DE69410425T2 - Gasturbinenanlage und Verfahren zu deren Betrieb - Google Patents
Gasturbinenanlage und Verfahren zu deren BetriebInfo
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Description
- Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenanlage, welche eine Gasturbine mit einer Turbinenstufe, eine Brennkammer, einen Turbokompressor zum Zuführen von Stadtgas oder verflüssigtem Erdgas unter Druck zu der Brennkamer aufweist, und mit einer Gasturbinensteuervorrichtung zum Steuern der Gasturbine, wobei die Gasturbinensteuervorrichtung Brennstoffdurchsatzsteuereinrichtungen zum Steuern des Durchsatzes des verbrennbaren Gases aufweist, und weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbinenanlage, die als Brennstoff verflüssigtes Erdgas oder Stadtgas verwendet, das unter Druck von einem Turbokompressor zugeführt wird.
- Eine Gasturbinenanlage hat einen Betriebsmodus genannt "Lastabschaltung", durch den bei Auftreten einer Abnormität in einem Generator, der als Last dient, die Last abgekoppelt wird, um so die Gasturbine zu schützen. Bei diesem Modus ändert sich die Last der Gasturbine abrupt von 100% auf 0%, und dies wurde bisher durch das abrupte Schließen eines Brennstoffdurchsatzsteuerventils erreicht. Zu diesem Zeitpunkt wird eine Drehzahl der Gasturbine von einer Gasturbinensteuervorrichtung so gesteuert, daß sie sich in einem bestimmten Bereich befindet.
- Bei der Bauweise einer Gasturbinenanlage, die Stadtgas oder verflüssigtes Erdgas als Brennstoff benutzt, wird ein Zentrifugalkompressor zur Zuführung des Brennstoffes in eine Brennkammer der Gasturbinenanlage benutzt. Im Falle der oben genannten Lastabschaltung steigt die Drehzahl dieses Zentrifugalkompressors vorübergehend an oder sein Förderdruck steigt an. Wenn dieser Förderdruck einen erlaubten oberen Grenzwert überschreitet, fließt der Brennstoff wie z.B. Stadtgas oder verflüssigtes Erdgas in großen Mengen in die Brennkammer, so daß sich die Gasturbine mit übermäßig hoher Drehzahl drehen kann. Um eine solche Situation zu vermeiden, wurde bisher ein Verfahren verwendet, bei dem der Gasdurchsatz, der von dem Zentrifugalkompressor zur Zufuhr des Brennstoffes unter Druck bearbeitet wird, gemessen wird, und wenn der Durchsatz sinkt, ein Ventil (im folgenden oft als "Umgehungsventil" bezeichnet), das in einem Umgehungskanal angebracht ist, geöffnet wird. Eine Gasturbinenanlage, die ein solches Umgehungsventil in einem Kompressor-Rückführkreislauf benutzt, ist bekannt aus dem Aufsatz "Protecting Multicase Compressors" (Schutz von Mehrgehäusekompressoren) von N. Staroselsky und D. Carter, veröffentlicht in Hydrocarbon Processing, 69 (1990) März, Nr. 3, Houston, Texas, Seite 85 bis 89.
- Wenn außerdem der Durchsatz des eingesetzten Gases verringert wird, schwanken plötzlich der Druck und der Durchsatz in dem Zentrifugalkompressor wodurch ein Pumpphänomen verursacht wird, bei welchem Vibrationen zunehmen. Zur Verhinderung dieses pHänomens ist ein Verfahren wie oben beschrieben weithin bekannt, bei dem der Gasdurchsatz gemessen wird und falls der Durchsatz niedriger ist als der vorher bestimmte Wert, der Durchsatz durch den Zentrifugalkompressor erhöht wird, um das Pumpen im Zentrifugalkompressor zu verhindern und es wird auch das Umgehungsventil oder ein Auslaßventil geöffnet, wodurch der Durchsatz, der der Gasturbine zugeführt werden soll, auf einen vorher bestimmten Wert einreguliert wird. Ein solches Verfahren zur Verhinderung des Pumpens ist z. B. in "JSME Mechanical Engineering is Handbook, 6. revidierte Auflage", zusammengestellt von der Japan Society of Mechanical Engineers (1985; Band 10, Seite 10 bis 33) geoffenbart.
- Das obengenannte herkömmliche Steuerverfahren, bei dem der Durchsatz des behandelten Gases gemessen wird, und wenn dieser Durchsatz sinkt, das Umgehungsventil geöffnet wird, hat den Nachteil, daß, da das Umgehungsventil, das der Steuerung des Brennstoffdurchsatzes der Gasturbine dient, sofort geschlossen wird (ca. 0,1 Sekunden), der Förderdruck des Zentrifugalkompressors den obengenannten oberen Grenzwert übersteigt.
- Ein 100% Lastabschaltungsmodus gehört zu den Betriebsmodi einer Gasturbine, bei dem eine Lastveränderung am größten ist. Bei diesem Betriebsmodus wird ein Signal (FFD: Brennstoffdurchsatzbedarf) zur Steuerung des Brennstoffdurchsatzes der Gasturbine sofort von 100% nach 0% geändert, so daß ein Durchsatzsteuerventil von einem offenen Zustand in einen geschlossenen Zustand geschaltet wird, wodurch die Gasturbine von einem 100%-Lastbetrieb auf einen Null-Lastbetrieb geschaltet wird.
- Zum Zeitpunkt dieser Lastabschaltung wird das Brennstoffdurchsatzsteuerventil in ca. 0,1 bis 0,2 Sekunden von dem offenen Zustand in den geschlossenen Zustand umgeschaltet. Deshalb ist das Ansprechen bei einem herkömmlichen Verfahren zur Steuerung eines Zentrifugalkompressors, der das Brennstoffgas über ein Umgehungsventil zuführt, zu langsam, wobei bei dem Verfahren der von dem Zentrifugalkompressor verarbeitete Durchsatz überwacht wird, und wenn der Durchsatz unter einen unteren Grenzwert fällt, das Umgehungsventil geöffnet wird. Dadurch steigt ein Förderdruck des Zentrifugalkompressors sofort an, so daß die Drehzahl der Gasturbine einen oberen Grenzwert überschreitet.
- In der Gasturbinenanlage muß selbst zum Zeitpunkt der Lastabschaltung der Förderdruck des Zentrifugalkompressors innerhalb eines vorher bestimmten Bereichs liegen. Um dieser Anforderung zu genügen, werden zwei Verfahren vorgeschlagen, wobei bei einem ein Tank mit einem großen Volumen zwischen dem Zentrifugalkompressor und der Gasturbine vorgesehen ist, um eine Druckschwankung zu vermindern, und bei dem anderen das Ansprechen auf den Steuerbefehl des Zentrifugalkompressors schneller erfolgt.
- Eine Gasturbinenanlage, die aus der EP-A-0 377 292 bekannt ist, und welche eine Gasturbine mit einer Turbinenstufe, eine Brennkammer, einen Zentrifugalkompressor zum Zuführen von Stadtgas oder verflüssigtem Erdgas unter Druck zu der Brennkammer aufweist, betrifft das letztgenannte Verfahren. Obwohl die Gasturbinenanlage aus der EP-A-0 377 292 kein Umgehungsventil aufweist, hat sie eine komplexe Gasturbinensteuervorrichtung zur Steuerung der Gasturbine, wobei die Gasturbinensteuervorrichtung Brennstoffdurchsatzsteuereinrichtungen zur Steuerung des Durchsatzes des brennbaren Gases aufweist. Eine Kompressordurchsatzsteuerung wird als variable Gewinnänderungseinrichtung in ein herkömmliches Brenngasdurchsatzsteuerungssystem eingebaut. Ein Gassteuerventil wird immer in Abhängigkeit von Drehzahlsteuerung und Temperatursteuerung betrieben.
- Es ist ein Ziel dieser Erfindung eine Gasturbinenanlage bereitzustellen, bei der selbst bei einer Lastabschaltung (abrupte Lastveränderung) das übermäßige Ansteigen eines Förderdrucks eines Zentrifugalkompressors oder eines anderen Turbokompressors zur Zuführung von Brennstoff unter Druck in eine Brennkammer verhindert wird und ebenso ein übermäßiges Ansteigen der Drehzahl einer Gasturbine verhindert wird, wobei die Gasturbinenanlage geschützt und so ihre Betriebssicherheit verbessert wird sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Gasturbinenanlage bereitgestellt wird.
- Erfindungsgemäß wird dieses Ziel durch eine Gasturbinenanlage mit einer Gasturbine, welche eine Turbinenstufe, eine Brennkammer, einen Turbokompressor zum Zuführen von Stadtgas oder verflüssigtem Erdgas unter Druck zu der Brennkammer aufweist und mit einer Gasturbinensteuervorrichtung zum Steuern der Gasturbine erreicht, wobei die Gasturbinensteuervorrichtung Brennstoffdurchsatzsteuereinrichtungen zum Steuern des Durchsatzes des verbrennbaren Gases aufweist, wobei die Gasturbine einen Umgehungskanal, der sich von einem Auslaß des Turbokompressors zu einem Einlaß des Turbokompressors erstreckt und durch den das verbrennbare Gas von dem Auslaß des Turbokompressors zum Einlaß des Turbokompressors strömen kann und eine Öffnungs-/Schließeinrichtung zum Öffnen und Schließen des Umgehungskanals aufweist, und die Gasturbinensteuervorrichtung eine Einrichtung zur Erzeugung eines Signals für den Antrieb der Öffnungs-/Schließeinrichtung und der Brennstoffdurchsatzsteuereinrichtung synchron zueinander aufweist.
- Das Ziel wird weiterhin erreicht durch ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbinenanlage, die als Brennstoff verflüssigtes Erdgas oder Stadtgas verwendet, das unter Druck von einem Turbokompressor zugeführt wird, das die Schritte aufweist: Erzeugen eines Brennstoffsteuersignals in Übereinstimmung mit wenigstens einem der Signale, das jeweils von der Anlaufsteuereinrichtung, der Beschleunigungssteuereinrichtung, der Drehzahl-/Laststeuereinrichtung, der Lastbegrenzungseinrichtung und der Abgastemperatursteuereinrichtung abgegeben wird, die in einer Gasturbinensteuervorrichtung vorgesehen sind, und Steuern eines Brennstoffdurchsatzes in die Gasturbinenanlage sowie eines Brennstoffdurchsatzes um den Turbokompressor herum durch die Gasturbinensteuervorrichtung entsprechend dem Brennstoffsteuersignal.
- Erfindungsgemäß wird zur Vorbereitung der Steuerung des Umgehungsventils der Brennstoffdurchsatzbedarf (FFD) der Gasturbine früh in die Umgehungsventilsteuereinrichtung des Brenngaskompressors eingegeben, wodurch das Ansprechen schneller erfolgt, so daß selbst bei einer Lastabschaltung der Förderdruck des Turbokompressors in einem vorher bestimmten Bereich gehalten wird.
- Vorzugsweise hat die Gasturbinensteuervorrichtung eine Speichereinrichtung, welche vorab eine Beziehung zwischen einem Wert des Signals, das von der das Signal erzeugenden Einrichtung erzeugt wird, und einem Öffnungsgrad der Öffnungs/Schließeinrichtung speichert.
- Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gasturbinenanlage weist die Gasturbinensteuervorrichtung eine Anlaufsteuereinrichtung, eine Beschleunigungssteuereinrichtung, eine Drehzahl-/Laststeuereinrichtung, eine Lastbegrenzungseinrichtung und eine Abgastemperatursteuereinrichtung auf und die Einrichtung zum Erzeugen des Signals für den Antrieb der Öffnungs-/Schließeinrichtung und der Brennstoffdurchsatzsteuereinrichtung synchron zueinander ist eine Selektionseinrichtung zum Auswählen des kleinsten Signals aus den Steuersignalen, die jeweils von den obigen fünf Steuereinrichtungen abgegeben werden, und zum Abgeben des kleinsten Signals als Signal für den Antrieb der Öffnungs-/Schließeinrichtung und der Brennstoffdurchsatzsteuereinrichtung synchron zueinander.
- Bei dieser Auführungsform der Erfindung kann, selbst wenn eine abrupte Laständerung aufgrund einer Lastabschaltung in der Gasturbinenanlage auftritt, das Brennstoffsteuersignal, das das Ausgangssignal des Minimalsignalselktionskreises ist, auch an das Umgehungsventil des Turbokompressors ausgegeben werden und dadurch kann das Umgehungsventil zu einem frühen Zeitpunkt geöffnet werden und der Förderdruck des Turbokompressors kann auf ein Niveau unterhalb des oberen Grenzwertes begrenzt werden. Dadurch kann die Gasturbine innerhalb des Bereichs der notwendigen Drehzahl betrieben werden, so daß die Zuverlässig keit der Gasturbinenanlage erhöht wird. Weiterhin kann, indem der Grad der Förderdruckschwankung des Turbokompressors verringert wird, das Volumen des zwischen dem Turbokompressor und der Gasturbine vorgesehenen Fördertanks verringert werden.
- Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Brennstoffsteuersignal an die Brennstoffdurchsatzsteuereinrichtung der Gasturbinenanlage und an die Umström-Durchsatzsteuereinrichtung des Turbokompressors in synchroner Weise abgegeben.
- Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gasturbinenanlage wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen
- Fig. 1 ein schematisches Steuerablaufdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gasturbinenanlage ist;
- Fig. 2 ein Steuerablaufdiagramm eines Hauptabschnitts der Gasturbinenanlage aus Fig. 1 ist;
- Fig. 3 ein Steuerblockdiagramm eines Beispiels eines Zentrifugalkompressors der vorliegenden Erfindung ist;
- Fig. 4 ein Diagramm ist, das die Beziehung zwischen dem Ventilöffnungsgrad und einem Brennstoffdurchsatz zeigt;
- Fig. 5 ein Zeitdiagramm zum Zeitpunkt einer Lastabschaltung in der Gasturbinenanlage ist;
- Fig. 6 ein Diagramm ist, das Ergebnisse des Betriebes eines Beispiels einer Gasturbinenanlage zeigt;
- Fig. 7 ein Diagramm ist, das andere Ergebnisse des Betriebes der Gasturbinenanlage aus Fig. 6 zeigt.
- Wie in Fig. 1 bis 3 gezeigt, hat die Gasturbine 113 ein Gasturbinensteuersystem 1. Das Gasturbinensteuersystem 1 ist ein digitales Steuersystem und beeinflußt die optimale Steuerung zum Zeitpunkt des Anlaufens und Anhaltens der Gasturbine und während des Lastbetriebs, um einen automatischen Betrieb einer Gasturbinenstromerzeugungsanlage zu ermöglichen. Steuerungsfunktionen für diesem Zweck beinhalten eine Einstellsteuerfunktion und eine Folgesteuerfunktion. Dieses Gasturbinensteuersystem 1 weist weiterhin eine Schutzvorrichtung auf, die einen Alarm auslöst, wenn ungünstige Bedingungen für den Betrieb der Gasturbine entstehen und die Gasturbinenanlage automatisch abschaltet.
- Die Einstellsteuerfunktion wirkt mit der Folgesteuerfunktion zusammen, um in Übereinstimmung mit den Betriebsbedingungen der Gasturbine eine Brennstoffzufuhrmenge einzustellen und so weiter. Zur Erreichung dieser Funktion weist das Gasturbinensteuersystem 1 einen Anlaufsteuerkreis 22, einen Beschleunigungsbegrenzungssteuerkreis 20, einen Drehzahl-/Laststeuerkreis 24, einen Lastbegrenzungssteuerkreis 26, einen Abgastemperatursteuerkreis 30, einen Brenngassteuerkreis 36, einen Brennstoffdrucksteuerkreis 38 und einen Kompressoreinlaßleitschaufelsteuerkreis auf.
- Der Anlaufsteuerkreis 22 dient dazu, beim Anlaufen der Gasturbine Brennstoffdurchsatz-Befehlswerte für Zündung, Aufwärmphase und Beschleunigung festzusetzen. Der Beschleunigungsbegrenzungssteuerkreis 20 dient dazu, beim Anlaufen der Gasturbine die Drehzahl 10 der Gasturbine zu überwachen und beeinflußt eine Steuerung so, daß die Beschleunigungsrate der Turbine nicht einen Grenzwert übersteigt. Der Drehzahl-/Laststeuerkreis 24 dient dazu, den Betrieb eines Reglers in Übereinstimmung mit einer Drehzahl synchron mit der Gasturbinenanlage nach dem Erreichen einer festgelegten Drehzahl und auch in Übereinstimmung mit einer ständigen Drehzahlveränderung während des Lastbetriebes zu steuern. Die Einstellung eines Regler-Einstellkreises 18 im Betrieb mit synchroner Drehzahl wird durch das Gasturbinensteuersystem bewirkt. Andererseits wird das Ausgangssignal des Regler-Einstellkreises 18 zum Zeitpunkt des Lastbetriebes entweder so eingestellt, daß es innerhalb der Grenze eines Ausgangssignals des Abgastemperatursteuerkreises 30 maximiert oder in einer Laststeuereinrichtung 16 automatisch so eingestellt wird, daß ein von der Bedienungsperson manuell eingestellter Ausgangswert eines Last-Einstellkreises 14 ein Ausgangssignal 12 eines Generators sein kann.
- Der Lastbegrenzungssteuerkreis 26 dient dazu, durch Lastbegrenzungseinstellung während des Lastbetriebes einen Betrieb mit konstantem Ausgangssignal zu bewirken. Der Abgastemperatursteuerkreises 30 dient dazu, beim Anlaufen und während des Lastbetriebes eine Grenzsteuerung der Abgastemperatur der Gasturbine zu bewirken. Beim Anlaufen steuert dieser Kreis 30 den Brennstoff, so daß die Abgastemperatur der Gasturbine, die von einem Thermoelement 66 gemessen wird, einen erlaubten Wert nicht übersteigt, und während des Lastbetriebes begrenzt dieser Kreis 30 auch das maximale Ausgangssignal in Übereinstimmung mit der Abgastemperatur der Gasturbine, die von einer Temperatureinstelleinrichtung 28 in Übereinstimmung mit einem Ausgangssignal eines Druckwandlers 64 eingestellt wird, der einen Druck an einem Auslaß einer Brennkammer darstellt. Bei der Temperaturgrenzsteuerung wird anstatt der Einlaßtemperatur der Gasturbine die Auslaßtemperatur der Gasturbine gemessen und ein von einem Förderdruck des Kompressors der Gasturbine korrigierter Wert für diese Steuerung eingesetzt.
- Ein Minimalsignalselektionskreis 32 wählt das kleinste Signal als ein Brennstoffsteuersignal aus den Signalen aus, die jeweils von den obigen fünf Steuerkreisen abgegeben werden. Der Brenngassteuerkreis 36 bestimmt den Öffnungsgrad der Brennstoffdurchsatzsteuerventile in Übereinstimmung mit dem Brennstoffdurchsatzbedarfssignal (FFD) 34, das vom Minimalsignalselektionskreis 32 ausgegeben wird, um eine Brennstoffmenge zu steuern, die in die Brennkammer 124 eingespritzt werden soll. Andererseits steuert der Brennstoffdrucksteuerkreis 38 Drucksteuerventile 46 und 52, so daß die Ausgangssignale von Druckwandlern 44 und 50, die den Brennstoffdurchsatzsteuerventilen 42 und 48 jeweils vorgeschaltet sind, deren jeweilige vorbestimmte Werte sein können, die der Drehzahl der Gasturbine entsprechen. Der Kompressoreinlaßleitschaufelsteuerkreis dient dazu, eine Ansaug(einlaß)luftmenge so einzustellen, daß die Abgastemperatur der Gasturbine innerhalb eines erlaubten Grenzbereichs maximal wird. Um beim Anlaufen ein in dem Kompresssor der Gasturbine entstehendes Pulsieren der Luft zu verhindern, wird der minimale Öffnungsgrad durch diesen Kreis beibehalten.
- Die Gasturbinenanlage wird während des Bewirkens solcher verschiedener Steuervorgänge betrieben. Zum Zeitpunkt einer Lastabschaltung werden die Brennstoffdurchsatzsteuerventile 42 und 48 in Übereinstimmung mit dem Ausgangssignal des Brennstoffsteuerkreises 36 abrupt geschlossen.
- Dies wird nun mit Bezug auf die Figuren 2 und 3 beschrieben. Der Kompressor 101 führt Stadtgas oder verflüssigtes Erdgas unter Druck einer Brennkammer 124 der Gasturbine zu. Der Kompressor 101 weist eine Niederdruckstufe 121 und eine Hochdruckstufe 122 auf und zwischen den zwei Stufen ist ein Zwischenkühler 105 vorgesehen, und der Brennstoff, dessen Temperatur bei der Niederdruckstufe ansteigt, wird von diesem Kühler gekühlt und dann der Hochdruckstufe zugeführt. Eine Düse 104, ein Ansaugventil 103 und ein Ansaugrückschlagventil 102, die in dieser Reihenfolge von der Niederdruckstufe 121 aus angeordnet sind, sind durch Rohre mit einer Stromaufseite der Niederdruckstufe 121 verbunden. Auf der anderen Seite sind ein Auslaßrückschlagventil 106 und ein Auslaßtank 109, die in dieser Reihenfolge von der Hochdruckstufe 122 aus angeordnet sind, durch Rohre mit einer Stromabseite der Hochdruckstufe 122 verbunden. Auf einer Stromabseite des Auslaßtanks 109 sind Brennstoffdrucksteuerventile 46 und 52 und die Brennstoffdurchsatzsteuerventile 42 und 48 der Gasturbine 113 durch jeweilige Brennstoffrohrleitungen in Reihe geschaltet. Die Brennstoffrohre sind z.B. ein Rohr mit einem Durchmesser von 4 Zoll (101,6 mm). Obwohl bevorzugterweise ein Zentrifugalkompressor als Kompressor verwendet wird, kann bei der vorliegenden Erfindung auch ein anderer Turbokompressor verwendet werden. Bei der nachstehenden Beschreibung wird ein Zentrifugalkompressor als Kompressor verwendet.
- Ein Rohr (Umgehungsrohr) das um den Zentrifugalkompressor 101 herumführt (Dieser Fluß wird im folgenden aus praktischen Gründen als "Umgehung" bezeichnet) ist zwischen einem Punkt nahe des Auslasses der Hochdruckstufe 122 des Zentrifugalkompressors 101 und einem Punkt zwischen dem Ansaugrückschlagventil 102 und der Düse 104 mit der Niederdruckstufe 121 verbunden. Ein Umgehungsventil 107 und ein Umgehungskühler 108 sind in der Mitte dieses Umgehungsrohrs vorgesehen. Wenn der Durchsatz des Zentrifugalkompressors 101 sinkt, wird der Zentrifugalkompressor 101 in einen Pumpbereich gebracht und es kommt letztlich zu Vibrationserscheinungen. Deshalb wird der Gasdurchsatz durch den Zentrifugalkompressor erhöht und ein Teil des aus dem Zentrifugalkompressor abgeführten Gases durch das Bereitstellen des Umgehungskanals zur Ansaugseite zurückgeführt, um das Pumpen im Zentrifugalkompressor 101 zu verhindem. Weiterhin ist ein Sensor zum Messen eines Drucks in der Nähe des Auslasses der Hochdruckstufe 122 vorgesehen und ein Ausgangssignal dieses Sensors wird mit Hilfe eines Gebers 146 einem Druckanzeigeregulator 140 zugeführt. Andererseits wird der von der stromaufwärts von der Niederdruckstufe 121 angebrachten Düse 104 gemessene Brennstoffdurchsatz mit Hilfe eines Durchsatzgebers 142 in einen Brennstoffdurchsatzanzeigeregulator 144 eingegeben.
- Bei dieser Ausführungsform ist die Beziehung zwischen dem Brennstoffbedarf (FFD) der Gasturbine und dem Öffnungsgrad des Umgehungsventils 107 so bestimmt, daß das Umgehungsventil 107 automatisch geöffnet wird, wenn der Brennstoffdurchsatzbedarf (FFD) klein wird. Es kann ein Steuersystem in Kombination verwendet werden, bei der ein Durchsatz, der von dem Kompressor angesaugt wird, wie im herkömmlichen System von einer Düse überwacht wird und das Umgehungsventil 107 geöffnet wird, wenn der Durchsatz seinen unteren Grenzwert erreicht. In diesem Fall wird das Umgehungsventil 107 geöffnet, wenn entweder der Brennstoffdurchsatzbedarf (FFD) oder der Ansaugdurchsatzsteuerbefehl eingegeben werden. Bei jedem dieser Verfahren arbeitet ein Zentrifugalkompressor-Pumpschutz-Steuersystem 70, das den Druckgeber 146, den Druckanzeigeregulator 140, den Durchsatzgeber 142 und den Durchsatzanzeigeregulator 144 umfaßt, und als Ergebnis wird ein Zentrifugalkompressor-Umgehungsventil-Öffnungsgradbefehl 74 ausgegeben.
- Außerdem kann bei dem herkömmlichen Verfahren des Öffnens des Umgehungsventils bei einer abrupten Änderung der Last das Ansprechen auf das Ventilöffnen zu spät sein und deshalb der Förderdruck des Zentrifugalkompressors sofort ansteigen, so daß die Drehzahl der Gasturbine den oberen Grenzwert übersteigt. Um dies zu verhindern, wird ein Ventil eingesetzt, das in der Lage ist, die Abschaltung augenblicklich zu bewirken (ca. 0,1 Sekunden), was hohe Kosten verursacht, wenn Brennstoffrohre mit so großen Durchmessern wie 4 Zoll (101,6 mm) benutzt werden und außerdem wird die Größe der Anlage stark erhöht. Deshalb wird der Gasturbinenbrennstoffdurchsatzbedarf (FFD) 34 in das Umgehungsventil des Zentrifugalkompressors eingegeben, der den Brennstoff unter Druck gleichzeitig zuführt, wenn dieser Brennstoffdurchsatzbedarf (FFD) in den Brenngassteuerkreis 36 eingegeben wird. Hier wird in jeder einzelnen Gasturbinenanlage eine vorher bestimmte Beziehung zwischen dem Brennstoffbedarf 34 und dem Öffnungsgrad des Brenngasumgehungsventils 107 hergestellt. Genauer gesagt wird, wie z.B. in Fig. 4 gezeigt, das Umgehungsventil 107 völlig geöffnet, wenn der Brennstoffbedarf nicht weniger als 70% beträgt und wenn der Brennstoffbedarf sinkt, wird das Umgehungsventil 107 allmählich geschlossen und der Öffnungsgrad des Umgehungsventils wird auf 40% verringert, wenn der Brennstoffdurchsatzbedarf 0% ist. Diese Beziehung wird in einem zugehörigen Speicher des Gasturbinensteuersystems 1 gespeichert, und jedesmal wenn ein neues Brennstoffsteuersignal ausgegeben wird, wird der gespeicherte Wert aus dem Speicher gelesen, so daß eine Laständerung schnell durchgeführt werden kann.
- In Fig. 5 sinkt der Öffnungsgrad der Gasturbinenbrennstoffdurchsatzsteuerventile 42, 48 in Übereinstimmung mit der Bedarfsmenge FFD, wenn der Brennstoffdurchsatzbedarf (FFD) 34 einen Brennstoffreduzierbedarf ergibt. Da der Brennstoffreduzierbedarf eingegeben wird, gibt das Gasturbinensteuersystem 1 einen Befehl an die Steuervorrichtung des Zentrifugalkompressors, die Zuführmenge des Brennstoffs unter Druck zu verringern. Wenn zu diesem Zeitpunkt der Durchsatz des Zentrifugalkompressors lediglich verringert wird, verursacht der Zentrifugalkompressor ein Pumpen und deshalb muß der Gasdurchsatz durch den Zentrifugalkompressor über einem vorher bestimmten Niveau liegen, bei dem kein Pumpen verursacht wird. Deshalb erzeugt die Steuervorrichtung des Zentrifugalkompressors den Ventilöffnungsbefehl für das Umgehungsventil des Zentrifugalkompressors. Dieser Befehl wird üblicherweise gleichzeitig mit der Erzeugung des Brennstoffdurchsatzbedarfs (FFD) erzeugt und aus diesem Grund erzeugt der Öffnungsgrad des Umgehungsventils des Zentrifugalkompressors eine geringere Zeitverzögerung bezüglich des Bedarfs verglichen mit dem herkömmlichen System. Das Öffnen und Schließen des Umgehungsventils ist ein mechanischer Vorgang, und deshalb wird für die Deckung des Bedarfs mehr Zeit in Anspruch genommen als für andere Vorgänge. Wenn das Ansaugdurchsatzventil 103, das Umgehungssteuerventil 107 und die Durchsatzsteuerventile 42, 48 wie oben beschrieben gesteuert werden, wird der Förderdruck des Zentrifugalkompressors seinen oberen Grenzwert nicht überschreiten, wie es unten in Fig. 5 dargestellt ist, so daß das Pumpen verhindert werden kann. Als nächstes wird nun ein Beispiel für das Ergebnis beim Betreiben der Gasturbine in Übereinstimmung mit diesem Prinzip in bezug auf die Figuren 6 und 7 beschrieben.
- Wie in Fig. 7 gezeigt, steigt der Brenngasdurchsatz von ca. 6.100 m³/h auf ca. 7.100 m³/h, wenn die Brennstoffdurchsatzsteuerventile von 37% auf 0% in 2 Sekunden völlig geschlossen werden. Andererseits steigt der Brenngasdruck am Auslaß des Zentrifugalkompressors lediglich von ca. 25kg/cm² auf ca. 27,7 kg/cm², so daß das Pumpen, das einen negativen Effekt für den Zentrifugalkompressor darstellt, verhindert wird. Die Tatsache, daß kein Pumpen erzeugt wird, wird anhand des Diagramms, das den Auslaßgasdruck anzeigt, bestätigt. Daher kann die Gasturbinenanlage mit hoher Betriebssicherheit bereitgestellt werden. Darüber hinaus kann durch die Durchführung der oben genannten Steuerung eine Druckschwankung am Auslaß des Zentrifugalkompressors verringert werden und das Volumen des Fördertanks 109, der zum Absorbieren der Druckschwankungen dient, kann verringert werden.
Claims (5)
1. Gasturbinenanlage
- mit einer Gasturbine (113), welche
- eine Turbinenstufe (123, 125),
- eine Brennkammer (124) und
- einen Turbokompressor (101) zum Zuführen von Stadtgas
oder verflüssigtem Erdgas unter Druck zu der
Brennkammer (124) aufweist, und
- mit einer Gasturbinensteuervorrichtung zum Steuern der
Gasturbine (113), wobei die
Gasturbinensteuervorrichtung eine Brennstoffdurchsatzsteuereinrichtung (36, 42,
48) zum Steuern des Durchsatzes des verbrennbaren Gases
aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
- daß die Gasturbine (113)
- einen Umgehungskanal, der sich von einem Auslaß des
Turbokompressors (101) zu einem Einlaß des
Turbokompressors (101) erstreckt und durch den das
verbrennbare Gas von dem Auslaß des Turbokompressors (101)
zum Einlaß des Turbokompressors (101) strömen kann
und
- eine Öffnungs-/Schließeinrichtung (107) zum Öffnen
und Schließen des Umgehungskanals aufweist, und
- daß die Gasturbinensteuervorrichtung eine Einrichtung
zur Erzeugung eines Signals (34) für den Antrieb der
Öffnungs-/Schließeinrichtung (107) und der
Brennstoffdurchsatzsteuereinrichtung (26, 42, 48) synchron
zueinander aufweist.
2. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Gasturbinensteuervorrichtung eine
Speichereinrichtung hat, welche eine Beziehung zwischen einem
Wert des Signals (34), das von der das Signal (34)
erzeugenden Einrichtung erzeugt wird, und einem Öffnungsgrad
der Öffnungs-/Schließeinrichtung (107) vorab speichert.
3. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet,
- daß die Gasturbinensteuervorrichtung
- eine Anlaufsteuereinrichtung (22),
- eine Beschleunigungssteuereinrichtung (20),
- eine Drehzahl-/Laststeuereinrichtung (24),
- eine Lastbegrenzungseinrichtung (26) und
- eine Abgastemperatursteuereinrichtung (30) aufweist
und
- daß die Einrichtung zum Erzeugen des Signals (34) für
den Antrieb der Öffnungs-/Schließeinrichtung (107) und
der Brennstoffdurchsatzsteuereinrichtung (36, 42, 48)
synchron zueinander eine Selektionseinrichtung (32) zum
Auswählen des kleinsten Signals aus den Steuersignalen,
die jeweils von den obigen fünf Steuereinrichtungen
(20, 22, 24, 26, 30) abgegeben werden, und zum Abgeben
des kleinsten Signals als Signal (34) für den Antrieb
der Öffnungs-/Schließeinrichtung (107) und der
Brennstoffdurchsatzsteuereinrichtung (36, 42, 48) synchron
zueinander ist.
4. Verfahren zum Betreiben einer Gasturbinenanlage, die als
Brennstoff verflüssigtes Erdgas oder Stadtgas verwendet,
das unter Druck von einem Turbokompressor (101) zugeführt
wird, gekennzeichnet durch die Schritte
- Erzeugen eines Brennstoffsteuersignals (34)
entsprechend wenigstens einem der Signale, das jeweils von der
Anlaufsteuereinrichtung (22), der
Beschleunigungssteuereinrichtung (20), der Drehzahl-/Laststeuereinrichtung
(24), der Lastbegrenzungseinrichtung (26) und der
Abgastemperatursteuereinrichtung (30) abgegeben wird,
die in einer Gasturbinensteuervorrichtung vorgesehen
sind, und
- Steuern eines Brennstoffdurchsatzes in die
Gasturbinenanlage sowie eines Brennstoffdurchsatzes um den
Turbokompressor (101) herum durch die
Gasturbinensteuervorrichtung entsprechend dem Brennstoffsteuersignal (34).
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
das Brennstoffsteuersignal (34) an die
Brennstoffdurchsatzsteuereinrichtung (36, 42, 48) der Gasturbinenanlage
und an die Umström-Durchsatzsteuereinrichtung (107) des
Turbokompressors (101) in synchroner Weise abgegeben
wird.
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