DE19882264B4

DE19882264B4 - Kombiniertes Zykluskraftwerk

Info

Publication number: DE19882264B4
Application number: DE19882264T
Authority: DE
Inventors: Jun Takasago Yasuraoka; Kouzo Takasago Toyama
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1998-01-29
Filing date: 1998-01-29
Publication date: 2006-06-29
Anticipated expiration: 2018-01-30
Also published as: CA2285449A1; DE19882264T1; CA2285449C

Abstract

Kombiniertes Zyklus-Kraftwerk, aufgebaut aus einer Gasturbinenanlage und einer Dampfturbinenanlage, umfassend:
1.1 einen Abwärme-Rückgewinnungsboiler zum Erzeugen von Dampf, der die Dampfturbine durch Ausnutzen der Abwärme aus der Gasturbine antreibt, und
1.2 ein Dampfkühlsystem zum Kühlen der zu kühlenden Hochtemperaturteile der Gasturbine mittels Dampf; wobei
1.3 überhitzter Dampf aus dem Dampfkühlsystem zur Dampfturbine rückgeführt wird;
dadurch gekennzeichnet, dass
1.4 eine Einrichtung zum Erfassen der Strömung des Dampfes am Einlass und Auslass des Dampfkühlsystemes vorgesehen ist und der Zeitpunkt des Vollendens des Aufheizprozesses des Dampfkühlsystemes beim Anfahren aus der Differenz des Durchsatzes des Dampfes am Einlass und Auslass erfasst wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein kombiniertes Zykluskraftwerk, aufgebaut aus einer Gasturbinenanlage und einer Dampfturbinenanlage.
Ein kombiniertes Zykluskraftwerk ist ein Krafterzeugungssystem, aufgebaut aus einer Gasturbinenanlage und einer Dampfturbinenanlage. Bei diesem System wird die Gasturbine derart betrieben, daß sie einen Hochtemperaturbereich der thermischen Energie ausnutzt, und die Dampfturbinenanlage wird derart betrieben, daß sie einen Niedertemperaturbereich der thermischen Energie ausnutzt, so daß die thermische Energie wirkungsvoll rezykliert wird. Das Krafterzeugungssystem hat daher in letzter Zeit viel Aufmerksamkeit gewonnen.
Bei diesem kombinierten Zykluskraftwerk richten sich die Forschung und Entwicklung auf das Steigern der Temperatur des Hochtemperaturbereiches der Gasturbine als ein Gesichtspunkt zum Steigern des Wirkungsgrades.
Indes ist ein Kühlsystem für den Hochtemperaturbereich notwendig, im Hinblick auf den Wärmewiderstand der Turbinenkonstruktion; als Kühlmittel des Kühlsystems wird normalerweise Luft verwendet.
Wird Luft als Kühlmittel verwendet, und ist ein Hochtemperaturbereich gebildet, so erbringt dieser Hochtemperaturbereich keinerlei Verbesserungen des Wirkungsgrades, da die Wärmemenge, die durch die Luft als Kühlmittel abzuführen ist, vergrößert wird. Dem gemäß gibt es eine Grenze bezüglich der Steigerung des Wirkungsgrades.
Um die Grenze zu überwinden und weitere Verbesserungen des Wirkungsgrades zu erzielen, wurde ein Kühlsystem, das Dampf als Kühlmittel anstatt Luft verwendet, vorgeschlagen.

Diese Art von Kühlsystem ist in der japanischen Patentanmeldung, erste Veröffentlichung No.Hei 5-163960 beispielsweise offenbart. Dieses Kühlsystem bringt jedoch zahlreiche Probleme mit sich, die im einzelnen überwunden werden müssen, obgleich hier das Konzept des Verwendens von Dampf als Kühlmittel offenbart ist.

So ist beispielsweise beim Anfahren der Turbine das Austreiben von Luft notwendig, die im Dampfkühlsystem verblieben ist; diese Vorgänge werden mittels Dampf durchgeführt, der vom Hilfsdampsystem gemäß der oben genannten japanischen Patentanmeldung geliefert wird.

Es gibt jedoch keinerlei Überlegungen bezüglich der Drainage, die bei der obigen Serie von Prozessen erzeugt wird. Das Prinzip des Dampfkühlens befindet sich somit noch im Versuchsstadium, und das Austreiben der Drainage im Dampfkühlsystem beim Anfahren der Gasturbine hat bisher kein Vorbild.

Beim herkömmlichen Dampfkühlsystem wird der vom Hilfsdampfsystem gelieferte Dampf verwendet zum Austreiben der Luft, die im Kühldampfsystem verbleibt, im Falle des Austreibens der Luft, die im System beim Anfahren der Turbine verbleibt, so wie oben beschrieben. Die im Wasser vorliegende Sauerstoffkonzentration wird jedoch gesteigert durch die Luft, die mit dem Dampf beim Zuführen von Dampf zum Reinigen gemischt wird, und der Sauerstoff kann zu Oxidation und Korrosion der Rohrleitungen des Boilers bzw. Kessels führen.

Inzwischen kann eine Drainage im Kühlbereich der Gasturbine durch Zufuhr von Dampf zum Zwecke des Reinigens durchgeführt werden. Diese Drainage blockiert teilweise einen Kühlweg, und die Temperatur der metallischen Teile des Kühlweges sind ungleichförmig.

Findet ein solches teilweises Blockieren des Kühlweges durch die Drainage an einer Schaufelkante eines umlaufenden Teiles oder dergleichen statt, so kann die an der Schaufelkante festgehaltene Feuchtigkeit die Gestalt eines überhitzten Teiles annehmen, was durch teilweise Unzulänglichkeit der Kühlung verursacht wird. Die Feuchtigkeit kann außerdem zu einer übermäßig großen Zentrifugalkraft zufolge eines Ungleichgewichtes der Masse führen, was wiederum zu Störungen führt.

Das Dokument US 5,428,950 beschreibt ein Konzept des Verwendens von Dampf als Kühlmittel für eine Gasturbine.

DE 24 36 738 A1 beschreibt eine elektronische Einrichtung zur Regelung von Einwellen-Einkreissystem-Gasturbinenanlagen, wobei Wandler verwendet werden, die auf die Temperatur des Gases beim Austritt aus den Turbinenschaufeln und am Auslass der Turbine ansprechen.

Die Erfindung befaßt sich mit dem oben genannten Problem, verursacht durch die Drainage. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein kombiniertes Zykluskraftwerk zu schaffen, bei dem die Drainage wirksam ausgetrieben werden kann, und wobei das Austreiben der Drainage erfaßt wird. Der Erfindung liegt mit anderen Worten die Aufgabe zugrunde, ein kombiniertes Zykluskraftwerk zu schaffen, das zuverlässig die Vollendung des Aufheizprozesses in der Startphase der Gasturbine erfaßt.

Die Erfindung soll die oben genannten Probleme lösen.

Ein kombiniertes Zykluskraftwerk gemäß der Erfindung ist aus einer Gasturbinenanlage und einer Dampfturbinenanlage aufgebaut. Das kombinierte Zykluskraftwerk weist einen Abwärme-Wiedergewinnungsboiler zum Erzeugen von Dampf auf, der die Dampfturbine unter Ausnutzung von Abwärme aus der Gasturbine antreibt, ferner ein Dampfkühlsystem zum Kühlen der zu kühlenden Hochtemperaturteile der Gasturbine mittels Dampf; überhitzter Dampf aus dem Dampfkühlsystem wird zur Dampfturbine zurückgeführt. Das kombinierte Zykluskraftwerk weist ferner eine Einrichtung zum Erfassen des Dampfstromes am Einlaß des Dampfkühlsystemes auf. Der zeitliche Ablauf der Vollendung des Aufheizprozesses des Dampfkühlsystemes beim Start wird aus der Differenz des Durchsatzes des Dampfes am Einlaß ermittelt. Liegt die Differenz zwischen dem Dampfstrom am Einlaß und dem Dampfstrom am Auslaß des Dampfkühlsystemes unterhalb eines zulässigen Wertes, so bedeutet dies, daß die Restluft und die Drainage zwischen Einlaß und Auslaß nicht mehr vorhanden sind und daß das Aufheizen abgeschlossen ist, und daß der Verfahrensschritt ausreicht zum Anfahren der Turbine.

Ein kombiniertes Zykluskraftwerk gemäß der Erfindung umfaßt eine Gasturbinenanlage und eine Dampfturbinenanlage. Das kombinierte Zykluskraftwerkt weist einen Abwärme-Wiedergewinnungsboiler zum Erzeugen von Dampf auf, der unter Ausnutzung der Abwärme aus der Gasturbine die Dampfturbine antreibt, ferner ein Dampfkühlsystem für zu kühlende Hochtemperaturteile der Gasturbine mittels Dampf; überhitzter Dampf aus dem Dampfkühlsystem wird zur Dampfturbine zurückgeführt. Das kombinierte Zykluskraftwerk weist ferner eine Einrichtung zum Erfassen der Dampftemperatur am Auslaß des Dampfkühlsystemes auf. Der Zeitpunkt des Vollendens des Aufheizprozesses des Dampfkühlsystemes beim Start wird durch die erfaßte Temperatur des Dampfes am Auslaß bestimmt. Liegt die Differenz zwischen der Dampftemperatur am Einlaß und am Auslaß des Dampfkühlsystemes unterhalb eines zulässigen Wertes, oder liegt die Dampftemperatur am Auslaß des Dampfkühlsystemes über der Sättigungstemperatur des Druckes des zugeführten Dampfes, so heißt dies, daß zwischen Einlaß und Auslaß keine Restluft und keine Drainage mehr vorhanden sind, und daß das Aufheizen vollendet ist, und die Gasturbine angefahren werden kann.

1 zeigt ein Schema zum Erläutern des Systemes zum Erfassen des Durchsatzes und der Temperatur des Kühldampfes am Einlaß des Dampfkühlsystemes gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
2 ist ein Schema, das das Dampfkühlsystem von sich bewegenden Schaufelteilen der Gasturbine zeigt.
3 ist eine vergrößerte Darstellung von Teil A in 2.
Im folgenden soll unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 eine Ausführungsform der Erfindung beschrieben werden.
Bezugszeichen 1 bezeichnet allgemein gekühlte Hochtemperaturteile der Gasturbine. Bezugszeichen 1a ist beispielsweise ein Combustor bzw. Brennkammer, 1b ist eine sich bewegende Schaufel, und 1c ist eine stationäre Schaufel.
Bezugszeichen 2 bedeutet eine Dampfzufuhrleitung. Ein Einlaß-Strömungsmesser 3a ist an der stromaufwärtigen Strömungsseite der Rohrleitung 2 vorgesehen, was der Dampfeinströmseite der gekühlten Hochtemperaturteile 1 entspricht. Weiterhin ist ein Auslaß-Strömungsmesser 3b an der stromabwärtigen Seite der Rohrleitung 2 vorgesehen, was der Dampfauslaßseite der gekühlten Hochtemperaturteile 1 entspricht.
Bezugszeichen 4a bezeichnet ein Einlaßthermometer, und 4b ein Auslaßthermometer. Diese Thermometer sind an der Einströmseite oder der Ausströmseite der gekühlten Hochtemperaturteile 1 vorgesehen, ähnlich dem Einlaß-Strömungsmesser 3a und dem Auslaß-Strömungsmesser 3b.
Bezugszeichen 5 bezeichnet eine erste Subtraktionseinrichtung. Diese Einrichtung berechnet die Differenz des Durchsatzes zwischen dem Einlaß-Strömungsmesser 3a und dem Auslaß-Strömungsmesser 3b, und speist die Differenz einer ersten Vergleichseinrichtung 6 ein. Die erste Vergleichseinrichtung 6 vergleicht die Differenz zu einem vorgegebenen Wert. In gleicher Weise bezeichnet Bezugszeichen 7 eine zweite Subtraktionseinrichtung. Diese Einrichtung berechnet die Differenz des Durchsatzes zwischen dem Einlaßthermometer 4a und dem Auslaßthermometer 4b und speist die Differenz einer zweiten Vergleichseinrichtung 8 ein. Die zweite Vergleichseinrichtung 8 vergleicht die Differenz mit einem vorgegebenen Wert.
Bezugszeichen 9 ist eine Hilfs-Dampfzufuhrleitung, die an eine hier nicht gezeigte Hilfs-Dampfquelle angeschlossen ist. Bezugszeichen 10 ist eine Kühldampfzufuhrleitung. Diese Leitungen sind an die Dampfzufuhrleitung 2 über Schaltventile 9a beziehungsweise 9b angeschlossen. 11, 12 und 13 bezeichnen Ablaßventile.
2 veranschaulicht schematisch die gekühlten Hochtemperaturteile 1b der sich bewegenden Schaufel der Gasturbine. In Schaufel 21 sind eine Kühldampfleitung 2a zum Zuführen von Kühldampf zur Dampfzufuhrleitung 2 in ausgezogenen Linien dargestellt, und eine Kühldampf-Rückführleitung 20a in strichpunktierten Linien zum Rückführen des Kühldampfes zu einer Dampf-Rückführleitung 20 dargestellt. 3 zeigt die Drainage D, die am Ende der Schaufel 21 gespeichert ist.
Bei dieser Ausführungsform und der oben beschriebenen Konstruktion ist das Schaltventil beim Anfahren der Gasturbine abgesperrt, und das Schaltventil 9a geöffnet. Sodann wird die Hilfs-Dampfzufuhrleitung 9 an die Dampfzufuhrleitung 2 angeschlossen und es wird Dampf den zu kühlenden Hochtemperaturteilen 1 zugeführt.
Die im System verbliebene Luft wird durch diesen zugeführten Dampf ausgetrieben, und die im System erzeugte Drainage wird ebenfalls über die Drainage-Auslaßleitungen 14, 15 und 16 ausgetrieben. Die Drainageventile 11, 12 und 13 werden während jener Zeitspanne, zu welcher der Aufheizprozess des Systemes vollendet wird, einwandfrei abgesperrt.
Bei der weiteren Zufuhr von Dampf verläuft der Aufheizprozeß der zu kühlenden Hochtemperaturteile nach und nach, und während dieser Zeit werden die Strömungsmesser 3a, 3b sowie die Thermometer 4a, 4b kontinuierlich durch den Aufheizprozeß betrieben. Bei den Strömungsmessern 3a, 3b gibt die erste Subtraktionseinrichtung 5 den Wert F_ein - F_aus, basierend auf dem vom Einlaß-Strömungsmesser 3a gemessenen Wert von F_ein und dem vom Auslaß-Strömungsmesser 3b gemessenen Wert von F_aus. Dieser Wert F_ein - F_auswird mit einem gegebenen Wert (zulässiger Wert) in einer ersten Vergleichseinrichtung 6 verglichen. Ist F_ein - F_aus ≤ dem zulässigen Wert, so erkennt die erste Vergleichseinrichtung 6, daß der Aufheizprozess abgeschlossen ist, und gibt einen Aufheizprozeß-Fertig-Befehl A ab.
Inzwischen gibt bei den Thermometern 4a, 4b die zweite Subtraktionseinrichtung 7 den Wert T_ein - T_aus ab, basierend auf dem vom Einlaßthermomenter 4a gemessenen Wert T_ein und dem vom Auslaßthermometer 4b gemessenen Wert T_aus. Dieser Wert T_ein - T_aus wird mit einem vorgegebenen Wert (zulässiger Wert) in einer zweiten Vergleichseinrichtung 8 verglichen. Ist T_ein- T_aus ≤ dem zulässigen Wert, so erkennt, die zweite Vergleichseinrichtung 8, daß der Aufheizprozeß abgeschlossen ist und gibt einen Aufheizprozeß-Fertig-Befehl B ab, ähnlich wie im Fall des Strömungsmessers.
Der gemessene Wert T_aus des Auslaßthermometers 4b wird mit der Sättigungstemperatur des Druckes des zugeführten Dampfes verglichen. Demzufolge wird das Verhältnis der beiden Temperaturen mit einem vorgegebenen zulässigen Wert verglichen. Ist T_aus- der Sättigungstemperatur ≥ dem zulässigen Wert, so wird ein Aufheizprozeß-Abschluß-Befehl C abgegeben, ähnlich den Fällen der Strömungsmesser und der Thermometer. Dieser Schritt ist jedoch nicht in den Figuren dargestellt.
Der Aufheizprozeß kann dann als abgeschlossen betrachtet werden, wenn sämtliche oder zwei der oben genannten Aufheizprozeß-Abschluß-Befehle A, B, C abgegeben werden. Über die Kombination der oben genannten Befehle kann entsprechend dem Maßstab oder der erforderlichen Genauigkeit der Anlage entschieden werden.
Sind die zu kühlenden Hochtemperaturteile 1 der Gasturbine beweglich, nämlich die zu kühlenden Hochtemperaturteile 1b von sich bewegenden Schaufeln der Turbine, so ist es zu bevorzugen, den Schritt des Abgebens der Drainage im Schaufelende bei niedriger Drehzahl vorzunehmen. Dieser Drainage-Abgabeschritt ist sorgfältig durchzuführen, da die Drainage, die im Schaufelende der Turbine verbleibt, übermäßige Zentrifugalkräfte oder Unwuchten oder dergleichen erzeugen kann, was zu Störungen führen kann.
Es ist möglich, ein Thermoelement örtlich einzubetten, das aufgrund seines Aufbaus in der Drainage verbleibt. In diesem Falle wird die Entscheidung bezüglich des Abschlusses des Aufheizprozesses auf der Messung des Thermoelementes getroffen.
Man beachte, daß die Erfindung nicht auf die hier dargelegten Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern Varianten und Abwandlungen umfaßt, soweit diese im Rahmen der Erfindung liegen.
Wie oben beschrieben, wird gemäß der Erfindung die im Dampfkühlsystem verbliebene Luft ausgetrieben und die in diesem Verfahren erzeugte Drainage beim Anfahren der Turbine abgelassen. Das Stadium, zu welchem das Aufheizen des Dampfkühlsystemes abgeschlossen ist sowie die folgende Serie von Operationen können sanft vonstatten gehen und zuverlässig durch die Differenz der Strömung des Kühldampfes am Einlaß des Dampfkühlsystemes erfaßt werden. Die Stabilität und Sicherheit während des Betriebes lassen sich somit erheblich verbessern.
Bei der in 2 gezeigten Erfindung läßt sich das Ende des Aufheizprozesses zuverlässig durch die Temperaturdifferenz des Kühldampfes am Einlaß des Dampfkühlsystemes erfassen. Die Stabilität und Sicherheit während des Betriebes lassen sich somit erheblich verbessern, ähnlich dem oben beschriebenen Fall.

Claims

Kombiniertes Zyklus-Kraftwerk, aufgebaut aus einer Gasturbinenanlage und einer Dampfturbinenanlage, umfassend: 1.1 einen Abwärme-Rückgewinnungsboiler zum Erzeugen von Dampf, der die Dampfturbine durch Ausnutzen der Abwärme aus der Gasturbine antreibt, und 1.2 ein Dampfkühlsystem zum Kühlen der zu kühlenden Hochtemperaturteile der Gasturbine mittels Dampf; wobei 1.3 überhitzter Dampf aus dem Dampfkühlsystem zur Dampfturbine rückgeführt wird; dadurch gekennzeichnet, dass 1.4 eine Einrichtung zum Erfassen der Strömung des Dampfes am Einlass und Auslass des Dampfkühlsystemes vorgesehen ist und der Zeitpunkt des Vollendens des Aufheizprozesses des Dampfkühlsystemes beim Anfahren aus der Differenz des Durchsatzes des Dampfes am Einlass und Auslass erfasst wird.
Kombiniertes Zyklus-Kraftwerk, aufgebaut aus einer Gasturbinenanlage und einer Dampfturbinenanlage, umfassend: 2.1 einen Abwärme-Rückgewinnungsboiler zum Erzeugen von Dampf, der die Dampfturbine unter Ausnutzung der Abwärme aus der Gasturbine antreibt, und 2.2 ein Dampfkühlsystem zum Kühlen der zu kühlenden Hochtemperatutteile der Gasturbine mittels Dampf; wobei 2.3 überhitzter Dampf aus dem Dampfkühlsystem zur Dampfturbine rückgeführt wird; dadurch gekennzeichnet, dass 2.4 Mittel zum Erfassen der Temperatur des Dampfes am Auslass des Dampfkühlsystemes vorgesehen sind, wobei der Zeitpunkt des Vollendens des Aufheizprozesses des Dampfkühlsystemes beim Anfahren aus der Differenz der Dampftemperatur am Einlass und am Auslass des Dampfkühlsystemes oder durch Erfassen einer Dampftemperatur am Auslass des Dampfkühlsystemes oberhalb der Sättigungstemperatur des Druckes des zugeführten Dampfes bestimmt wird.