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Gebiet
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Gasturbinenkombikraftwerk, welches mit einem Brennstoffgaserhitzer ausgestattet ist, um Brennstoffgas, welches zu der Gasturbine geliefert werden soll, zu erhitzen, und auf ein Verfahren zum Steuern eines solchen Gasturbinenkombikraftwerks. Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der
japanischen Patentanmeldung, Offenlegungsnummer 2017-077722 , angemeldet am 10. April 2017, und wird durch Bezugnahme für alle Zwecke hier aufgenommen.
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Hintergrund
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Bekannte konventionelle Gasturbinenkombikraftwerke weisen üblicherweise einen Brennstoffgaserhitzer zum Vorerhitzen von Brennstoffgas auf, welches zu einer Brennkammer der Gasturbine geliefert werden soll (siehe beispielsweise Patentliteratur 1). Dieser Typ von Brennstoffgaserhitzer ist stromaufwärts der Brennkammer angeordnet und weist einen rohrförmigen Wärmetauscher auf, der mit einem Zwischenauslass (einem Auslass für einen Mitteldruckvorwärmer) eines Abgaswärmerückgewinnungskessels verbunden ist. Brennstoffgas, welches durch den Brennstoffgaserhitzer gelangt, empfängt Wärme, die vom Heißwasser, welches durch den Zwischenauslass des Abgaswärmerückgewinnungskessels ausläuft, welcher die Temperatur des Brennstoffgases erhöht. Dieses Verfahren verbessert die thermische Effizienz der Gasturbine.
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Zitierungsliste
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Patentliteratur
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Patentliteratur 1: Japanische Patentanmeldung, Offenlegungsnummer 2001-329806
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Zusammenfassung
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Technische Aufgabe
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Der Brennstoffgaserhitzer ist ausgestattet mit einer Heißwasserrückführungsleitung, um Heißwasser zurückzuführen, welches durch den Brennstoffgaserhitzer zum Abgaswärmerückgewinnungskessel gelangt und einer Kondensatleitung, die von der Heißwasserrückführungsleitung abgezweigt ist und eingerichtet ist, um das Heißwasser zu einem Kondensator zurückzuführen. Die Heißwasserrückführungsleitung hat ein Rückführungsventil, um die Strömungsrate des Heißwassers einzustellen, welche für die Brennstofferwärmung während des Normalbetriebs der Gasturbine notwendig ist. Die Kondensatleitung hat ein Ablassventil, um die Strömungsrate des Heißwassers, die zur Brennstofferwärmung im Anlauf oder beim Anhalten des Betriebs der Gasturbine notwendig ist, einzustellen.
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Ein plötzlicher Wechsel der Last der Gasturbine kann die Gasturbine in einen sogenannten Zwischensperrzustand versetzen. In diesem Zustand muss die Menge des Brennstoffgases, welche zur Brennkammer geliefert wird, unverzüglich vermindert werden. Als Antwort auf eine Verminderung in der Strömungsrate des Brennstoffgases, welches durch den Brennstoffgaserhitzer gelangt, wird das Ablassventil aus einer vollständig geschlossenen Position geöffnet, um die Strömungsrate einzustellen, und das Rückführungsventil, welches offen ist, wird zum Einstellen der Strömungsrate in eine vollständig geschlossene Position versetzt. Dieser Betrieb kann Hochtemperatur-Heißwasser daran hindern, zum Abgaswärmerückgewinnungskessel zurückzukehren.
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Eine Verminderung des Betrages des gelieferten Brennstoffgases vermindert die Wärmekapazität des Brennstoffgases, was das Heißwasser, welches durch den Brennstoffgaserhitzer gelangt, veranlassen kann, die Temperatur des Brennstoffgases schlagartig zu erhöhen. Das Ändern des Rückführungsventils und des Ablassventils in vollständig geschlossene Stellungen kann die Strömungsrate des Heißwassers reduzieren, was jedoch den Lieferdruck des Heißwassers erhöht. Überschüssiges Heißwasser muss deswegen zum Kondensator zurückgeführt werden.
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Aus den oben genannten Gesichtspunkten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Gasturbinenkombikraftwerk zur Verfügung zu stellen, welches in der Lage ist, in einfacher Art und Weise Probleme zu lösen, die nach einer Änderung der Last der Gasturbine, wegen der Verwendung von Heißwasser, welches in einem Abgaswärmerückgewinnungskessel als eine Wärmequelle für einen Brennstoffgaserhitzer erwärmt wurde, auftreten.
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Lösung des Problems
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Um das oben beschriebene Problem zu lösen und das Ziel zu erreichen, weist ein Gasturbinenkombikraftwerk gemäß der vorliegenden Erfindung auf: eine Gasturbine, einen Abgaswärmerückgewinnungskessel, der eingerichtet ist, um Abwärme der Gasturbine zurückzugewinnen, um Dampf zu erzeugen, einen Brennstoffgaserhitzer, der eingerichtet ist, um Brennstoffgas, welches zu einer Brennkammer der Gasturbine geliefert werden soll, unter Verwendung von Heißwasser, zu erwärmen, welches durch den Abgaswärmerückgewinnungskessel erwärmt wurde, um als eine Wärmequelle zu dienen, ein Rückführungsventil, welches an einer Heißwasserrückführungsleitung angeordnet ist, um Heißwasser, welches durch den Brennstoffgaserhitzer gelangt, zu dem Abgaswärmerückgewinnungskessel zurückzuführen, ein Ablassventil, welches in einer Kondensatleitung angeordnet ist, die von der Heißwasserrückführungsleitung zwischen dem Rückführungsventil und dem Abgaswärmerückgewinnungskessel abzweigt, um das Heißwasser zu einem Kondensator zurückzuführen, und eine Steuereinheit, die eingerichtet ist, um einen Betrieb des Rückführungsventils und des Ablassventils zu steuern, wobei die Steuereinheit, wenn eine Last der Gasturbine unter eine vorbestimmte untere Grenze fällt, das Rückführungsventil schließt und den Öffnungsgrad des Ablassventils bei einem bestimmten Öffnungsgrad hält, der vorbestimmt ist, um eine Strömungsrate des Heißwassers, welches in den Brennstoffgaserhitzer strömt, für eine vorbestimmte Zeit zu reduzieren.
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Mit dieser Konfiguration wird, wenn die Strömungsrate des Brennstoffgases, welches in den Brennstoffgaserhitzer strömt, bei einem Abfall der Last der Gasturbine unter eine vorbestimmte untere Grenze vermindert wird, das Rückführungsventil geschlossen und das Ablassventil wird auf einen bestimmten Öffnungsgrad für eine vorbestimmte Zeit offen gehalten. Dieser Betrieb kann die Strömungsrate des Heißwassers, welches zum Brennstoffgaserhitzer geliefert wird, reduzieren und kann deswegen einen scharfen Anstieg in der Temperatur des Brennstoffgases steuern. Diese Konfiguration ist deswegen für eine einfache Lösung von Problemen, die nach einer Laständerung bei der Gasturbine auftreten, vorteilhaft.
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In diesem Fall ist es vorteilhaft, dass wenn die vorbestimmte Zeit abgelaufen ist, die Steuereinheit den Ventilöffnungsgrad des Ablassventils schrittweise von dem bestimmten Öffnungsgrad zu einem Zielöffnungsgrad korrespondierend zu einer Zielströmungsrate des Heißwassers vergrößert, welche in Abhängigkeit von der Last der Gasturbine berechnet wird. Bei dieser Konfiguration wird der Ventilöffnungsgrad des Ablassventils schrittweise vom bestimmten Öffnungsgrad zu einem Zielöffnungsgrad erhöht, was einen scharfen Anstieg der Temperatur des Brennstoffgases, der mit einem Anstieg in der Strömungsrate des Heißwassers auftritt, steuern kann.
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Außerdem kann die Steuereinheit eine Tabelle, die eine obere Grenze einer Zuwachsrate definiert, die eine Zunahme einer Strömungsrate des Heißwassers pro Zeiteinheit angibt, für jede unterschiedliche Brennstoffgasauslasstemperatur an einem Auslass des Brennstoffgaserhitzers speichern und die Steuereinheit steuert den Ventilöffnungsgrad des Ablassventils in einem Bereich, wo die Zuwachsrate gleich oder unter der oberen Grenze ist, die für eine gemessene Brennstoffgasauslasstemperatur festgelegt ist. Bei dieser Konfiguration wird der Ventilöffnungsgrad des Ablassventils in einem Bereich gesteuert, wo die Zuwachsrate gleich ist oder unter der oberen Grenze, die für jede Brennstoffgasauslasstemperatur bestimmt ist, liegt, was eine genaue Einstellung der Brennstoffgastemperatur ermöglicht.
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Außerdem kann, wenn eine Last der Gasturbine eine vorbestimmte untere Grenze unterschreitet, bevor die vorbestimmte Zeit abläuft, die Steuereinheit den Ventilöffnungsgrad des Ablassventils schrittweise von dem bestimmten Öffnungsgrad zu dem Zielöffnungsgrad vergrößern, ohne zu warten, bis die vorbestimmte Zeit abläuft. Diese Konfiguration kann die Flexibilität für die Last der Gasturbine verbessern.
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Außerdem kann es eingerichtet sein, eine Dampfturbine aufzuweisen, die durch den Dampf, erzeugt durch den Abgaswärmerückgewinnungskessel, angetrieben wird. Diese Konfiguration erlaubt es, den Dampf, der durch den Abgaswärmerückgewinnungskessel erzeugt wurde, effektiv durch die Dampfturbine zu nutzen.
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Außerdem ist die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Steuern eines Gasturbinenkombikraftwerks, welches eine Gasturbine, einen Abgaswärmerückgewinnungskessel, der eingerichtet ist, um Abwärme der Gasturbine zurückzugewinnen, um Dampf zu erzeugen, einen Brennstoffgaserhitzer, der eingerichtet ist, um Brennstoffgas, welches zu einer Brennkammer der Gasturbine geliefert werden soll, unter Verwendung von Heißwasser zu erwärmen, das erwärmt wurde durch den Abgaswärmerückgewinnungskessel, um als eine Wärmequelle zu dienen, ein Rückführungsventil, welches in einer Heißwasserrückführungsleitung angeordnet ist, um Heißwasser, welches durch den Brennstoffgaserhitzer gelangt, zu dem Abgaswärmerückgewinnungskessel zurückzuführen, und ein Ablassventil, welches in einer Kondensatleitung angeordnet ist, die von der Heißwasserrückführungsleitung zwischen dem Rückführungsventil und dem Abgaswärmerückgewinnungskessel abzweigt, um das Heißwasser zu einem Kondensator zurückzuführen, aufweist. Das Verfahren umfasst die Schritte: Bestimmen, ob eine Last der Gasturbine unter eine vorbestimmte untere Grenze fällt, und wenn die Last unter die vorbestimmte untere Grenze fällt, Schließen des Rückführungsventils und Beibehalten des Öffnungsgrads des Ablassventils bei einem bestimmten Öffnungsgrad, der bestimmt ist, um eine Strömungsrate des Heißwassers, welches in den Brennstoffgaserhitzer fließt, für eine vorbestimmte Zeit zu reduzieren. Diese Konfiguration ist vorteilhaft bei dem Steuern der Strömungsrate des Heißwassers, welches zum Brennstoffgaserhitzer geliefert wird und beim Steuern eines scharfen Anstiegs der Brennstoffgastemperatur. Diese Konfiguration ist deswegen vorteilhaft zum einfachen Lösen von Problemen, die nach einer Laständerung in der Gasturbine auftreten.
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Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird, wenn die Strömungsrate des Brennstoffgases, welches in einen Brennstoffgaserhitzer strömt, mit einem Abfall der Last der Gasturbine unter eine vorbestimmte untere Grenze reduziert wird, ein Rückführungsventil geschlossen und ein Ablassventil wird auf einem bestimmten Öffnungsgrad für eine vorbestimmte Zeit offen gelassen. Dieser Betrieb kann die Strömungsrate von Heißwasser, welches zum Brennstoffgaserhitzer geliefert wird, vermindern und kann deswegen einen scharfen Anstieg der Temperatur des Brennstoffgases steuern. Auf diese Art und Weise können Probleme, die im Zusammenhang mit einer Laständerung in der Gasturbine auftreten, leicht gelöst werden.
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Figurenliste
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- 1 ist eine Systemdarstellung, welche ein Kombikraftwerk gemäß einer Ausführungsform zeigt.
- 2 ist eine darstellende Zeichnung einer Logik, um den Ventilöffnungsgrad eines Ablassventils zu steuern.
- 3 ist ein Ablaufdiagramm, welches einen Ablauf zur Steuerung des Ventilöffnungsgrads des Ablassventils zeigt.
- 4 ist eine Zeichnung, die Änderungen in dem Ventilöffnungsgrad des Ablassventils und in der Temperatur des Brennstoffgases als Antwort auf eine Laständerung zeigt.
- 5 ist eine darstellende Zeichnung einer Logik, um den Ventilöffnungsgrad eines Ablassventils gemäß einer unterschiedlichen Ausführungsform zu steuern.
- 6 ist ein Ablaufdiagramm, welches einen Ablauf zur Steuerung des Ventilöffnungsgrads des Ablassventils zeigt.
- 7 ist eine Zeichnung, die Änderungen in dem Ventilöffnungsgrad des Ablassventils und in der Temperatur des Brennstoffgases als Antwort auf eine Laständerung zeigt. Beschreibung der Ausführungsformen
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Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung werden nunmehr unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben werden. Es soll angemerkt werden, dass die Ausführungsformen nicht dazu gedacht sind, die vorliegende Erfindung zu begrenzen. Komponenten der nachfolgenden Ausführungsformen können miteinander in geeigneter Art und Weise kombiniert werden. Einige der Komponenten können weggelassen werden.
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1 ist eine Systemdarstellung, die ein Kombikraftwerk gemäß einer Ausführungsform zeigt. Wie gezeigt in 1, weist ein Kombikraftwerk (ein Gasturbinenkombikraftwerk) 10 hauptsächlich eine Gasturbine 11, einen Abgaswärmerückgewinnungskessel 12, eine Dampfturbine 13 und eine Steuereinheit 50, die den Betrieb des Kombikraftwerks 10 steuert, auf. Das Kombikraftwerk 10 ist ein Kraftwerk, welches elektrische Leistung oder elektrische Leistung und thermische Energie unter Verwendung eines Verbundzyklus der Gasturbine 11 und der Dampfturbine 13 liefert. Die Gasturbine 11 treibt einen Energieerzeuger 24 durch Expandieren eines Arbeitsfluids an, welches im Druck durch einen Verdichter 21 erhöht wird und durch die Brennkammer 22 mit einer Turbine 23 verbrannt wird. Abgas, entladen von der Turbine 23 der Gasturbine 11, wird zum Abgaswärmerückgewinnungskessel 12 gefördert und als eine Wärmequelle verwendet, um Dampf zu erzeugen.
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Der Abgaswärmerückgewinnungskessel 12 empfängt Wärme, die vom Abgas der Gasturbine 11 übertragen wurde, erzeugt Dampf (Wasserdampf) und liefert den Dampf zu der Dampfturbine 13. Die Dampfturbine 13 treibt eine Turbine (nicht dargestellt) unter Verwendung des gelieferten Dampfs an und erzeugt Energie.
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Wie gezeigt in 1, weist das Kombikraftwerk 10 außerdem einen Brennstoffgaserhitzer 30 auf, der in einer Brennstoffgasversorgungsleitung 25 angeordnet ist, durch den Brennstoffgas zu der Brennkammer 22 der Gasturbine 11 geliefert wird, mit der Absicht, die thermische Effizienz der Brennkammer 22 zu verbessern. Der Brennstoffgaserhitzer 30 ist mit einem Zwischenauslass (einem Auslass von einem Mitteldruckvorwärmer (nicht gezeigt)) des Abgaswärmerückgewinnungskessels 12 durch eine Heißwasserversorgungsleitung 26 verbunden. Bei dem Brennstoffgaserhitzer 30 wird Wärme zwischen dem Brennstoffgas, das durch die Brennstoffgasversorgungsleitung 25 eingeleitet wird, und Hochtemperatur-Heißwasser (zum Beispiel 240°C), welches durch die Heißwasserversorgungsleitung 26 eingeleitet wird, übertragen. Das Brennstoffgas, welches durch den Wärmeübergang in der Temperatur erhöht ist, wird in die Brennkammer 22 eingeleitet. Ein Brennstoffgastemperatursensor 27 zum Detektieren der Auslasstemperatur des Brennstoffgases ist nahe beim Auslass des Brennstoffgaserhitzers 30 auf der Brennstoffgasversorgungsleitung 25 angeordnet. Die Heißwasserversorgungsleitung 26 ist mit einem Heißwasserströmungsratensensor 28 zum Detektieren der Strömungsrate (die Volumenströmungsrate [t/h]) des Heißwassers, welches zum Brennstoffgaserhitzer 30 geliefert werden soll, vorgesehen.
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Der Auslass des Brennstoffgaserhitzers 30 ist mit einem Ende einer Heißwasserrückführungsleitung 31 verbunden, deren anderes Ende mit einem Speisewassereinlass des Abgaswärmerückgewinnungskessels 12 verbunden ist. Ein Rückführungsventil 32 ist in der Heißwasserrückführungsleitung 31 zwischen dem Brennstoffgaserhitzer 30 und dem Abgaswärmerückgewinnungskessel 12 vorgesehen. Mit dem geöffneten Rückführungsventil 32 wird Heißwasser, dessen Temperatur durch den Brennstoffgaserhitzer 30 reduziert wurde, zum Abgaswärmerückgewinnungskessel 12 zurückgeführt. Die Heißwasserrückführungsleitung 31 hat zwischen dem Brennstoffgaserhitzer 30 und dem Rückführungsventil 32 eine Gabelung 33. Die Gabelung 33 ist mit einem Ende einer Kondensatleitung 34 verbunden, deren anderes Ende mit einem Kondensator 35 der Dampfturbine 13 verbunden ist. Die Kondensatleitung 34 ist mit einem Ablassventil 36 vorgesehen. Wenn das Ablassventil 36 geöffnet ist, wird Heißwasser, dessen Temperatur durch den Brennstoffgaserhitzer 30 reduziert wurde, zum Kondensator 35 zurückgeführt.
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In dem Kombikraftwerk 10, welches wie oben beschrieben konfiguriert ist, liefert die Steuereinheit 50 eine An-Aus-Steuerung für das Rückführungsventil 32 und das Ablassventil 36, beispielsweise basierend auf der Last (zum Beispiel der elektrischen Last [MW], erzeugt durch den Energieerzeuger 24) der Gasturbine 11 und der Strömungsrate (der Volumenströmungsrate [t/h]) des Heißwassers.
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Während eines Normallastbetriebs der Gasturbine 11 schließt die Steuereinheit 50 das Ablassventil 36 und steuert den Öffnungsgrad (Ventilöffnungsgrad) des Rückführungsventils 32. Insbesondere liefert die Steuereinheit 50 eine Vorwärtskopplungssteuerung auf das Rückführungsventil 32 basierend auf der Last der Gasturbine 11 unter Berücksichtigung der Ventileigenschaften. In diesem Fall ist eine Zielströmungsrate des Heißwassers für die Last der Gasturbine 11 in der Steuereinheit 50 festgesetzt worden, und die Steuereinheit 50 liefert eine Vorwärtskopplungssteuerung auf den Ventilöffnungsgrad des Rückführungsventils 32, um die Zielströmungsrate zu erhalten. Das Ablassventil 36 hat einen Ventilöffnungsgrad hauptsächlich gesteuert, wenn die Gasturbine 11 anläuft oder anhält. Insbesondere liefert die Steuereinheit 50 eine Regelung betreffend den Ventilöffnungsgrad des Ablassventils 36 basierend auf dem Unterschied zwischen der Strömungsrate des Heißwassers, welches in die Heißwasserrückführungsleitung 31 strömt, und der Zielströmungsrate des Heißwassers, die für die Last der Gasturbine 11 festgelegt wurde. Während dieser Regelung wird das Rückführungsventil 32 geschlossen gehalten.
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Nach einer plötzlichen Abnahme der Last der Gasturbine 11, z. B. wenn die Verbindung des Energieerzeugers 24 mit einem Verdichter 21 und der Turbine 23 getrennt ist, muss die Brennstoffgasmenge, die zur Brennkammer 22 geliefert wird, mit der Abnahme der Last reduziert werden. In diesem Fall stellt die Steuereinheit 50 den Öffnungsgrad des Rückführungsventils 32 von einer Strömungsratensteuerungsposition auf eine vollständig geschlossene Position ein, was das Hochtemperatur-Heißwasser daran hindern kann, zum Abgaswärmerückgewinnungskessel 12 zurück zu strömen.
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Eine Verminderung der Menge des gelieferten Brennstoffgases reduziert die Wärmekapazität des Brennstoffgases. Ein einfaches Steuern des Ventilöffnungsgrades des Ablassventils 36, basierend auf dem Unterschied der tatsächlichen Strömungsrate und der Zielströmungsrate des Heißwassers, veranlasst das Heißwasser, in übermäßigem Maße das Brennstoffgas zu erwärmen, was zu einem problematisch starken Anstieg der Temperatur des Brennstoffgases führen kann.
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Die Konfiguration der Ausführungsform bietet vorteilhafte Effekte beim Einstellen des Ventilöffnungsgrads des Ablassventils 36 in einer Art und Weise der Steuerung eines scharfen Anstiegs der Temperatur des Brennstoffgases. Der Ventilöffnungsgrad des Ablassventils 36 wird wie unten angegeben gesteuert. 2 ist eine darstellende Zeichnung einer Logik zur Steuerung des Ventilöffnungsgrads des Ablassventils. 3 ist ein Ablaufdiagramm, welches einen Ablauf zur Steuerung des Ventilöffnungsgrads des Ablassventils zeigt. 4 ist eine Zeichnung, die Änderungen in dem Ventilöffnungsgrad des Ablassventils und in der Temperatur des Brennstoffgases als Antwort auf eine Laständerung zeigt.
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In 2 erzeugt GTMW elektrische Energie [MW] (Last der Gasturbine 11) erzeugt durch den Energieerzeuger 24, und ein Strömungsratenberechner 51 wird von der erzeugten elektrischen Energie [MW] unterrichtet. Der Strömungsratenberechner 51 berechnet die Zielströmungsrate (die Volumenströmungsrate [t/h]) des Heißwassers, die für den Brennstoffgaserhitzer 30 notwendig ist, Brennstoffgas, basierend auf der elektrischen Leistung [MW] (die Magnitude der Last) zu erwärmen. Die berechnete Zielströmungsrate wird mit der Strömungsrate des Heißwassers, gemessen durch den Heißwasserströmungsratensensor 28 (1), verglichen, und der Unterschied dazwischen wird in eine PI-Steuereinheit 52 eingegeben und verwendet, um den Ventilöffnungsgrad des Ablassventils 36 zu bestimmen.
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In der Konfiguration der Ausführungsform, wenn die erzeugte elektrische Energie [MW] gleich der oder unter eine vorbestimmte untere Grenze fällt (zum Beispiel 0 [MW]), wird ein Null-Lastsignal ausgegeben. Nach Empfang des Null-Lastsignals steuert die Steuereinheit 50 das Ablassventil 36 derart, dass es bei einem bestimmten Öffnungsgrad geöffnet bleibt (zum Beispiel ein Öffnungsgrad von 10%), der für eine vorbestimmte Zeit vorbestimmt ist (zum Beispiel zehn Minuten).
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Der Ablauf der Steuerung wird nun beschrieben werden. Wie gezeigt in 3, bestimmt die Steuereinheit 50, ob ein Null-Lastsignal an ist, in anderen Worten, ob die Steuereinheit 50 das Null-Lastsignal empfängt (Schritt Sa1). Wenn für das Null-Lastsignal bestimmt wird, nicht an zu sein (Nein im Schritt Sa1), schreitet der Ablauf mit Schritt Sa5 weiter fort. Wenn für das Null-Lastsignal bestimmt ist, an zu sein (Ja im Schritt Sa1), beginnt die Steuereinheit 50, ab der Zeit des Empfangs des Null-Lastsignals als eine Referenzzeit eine vorbestimmte Zeit T1 (zum Beispiel zehn Minuten) zu zählen. Die Steuereinheit 50 stellt außerdem den Ventilöffnungsgrad des Ablassventils 36 auf einen bestimmten vorbestimmten Öffnungsgrad ein (zum Beispiel 10%) (Schritt Sa2).
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Die vorbestimmte Zeit T1 (zum Beispiel zehn Minuten) und ein Wert des bestimmten Öffnungsgrads (zum Beispiel 10%) werden basierend auf Ergebnissen von Simulationen und Versuchen unter Verwendung einer realen Maschine, derart bestimmt, dass ein Anstieg der Temperatur des Brennstoffgases einen definierten Wert nicht überschreitet, während die Strömungsrate des Heißwassers, die für den Brennstoffgaserhitzer 30 notwendig ist, sichergestellt wird. Der bestimmte Öffnungsgrad zeigt den Grad der Öffnung an, bei dem die Strömungsrate des Heißwassers, welches in den Brennstoffgaserhitzer 30 strömt, reduziert wird, um einen Anstieg in der Temperatur des Brennstoffgases zu vermindern. Die vorbestimmte Zeit T1 wird lang genug festgelegt, um einen scharfen Anstieg der Temperatur des Brennstoffgases zu steuern.
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In dieser Ausführungsform, wie gezeigt in 4, wenn kein Null-Lastsignal angeschaltet ist, ist das Rückführungsventil 32 geschlossen und der Ventilöffnungsgrad des Ablassventils 36 wird auf den vorbestimmten bestimmten Öffnungsgrad eingestellt (zum Beispiel 10%). Dieser Betrieb erlaubt eine Verminderung in der Strömungsrate des Heißwassers, das in den Brennstoffgaserhitzer 30 strömt. Dieser Aufbau kann deswegen einen scharfen Anstieg in der Temperatur des Brennstoffgases steuern, welcher unmittelbar nach dem das Null-Lastsignal angeschaltet ist, in der obigen vorbestimmten Zeit T1 auftritt.
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Die Steuereinheit 50 bestimmt, ob die vorbestimmte Zeit T1 (zum Beispiel zehn Minuten) abgelaufen ist, seit das Null-Lastsignal angeschaltet wurde (Schritt Sa3). Wenn die vorbestimmte Zeit T1 (zum Beispiel zehn Minuten) bestimmt wurde, dass sie abgelaufen ist (Ja im Schritt Sa3), führt die Steuereinheit 50 eine PI-Steuerung aus, um den Ventilöffnungsgrad des Ablassventils 36 zu bestimmen, die auf dem Unterschied zwischen der Zielströmungsrate berechnet für die Last der Gasturbine 11 (erzeugte elektrische Energie [MW])und der tatsächlichen Strömungsrate des Heißwassers (Schritt Sa5) basiert. Mit dem Ventilöffnungsgrad des Ablassventils 36, der auf den vorbestimmten Ventilöffnungsgrad eingestellt ist, wie gezeigt in 4, wird die Strömungsrate des Heißwassers angehoben, was dementsprechend die Temperatur des Brennstoffgases anhebt. Solche Anhebungen ermöglichen ein schnelles Hochfahren der Gasturbine 11, wenn das Null-Lastsignal ausgeschalten ist, in anderen Worten, wenn der Betrieb der Gasturbine 11 begonnen wird.
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Wenn für die vorbestimmte Zeit T1 (zum Beispiel zehn Minuten) bestimmt wird, dass sie nicht abgelaufen ist (Nein im Schritt Sa3), bestimmt die Steuereinheit 50, ob das Null-Lastsignal angelassen wird (Schritt Sa4). Wenn das Null-Lastsignal angelassen wird (Ja im Schritt Sa4), kehrt der Vorgang zurück zu Schritt Sa3. Wenn das Null-Lastsignal bestimmt wird, dass es nicht mehr länger angeschaltet bleibt (Nein im Schritt Sa4), führt die Steuereinheit 50 eine PI-Steuerung aus, um den Ventilöffnungsgrad des Ablassventils 36 basierend auf dem Unterschied zwischen der Zielströmungsrate, berechnet für die Last (erzeugte elektrische Energie[MW]) der Gasturbine 11 und der tatsächlichen Strömungsrate des Heißwassers zu bestimmen (Schritt Sa5). In dieser Konfiguration, wenn das Null-Lastsignal abgeschaltet wird, in anderen Worten, wenn der Betrieb der Gasturbine 11 begonnen wird, bevor die vorbestimmte Zeit T1 abläuft (zum Beispiel zehn Minuten), wird der Ventilöffnungsgrad des Ablassventils 36 gesteuert, ohne zu warten, bis die vorbestimmte Zeit T1 abläuft. Dieser Aufbau erreicht eine flexiblere Steuerung des Ventilöffnungsgrads des Ablassventils 36 in Abhängigkeit der Last der Gasturbine 11.
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Eine andere unterschiedliche Ausführungsform wird nunmehr beschrieben werden. Die Konfiguration der obigen Ausführungsform kann einen scharfen Anstieg in der Temperatur des Brennstoffgases steuern, welcher unmittelbar nach einem plötzlichen Abfall der Last der Gasturbine 11 auftritt (zum Beispiel, wenn die Last abgekoppelt wird). Diese Konfiguration jedoch leidet immer noch an einem scharfen Anstieg der Temperatur des Brennstoffgases, wenn die Strömungsrate des Heißwassers plötzlich beim Zurückkehren der Steuerung auf den Ventilöffnungsgrad des Ablassventils 36 zur PI-Steuerung angehoben wird. Die unterschiedliche Ausführungsform bezieht sich darauf, wie der Ventilöffnungsgrad des Ablassventils 36 gesteuert wird, wenn die Ventilöffnungsgradsteuerung auf eine PI-Steuerung umgeschaltet wird. 5 ist eine darstellende Zeichnung einer Logik, um den Ventilöffnungsgrad eines Ablassventils gemäß der unterschiedlichen Ausführungsform zu zeigen. 6 ist ein Ablaufdiagramm, welches einen Ablauf zur Steuerung des Ventilöffnungsgrads des Ablassventils zeigt. 7 ist eine Zeichnung, die Änderungen des Ventilöffnungsgrades des Ablassventils und der Temperatur des Brennstoffgases als Antwort auf eine Laständerung zeigt. Bei der unterschiedlichen Ausführungsform zeigen gleiche Bezugszeichen der obigen Ausführungsform gleiche Komponenten an und eine detaillierte Beschreibung dieser wird weggelassen werden.
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Wie gezeigt in 5, veranlasst die Steuereinheit 50A der unterschiedlichen Ausführungsform eine Zielströmungsrate, die durch den Strömungsratenberechner 51 berechnet wurde, dass sie zu einer Zuwachsratenfestlegungseinheit 53 ausgegeben wird. Die Zuwachsratenfestlegungseinheit 53 bestimmt eine Zuwachsrate, an der die Strömungsrate des Heißwassers auf die berechnete Zielströmungsrate angehoben wird, wenn zum Beispiel ein Null-Lastsignal abgeschaltet wird und die Ventilöffnungsgradsteuerung am Ablassventil 36 auf PI-Steuerung umgeschaltet wird. Die Zuwachsrate ist ein Wert, welcher Schritte der Strömungsrate des Heißwassers pro Zeiteinheit repräsentiert. Zum Beispiel wird mit einer Zuwachsrate von 10 [(t/h)/min], die Strömungsrate des Heißwassers um einen Schritt von 10 [t/h] in jeder Minute erhöht. Die Zuwachsratenfestlegungseinheit 53 gibt die Strömungsrate (die Zielströmungsrate), die schrittweise bis zur berechneten Zielströmungsrate angehoben wurde, mit der bestimmten Zuwachsrate aus.
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Bei der unterschiedlichen Ausführungsform weist die Zuwachsratenfestlegungseinheit 53 eine Tabelle auf (nicht gezeigt), die obere Grenzen der Zuwachsrate für entsprechende unterschiedliche Brennstoffgasauslasstemperaturen am Auslass des Brennstoffgaserhitzers 30 definiert. Eine obere Grenze der Zuwachsrate wird basierend auf der Brennstoffgasauslasstemperatur, gemessen durch den Brennstoffgastemperatursensor 27, festgelegt (1). Die obere Grenze der Zuwachsrate kann in einem Bereich bestimmt werden, wo ein Zuwachs der Brennstoffgastemperatur eine Basislinie nicht überschreitet, in Bezug auf die Ergebnisse der Simulationen, Versuche unter Verwendung einer realen Maschine und anderen Verfahren.
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Die Zielströmungsrate, die schrittweise angehoben wurde und von der Zuwachsratenfestlegungseinheit 53 ausgegeben wurde, wird mit der Strömungsrate des Heißwassers, gemessen durch den Heißwasserströmungsratensensor 28, verglichen (1). Der Unterschied zwischen diesen wird in die PI-Steuereinheit 52 eingegeben und der Ventilöffnungsgrad des Ablassventils 36 wird bestimmt.
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Der Ablauf der Steuerung wird nun beschrieben werden. 6 zeigt einen Ablauf, bei dem die Ventilöffnungsgradsteuerung am Ablassventil 36 zur PI-Steuerung umgeschaltet wird. Wie gezeigt in 6 veranlasst, wenn das Null-Lastsignal ausgeschalten ist oder wenn eine vorbestimmte Zeit T1 (zum Beispiel 10 Minuten) abgelaufen ist, nachdem das Null-Lastsignal angeschaltet wurde (Schritt Sb1), die Steuereinheit 50A den Brennstoffgastemperatursensor 27, die Brennstoffgasauslasstemperatur zu messen und erlangt die gemessene Brennstoffgasauslasstemperatur (Schritt Sb2).
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Die Steuereinheit 50A lädt die obere Grenze der Zuwachsrate des Heißwassers korrespondierend zur gemessenen Brennstoffgasauslasstemperatur (Schritt Sb3). Die obere Grenze der Zuwachsrate wird aus der Tabelle der Zuwachsratenfestlegungseinheit 53 geladen, wobei die Tabelle die obere Grenze der Zuwachsrate für jede Brennstoffgasauslasstemperatur definiert. Die Verwendung der Tabelle ist beim einfachen Festlegen der oberen Grenze der Zuwachsrate des Heißwassers korrespondierend zu einer tatsächlichen Brennstoffgasauslasstemperatur vorteilhaft. Die Brennstoffgasauslasstemperatur kann periodisch gemessen werden (zum Beispiel alle 30 Sekunden) und eine korrespondierende obere Grenze der Zuwachsrate kann zu jeder Messung geladen werden. Diese Konfiguration erlaubt es, die obere Grenze der Zuwachsrate des Heißwassers nach einer Änderung der Brennstoffgasauslasstemperatur genau festzulegen.
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Die Steuereinheit 50A steuert den Ventilöffnungsgrad des Ablassventils 36 in dem Bereich, wo die Zuwachsrate des Heißwassers gleich ist zur oder unter der oberen Grenze liegt (Schritt Sb4). Insbesondere führt die Steuereinheit 50A eine PI-Steuerung aus, um den Ventilöffnungsgrad des Ablassventils 36 basierend auf dem Unterschied zwischen der Zielströmungsrate des Heißwassers, erhalten durch die obere Grenze der Zuwachsrate des Heißwassers und der tatsächlichen Strömungsrate des Heißwassers. Der Ventilöffnungsgrad des Ablassventils 36 wird schrittweise vom bestimmten Öffnungsgrad zum Zielöffnungsgrad angehoben. Wie gezeigt in 7, kann diese Konfiguration einen scharfen Anstieg der Brennstoffgastemperatur steuern, welcher mit einem Anstieg in der Strömungsrate des Heißwassers auftritt, nachdem die vorbestimmte Zeit T1 (zum Beispiel zehn Minuten) abgelaufen ist. Der Ventilöffnungsgrad des Ablassventils 36 wird in dem Bereich gesteuert, wo die Zuwachsrate des Heißwassers gleich ist oder unter der oberen Grenze liegt, die für jede gemessene Brennstoffgasauslasstemperatur bestimmt ist. Ein Anstieg in der Strömungsrate des Heißwassers wird so gesteuert, dass er nicht die obere Grenze der Zuwachsrate überschreitet, welche Konfiguration eine genaue Einstellung der Brennstoffgastemperatur ermöglicht.
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Wie oben beschrieben, weist das Kombikraftwerk 10 gemäß der Ausführungsformen auf: die Gasturbine 11, den Abgaswärmerückgewinnungskessel 12, der eingerichtet ist, um Abwärme der Gasturbine 11 zurückzugewinnen, um Dampf zu erzeugen, den Brennstoffgaserhitzer 30, der eingerichtet ist, um Brennstoffgas, welches zur Brennkammer 22 der Gasturbine 11 geliefert werden muss, unter Verwendung von Heißwasser, welches durch den Abgaswärmerückgewinnungskessel 12 erwärmt wurde, um als Wärmequelle zu dienen, zu erwärmen, das Rückführungsventil 32, angeordnet in der Heißwasserrückführungsleitung 31, um Heißwasser, welches durch den Brennstoffgaserhitzer 30 gelangt, zum Abgaswärmerückgewinnungskessel 12 zurückzuführen, das Ablassventil 36, welches in der Kondensatleitung 34 angeordnet ist, die von der Heißwasserrückführungsleitung 31 zwischen dem Rückführungsventil 32 und dem Abgaswärmerückgewinnungskessel 12 abgezweigt ist, um Heißwasser zum Kondensator 35 zurückzuführen, und die Steuereinheit 50 (50A), die den Betrieb des Rückführungsventils 32 und des Ablassventils 36 steuert. Wenn ein Null-Lastsignal der Gasturbine 11 angeschaltet ist, schließt die Steuereinheit 50 (50A) das Rückführungsventil 32 und hält das Ablassventil 36 auf einem bestimmten Öffnungsgrad offen, der bestimmt ist, um die Strömungsrate des Heißwassers, welches in den Brennstoffgaserhitzer 30 strömt, für eine vorbestimmte Zeit zu reduzieren. Dieser Betrieb ermöglicht eine Reduzierung in der Strömungsrate des Heißwassers, welches in den Brennstoffgaserhitzer 30 strömt. Diese Konfiguration kann deswegen einen scharfen Anstieg der Temperatur des Brennstoffgases steuern, welcher unmittelbar nachdem das Null-Lastsignal der Gasturbine 11 in der obigen vorbestimmten Zeit angeschaltet wird, auftritt.
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Wenn die vorbestimmte Zeit abgelaufen ist, steigert die Steuereinheit 50A den Ventilöffnungsgrad des Ablassventils 36 schrittweise vom bestimmten Öffnungsgrad zu einem Zielöffnungsgrad korrespondierend zur Zielströmungsrate des Heißwassers, die für die Last der Gasturbine 11 berechnet ist. Dieser Betrieb ist im Steuern eines scharfen Anstiegs in der Temperatur des Brennstoffgases effektiv, welcher mit einem Anstieg in der Strömungsrate des Heißwassers auftritt, nachdem die vorbestimmte Zeit abgelaufen ist.
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Die Steuereinheit 50A speichert eine Tabelle, wo obere Grenzen der Zuwachsrate des Heißwassers für entsprechende unterschiedliche Brennstoffgasauslasstemperaturen am Auslass des Brennstoffgaserhitzers 30 definiert sind. Die Steuereinheit 50A steuert den Ventilöffnungsgrad des Ablassventils 36 in einem Bereich, wo die Zuwachsrate gleich oder unter der oberen Grenze ist, die für jede gemessene Brennstoffgasauslasstemperatur berechnet ist. Ein Anstieg in der Strömungsrate des Heißwassers wird somit derart gesteuert, dass er nicht die obere Grenze der Zuwachsrate überschreitet, was ein genaues Einstellen der Brennstoffgastemperatur ermöglicht.
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Wenn die Last der Gasturbine 11 eine vorbestimmte untere Grenze unterschreitet, bevor die vorbestimmte Zeit abläuft, steigert die Steuereinheit 50A den Ventilöffnungsgrad des Ablassventils 36 schrittweise vom bestimmten Öffnungsgrad zum Zielöffnungsgrad, ohne zu warten, bis die vorbestimmte Zeit abläuft. Dieser Aufbau erlaubt einer Ventilsteuerung, die für die Last der Gasturbine 11 flexibler ist, wenn die Gasturbine 11 in den Lastbetrieb umgeschaltet wird.
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Nicht limitierende Beispielausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind oben beschrieben worden. Die Ausführungsformen sind jedoch nicht dazu gedacht, den Bereich der vorliegenden Erfindung zu beschränken. Die Ausführungsformen können in anderen verschiedenen Formen implementiert werden und verschiedene Weglassungen, Ersetzungen und Änderungen können, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen, gemacht werden. Die vorliegende Ausführungsform und die Abwandlungen hiervon sind in der Erfindung enthalten, die in den Ansprüchen beschrieben ist und Äquivalente hiervon sind ebenfalls im Bereich und dem Kern der Erfindung enthalten.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- KOMBIKRAFTWERK (GASTURBINENKOMBIKRAFTWERK)
- 11
- GASTURBINE
- 12
- ABGASWÄRMERÜCKGEWINNUNGSKESSEL
- 13
- DAMPFTURBINE
- 22
- BRENNKAMMER
- 24
- ENERGIEERZEUGER
- 25
- BRENNSTOFFGASVERSORGUNGSLEITUNG
- 26
- HEISSWASSERVERSORGUNGSLEITUNG
- 27
- BRENNSTOFFGASTEMPERATURSENSOR
- 28
- HEISSWASSERSTRÖMUNGSRATENSENSOR
- 30
- BRENNSTOFFGASERHITZER
- 31
- HEISSWASSERRÜCKFÜHRUNGSLEITUNG
- 32
- RÜCKFÜHRUNGSVENTIL
- 34
- KONDENSATLEITUNG
- 35
- KONDENSATOR
- 36
- ABLASSVENTIL
- 50, 50A
- STEUEREINHEIT
- 51
- STRÖMUNGSRATENBERECHNER
- 52
- PI STEUEREINHEIT
- 53
- ZUWACHSRATENFESTLEGUNGSEINHEIT
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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