DE102014100479A1

DE102014100479A1 - Systeme und Verfahren zur Nutzungsdauerverlängerung von Heißgaspfadteilen mit Ladeluftstrombypass

Info

Publication number: DE102014100479A1
Application number: DE102014100479.5A
Authority: DE
Inventors: Sanji Ekanayake; Alston Ilford Scipio; Steven Hartman; Dale J. Davis
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2013-01-28
Filing date: 2014-01-16
Publication date: 2014-07-31
Also published as: CH707544A2; JP2014145358A; US20140208765A1; JP6329374B2; CN104343544A; CN104343544B; US9567913B2

Abstract

Ein System und Verfahren zum Turboladen eines Kombinationszyklussystems verwendet ein Druckgebläse, das einen variablen Luftstrom bereitstellt. Mindestens ein erster Teil des Luftstroms wird zu einem Verdichter geleitet, und ein zweiter Teil des Luftstroms wird zu einem Wärmerückgewinnungsdampferzeuger abgezweigt. Ein Steuerungssystem steuert die Luftströme, die dem Verdichter und dem Wärmerückgewinnungsdampferzeuger bereitgestellt sind. Das System gestattet den Betrieb eines Kombinationszyklussystems bei einem gewünschten Betriebszustand, wobei der Zykluswirkungsgrads und die Komponentenlebensdauer durch Steuern des Luftstroms von dem Gebläse zu dem Verdichter und zu dem Wärmerückgewinnungsdampferzeuger gegeneinander abgewogen wird.

Description

QUERVERWEIS ZU VERWANDTEN ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung ist mit der Anmeldung SN 13/485 216, mit dem Titel "GAS TURBINE COMPRESSOR INLET PRESSURIZATION AND FLOW CONTROL SYSTEM", gemeinsam eingereicht im Namen von John Anthony Conchieri, Robert Thomas Thatcher und Andrew Mitchell Rodwell, und mit der Anmeldung SN 13/485 273, mit dem Titel "GAS TURBINE COMPRESSOR INLET PRESSURIZATION HAVING A TORQUE CONVERTER SYSTEM", gemeinsam eingereicht im Namen von Sanji Ekanayake und Alston I. Scipio, verwandt, die sämtliche General Electric Company, der Inhaberin der vorliegenden Erfindung, erteilt sind.
TECHNISCHES GEBIET
Die hier beschriebene Erfindung betrifft Kombinationszykluskraftwerke und speziell turbogeladene Kombinationszyklussysteme mit Luftstrombypass.
HINTERGRUND
Kombinationszykluskraftwerke und Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen nutzen Gasturbinen, um Strom zu erzeugen. Diese Gasturbinen erzeugen gewöhnlich Hochtemperaturabgase, die in einen Wärmerückgewinnungsdampferzeuger (HRSG) befördert werden, der Dampf erzeugt. Der Dampf kann für den Antrieb einer Dampfturbine genutzt werden, um die Leistung zu steigern, und/oder um Dampf für die Verwendung in anderen Prozessen bereitzustellen.
Der Betrieb von Energiesystemen mit maximalem Wirkungsgrad hat hohen Vorrang für jede Erzeugereinrichtung. Faktoren wie Lastbedingungen, Ausrüstungsverschleiß und Umgebungsbedingungen können Ursache dafür sein, dass die Erzeugungseinheit unter suboptimalen Bedingungen arbeitet. Die Technik des Turboladens von Turbinensystemen (die bewirkt, dass der Einlassdruck den Umgebungsdruck überschreitet) ist als ein Weg zur Steigerung der Kapazität von Gasturbinen bekannt. Turbogeladene Turbinensysteme enthalten gewöhnlich ein an dem Gasturbineneinlass angeordnetes Turboladergebläse mit variabler Drehzahl, das durch Dampfenergie angetrieben wird, die aus der Umwandlung von Abgasabwärme in Dampf abgeleitet ist. Das Turboladergebläse dient dazu, den Luftmassendurchsatz in die Gasturbine zu steigern, so dass die mechanische Leistung an der Gasturbinenwelle erhöht werden kann.
Wartungskosten und Verfügbarkeit haben ebenfalls hohe Priorität für Anwender von Erzeugereinrichtungen. Eine Komponente der Wartungskosten ist die Lebensdauer/Nutzungsdauer der Ausrüstung. Es sind viele Faktoren vorhanden, die die Ausrüstungsnutzungsdauer beeinflussen, unter Anderem sind dies die verwendete Brennstoffart, die Betriebsstunden bei Grundlast, die Betriebsstunden bei Spitzenlast und eine Wasserdampfinjektion in den Verdichterluftstrom. Diese Faktoren beeinflussen die Nutzungsdauer von Heißgaspfadteilen. Höhere Temperaturen in der Turbine können die Nutzungsdauer der längs des Heißgaspfads und andernorts angeordneten Komponenten verkürzen. Gewöhnlich wird ein Betrieb oberhalb der Grundlast die Nutzungsdauer der Heißgaspfadkomponenten reduzieren, während ein Betrieb unterhalb der Grundlast die Nutzungsdauer von Komponenten allgemein verlängern wird. Unter gewissen Umständen ist ein Anwender möglicherweise bereit, die Nutzungsdauer von Heißgaspfadteilen zu Lasten des Wirkungsgrades zu verlängern, um Wartungskosten zu senken. Allerdings bieten herkömmliche Kombinationszyklussysteme kein angemessenes Maß an Kontrolle über die Nutzungsdauer von Heißgaspfadteilen.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem exemplarischen, nicht als beschränkend zu bewertenden Ausführungsbeispiel betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Nutzungsdauerverlängerung von Heißgaspfadteilen eines Turbinensystems. Zu dem Verfahren gehören die Schritte: Ermitteln einer gewünschten Last; Ermitteln einer nominalen Zündtemperatur für die gewünschte Last; und Ermitteln einer Turboladungszündtemperatur für die gewünschte Last. Das Verfahren beinhaltet zudem die Schritte: Ermitteln einer ersten Massendurchsatzmenge von Luft, die für einen Verdichter in dem Turbinensystem bereitzustellen ist, um die Turboladungszündtemperatur für die gewünschte Last zu erreichen; Bereitstellen eines Luftstroms; und Befördern der ersten Massendurchsatzmenge von Luft in den Verdichter.
In dem Verfahren kann der Schritt des Bereitstellens eines Luftstroms das Bereitstellen eines Luftstroms mittels eines Gebläses beinhalten.
Jedes der oben erwähnten Verfahren kann zudem die Schritt beinhalten: Ermitteln einer gewünschten Wärmerückgewinnungsdampferzeuger-(HRSG)-Einlasstemperatur; Ermitteln einer zweiten Massendurchsatzmenge von Luft, die einem Wärmerückgewinnungsdampferzeuger bereitzustellen ist, um die gewünschte Wärmerückgewinnungsdampferzeugereinlasstemperatur zu erreichen; und Befördern der zweiten Massendurchsatzmenge von Luft zu dem Wärmerückgewinnungsdampferzeuger.
Jedes der oben erwähnten Verfahren kann beinhalten, dass der Schritt des Beförderns der zweiten Massendurchsatzmenge von Luft zu dem Wärmerückgewinnungsdampferzeuger zusätzlich die Schritte des Beförderns einer zweiten Massendurchsatzmenge von Luft bei einer vorbestimmten Temperatur und das Modulieren einer Wärmerückgewinnungsdampferzeugereinlasstemperatur beinhaltet.
Jedes der oben erwähnten Verfahren kann außerdem den Schritt des Kühlens der ersten Massendurchsatzmenge von Luft beinhalten.
Jedes der oben erwähnten Verfahren kann beinhalten, dass der Schritt des Beförderns der zweiten Massendurchsatzmenge von Luft ein Befördern der zweiten Massendurchsatzmenge von Luft durch einen Bypass beinhaltet.
Jedes der oben erwähnten Verfahren kann zudem den Schritt des Steuerns der zweiten Massendurchsatzmenge von Luft mittels eines Ventils beinhalten, das mit dem Bypass verbunden ist.
In noch einem Ausführungsbeispiel betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Nutzungsdauerverlängerung von Heißgaspfadteilen in einem Turbinensystem. Zu dem Verfahren gehören die Schritte: Ermitteln einer gewünschten Last; Ermitteln eines Wirkungsgradverzichts; und Ermitteln eines gewünschten Wartungsfaktors. Das Verfahren beinhaltet außerdem den Schritt: Ermitteln eines Turboladungsgrades, der erforderlich ist, um den gewünschten Wartungsfaktor für die gewünschte Last zu erreichen. Zu dem Verfahren gehören die Schritte: Ermitteln einer ersten Massendurchsatzmenge von Luft, die für einen Verdichter bereitzustellen ist, um den Turboladungsgrad zu erreichen; und Ermitteln einer zweiten Massendurchsatzmenge von Luft, die einem Wärmerückgewinnungsdampferzeuger bereitzustellen ist. Weiter beinhaltet das Verfahren die Schritte: Bereitstellen eines Luftstroms; Befördern der ersten Massendurchsatzmenge von Luft in den Verdichter; und Befördern der zweiten Massendurchsatzmenge von Luft zu dem Wärmerückgewinnungsdampferzeuger.
Das Bereitstellen eines Luftstroms kann ein Bereitstellen eines Luftstroms mittels eines Gebläses beinhalten.
Weiter kann das Verfahren die Schritte beinhalten: Ermitteln einer gewünschten Wärmerückgewinnungsdampferzeuger-(HRSG)-Einlasstemperatur; wobei das Ermitteln einer zweiten Massendurchsatzmenge von Luft, die einem Wärmerückgewinnungsdampferzeuger bereitzustellen ist, den Schritt des Ermittelns einer zweiten Massendurchsatzmenge von Luft beinhaltet, die einem Wärmerückgewinnungsdampferzeuger bereitzustellen ist, um die gewünschte Wärmerückgewinnungsdampferzeugereinlasstemperatur zu erreichen.
Jedes der oben erwähnten Verfahren kann beinhalten, dass der Schritt des Beförderns der zweiten Massendurchsatzmenge von Luft zu dem Wärmerückgewinnungsdampferzeuger zusätzlich die Schritte des Beförderns einer zweiten Massendurchsatzmenge von Luft bei einer vorbestimmten Temperatur und das Modulieren einer Wärmerückgewinnungsdampferzeugereinlasstemperatur beinhaltet.
Jedes der oben erwähnten Verfahren kann beinhalten, dass der Schritt des Beförderns der zweiten Massendurchsatzmenge von Luft ein Befördern der zweiten Massendurchsatzmenge von Luft durch einen Bypass beinhaltet.
Jedes der oben erwähnten Verfahren kann zudem den Schritt des Steuerns der zweiten Massendurchsatzmenge von Luft mittels eines Ventils beinhalten, das mit dem Bypass verbunden ist.
In noch einem Ausführungsbeispiel betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Leistungssteigerung eines Kombinationszyklussystems, das eine Gasturbine und einen Wärmerückgewinnungsdampferzeuger enthält. Zu dem Verfahren gehören die Schritte: Ermitteln einer gewünschten Last; Ermitteln einer aktuellen Last; und Ermitteln, ob die gewünschte Last die aktuelle Last überschreitet. Das Verfahren beinhaltet zudem die Schritte: Ermitteln einer inkrementellen Lastzunahme; und Ermitteln einer gewünschten Zündtemperatur für die aktuelle Last plus der inkrementellen Lastzunahme. Das Verfahren beinhaltet zudem die Schritte: Berechnen eines ersten turbogeladenen Massendurchsatzes für die Gasturbine, um die gewünschte Zündtemperatur für die aktuelle Last plus der inkrementellen Lastzunahme zu erreichen; Erhöhen der Last bis zur aktuellen Last plus der inkrementellen Lastzunahme; und Bereitstellen des ersten turbogeladenen Massendurchsatzes für die Gasturbine.
Verfahren zur Leistungssteigerung eines Kombinationszyklussystems, das eine Gasturbine und einen Wärmerückgewinnungsdampferzeuger enthält, mit den Schritten: Ermitteln einer gewünschten Last; Ermitteln einer aktuellen Last; Ermitteln, ob die gewünschte Last die aktuelle Last überschreitet; Ermitteln einer inkrementellen Lastzunahme; Ermitteln einer gewünschten Zündtemperatur für die aktuelle Last plus der inkrementellen Lastzunahme; Berechnen eines ersten turbogeladenen Massendurchsatzes für die Gasturbine, um die gewünschte Zündtemperatur für die aktuelle Last plus der inkrementellen Lastzunahme zu erreichen; Steigern der aktuellen Last bis zur aktuellen Last plus der inkrementellen Lastzunahme; und Bereitstellen des ersten turbogeladenen Massendurchsatzes für die Gasturbine.
Jedes der oben erwähnten Verfahren kann zudem die Schritte beinhalten: Ermitteln einer gewünschten Wärmerückgewinnungsdampferzeuger-(HRSG)-Einlasstemperatur für die aktuelle Last plus der inkrementellen Lastzunahme; Berechnen eines zweiten turbogeladenen Massendurchsatzes zu einem Wärmerückgewinnungsdampferzeuger, um die gewünschte Wärmerückgewinnungsdampferzeugereinlasstemperatur für die aktuelle Last plus der inkrementellen Lastzunahme zu erreichen; und Bereitstellen des zweiten turbogeladenen Massendurchsatzes zu dem Wärmerückgewinnungsdampferzeuger.
Der Schritt des Bereitstellens des ersten turbogeladenen Massendurchsatzes für die Gasturbine kann ein Bereitstellen des ersten turbogeladenen Massendurchsatzes für die Gasturbine mittels eines Gebläses beinhalten.
Der Schritt des Bereitstellens des zweiten turbogeladenen Massendurchsatzes für den Wärmerückgewinnungsdampferzeuger kann ein Bereitstellen des zweiten turbogeladenen Massendurchsatzes in den Wärmerückgewinnungsdampferzeuger durch einen Bypass aufweisen.
Das Bereitstellen des zweiten turbogeladenen Massendurchsatzes für den Wärmerückgewinnungsdampferzeuger kann ein Steuern des zweiten turbogeladenen Massendurchsatzes mittels eines Ventils beinhalten.
Die gewünschte Last kann eine Spitzenlast sein.
Der Schritt des Bereitstellens des ersten turbogeladenen Massendurchsatzes für die Gasturbine mittels eines Gebläses kann beinhalten, das Gebläse mittels eines Primärantriebs anzutreiben.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden detaillierteren Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den beigefügten Figuren offenkundig, die die Grundzüge gewisser Aspekte der Erfindung anhand von Beispielen veranschaulichen.
1 veranschaulicht schematisch ein Ausführungsbeispiel eines turbogeladenen Kombinationszyklussystems mit Luftbypass.
2 veranschaulicht schematisch noch ein Ausführungsbeispiel eines turbogeladenen Kombinationszyklussystems mit Luftbypass.
3 zeigt anhand eines Flussdiagramms ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens, das mittels eines turbogeladenen Kombinationszyklussystems mit Luftbypass durchgeführt ist.
4 veranschaulicht in einer Grafik ein Ergebnis, das mittels eines turbogeladenen Kombinationszyklussystems mit Luftbypass erzielt ist.
5 zeigt in einem Flussdiagramm ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens, das mittels eines turbogeladenen Kombinationszyklussystems mit Luftbypass durchgeführt ist.
6 veranschaulicht in einer Grafik ein Ergebnis, das mittels eines turbogeladenen Kombinationszyklussystems mit Luftbypass erzielt ist.
7 veranschaulicht in einer Grafik ein Ergebnis, das mittels eines turbogeladenen Kombinationszyklussystems mit Luftbypass erzielt ist.
8 veranschaulicht schematisch noch ein Ausführungsbeispiel eines turbogeladenen Kombinationszyklussystems mit Luftbypass.
9 stellt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Steuerungssystems dar, das genutzt wird, um ein turbogeladenes Kombinationszyklussystem mit Luftbypass zu steuern.
10 veranschaulicht schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Primärantriebs, der genutzt wird, um ein Druckgebläse anzutreiben.
11 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Primärantriebs, der genutzt wird, um ein Druckgebläse anzutreiben.
12 stellt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Primärantriebs dar, der genutzt wird, um ein Druckgebläse anzutreiben.
13 veranschaulicht schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Primärantriebs, der genutzt wird, um ein Druckgebläse anzutreiben.
14 stellt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Primärantriebs dar, der genutzt wird, um ein Druckgebläse anzutreiben.
15 stellt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Primärantriebs dar, der genutzt wird, um ein Druckgebläse anzutreiben.
16 zeigt eine Tabelle, die die Vorteile und Nachteile unterschiedlicher Kraftmaschinen zusammenfasst.
17 veranschaulicht in einer Grafik die Beziehung zwischen einer Ausgangsleistung und einer Änderung von T-Zünd für eine Gasturbine, die nicht turbogeladen ist (nominal), und für eine Gasturbine, die um 10 % turbogeladen ist.
18 veranschaulicht in einer Grafik die Wirkung der Turboladung auf den Wartungsfaktor.
19 veranschaulicht in einer Grafik die Wirkung der Turboladung auf die Faktoren T-Zünd, Wärmeverbrauch und Ausgangsleistung bei Spitzenlast.
20 veranschaulicht in einer Grafik die Wirkung der Turboladung auf die Faktoren T-Zünd, Wärmeverbrauch und Ausgangsleistung bei Grundlast.
21 veranschaulicht in einer Grafik die Wirkung der Turboladung auf die Faktoren T-Zünd, Wärmeverbrauch und Ausgangsleistung bei 90 % Last.
22 veranschaulicht in einer Grafik die Wirkung der Turboladung auf die Faktoren T-Zünd, Wärmeverbrauch und Ausgangsleistung bei 80 % Last.
23 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren zur Verlängerung der Nutzungsdauer von Heißgaspfadteilen eines Gasturbinensystems, das Turboladung nutzt.
24 zeigt in einem Flussdiagramm ein Verfahren zur Reduzierung eines Wartungsfaktors in einem Turbinensystem.
25 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betrieb eines Kombinationszyklussystems, das eine Gasturbine und einen HRSG enthält.
26 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren zur Leistungssteigerung eines Kombinationszyklussystems, das eine Gasturbine und einen HRSG enthält.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 veranschaulicht in einem Schema ein turbogeladenes Kombinationszyklussystem mit Luftbypass (SCCAB-System) 11) gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das SCCAB-System 11 enthält ein Gasturbinensubsystem 13, das seinerseits einen Verdichter 15 mit einem Verdichtereinlass 16, eine Brennkammeranordnung 17 und eine Turbine 19 enthält. Ein Abgaskanal 21 kann mit der Turbine 19 und einem Wärmerückgewinnungsdampferzeuger-Subsystem (HRSG 23) verbunden sein. Der HRSG 23 gewinnt Wärme aus Abgasen der Turbine 19 zurück, die durch einen HRSG-Einlass 24 befördert werden, um Dampf zu erzeugen. Der HRSG 23 kann außerdem einen sekundären Brenner 25 aufweisen, um dem HRSG 23 zusätzliche Energie bereitzustellen. Ein Teil des von dem HRSG 23 stammenden Dampfes und Abgases kann über einen Schornstein 27 abgeführt oder für den Antrieb einer Dampfturbine 26 und zur Bereitstellung zusätzlicher Leistung genutzt werden. Ein Teil des Dampfs von dem HRSG 23 kann durch das Prozessdampfauslassverteilerrohr 28 befördert werden, um in anderen Prozessen genutzt zu werden. Das SCCAB-System 11 kann zudem ein Einlassgehäuse- und Kühlsystem 29 enthalten. Das Einlassgehäuse- und Kühlsystem 29 wird genutzt, um die in den Verdichtereinlass 16 eintretende Luft zu kühlen und zu filtern, um die Leistung zu steigern und um Schaden von dem Verdichter 15 abzuhalten.
Weiter enthält das SCCAB-System 11 ein Druckgebläse 30, das genutzt wird, um einen Überdruck zu erzeugen, der Luft in den Verdichter 15 drückt. Das Druckgebläse 30 kann ein (nicht gezeigtes) nicht verstellbares oder verstellbares Flügelgebläse aufweisen. Das Druckgebläse 30 kann durch einen Primärantrieb 31 angetrieben sein. Das Gebläse 30 stellte über eine Kanalanordnung 32 eine steuerbare Luftstromquelle bereit und kann genutzt werden, um den Luftmassendurchsatz in den Verdichter 15 zu steigern. Die Luftmenge, die in den Verdichter strömt, wird durch den Primärantrieb 31 geregelt/gesteuert. Der Verdichtereinlass 16 kann dazu eingerichtet sein, anstelle des leichten Unterdrucks einer herkömmlichen Konstruktion einen leichten Überdruck aufzunehmen.
Das SCCAB-System 11 kann außerdem einen Bypass 33 enthalten (der eine externe Verrohrung beinhalten kann), der einen Teil des Luftstroms von dem Gebläse 30 in den Abgaskanal 21 verzweigt. Dieser vermehrte Luftstrom stellt dem sekundären Brenner 25 zusätzlichen Sauerstoff bereit, um ein Erlöschen der Flamme oder eine suboptimale Verbrennung zu vermeiden. Der Bypass 33 kann einen Strömungssensor 35 und ein Klappenventil 37 aufweisen, um den Luftstrom durch den Bypass 33 zu steuern. Ein Steuerungssystem 39 kann dazu eingerichtet sein, Daten von dem Strömungssensor 35 aufzunehmen und das Klappenventil 37 und den Primärantrieb 31 zu steuern. Das Steuerungssystem 39 kann in das größere Steuerungssystem integriert werden, das für die Betriebssteuerung des SCCAB-Systems 11 genutzt wird. Der von dem Bypass stammende Luftstrom wird zu dem Abgaskanal 21 befördert, wo die Temperatur des zusammengeführten Stroms von Luft und Abgas, der in den HRSG 23 eintritt, moduliert werden kann.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines SCCAB-Systems 11, das ein Paar Gasturbinensubsysteme 13 aufweist. Das Abgas des Paars Gasturbinensubsysteme 13 wird in diesem Ausführungsbeispiel verwendet, um eine Dampfturbine 26 zu steuern. In diesem Ausführungsbeispiel ist stromaufwärts des Gebläses 30 ein Einlassgehäuse 41 angeordnet, und stromabwärts des Gebläses 30 ist ein Kühlsystem 43 angeordnet, in dem der Luftstrom aus dem Gebläse gekühlt werden kann. Der Bypass 33 ist mit dem Kühlsystem 43 verbunden. Dem Fachmann wird einleuchten, dass, obwohl zwei Gasturbinensubsystem(e) 13 in diesem Ausführungsbeispiel beschrieben sind, eine beliebige Anzahl von Gasturbinensubsystemen 13 in Kombination mit beliebig vielen Dampfturbinen 27 genutzt werden kann.
Im Betrieb führt das SCCAB-System 11 dem HRSG 23 einen vermehrten Luftstrom zu, was eine Reihe von Vorteilen hat. Das SCCAB-System 11 kann einem Anwender ermöglichen, die Flexibilität, den Wirkungsgrad und die wirtschaftliche Nutzungsdauer eines Kombinationszyklus-Kraftwerks zu optimieren. Beispielsweise verbessert die Erhöhen des Einlassdrucks des Gasturbinensubsystems 13 die Ausgangsleistung und den Wärmeverbrauch. Die Ausgangsleistung des SCCAB-Systems 11 kann über die gesamte Nutzungsdauer des SCCAB-Systems 11 hinweg unverändert (ohne Abstriche) aufrecht erhalten werden, indem der Grad der Turboladung (und der parasitären Last für den Antrieb des Gebläses 30) entsprechend dem im Laufe der Zeit auftretenden Verschleiß des SCCAB-Systems 11 gesteigert wird. Ein weiterer Vorteil, der sich aus dem SCCAB-System 11 ergibt, ist die Erweiterung der Hüllkurve des Verhältnisses von Leistungserzeugung zu Dampferzeugung. Dies kann durch eine Modulation der Abgastemperatur an dem HRSG-Einlass 24 mittels Luft aus dem Gebläse 30 erreicht werden. Ein weiterer Vorteil, der sich aus dem SCCAB-System 11 ableiten lässt, ist eine Beschleunigung des Hochfahrvorgangs aufgrund der Reduzierung des Spülzyklus (Entfernung von aufgebautem Gas). Aufgrund der Modulation der Abgastemperatur an dem Abgaskanal 21 mittels Luft aus dem Gebläse 30, die über den Bypass 33 zugeführt wird, kann das SCCAB-System 11 darüber hinaus eine verbesserte Laststeigerungsrate vorsehen. Das Gebläse 30 des SCCAB-Systems 11 stellt außerdem ein wirkungsvolles Mittel zur effizienten Kühlung des Gasturbinensubsystems 13 und des HRSG 23 bereit, was Wartungsausfallzeiten verringert und die Verfügbarkeit des Systems verbessert. Das Gebläse 30 bietet einen vergleichbaren Vorteil für Einfachzyklus- und Kombizyklusanordnungen für sämtliche Gasturbinensubsysteme 13, indem es mit mäßigem Kapitalaufwand unter heißen Umgebungsbedingungen eine Verbesserung der Ausgangsleistung im Bereich von 20 % ermöglicht.
Das SCCAB-System 11 kann, wie mit Bezug auf 3 veranschaulicht, im Laufe der Zeit ein Verfahren zur Aufrechterhaltung der Ausgangsleistung eines Kombinationszyklus-Kraftwerks durchführen (Verfahren 50). In Schritt 51 kann das Verfahren 50 den aktuellen Zustand ermitteln, und in Schritt 53 kann das Verfahren 50 einen gewünschten Zustand ermitteln. Der gewünschte Zustand kann sein, eine nominale Ausgangsleistung über die Zeit aufrecht zu erhalten, um Leistungsverluste zu kompensieren. Über die Zeit kommt es aufgrund des Verschleißes von Bauteilen in der Gasturbine gewöhnlich zu Leistungsverlusten. Diese Verluste können gemessen oder berechnet werden. In Schritt 55 kann das Verfahren 50 die zur Aufrechterhaltung der gewünschten Ausgangsleistung erforderliche Steigerung des Luftmassendurchsatzes ermitteln. Auf der Grundlage der Ermittlung kann das Verfahren 50 in Schritt 57 den dem Verdichtereinlass 16 zugeführten Luftmassendurchsatz einstellen. In Schritt 59 kann das Verfahren 50 den zusammengeführten Luft- und Abgasmassendurchsatz in den HRSG-Einlass 24 einstellen.
4 veranschaulicht die (prozentuale) Verluste der Ausgangsleistung und des Wärmeverbrauchs eines herkömmlichen Kombinationszyklussystems und eines SCCAB-Systems 11 in Abhängigkeit von der Zeit. Gasturbinen erleiden aufgrund des Verschleißes der Bauteile in der Gasturbine im Lauf der Zeit einen Verlust an Ausgangsleistung. Dieser Verlust ist teilweise auf das Wachsen von Turbinen- und Verdichtertoleranzabständen und auf Änderungen der Oberflächengüte und des Schaufelumrisses zurückzuführen. Gewöhnlich lässt sich dieser Verlust nicht durch eine Wartung oder Reinigung des Verdichters beheben; vielmehr basiert die Lösung auf dem Austausch betroffener Teile in empfohlenen Untersuchungsintervallen. Die Ausgangsleistung kann zwar durch eine Steigerung des Grades der Turboladung mittels des Gebläses 30 aufrecht erhalten werden, was allerdings aufgrund der parasitären Last für den Antrieb des Gebläse 30 mit Kostenaufwand verbunden ist. Die oberste Kurve (durchgezogene Doppellinie) veranschaulicht den typischen Ausgangsleistungsverlust eines herkömmlichen Kombinationszyklussystems. Die zweite Kurve (gestrichelte Doppellinie) veranschaulicht den erwarteten Ausgangsleistungsverlust im Falle periodischer Untersuchungen und Routinewartungen. Die untere Kurve (gestrichelte Dreifachlinie) zeigt, dass der Ausgangsleistungsverlust eines SCCAB-Systems 11 bei nahezu 0 % gehalten werden kann. Desgleichen kann der Verschlechterung des Wärmeverbrauchs eines herkömmlichen Kombinationszyklussystems (einzelne fette Kurve) mittels eines SCCAB-Systems 11 wesentlich abgeholfen werden.
5 veranschaulicht ein Verfahren zum Steuern der Dampfausgabe eines SCCAB-Systems 11 (Verfahren 60). Zu Beginn kann das Verfahren 60 in Schritt 61 den aktuellen Zustand ermitteln. In Schritt 63 kann das Verfahren 60 zudem die gewünschte Ausgangsleistung und den gewünschten Dampfstrom ermitteln. In Schritt 65 kann das Verfahren 60 die erforderliche Steigerung des Luftstroms zu dem Verdichtereinlass 16 und zu dem HRSG-Einlass 24 ermitteln. In Schritt 67 kann das Verfahren 60 anschließend den in den Verdichtereinlass 16 eintretenden Luftstrom einstellen, und in Schritt 69 den in den HRSG-Einlass 24 eintretenden zusammengeführten Abgas- und Luftstrom einstellen, um die gewünschte Dampfausgabe hervorzubringen.
6 veranschaulicht eine erweiterte Betriebshüllkurve, die verfügbar ist, um einen konstanten Dampfstrom aufrecht zu erhalten. An der vertikalen Achse ist die Ausgangsleistung in MW abgetragen, und an den horizontalen Achsen ist der Dampfmassendurchsatz abgetragen. Der innere Bereich (helle vertikale Querschraffierung) zeigt die Hüllkurve eines herkömmlichen Kombinationszyklussystems. Die Hüllkurve eines SCCAB-Systems 11 ist in diagonaler Querschraffur gezeigt, und ein größerer Bereich veranschaulicht die Leistung eines SCCAB-Systems 11, das mit einer sekundären Zündung in dem HRSG 23 kombiniert ist.
7 veranschaulicht grafisch die verbesserte Betriebsleistung eines SCCAB-Systems 11 bei einer speziellen Umgebungstemperatur im Vergleich zu herkömmlichen Kombinationszyklussystemen bei minimalen Lasten und bei Grundlasten. An der horizontalen Achse ist die Ausgangsleistung in MW abgetragen, und an der vertikalen Achse ist der Wärmeverbrauch (die anhand des Brennstoffs erzeugte Wärmeenergie (BTU), die erforderlich ist, um eine kWh elektrischer Energie zu erzeugen) abgetragen. Das Diagramm veranschaulicht den verbesserten Wirkungsgrad, der durch das SCCAB-System 11 ermöglicht wird.
8 zeigt schematisch ein Kombinationszyklussystem 111 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Kombinationszyklussystem 111 enthält ein Gasturbinensubsystem 113, das wiederum einen Verdichter 115 mit einem Verdichtereinlass 116, eine Brennkammeranordnung 117 und eine Turbine 119 aufweist. Ein Abgaskanal 121 kann mit dem Gasturbinensubsystem 113 und mit einem Wärmerückgewinnungsdampferzeuger-Subsystem (HRSG 123) verbunden sein. Der HRSG 123 gewinnt Wärme aus Abgasen des Gasturbinensubsystems 113 zurück, die durch einen HRSG-Einlass 124 geleitet werden, um Dampf zu erzeugen. Ein Teil des Dampfes und des von dem HRSG 123 stammenden Abgases kann genutzt werden, um eine Dampfturbine 126 anzutreiben und zusätzliche Leistung bereitstellen, oder kann in den Schornstein 127 abgeführt werden. Ein Teil des Dampfs aus dem HRSG 123 kann durch das Prozessdampfauslassverteilerrohr 128 befördert werden, um in anderen Prozessen genutzt zu werden.
Weiter enthält das Kombinationszyklussystem 111 ein Druckgebläse 130, das genutzt wird, um einen Überdruck zu erzeugen, der Luft in den Verdichter 115 drückt. Das Druckgebläse 130 kann ein nicht verstellbares oder verstellbares Flügelgebläse sein. Das Druckgebläse 130 kann durch einen Primärantrieb 131 angetrieben sein. Das Gebläse 130 stellt über eine Kanalanordnung 132 eine steuerbare Luftstromquelle bereit und kann genutzt werden, um den Luftmassendurchsatz in das Gasturbinensubsystem 113 zu steigern. Die Luftmenge, die in das Gasturbinensubsystem 113 strömt, wird durch den Primärantrieb 131 gesteuert.
Das Kombinationszyklussystem 111 kann zudem ein Einlassgehäuse 141 und ein Kühlsystem 143 enthalten. Das Einlassgehäuse 141 und das Kühlsystem 143 kühlen und filtern die in das Gasturbinensubsystem 113 eintretende Luft, um die Leistung zu steigern und den Verdichter vor Schaden zu bewahren. In einigen Ausführungsbeispielen kann das Einlassgehäuse 141 und das Kühlsystem 143 kombiniert sein und stromabwärts des Gebläses 130 angeordnet sein.
Das Kombinationszyklussystem 111 kann zudem einen Bypass 133 (der eine externe Verrohrung beinhalten kann) aufweisen, der einen Teil des Luftstroms von dem Gebläse 130 in den Abgaskanal 121 verzweigt. Der Bypass 133 kann mit einem Strömungssensor 139 und einem Bypassklappenventil 137 ausgestattet sein, um den Luftstrom durch den Bypass 133 zu steuern. Der Luftstrom aus dem Bypass wird zu dem Abgaskanal 121 befördert, wo die Temperatur des in den HRSG 123 eintretenden zusammengeführten Luft- und Abgasstroms moduliert werden kann.
Das Kombinationszyklussystem 111 kann zudem einen Antriebsbypass 145 enthalten, der mit dem Primärantrieb 131 verbunden ist. Der Antriebsbypass 145 ist mit einem Antriebsklappenventil 146 und einem Antriebssystemsensor 147 versehen. Der Primärantrieb 131 kann außerdem mit einem sekundären Kanal 148 versehen sein, der ein sekundäres Klappenventil 149 und einen sekundären Sensor 150 enthält. Der Primärantrieb ist über einen Kanal 151 mit dem Gebläse 130 verbunden. In einigen Ausführungsbeispielen kann das Abgas des Primärantriebs 131 über einen Antriebsabgaskanal 155 dem HRSG 23 zugeführt werden.
Im Betrieb treibt der Primärantrieb 131 das Druckgebläse 130 an, um einen Luftstrom mit einem vorbestimmten Massendurchsatz zu erzeugen. Der Luftstrom kann das durch Kühlsystem 143 gekühlt werden. Der Luftstrom kann in eine erste Massendurchsatzmenge, die dem Verdichtereinlass 116 zugeführt wird, in eine zweite Massendurchsatzmenge, die dem Abgaskanal 121 zugeführt wird, und in manchen Fällen in eine dritte Massendurchsatzmenge aufgeteilt sein, die dem Primärantrieb 131 zugeführt wird. Die Steuerung der ersten Massendurchsatzmenge, der zweiten Massendurchsatzmenge und der dritten Massendurchsatzmenge wird durch die Steuerungselemente des Bypassklappenventils 137, des Antriebsklappenventils 146 und des sekundären Klappenventils 149 durchgeführt. Durch die Steuerung der ersten Massendurchsatzmenge, der zweiten Massendurchsatzmenge und der dritten Massendurchsatzmenge verfügt der Anwender über eine effizientere Steuerung der Betriebshüllkurve des Kombinationszyklussystems 111.
9 veranschaulicht das Steuerungssystem 161, das genutzt wird, um das Bypassklappenventil 137, das Antriebsklappenventil 146 und das sekundäre Klappenventil 149 zu steuern. Das Steuerungssystem 161 nimmt von dem Strömungssensor 139, von dem Antriebssystemsensor 147 und von dem sekundären Sensor 150 erfasste Werte auf. Das Steuerungssystem 161 kann ein herkömmliches Gasturbinensteuerungssystem SpeedtronicTM Mark VI von General Electric sein. Die SpeedTronic-Steuereinrichtung überwacht vielfältige Sensoren und sonstige Instrumente, die einer Gasturbine zugeordnet sind. Zusätzlich zu der Steuerung gewisser Turbinenfunktionen, z.B. der Brennstoffzustromrate, erzeugt die SpeedTronic-Steuereinrichtung anhand ihrer Turbinensensoren Daten und zeigt die betreffenden Daten der Turbinenbedienperson auf einem Display an. Die Daten können unter Verwendung von Software angezeigt werden, die Datendiagramme und sonstige Anzeigen von Daten erzeugt, z.B. das Softwareprodukt CimplicityTM HMI von General Electric.
Das Gasturbinensteuerungssystem SpeedtronicTM Mark VI ist ein Computersystem, das Mikroprozessoren enthält, die Programme ausführen, um den Betrieb der Gasturbine mittels Sensoreingaben und Befehlen von Bedienpersonen zu. Das Steuerungssystem enthält Logikeinheiten, z.B. Abtast- und Halte-, Additions- und Subtraktionseinheiten, die in Form von Software oder durch verdrahtete Logikschaltungen verwirklicht sein können. Die durch die Steuerungssystemprozessoren erzeugten Befehle veranlassen, dass Aktuatoren an der Gasturbine beispielsweise das Brennstoffsteuerungssystem einstellen, das der Brennkammer Brennstoff zuführt, die Einlassleitschaufeln zu dem Verdichter einstellen und sonstige Regulierungsvorgabewerte an der Gasturbine einstellen.
10 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Primärantrieb 131 eine Gasturbine 159 ist. Die Gasturbine 159 bietet gegenüber einem Primärantrieb 131 anderer Bauart gewisse Vorteile. Zu diese Vorteilen gehören größere Zuverlässigkeit, insbesondere in Anwendungen, bei denen eine dauerhafte hohe Ausgangsleistung und hohe Wirkungsgrade bei hohen Lasten vorausgesetzt sind. Die Nachteile der Verwendung einer Gasturbine 159 als Primärantrieb 131 sind ihr geringerer Wirkungsgrad im Vergleich zu Hubkolbenmaschinen bei Teillasten und ihre höheren Kosten. Im Betrieb nimmt die Gasturbine 159 turbogeladene und gekühlte Luft durch den Antriebsbypass 145 auf, und ihr Abgas kann dem HRSG 123 durch den Antriebsabgaskanal 155 zugeführt werden, um den besten Wirkungsgrad und die größte Flexibilität für den Zyklus zu erreichen. Dies ermöglicht einen ausgezeichneten Wirkungsgrad bei Volllast und bei Teillast und eine hohe Flexibilität im Betrieb. Das durch die Gasturbine 159 angetriebene Gebläse 130 verhindert ein Nachlassen der Ausgangsleistung im Laufe der Zeit, indem für den Ausgleich des Ausgangsleistungsverlusts eine Verringerung des Wirkungsgrads in Kauf genommen wird. Das durch die Gasturbine 159 angetriebene Gebläse 130 ermöglicht dem Anwender, die Hüllkurve des Verhältnisses von Leistungserzeugung zu Dampferzeugung zu erweitern. Außerdem steigert das durch die Gasturbine 159 angetriebene Druckgebläse 130 die Nettoenergieausbeute und verbessert den Wirkungsgrad des Gasturbinensubsystems 113 und des Kombinationszyklussystems 111. Durch Erweitern der Betriebshüllkurve kann der Anwender die sich auf den Kapitalaufwand und die Betriebskosten nachteilig auswirkende Erfordernis eines Zuschaltens einer Einheit zu einem mehrere Einheiten aufweisenden Kraftwerksblock im Falle des Auftretens eines partiellen Ausgangsleistungsdefizits vermeiden. Der Einsatz einer Gasturbine 159 ist mit dem Nachteil hoher Investitions- und Wartungskosten verbunden. Bei feststehender Turboladung stellt die Gasturbine 159 ein Subsystem mittlerer Komplexität mit hohem Zykluswirkungsgrad und sehr hoher Spitzenausgangsleistung bereit.
11 veranschaulicht noch ein Ausführungsbeispiel, bei dem eine aus der Luftfahrt abgeleitete Gasturbine 171 als Primärantrieb 131 verwendet wird. Eine aus der Luftfahrt abgeleitete Gasturbine 171 ist eine Gasturbine, die von einer Luftfahrtturbine abgeleitet ist. Die Entscheidung, aus der Luftfahrt abgeleitete Gasturbinen 171 zu verwenden, begründet sich hauptsächlich auf wirtschaftlichen und betriebsmäßigen Vorteilen. Diese Turbinen sind verhältnismäßig leicht und bieten eine hohe Leistung und eine hohen Wirkungsgrad. Eine aus der Luftfahrt abgeleitete Gasturbine 171 erlaubt eine effiziente Steuerung des Drehmoments in Verbindung mit der Möglichkeit einer integrierten Steuerung. Allgemeine Vorteile der Wirtschaftlichkeit oder des Betriebs der aus der Luftfahrt abgeleiteten Gasturbine 171 im Vergleich zu herkömmlichen schweren Gasturbinentriebwerken basieren auf einer Steigerung des Wirkungsgrads um 10 bis 15 %. Eine aus der Luftfahrt abgeleitete Gasturbine 171 erlaubt ein sanftes kontrolliertes Hochfahren. Die aus der Luftfahrt abgeleitete Gasturbine 171 weist höhere Verfügbarkeit und Betriebszuverlässigkeit auf und ihr großer Lastbereich erlaubt eine kostengünstige Optimierung der Leistungssteuerung. Eine aus der Luftfahrt abgeleitete Gasturbine 171 weist gegenüber einem herkömmlichen schweren Gasturbinentriebwerk außerdem den Vorteil auf, dass sie sich rasch herunterfahren und hochfahren lässt, und dass Lastwechsel effizienter zu bewältigen sind. Eine aus der Luftfahrt abgeleitete Gasturbine 171 bietet einen hohen Zykluswirkungsgrad und eine sehr hohe Spitzenausgangsleistung bei feststehender Turboladung. Die Vorteile der aus der Luftfahrt abgeleiteten Gasturbine 171 für diese Anwendung sind mit einigen Nachteilen abzuwägen, zu denen hoher Kapitalaufwand und sehr hohe Wartungskosten gehören.
12 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel, wobei eine Dampfturbine 173 als Primärantrieb 131 verwendet wird. Eine Dampfturbine ist eine Vorrichtung, die verdichtetem Dampf thermische Energie entzieht und sie nutzt, um an einer rotierenden Antriebswelle mechanische Arbeit zu verrichten. Die Verwendung einer Dampfturbine 173 weist den Vorteil auf, ganz unterschiedliche Brennstoffen für den Antrieb der Dampfturbine 173 nutzen zu können. In Vergleich zu anderen Kraftmaschinen sind Kapitalaufwand, Wartungskosten, Zykluswirkungsgrad und Spitzenausgangsleistung der Dampfturbine bei feststehender Turboladung durchschnittlich. Die Subsystemkomplexität der Dampfturbine 173 ist ebenfalls hoch.
Allerdings weist die Dampfturbine 173 den Nachteil der Erfordernis eines Dampfkessels und weiterer Ausrüstung sowie eines höheren Preis-Leistungs-Verhältnisses auf. Das Lastwechselverhalten einer Dampfturbine 173 ist träge, was bedeutet, dass sich die Dampfturbine 173, nachdem sie einmal hochgefahren ist, nicht rasch anhalten lässt. Um ihre Drehzahl zu verringern, ist eine spezifische Zeitspanne erforderlich. Weiter ist die Teillastleistung einer Dampfturbine 173 dürftig.
13 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem ein Induktionsmotor 175 als Primärantrieb 131 verwendet wird. Ein Induktionsmotor 175 ist ein Wechselstrommotor, bei dem die Leistung dem Rotor mittels elektromagnetischer Induktion zugeführt wird, und nicht wie in anderen Bauarten von Elektromotoren über einen Kommutator oder über Schleifringe. Der Induktionsmotor 175 bietet die Vorteile der Robustheit, der einfachen Steuerung und niedriger Kapital- und Wartungskosten. Der Induktionsmotor 175 weist außerdem den Vorteil auf, ein Subsystem einfacher Bauart bereitzustellen. Ein weiterer Vorteil eines Induktionsmotors 175 ist, dass sich die Drehmomentausgabe steuern und die Energieausbeute des Induktionsmotors 175 modulieren lässt. Der Induktionsmotor 175 hat den Nachteil eines geringen Zykluswirkungsgrads und niedriger Spitzenausgangsleistung bei feststehender Turboladung.
14 veranschaulicht noch ein Ausführungsbeispiel, wobei eine Hubkolbenmaschine 177 als Primärantrieb 131 verwendet wird. Die häufig auch als Kolbenmotor bezeichnete Hubkolbenmaschine 177 ist eine Wärmekraftmaschine, beispielsweise ein Dieselmotor, der einen oder mehrere sich hin- und herbewegende Kolben verwendet, um Druck in eine rotierende Bewegung umzuwandeln. Der Einsatz einer Hubkolbenmaschine 177 für den Antrieb des Gebläses 130 hat den Vorteil hoher Wirkungsgrade im Teillastbetrieb und hoher Zykluswirkungsgrade. Mittels einer Hubkolbenmaschine 177 ist die Spitzenausgangsleistung bei feststehender Turboladung sehr hoch. Darüber hinaus lässt sich eine Hubkolbenmaschine 177 in kurzer Zeit auf Volllast hochfahren. Der Kapitalaufwand und die Wartungskosten einer Hubkolbenmaschine sind durchschnittlich. Die Komplexität des Subsystems ist im Vergleich zu anderen Kraftmaschinen durchschnittlich.
15 zeigt ein weiters Ausführungsbeispiel, wobei ein Frequenzumrichtertantrieb (VFD 179) als Primärantrieb 131 verwendet wird. Der VFD 179 ist ein Antrieb, der die Drehzahl eines Elektromotors durch Steuerung der Frequenz des dem Motor zugeführten elektrischen Stroms steuert. Der VFD 179 weist eine Reihe von Vorteilen auf, beispielsweise geringe Komplexität des Subsystems und niedrige Wartungskosten sowie Energieeinsparungen aufgrund des Betriebs mit geringeren Drehzahlen als den nominalen. Die Investitionskosten des VFD 179 sind im Vergleich zu anderen Kraftmaschinen durchschnittlich, und sein Zykluswirkungsgrad ist ebenfalls durchschnittlich. Ein weiterer Vorteil ist, dass sich der VFD 179 allmählich auf Touren bringen lässt, was die Belastung der Ausrüstung vermindert. Ein Nachteil ist die unterdurchschnittliche Spitzenausgangsleistung bei feststehender Turboladung.
Die Vorteile und Nachteile der unterschiedlichen Primärantriebe 131 sind in der Tabelle in 16 zusammengefasst.
17 veranschaulicht die Beziehung zwischen der Ausgangsleistung und einer Änderung der Zündtemperatur ("T-Zünd") für eine Gasturbine, die nicht turbogeladen (nominal) ist, und für eine Gasturbine, die um 10 % turbogeladen ist. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, dass sich mittels Turboladung für eine vorgegebene Ausgangsleistung ein geringeres T-Zünd erzielen lässt. Die Differenz ist am deutlichsten bei Spitzenlasten, bei denen die Änderung von T-Zünd unter nominalem Betriebszuständen positiv ist (d.h. T-Zünd nimmt im Vergleich zu T-Zünd bei Grundlast zu). Jedoch bleibt die Änderung von T-Zünd unter turbogeladenen Bedingungen negativ.
18 zeigt die Wirkung der Turboladung auf den Wartungsfaktor. Auch hier ist der Wartungsfaktor im Falle der Turboladung bei Spitzenlasten im Vergleich zu dem Wartungsfaktor des nominalen Falls erheblich geringer.
19 veranschaulicht den Einfluss der Turboladung auf T-Zünd, auf den Wärmeverbrauch und auf die Ausgangsleistung bei Spitzenlast. Anhand der Delta-T-Zünd-Kurve lässt sich feststellen, dass durch Turboladung eine wesentliche negative Änderung von T-Zünd ohne jede Auswirkung auf die Ausgangsleistung erzielt werden kann. 20–22 veranschaulichen die Wirkung der Turboladung auf T-Zünd, auf den Wärmeverbrauch und auf die Ausgangsleistung bei Grundlast, bei 90-% Last bzw. bei 80 % Last. Die Diagramme veranschaulichen die Wirkung der Turboladung auf Delta-T-Zünd, wobei tatsächlich ersichtlich ist, dass Turboladung in der Lage ist, T-Zünd bei unterschiedlichen Lasten zu verringern, ohne die Ausgangsleistung wesentlich zu beeinflussen.
23 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren 200 zur Verlängerung der Nutzungsdauer von Heißgaspfadteilen eines Gasturbinensystems, das Turboladung nutzt.
In Schritt 210 ermittelt das Verfahren 200 eine gewünschte Last.
In Schritt 220 ermittelt das Verfahren 200 ein nominales T-Zünd für die gewünschte Last.
In Schritt 230 ermittelt das Verfahren 200 eine verfügbare Verringerung von T-Zünd mittels Turboladung für die gewünschte Last.
In Schritt 240 ermittelt das Verfahren 200 eine gewünschte Verringerung von T-Zünd.
In Schritt 250 berechnet das Verfahren 200 den turbogeladenen Massendurchsatz, der erforderlich ist, um die Verringerung von T-Zünd zu erreichen.
In Schritt 260 steigert das Verfahren 200 die Last bis zu der gewünschten Last.
In Schritt 270 stellt das Verfahren 200 den turbogeladenen Massendurchsatz bereit, der erforderlich ist, um die Verringerung von T-Zünd zu erreichen.
Falls das Gasturbinensystem einen HRSG enthält, kann das Verfahren 200 einen Schritt 280 durchführen, um eine nominale HRSG-Einlasstemperatur zu ermitteln.
In Schritt 290 kann das Verfahren 200 die mittels Turboladung verfügbare Reduzierung der HRSG-Einlasstemperatur ermitteln.
In Schritt 300 kann das Verfahren 200 die gewünschte Verringerung der Dampfturbineneinlasstemperatur ermitteln, um eine gewünschte HRSG-Einlasstemperatur zu erreichen. Das Verfahren 200 fährt fort mit Schritt 242, um die gewünschte Reduzierung von T-Zünd zu ermitteln. Durch Verringerung der T-Zünd und der HRSG-Einlasstemperatur kann ein Anwender den Wartungsfaktor von Heißgaspfadkomponenten der Gasturbine und von Heißgaspfadkomponenten der Dampfturbine, die mit dem HRSG verbunden ist, verringern.
24 zeigt in einem Flussdiagramm ein Verfahren 400 zur Reduzierung eines Wartungsfaktors in einem Turbinensystem.
In Schritt 410 ermittelt das Verfahren 400 eine gewünschte Last.
In Schritt 420 ermittelt das Verfahren 400 einen nominalen Wartungsfaktor für die gewünschte Last.
In Schritt 430 ermittelt das Verfahren 400 die mittels Turboladung verfügbare Verringerung des Wartungsfaktors für die gewünschte Last.
In Schritt 440 ermittelt das Verfahren 400 den gewünschten Wartungsfaktor.
In Schritt 450 berechnet das Verfahren 400 den turbogeladenen Massendurchsatz, der erforderlich ist, um den gewünschten Wartungsfaktor zu erreichen.
In Schritt 460 steigert das Verfahren 400 die Turboladung bis zu dem gewünschten Ladedruck und Massendurchsatz.
In Schritt 470 stellt das Verfahren 400 den Turboladungsmassendurchsatz bereit, um den gewünschten Wartungsfaktor für den Brennkammerauslass zu erreichen.
In Schritt 480 wird das Gasturbinensystem an die gewünschte Last und an den gewünschten Wartungsfaktor angepasst.
25 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 500 zum Betrieb eines Kombinationszyklussystems, das eine Gasturbine und einen HRSG enthält.
In Schritt 510 ermittelt das Verfahren 500 eine gewünschte Ausgangsleistung.
In Schritt 520 ermittelt das Verfahren 500 das nominale T-Zünd für die gewünschte Ausgangsleistung.
In Schritt 530 ermittelt das Verfahren 500 die nominale HRSG-Einlasstemperatur für die gewünschte Ausgangsleistung.
In Schritt 540 ermittelt das Verfahren 500 die T-Zünd-Reduzierung, die mittels Turboladung verfügbar ist.
In Schritt 550 ermittelt das Verfahren 500 die mittels Turboladung erzielbare Dampfturbineneinlasstemperatur.
In Schritt 560 ermittelt das Verfahren 500 das gewünschte T-Zünd.
In Schritt 570 ermittelt das Verfahren 500 die gewünschte HRSG-Einlasstemperatur.
In Schritt 580 berechnet das Verfahren 500 den turbogeladenen Massendurchsatz, der erforderlich ist, um die Verringerung von T-Zünd zu erreichen.
In Schritt 590 berechnet das Verfahren 500 den turbogeladenen Massendurchsatz (den zweiten turbogeladene Massendurchsatz, der bei einer vorbestimmten Temperatur bereitgestellt ist), der erforderlich ist, um die gewünschte HRSG-Einlasstemperatur zu erreichen.
In Schritt 600 erhöht das Verfahren 500 den Turboladungsgrad, um den Ladedruck und den Massendurchsatz bis zu dem erforderlichen Pegel zu steigern.
In Schritt 610 stellt das Verfahren 500 die gewünschte Last, den gewünschten Gasturbinenwartungsfaktor und die HRSG-Einlasstemperatur bereit.
26 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren 700 zur Leistungssteigerung eines Kombinationszyklussystems, das eine Gasturbine und einen HRSG enthält.
In Schritt 710 ermittelt das Verfahren 700 die gewünschte Last.
In Schritt 720 ermittelt das Verfahren 700 die aktuelle Last.
In Schritt 730 ermittelt das Verfahren 700, ob die aktuelle Last gleich der gewünschten Last ist. Falls die aktuelle Last gleich der gewünschten Last ist, endet das Verfahren (Schritt 740). Falls die aktuelle Last ungleich der gewünschten Last ist, fährt das Verfahren mit Schritt 750 fort.
In Schritt 750 ermittelt das Verfahren 700 eine inkrementelle Zunahme der Last.
In Schritt 760 ermittelt das Verfahren 700 ein gewünschtes T-Zünd. Das gewünschte T-Zünd kann ermittelt werden, indem das nominale T-Zünd der Gasturbine für die aktuelle Last plus der inkrementellen Lastzunahme ermittelt wird (Schritt 770).
In Schritt 780 kann das Verfahren 700 die mittels Turboladung verfügbare T-Zünd-Reduzierung ermitteln.
In Schritt 790 kann das Verfahren 700 den Massendurchsatz berechnen, der der Gasturbine durch den Turbolader bereitzustellen ist, um das gewünschte T-Zünd zu erreichen.
In Schritt 800 erhöht das Verfahren 700 die Last um die inkrementelle Lastzunahme.
Falls das System einen HRSG enthält, kann das Verfahren 700 in Schritt 810 eine gewünschte HRSG-Einlasstemperatur ermitteln.
In Schritt 820 kann das Verfahren 700 den Massendurchsatz berechnen, der dem HRSG durch den Turbolader bereitzustellen ist, um die gewünschte HRSG-Einlasstemperatur zu erreichen.
In Schritt 830 kann das Verfahren 700 dem HRSG den HRSG-Turboladungsmassendurchsatz (sekundären turbogeladenen Massendurchsatz, der durch das Bypassklappenventil 137 geregelt/gesteuert ist) bereitstellen.
In Schritt 840 kann das Verfahren 700 den turbogeladenen Massendurchsatz für die Gasturbine bereitstellen und Schritt 720 wiederholen, um die aktuelle Last zu ermitteln, und Schritt 730 wiederholen, um zu ermitteln, ob die aktuelle Last gleich der gewünschten Last ist.
In der vorausgehenden detaillierten Beschreibung sind unterschiedliche Ausführungsbeispiele der Systeme und/oder Verfahren anhand von Blockschaltbildern, Flussdiagrammen und/oder Beispielen erläutert. Insofern als derartige Blockschaltbilder, Flussdiagramme und/oder Beispiele eine oder mehrere Funktionen und/oder Schritte enthalten, wird dem Fachmann einleuchten, dass jede Funktion und/oder jeder Schritt in derartigen Blockschaltbildern, Flussdiagrammen, oder Beispielen einzeln und/oder gemeinsam durch ganz unterschiedliche Hardware verwirklicht werden kann. Weiter wird einleuchten, dass Verfahrensschritte im Vorliegenden in Flussdiagrammen und/oder Beispielen in einer speziellen Reihenfolge unterbreitet sein können, jedoch nicht unbedingt darauf beschränkt sind, in der vorgeschlagen Reihenfolge ausgeführt zu werden. Beispielsweise können Schritte gleichzeitig oder in einer anderen Reihenfolge als der hier vorgeschlagenen ausgeführt werden, und solche Variationen werden dem Fachmann in Anbetracht dieser Beschreibung einleuchten.
Die vorliegende Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung einschließlich des besten Modus zu beschreiben und um außerdem jedem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung in die Praxis umzusetzen, beispielsweise beliebige Vorrichtungen und Systeme herzustellen und zu nutzen, und beliebige damit verbundene Verfahren durchzuführen. Der patentfähige Schutzumfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann andere dem Fachmann in den Sinn kommende Beispiele umfassen. Solche anderen Beispiele sollen in den Schutzumfang der Ansprüche fallen, falls sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich von dem wörtlichen Inhalt der Ansprüche nicht unterscheiden, oder falls sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden gegenüber dem wörtlichen Inhalt der Ansprüche enthalten.
Ein System und Verfahren zum Turboladen eines Kombinationszyklussystems enthält ein Druckgebläse, das einen variablen Luftstrom liefert. Mindestens ein erster Teil des Luftstroms wird zu einem Verdichter gelenkt, und ein zweiter Teil des Luftstroms wird zu einem Wärmerückgewinnungsdampferzeuger abgezweigt. Ein Steuerungssystem steuert die Luftströme, die dem Verdichter und dem Wärmerückgewinnungsdampferzeuger bereitgestellt sind. Das System gestattet den Betrieb eines Kombinationszyklussystems bei einem gewünschten Betriebszustand, wobei der Zykluswirkungsgrad und die Komponentenlebensdauer durch eine Steuerung des Luftstroms von dem Gebläse zu dem Verdichter und zu dem Wärmerückgewinnungsdampferzeuger ausgeglichen werden.
Bezugszeichenliste

11: SCCAB-System (25)
13: Gasturbinensubsystem (3)
15: Verdichter (4)
16: Verdichtereinlass (6)
17: Brennkammeranordnung
19: Turbine (3)
21: Abgaskanal (4)
23: HRSG (11)
24: HRSG-Einlass (5)
25: sekundärer Brenner (2)
26: Dampfturbine (2)
27: Schornstein
28: Prozessdampfauslassverteilerrohr
29: Kühlsystem (2)
30: Druckgebläse (14)
31: Primärantrieb (3)
32: Kanalanordnung
33: Bypass (5)
35: Strömungssensor (2)
37: Klappenventil (2)
39: Steuerungssystem (2)
41: Einlassgehäuse
43: Kühlsystem (2)
50: Verfahren (6)
51: Schritt
53: Schritt
55: Schritt
57: Schritt
59: Schritt
60: Verfahren (5)
61: Schritt
63: Schritt
65: Schritt
67: Schritt
69: Schritt
90: Grundlast
111: Kombinationszyklussystem (8)
113: Gasturbinensubsystem (7)
115: Verdichter (2)
116: Verdichtereinlass (2)
117: Brennkammeranordnung
119: Turbine
121: Abgaskanal (4)
123: HRSG (6)
124: HRSG-Einlass
126: Dampfturbine
127: Schornstein
128: Prozessdampfauslassverteilerrohr
130: Druckgebläse (12)
131: Primärantrieb (15)
132: Kanalanordnung
133: Bypass (3)
137: Bypassklappenventil (2)
139: Strömungssensor (2)
141: Einlassgehäuse (3)
143: Kühlsystem (4)
145: Antriebsbypass (3)
146: Antriebsklappenventil (3)
147: Antriebssystemsensor (2)
148: sekundärer Kanal
149: sekundäres Klappenventil (3)
150: sekundärer Sensor (2)
151: Kanal
155: Antriebsabgaskanal (2)
159: Gasturbine (9)
161: Steuerungssystem (3)
171: aus der Luftfahrt abgeleitete Gasturbine (10)
173: Dampfturbine (8)
175: Induktionsmotor (7)
177: Hubkolbenmaschine (5)
179: VFD (5)
200: Verfahren (12)
210: Schritt
220: Schritt
230: Schritt
240: Schritt
242: Schritt
250: Schritt
260: Schritt
270: Schritt
280: Schritt
290: Schritt
300: Schritt
400: Verfahren (8)
410: Schritt
420: Schritt
430: Schritt
440: Schritt
450: Schritt
460: Schritt
470: Schritt
480: Schritt
500: Verfahren (12)
510: Schritt
520: Schritt
530: Schritt
540: Schritt
550: Schritt
560: Schritt
570: Schritt
580: Schritt
590: Schritt
600: Schritt
610: Schritt
700: Verfahren (13)
710: Schritt
720: Wiederholungsschritt
720: Schritt
730: Schritt (2)
740: Schritt
750: Schritt (2)
760: Schritt
770: Schritt
780: Schritt
790: Schritt
800: Schritt
810: Schritt
820: Schritt
830: Schritt
840: Schritt

Claims

Verfahren zur Nutzungsdauerverlängerung von Heißgaspfadteilen in einem Turbinensystem, wobei zu dem Verfahren die Schritte gehören: Ermitteln einer gewünschten Last; Ermitteln einer nominalen Zündtemperatur für die gewünschte Last; Ermitteln einer Turboladungszündtemperatur für die gewünschte Last; Ermitteln einer ersten Massendurchsatzmenge von Luft, die für einen Verdichter in dem Turbinensystem bereitzustellen ist, um die Turboladungszündtemperatur für die gewünschte Last zu erreichen; Bereitstellen eines Luftstroms; und Befördern der ersten Massendurchsatzmenge von Luft in den Verdichter.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bereitstellen eines Luftstroms das Bereitstellen eines Luftstroms mittels eines Gebläses aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, zu dem ferner die Schritte gehören: Ermitteln einer gewünschten Wärmerückgewinnungsdampferzeuger-(HRSG)-Einlasstemperatur; Ermitteln einer zweiten Massendurchsatzmenge von Luft, die einem Wärmerückgewinnungsdampferzeuger bereitzustellen ist, um die gewünschte Wärmerückgewinnungsdampferzeugereinlasstemperatur zu erreichen; und Befördern der zweiten Massendurchsatzmenge von Luft zu dem Wärmerückgewinnungsdampferzeuger.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Befördern der zweiten Massendurchsatzmenge von Luft zu dem Wärmerückgewinnungsdampferzeuger zusätzlich die Schritte beinhaltet: Befördern einer zweiten Massendurchsatzmenge von Luft bei einer vorbestimmten Temperatur, und Modulieren einer Wärmerückgewinnungsdampferzeugereinlasstemperatur.
Verfahren nach Anspruch 1, zu dem ferner der Schritt des Kühlens der ersten Massendurchsatzmenge von Luft gehört.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Befördern der zweiten Massendurchsatzmenge von Luft ein Befördern der zweiten Massendurchsatzmenge von Luft durch einen Bypass beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 6, ferner mit dem Schritt des Steuerns der zweiten Massendurchsatzmenge von Luft mittels eines Ventils, das mit dem Bypass verbunden ist.
Verfahren zur Nutzungsdauerverlängerung von Heißgaspfadteilen in einem Turbinensystem, mit den Schritten: Ermitteln einer gewünschten Last; Ermitteln eines gewünschten Wartungsfaktors; Ermitteln eines Turboladungsgrades, der erforderlich ist, um den gewünschten Wartungsfaktor für die gewünschte Last zu erreichen; Ermitteln einer ersten Massendurchsatzmenge von Luft, die für einen Verdichter bereitzustellen ist, um den Turboladungsgrad zu erreichen; Ermitteln einer zweiten Massendurchsatzmenge von Luft, die einem Wärmerückgewinnungsdampferzeuger bereitzustellen ist; Bereitstellen eines Luftstroms; Befördern der ersten Massendurchsatzmenge von Luft in den Verdichter; und Befördern der zweiten Massendurchsatzmenge von Luft zu dem Wärmerückgewinnungsdampferzeuger.
Verfahren nach Anspruch 8, zu dem außerdem der Schritt gehört: Ermitteln einer gewünschten Wärmerückgewinnungsdampferzeuger-(HRSG)-Einlasstemperatur; wobei das Ermitteln einer zweiten Massendurchsatzmenge von Luft, die einem Wärmerückgewinnungsdampferzeuger bereitzustellen ist, den Schritt des Ermittelns einer zweiten Massendurchsatzmenge von Luft beinhaltet, die einem Wärmerückgewinnungsdampferzeuger bereitzustellen ist, um die gewünschte Wärmerückgewinnungsdampferzeugereinlasstemperatur zu erreichen.
Verfahren zur Leistungssteigerung eines Kombinationszyklussystems, das eine Gasturbine und einen Wärmerückgewinnungsdampferzeuger enthält, mit den Schritten: Ermitteln einer gewünschten Last; Ermitteln einer aktuellen Last; Ermitteln, ob die gewünschte Last die aktuelle Last überschreitet; Ermitteln einer inkrementellen Lastzunahme; Ermitteln einer gewünschten Zündtemperatur für die aktuelle Last plus der inkrementellen Lastzunahme; Berechnen eines ersten turbogeladenen Massendurchsatzes für die Gasturbine, um die gewünschte Zündtemperatur für die aktuelle Last plus der inkrementellen Lastzunahme zu erreichen; Steigern der aktuellen Last bis zur aktuellen Last plus der inkrementellen Lastzunahme; und Bereitstellen des ersten turbogeladenen Massendurchsatzes für die Gasturbine.