DE2241062C3 - Anordnung zum unterbrechungslosen Umschalten von Turbinenabgas- auf Frischluftbetrieb im SchnellschluBfalle der Gasturbine eines kombinierten Gasturbinen-Dampfturbinen-Kraftwerkblockes - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum «interbrechungslosen Umschalten von Turbinenabgasauf Frischluftbetrieb im Schnellschlußfalle der Gasturbine eines kombinierten Gasturbinen-Dampfturbinen-Kraftwerkblockes, bei dem die Gasturbine abgasseitig iber ein mit Regeleinrichtungen versehenes Gaskanaljystem, an das auch ein nicht ständig laufendes Frischluftgebläse über eine Regeleinrichtung angeschlossen ist, mit Brennern zur Feuerung eines nachgeschalteten Dampferzeugers über Brennergeschränke verbunden ist.

Es ist bereits bekannt, in das Gaskanalsystem eines Kraftwerkblockes der vorbeschriebenen Art verschiedene, unmittelbar nach dem Ausfall der Gasturbine zur Wirkung kommende Klappen einzubauen, um die Luftversorgung der Dampferzeugerfeuerung bei verringertem gefördertem Luftvolumen bis zum Förderbeginn *5 eines Frischluftgebläses insoweit aufrechtzuerhalten, daß die Feuerung nicht völlig erlöscht. Die hierzu erforderlichen Überwachungs-, Steuer- bzw. Regeleinrichtungen sind verhältnismäßig kompliziert und kostspielig {»Energie und Technik«, Heft 5,1972, S. 147 bis 153).

Es ist auch bekannt, zur Verbesserung des Wirkungsgrades im Teillastbereich und als Starthilfe bei einem derartigen Gasturbinen-Dampfturbinen-Kraf twerk block in einem der Gasturbine nachgescnalteten Wärmetauscher des Dampfteiles eine Zusatzfeuerung einzubauen. Diese getrennte Anordnung der Zusatzfeuerung macht es jedoch unmöglich, über sie die Hauptfeuerung des eigentlichen Dampferzeugers etwa im Schndischlußfalle der Gasturbine in Gang zu halten (GB-PS 955 298).

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, die für kombinierte Gasturbinen- Dampfturbinen-Kraftwerkblöcke bekannten Anlagen zum unterbrechungslosen Umschalten vom Gasturbinen-Abgasbetrieb auf Frischluftbetrieb im Hinblick auf Unkompliziertheit und Wirtschaftlichkeit fortzuentwickeln.

Diese Aufgabe wird bei einer Anordnung der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß außer den Hauptbrennern zur Hauptfeuerung mindestens ein zusätzlicher, ebenfalls mi! dem Gaska nalsystem verbundener Zusatzbrenner zur Zusatzfeuerung eingebaut ist. daß der Zusatzbrenner für einen Geschränkewiderstand Δρι in Höhe von etwa 20% des Geschränkewiderstandes Δρ\ der Hauptbrenner dimensioniert ist und daß im zum Zusatzbrenner führenden Ast ries Gaskanalsystems eine die Druckdifferenz Δρι = Δρ\ - Δρη bewirkende, wirkungsmäßig mit der Schnellschlußeinrichtung der Gasturbine gekoppelte Drosseleinrichtung eingebaut ist.

Hierdurch werden folgende Vorteile erzielt:

Da zum Betrieb der laufend in Betrieb gehaltenen Zusatzfeuerung als Sauerstoffträger Turbinenabgas verwendet wird, muß ein zusätzliches Frischluftgebläse nicht ständig mitlaufen, wodurch auch kein Wirkungsgradabfall entsteht.

Das Betreiben der Zusatzfeuerung mit einem niedrigeren Geschränkewiderstand ist auf Grund folgender Tatsachen von Vorteil:

Im Schnellschlußfalle der Gasturbine sinkt die Gaseintrittsiemperatur vor der Gasturbine im Bruchteil einer Sekunde von etwa 800^cC auf etwa 300⁰C ab. Dementsprechend vermindert sich das in das Turbinenabgas-Kanalsystem einströmende Gasvolumen bzw. das Volumen der heißen verdichteten Luft gegenüber dem vorher vorhandenen Gasvolumen.

Auch der im Gaskanalsystem herrschende Gasdruck fällt als weitere Folge sehr schnell ab, weil sich die hier vorhandene Gasfüllung in dem Maße ausdehnen kann, wie das einströmende Luftvolumen einen kleineren Raum innerhalb des Systems einnimmt. Erst mit der etwas langsamer nachschiebenden Luft wird das Gaskanalsystem wieder gefüllt und gleichzeitig entsprechend der geringeren Abströmmenge der Druck gesteigert. Die Dauer dieses Druckanstieges ist dabei im wesentlichen abhängig von der Größe des Gaskanalvolumens.

Sobald die Gasfüllung im Gaskanalsystem hinter der Gasturbine von der nach der Abschaltung ankommenden Luft freigespült ist, würde sich andererseits bei gleicher Abströmmenge der Geschränkwiderstand in den Brennern vermindern. Die Ankunft der Luft an den Brennern geschieht nach etwa 3 bis 4 Sekunden. Dies trägt ebenfalls zum Druckabfall im Gaskanalsystem bei und ist mit ein Grund dafür, daß die abströmende Menge nicht in einem konstanten Verhältnis zum Druckabfall in den Brennern stent.

Im Normalvolumen der heißen Luft sind etwa 21 Volumenprozent und im Turbinenabgas nur etwa 16 Volumenprozent Sauerstoff enthalten.

Der höhere Anteil in der Luft würde bei deren Ankuft an den Brennern den Sauerstoffgehalt in den Brennern erhöhen, sofern die Flammen nicht, was ohne die erfindungsgemäße Anlage der Fall wir, vorher erloschen sind.

Bislang hatte in erster Linie der kurzzeitige Druckeinbruch die Brennerabschaltung verursacht. Es ist nämlich bekannt, daß nach Schnellabschalten d,r Gasturbine der Gasdruck im Gaskanalsystem in etwa einer halben Sekunde auf einen Bruchteil seines ursprünglichen Wertes abfällt, aber nach 3 bis 6 Sekunden wieder steil ansteigt

Da sich mit diesem momentanen Druckabfall auch die aus dem Gaskanalsystem abströmende Gasmenge verminderte, entstand in den Brennerflammen der Dampferzeugerfeuerung kurzzeitig starker Sauerstoffmangel; als Folge davon wurde von der Sicherheitseinrichtung die gesamte Feuerung abgeschaltet.

Diese Zusammenhänge /eigen, daB in erster Linie der kurzzeitige Druckeinbruch die Brennerabschaltung verursachte.

Erst an zweiter Stelle muß die durch das Auslaufen der Gasturbine bedingte Luftmengenverminderung berücksichtigt werden, weil nämlich die Förderleistung erst nach 60 Sekunden auf etwa 20% abfällt Auf Grund dieser Erkenntnis brauchen in vorteilhafter Weise die Zusatzbrenner nur mit kleinem Geschränkwiderstand ausgeführt werden.

Die Zusatzfeuerung ist daher laufend in Beuieb und wird vom Gaskanalsystem aus mit Turbinenabgas versorgt. Die Versorgung erfolgt über einen Stichkanal über eine Vordrosselklappe. Mit dieser Drosselklappe wird der Turbinenabgasdruck auf den Wert gedrosselt, der für den Betrieb der Zusatzfeuerung notwendig ist. Beträgt beispielsweise der Geschränkwiderstand in den Hauptbrennern 150 mm WS und in dem Zusatzbrenner 30 mm WS, dann muß in der Vordrosselklappe 120 mm WS laufend weggedrosselt werden. Brennstoffseitig bleibt somit die Zusatzfeuerung immer mit konstanter Last die nicht geregelt ist, in Betrieb. Turbinenabgasseitig wird nur dann geregelt, wenn die Gasturbine in Schnellschluß geht, und zwar in der Weise, daß der Schließitnpuls der Brennstofiabsperr.irmatur für die Gasturbinen-Brennkammer sogleich einen Öffnungsimpuls an der Vordrosselklappe auslöst. Die anschließende Regelung der Klappe erfolgt in Abhängigkeit vom Geschränkwiderstand des Zusatzbrenners.

Eine Ausgestaltung besteht darin, daß in die Brennstoffzufuhr zum Hauptbrenner eine lastabhängige Regeleinrichtung eingebaut ist und daß di; Brennstoffzufuhr zum Zusatzbrenn^r regeleinrichtungslos ausgeführt ist.

Die Hauptfeuerung kann somit in der Zwischenzeit kurzzeitig völlig 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 Hauptbrenner kann nach wenigen Sekunden wieder beginnen, wobei die einzelnen Brenner in dem Maße zugeschaltet werden, wie Sauerstoff von der auslaufenden Gasturbine und von dem anlaufenden Frischlüfter zur Verfügung steht. Es ist somit nicht erforderlich, die Brennstoffzufuhr zu allen Brennern der Dampferzeugerfeuerung sofort beim Schnellschluß der Gasturbine stufenweise so weit zu drosseln, daß die einströmende Gasmenge nach dem Druckabfall noch keinen Luftmangel in den Brennerflammen entstehen läßt Diese Möglichkeit wäre sehr aufwendig und sehr kompliziert Das ferner ei-wogene laufende Mitbetreiben einer mit Frischluft arbeitenden Feuerung hätte zu sätzlich den Nachteil, daß ein höherer Abgasverlust und ein größerer rauchgasseitiger Strömungswiderstand laufend vorhanden wären.

Eine weitere Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet daß die Zusatzbrenner für größeren Luftüberschuß ausgelegt sind als die Hauptbrenner.

Die Zusatzfeuerung kann an sich aus einem oder mehreren Brennern der Hauptfeuerung bestehen. Sie bietet dann 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 Sauerstoffüberschuß in den Flammen enthalten als in den Flammen der Hauptfeuerung. Es entsteht deshalb erst zu einem späteren Zeitpunkt Sauerstoffmangel. Die öffnung der vorgeschalteten Drosselklappe muß dann nicht mit der gleichen Geschwindigkeit erfolgen, wie der Druck im Gaskanalsysiem abfällt.

Nach einer anderen Ausgestaltung sind die Zusatzbrenner räumlich getrennt von den Hauptbrennern im Dampferzeuger eingebaut. Dies empfiehlt sich beispielsweise für nachträgliche Anwendung der Anordnung, weil dann der Stichkanal und die Vordrosselklappe samt Stellglied sich leichter unterbringen lassen.

Mit vorbeschriebenen Anordnungen bzw. Maßnahmen ist es möglich, sehr starke und sehr schnelle Druckeinbrüche im Gaskanalsystem so sicher zu beherrschen, daß die Feuerung des Dampferzeugers mit etwa 20% ihrer Leistung in Betrieb gehalten werden kann und daß der Kraftwerksblock nicht ausfällt. Die Auslegung der Zusatzfeuerung für den geringeren Geschränkwiderstand hat außerdem den Vorteil, daß damit Zeit gewonnen wird für die Zuschaltang des Frischluftgebläses innerhalb der Auslaufzeit der Gasturbine.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird an Hand der schematischen Zeichnung beschrieben.

Bei einem Frischlufteintritt 1 tritt Frischluft in das System ein, wird von einem Gasturbinen-Verdichter 11 verdichtet und durch eine Verbindungsleitung 2 zu einer Gasturbinen-Brennkammer 14 gefördert, in die andererseits aus einer Brennstoffzufuhr 3 und über eine Schnellschlußeinrichtung 13 Brennstoff gelangt. Nach Durchströmen einer Verbindungsleitung 4 gibt das erhitzte und ein größeres Volumen einnehmende Gasgemisch in einer Gasturbine IS Leistung über eine Turbosatzwelle 16 an den Verdichter 11 und den Generator 12 ab. Der Gasturbinensatz wird aus Wirtschaftlichkeitsgründen immer mit maximaler Last betrieben. Aus der Gasturbine 15 gelangt das noch einen hohen Sauerstoffanteil sowie einen hohen Wärmeinhalt aufweisende Turbinenabgas durch ein Gaskanalsystem 5 einerseits zu den Hauptbrennern 7 einer Hauptfeuerung und andererseits zu mindestens einem Zusatzbrenner 8 einer Zusatzfeuerung, wobei die Brennerflammen 26 und 27 gemeinsam die Feuerung eines Dampferzeugers 25 darstellen. Der besseren Übersichtlichkeit wegen ist hier jeweils nur ein einzelner Brenner eines an sich bekannten Brennersystems dargestellt. Dem Hauptbrenner 7 wird bei 28 und dem Zusatzbrenner 8 bei 9 Brennstoff in gasförmigem, flüssigem oder festem (staubförmigem) Aggregatzustand zugeführt. Zur Anpassung der Dampferzeugung für den Betrieb des nicht

dargestellten Dampfturbinen-Generatorsatzes an die jeweilige Energieabnahme ist die Brennstoffzufuhr 28 zum Hauptbrenner 7 regelbar, während bei der Brennstoffzufuhr 9 zum Zusatzbrenner 8 keine Regelung vorgesehen ist.

Wie dargelegt, hat er Zusatzbrenner einen niedrigeren Geschränkwiderstand Δρι als die Hauptbrenner, welche den höheren Geschränkwiderstand Δρι aufweisen. Da nun aus dem Gaskanalsystem 5 Hauptbrenner 7 und Zusatzbrenner 8 gespeist werden, ist im zum Zusatzbrenner 8 führenden Ast des Gaskanalsystems 5 eine Vordrosselklappe 10 mit Antrieb 24 vorgesehen, die eine Druckdifferenz Δρι zwischen dem Gaskanalsystem 5 und dem Eintritt in das Zusatzbrennergeschränk durch Drosselung bewirkt Durch diese Drosselstelle wird im Schnellschlußfalle der Gasturbine 15 die Drosselwirkung in einer Zeit verringert, die der Schließgeschwindigkeit der Schnellschlußeinrichtung 13 entspricht.

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.

Der Zusatzbrenner 8 ist gemäß der Zeichnung durch einen Bodenbrenner dargestellt; der Zusatzbrenner kann auch in einer beliebigen anderen Lage, beispielsweise als Seitenbrenner, eingebaut werden. Es liegt

ίο auch im Rahmen der Erfindung, als Zusatzfeuerung einen oder mehrere Zusatzbrenner im Bereich der Hauptfeuerung anzuordnen.

In der Zeichnung ist mit 6 ein Frischlufteintritt in ein von einem Antrieb 19 angetriebenes Frischluftgebläse 17 und mit 18 eine Regelklappe bezeichnet.

Beim Eintritt in den Dampferzeuger 25 sind Stellglieder 21, 22, 23 dargestellt, womit die jeweils gewünschten Druckdifferenzen Δρ\, Δρι, Δρι .zwischen dem betreffenden Luftkanal- bzw. Gaskanalsystem und dem zugehörigen Register der Brenner 7 bzw. 8 bewirkt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Anordnung zum unterbrechungslosen Umschalten von Turbinenabgas- auf Frischluftbetrieb im Schnellschlußfalle der Gasturbine eines kombinierten Gasturbinen-Dampfturbinen-Kraftwerkblockes, bei dem die Gasturbine abgasseitig über ein mit Regeleinrichtungen versehenes Gaskanalsystem, an das auch ein nicht ständig laufendes Frischluftgebläse über eine Regeleinrichtung angeschlossen ist, mit Brennern zur Feuerung eines nachgeschalteten Dampferzeugers über Brennergeschränke verbunden ist dadurch gekennzeichnet, daß außer den Hauptbrennern (7) zur Hauptfeuerung mindestens ein zusätzlicher, ebenfalls mit dem Gaskanalsystem (5) verbundener Zusatzbrenner (8) zur Zusatzfeuerung eingebaut ist, daß der Zusaizbrenner (8) für einen Geschränkewiderstand Δρα in Höhe von etwa 20% des Geschränkewider-Standes Δρ\ der Hauptbrenner (7) dimensioniert ist und daß im zum Zusatzbrenner (8) führenden Ast des Gaskanalsystems (5) eine die Druckdifferenz Δρη = Δρ\ - Δρι bewirkende, wirkungsmäßig mit der Schnellschlußeinrichtung (13) der Gasturbine (15) gekoppelte Drosseleinrichtung (10, 24) eingebaut ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Brennstoffzufuhr (28) zum Hauptbrenner (7) eine lastabhängige Regeleinrichtung eingebaut ist und daß die Brennstoffzufuhr (9) zum Zusatzbrenner (8) regeleinrichtungslos ausgeführt ist.

3. Anordnung nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzbrenner (8) für größeren Luftüberschuß ausgelegt sind als die Hauptbrenner (7).

4. Anordnung nach Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzbrenner (8) räumlich getrennt von den Hauptbrennern (7) eingebaut sind.

5. Anordnung nach Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die Zusatzfeuerung mindestens ein Zusatzbrenner (8) im Bereich der Hauptbrenner (7) angeordnet ist.

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