EP2811119A1 - Method for testing an overspeed protection system of a combined cycle plant with single shaft system - Google Patents

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EP2811119A1
EP2811119A1 EP13170738.2A EP13170738A EP2811119A1 EP 2811119 A1 EP2811119 A1 EP 2811119A1 EP 13170738 A EP13170738 A EP 13170738A EP 2811119 A1 EP2811119 A1 EP 2811119A1
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EP
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overspeed protection
steam turbine
gas turbine
test
speed
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Withdrawn
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EP13170738.2A
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Inventor
Martin Bennauer
Edwin Gobrecht
Martin Hallekamp
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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    • F01D21/003—Arrangements for testing or measuring
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D21/00—Shutting-down of machines or engines, e.g. in emergency; Regulating, controlling, or safety means not otherwise provided for
    • F01D21/20—Checking operation of shut-down devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/30—Application in turbines
    • F05D2220/32—Application in turbines in gas turbines

Definitions

  • the invention relates to a method for testing an overspeed protection of a combined cycle single-shaft plant, wherein during a test operation, the gas turbine and steam turbine are operated at a test speed, the generator is operated with a connected load and during the test operation, a load shedding takes place.
  • the speeds are determined and monitored.
  • the speed of a combined cycle power plant is at a constant frequency of 50 Hz or 60 Hz. It may happen that this speed is exceeded, which can be referred to as overspeed. If this overspeed exceeds a critical value, a protective mechanism should be provided by taking action and preventing any further increase in speed. In general, this will be done switching off the steam supply to the steam turbine and switching off the fuel supply to the gas turbine. In this case, a trip of the steam turbine to the gas turbine will thus take place.
  • the object of the invention is to provide a method for testing a GuD single-shaft system, wherein the overspeed protection test of operating speeds from feasible.
  • This object is achieved by a method for testing an overspeed protection of a combined cycle gas turbine plant, wherein during a test operation, the gas turbine and steam turbine are operated at a test speed, wherein the generator is operated with a connected load, wherein during the test operation, a load shedding takes place The speed of the steam turbine increases and a DT overspeed protection is triggered when a DT tripping limit value is reached.
  • An essential idea of the invention is therefore that the steam and gas turbine is driven to a test speed corresponding to the operating speed of 50 Hz or 60 Hz, an electric generator, wherein an electric load is arranged on the electric generator.
  • This electrical load leads to an increased torque on the rotors of the gas and steam turbine.
  • a load shedding i. the electric load is abruptly switched off, the counteracting of the torque changes at the gas and steam turbine rotors, with the result that the speed increases more or less abruptly, since the control of the steam supply and fuel supply to the gas turbine as a result of the inertia of the system does not comply.
  • the steam turbine initially reaches the DT triggering limit value, the DT overspeed protection being triggered, and subsequently the gas turbine reaches a GT limit value, the GT overspeed protection being triggered after reaching the GT limit value.
  • two triggering conditions must be achieved in succession in order first to trigger the overspeed protection of the steam turbine and then of the gas turbine.
  • the DT trip limit must be reached and then the GT limit.
  • the steam turbine is in test operation in a fully warmed condition. This means that the operating parameters of the steam turbine in the test mode are ideally achieved and no temporary effects are to be considered in the sharp operation.
  • the gas turbine is operated in test mode with lower power.
  • the gas turbine is operated in test mode with a constant exhaust gas temperature.
  • a time t tripping elapses between the triggering of the DT overspeed protection and the load shedding, and the triggering ⁇ t max applies, with a steam turbine trip taking place, if t triggering is > t max and triggering of the DT Overspeed protection has not yet occurred.
  • the FIG. 1 shows a GuD single-shaft system 1.
  • This GuD single-shaft system 1 comprises a steam turbine 2, a gas turbine 3 and an electric generator 4, which are connected to each other via a common shaft 5 to transmit torque.
  • a clutch 6 is arranged, with which the torque transmission can be interrupted.
  • an electrical load 9 or an electrical load 9 is connected via a switch 8.
  • the switch 8 is shown in the closed state.
  • the FIG. 2 shows a speed curve of the gas turbine (n GT ) and the steam turbine (n DT ).
  • speed curves show the speed curve of the gas turbine 3 and the steam turbine 2 with the clutch closed 6.
  • the gas turbine 3 and steam turbine 2 is operated at a constant speed of 3000 revolutions per minute.
  • the time t t load shedding the electrical load 9 is disconnected from the generator 4 via the switch 8.
  • the result is that the speed of the gas turbine (n GT ) and the steam turbine (n DT ) goes high for a short time and if a tripping limit has been reached, a trip of the steam turbine 2 3 takes place, resulting in a sharp decrease in the speed, as in FIG. 2 recognizable leads.
  • the sharp overspeed protection must be carried out with a, compared to normal operation, unaltered trip limit value of the overspeed protection.
  • the gas turbine Defines 3 and steam turbine 2 to the trigger limit of the associated overspeed protection defined.
  • the overspeed protection must ab juryn when exceeding the tripping limits, the corresponding actuators of gas turbine 3 and steam turbine 2 and thus prevent critical overspeed.
  • the sharp overspeed protection test is not a real safety requirement for functional safety, as the controllers approach the appropriate trip limits with a defined dynamic range and do not reach a critical overspeed.
  • both the gas turbine 3 and the steam turbine 2 are each equipped with a separate overspeed protection. Due to the mechanical coupling 6 between the gas turbine 3 and the steam turbine 2 in single-shaft systems, the speed of the steam turbine 2 can not be higher than the speed of the gas turbine 3. Furthermore, the gas turbine 3 must provide a sufficient boiler output for the sharp overspeed test of the steam turbine 2. Thus, the over-speed test of the steam turbine 2 can not be performed independently of the gas turbine 3.
  • the method for testing the overspeed protection of the CCGT 1 takes place as follows: during a test operation, the gas turbine 3 and the steam turbine 2 are operated at a test speed equal to the operating speed of 3000 revolutions per minute.
  • the generator 4 is operated with a connected load 9, wherein during the test operation at the time t load shedding takes place, whereby the speed of the steam turbine 2 and the gas turbine 3 increases and upon reaching a DT tripping limit DT overspeed protection and upon reaching the GT Trip Limit GT over-speed protection is triggered. The result is that the speed of the steam turbine 2 and the gas turbine 3 is reduced.
  • the mass moment of inertia or the start-up time constant influences the dynamic behavior of gas turbine 3 and steam turbine 2 after load shedding.
  • the ratio of the start-up time constants has an influence on the selection of the trip limit value.
  • the triggering limit value of the steam turbine overspeed protection can be set just above the maximum mains frequency (eg 61.5 Hz) without reducing the system availability (eg at 104 %).
  • the distance between the maximum permissible mains frequency and the triggering limit value of the steam turbine overspeed protection is selected such that no undesired trip occurs during operation.
  • Another constraint is that the triggering limit of the steam turbine overspeed protection is not greater than the gas turbine overspeed protection trip limit.
  • the gas turbine overspeed protection trip limit must be set to a value above the maximum speed after a load dump and below the critical overspeed.
  • the choice of the tripping limit value must be such that the steam turbine 2 reaches the tripping limit value before the gas turbine 3.
  • the control technology of the gas turbine 3 and steam turbines 2 of a CCGT 1 is extended so that a switch is installed, with which the sharp overspeed test is activated.
  • This function is automatically deactivated after a maximum period of time to be set in order to protect the steam turbine 2 from contact with cold steam.
  • the maximum period must be selected according to the duration of the sharp overspeed test with the condition that the steam temperatures remain within the allowable range during the test.
  • the method is characterized as follows: depending on the switch, the load dump detection is first blocked in the gas turbine 3 and an automated, for example, a time-delayed opening of the switch 8 of the generator 4 is generated.
  • the switch In the steam turbine 2 is dependent the switch first the speed controller setpoint to a value just above the tripping limit value of the steam turbine overspeed protection, which may for example be 105%, set, the controller should approach the limit with a defined acceleration. The amount of acceleration affects the duration of the test. Thereafter, the limit frequency influence is deactivated, and then the influence of the gas turbine fire power on the steam turbine controller is suppressed. In this case, if necessary, the total quick-closing in the case of coupling failures must be regulated for the duration of the overspeed test, which is only necessary if the gas turbine 3 is tripped by the total quick-closing before the triggering limit value is reached.
  • the method for testing the overspeed protection of the CCGT 1 occurs as long as the steam turbine 2 is completely warmed up and is in operation for more than 5 hours.
  • the gas turbine 3 is operated with the lowest possible power and constant exhaust gas temperature, which is reflected by the IGV point. Pressing the switch in the control system activates the overspeed test. When the overspeed test is activated, the necessary switching operations will be automated, and the automated opening of the switch 8 will be delayed. Then, the gas turbine 3 and steam turbine 2 will drive the trip limit value in a defined manner.
  • the steam turbine 2 reaches its triggering limit first, with the gas turbine 3 shortly thereafter reaching its trip limit. This total process must not exceed a certain time to be set, since the steam then becomes inadmissibly cold. Therefore, the function of sharp over-speed tester is automatically deactivated automatically after a few seconds that can be adjusted, thereby generating a steam turbine trip.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Testen eines Überdrehzahlschutzes einer GuD-Einwellenanlage (1), wobei während des Testbetriebs eine elektrische Last zunächst am Generator (4) angeschlossen ist und zu einem Testzeitpunkt ein Lastabwurf erfolgt und ein Auslösegrenzwert erreicht werden kann, wodurch der Überdrehzahlschutz ausgelöst wird.The invention relates to a method for testing an overspeed protection of a CCGT (1), wherein during the test operation, an electrical load is first connected to the generator (4) and at a test time a load shedding takes place and a trip limit can be achieved, whereby the overspeed protection triggered becomes.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Testen eines Überdrehzahlschutzes einer GuD-Einwellenanlage, wobei während eines Testbetriebs die Gasturbine und Dampfturbine mit einer Test-Drehzahl betrieben werden, wobei der Generator mit einer angeschlossenen Last betrieben wird und während des Testbetriebs ein Lastabwurf erfolgt.The invention relates to a method for testing an overspeed protection of a combined cycle single-shaft plant, wherein during a test operation, the gas turbine and steam turbine are operated at a test speed, the generator is operated with a connected load and during the test operation, a load shedding takes place.

Zum sicheren Betrieb einer Gas- und Dampfturbinenanlage ist es erforderlich, dass die Drehzahlen ermittelt und überwacht werden. In der Regel liegt die Drehzahl eines Gas- und Dampfturbinenkraftwerks bei einer konstanten Frequenz von 50 Hz bzw. 60 Hz. Unter Umständen kann es vorkommen, dass diese Drehzahl überschritten wird, was als Überdrehzahl bezeichnet werden kann. Sofern diese Überdrehzahl einen kritischen Wert übersteigt, sollte ein Schutzmechanismus erfolgen, indem Maßnahmen ergriffen und ein weiteres Ansteigen der Drehzahl verhindert werden. In der Regel wird hierbei ein Abschalten der Dampfzufuhr zur Dampfturbine und ein Abschalten der Brennstoffzufuhr zur Gasturbine erfolgen. In diesem Fall wird somit ein Trip der Dampfturbine nach der Gasturbine erfolgen.For safe operation of a gas and steam turbine plant, it is necessary that the speeds are determined and monitored. In general, the speed of a combined cycle power plant is at a constant frequency of 50 Hz or 60 Hz. It may happen that this speed is exceeded, which can be referred to as overspeed. If this overspeed exceeds a critical value, a protective mechanism should be provided by taking action and preventing any further increase in speed. In general, this will be done switching off the steam supply to the steam turbine and switching off the fuel supply to the gas turbine. In this case, a trip of the steam turbine to the gas turbine will thus take place.

Bisher konnten die Testmechanismen für den Überdrehzahlschutz von Dampf- und Gasturbinenanlagen überprüft werden, indem der Auslösegrenzwert für den Überdrehzahlschutz auf eine gegenüber der Betriebsdrehzahl geringere Drehzahl gesetzt wird. Im Testbetrieb kann diese geringere Testdrehzahl überschritten werden und überprüft werden, ob der Überdrehzahlschutz funktioniert.So far, the over-speed protection mechanisms of steam and gas turbine plants have been tested by setting the overspeed trip trip limit to a lower speed than the operating speed. In test mode, this lower test speed can be exceeded and checked whether the overspeed protection works.

Wünschenswert wäre es allerdings, diesen Testbetrieb auch mit Original-Auslösegrenzwerten durchzuführen. Das bedeutet, dass die Prüfung des Überdrehzahlschutzes von den Betriebsdrehzahlen aus erfolgen soll. Dies ist ebenso wünschenswert unter dem Aspekt, dass in bestimmten Ländern ein Gesetz solch einen Überdrehzahlschutz vorschreibt, der mit Original-Auslösegrenzwerten erfolgen soll. Solch eine Prüfung kann bei Einwellenanlagen nur gemeinsam für Gas- und Dampfturbine unter Berücksichtigung der zulässigen Auslegungsparameter durchgeführt werden.However, it would be desirable to perform this test operation with original trip limits. That means checking the overspeed protection from the operating speeds should be made. This is also desirable in view of the fact that in certain countries a law requires such overspeed protection to be provided with original trip limit values. Such a test can only be carried out jointly for gas and steam turbines in single-shaft systems, taking into account the permissible design parameters.

Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein Verfahren zum Testen einer GuD-Einwellenanlage anzugeben, wobei der Überdrehzahlschutztest von Betriebsdrehzahlen aus durchführbar ist.The object of the invention is to provide a method for testing a GuD single-shaft system, wherein the overspeed protection test of operating speeds from feasible.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Testen eines Überdrehzahlschutzes einer GuD-Einwellenanlage, wobei während eines Testbetriebs die Gasturbine und Dampfturbine mit einer Testdrehzahl betrieben werden, wobei der Generator mit einer angeschlossenen Last betrieben wird, wobei während des Testbetriebs ein Lastabwurf erfolgt, wobei die Drehzahl der Dampfturbine sich erhöht und bei Erreichen eines DT-Auslösegrenzwertes ein DT-Überdrehzahlschutz ausgelöst wird.This object is achieved by a method for testing an overspeed protection of a combined cycle gas turbine plant, wherein during a test operation, the gas turbine and steam turbine are operated at a test speed, wherein the generator is operated with a connected load, wherein during the test operation, a load shedding takes place The speed of the steam turbine increases and a DT overspeed protection is triggered when a DT tripping limit value is reached.

Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung ist somit, dass die Dampf- und Gasturbine auf eine Test-Drehzahl, die der Betriebsdrehzahl von 50 Hz bzw. 60 Hz entspricht, ein elektrischer Generator angetrieben wird, wobei an den elektrischen Generator eine elektrische Last angeordnet ist. Diese elektrische Last führt zu einem erhöhten Drehmoment an den Rotoren der Gas- und Dampfturbine. Durch einen Lastabwurf, d.h. die elektrische Last wird schlagartig abgeschaltet, ändert sich das Entgegenwirken des Drehmoments an den Gas- und Dampfturbinenrotoren, was zur Folge hat, dass die Drehzahl sich mehr oder weniger schlagartig erhöht, da die Regelung der Dampfzufuhr und Brennstoffzufuhr zur Gasturbine in Folge der Trägheit des Systems nicht nachkommt.An essential idea of the invention is therefore that the steam and gas turbine is driven to a test speed corresponding to the operating speed of 50 Hz or 60 Hz, an electric generator, wherein an electric load is arranged on the electric generator. This electrical load leads to an increased torque on the rotors of the gas and steam turbine. By a load shedding, i. the electric load is abruptly switched off, the counteracting of the torque changes at the gas and steam turbine rotors, with the result that the speed increases more or less abruptly, since the control of the steam supply and fuel supply to the gas turbine as a result of the inertia of the system does not comply.

Durch den Lastabwurf erhöht sich somit die Drehzahl der Dampfturbine und zwingend der Gasturbine und soll bei Erreichen eines DT-Auslösegrenzwertes ein DT-Überdrehzahlschutz ausgelöst werden.Due to the load shedding thus increases the speed of the steam turbine and mandatory the gas turbine and should be on reaching of a DT tripping limit a DT overspeed protection is triggered.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous developments are specified in the subclaims.

In einer ersten vorteilhaften Weiterbildung erreicht die Dampfturbine den DT-Auslösegrenzwert zunächst, wobei der DT-Überdrehzahlschutz ausgelöst wird und anschließend erreicht die Gasturbine einen GT-Grenzwert, wobei der GT-Überdrehzahlschutz nach Erreichen des GT-Grenzwertes ausgelöst wird. Somit werden in dieser vorteilhaften Weiterbildung zwei Auslösebedingungen nacheinander erreicht werden müssen, um zuerst den Überdrehzahlschutz der Dampfturbine und danach der Gasturbine auszulösen. Zunächst müsste der DT-Auslösegrenzwert erreicht werden und anschließend der GT-Grenzwert.In a first advantageous development, the steam turbine initially reaches the DT triggering limit value, the DT overspeed protection being triggered, and subsequently the gas turbine reaches a GT limit value, the GT overspeed protection being triggered after reaching the GT limit value. Thus, in this advantageous development, two triggering conditions must be achieved in succession in order first to trigger the overspeed protection of the steam turbine and then of the gas turbine. First, the DT trip limit must be reached and then the GT limit.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung befindet sich die Dampfturbine im Testbetrieb in einem vollständig durchgewärmten Zustand. Das bedeutet, dass die Betriebsparameter der Dampfturbine im Testbetrieb idealerweise erreicht werden und keine temporären Effekte im scharfen Betrieb zu berücksichtigen sind.In a further advantageous development, the steam turbine is in test operation in a fully warmed condition. This means that the operating parameters of the steam turbine in the test mode are ideally achieved and no temporary effects are to be considered in the sharp operation.

In einer vorteilhaften Weiterbildung wird die Gasturbine im Testbetrieb mit geringerer Leistung betrieben.In an advantageous development, the gas turbine is operated in test mode with lower power.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird die Gasturbine im Testbetrieb mit einer konstanten Abgastemperatur betrieben.In a further advantageous development, the gas turbine is operated in test mode with a constant exhaust gas temperature.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird zwischen dem Auslösen des DT-Überdrehzahlschutzes und dem Lastabwurf eine Zeit tAuslösung vergehen und es gilt tAuslösung < tmax, wobei ein Dampfturbinen-Trip erfolgt, sofern tAuslösung > tmax ist und das Auslösen des DT-Überdrehzahlschutzes noch nicht erfolgt ist.In a further advantageous development, a time t tripping elapses between the triggering of the DT overspeed protection and the load shedding, and the triggering <t max applies, with a steam turbine trip taking place, if t triggering is > t max and triggering of the DT Overspeed protection has not yet occurred.

Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Die Figuren zeigen in schematischer Weise:

Figur 1
eine schematische Übersicht einer GuD-Einwellenanlage,
Figur 2
einen Drehzahlverlauf nach einem Lastabwurf.
In the following an embodiment of the invention will be described in more detail. The figures show schematically:
FIG. 1
a schematic overview of a GuD single-shaft system,
FIG. 2
a speed curve after a load shedding.

Die Figur 1 zeigt eine GuD-Einwellenanlage 1. Diese GuD-Einwellenanlage 1 umfasst ein Dampfturbine 2, eine Gasturbine 3 und einen elektrischen Generator 4, die über eine gemeinsame Welle 5 drehmomentübertragend miteinander verbunden sind. Zwischen der Gasturbine 3 und dem elektrischen Generator 4 ist eine Kupplung 6 angeordnet, mit der die Drehmomentübertragung unterbrochen werden kann.The FIG. 1 shows a GuD single-shaft system 1. This GuD single-shaft system 1 comprises a steam turbine 2, a gas turbine 3 and an electric generator 4, which are connected to each other via a common shaft 5 to transmit torque. Between the gas turbine 3 and the electric generator 4, a clutch 6 is arranged, with which the torque transmission can be interrupted.

An einem Ausgang 7 des elektrischen Generators 4 ist über einen Schalter 8 ein elektrischer Verbraucher 9 bzw. eine elektrische Last 9 angeschlossen. In Figur 1 ist der Schalter 8 im geschlossenen Zustand dargestellt.At an output 7 of the electric generator 4, an electrical load 9 or an electrical load 9 is connected via a switch 8. In FIG. 1 the switch 8 is shown in the closed state.

Die Figur 2 zeigt einen Drehzahlverlauf der Gasturbine (nGT) und der Dampfturbine (nDT). Die in Figur 2 dargestellten Drehzahlverläufe zeigen den Drehzahlverlauf der Gasturbine 3 und der Dampfturbine 2 bei geschlossener Kupplung 6. Zunächst wird die Gasturbine 3 und Dampfturbine 2 mit einer konstanten Drehzahl von 3000 Umdrehungen pro Minute betrieben. Zum Zeitpunkt t = tLastabwurf wird der elektrische Verbraucher 9 über den Schalter 8 vom Generator 4 getrennt. Die Folge ist, dass die Drehzahl der Gasturbine (nGT) und der Dampfturbine (nDT) kurzzeitig hoch geht und sofern ein Auslösegrenzwert erreicht wurde, ein Trip der Dampfturbine 2 3 erfolgt, was zu einem starken Absinken der Drehzahl, wie in Figur 2 erkennbar ist, führt.The FIG. 2 shows a speed curve of the gas turbine (n GT ) and the steam turbine (n DT ). In the FIG. 2 shown speed curves show the speed curve of the gas turbine 3 and the steam turbine 2 with the clutch closed 6. First, the gas turbine 3 and steam turbine 2 is operated at a constant speed of 3000 revolutions per minute. At the time t = t load shedding the electrical load 9 is disconnected from the generator 4 via the switch 8. The result is that the speed of the gas turbine (n GT ) and the steam turbine (n DT ) goes high for a short time and if a tripping limit has been reached, a trip of the steam turbine 2 3 takes place, resulting in a sharp decrease in the speed, as in FIG. 2 recognizable leads.

Der scharfe Überdrehzahlschutz muss mit einem, gegenüber dem normalen Betrieb, unveränderten Auslösegrenzwert des Überdrehzahlschutzes erfolgen. Während des Tests werden die Gasturbine 3 und Dampfturbine 2 bis zum Auslösegrenzwert des zugehörigen Überdrehzahlschutzes definiert beschleunigt. Der Überdrehzahlschutz muss bei Überschreiten der Auslösegrenzwerte die entsprechende Aktuatorik von Gasturbine 3 und Dampfturbine 2 absteuern und so kritische Überdrehzahlen verhindern. Der scharfe Überdrehzahlschutztest ist im Sinne der funktionalen Sicherheit keine echte Anforderung an den Schutz, da die Regler die entsprechenden Auslösegrenzwerte mit definierter Dynamik anfahren und es nicht zu einer kritischen Überdrehzahl kommt.The sharp overspeed protection must be carried out with a, compared to normal operation, unaltered trip limit value of the overspeed protection. During the test, the gas turbine Defines 3 and steam turbine 2 to the trigger limit of the associated overspeed protection defined. The overspeed protection must absteuern when exceeding the tripping limits, the corresponding actuators of gas turbine 3 and steam turbine 2 and thus prevent critical overspeed. The sharp overspeed protection test is not a real safety requirement for functional safety, as the controllers approach the appropriate trip limits with a defined dynamic range and do not reach a critical overspeed.

Bei GuD-Einwellenanlagen 1 sind sowohl die Gasturbine 3 als auch die Dampfturbine 2 mit je einem separaten Überdrehzahlschutz ausgestattet. Aufgrund der mechanischen Kupplung 6 zwischen der Gasturbine 3 und der Dampfturbine 2 bei Einwellenanlagen kann die Drehzahl der Dampfturbine 2 nicht höher sein als die Drehzahl der Gasturbine 3. Weiterhin muss von der Gasturbine 3 eine ausreichende Kesselleistung für den scharfen Überdrehzahltest der Dampfturbine 2 bereitgestellt werden. Somit kann der Überdrehzahltest der Dampfturbine 2 nicht unabhängig von der Gasturbine 3 erfolgen. Das Verfahren zum Testen des Überdrehzahlschutzes der GuD-Einwellenanlage 1 erfolgt folgendermaßen: während eines Testbetriebs wird die Gasturbine 3 und die Dampfturbine 2 mit einer Testdrehzahl betrieben, die der Betriebsdrehzahl von 3000 Umdrehungen pro Minute gleicht. Der Generator 4 wird mit einer angeschlossenen Last 9 betrieben, wobei während des Testbetriebes zum Zeitpunkt tLastabwurf ein Lastabwurf erfolgt, wodurch die Drehzahl der Dampfturbine 2 und der Gasturbine 3 sich erhöht und bei Erreichen eines DT-Auslösegrenzwertes ein DT-Überdrehzahlschutz und bei Erreichen des GT-Auslösegrenzwertes ein GT-Überdrehzahlschutz ausgelöst wird. Die Folge ist, dass die Drehzahl der Dampfturbine 2 und der Gasturbine 3 verringert wird.In GuD single-shaft systems 1, both the gas turbine 3 and the steam turbine 2 are each equipped with a separate overspeed protection. Due to the mechanical coupling 6 between the gas turbine 3 and the steam turbine 2 in single-shaft systems, the speed of the steam turbine 2 can not be higher than the speed of the gas turbine 3. Furthermore, the gas turbine 3 must provide a sufficient boiler output for the sharp overspeed test of the steam turbine 2. Thus, the over-speed test of the steam turbine 2 can not be performed independently of the gas turbine 3. The method for testing the overspeed protection of the CCGT 1 takes place as follows: during a test operation, the gas turbine 3 and the steam turbine 2 are operated at a test speed equal to the operating speed of 3000 revolutions per minute. The generator 4 is operated with a connected load 9, wherein during the test operation at the time t load shedding takes place, whereby the speed of the steam turbine 2 and the gas turbine 3 increases and upon reaching a DT tripping limit DT overspeed protection and upon reaching the GT Trip Limit GT over-speed protection is triggered. The result is that the speed of the steam turbine 2 and the gas turbine 3 is reduced.

Das Massenträgheitsmoment bzw. die Anlaufzeitkonstante beeinflusst das dynamische Verhalten von Gasturbine 3 und Dampfturbine 2 nach dem Lastabwurf. Das Verhältnis der Anlaufzeitkonstanten hat einen Einfluss auf die Wahl des Auslösegrenzwertes.The mass moment of inertia or the start-up time constant influences the dynamic behavior of gas turbine 3 and steam turbine 2 after load shedding. The ratio of the start-up time constants has an influence on the selection of the trip limit value.

Ein Lastabwurf führt bei der GuD-Einwellenanlage 1 automatisch zu einem Schnellschluss der Dampfturbine 2. Daher kann der Auslösegrenzwert des Dampfturbinen-Überdrehzahlschutzes ohne Reduzierung der Anlagenverfügbarkeit auch einen Wert knapp oberhalb der maximalen Netzfrequenz (beispielsweise 61,5 Hz) eingestellt werden (z.B. bei 104%). Der Abstand zwischen maximaler zulässiger Netzfrequenz und Auslösegrenzwert des Dampfturbinen-Überdrehzahlschutzes wird so gewählt, dass es während des Betriebs zu keinem unerwünschten Trip kommt.With the GuD single-shaft system 1, a load shedding automatically leads to a rapid shutdown of the steam turbine 2. Therefore, the triggering limit value of the steam turbine overspeed protection can be set just above the maximum mains frequency (eg 61.5 Hz) without reducing the system availability (eg at 104 %). The distance between the maximum permissible mains frequency and the triggering limit value of the steam turbine overspeed protection is selected such that no undesired trip occurs during operation.

Eine weitere Randbedingung ist, dass der Auslösegrenzwert des Dampfturbinen-Überdrehzahlschutzes nicht größer ist als der Auslösegrenzwert des Gasturbinen-Überdrehzahlschutzes.Another constraint is that the triggering limit of the steam turbine overspeed protection is not greater than the gas turbine overspeed protection trip limit.

Der Auslösegrenzwert des Gasturbinen-Überdrehzahlschutzes muss auf einen Wert oberhalb der maximalen Drehzahl nach einem Lastabwurf und unterhalb der kritischen Überdrehzahl eingestellt werden. Die Wahl des Auslösegrenzwertes muss derart erfolgen, dass die Dampfturbine 2 vor der Gasturbine 3 den Auslösegrenzwert erreicht.The gas turbine overspeed protection trip limit must be set to a value above the maximum speed after a load dump and below the critical overspeed. The choice of the tripping limit value must be such that the steam turbine 2 reaches the tripping limit value before the gas turbine 3.

Die Leittechnik der Gasturbine 3 und Dampfturbinen 2 einer GuD-Einwellenanlage 1 wird derart erweitert, dass ein Schalter installiert wird, mit dem der scharfe Überdrehzahltest aktiviert wird. Diese Funktion wird nach einem maximalen einzustellenden Zeitraum automatisch deaktiviert, um die Dampfturbine 2 vor Kontakt mit zu kaltem Dampf zu schützen. Der maximale Zeitraum muss entsprechend der Dauer des scharfen Überdrehzahltests gewählt werden mit der Randbedingung, dass die Dampftemperaturen während des Tests im zulässigen Bereich bleiben. Das Verfahren zeichnet sich folgendermaßen aus: in Abhängigkeit des Schalters wird bei der Gasturbine 3 zunächst die Lastabwurferkennung blockiert und ein automatisiertes, beispielsweise ein zeitversetztes Öffnen des Schalters 8 des Generators 4 erzeugt. Bei der Dampfturbine 2 wird in Abhängigkeit des Schalters zunächst der Drehzahlreglersollwert auf einen Wert knapp oberhalb des Auslösegrenzwertes des Dampfturbinen-Überdrehzahlschutzes, der beispielsweise bei 105% liegen kann, eingestellt, wobei der Regler den Grenzwert mit definierter Beschleunigung anfahren soll. Die Höhe der Beschleunigung beeinflusst die Testdauer. Danach wird der Grenzfrequenzeinfluss deaktiviert und anschließend wird der Einfluss der Gasturbinenfeuerleistung auf den Dampfturbinenregler unterdrückt. Hierbei muss anschließend ggf. der Gesamtschnellschluss bei Kupplungsstörungen für die Dauer des Überdrehzahltests geregelt werden, der nur erforderlich ist, wenn die Gasturbine 3 durch den Gesamtschnellschluss vor Erreichen des Auslösegrenzwertes getrippt wird.The control technology of the gas turbine 3 and steam turbines 2 of a CCGT 1 is extended so that a switch is installed, with which the sharp overspeed test is activated. This function is automatically deactivated after a maximum period of time to be set in order to protect the steam turbine 2 from contact with cold steam. The maximum period must be selected according to the duration of the sharp overspeed test with the condition that the steam temperatures remain within the allowable range during the test. The method is characterized as follows: depending on the switch, the load dump detection is first blocked in the gas turbine 3 and an automated, for example, a time-delayed opening of the switch 8 of the generator 4 is generated. In the steam turbine 2 is dependent the switch first the speed controller setpoint to a value just above the tripping limit value of the steam turbine overspeed protection, which may for example be 105%, set, the controller should approach the limit with a defined acceleration. The amount of acceleration affects the duration of the test. Thereafter, the limit frequency influence is deactivated, and then the influence of the gas turbine fire power on the steam turbine controller is suppressed. In this case, if necessary, the total quick-closing in the case of coupling failures must be regulated for the duration of the overspeed test, which is only necessary if the gas turbine 3 is tripped by the total quick-closing before the triggering limit value is reached.

Das Verfahren zum Testen des Überdrehzahlschutzes der GuD-Einwellenanlage 1 erfolgt, sofern die Dampfturbine 2 vollständig durchgewärmt ist und länger als 5 Stunden im Betrieb ist. Die Gasturbine 3 wird mit möglichst geringer Leistung und konstanter Abgastemperatur betrieben, was durch den IGV-Punkt widergespiegelt wird. Durch Betätigen des Schalters in der Leittechnik wird der Überdrehzahltest aktiviert. Bei aktiviertem Überdrehzahltest werden die notwendigen Umschaltungen automatisiert erfolgen, und etwas verzögert erfolgt das automatisierte Öffnen des Schalters 8. Anschließend fahren die Gasturbine 3 und Dampfturbine 2 den Auslösegrenzwert definiert an. Die Dampfturbine 2 erreicht ihren Auslösegrenzwert als erstes, wobei die Gasturbine 3 kurz danach ihren Auslösegrenzwert erreicht. Dieser Gesamtvorgang darf eine bestimmte einzustellende Zeit nicht überschreiten, da der Dampf dann unzulässig kalt wird. Daher wird die Funktion scharfer Überdrehzahltester aktiv automatisch nach einigen Sekunden, die eingestellt werden können, deaktiviert, wodurch ein Dampfturbinentrip erzeugt wird.The method for testing the overspeed protection of the CCGT 1 occurs as long as the steam turbine 2 is completely warmed up and is in operation for more than 5 hours. The gas turbine 3 is operated with the lowest possible power and constant exhaust gas temperature, which is reflected by the IGV point. Pressing the switch in the control system activates the overspeed test. When the overspeed test is activated, the necessary switching operations will be automated, and the automated opening of the switch 8 will be delayed. Then, the gas turbine 3 and steam turbine 2 will drive the trip limit value in a defined manner. The steam turbine 2 reaches its triggering limit first, with the gas turbine 3 shortly thereafter reaching its trip limit. This total process must not exceed a certain time to be set, since the steam then becomes inadmissibly cold. Therefore, the function of sharp over-speed tester is automatically deactivated automatically after a few seconds that can be adjusted, thereby generating a steam turbine trip.

Claims (7)

Verfahren zum Testen eines Überdrehzahlschutzes einer GuD-Einwellenanlage (1),
wobei während eines Testbetriebs die Gasturbine (3) und Dampfturbine (2) mit einer Testdrehzahl betrieben werden, wobei der Generator (4) mit einer angeschlossenen Last betrieben wird,
wobei während des Testbetriebs ein Lastabwurf erfolgt, wobei die Drehzahl der Dampfturbine (2) sich erhöht und bei Erreichen eines DT-Auslösegrenzwertes ein Überdrehzahlschutz ausgelöst wird.Method for testing an overspeed protection of a CCGT (1),
wherein, during a test operation, the gas turbine (3) and steam turbine (2) are operated at a test speed, the generator (4) being operated with a connected load,
wherein a load shedding occurs during the test operation, wherein the speed of the steam turbine (2) increases and upon reaching a DT trip limit an overspeed protection is triggered. Verfahren nach Anspruch 1,
bei dem die Dampfturbine (2) den DT-Auslösegrenzwert zunächst erreicht und anschließend die Gasturbine (3) einen GT-Grenzwert erreicht und der Überdrehzahlschutz nach Erreichen des DT-Grenzwertes ausgelöst wird.Method according to claim 1,
in which the steam turbine (2) first reaches the DT trip limit and then the gas turbine (3) reaches a GT limit and the overspeed protection is triggered after reaching the DT limit. Verfahren nach Anspruch 2,
wobei der GT-Überdrehzahlschutz nach Erreichen des GT-Grenzwertes ausgelöst wird.Method according to claim 2,
whereby the GT overspeed protection is triggered after reaching the GT limit value. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3,
wobei die Dampfturbine (2) im Testbetrieb in einem vollständig durchgewärmten Zustand sich befindet.Method according to claim 1, 2 or 3,
wherein the steam turbine (2) is in test operation in a fully warmed condition. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gasturbine (3) im Testbetrieb mit geringer Leistung betrieben wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the gas turbine (3) is operated in the test mode with low power. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gasturbine (3) im Testbetrieb mit einer konstanten Abgastemperatur betrieben wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the gas turbine (3) is operated in test mode with a constant exhaust gas temperature. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen dem Auslösen des DT-Überdrehzahlschutzes und dem Lastabwurf eine Zeit tauslösung vergeht und es gilt tAuslösung < tmax, wobei ein Dampfturbinen-Trip erfolgt sofern tAuslösung > tmax ist und das Auslösen des DT-Überdrehzahlschutzes noch nicht erfolgt ist.Method according to one of the preceding claims, wherein between the triggering of the DT overspeed protection and the load shedding a time t tripping passes and it applies t trigger <t max , wherein a steam turbine trip occurs if t trigger > t max and the triggering of the DT Overspeed protection has not yet occurred.
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