DE102018213422A1 - Verfahren zum An- und Abfahren einer Gasturbine in einer Gas- und Dampfturbinenanlage - Google Patents

Verfahren zum An- und Abfahren einer Gasturbine in einer Gas- und Dampfturbinenanlage Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum An- und Abfahren einer Gasturbine (1) in einer Gas- und Dampfturbinenanlage (2), wobei die Gasturbine (1) einen Verdichter (3) mit verstellbaren Leitschaufeln (4) umfasst und die Gasturbinenleistung auch durch die Öffnung der Leitschaufeln (4) kontrollierbar ist, wobei die Gasturbine (1) beim Anfahren bis auf Grundlast oder bis auf einen emissionskonformen Lastpunkt gefahren wird, wobei vor Erreichen der Grundlast oder des emissionskonformen Lastpunkts die Leitschaufeln (4) geöffnet werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anfahren, aber auch zum Abfahren einer Gasturbine in einer Gas- und Dampfturbinenanlage. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Leitschaufelverstellfahrweise bei Gasturbinen.
  • Typischerweise werden Gasturbinen in Gas- und Dampfturbinenanlagen mit geschlossenen Leitschaufeln im Verdichter bis auf einen maximalen Wert hochgefahren. Dies hat den Vorteil, dass die Verbrennung in der Gasturbine stabil ist und die Emissionen vergleichsweise schnell in einem vorgabenkonformen Bereich liegen. Erst nach Erreichen der Grundlast oder nach Erreichen eines emissionskonformen Lastpunkts werden die Leitschaufeln geöffnet, um den Massenstrom durch die Gasturbine und somit auch die Leistung zu erhöhen.
  • Immer höhere Gasturbinen-Abgastemperaturen lassen aber nur eine eingeschränkte Gesamtanlagenschnellstartfähigkeit bei Gas- und Dampfturbinenanlagen zu. Insbesondere der Abhitzedampferzeuger ist erheblichem thermischem Stress ausgesetzt, was zu vergleichsweise starker, vorzeitiger Materialermüdung führt.
  • Daher erfolgt aktuell nur ein schrittweises Anfahren der Gesamtanlage einschließlich Lasthaltepunkten durch ein temperaturgeführtes Gasturbinen-Anfahren bis zum Erreichen der maximalen Abgastemperatur inklusive der Leistungshaltepunkten zur Anwärmung der nachgeschalteten Komponenten (Abhitzedampferzeuger, Dampfturbine).
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum An- und Abfahren einer Gasturbine in einer Gas- und Dampfturbinenanlage anzugeben, bei dem die Anlage möglichst rasch unter Einhaltung von Emissionsvorgaben und möglichst geringer Ermüdung von der Gasturbine nachgeschalteten Komponenten an- und abgefahren werden kann.
  • Die Erfindung löst die auf ein Verfahren zum An- und Abfahren einer Gasturbine in einer Gas- und Dampfturbinenanlage gerichtete Aufgabe, indem sie vorsieht, dass bei einem derartigen Verfahren die Gasturbine einen Verdichter mit verstellbaren Leitschaufeln umfasst und die Gasturbinenleistung auch durch die Öffnung der Leitschaufeln kontrollierbar ist, wobei die Gasturbine beim Anfahren bis auf Grundlast oder bis auf einen emissionskonformen Lastpunkt gefahren wird, wobei vor Erreichen der Grundlast oder des emissionskonformen Lastpunkts die Leitschaufeln geöffnet werden.
  • Durch das zumindest teilweise Öffnen der Leitschaufeln wird der Massenstrom durch die Gasturbine frühzeitig erhöht und die Temperatur des Abgasstroms auf nachfolgende Bauteile verringert. Eine vollständige Öffnung der Leitschaufeln wird typischer Weise zur Vermeidung zu hoher Emissionen im vergleichsweise frühen Zeitraum des Anfahrens vermieden.
  • Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Gasturbine mit maximal möglicher Lastrampe hochgefahren wird. Somit ist ein möglichst schnelles Anfahren gewährleistet.
  • Es ist vorteilhaft, wenn die Leitschaufeln zu Beginn des Anfahrens geschlossen sind und beim Anfahren im Rahmen der Emissionsvorgaben so weit wie möglich geöffnet werden, da ein größerer Massenstrom zu mehr Leistung bzw. geringeren Temperaturen des Abgasstroms führt. Es ist im Wesentlichen der Betrieb der Anlage „unterhalb“ der Auslegung, der auf Grund der dann schlechteren Emissionswerte den Grad der Öffnung begrenzt.
  • Es ist vorteilhaft, wenn die Gas- und Dampfturbinenanlage einen Abgaskamin umfasst und Emissionen im Abgaskamin kontinuierlich gemessen werden.
  • Ferner ist es vorteilhaft, wenn beim An- und Abfahren Temperatursensoren kontinuierlich ausgelesen werden. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Temperatursensoren an dickwandigen Bauteilen kontinuierlich ausgelesen werden, d.h. an Bauteilen mit einem Verhältnis von Außendurchmesser zu Innendurchmesser größer als 1,2.
  • Durch das erfinderische Verfahren wird die Gasturbine ohne weiteren Gasturbinen-Haltepunkt mit der maximal möglichen Lastrampe bis auf Grundlast oder bis auf den emissionskonformen Lastpunkt (z. B. 70% Gasturbinen-Last) temperaturverträglich für die nachfolgenden Komponenten hochgefahren. Ferner kann die Leitschaufel-Verstellfahrweise des erfinderischen Verfahrens auch beim Abfahrvorgang eingesetzt werden kann um die Gasturbinen-Abgastemperatur im Hinblick auf die Kessellebensdauer zu modifizieren.
  • Es ergeben sich folgende Vorteile:
    • • Reduzierung der Abhitzedampferzeuger-Stressbelastung und minimaler Abhitzedampferzeuger-Lebensdauerverbrauch
    • • Reduzierung der Anfahr-Emissionen (NOx)
    • • Verbesserter und flexibler Betrieb über den gesamten Lastbereich
    • • Schnelleres Anfahren der Gas-und Dampfturbinen-Anlage einschließlich reduziertem Brennstoffverbrauch
    • • Erhöhte, schnellere Leistungsbereitstellung durch die Verwendung von höheren Gasturbinen-Lastrampen während des Anfahrbetriebs
  • Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich:
    • 1 eine schematische Darstellung einer Gas- und Dampfturbinenanlage und
    • 2 eine Grafik für die elektrische Leistung der Gas-und Dampfturbinenanlage über der Abgastemperatur.
  • In der schematischen Darstellung der 1 ist eine Gas-und Dampfturbinenanlage 2 mit einer Gasturbine 1, einem Abhitzedampferzeuger 7 und einer Dampfturbine 8 gezeigt. Andere Ausführungen, wie beispielsweise zwei oder mehr Gasturbinen mit je einem nachgeschalteten Abhitzedampferzeuger oder gar einem gemeinsamen Abhitzedampferzeuger sind ebenfalls möglich.
  • Die Gasturbine 1 umfasst einen Verdichter 3, eine Brennkammer 17 und eine Turbine 18. Der Verdichter 3 umfasst verstellbare Leitschaufeln 4, mit denen der Verdichterluftmassenstrom eingestellt werden kann.
  • Der Dampfturbine 8 ist in einem Wasser-Dampf-Kreislauf 9 ein Kondensator 10 nachgeschaltet. Ferner umfasst der Wasser-Dampf-Kreislauf 9 den Abhitzedampferzeuger 7, in dem insbesondere an dickwandigen Bauteilen Temperatursensoren 6 angeordnet sind.
  • Die Dampfturbine 8 umfasst üblicherweise mehrere Druckstufen 11, die über eine gemeinsame Welle 12 mit einer Kupplung 13 den Generator 14 antreiben.
  • Zum Zuführen von in der Gasturbine 1 entspanntem Arbeitsmittel oder Rauchgas in den Abhitzedampferzeuger 7 ist eine Abgasleitung 15 an einen Eingang 16 des Abhitzedampferzeugers 7 angeschlossen. Das entspannte Arbeitsmittel aus der Gasturbine 1, d.h. das Gasturbinenabgas, verlässt den Abhitzedampferzeuger 7 über einen Abgaskamin 5.
  • 2 zeigt die elektrische Leistung Pel in Megawatt (MW) der Gas- und Dampfturbinenanlage 2 dargestellt über der Abgastemperatur T [K] bei der erfinderischen Fahrweise 19', 19" (zwei mögliche Fahrweisen, gestrichelt) im Vergleich zur bisherigen Fahrweise 20 (gepunktet).
  • Bei der bisherigen Fahrweise 20 blieben die Leitschaufeln 4 so lange geschlossen, bis die Gasturbine 1 auf eine Last 50 oder auf einen emissionskonformen Lastpunkt gefahren war. Dies garantierte eine stabile und emissionskonforme Verbrennung und war aufgrund der im Vergleich zu heutigen Gasturbinen 1 „niedrigen“ Abgastemperaturen das bevorzugte Verfahren.
  • Mit dem Verfahren nach der Erfindung wird der Massenstrom durch die Gasturbine 1 bereits vor Erreichen der Last 50 oder eines emissionskonformen Lastpunkts erhöht, wodurch sich u.a. die Temperatur des Abgasstroms verringert.
  • Die verstellbaren Leitschaufeln 4 haben eine Schließstellung, also einen minimalsten Öffnungswinkel, der durch Verstellung vergrößert werden kann, um den Verdichterluftmassenstrom zu vergrößern. Beim Anfahren oder Abfahren werden die Leitschaufeln 4 vorzugsweise noch geschlossen gehalten. Aber auf jeden Fall ziemlich zeitnah, insbesondere direkt beim An- oder Abfahren, wird der Öffnungswinkel der Leitschaufeln vergrößert.
  • In 2 ist in der Fahrweise 19' gezeigt, dass die Leitschaufeln 4 so schnell wie möglich geöffnet werden, so dass die Fahrweise 19' möglichst rasch an die geschlossene Linie 22 anstößt.
    Die Kurven der Fahrweisen 19', 19" steigen am Anfang (a') oder im Mittelteil (b") sehr steil an, so dass kaum oder minimal eine Änderung der Abgastemperatur T erfolgt.
  • In einer leicht veränderten An- oder Abfahrweise gemäß Kurve 19" wird der Öffnungswinkel der Leitschaufeln 4 von Anfang an nicht konstant gelassen, sondern über einen gewissen Zeitraum der Stufe a" immer weiter geöffnet, insbesondere kontinuierlich, ganz insbesondere stetig und kontinuierlich, aber nicht vollständig, und dann gemäß Stufe b auf P" mit minimalster Änderung der Abgastemperatur T [K] hochgefahren.
  • Durch die Verfahrweisen gemäß Fahrweise 19' bzw. 19" werden möglichst rasch Leistungen P' ≈ 50% (19') bzw. P'' ≈ 60% (19") einer Grundlast 40 erreicht.
  • Zu erkennen ist dies in dem Diagramm in 2 auch dadurch, dass die Fläche II, I, die zwischen der Fahrweise 19', 19" und den oberen Begrenzungslinien 22 der durchgezogenen Linie möglichst minimal ist und deutlich weniger als die Hälfte der Fläche, die durch die der bisherigen Fahrweise 20 umschlossen wird, entspricht.
  • Vorzugsweise wird am Starterpunkt 30 mit einem minimalsten Öffnungswinkel gestartet.
  • Eine Zeitspanne tGRUND bedeutet die Zeitspanne, in der die Gasturbine vom Startzeitpunkt 30 bis zur Grundlast 40 hochgefahren ist, und die maximal mögliche Rastrampe a', b" liegt vorzugsweise im ersten Drittel der Zeitspanne tGRUND.
  • Eine Temperaturspanne TGRUND beschreibt die Temperaturspanne vom Startzeitpunkt 30 bis zur Temperatur T der Grundlast 40, wobei die maximal mögliche Lastrampe a', b" vorzugsweise innerhalb des ersten Drittels der Temperaturspanne TGRUND hochgefahren wird.

Claims (14)

  1. Verfahren zum An- und Abfahren einer Gasturbine (1) in einer Gas- und Dampfturbinenanlage (2), wobei die Gasturbine (1) einen Verdichter (3) mit verstellbaren Leitschaufeln (4) umfasst und die Gasturbinenleistung (Pel) auch durch die Öffnung der Leitschaufeln (4) kontrollierbar ist, wobei die Gasturbine (1) beim Anfahren bis auf Grundlast (40) oder bis auf einen emissionskonformen Lastpunkt gefahren wird, dadurch gekennzeichnet, dass vor Erreichen der Grundlast (40) oder vor Erreichen des emissionskonformen Lastpunkts die Leitschaufeln (4) so geöffnet werden, dass kaum oder minimalst eine Änderung in der Abgastemperatur (T) erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Gasturbine (1) mit maximal möglicher Lastrampe (a', b") hochgefahren wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem zum Startzeitpunkt (30) mit einem geringsten Öffnungswinkel der Leitschaufeln (4) gestartet wird.
  4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3, bei dem so schnell wie möglich etwa 47% bis 53% der Leistung (P'el) beim Hochfahren (19') erreicht wird.
  5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3, bei dem nach einer ersten Stufe (a") in einer zweiten Stufe (b") so schnell wie möglich etwa 57% bis 63% der Leistung (P"el) beim Hochfahren (19") erreicht wird.
  6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3 oder 5, bei dem die Leitschaufeln (4) einer Fahrweise (19") in zwei verschiedenen Stufen (a", b") geöffnet werden, wobei in einer ersten Stufe (a") die Leitschaufeln (4) etwas geöffnet werden, insbesondere kontinuierlich und stetig und in einer zweiten Stufe (b") die Leitschaufeln (4) maximal geöffnet werden, so dass eine maximale Lastrampe (b") erreicht wird, bei der kaum eine Änderung der Abgastemperatur (T) erfolgt.
  7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, wobei die Leitschaufeln (4) zu Beginn (30) des Anfahrens geschlossen sind.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leitschaufeln (4) im Rahmen von Emissionsvorgaben so weit wie möglich geöffnet werden.
  9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Gas- und Dampfturbinenanlage (2) einen Abgaskamin (5) umfasst und Emissionen im Abgaskamin (5) kontinuierlich gemessen werden.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim An- und Abfahren Temperatursensoren (6) kontinuierlich ausgelesen werden.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Temperatursensoren (6) an dickwandigen Bauteilen kontinuierlich ausgelesen werden, d.h. an Bauteilen mit einem Verhältnis von Außendurchmesser zu Innendurchmesser größer als 1,2.
  12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, bei dem der Öffnungswinkel der Leitschaufeln (4) kontinuierlich, insbesondere kontinuierlich und stetig zumindest zeitweise geöffnet wird.
  13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, bei dem eine Zeitspanne tGRUND die Zeitspanne bedeutet, in der die Gasturbine vom Startzeitpunkt (30) bis zur Grundlast (40) hochgefahren ist, und die maximal mögliche Rastrampe (a', b") im ersten Drittel der Zeitspanne tGRUND liegt.
  14. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, bei dem TGRUND die Temperaturspanne vom Startzeitpunkt (30) bis zur Temperatur der Grundlast (40) beschreibt, wobei die maximal mögliche Lastrampe (a', b") innerhalb des ersten Drittels der Temperaturspanne TGRUND hochgefahren wird.
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