu einer Verminderung der CO-Emissionen, so dass trotz eines weiter reduzierten Lastbetriebs die Gasturbine CO-emissionskonform betrieben werden kann. Nachteilig ist jedoch, dass die im Stand der Technik bekannte Betriebsweise den Wirkungsgrad der Gasturbine unnötig reduziert, da die bygepasste verdichtete Luft nicht zur Arbeitsumsetzung in der Gasturbine beiträgt.
Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung eines Verfahrens zum Betrieb einer Gasturbine, die trotz eines Teillastbetriebs einen vergleichsweise hohen Wirkungsgrad bei COemissionskonformer Betriebsweise aufweist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens, bei dem der emissionskonforme Gasturbinenbetrieb zu niedrigeren Lasten erweitert ist.
Die auf das Verfahren gerichtete Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben, deren technische Lehren in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden können.
Erfindungsgemäß ist bei dem Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine unterhalb ihrer Nennleistung, bei dem mit dem Absenken der abgegebenen Gasturbinenleistung eine CO-Emission im Abgas der Gasturbine ansteigt, wobei bei Erreichen eines (beliebig wählbaren) vorgegebenen Grenzwertes für die CO-Emission oder bei Unterschreiten eines relativ oder absolut angegebenen vorgegebenen Grenzwertes für die abgegebene Gasturbinenleistung die Verbrennungstemperatur in der Brennkammer der Gasturbine erhöht wird, vorgesehen, dass bei konstanter Leistungsabgabe die sich durch die Verbrennungstemperaturerhöhung einstellende Abgastemperaturerhöhung am Austritt der Gasturbine durch die Zugabe eines flüssigen oder dampfförmigen Mediums zumindest teilweise kompensiert wird.
Durch die Anhebung der Abgastemperatur ist ein wirksames Mittel zur CO-Emissionsreduktion gegeben. Bisher ist jedoch diese Maßnahme begrenzt durch die maximal zulässige Betriebs-Temperatur der Gasturbinenbauteile und der dem Gasturbinenaustritt nachfolgenden Bauteile. Als Beispiele für derartige Bauteile, die sich temperaturbegrenzend auf das Abgas auswirken, seien hier ein Kessel genannt, der als Abhitzedampferzeuger für eine der Gasturbine nachgeschaltete Dampfturbine arbeitet, ein Abgasgehäuse der Gasturbine und/oder ein Abgasdiffusor der Gasturbine. Da durch eine Zugabe von flüssigem bzw. dampfförmigen Mittel am oder stromab des Austritts der Gasturbine die Abgastemperatur abgesenkt wird, kann die vor dem Ort der Zugabe auftretende Abgastemperatur weit höher sein als die maximal zulässige Betriebs-Temperatur der stromab davon angesiedelten Bauteile, die das Abgas führen. Folglich wird der in der Gasturbine ablaufende Kreisprozess mit einer Abgastemperatur betrieben, die oberhalb der Betriebstemperatur der besagten Bauteile liegt, wobei die abgastemperaturbegrenzenden Bauteile dennoch ein Abgas führen, dessen Temperatur unterhalb der maximal zulässigen Betriebstemperatur liegt. Folglich wird trotz angehobener Verbrennungstemperatur gewährleistet, dass die dem Gasturbinenaustritt nachfolgenden Bauteile nicht zu heiß werden. Dies vermindert das Auftreten von CO-Emissionen im Teillastbetrieb bzw. ermöglicht es, die Gasturbine in weiter abgesenkten Leistungsbereichen zu betreiben, ohne die Bauteile zu gefährden.
Als Verbrennungstemperatur ist im Sinne dieser Patentanmeldung diejenige Temperatur der Flammen zu verstehen, die in der Primärzone von Brennern auftreten. Diese Temperatur ist auch als theoretische Flammentemperatur bekannt.
Es ist zu beachten, dass bei der Erfindung die Zugabe des dampfförmigen bzw. flüssigen Mediums nicht in die Flamme erfolgt, sondern in das von der Flamme erzeugte Abgas. Ersteres ist üblich und wurde auch schon sehr früh eingesetzt, um die NO_x-Emissionen der früher üblichen Diffusionsbrenner zu kontrollieren und zu reduzieren. Vorzugsweise erfolgt die Zugabe des Medium unmittelbar hinter der letzten Turbinenstufe der Gasturbine oder hinter dem Lagerstern der Gasturbine, in welchem der Rotor der Gasturbine üblicherweise radial gelagert ist. Diese Konstruktionen zum Durchführen dieses Verfahrens sind relativ einfach, verglichen mit denjenigen Konstruktionen, die eine Zugabe des Mediums unmittelbar stromab der Flamme, beispielsweise von der ersten oder vor der zweiten Turbinenstufe ermöglichen. Dennoch hätte Letzteres hätte den Vorteil, dass die Leistung und somit der Wirkungsgrad höher ist als bei einer weiter stromab angeordneten Zugabe.
Der vorgegebene Grenzwert für die CO-Emission, ab dessen Erreichen die Verbrennungstemperatur in der Brennkammer der Gasturbine erhöht werden soll, kann einen beliebigen Wert besitzen. Er ist unabhängig von dem gesetzlich vorgeschriebenen Emissionsgrenzwert für CO-Emissionen. Der erfindungsgemäße vorgegebene Grenzwert für die CO-Emission wird so gewählt, dass dieser gemäß der gewünschten Betriebsweise den Start des erfindungsgemäßen Verfahrens auslöst.
Selbstverständlich ist es möglich, auch andere Parameter als die CO-Emission zur Auslösung des erfindungsgemäßen Verfahrens heranzuziehen. Die anderen Parameter können ergänzend oder alternativ zum Starten des CO-emissionsarmen Teillastbetriebs verwendet werden. Bspw. ist es möglich, das erfindungsgemäße Verfahren erst bei Unterschreiten eines relativen oder absoluten vorgegebenen Grenzwertes der Gasturbinen-Leistung durchzuführen. Die abgegebene Gasturbinen-Leistung kann anhand thermodynamischer Daten oder auch anhand der Generator-Klemmenleistung ermittelt werden.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist das dampfförmige Mittel Prozessdampf eines kombinierten Gas- und Dampfturbinenkraftwerks, welches bei sehr niedriger Lastabgabe keinen Prozessdampf abgeben muss, so dass dieser für die Kühlung des Abgases zur Verfügung steht.
Nach einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird die Verbrennungstemperatur soweit angehoben und die zugegebene Menge an Medium so gewählt, dass die sich nach der Zugabe des Mediums einstellende Abgastemperatur in etwa gleich groß ist wie die Abgastemperatur, die an gleicher Stelle bei Nennleistung ohne Zugabe von Medium auftreten würde oder nur geringfügig von dieser abweicht. Dieser Ausgestaltung liegt folgender Gedankengang zugrunde:
Üblicherweise wird ausgehend von Nennlast zur Lastminderung zunächst der Ansaugmassenstrom des Verdichters durch das Zudrehen von Einlassleitschaufeln des Verdichters verringert. Mit dieser Maßnahme reduziert sich das Druckverhältnis der Gasturbine und als Folge davon steigt die Abgastemperatur bei festgehaltener Verbrennungstemperatur an. Wie bereits weiter oben beschrieben, ist die maximal zulässige Abgastemperatur am Turbinenaustritt durch Materialtemperaturen der Gasturbine und auch eines eventuell nachgeordneten Kessels (zur Dampferzeugung) vorgegeben. Erreicht das Abgas diese maximale Temperatur bei Entlastung mittels Verdichtermassenstromverringerung, muss beim Stand der Technik bei weiterer Absenkung der Last auch die Verbrennungstemperatur weiter gesenkt werden. Um diese Absenkung der Verbrennungstemperatur zu vermeiden und somit die CO-Emission auf einem vergleichsweise geringen Wert zu halten, wird vorzugsweise vorgeschlagen, den Verdichtermassenstrom weiter zu reduzieren, was eine Anhebung der Abgastemperatur über die maximal zulässige Materialtemperatur der der Gasturbine nachgeschalteten Bauteile bedeuten würde. Um diese Bauteile jedoch vor Überhitzung und somit vor einer Verkürzung der Lebensdauer zu schützen, wird dann die unzulässig erhöhte Abgastemperatur durch die Zugabe des dampfförmigen oder flüssigen Mediums soweit abgesenkt, dass sie in etwa gleich der maximal zulässigen Materialtemperatur der Gasturbinenbauteile bzw. der der Gasturbine nachgeschalteten Bauteile liegt. Üblicherweise sind derartige Gasturbinen so konzipiert, das die zulässigen Materialtemperaturen im Nennbetrieb erreicht werden.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist, dass bestehende Gasturbinen vergleichsweise einfach für den Betrieb des erfindungsgemäßen Verfahrens umgerüstet werden können. Modifikationen der Gasturbine selber sind nicht notwendig, sondern lediglich ist deren Abgasstrecke zur Einspeisung eines flüssigen oder dampfförmigen Mediums zu ertüchtigen. Auch stellt sich kein Wirkungsgradverlust wie beim Stand der Technik durch Bypassen von Verdichterendluft ein. Gegebenenfalls kann sogar eine Wirkungsgradverbesserung auftreten, da der Ausbrand der Flamme verbessert wird.
Die Erfindung wird anhand eines einzigen Ausführungsbeispiels, näher erläutert, wodurch jedoch die Erfindung nicht weiter eingeschränkt werden soll.
Hierzu zeigt die einzige Figur schematisch eine Gasturbine mit der Möglichkeit zur Zuführung eines dampfförmigen oder flüssigen Mediums in das Abgas.
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 auch als Ringbrennkammer ausgestaltet sein. Im Falle von Rohrbrennkammern weist die Gasturbine 10 zumeist zehn, zwölf oder noch mehr Rohrbrennkammern auf.
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 m_V einstellbar ist. Diese Leitschaufeln 13 sind lediglich schematisch dargestellt. Die Turbineneinheit 14 umfasst gemäß dem Ausführungsbeispiel insgesamt vier aufeinanderfolgende Turbinenstufen 14 _a, 14 _b, 14 _c, 14 _d, die in der einzigen Figur ebenfalls nur schematisch dargestellt sind.
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 einem sogenannten Kessel zugeführt, welcher als Abhitzedampferzeuger die im Abgas enthaltene Wärmeenergie zur Erzeugung von Dampf nutzt. Der im Abhitzedampferzeuger erzeugte Dampf dient dann zum Antrieb von nicht weiter dargestellten Dampfturbinen oder auch als Prozessdampf.
Mit Hilfe des Brennstoffmassenstroms m_B und dem Verdichtermassenstrom m_V lässt sich die von der Gasturbine 10 zu erbringende Leistung einstellen.
Sofern die Gasturbine 10 unterhalb ihrer Nennleistung betrieben wird und sie somit nur einen Anteil der von ihr maximal erbringbaren möglichen Leistung an der Verdichterwelle dem Generator 11 zur Verfügung stellt, ist vorgesehen, dass zur Reduzierung von CO-Emissionen die sich in der Brennkammer 16 einstellende Verbrennungstemperatur bzw. Primärzonentemperatur durch weiteres Zudrehen der Verdichtereinlass-Leitschaufeln 13 bei konstanten Brennstoffmassenstrom m_B erhöht wird. Da die Gasturbine 10 sich bereits im Teillastbetrieb befindet und die Temperatur des Heißgases HG am Turbineneintritt bereits unter der maximal zulässigen Turbineneintrittstemperatur liegt, kann die Verbrennungstemperatur weiter erhöht werden, ohne dass die am Turbineneintritt angeordneten Bauteile eine unzulässig hohe Materialtemperatur erfahren, was deren Lebensdauer verkürzt hätte. Da jedoch gleichzeitig die Abgastemperatur aufgrund der gestiegenen Verbrennungstemperatur dann unzulässig hoch werden kann, ist vorgesehen, dass entweder stromab der vorletzten Turbinenstufe 14c der Gasturbine 10 und/oder stromab der letzten Turbinenstufe 14d der Gasturbine 10 ein dampfförmiges oder flüssiges Medium M zugeführt wird, welches die im Abgas RG sich durch die Verbrennungstemperaturerhöhung einstellende Abgastemperaturerhöhung zumindest teilweise kompensiert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008044442 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine (10) unterhalb ihrer Nennleistung, bei dem mit Absenken der abgegebenen Gasturbinenleistung eine CO-Emission im Abgas (RG) der Gasturbine (10) ansteigt, wobei bei Erreichen eines vorgegebenen Grenzwertes für die CO-Emission oder bei Unterschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes für die abgegebene Gasturbinenleistung die Verbrennungstemperatur in der Brennkammer (16) der Gasturbine (10) erhöht wird und die sich durch die Verbrennungstemperaturerhöhung einstellende Abgastemperaturerhöhung am Abgas-Austritt der Gasturbine (10) durch die Zugabe eines flüssigen oder dampfförmigen Mediums (M) zumindest teilweise kompensiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ohne Laständerung die Verbrennungstemperatur soweit angehoben und bei dem die zugegebene Menge an Medium (M) so gewählt wird, dass die sich nach der Zugabe des Mediums (M) einstellende Abgastemperatur in etwa gleich groß oder geringfügig größer ist als diejenige Abgastemperatur, die an gleicher Stelle bei Nennleistung auftritt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem zur Erhöhung der Verbrennungstemperatur die Menge eines der Brennkammer (16) zugeführten Brennstoffs B erhöht und/oder die Menge einer der Brennkammer (16) zugeführten Verbrennungsluft durch weiteres Zudrehen von Einlassleitschaufeln (13) eines Verdichters (12) der Gasturbine (10) reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem das dampfförmige Medium (M) dem Prozessdampf eines der Gasturbine (10) nachgeordneten Dampfturbinen-Kraftwerks entnommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Medium (M) dem Abgas (RG) stromab der vorletzten Turbinenstufe (14 _c) der Gasturbine (10) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das Medium (M) dem Abgas (RG) stromab der letzten Turbinenstufe (14 _d) der Gasturbine (10) zugeführt wird.