DE2721168C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines kombinierten Dampf- und Gasturbinenkraftwerks. Ein derartiges Verfahren ist aus der US-PS 38 79 616 bekannt.

Kombinierte Kraftwerke bzw. Stromversorgungsanlagen ent­ halten allgemein eine Gasturbine, eine Dampfturbine, einen oder mehrere Generatoren, die von den Turbinen angetrieben werden, und einen Wärmerückgewinnungsdampferzeuger (HRSG) zum Erzeugen von Dampf für die Dampfturbine unter Aus­ nutzung der Gasturbinenabgase. Bisher wurden solche kombi­ nierten Kraftwerke in der Weise gesteuert, daß der Treib­ stoff zur Gasturbine in Abhängigkeit von Änderungen der Kraftwerkslast verändert wurde. Bei einem solchen Aufbau führt eine Zunahme der Brennstoffzufuhr zur Gasturbine zu einer Vergrößerung der Gasturbinenausgangsleistung und zu einer Vergrößerung des Abgasstroms von der Gas­ turbine zum Dampferzeuger bzw. HRSG sowie der Temperatur solcher Gase. Hierdurch werden wiederum die Temperatur des vom HRSG erzeugten Dampfes und daher die Ausgangs­ leistung der Dampfturbine vergrößert. Ein solcher be­ kannter Aufbau ist sehr zufriedenstellend bei solchen Anwendungen, bei denen keine großen Veränderungen bezüglich der Kraftwerksbelastung auftreten.

Wenn jedoch die Belastung großen und schnellen Verände­ rungen unterworfen ist, wie es beispielsweise zutrifft, wenn die Stromversorgungsanlage Elektrizität für ein Stahl­ walzwerk mit Arbeitswalzen und/oder Lichtbogenöfen erzeugt, treten Temperaturänderungen in der Gasturbine, im Dampf­ erzeuger und in der Dampfturbine auf, wodurch große ther­ mische Belastungen und eine verminderte Lebensdauer auf­ treten können.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß große Änderungen der Kraftwerkslast ohne große Temperaturänderungen in der Gasturbine, im Dampferzeuger und in der Dampfturbine aufgenommen werden können.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Maßnahmen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen ins­ besondere darin, daß große Lastschwankungen am Kraftwerk aufgenommen werden können, ohne daß entsprechend große Temperaturänderungen in der Gasturbine, im Dampferzeuger und in der Dampfturbine erzeugt werden.

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein kombiniertes Dampf- und Gasturbinenkraftwerk in einem schematischen Blockdiagramm und

Fig. 2 in einem schematischen Blockdiagramm eine Einrichtung zum Steuern des Dampfsteuerventils und des Dampf-Bypasventils in Fig. 1.

In Fig. 1 ist in schematischer Weise ein kombiniertes Dampf- und Gas­ turbinenkraftwerk dargestellt, das eine Gasturbine 10, einen Wärmerück­ gewinnungsdampferzeuger (HRSG) 12, eine Dampfturbine 14, einen elektrischen Generator 16 und eine Anlagenregelung 18 enthält.

Die Gasturbine enthält einen Kompressor 20, einen Bren­ ner 22 und eine Turbine 24. Der Kompressor 20 empfängt von einem Einlaß 26 Luft und liefert komprimierte Luft an den Brenner 22, der von einer geeigneten Brennstoffversorgungseinrichtung 28 Brennstoff empfängt und einen Heißgasstrom erzeugt. Der Heißgas­ strom dreht die Turbine 24 und wird über einen Ablaß 30 an den HRSG 12 abgegeben. Die Turbine hat eine Drehverbindung mit dem Kompressor 20 und dem elektrischen Generator 16 über entsprechen­ de Wellen 32 und 34.

Der HRSG 12 ist in bekannter Weise aufgebaut und emp­ fängt bei 30 den Abfluß des Heißgasstroms sowie bei 36 Speisewas­ ser. 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 Gas­ turbine bei 38 nach außen abgelassen.

Die Dampfturbine 14 enthält einen Einlaß 40 zum Aufneh­ men von Dampf und einen mit einem Kondensator 44 in Strömungsver­ bindung stehenden Auslaß 42. Sie hat eine Drehverbindung mit dem Generator 16 über eine Welle 46.

Gemäß der Darstellung wird das Dampfkondensat zum Dampf­ erzeuger zurückgeleitet, und zwar über ein geeignetes Ventil 48 mittels einer Kondensatpumpe 50 und einer Boilerspeisewasserpumpe 52.

Gemäß den Ausführungsbeispielen der Erfindung sind Mittel vorgesehen, um den Dampfstrom zu dem Einlaß 40 der Dampfturbine in Abhängig­ keit von der Kraftwerksbelastung zu steuern. Ferner sind Mittel vorgesehen, um Dampf um die Dampfturbine im Bypass zu führen, in­ dem dieser Dampf direkt vom Dampferzeuger zum Kondensator 44 ge­ leitet wird, damit die Dampfbedingungen im Dampferzeuger und am Einlaß 40 der Dampfturbine allgemein konstant gehalten werden. Diese Mittel enthalten eine Leitung 54, die den Dampf­ erzeuger mit dem Einlaß 40 der Dampfturbine strömungsmäßig ver­ bindet, und eine Leitung 58, die den Dampferzeuger di­ rekt mit dem Kondensator 44 strömungsmäßig verbindet. Ein Steuerungsventil 56 steuert den Dampffluß durch die Leitung 54. In ähnlicher Weise steuert ein By­ passventil 60 den Dampffluß durch die Leitung 58.

Die Steuerungsmittel zum Steuern des Dampfventils 56 und des Bypassventils 60 sind schematisch in Fig. 2 dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Ein die gewünschte Drehzahl/Last be­ zeichnendes Signal wird bei 62 einem Summierglied 64 als ein Dreh­ zahl/Last-Sollwert eingegeben. Das Summierglied 64 emp­ fängt bei 66 auch die Ist-Drehzahl der Dampfturbine 14 von einem Drehzahlfühler 55 oder 57 und erzeugt ein Fehlersignal, das einem Operationsverstärker 68 eingegeben wird. Der Operationsverstärker 68 kann ein RC-Netzwerk mit einer geeig­ neten Übertragungsfunktion enthalten und für die passende Regelung 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 70 verbunden. Die­ ser empfängt auf 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 Wei­ se das vom Verstärker 68 empfangene Signal modifizieren, um Ver­ änderungen im Dampffluß zu kompensieren, die als Funktion des Dampfdrucks auftreten. Das vom Funktionsgenerator 70 erzeugte, druckkompensierte Strömungssignal wird zu einem Nie­ drigwert-Gatter 74 geleitet, das den kleineren Wert des Ausgangssignals des Funktionsgenerators 70 und des Ausgangssi­ gnals einer geeigneten Start-Logik 76 durchläßt, welche ein program­ miertes Signal zum Positionieren der Ventile 56 und 60 während des Anlaufens des Kraftwerks erzeugt. Das Ausgangssignal des Nie­ drigwert-Gatters 74 wird einem Funktionsgenerator 78 zuge­ leitet, der die Strom-Hub-Relation für das Ventil 56 kennzeichnet und ein Signal erzeugt, um das Dampf-Steuerventil 56 zu positionieren, damit der verlangte Dampfstrom zur Dampfturbine 14 und somit deren erwünschte Leistungsabgabe gebildet werden.

Das Ausgangssignal von dem Niedrigwert-Gatter 74 wird zusätzlich einem Größerwert-Gatter 80 zugeleitet, das auf einer Leitung 82 auch ein Signal empfängt, welches eine geeignete Größe hat, um während des Anlaufens bzw. Startens einen Signal­ durchgang von dem Niedrigwert-Gatter 74 zu unterbinden und ein bei 84 eingegebenes Vorspannungssignal, das einem Summier­ glied 86 zugeführt wird, in geeigneter Weise zu verlagern bzw. zu versetzen, damit das Signal auf der Leitung 88 die Position des Bypassventils 60 während des Anlaufens des Kraftwerks steuern kann. Es kann ein mit einem konstanten Faktor arbeitender Multiplizierer 90 vorgesehen sein, um den passenden Maßstabsfaktor für die Signalabgabe von dem Größerwert-Gatter 80 zu bilden, bevor dieses Signal dem Summierglied 86 zugeführt wird.

Ein den gesamten Dampfstrom von dem Wärmezurückgewin­ nungsdampferzeuger darstellendes Signal von einem ge­ eigneten Strömungsfühler 59 wird bei 92 einem Funktionsgenerator 94 zugeführt. Der Funktionsgenerator kann ein Sollwertsignal als Funktion des Dampf-Gesamtstromsignals erzeugen. Dieses Sollwert­ signal wird einem Summierglied 96 eingegeben, das auch ein Vor­ spannungssignal bei 98 empfängt. Dieses Vorspannungssignal ist vorzugsweise während eines normalen Betriebes des Kraftwerks klein, aber bei einem Anlaufen bzw. Starten des Kraftwerks ausreichend groß, damit ein Niedrigwert-Gatter 100 das von einer Start-Logik 102 erzeugte Signal auswählt. Die Start-Logik 102 eignet sich zum Erzeugen eines Signals, um das Bypassventil 60 während des Anlaufens des Kraftwerks in passen­ der Weise zu positionieren.

Das Ausgangssignal des Niedrigwert-Gatters 100 wird einem Summierglied 104 zugeleitet, und zwar zusammen mit einem über eine Leitung 106 von dem Druckfühler 61 kommenden Si­ gnal, das den Dampfdruck darstellt. Das Druckfehler-Aus­ gangssignal vom Summierglied 104 wird einem Operations­ verstärker 108 zugeführt, der ein RC-Netzwerk enthalten kann, um die passende Übertragungsfunktion zu bilden, und der eine ausrei­ chende Verstärkung erzeugen kann, so daß dann, wenn dieses Signal dem Summierglied 86 eingegeben wird, ein Dampfdruckfehler das Si­ gnal vom Multiplizierer 90 übersteigt und das Ausgangssignal des Summierglieds 86 entsprechend beeinflußt. Dieses Ausgangssignal wird einem Funk­ tionsgenerator 110 zugeführt, der die Ventil­ strom-Hub-Relation für das Bypassventil 60 darstellt und ein Signal erzeugt, um das Bypassventil 60 so zu positionie­ ren, daß der Dampfdruck am Fühler 61 im wesentlichen konstant gehalten wird.

Somit wird nach dem Anlaufen des Kraftwerks der Brennstofffluß von der Brennstoffversorgungseinrichtung 28 zur Gasturbine 10 durch geeignete Steuerungsmittel im wesentlichen konstant gehalten. Dementsprechend werden die Strömungsgeschwindigkeit und die Tempe­ ratur des Abgases von der Gasturbine zum Dampferzeuger bzw. HRSG 12 relativ konstant gehalten. Boilerspeisewasser wird von den Pum­ pen 50 und 52 zum Dampferzeuger 12 geleitet, der auf den Leitungen 54, 58 einen Dampfstrom erzeugt.

Wenn die elektrische Last des Kraftwerks oder des Generators 16 steigt oder fällt, wird diese Lastzunahme oder -abnahme durch geeignete Mittel erfaßt, und es wird ein die Last darstellendes Signal dem Summierglied 64 eingegeben. Bei einem Kraftwerk gemäß Fig. 1 werden Drehzahl­ fühler 55 und 57 benutzt, um eine solche Lastzunahme oder -abnahme zu erfassen. Wenn die Last bei dem Aufbau aus Fig. 1 steigt oder fällt, erfolgt eine Drehzahländerung der Wellen 34 sowie 46, und es wird von dem Summierglied 64 ein Drehzahlfehler­ signal erzeugt. Dieses Signal sorgt für ein Verstellen des Dampfventils 56 in der Weise, daß sich eine entsprechende Zunahme oder Abnahme des Dampfstroms zu dem Dampfturbinen­ einlaß 40 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 im wesentlichen konstant gehalten werden. Dementsprechend wird bei einem Öffnen (Schließen) des Dampf-Steuerventils 56 das Bypassventil 60 durch das Signal vom Multiplizierer 90 proportional geschlossen (geöffnet). Durch die­ sen Vorgang wird der Dampfdruck des Dampferzeugers im wesentlichen konstant gehalten. Wenn jedoch die infolge des Ausgangs­ signals vom Multiplizierer 90 erzeugte Einstellung des Bypassven­ tils 60 nicht zum Regeln des Dampfdrucks ausreicht, ist eine Druckregelschleife mit großer Verstärkung vorgesehen, um dem Sum­ mierglied 86 auf der Leitung 88 ein Signal einzugeben und für eine solche Druckregelung zu sorgen.

Während bei dem beschriebenen Ausführungs­ beispiel die Gasturbine 10 und die Dampfturbine 14 einen einzelnen Generator 16 antreiben, können die Gasturbine 10 und die Dampfturbine 14 auch jeweils einen anderen Generator antreiben.

Claims (4)

1. Verfahren zum Betreiben eines kombinierten Dampf- und Gasturbinenkraftwerks zur Anpassung an elektrische Laständerungen während des normalen Kraftwerksbetriebs, wobei

• - ein elektrischer Generator von einer Gasturbine angetrieben wird,
• - der Heißgasstrom der Gasturbine einem Wärme­ rückgewinnungsdampferzeuger zugeführt wird,
• - der im Wärmerückgewinnungsdampferzeuger erzeugte Dampf einer Dampfturbine zugeführt wird, die einen elektri­ schen Generator antreibt,
• - der erzeugte Dampf über ein Dampf-Steuerventil dem Einlaß der Dampfturbine zugeführt wird, wobei eine Teilmenge des erzeugten Dampfes über eine Bypassleitung mit einem Bypassventil an der Dampfturbine vorbeigeleitet wird,
• - und das Dampfsteuerventil und das Bypassventil über eine Anlagenregelung gesteuert werden,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Gasturbine (10) bei konstanter Brennstoff­ zufuhr betrieben wird und der Wärmerückgewinnungsdampf­ erzeuger (12) einen konstanten Dampfstrom abgibt, und
• - die Anlagenregelung (18) bei elektrischen Laständerungen das Dampfsteuerventil (56) und das Bypass­ ventil (60) umgekehrt proportional zueinander öffnet oder schließt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlagenregelung (18) ein Drehzahl/Last-Fehlersignal erzeugt, das durch ein Dampfdrucksignal von einem Dampfdruckfühler (61) modifiziert wird zur Bildung eines druckkompensierten Drehzahl/Last-Fehlersignals, das zur Steuerung des Dampf- Steuerventils (56) und des Bypassventils (60) verwendet wird, und aus einem Dampfströmungssignal von einem Strö­ mungsfühler (59) ein Steuersignal (auf Leitung 88) für das Bypassventil (60) geliefert wird, wenn das Kraftwerk angefahren wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfturbine (14) und die Gasturbine (10) einen einzigen, gemeinsamen Generator (16) antreiben.