DE102014100480A1 - System for improving gas turbine output and hot gas path component life by using humid air for nozzle subcooling - Google Patents
System for improving gas turbine output and hot gas path component life by using humid air for nozzle subcooling Download PDFInfo
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Abstract
Ein System zur Verbesserung einer Gasturbinenausgangsleistung und zur Verlängerung der Lebensdauer von Heißgaspfadkomponenten enthält ein Subsystem zur Abschätzung einer dem Luftstrom hinzuzufügenden Wasser- oder Dampfmenge, um die Soll-Heißgaspfadtemperatur zu erreichen. Das System enthält eine Wasser- oder Dampfeinspritzkomponente, die zum Einspritzen der Wasser- oder Dampfmenge in den Luftstrom zum Erzeugen eines Feuchtluftstroms angepasst ist, um einen Feuchtluftstrom zu erzeugen, und ein Einspritzungssubsystem, das zum Einspritzen des Feuchtluftstroms in eine Düse an der Turbinenstufe angepasst ist, ist ebenfalls enthalten. Das System enthält einen an einer Turbinenstufe angeordneten Temperatursensor und ein Subsystem zum Ermitteln einer Soll-Heißgaspfadtemperatur an der Turbinenstufe. Eine Entnahmeleitung ist mit einer Verdichterstufe verbunden und zur Entnahme eines Luftstroms angepasst.A system for improving gas turbine output and extending the life of hot gas path components includes a subsystem for estimating a quantity of water or vapor to add to the air flow to achieve the desired hot gas path temperature. The system includes a water or vapor injection component adapted to inject the amount of water or vapor into the air stream to produce a wet air stream to produce a wet air stream and an injection subsystem adapted to inject the wet air stream into a nozzle on the turbine stage , is also included. The system includes a temperature sensor disposed at a turbine stage and a subsystem for determining a desired hot gas path temperature at the turbine stage. An extraction line is connected to a compressor stage and adapted to remove an air flow.
Description
VERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGENREFER TO RELATED APPLICATIONS
Diese Anmeldung ist eine Teilfortführung der U.S. Patentanmeldung Ser. Nr. 13/670, 504 mit dem Titel "SYSTEMS AND METHODS FOR ACTIVE COMPONENT LIFE MANAGEMENT FOR GAS TURBINE ENGINES", eingereicht am 7. Oktober 2012, welche hierin durch Verweis beinhaltet ist.This application is a sub-continuation of U.S. Pat. Patent Application Ser. No. 13/670, 504 entitled "SYSTEMS AND METHODS FOR ACTIVE COMPONENT LIFE MANAGEMENT FOR GAS TURBINE ENGINES", filed October 7, 2012, which is incorporated herein by reference.
TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA
Gegenstand der hier beschriebenen Erfindung sind allgemein Gasturbinen und insbesondere aktive Komponentenlebensdauer-Managementsysteme und -verfahren zur Bereitstellung von zusätzlicher Kühlung zum Ausgleich von Spitzen-, Niedrig- und Ultraniedrig-Lastbetriebsarten und anderer Arten von Betriebsparametern.The subject matter of the invention described herein is generally gas turbines, and more particularly, active component life management systems and methods for providing additional cooling to compensate for peak, low, and ultra-low load modes, and other types of operating parameters.
HINTERGRUNDBACKGROUND
Die Lebensdauer von Gasturbinenheißgaspfadteilen hat einen signifikanten Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit des Gesamtlebensdauerzyklus von Einfachzyklus- und Kombinationszyklus-Kraftwerken. Gasturbinen verwenden im Allgemeinen Zapfluft aus einer oder mehreren Stufen eines Verdichters, um eine Kühlung und/oder Abdichtung der Komponenten entlang des Heißgaspfades in der Turbine bereitzustellen. Luft kann aus dem Verdichter entnommen und außerhalb oder innerhalb den Stellen zugeführt werden, die eine Kühlung in der Turbine erfordern, was hierin als ein Turbinenkühlkreis definiert ist.The lifetime of gas turbine hot gas path parts has a significant impact on the economics of the overall life cycle of single cycle and combination cycle power plants. Gas turbines generally use bleed air from one or more stages of a compressor to provide cooling and / or sealing of the components along the hot gas path in the turbine. Air may be taken from the compressor and supplied outside or within the locations requiring cooling in the turbine, which is defined herein as a turbine cooling circuit.
Jede in dem Verdichter verdichtete und nicht zur Erzeugung von Verbrennungsgasen genutzte Luft verringert jedoch allgemein den Gesamtwirkungsgrad der Gasturbine. Andererseits können erhöhte Temperaturen in der Turbine einen Einfluss auf die Emissionspegel und die Lebensdauer der Komponenten haben, die entlang des Heißgaspfades und anderswo positioniert sind. Im Allgemeinen verringert ein Betrieb oberhalb der Grundlast die Lebensdauer der Heißgaspfadkomponenten, während ein Betrieb unterhalb der Grundlast die Komponentenlebensdauer im Allgemeinen verlängert.However, any air compressed in the compressor and not used to generate combustion gases generally reduces the overall efficiency of the gas turbine. On the other hand, elevated temperatures in the turbine may have an impact on the emission levels and life of the components positioned along the hot gas path and elsewhere. In general, operation above the base load reduces the life of the hot gas path components while operating below the base load generally extends the component life.
Eine Ausnahme zu dieser Beziehung kann man jedoch in Bezug auf die Düsen und Laufschaufeln der Stufen hinter der ersten Turbinenstufe finden. Die Einlassgastemperaturen hinterer Stufen können bei Spitzenfeuerung höher als bei Grundlast und noch höher bei längerer Absenkung oder sehr niedrigen Lasten und Feuerungstemperaturen sein. Gasturbinen sind typischerweise für einen Dauergrundlastbetrieb mit minimierten Kühlflüssen zu den Stufen ausgelegt, um den thermischen Wirkungsgrad zu maximieren. Diesbezüglich kann ein Niedriglastbetrieb für die Komponenten in den hinteren Stufen schädlich sein, während ein Spitzenlastbetrieb für die Komponenten in allen Stufen der Turbine schädlich sein kann.An exception to this relationship, however, can be found in relation to the nozzles and blades of the stages behind the first turbine stage. Backstage inlet gas temperatures may be higher at peak firing than at baseload and even higher at longer settlements or at very low loads and firing temperatures. Gas turbines are typically designed for continuous base load operation with minimized cooling flows to the stages to maximize thermal efficiency. In this regard, low load operation may be detrimental to the components in the rear stages, while peak load operation may be detrimental to the components in all stages of the turbine.
Das auf Physik basierende Verständnis der Lebensdauer von Gasturbinen-Heißgaspfadteilen zeigt, dass ein Betrieb über der Nenn-Feuerungstemperatur (T-fire) die Lebensdauer von Heißgaspfadteilen verkürzt und ein Betrieb unter der Nenn-Feuerungstemperatur (T-fire) die Teilelebensdauer verlängert. Diese Beziehung ist als der anwendbare Wartungsfaktor (MF) quantifiziert. Die Auswirkung auf die Düse der letzten Stufe und die Laufschaufel der letzten Stufe ist jedoch komplizierter und hat eine Beziehung zu T-fire und zur Ausgangsleistung dergestalt, dass die Gastemperatur bei dieser Stufe eine Badewannengestalt in Bezug auf die Ausgangsleistung und T-fire annimmt. Die Gastemperatur der letzten Stufe ist bei Spitzenfeuerung höher als bei Grundlast und bei längerer Absenkung oder sehr niedriger Last und T-fire noch höher. Dieses Phänomen zeigt eine der Intuition entgegensetzte Auswirkung auf die Komponenten der letzten Stufe, bei der ein Betrieb bei längerem Absenkungspegel oder ultraniedriger Last den größten negativen Einfluss auf die Teilelebensdauer hat.The physics-based understanding of the lifetime of gas turbine hot gas path parts shows that operation above the rated furnace temperature (T-fire) shortens the life of hot gas path parts and operating below the rated furnace temperature (T-fire) prolongs part life. This relationship is quantified as the applicable maintenance factor (MF). However, the effect on the final stage nozzle and last stage nozzle is more complicated and has a relation to T-fire and output power such that the gas temperature at this stage assumes a bath shape in terms of output and T-fire. The gas temperature of the last stage is higher at peak firing than at baseload and even longer at lower or very low load and T-fire. This phenomenon exhibits an intuitionally adverse effect on the final stage components, where operation at longer settling level or ultra-low load has the greatest negative impact on component life.
Gasturbinen sind typischerweise für einen Dauergrundlastbetrieb ausgelegt und jeder Aufwand wird zur Minimierung von Kühlungsströmen unternommen, um den thermischen Wirkungsgrad der Gasturbine zu maximieren. Diese typische Strategie kann jedoch im Spitzenlastbetrieb und im Ultraniedriglastbetrieb schädlich sein. Für Gasturbinen, die Abgastemperaturgeführt (herkömmliche Steuerung) oder modifiziert-Abgastemperatur-geführt gesteuert werden, stellt eine extern variable Turbinenbereichs-Kühlungsströmung eine zusätzliche Herausforderung für Abgastemperatursteuerungen dar, bei dene die gemessene Abgastemperatur kompensiert werden muss, um die Auswirkung der variablen Kühlmittelströmung zu berücksichtigen.Gas turbines are typically designed for continuous base load operation and every effort is made to minimize cooling flows to maximize the thermal efficiency of the gas turbine. However, this typical strategy can be detrimental in peak load operation and ultra low load operation. For gas turbines controlled by exhaust gas temperature control (conventional control) or modified exhaust gas temperature control, externally variable turbine region cooling flow presents an additional challenge to exhaust gas temperature controls where the measured exhaust gas temperature must be compensated to account for the effect of variable coolant flow.
Herkömmliche Heißgaspfadtemperatur-Managementsysteme stellen keine ausreichenden Einrichtungen zur Beherrschung der negativen Betriebsauswirkung auf die Teilelebensdauer während eines Spitzen- und längeren Absenkungs-(oder Ultraniedriglast-)Betriebs bereit. Zusätzlich stellen herkömmliche Heißgaspfadtemperaturmanagementsysteme eine unzureichende selektive Unterkühlung der Heißgaspfadkomponenten, zur Erhöhung der Turbinenspitzenlast über die Nennleistungsfähigkeit hinaus bereit.Conventional hot gas path temperature management systems do not provide sufficient facilities to control the adverse effects of operation on part life during peak and longer descent (or ultra-low load) operation. In addition, conventional hot gas path temperature management systems provide insufficient selective subcooling of the hot gas path components to increase turbine tip load beyond the rated capacity.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG BRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION
Gemäß einer exemplarischen nicht einschränkenden Ausführungsform betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine. Das Verfahren beinhaltet die Schritte einer Ermittlung einer Heißgaspfadtemperatur an einer Turbinenstufe und die Ermittlung einer Soll-Heißgaspfadtemperatur an der Turbinenstufe. Ein Luftstrom wird aus einer Verdichterstufe entnommen und eine den Luftstrom hinzuzufügende Fluidmenge zum Erreichen einer Soll-Heißgaspfadtemperatur an der Turbinenstufe wird abgeschätzt. Das Verfahren beinhaltet den Schritt der Hinzufügung der abgeschätzten Fluidmenge zu dem Luftstrom, um einen Feuchtluftstrom zu erzeugen und die Einspritzung des Feuchtluftstroms in eine Düse der Turbinenstufe.According to an exemplary non-limiting embodiment, the invention relates to a method of operating a gas turbine. The method includes the steps of determining a hot gas path temperature at a turbine stage and determining a desired hot gas path temperature at the turbine stage. An air stream is taken from a compressor stage and an amount of fluid to be added to the air stream to reach a desired hot gas path temperature at the turbine stage is estimated. The method includes the step of adding the estimated amount of fluid to the air stream to produce a wet air stream and injecting the wet air stream into a nozzle of the turbine stage.
Das Fluid ist Wasser oder Dampf.The fluid is water or steam.
Die Ermittlung einer Ist-Heißgaspfadtemperatur kann den Schritt der Messung der Ist-Heißgaspfadtemperatur mittels eines optischen Messwandlers aufweisen.The determination of an actual hot gas path temperature may include the step of measuring the actual hot gas path temperature by means of an optical transducer.
Zusätzlich oder alternativ kann die Ermittlung einer Ist-Heißgaspfadtemperatur den Schritt der Messung einer Brennerabgastemperatur aufweisen.Additionally or alternatively, the determination of an actual hot gas path temperature may include the step of measuring a burner exhaust temperature.
Zusätzlich oder alternativ kann die Ermittlung einer Ist-Heißgaspfadtemperatur den Schritt der Ermittlung einer Ist-Heißgaspfadtemperatur bei einer ersten Turbinenstufe und die Ermittlung einer Ist-Heißgaspfadtemperatur bei einer zweiten Turbinenstufe aufweisen.Additionally or alternatively, the determination of an actual hot gas path temperature may include the step of determining an actual hot gas path temperature at a first turbine stage and determining an actual hot gas path temperature at a second turbine stage.
Zusätzlich oder alternativ kann die Ermittlung einer Soll-Heißgaspfadtemperatur bei der Turbinenstufe aufweisen: Ermitteln einer Soll-Heißgaspfadtemperatur bei einer ersten Stufe; und Ermitteln einer Soll-Heißgaspfadtemperatur bei einer zweiten Stufe.Additionally or alternatively, the determination of a desired hot gas path temperature at the turbine stage may include: determining a desired hot gas path temperature at a first stage; and determining a desired hot gas path temperature at a second stage.
Die Entnahme eines Luftstroms kann aufweisen: Entnehmen eines ersten Luftstroms aus einer ersten Verdichterstufe; und Entnehmen eines zweiten Luftstroms aus einer zweiten Verdichterstufe.The removal of an air stream may include: withdrawing a first air stream from a first compressor stage; and removing a second airflow from a second compressor stage.
Die Abschätzung einer dem Luftstrom hinzuzufügenden Fluidmenge kann die Schritte aufweisen: Abschätzen einer dem ersten Luftstrom hinzuzufügenden ersten Fluidmenge; und Abschätzen einer dem zweiten Luftstrom hinzuzufügenden zweiten Fluidmenge;Estimation of a quantity of fluid to be added to the airflow may include the steps of: estimating a first amount of fluid to be added to the first airflow; and estimating a second fluid amount to be added to the second airflow;
In einer weiteren Ausführungsform wird ein System zur Verlängerung der Lebensdauer von Heißgaspfadkomponenten beschrieben. Das System enthält einen an einer Turbinenstufe angeordneten Temperatursensor und ein Subsystem zur Ermittlung einer Soll-Heißgaspfadtemperatur bei der Turbinenstufe. Eine Entnahmeleitung ist mit einer Verdichterstufe verbunden und für die Entnahme eines Luftstroms angepasst. Das System enthält ein Subsystem zur Abschätzung einer dem Luftstrom hinzuzufügenden Wasser- oder Dampfmenge, um die Soll-Heißgaspfadtemperatur zu erreichen. Eine Wasser- oder Dampfeinspritzkomponente, die zum Einspritzen der Wasser- oder Dampfmenge in den Luftstrom zum Erzeugen eines Feuchtluftstroms angepasst ist und ein Einspritzungssubsystem, das zum Einspritzen des Feuchtluftstroms in eine Düse an der Turbinenstufe angepasst ist, sind ebenfalls enthalten.In another embodiment, a system for extending the life of hot gas path components is described. The system includes a temperature sensor located at a turbine stage and a subsystem for determining a desired hot gas path temperature at the turbine stage. A sampling line is connected to a compressor stage and adapted for the removal of an air flow. The system includes a subsystem for estimating an amount of water or steam to add to the airflow to achieve the desired hot gas path temperature. A water or vapor injection component adapted to inject the amount of water or vapor into the air stream to produce a wet air stream and an injection subsystem adapted to inject the wet air stream into a nozzle at the turbine stage are also included.
Der Temperatursensor des Systems kann ein optischer Messwandler sein.The temperature sensor of the system may be an optical transducer.
Die Wasser- oder Dampfeinspritzkomponente jedes vorstehend erwähnten Systems kann eine Wasser- oder Dampfeinspritzkammer aufweisen.The water or steam injection component of each system mentioned above may include a water or steam injection chamber.
Jedes vorstehend erwähnte System kann ferner aufweisen: einen zweiten Temperatursensor, der bei einer zweiten Turbinenstufe angeordnet ist; eine zweite Entnahmeleitung, die mit einer zweiten Verdichterstufe verbunden ist, die zur Entnahme eines zweiten Luftstroms angepasst ist; und ein zweites Subsystem zum Ermitteln einer Soll-Heißgaspfadtemperatur an der zweiten Turbinenstufe; ein zweites Subsystem zum Abschätzen einer zweiten dem zweiten Luftstrom hinzuzufügenden Wasser- oder Dampfmenge, um die Soll-Heißgaspfadtemperatur an der zweiten Turbinenstufe zu erreichen; und eine zweite Brennstoffeinspritzkomponente, die zum Einspritzen einer zweiten Wasser- oder Dampfmenge in den zweiten Luftstrom angepasst ist, um einen zweiten Feuchtluftstrom zu erzeugen; und ein zweites Einspritzsubsystem, das zum Einspritzen eines zweiten Feuchtluftstroms in eine Düse an der zweiten Turbinenstufe angepasst ist.Each of the aforementioned systems may further include: a second temperature sensor disposed at a second turbine stage; a second extraction line connected to a second compressor stage adapted to extract a second airflow; and a second subsystem for determining a desired hot gas path temperature at the second turbine stage; a second subsystem for estimating a second amount of water or vapor to be added to the second airflow to achieve the desired hot gas path temperature at the second turbine stage; and a second fuel injection component adapted to inject a second quantity of water or vapor into the second airflow to produce a second wet airflow; and a second injection subsystem adapted to inject a second wet air stream into a nozzle at the second turbine stage.
In einer weiteren Ausführungsform wird eine Gasturbine mit einem Verdichter, einer Turbine und einer mit einer Stufe des Verdichters verbundenen Leitung, die zur Entnahme eines Luftstroms angepasst ist, beschrieben. Die Gasturbine enthält auch einen Temperatursensor, der zum Messen einer Heißgaspfadtemperatur an einer Turbinenstufe angepasst ist. Die Gasturbine enthält eine Wasser- oder Dampfeinspritzkammer, die mit der Leitung verbunden und zum Einspritzen einer vorbestimmten Wasser- oder Dampfmenge in den Luftstrom angepasst ist, um einen Feuchtluftstrom zu erzeugen, und eine Einspritzvorrichtung, die mit der Leitung verbunden und zum Einspritzen des Feuchtluftstroms in die Turbinenstufe angepasst ist.In another embodiment, a gas turbine is described with a compressor, a turbine, and a conduit connected to a stage of the compressor adapted to extract an airflow. The gas turbine also includes a temperature sensor adapted to measure a hot gas path temperature at a turbine stage. The gas turbine includes a water or steam injection chamber connected to the conduit and adapted to inject a predetermined amount of water or vapor into the air stream to produce a moist air stream and an injector connected to the conduit for injecting the wet air stream into the air stream the turbine stage is adjusted.
Der Temperatursensor der Gasturbine kann einen optischen Messwandler aufweisen.The temperature sensor of the gas turbine may have an optical transducer.
Die Gasturbine jedes vorstehend erwähnten Typs kann ferner eine mit einer zweiten Stufe des Verdichters verbundene zweite Entnahmeleitung aufweisen, die zu Entnahme eines zweiten Luftstroms angepasst ist. The gas turbine of any type mentioned above may further include a second bleed line connected to a second stage of the compressor adapted to take a second air flow.
Die Gasturbine jedes vorstehend erwähnten Typs kann ferner einen zweiten Temperatursensor aufweisen, der zum Messen einer zweiten Heißgaspfadtemperatur bei einer zweiten Turbinenstufe angepasst ist.The gas turbine of any type mentioned above may further include a second temperature sensor adapted to measure a second hot gas path temperature at a second turbine stage.
Die Gasturbine jedes vorstehend erwähnten Typs kann ferner aufweisen: eine zweite Wasser- oder Dampfeinspritzkammer, die mit der zweiten Entnahmeleitung verbunden und zum Einspritzen einer zweiten vorbestimmten Wasser- oder Dampfmenge in den Luftstrom angepasst ist, um einen zweiten Feuchtluftstrom zu erzeugen; und eine zweite Einspritzvorrichtung, die mit der zweiten Entnahmeleitung verbunden und zum Einspritzen des zweiten Feuchtluftstroms in die zweite Turbinenstufe angepasst ist.The gas turbine of each type mentioned above may further include: a second water or steam injection chamber connected to the second withdrawal conduit and adapted to inject a second predetermined amount of water or vapor into the airflow to produce a second wet airflow; and a second injector connected to the second withdrawal conduit and adapted to inject the second moist airflow into the second turbine stage.
In einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zum Verbessern einer Ausgangsleistung einer einen Verdichter und eine Turbine aufweisenden Gasturbine beschrieben. Das Verfahren beinhaltet die Schritte der Ermittlung einer Ist-Ausgangsleistung und einer Soll-Ausgangsleistung. Das Verfahren beinhaltet auch die Schritte der Entnahme eines Luftstroms aus einer Verdichterstufe und die Abschätzung einer dem Luftstrom hinzuzufügenden abgeschätzten Fluidmenge, um die Soll-Ausgangleistung zu erreichen. In einem weiteren Schritt beinhaltet das Verfahren die Hinzufügung von Fluid in einer Menge im Wesentlichen gleich der abgeschätzten Fluidmenge zu dem Luftstrom, um einen Feuchtluftstrom zu erzeugen. Das Verfahren beinhaltet auch die Einspritzung des Feuchtluftstroms in eine Düse an einer Turbinenstufe und die Einstellung der Ist-Ausgangsleistung auf die Soll-Ausgangsleistung.In another embodiment, a method for improving output of a gas turbine having a compressor and a turbine is described. The method includes the steps of determining an actual output and a target output. The method also includes the steps of extracting an airflow from a compressor stage and estimating an estimated amount of fluid to add to the airflow to achieve the desired output power. In a further step, the method includes adding fluid in an amount substantially equal to the estimated amount of fluid to the airflow to produce a moist airflow. The method also includes injecting the wet air flow into a nozzle at a turbine stage and adjusting the actual output power to the desired output power.
Das Fluid kann Wasser oder Dampf sein.The fluid may be water or steam.
Die Einspritzung eines Feuchtluftstroms in eine Düse an der Turbinenstufe kann die Einspritzung eines Feuchtluftstroms in mehrere Düsen an mehreren Turbinenstufe beinhalten.Injecting a wet air stream into a nozzle at the turbine stage may include injecting a wet air stream into a plurality of nozzles at a plurality of turbine stages.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden detaillierteren Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich, welche im Rahmen eines Beispiels die Prinzipien bestimmter Aspekte der Erfindung veranschaulichen.Other features and advantages of the present invention will become apparent from the following more detailed description of the preferred embodiment, taken in conjunction with the accompanying drawings, which illustrate, by way of example, the principles of certain aspects of the invention.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Die hierin beschriebenen Systeme und Verfahren stellen eine Unterkühlung der Heißgaspfaddüsen mit feuchter Luft, gekoppelt mit einer Abgastemperatur-Steuerungskompensation bereit. In einer weiteren Ausführungsform wird eine direkte Heißgaspfadkomponenten-Metalltemperaturmessung mit einem optischen Messwandler (z.B. einer Infrarotkamera) bereitgestellt. In noch einer weiteren Ausführungsform kann eine direkte Heißgaspfad-Gasstromtemperaturmessung mit einem optischen Messwandler (z.B. einer Infrarotkamera) angewendet werden. Die Kühlstromtemperaturen werden gemessen und die Kühlstromtemperaturen werden auf den Sollwert durch die Hinzufügung von demineralisiertem Wasser oder Dampf zum Erhöhen der Kühlluft-"Feuchtigkeit" bzw. Kühlluftmassenstroms gesteuert. Die Unterkühlung aller Düsenstufen in der Turbine ermöglicht ein aktives Teilelebensdauermanagement, welches dazu genutzt werden kann, den Maschinenbetrieb über seine derzeitigen Grenzen hinaus in Verbindung mit einer zusätzlichen Bewilligung zur Spitzenüberhitzung auszudehnen.The systems and methods described herein provide subcooling of the hot gas path nozzles with humid air coupled with exhaust temperature control compensation. In another embodiment, a direct hot gas path component metal temperature measurement is provided with an optical transducer (e.g., an infrared camera). In yet another embodiment, a direct hot gas path gas flow temperature measurement may be applied with an optical transducer (e.g., an infrared camera). The cooling flow temperatures are measured and the cooling flow temperatures are controlled to the set point by the addition of demineralized water or steam to increase the cooling air "humidity" or cooling air mass flow, respectively. The subcooling of all nozzle stages in the turbine enables active part life management, which can be used to extend engine operation beyond its current limitations, in conjunction with additional peak overheat approval.
In den Zeichnungen, in welchen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Elemente durchgängig durch die verschiedenen Ansichten beziehen, stellt
Die Gasturbine
Wie vorstehend beschrieben, kann der Verdichter
Das Feuchtluft-Kühlsystem
Das Feuchtluft-Kühlsystem
Ebenso kann das Feuchtluft-Kühlsystem
Das Feuchtluft-Kühlsystem
Die Hinzufügung von Feuchtigkeit zu den Turbinendüsenkühlungsströmen mittels Wasser/Dampf-Einspritzung verbessert die spezifische Wärme (Cp) der Kühlluft und in einem geringeren Umfang die der primären Strömung. Zusätzlich senkt die Hinzufügung von Feuchtigkeit zu den Turbinendüsenkühlungsströmen mittels Wasser/Dampf-Einspritzung die Stufenbetriebstemperatur, was die Teilelebensdauer verbessert und ein aktives Teilelebensdauermanagement durch Modulieren der Einspritzung bei jeder Stufe ermöglicht. Ein weiterer Vorteil aus der Hinzufügung von Feuchtluft zu den Turbinendüsenkühlungsströmen besteht darin, dass sie den Massenstrom der Stufe erhöht und dadurch die Spitzenausgangsleistung erhöht. Die Hinzufügung von Feuchtluft verringert auch die Abgastemperatur während eines Niederlastbetriebs und verbessert dadurch die Fähigkeit, den Isothermengrenzwert von Wärmerückgewinnungsdampfgeneratoren bei Gasturbinenleistungssteigerungen zu erfüllen.The addition of moisture to the turbine nozzle cooling streams by means of water / steam injection improves the specific heat (Cp) of the cooling air and to a lesser extent that of the primary flow. In addition, the addition of moisture to the turbine nozzle cooling streams via water / steam injection lowers the stage operating temperature, which improves part life and enables active part life management by modulating the injection at each stage. Another benefit of adding humid air to the turbine nozzle cooling flows is that it increases the mass flow of the stage and thereby increases the peak output power. The addition of wet air also reduces the exhaust gas temperature during a low load operation, thereby improving the ability to meet the isothermal limit of heat recovery steam generators in gas turbine power increases.
Das Feuchtluft-Kühlsystem
Die Kühlungssteuerung
Die Kühlungssteuerung
Die Kühlungssteuerung
Im Schritt
Im Schritt
Im Schritt
Im Schritt
Im Schritt
Im Schritt
Die Ermittlung der Heißgaspfadtemperatur kann erreicht werden, indem die Heißgaspfadtemperatur mit dem optischen Messwandler gemessen wird, oder eine Brennerabgastemperatur gemessen wird. Die Ermittlung der Heißgaspfadtemperatur kann für mehrere Turbinenstufen durchgeführt werden. Eine ähnliche Ermittlung einer Soll-Heißgaspfadtemperatur kann für mehrere Turbinenstufen durchgeführt werden. Die Entnahme des Luftstroms kann durch Entnahme von Luftströmen aus mehreren Verdichterstufen erreicht werden. Die Abschätzung der hinzuzufügenden Wasser- oder Dampfmenge kann die Abschätzung der zu jedem von mehreren Luftströmen hinzuzufügenden Wasser- oder Dampfmenge beinhalten. Ebenso kann die Hinzufügung von Wasser oder Dampf zu dem Luftstrom die Hinzufügung von Wasser oder Dampf zu mehreren Luftströmen beinhalten.The determination of the hot gas path temperature can be achieved by measuring the hot gas path temperature with the optical transducer, or by measuring a burner exhaust temperature. The determination of the hot gas path temperature can be carried out for several turbine stages. Similar determination of a target hot gas path temperature may be performed for multiple turbine stages. The removal of the air flow can be achieved by removing air streams from multiple compressor stages. Estimation of the amount of water or steam to add may include estimating the amount of water or steam to add to each of a plurality of air streams. Likewise, the addition of water or steam to the air stream may involve the addition of water or steam to multiple air streams.
Das Feuchtluft-Kühlsystem
Das Feuchtluft-Kühlsystem
Im Schritt
Im Schritt
Im Schritt
Im Schritt
Im Schritt
Im Schritt
Im Schritt
Wo die Definition von Begriffen von der üblicherweise verwendeten Bedeutung des Begriffes abweicht, möchte der Anmelder die nachstehend vorgesehenen Definitionen verwenden, soweit es nicht speziell anderweitig angegeben wird.Where the definition of terms differs from the commonly used meaning of the term, the applicant wishes to use the definitions provided below, unless specifically stated otherwise.
Die hierin verwendete Terminologie dient nur dem Zweck der Beschreibung spezieller Ausführungsformen und soll nicht die Erfindung einschränken. Wo die Definition von Begriffen von der üblicherweise verwendeten Bedeutung des Begriffes abweicht, möchte der Anmelder die hierein vorgesehenen Definitionen verwenden, soweit es nicht speziell anderweitig angegeben wird. Die Singularformen "einer, eine, eines" und "der, die, das" sollen auch die Pluralformen beinhalten, soweit es der Kontext nicht deutlich anderweitig vorgibt. Es dürfte sich verstehen, dass, obwohl die Begriffe "erster, zweiter usw." zur Beschreibung verschiedener Elemente verwendet werden können, diese Elemente nicht durch diese Begriffe eingeschränkt sein sollen. Diese Begriffe werden nur zur Unterscheidung eines Elements von einem anderen verwendet werden. Der Begriff "und/oder" beinhaltet jede und alle Kombinationen von einer oder mehreren von den zugeordneten gelisteten Elementen. Die Ausdrücke "angekoppelt" oder "gekoppelt mit" zieht eine direkte oder indirekte Kopplung in Betracht.The terminology used herein is for the purpose of describing specific embodiments only and is not intended to limit the invention. Where the definition of terms differs from the commonly used meaning of the term, the applicant wishes to use the definitions provided herein unless specifically stated otherwise. The singular forms "one, one, one" and "the, the, the" should also include the plural forms unless the context clearly dictates otherwise. It should be understood that although the terms "first, second, etc." can be used to describe various elements, these elements should not be limited by these terms. These terms will only be used to distinguish one element from another. The term "and / or" includes any and all combinations of one or more of the associated listed items. The terms "coupled" or "coupled with" contemplate direct or indirect coupling.
Diese Beschreibung nutzt Beispiele, um die Erfindung einschließlich ihrer besten Ausführungsart offenzulegen und um auch jedem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung einschließlich der Herstellung und Nutzung aller Elemente und Systeme und der Durchführung aller einbezogenen Verfahren in die Praxis umzusetzen. Der patentfähige Schutzumfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele umfassen, die für den Fachmann ersichtlich sind. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Schutzumfang der Erfindung enthalten sein, sofern sie strukturelle Elemente besitzen, die sich nicht von dem Wortlaut der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Änderungen gegenüber dem Wortlaut der Ansprüche enthalten.This description uses examples to disclose the invention, including the best mode, and also to enable any person skilled in the art to practice the invention, including making and using all of the elements and systems, and performing all of the methods involved. The patentable scope of the invention is defined by the claims, and may include other examples that will be apparent to those skilled in the art. Such other examples are intended to be within the scope of the invention if they have structural elements that do not differ from the literal language of the claims, or if they include equivalent structural elements with insubstantial differences from the literal languages of the claims.
Ein System zur Verbesserung einer Gasturbinenausgangsleistung und zur Verlängerung der Lebensdauer von Heißgaspfadkomponenten enthält ein Subsystem zur Abschätzung einer dem Luftstrom hinzuzufügenden Wasser- oder Dampfmenge, um die Soll-Heißgaspfadtemperatur zu erreichen. Das System enthält eine Wasser- oder Dampfeinspritzkomponente, die zum Einspritzen der Wasser- oder Dampfmenge in den Luftstrom zum Erzeugen eines Feuchtluftstroms angepasst ist, um einen Feuchtluftstrom zu erzeugen, und ein Einspritzungssubsystem, das zum Einspritzen des Feuchtluftstroms in eine Düse an der Turbinenstufe angepasst ist, ist ebenfalls enthalten. Das System enthält einen an einer Turbinenstufe angeordneten Temperatursensor und ein Subsystem zum Ermitteln einer Soll-Heißgaspfadtemperatur an der Turbinenstufe. Eine Entnahmeleitung ist mit einer Verdichterstufe verbunden und zur Entnahme eines Luftstroms angepasst.A system for improving gas turbine output and extending the life of hot gas path components includes a subsystem for estimating a quantity of water or vapor to add to the air flow to achieve the desired hot gas path temperature. The system includes a water or vapor injection component adapted to inject the amount of water or vapor into the air stream to produce a wet air stream to produce a wet air stream and an injection subsystem adapted to inject the wet air stream into a nozzle on the turbine stage , is also included. The system includes a temperature sensor disposed at a turbine stage and a subsystem for determining a desired hot gas path temperature at the turbine stage. An extraction line is connected to a compressor stage and adapted to remove an air flow.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Gasturbine (13) Gas turbine (13)
- 1515
- Verdichter (10) Compressor (10)
- 2020
- Luft (4) Air (4)
- 2525
- Brenner (3) Burner (3)
- 2525
- ein Brenner a burner
- 3030
- Brennstoff fuel
- 3535
- Verbrennungsgase (3) Combustion gases (3)
- 4040
- Turbine (11) Turbine (11)
- 4545
- Welle wave
- 5050
- externe Last external load
- 5555
- Verdichterstufen compressor stages
- 6060
- Turbinenstufen turbine stages
- 6565
- Luftentnahmen (30) Air withdrawals (30)
- 7070
- erstes Entnahmerohr (7) first sampling tube (7)
- 72 72
- erste Verdichterstufe (2) first compressor stage (2)
- 7474
- erste Turbinenstufe (4) first turbine stage (4)
- 7676
- erstes Entnahmesteuerungsventil first removal control valve
- 8080
- zweites Entnahmerohr (6) second sampling tube (6)
- 8282
- zweite Verdichterstufe second compressor stage
- 8484
- zweite Turbinenstufe (3) second turbine stage (3)
- 8686
- zweites Entnahmesteuerungsventil second removal control valve
- 8989
- zweite Turbinenstufe second turbine stage
- 9090
- Verdichterauslassentnahmerohr Verdichterauslassentnahmerohr
- 9292
- Verdichterauslass compressor outlet
- 9494
- Einlassabzweigwärmesammler (2) Inlet Branch Heat Collector (2)
- 9696
- Einlasszapfwärmesammlerventil Inlet bleed heat collector valve
- 100100
- Feuchtluft-Kühlsystem (18) Wet air cooling system (18)
- 110110
- Temperatursensor (4) Temperature sensor (4)
- 120120
- Temperatursensor (4) Temperature sensor (4)
- 130130
- erste Wasser/Dampf-Einspritzkammer (6) first water / steam injection chamber (6)
- 140140
- zweite Wasser/Dampf-Einspritzkammer (5) second water / steam injection chamber (5)
- 150150
- erstes Steuerungsventil (3) first control valve (3)
- 160160
- zweites Steuerungsventil (3) second control valve (3)
- 170170
- erster stromabwärtsseitiger Sensor (2) first downstream sensor (2)
- 180180
- zweiter stromabwärtsseitiger Sensor (2) second downstream sensor (2)
- 350350
- Kühlungssteuerung (13) Cooling control (13)
- 360360
- Temperatursensor (2) Temperature sensor (2)
- 370370
- Infrarotkamera (5) Infrared camera (5)
- 380380
- Heißgaspfadkomponente (5) Hot gas path component (5)
- 390390
- Laufschaufel blade
- 400400
- Düse jet
- 410410
- Auslöser trigger
- 420420
- Abgastemperaturwerte Exhaust gas temperature values
- 430430
- Kühlungseinspritzströmungswerte Cooling injection flow values
- 440440
- erstes Verarbeitungsmodul (3) first processing module (3)
- 450450
- zweites Verarbeitungsmodul (2) second processing module (2)
- 460460
- drittes Verarbeitungsmodul third processing module
- 470470
- Modul module
- 500500
- Verfahren (7) Method (7)
- 510510
- Schritt step
- 520520
- Schritt step
- 530530
- Schritt step
- 540540
- Schritt step
- 550550
- Schritt step
- 560560
- Schritt step
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- General Electric "SPEEDTRONICTM Gasturbinensteuerungssystems sein, wie es in Rowen, W.I., SPEEDTRONICTM Mark V Gas Turbine Control System", GE-3658D, veröffentlicht von GE Industrial & Power Systems of Schenectady, N.Y. [0049] General Electric "SPEEDTRONIC ™ Gas Turbine Control System as described in Rowen, WI, SPEEDTRONIC ™ Mark V Gas Turbine Control System", GE-3658D, published by GE Industrial & Power Systems of Schenectady, NY. [0049]
Claims (10)
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US13/751,675 | 2013-01-28 |
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-
2014
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- 2014-01-20 CH CH712014A patent/CH707549A2/en not_active Application Discontinuation
- 2014-01-21 JP JP2014008188A patent/JP2014145357A/en active Pending
Non-Patent Citations (1)
Title |
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General Electric "SPEEDTRONICTM Gasturbinensteuerungssystems sein, wie es in Rowen, W.I., SPEEDTRONICTM Mark V Gas Turbine Control System", GE-3658D, veröffentlicht von GE Industrial & Power Systems of Schenectady, N.Y. |
Also Published As
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |