DE69809532T2

DE69809532T2 - Dampfgekühlte Gasturbinenanlage

Info

Publication number: DE69809532T2
Application number: DE69809532T
Authority: DE
Inventors: Sunao Aoki; Kazuharu Hirokawa; Hidetaka Mori; Hideaki Sugishita; Kazuo Uematsu
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1996-10-29
Filing date: 1998-02-26
Publication date: 2003-08-21
Anticipated expiration: 2018-02-27
Also published as: JPH10131719A; US6089012A; CA2230325C; EP0939202A1; CA2230325A1; EP0939202B1; DE69809532D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Dampfkühlverfahren für ein Gasturbinensystem, bei dem eine Gasturbinenschaufel und ein Brennerabgasrohr dampfgekühlt werden.
Ein herkömmliches Gasturbinensystem wird unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben. Wie es in Fig. 2 gezeigt ist, ist eine herkömmliche dampfgekühlte Gasturbine derart ausgebildet, daß ein Auslaßdampf aus einem Auslaß einer Hochdruckturbine als solches zur Kühlung der Schaufel verwendet und anschließend durch eine Zwischendruckturbine zurückgewonnen wird. Ein Abgasrohr eines Brenners wird mit abgegebener Luft aus einem Kompressor gekühlt.
In Fig. 2 kennzeichnet die Ziffer 01 eine Gasturbine, 02 einen Abgaswärme-Rückgewinnungskessel, 7 eine Hochdruckturbine, 8 eine Zwischendruckturbine und 9 eine Niederdruckturbine. Bei der Gasturbine 01 wird die Luft in einen Kompressor 5 gesaugt und dort auf einen vorbestimmten Druck komprimiert. Anschließend werden ein Kraftstoff, der auf eine vorbestimmte Temperatur an einem Einlaß einer Turbine 4 eingestellt ist, und Luft, die durch den Kompressor 5 unter Druck gesetzt wird, gemischt und in einem Brenner 6 verbrannt.
In der Turbine 4 dehnt sich bei hoher Temperatur ein Hochdruckverbrennungsgas, das durch den Brenner 6 erzeugt wird, aus, um einen Abtrieb zu erzeugen, der Energie in einem Generator 20 erzeugt. Das Abgas wird nach der Arbeit dem Abgaswärme-Rückgewinnungskessel 02 durch eine Abgasleitung 10 zugeführt.
Eine feste Turbinenschaufel und eines sich bewegende Turbinenschaufel der Turbine 4 werden mit Dampf gekühlt, der von einem Auslaß der Hochdruckturbine 7 durch eine Schaufelkühldampf-Versorgungsleitung 11 zugeführt wird. Der erwärmte Dampf wird nach dem Kühlen in einen Einlaß der Zwischendruckturbine 8 über eine Schaufelkühldampf-Rückgewinnungsleitung 12 zurückgewonnen.
Im Abgaswärme-Rückgewinnungskessel 02 wird ein stark erwärmter Dampf, der durch eine Hochdrucktrommel 3 erzeugt wird, zur Hochdruckturbine 7 durch eine Hochdruckdampfleitung 13 geleitet. Anschließend dehnt er sich in der Hochdruckturbine 7 aus, um einen Abtrieb zu erzeugen.
Der Auslaßdampf aus der Hochdruckturbine 7 wird in einen Teil, der zur festen Turbinenschaufel und zur sich bewegenden Schaufel der Gasturbine 01 durch die Schaufelkühldampf-Versorgungsleitung 11 geleitet wird, und einen Teil aufgeteilt, der zu einem Nachbrenner 24 des Abgaswärme-Rückgewinnungskessel 02 geleitet wird.
Der Dampf, der durch eine Zwischendrucktrommel 2 erzeugt wird, wird mit dem Auslaßdampf aus der Hochdruckturbine 7 gemischt. Die resultierende Mischung wird dem Nachbrenner 24 zugeführt, wo sie erwärmt wird. Die erwärmte Mischung wird mit dem Schaufelkühldampf gemischt, der durch die Schaufelkühldampf- Rückgewinnungsleitung 12 geleitet wird, und anschließend dem Einlaß der Zwischendruckturbine 8 zugeführt.
In der Zwischendruckturbine 8 dehnt sich der Dampf aus, um einen Abtrieb zu erzeugen. Der Auslaßdampf aus der Zwischendruckturbine 8 mischt sich mit dem Dampf, der durch einen Niederdruckkessel 1 erzeugt wurde, über eine Niederdruckdampfleitung 15. Anschließend wird der gemischte Dampf der Niederdruckturbine 9 zugeführt, um einen Abtrieb zu erzeugen.
Schließlich kondensiert der Dampf durch eine Kondensiereinrichtung 21 und wird durch eine Druckpumpe 22 bis zu einem vorbestimmten Druck unter Druck gesetzt. Anschließend wird das Kondensat dem Abgaswärme-Rückgewinnungskessel 02 durch eine Zuführwasserleitung 23 zugeführt.
Wie es zuvor beschrieben wurde, wird gemäß der herkömmlichen dampfgekühlten Gasturbine Dampf, der aus dem Auslaß der Hochdruckturbine abgelassen wird, als Schaufelkühldampf verwendet, während Luft, die aus dem Kompressor abgegeben wird, als solche verwendet wird, um das Abgasrohr des Brenners zu kühlen. Daher bereitete die Temperatursteuerung des Kühldampfes Schwierigkeiten.
Weiterhin ist der Hochtemperaturteil der Gasturbine einer Kriechverformung unterworfen, wenn die Metalltemperatur nicht unter eine bestimmte Temperatur abgesenkt wird. Daher muß die Zuführtemperatur des Kühldampfes so eingestellt sein, daß sie unter einem bestimmten Grenzwert liegt. Unter einer Teillast neigt die Kühldampf-Zuführtemperatur insbesondere dazu, größer zu werden als unter einer Nennlast. Dieser Tatsache muß höchste Aufmerksamkeit geschenkt werden.
Die Druckschrift EP 0 674 099 A1 beschreibt ein Verfahren zum kühlen thermisch aufgeladener Bestandteile einer Gasturbinengruppe als Teil einer kombinierten Anordnung, die zusätzlich auch aus einem Überschußwärme-Dampfgenerator und einem Dampfkreislauf besteht. Mit dem Verfahren gemäß EP 0 674 099 A1 wird eine Menge eines gesättigten Dampfes aus einer Trommel des Dampfkreislaufes entnommen. Die erwähnten Bestandteile, nämlich die Verbrennungskammer und die Turbine, werden nacheinander durch diesen gesättigten Dampf gekühlt, wobei der Dampf anschließend zu einer Gasturbine des Dampfkreislaufes an einer geeigneten Stelle zurückgeführt wird. Der Dampf aus der Dampfturbine, der für die Kühlung verwendet wird, wird, sofern dies erforderlich ist, mit einem Teil des Wassers aus dem Überschußwärme-Dampfgenerator stromaufwärts von den zu kühlenden Bestandteilen temperiert.

ÜBERSICHT ÜBER DIE ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf diese Gegebenheiten gemacht. Ihr Ziel besteht darin, ein Dampfkühlverfahren für ein System anzugeben, das die Kühldampf-Zuführtemperatur bei einem bestimmten Wert unter Einzellast wie auch unter Nennlast halten kann, wodurch eine wirksame Kühlung durchgeführt wird.
Die vorliegende Erfindung gibt zum Erreichen dieses Ziels ein Dampfkühlverfahren für ein dampfgekühltes Gasturbinensystem in einem kombinierten Kraftwerkskreislauf an, der eine Kombination bestehend aus einer Gasturbinenanlage und einer Dampfturbinenanlage enthält und über einen Abgaswärme-Rückgewinnungskessel zum Erzeugen eines Dampfturbinen-Antriebsdampfes unter Verwendung von Abgaswärme aus einer Gasturbine verfügt; wobei ein Gasturbinenschaufel-Kühldampft und ein Brennerabgasrohr-Kühldampf, der aus einem Auslaß einer Hochdruckdampfturbine abgelassen werden, durch eine Kraftstoffwärmetauscher für einen Wärmetauschvorgang mit dem Kraftstoff geleitet werden; anschießend jeder Kühldampf mit Wasser besprüht, um auf eine vorbestimmte Temperatur gekühlt zu werden, und einem Kühlbereich zugeführt wird; und der Schaufelkühldampf, der den Kühlbereich verlassen hat, in einen Zwischenbereich eines Nachbrenners zurückgewonnen wird, während der Abgasrohr-Kühldampf; der den Kühlbereich verlassen hat, in einen Einlaß einer Zwischendruckturbine zurückgewonnen wird. Gemäß diesem Gasturbinensystem werden der Schaufelkühldampf und der Brennerabgasrohr-Kühldampf aus dem Auslaß der Hochdruckturbine abgelassen, die Wärme mit dem Kraftstoff durch den Kraftstoffwärmetauscher der Gasturbine getauscht, und anschließend mit zugeführtem Wasser besprüht, um auf eine vorbestimmte Temperatur gekühlt zu werden, wodurch die Metalltemperatur des Brennerabgasrohres und die Turbinenschaufel auf einen Wert unter der zulässigen Temperatur gebracht werden können.
Während dieses Vorgangs wird der Gasturbinenkraftstoff durch den Kraftstoffwärmetauscher, wie zuvor erwähnt, erwärmt, so daß die Kraftstofflußrate verringert werden kann, um die Wirtschaftlichkeit der kombinierten Anlage zu erhöhen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Systemdiagramm eines dampfgekühlten Gasturbinensystems, bei dem eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Anwendung kommt; und
Fig. 2 ist ein Systemdiagramm eines herkömmlichen dampfgekühlten Gasturbinensystems.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben. Denselben Teile wie jenen eines herkömmlichen Systems sind dieselben Bezugszeichen und Symbole zugeordnet, wobei auf eine doppelte Beschreibung verzichtet und das Hauptaugenmerk auf die Schlüsselpunkte dieser Ausführungsform gerichtet.
Bei der vorliegenden Ausführungsform läuft Hochdruck-Auslaßdampf, der von einem Auslaß einer Hochdruckturbine 7 abgegeben wird, durch einen Kraftstoffwärmetauscher 18 mit Hilfe einer Schaufelkühldampf-Zuführleitung 11 und einer Abgasrohr-Kühldampf-Zuführleitung 16, so daß Wärme mit Kraftstoff in einer Gasturbine getauscht wird. Anschließend wird Wasser von einer Temperaturreduzier-Sprühwasser-Zuführleitung 19 jeweils der Schaufelkühldampfleitung 11 und der Abgasrohr-Kühldampf-Zuführleitung 16 zugeführt. Eine Steuervorrichtung (nicht gezeigt) stellt den Umfang der Erwärmung des Gasturbinenkraftstoffs und die Flußrate des Sprühwassers für die Temperaturreduzier-Sprühwasser-Zuführleitung 19 ein. Somit kann die Zuführtemperatur des Kühldampfes gesteuert und auf eine vorbestimmte Temperatur während des Nennlastbetriebs und des Teillastbetriebs der Gasturbine 01 eingestellt werden.
Beim herkömmlichen dampfgekühlten Gasturbinensystem ist, wie zuvor erwähnt, der Kühldampf für die feste Turbinenschaufel und die sich bewegende Turbinenschaufel der Gasturbine Teil des Auslaßdampfes aus dem Auslaß der Hochdruckturbine 7. Wenn sich die Einlaßtemperatur der Gasturbine, die Einlaßführüngs-Radschaufelöffnung oder die atmosphärische Temperatur ändert, ändert sich somit die Auslaßtemperatur der Hochdruckturbine 7 dementsprechend. Somit ändert sich ebenfalls die Turbinenschaufel-Kühldampftemperatur ebenfalls, wodurch sich gleichzeitig die Metalltemperatur der Turbinenschaufel ändert. Insbesondere unter Teillast neigt diese Kühldampftemperatur deutlich dazu anzusteigen, wodurch die Möglichkeit einer Kriechverformung der sich bewegenden Schaufel gegeben ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform jedoch, kann die Kühldampfzuführtemperatur auf eine vorbestimmte Temperatur während des Nennlastbetriebs und des Teillastbetriebs der Gasturbine gesteuert werden. Dadurch kann die Zuverlässigkeit der festen Schaufel und der sich bewegenden Schaufel der Turbine 4 sichergestellt werden und eine Verbesserung der gesamten Wirtschaftlichkeit durch die Erwärmung des Kraftstoffes erwartet werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden, wie es oben beschrieben wurde, Gasturbinenschaufel-Kühldampf und Brennerabgasrohr-Kühldampf aus der Auslaßluft von der Hochdruckturbine entnommen, im Gasturbinen-Kraftstoffwärmetauscher wärmegetauscht und anschließend mit Wasser besprüht, wodurch die Zuführtemperaturen des Brennerabgasrohr-Kühldampfes und des Gasturbinenschaufel-Kühldampfes auf vorbestimmte Temperaturen unter beliebigen Betriebsbedingungen eingestellt werden können. Somit können die Metalltemperaturen des Brennerabgasrohres und der Turbinenschaufel der Gasturbine innerhalb eines zulässigen Temperaturbereiches gesteuert werden.
Weiterhin wird Kraftstoff durch Wärmetauschen mit dem Kühldampf erwärmt, so daß die gesamte Wirtschaftlichkeit erhöht werden kann.
Obwohl die vorliegende Erfindung, wie sie durch die Ansprüche definiert ist, unter Bezugnahme auf die dargestellte Ausführungsform beschrieben wurde, versteht es sich, daß die Erfindung dadurch nicht beschränkt ist, sondern unterschiedliche Veränderungen und Modifikationen beim konkreten Aufbau der Erfindung vorgenommen werden können, ohne vom Geist und vom Geltungsbereich der Erfindung abzuweichen.

BEZUGSZEICHEN

01 Gasturbine
02 Rückgewinnungskessel
1 Niederdrucktrommel
2 Zwischendrucktrommel
3 Hochdrucktrommel
4 Turbine
5 Kompressor
6 Brenner-Abgasrohr-Dampfkühlung,
7 Hochdruckturbine
8 Zwischendruckturbine
9 Niederdruckturbine
10 Abgasleitung
11 Schaufel-Kühldampf-Zuführleitung
12 Schaufel-Kühldampf-Rückgewinnungsleitung
13 Hochdruckdampfleitung
14 Zwischendruckdampfleitung
15 Niederdruckdampfleitung
16 Abgasrohr-Kühldampf-Zuführleitung
17 Abgasrohr-Kühldampf-Rückgewinnungsleitung
18 Kraftstoffwärmetauscher
19 Temperaturverringerungs-Sprühwasser-Zuführleitung
20 Generator
21 Kondensiereinrichtung
22 Druckpumpe
23 Zuführwasserleitung
24 Nachbrenner

Claims

1. Dampfkühlverfahren für ein dampfgekühltes Gasturbinensystem in einem kombinierten Kraftwerkskreislauf, der eine Kombination bestehend aus einer Gasturbinenanlage und einer Dampfturbinenanlage enthält und über einen Abgaswärme- Rückgewinnungskessel zum Erzeugen eines Dampfturbinen-Antriebsdampfes unter Verwendung von Abgaswärme aus einer Gasturbine (01) verfügt; wobei

ein Gasturbinenschaufel-Kühldampf und ein Brennerabgasrohr-Kühldampf, die aus einem Auslaß einer Hochdruckdampfturbine (7) abgelassen werden, durch einen Kraftstoffwärmetauscher (18) für einen Wärmetauschvorgang mit einem Kraftstoff geleitet werden; anschließend jeder Kühldampf mit Wasser besprüht wird, um auf eine vorbestimmte Temperatur gekühlt zu werden, und einem Kühlbereich zugeführt wird; und der Schaufelkühldampf, der den Kühlbereich verlassen hat, in einen Zwischenbereich eines Nachbrenners (24) zurückgewonnen wird, während der Abgasrohr-Kühldampf, der den Kühlbereich verlassen hat, in einen Einlaß einer Zwischendruck-Gasturbine (8) zurückgewonnen wird.