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Verfahren zum unterbrechungslosen Umschalten von Turbinenabgas- auf
Frischluftbetrieb bei einem kombinierten Gasturbinen-Dampfturbinen-Kraftwerkblock
im Schnellschlußfall der Gasturbine und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum unterbrechungslosen
Umschalten vom Turbinenabgas- auf Frischluftbetrieb bei einem kombinierten Gasturbinen-Dampfturbinen-Kraftwerkblock
im Schnellschlußfall er Gasturbine und einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
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Bei Kombi-Blöcken der genannten Art dient das noch einen genügenden
Sauerstoff-Anteil enthaltende heiße Abgas einer Gasturbine als Sauerstoffträger
fUr die Feuerung eines nachgeschalteten Dampferzeugers. Mit dieser Kombination wird
eine Wirkungsgradverbesserung gegenüber dem reinen Dampfturbinenprozeß erzielt.
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Dieser Vorteil kann aber nur dann voll ausgeschöpft werden,wenn es
gelingt, bei ungewollter Abschaltung der Brennstoffzufuhr zur Gasturbinen-Brennkammer
das völlige Abschalten der DampSerzeugerfeuerung zu vermeiden. Die Folge des Abschaltens
wäre,daß nicht nur die Dampferzeugung, sondern auch die Stromerzeugung ausfällt
und der gesamte Block neu angefahren werden müßte.
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Dieser Ausfall würde erhebliche Kosten verursachen, die bei entsprechender
Häufigkeit
die Vorteile des höheren Wirkungsgrades von Kombiblöcken gegenüber nicht kombinierten
Anlagen hinfällig machen könnten.
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Aufgabe der Errindung ist es, ein Verfahren für einen kombinierten
Gasturbinen-Dampfturbinen-Kraftwerkblock zur unterbrechungslosen Umschaltung vom
Gasturbinen-Abgasbetrieb auf Frischluftbetrieb sowie eine Einrichtung zur wirtschaftlichen
Durchflibrung dieses Verfahrens zu schaffen.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden
Teil der Anspruchsfassung angegebenen Merkmale gelöst.
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Die Schwierigkeit der Lösung des der Erfindung zugrunde liegenden
Problems besteht darin, daß die Gaseintrittstemperatur in die Gas turbine im Bruchteil
einer Sende von ca. 800 0C auf ca. 300 0C abfällt. Dementsprechend vermindert sich
das in das Turbinenabgas-Kanalsystem einströmende Gasvolumen bzw. das Volumen det
heißen verdichteten Luft gegenüber dem vorher vorhandenen Gasvolumen.
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Der hier herrschende Gasdruck fällt dabei sehr schnell ab, weil sich
die im Kanalsystem vorhandene GasfUllung in dem Maße ausdehnen kann, wie das einströmende
Luftvolumen einen kleineren Raum innerhalb des Kanalsystems einnimmt. Erst mit der
etwas langsamer nachschiebenden Luft wird das Kanalsystem wieder gefüllt und gleichzeitig
wird wegen der geringeren Abströmmenge der Druck gesteigert. Die Dauer dieses Druckanstieges
ist dabei im wesentlichen abhängig von der Größe des Kanalvolumens.
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Sobald die Gasfüllung im Kanalsystem von der nach der Abschaltung
ankommenden Luft freigespült ist, wUrde sich bei gleicher Abströmmenge der Geschränkwiderstand
in den Brennern vermindern.
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Die Ankunft der Luft an den Brennern geschieht nach ca. drei bis vier
Sekunden. Sie trägt ebenfalls zum Druckabfall im Kanalsystem bei und ist der Grund
dafür, daß die abströmende Menge
nicht in einem konstanten Verhältnis
zum Druckabfall in den Brennern steht-.
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Da sich mit dem schnellen Druckabfall auch die aus dem Kanalsystem
abströmende Gasmenge vermindert, entsteht in den Brennerflammen der Dampferzeugerfeuerung
kurzzeitig starker Sauerstoffmangel; als Folge davon wird von der Sicherheitseinrichtung
die gesamte Feuerung abgeschaltet.
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Im Normalvolumen der heißen Luft sind ca. 21 Vol.-% und im Turbinenabgas
nur ca. 16 Vol- Sauerstoff enthalten. Der höhere Anteil in der Luft würde bei deren
Ankunft an den Brennern den Sauerstoffgehalt in den Brennern erhöhen, sofern die
Flammen nicht vorher erloschen sind. Diese Zusammenhänge zeigen,daß in erster Linie
der kurzzeitige Druckeinbruch die Brennerabschaltung verursacht. Erst an zweiter
Stelle muß die durch das Auslaufen der Gas turbine bedingte Mengenverminderung berUcksishtigt
werden. Nach Angaben von Gasturbinen-Herstellern ist die Förderleistung erst nach
60 Sekunden auf ca. 20 ffi abgefallen.
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Wenn es gelingt, innerhalb dieser Zeit die Feuerung mit 20 % ihrer
Leistung in Betrieb zu halten, dann wird erst ab diesem Zeitpunkt Frischluft für
die Wiederzuschaltung der ausgefallenen Brenner benötigt.
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Von Abschaltversuchen an einer Gasturbine ist bekannt gewordene daß
der Gasdruck im Kanalsystem auf einen Bruchteil seines ursprünglichen Wertes in
ca. einer halben Sekunde abgefallen und nach ca. drei bis sechs Sekunden wieder
steil angestiegen ist0 Der schnelle Druckabfall im Kanalsystem kann natürlich nicht
durch die Zuspeisung von Frischluft auf wirtschaftlich vertretbare Weise verhindert
werden, da das Anlaufen eines Gebläses wesentlich länger dauert. Auch wenn ein Geblase
£Gr den evtl0-Schnellschlußfall der Gasturbine laufend in Betrieb gehalten wird,
dürfte es kaum möglich sein, eine relativ große Absperrklappe
zu
öffnen und die Förderleistung des Gebläses so schnell zu steigern, daß kein Luftmangel
entsteht.
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Es wurde deshalb auch e)wogen, statt dessen die Brennstoffzufuhr zu
allen Brennern der Dampferzeugerfeuerung sofort beim Schnellschluß der Gasturbine
zu drosseln und zwar so weit, daß die einströmende Gasmenge nach dem Druckabfall
noch keinen Luftmangel in den Brennerflammen entstehen läßt. Diese Möglichkeit ist
sehr aufwendig und sehr kompliziert in der Handhabung.
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Sie hat sich bisher auch noch nicht bewährt. Das gleiche gilt auch
für das laufende Mitbetreiben einer mit Frischluft arbeitenden Feuerung. Diese Lösung
hat zusätzlich den Nachteil, daß ein höherer Abgasverlust und ein höherer rauchgasseitiger
Strömungswiderstand laufend vorhanden ist.
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Zur Vermeidung all dieser Nachteile wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen,
eine Zusatzfeuerung einzubauen, die einen geringeren Geschränkwiderstand hat als
die Hauptfeuerung. In dieser Feuerung wird als Sauerstoff-Träger Turbinenabgas verwendet,
so daß kein zusätzliches Frischluftgebläse benötigt wird und kein Wirkungsgradabfall
entsteht. Die Zusatzfeuerung wird laufend in Betrieb gehalten und vom Kanalsystem
aus mit Turbinenabgas versorgt. Die Versorgung erfolgt über eine Vordrosselklappe
im Stichkanal zur Zusatzfeuerung. Mit dieser Drosseliclappe wird der Turbinenabgasdruck
auf den Wert gedrosselt, der für den Betrieb der Zusatzfeuerung notwendig ist. Beträgt
beispielsweise der Geschränhxiderstand in den Hauptbrennern 150 mm WS und in der
Zusatzfeuerung 30 mm WS, dann muß in der Vordrosselklappe 120 mm Wo laufend weggedrosselt
werden. Brennstoffseitig bleibt die Zusatzfeuerung immer mit konstanter Last, die
nicht geregelt wird, in Betrieb. Turbinenabgasseitig wird nur dann geregelt, wenn
die Gasturbine in Schnellschluß geht und zwar in der Weise, daß der Schließimpuls
der Brennstoffabsperrarmatur für die Gasturbinen-Brennkammer sogleich einen Offnungsimpuls
an der Vordrosselklappe auslöst. Die anschließende Regelung der Klappe erfolgt in
Abhängigkeit vom Geschränkwiderstand der Zusatz
feuerung.
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Die HauptSeuerung kann in der Zwischenzeit kurzzeitig abgeschaltet
werden. Da die Zusatzfeuerung auf die vorher beschriebene Weise in Betrieb gehalten
und die Dampferzeugung nicht völlig unterbrochen wird, muß der Dampferzeuger zur
Wiederinbetriebnahme nicht von neuem durchlüftet werden. Die Zuschaltung der lIauptbrenner
kann nach wenigen Sekunden wieder beginnen, wobei die einzelnen Brenner in dem Maße
zugeschaltet werden wie Sauerstoff von der auslaufenden Gasturbine und dem anlaufenden
Frischlüfter zur Verfügung steht.
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Die Zusatzfeuerung kann aus Brennern der Hauptfeuerung bestehen. Sie
bietet eine zusätzliche Sicherheit vor Sauerstoffmangel im Schnellschlußfall, wenn
sie brennstoffseitig in einem Teillastpunkt fährt und abgasseitig immer mit Vollast
betrieben wird. In diesem Falle ist ein höherer Sauerstoff-Uberschuß in den Flammen
enthalten als in den Flammen der Iiauptfeuerung. Es entsteht deshalb erst zu einem
späteren Zeitpunkt Sauerstoff-Mangel. Die Öffnung der vorgeschalteten Drosselklappe
muß dann nicht mit der gleichen Geschwindigkeit erfolgen, wie der Druck im Kanalsystem
abfällt.
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Mit beiden Einrichtungen und Maßnahmen zusammen ist es*Möglich, sehr
starke und sehr schnelle -Druckeinbrüche im Kanalsystem so sicher zu, beherrschen,
daß die Feuerung des Dampferzeugers mit ca. 20 ffi ihrer Leistung in Betrieb gehalten
werden kann und der Kraftwerksblock nicht ausfällt. Die Auslegung der Zusatzfeuerung
für den geringeren Geschränkwiderstand hat außerdem den Vorteil,daß damit Zeit gewonnen
wird für die Zuschaltung der Frischlüfter innerhalb der Auslaufzeit der Gasturbine.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die-Einrichtung zu dessen Durchführung
wird beispielsweise anhand der schematischen Zeichnung beschrieben.
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Bei einem Prischlufteintritt 1 ti'itt Frischluft in das System ein,
wird von einem Gasturbinenverdichter 11 verdichtet und durch eine Verbindungsleitung
2 zu einer Gasturbinen-Brennkammer 14 gefördert, in die andererseits aus einer Brennstoffzufuhr
3 und durch eine Schnellschlußeinrichtung 13 Brennstoff gelangt. Nach Durchströmen
einer Verbindungsleitung 4 gibt das erhitzte und ein größeres Volumen einnchmende
Gasgemisch in einer Gasturbine 15 Leistung über eine Turbosatzwelle 16 an den Turbosatz
11, 12, 15 ab. Der Gasturbinensatz wird aus Wirtschaftlichkeitsgründen immer mit
maximaler Last betrieben. Aus der Gasturbine 15 gelangt das noch einen hohen Sauerstoffanteil
sowie einen hohen Wärmcinhalt aufweisende Turbinenabgas durch ein Kanalsystem 5
einerseits zu einem Hauptbrenner 7 und andererseits zu einem Zusatzbrenner 8, wobei
die Brennerflammen 26 und 27 gemeinsam die Feuerung eines Dampferzeugers 25 da stellen.
Der besseren Übersichtlichkeit wegen ist hier jeweils nur ein einzelner Brenner
eines an sich bekannten Brennersystems dargestellt. Dem Brenner 7 wird bei 28 und
dem Brenner 8 bei 9 Brennstoff in gasförmigem, flüssigem oder festem (staubförmigem)
Aggregatzustand zugeführt. Zur Anpassung dcr Dampferzeugung für den Betrieb des
nicht dargestellten Dampfturbinen-Generatorsatzes an die jeweilige Energieabnahme
wird die Brennstoffzufuhr 28 zum Hauptbrenner 7 geregelt, während die Brennstoffzufuhr
9 zum Zusatzbrenner 8 ungeregelt erfolgt.
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Sehr wesentlich ist, daß die Zusatzfeuerung 8, 27 einen niedrigeren
Geschränkwiderstand # p3 hat, als die Hauptfeuerung, welche den höheren Geschränkwiderstand
a Pl aufweist. Da nun aus dem Kanalsystem 5 Hauptbrenner 7 und Zusatzbrenner 8 gespeist
werden, ist erfindungsgemäß im zum Zusatzbrenner 8 führenden Ast des Kana]systems
5 eine Vordrosselklappe 10 vorgesehen, die eine Druckdifferenz # p2 zwischen dem
Kanalsystem 5 und dem Eintritt in das Zusatzbrennergeschränk durch Drosselung bewirkt.
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Durch besondere Ausbildung dieser Drosselstelle wird im Schnellschlußfalle
der Gas turbine 15 die Drosselwirkung in einer Zeit verringert, die der Schließgeschwindigkeit
der Schnellschlußeinrichtung
13 entspricht.
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Um Sauerstoffmangel im Gasturbinen-Schnellschlußfalle mit Sicherheit
auszuschließen und um unerfaßbare Abläufe bei diesem kritischen Regelabschnitt besser
zu beherrschen, schließlich um Zeit zum Anlaufen der Frischluftförderung während
des Auslaufens des Gasturbinensatzes zu gewinnen, wird die Zusatzfeuerung mit einem
Luftüberschuß betrieben, der größer ist als der Luftüberschuß in der Hauptfeuerung.
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Der Zusatzbrenner 8 ist in der Zeichnung als Bodenbrenner dargestellt;
er kann auch in einer beliebigen anderen Lage> beispielsweise als Seitenbrenner,
eingebaut werden. Es liegt auch im rahmen der Erfindung, daß die Zusatzfeuerung
aus einem oder einem Teil der Brenner der Hauptfeuerung bestehen kann.