DE2721168A1 - Kombiniertes gasturbinen- und dampfturbinenkraftwerk - Google Patents

Kombiniertes gasturbinen- und dampfturbinenkraftwerk

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DE2721168A1 DE19772721168 DE2721168A DE2721168A1 DE 2721168 A1 DE2721168 A1 DE 2721168A1 DE 19772721168 DE19772721168 DE 19772721168 DE 2721168 A DE2721168 A DE 2721168A DE 2721168 A1 DE2721168 A1 DE 2721168A1
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • Y02E20/16—Combined cycle power plant [CCPP], or combined cycle gas turbine [CCGT]

Description

Kombiniertes Gasturbinen- und Dampfturbinenkraftwerk
Die Erfindung bezieht sich auf kombinierte Gasturbinen- und Dampfturbinenkraftwerke bzw. Stromversorgungsanlagen und insbesondere auf solche, die einen kombinierten Arbeitszyklus haben und für schnell veränderliche Belastungen geeignet sind.
Kombinierte Kraftwerke bzw. Stromversorgungsanlagen enthalten allgemein eine Gasturbine, eine Dampfturbine, einen oder mehrere Generatoren, die von den Turbinen angetrieben werden, und einen Wärmewiedergewinnungsdampferzeuger (HRSG) zum Erzeugen von Dampf für die Dampfturbine unter Ausnutzung der Gasturbinenabgase. Bisher wurden solche kombinierten Kraftwerke in der Weise gesteuert, daß der Treibstoff zur Gasturbine in Abhängigkeit von Veränderungen der Kraftwerksbelastung verändert wurde. Bei einem solchen Aufbau führt eine Zunahme im Treibstoffstrom zur Gasturbine zu einer Vergrößerung der Gasturbinenausgangsleistung und zu einer Vergrößerung des Abgasstroms von der Gasturbine zum Dampferzeuger bzw. HRSG sowie der Temperatur solcher Gase. Hierdurch werden wiederum die Temperatur des vom HRSG erzeugten Dampfes und daher die Ausgangsleistung der Dampfturbine vergrößert. Ein solcher bekannter Aufbau ist sehr zufriedenstellend bei solchen Anwendungen, bei denen keine großen Veränderungen bezüglich der Kraftwerksbelastung auftreten. Beispielsweise wurde ein solcher Aufbau erfolgreich bei elek-
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trischen Nutzanwendungen eingesetzt. Wenn jedoch die Belastung großen und schnellen Veränderungen unterworfen ist, wie es beispielsweise zutrifft, wenn die Stromversorgungsanlage Elektrizität für ein Stahlwalzwerk mit Arbeitswalzen und/oder Lichtbogenöfen erzeugt, führt dieser bekannte Aufbau zu Temperaturveränderungen in der Gasturbine, im Dampferzeuger und in der Dampfturbine, wodurch die Möglichkeit eines Erzeugens großer thermischer Belastungen und einer verminderten Lebensdauer besteht.
Eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines kombinierten Kraftwerks, das sich für schnell veränderliche Belastungen eignet.
Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines kombinierten Kraftwerks, das große Veränderungen der Kraftwerksbelastung aufnehmen kann, ohne daß große Temperaturveränderungen in der Gasturbine, im Dampferzeuger und in der Dampfturbine erzeugt werden.
Zusammengefaßt enthält der Kraftwerks- bzw. Stromversorgungsanlagenaufbau gemäß der vorliegenden Erfindung eine einen elektrischen Generator antreibende Gasturbine, einen Wärmewiedergewinnungsdampferzeuger zum Erzeugen von Dampf unter Ausnutzung der heißen Abgase von der Gasturbine, eine Dampfturbine, die den Dampf von dem Wärmerückgewinnungsdampferzeuger empfängt und einen Generator antreibt, und auf ausgewählte Parameter des Kraftwerksbetriebes ansprechende Mittel zum Steuern des Dampfstroms zu der Dampfturbine und zum Steuern des die Dampfturbine im Bypass umströmenden Dampfes, wodurch Veränderungen bezüglich der Kraftwerksbelastung von der Dampfturbine getragen werden, während der Dampfdruck konstant gehalten und die Gasturbine bei allgemein konstantem Treibstoffluß betrieben werden, um so einen thermischen Zyklus bzw. Kreislauf der Gasturbine, der Dampfturbine und des Wärmewiedergewinnungsdampferzeugers zu vermeiden. Weitere Merkmale ergeben sich aus den Ansprüchen.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Hinweis auf eine zeichnerisch dargestellte Ausführungsform näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 - das erfindungsgemäße kombinierte Gasturbinen- und Dampfturbinenkraftwerk in einem schematischen Blockdiagramm und
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Figur 2 - in einem schematischen Blockdiagramm ein beispielhaftes Mittel zum Steuern des Dampfversorgungsventils und des Dampfbypassventils aus Figur 1.
In Figur 1 ist in schematischer Weise ein kombiniertes Kraftwerk dargestellt, das eine Gasturbine 1o, einen Wärmerückgewinnungsdampf erzeuger 12 (HRSG), eine Dampfturbine 14, einen elektrischen Generator 16 und eine Anlagensteuerungseinrichtung 18 enthält.
Die Gasturbine enthält einen Kompressor 2o, einen Brenner 22 und eine Turbine 24. Der Kompressor 2o empfängt von einem Einlaß 26 Luft und liefert komprimierte Luft an den Brenner 22, der von einer geeigneten Treibstoffversorgungseinrichtung 28 Treibstoff empfängt und einen Heißgasstrom erzeugt. Der Heißgasstrom dreht die Turbine 24 und wird über einen Ablaß 3o an den HRSG 12 abgegeben. Die Turbine hat eine Drehverbindung mit dem Kompressor 2o und dem elektrischen Generator 16 über entsprechende Wellen 32 und 34.
Der HRSG 12 ist in bekannter Weise aufgebaut und empfängt bei 3o den Abfluß des Heißgasstroms sowie bei 36 Speisewasser. Der Dampferzeuger ermöglicht einen Wärmeaustausch zwischen diesen zwei Fluids, um auf diese Weise Dampf zu erzeugen. Nach dem Durchlaufen des Dampferzeugers wird der Heißgasstrom der Gasturbine bei 3 8 nach außen abgelassen.
Die Dampfturbine 14 enthält einen Einlaß 4o zum Aufnehmen von Dampf und einen mit einem Kondensator 44 in Strömungsverbindung stehenden Auslaß 42. Sie hat eine Drehverbindung mit dem Generator 16 über eine Welle 46.
Gemäß der Darstellung wird das Dampfkondensat zum Dampferzeuger zurückgeleitet, und zwar über ein geeignetes Ventil 48 mittels einer Kondensatpumpe 5o und einer Boilerspeisewasserpumpe 52.
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind Mittel vorgesehen, um den Dampfstrom zu dem Einlaß 4o der Dampfturbine in Abhängigkeit von der Kraftwerksbelastung zu steuern. Ferner sind Mittel vorgesehen, um Dampf ViJi die Dampfturbine im Bypass zu führen, indem dieser Dampf direkt vom Dampferzeuger zum Kondensator 44 geleitet wird, damit die Dampfbedingungen im Dampferzeuger und am
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Einlaß 4o der Dampfturbine allgemein konstant gehalten werden. Diese Mittel enthalten eine geeignete Leitung 54, die den Dampferzeuger mit dem Einlaß 4o der Dampfturbine strömungsmäßig verbindet, und eine geeignete Leitung 58, die den Dampferzeuger direkt mit dem Kondensator 44 strömungsmäßig verbindet. Es ist ein Steuerungsventil 56 vorgesehen, um den Dampffluß durch die Leitung 54 zu verändern oder zu steuern. In ähnlicher Weise ist ein Bypassventil 6o vorgesehen, um den Dampffluß durch die Leitung 58 zu verändern oder zu steuern.
Die Steuerungsmittel zum Regulieren des Dampfventils
und des Bypassventils 6o sind schematisch in Figur 2 dargestellt
gewünschte
und werden nachfolgend beschrieben. Ein dieVDrehzahl/Belastung bezeichnendes Signal wird bei 62 einem Summierglied 64 als ein Drehzahl/Belastung SoJ-iwert eingegeben. Das Summierglied 64 empfängt bei 66 auch ein die Drehzahl der Dampfturbine 14 bezeichnendes Signal von einem Drehzahlfühler 55 oder 57 und erzeugt ein Fehlersignal, das einem Operationsverstärker 68 eingegeben wird. Der Operationsverstärker 68 kann ein R-C Netzwerk mit einer geeigneten übertragungsfunktion enthalten und für die passende Reglerfunktion oder Regelung (governor droop or regulation) sorgen. Der Verstärker 68 kann auch eine einstellbare tote Zone aufweisen, um die Ansprechempfindlichkeit zu reduzieren. Der Signalausgang des Verstärkers 68 ist mit einem Funktionsgenerator 7o verbunden. Dieser empfängt an einer Leitung 72 ein Signal von einem Druckfühler 61. Dieses Signal beinhaltet den Dampfdruck in der Leitung 54 an der Dampferzeugerseite des Ventils 56 und kann in geeigneter Weise das vom Verstärker 68 empfangene Signal modifizieren, um Veränderungen im Dampffluß zu kompensieren, die als Funktion des Dampfdrucks auftreten. Das vom Funktionsgenerator 7o erzeugte, druckkompensierte Fluß- bzw. Strömungssignal wird zu einer Niedrigwert-Torschaltung 7 4 geleitet, die den niedrigeren Teil des Ausgangssignals des Funktionsgenerators 7o und des Ausgangssignals einer geeigneten Start-Logik 7 6 abgibt, welche ein programmiertes Signal zum Positionieren der Ventile 56 und 6o während des Anlaufens der Kraftanlage erzeugt. Die Signalabgabe der Niedrigwert-Torschaltung 74 wird einem Funktionsgenerator 78 zugeleitet, der die Strom-Hub-Relation für das Ventil 56 kennzeichnet und ein Signal erzeugt, um das Dampfturbinensteuerungsventil 56
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zu positionieren, damit der verlangte Dampfstrom zur Dampfturbine 14 und somit deren erwünschte Leistungsabgabe gebildet werden.
Das Ausgangssignal von der Niedrigwert-Torschaltung 74 wird zusätzlich einer Großwert-Torschaltung 8o zugeleitet, die an einer Leitung 82 auch ein Signal empfängt, welches eine geeignete Größe hat, um während des Anlaufens bzw. Startens einen Signaldurchgang von der Niedrigwert-Torschaltung 74 zu unterbinden und ein bei 84 eingegebenes Vorspannungssignal, das einem Summierglied 86 zugeführt wird, in geeigneter Weise zu verlagern bzw. zu versetzen, damit das Signal an der Leitung 88 die Position des Bypassventils 6o während des Anlaufens der Kraftanlage steuern kann. Es kann bei 9o ein mit einem konstanten Faktor arbeitender Multiplizierer vorgesehen sein, um den passenden Maßstabsfaktor für die Signalabgabe von der Großwert-Torschaltung 8o zu bilden, bevor dieses Signal dem Summierglied 86 zugeführt wird.
Ein den gesamten Dampfstrom von dem Wärmezurück^ewinnungsdampferzeuger bzw. HRSG bezeichnendes Signal von einem geeigneten Strömungsfühler 59 wird bei 92 einem Funktionsgenerator 94 zugeführt. Der Funktionsgenerator kann ein Sollwertsignal als Funktion des Dampf-Gesamtstromsignals erzeugen. Dieses Sollwertsignal wird einem Summierglied 96 eingegeben, das auch ein Vorspannungssignal bei 98 empfängt. Dieses Vorspannungssignal ist vorzugsweise während eines normalen Betriebes der Kraftanlage klein und aber bei einem Anlaufen bzw. Starten der Kraftanlage ausreichend groß, damit eine Niedrigwert-Torschaltung 1oo das von einer Start-Logik 1o2 erzeugte Signal auswählt. Die Start-Logik 1o2 eignet sich zum Erzeugen eines programmierten Signals, um das Bypassventil 6o während des Anlaufens der Kraftanlage in passender Weise zu positionieren.
Das Ausgangssignal der Niedrigwer^-Torschaltung 1oo wird einem Summierglied 1o4 zugeleitet, und zwar zusammen mit einem über eine Leitung 1o6 von dem Druckfühler 61 kommenden Signal, das für den Dampfdruck bezeichnend ist. Das Druckfehler-Ausgangssignal vom Summierglied 1o4 wird einem passenden Operationsverstärker 1o8 zugeführt, der ein R-C Netzwerk enthalten kann, um die passende übertragungsfunktion zu bilden, und der eine ausreichende Verstärkung erzeugen kann, so daß dann, wenn dieses Signal dem Summierglied 86 eingegeben wird, ein Dampfdruckfehler das Sig-
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nal vom Multiplizierer 9o übersteuert und das Ausgangssignal vom Summierglied 86 beherrscht. Dieses Ausgangssignal wird einem Funktionsgenerator 11o zugeführt, der geeignet ist, um die Ventilstrom-Hub-Relation für das Bypassventil 6o zu kennzeichnen, und der ein Signal erzeugt, um das Bypassventil 6o so zu positionieren, daß der Dampfdruck am Fühler 61 allgemein konstant gehalten wird.
Die Verwendung, Betriebs- und Funktionsweise der vorliegenden Erfindung ist wie folgt. Nach dem Anlaufen der Anlage wird der Treibstoffluß von dem Treibstoffabgabesystem 28 zur Gasturbine 1o durch geeignete Steuerungsmittel allgemein konstant gehalten. Dementsprechend werden die Strömungsgeschwindigkeit und die Temperatur des Abgases von der Gasturbine zum Dampferzeuger bzw. HRSG 12 relativ konstant gehalten. Boilerspeisewasser wird von den Pumpen 5o und 52 zum Dampferzeuger 12 geleitet, der an den Leitungen 54, 58 einen Dampfstrom erzeugt.
Wenn die elektrische Belastung an der Kraftanlage oder am Generator 16 steigt oder fällt, wird diese Lastzunahme oder -abnähme durch geeignete Mittel erfaßt, und es wird ein die Belastung bezeichnendes Signal dem Summierglied 64 eingegeben. Im Fall der Kraft- bzw. Leistungsanlage aus Figur 1 werden Drehzahlfühler 55 und 57 benutzt, um eine solche Belastungszunahme oder -abnähme zu erfassen. Wenn die Last bei dem Aufbau aus Figur 1 steigt oder fällt, erfolgt eine Drehzahländerung der Wellen 34 sowie 46, und es wird von dem Summierglied 64 ein Drehzahlfehlersignal erzeugt. Dieses Signal sorgt für ein Umpositionieren bzw. Verstellen des Dampfventils 56 in der Weise, daß sich eine passende Zunahme oder Abnahme des Dampfstroms zu dem Dampfturbineneinlaß 4o und somit der Leistungsabgabe der Dampfturbine ergibt.
Um Druck- und Temperaturveränderungen des Dampfes in dem Dampferzeuger und des an die Dampfturbine abgegebenen Dampfes zu vermeiden, sollte der gesamte Dampfstrom von dem Dampferzeuger allgemein konstant gehalten werden. Dementsprechend wird bei einem öffnen des Dampfturbinenventils 56 das Bypassventil 6o durch das Signal vom Multiplizierer 9o proportional geschlossen. Durch diesen Vorgang sollte der Dampfdruck des Dampferzeugers allgemein konstant gehalten werden. Wenn jedoch die infolge des Ausgangssignals vom Multiplizierer 9o erzeugte Einstellung des Bypassven-
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tils 60 nicht zum Regeln des Dampfdrucks ausreicht, ist eine hochverstärkende Druckregulierungsschleife vorgesehen, um dem Summierglied 86 bei 88 ein Signal einzugeben und für eine solche Druckregelung zu sorgen.
Aus der vorstehenden Beschreibung ist es ersichtlich, daß die vorliegende Erfindung eine kombinierte Gasturbinen- und Dampfturbinen-Kraftanlage beinhaltet, die schnelle und große Anlagenbelastungsschwankungen aufnehmen kann, ohne daß große Temperaturveränderungen in der Gasturbine, im Dampferzeuger und in der Dampfturbine erzeugt werden.
Während die vorliegende Erfindung in einer Ausführungsform so dargestellt und beschrieben ist, daß die Gasturbine 1o und die Dampfturbine 14 einen einzelnen Generator 16 antreiben, ist darauf hinzuweisen, daß die Erfindung nicht hierauf beschränkt ist und daß die Gasturbine 1o sowie die Dampfturbine 14 jeweils einen anderen Generator antreiben können.
- Ansprüche -
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41 Leerseite

Claims (5)

  1. -r-
    Ansprüche
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    (Kombiniertes Dampfturbinen- und Gasturbinenkraftwerk, gekennzeichnet durch eine Gasturbine (10) mit einem zum Aufnehmen von Brennstoff und zum Erzeugen eines Heißgasstroms geeigneten Brenner (22), ferner mit einer Turbine (21I), die mit dem Heißgasstrom in Strömungsverbindung steht sowie von diesem drehbar angetrieben werden kann, und mit einem Ablaß zum Abführen des Heißgasstroms, durch eine Dampfturbine (1Ό, die zum Aufnehmen eines Dampfstroms geeignet ist und hierdurch drehbar angetrieben wird, wobei die Gasturbine (10) und die Dampfturbine (I1I) mit zumindest einem elektrischen Generator (16) in Antriebsverbindung stehen, ferner durch Wärmerückgewinnungsdampferzeupermittel (12) zum Aufnehmen des Heißgasstroms von dem Ablaß der Gasturbine (10) sowie eines Wasserstroms und zum Erzeugen von Dampf und durch Mittel (51J, 56; 58, 60) zum Steuern des Dampf Stroms zu der Dampfturbine (I1I) in Abhängigkeit von der Kraftwerksbelastung sowie zum Steuern des DampfStroms von den Wärmerückgewinnungsdampferzeugermitteln (12), wodurch Veränderungen der Kraftwerksbelastung von der Dampfturbine (I1O getragen werden, der Druck des von den Wärmerückgewinnungserzeugermltteln (12) erzeugten Dampfes allgemein konstant gehalten wird und die Gasturbine (10) bei einem allgemein konstanten Brennstofffluß betrieben wird.
  2. 2. Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ferner ein Kondensator (1I1I) zum Aufnehmen von Dampf vorgesehen ist, der von der Dampfturbine (I1I) abgegeben wird, daß die Mittel (5^j56;58,60) zum Steuern des Dampfstroms von den Wärmerückgewinnungsdampferzeugermltteln (12) zu der Dampfturbine (I1O eine erste Leitung (51Oj die Dampf von den Dampferzeugermitteln (12) zur Dampfturbine (1Ί) leitet, und eine zweite Leitung (58) enthalten, die Dampf von dem Dampfgenerator (12) zu dem Kondensator (1I1I) leitet, daß in der ersten Leitung (5*0 ein Steuerungsventil (56) sowie in der zweiten Leitung (58) ein Bypassventll (60) angeordnet sind und daß Mittel (l8) zum Steuern der Stellung der Steuerungs- und Bypassventile (56,60) in Abhängigkeit von ausgewählten Parametern des Kraftwerksbetriebes vor-
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    ORIGINAL
    handen sind, wodurch der Druck des von den Dampferzeugermitteln (12) erzeugten Dampfes allgemein konstant gehalten wird und die Ausgangsleistung der Dampfturbine (I1I) den Veränderungen der Kraftwerksbelastung folgt, während der Brennstoff luß zur Gasturbine (10) allgemein konstant gehalten wird.
  3. 3. Kraftwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameter des Kraftwerksbetriebes die Kraftwerksbelastung, den Dampfdruck und den Dampfstrom von dem Dampfgenerator (12) enthalten.
  4. 4. Kombiniertes Dampf- und Gasturbinenkraftwerk, gekennzeichnet durch eine Gasturbine (1o) mit einer Reihenstromschaltung aus einem Kompressor (2o), einem Brenner (22) und einer Turbine (24), wobei der Brenner (22) von dem Kompressor (2o) komprimierte Luft und Treibstoff aufnehmen sowie einen Heißgasstrom zum Antreiben der Turbine (24) erzeugen kann, die eine Antriebsverbindung mit dem Kompressor (2o) und einem elektrischen Generator (16) hat, durch einei Wärmewiedergewinnungsdampferzeuger (12), der den von der Gasturbine (1o) abgegebenen Heißgasstrom und einen Wasservorrat aufnehmen sowie Dampf erzeugen kann, durch eine Dampfturbine (14), die eine Antriebsverbindung mit einem elektrischen Generator (16), ferner einen Einlaß (4o) zum Aufnehmen von Dampf zum Antreiben der Dampfturbine (14) und einen Auslaß zum Ablassen von Dampf hat, durch einen Kondensator (44) zum Aufnehmen von Dampf, der von der Dampfturbine (14) abgegeben wird, und zum Kondensieren des Dampfes zu Wasser, durch eine erste Leitung (54) als Strömungsverbindung für den von dem Wärmewiedergewinnungsdampferzeuger (12) erzeugten Dampf mit dem Dampfturbineneinlaß (4o), durch eine zweite Leitung (58) als Strömungsverbindung für den von dem Wärmewiedergewinnungsdampferzeuger (12) erzeugten Dampf mit dem Kondensator (44), durch ein in der ersten Leitung (54) angeordnetes Steuerungsventil (56) zum Einstellen des DampfStroms durch die erste Leitung (54), durch ein in der zweiten Leitung (58) angeordnetes Bypassventil (6o) zum Einstellen des Dampfstroms durch die zweite Leitung (58) und durch Mittel (18), die auf ausgewählte Para-
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    osiÄor
    meter des Kraftwerksbetriebes ansprechen, um die Position des Steuerungsventils (56) und des Bypassventils (60) zu steuern, wodurch Veränderungen in der elektrischen Belastung des Kraftwerks von der Dampfturbine (14) getragen werden, während die Gasturbine (1o) bei einem allgemein konstanten Treibstoffluß betrieben wird, um hierdurch einen thermischen Zyklus der Gasturbine (1o), des Wärmewiedergewinnungsdampferzeugers (12) und der Dampfturbine (14) zu vermoiden.
  5. 5. Kraftwerk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ausgewählten Parameter des Kraftwerksbetriebes die elektrische Belastung an dem Kraftwerk, den Dampfdruck in dem Wärmewiedergewinnungsdampferzeuger (12) und den gesamten Dampfstrom aus dem Wärmewiedergewinnungsdampferzeuger (12) enthalten.
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