EP2943669A1 - Method for operating a gas turbine below its rated power - Google Patents

Method for operating a gas turbine below its rated power

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EP2943669A1
EP2943669A1 EP14705075.1A EP14705075A EP2943669A1 EP 2943669 A1 EP2943669 A1 EP 2943669A1 EP 14705075 A EP14705075 A EP 14705075A EP 2943669 A1 EP2943669 A1 EP 2943669A1
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EP
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gas turbine
temperature
exhaust gas
turbine
gas
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Withdrawn
Application number
EP14705075.1A
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Andreas Böttcher
Eberhard Deuker
Andre Kluge
Marco Link
Philipp KREUTZER
Ansgar Sternemann
Marc Tertilt
Martin Wilke
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Abstract

The invention relates to a method for operating a gas turbine below its rated power, in which the CO emissions in the exhaust gas of the gas turbine rise as the gas turbine power which is output lowers, wherein when a predefined limiting value (which can be selected as desired) for the CO emissions is reached or when a predefined limiting value, specified in relative or absolute terms, for the gas turbine power which is output is undershot the combustion temperature in the combustion chamber of the gas turbine is increased. In order to operate the gas turbine with low emissions, there is provision that when there is a constant output of power the increase in the exhaust gas temperature which occurs at the outlet of the gas turbine, as a result of the increase in the combustion temperature, is compensated, at least partially, by adding a liquid or vapourous medium.

Description

Beschreibung description
Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine unterhalb ihrer Nennleistung Method for operating a gas turbine below its rated power
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine unterhalb ihrer Nennleistung, bei dem mit Absenken der abgegebenen Gasturbinenleistung eine CO-Emission im Abgas der Gasturbine ansteigt, wobei bei Erreichen eines vorgegebenen Grenzwertes für die CO-Emission oder bei Unterschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes für die abgegebene Gasturbinenleistung die Verbrennungstemperatur in der Brennkammer der Gasturbine erhöht wird. The invention relates to a method for operating a gas turbine below its rated power, in which lowering of the output gas turbine power, a CO emission increases in the exhaust gas of the gas turbine, wherein upon reaching a predetermined limit for the CO emission or falls below a predetermined limit for the votes Gas turbine power is increased combustion temperature in the combustion chamber of the gas turbine.
Bei zur elektrischen Energieerzeugung eingesetzten Gasturbinen ist es bekannt, dass diese nicht nur bei Nennlast betrieben werden, sondern auch darunter. Dieser so genannte Teillastbetrieb kann jedoch dazu führen, dass ein wesentlicher Luftüberschuss bei der Verbrennung des Brennstoffs auftritt; das Verbrennungsluftverhältnis ist dann wesentlich größer 1. Bei Lastabsenkung wird zumeist der Verdichtermassenstrom reduziert, wodurch sich das Druckverhältnis des Verdichters und somit auch die Verbrennungstemperatur des Brennstoff-Luft- Gemischs in der Brennkammer absenkt, was sich auf die für die CO-Emission relevante Primärzonen-Temperatur analog auswirkt. Wenn diese Temperatur dann einen Minimalwert unterschreitet, werden verstärkt CO-Emissionen generiert. Bei weiter reduzierter Primärzonen-Temperatur können die CO-Emissionen so weit ansteigen, dass sie einen zumeist gesetzlich vorgegebenen Emissionsgrenzwert übersteigen, wodurch der CO-emissions- konforme Teillastbereich der Gasturbine verlassen wird. Durch diese Tatsache kann der Betreiber der Gasturbine gezwungen werden - sofern ein gesetzlicher CO-Emissionsgrenzwert vor- liegt - seine Gasturbine abzuschalten, es sei denn, dass die Leistung seiner Gasturbine weiter reduziert und gleichzeitig der CO-Emissionsgrenzwert unterschritten werden kann. Um die soeben beschriebene Teillastfähigkeit der Gasturbine weiter zu erhöhen, schlägt die aus dem Stand der Technik bekannte DE 10 2008 044 442 AI vor, derartige Gasturbinen mit einem Bypass-System auszustatten, durch welche ein Teil der Verdichterendluft an der Brennkammer vorbeigeführt und in den Abgaskanal der Gasturbine eingespeist werden kann. Dadurch kann die der Verbrennung zugeführte Luftmenge reduziert werden, was die Verbrennungstemperatur und somit die relevante Primärzonen-Temperatur anhebt. Die Anhebung führt dann zu einer Verminderung der CO-Emissionen, so dass trotz eines weiter reduzierten Lastbetriebs die Gasturbine CO-emissions- konform betrieben werden kann. Nachteilig ist jedoch, dass die im Stand der Technik bekannte Betriebsweise den Wirkungsgrad der Gasturbine unnötig reduziert, da die bygepasste ver- dichtete Luft nicht zur Arbeitsumsetzung in der Gasturbine beiträgt . In gas turbines used for electric power generation, it is known that these are operated not only at rated load, but also below. However, this so-called part-load operation can lead to a substantial excess of air occurring during combustion of the fuel; The combustion air ratio is then considerably greater than 1. When the load is lowered, the compressor mass flow is usually reduced, as a result of which the pressure ratio of the compressor and thus also the combustion temperature of the fuel-air mixture in the combustion chamber are lowered, which is dependent on the primary zone emission relevant for the CO emission. Temperature analog effect. If this temperature falls below a minimum value, increased CO emissions are generated. If the primary zone temperature is further reduced, the CO emissions can rise to exceed a legally prescribed emission limit, which will leave the gas turbine's partial load range that complies with the CO emissions standard. Due to this fact, the gas turbine operator can be forced to switch off his gas turbine, provided that there is a statutory CO emission limit value, unless the power of his gas turbine can be further reduced and the CO emission limit value can be undershot at the same time. In order to further increase the partial load capability of the gas turbine just described, DE 10 2008 044 442 A1 known from the prior art proposes equipping such gas turbines with a bypass system, through which a portion of the compressor discharge air passes by the combustion chamber and into the exhaust gas duct the gas turbine can be fed. Thereby, the amount of air supplied to the combustion can be reduced, which raises the combustion temperature and thus the relevant primary zone temperature. The increase then leads to a reduction in CO emissions, so that despite a further reduced load operation, the gas turbine can be operated in accordance with CO emissions. However, it is disadvantageous that the mode of operation known in the prior art unnecessarily reduces the efficiency of the gas turbine, since the bypassed compressed air does not contribute to the operational conversion in the gas turbine.
Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung eines Verfahrens zum Betrieb einer Gasturbine, die trotz eines Teil- lastbetriebs einen vergleichsweise hohen Wirkungsgrad bei C0- emissionskonformer Betriebsweise aufweist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens, bei dem der emissionskonforme Gasturbinenbetrieb zu niedrigeren Lasten erweitert ist. The object of the invention is therefore to provide a method for operating a gas turbine which, despite a partial load operation, has a comparatively high efficiency with C0-emission-compliant operation. Another object of the invention is to provide a method in which the gas turbine operation compliant with emissions is expanded to lower loads.
Die auf das Verfahren gerichtete Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben, deren technische Lehren in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden können. The object directed to the method is achieved with the features of claim 1. Advantageous embodiments are specified in the subclaims, whose technical teachings can be combined with each other in any desired manner.
Erfindungsgemäß ist bei dem Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine unterhalb ihrer Nennleistung, bei dem mit dem Absenken der abgegebenen Gasturbinenleistung eine CO-Emission im Abgas der Gasturbine ansteigt, wobei bei Erreichen eines (beliebig wählbaren) vorgegebenen Grenzwertes für die CO- Emission oder bei Unterschreiten eines relativ oder absolut angegebenen vorgegebenen Grenzwertes für die abgegebene Gas- turbinenleistung die Verbrennungstemperatur in der Brennkam- mer der Gasturbine erhöht wird, vorgesehen, dass bei konstanter Leistungsabgabe die sich durch die Verbrennungstemperaturerhöhung einstellende Abgastemperaturerhöhung am Austritt der Gasturbine durch die Zugabe eines flüssigen oder dampf- förmigen Mediums zumindest teilweise kompensiert wird. According to the invention, in the method for operating a gas turbine below its rated power, in which with the lowering of the emitted gas turbine power, a CO emission in the exhaust gas of the gas turbine increases, upon reaching a (arbitrary) predetermined limit value for the CO emission or falls below a relative or absolute specified limit value for the delivered gas turbine power, the combustion temperature in the combustion chamber. If the gas turbine is increased, it is provided that, with a constant power output, the exhaust-gas temperature increase occurring at the outlet of the gas turbine due to the increase in combustion temperature is at least partially compensated for by the addition of a liquid or vaporous medium.
Durch die Anhebung der Abgastemperatur ist ein wirksames Mittel zur CO-Emissionsreduktion gegeben. Bisher ist jedoch diese Maßnahme begrenzt durch die maximal zulässige Betriebs- Temperatur der Gasturbinenbauteile und der dem Gasturbinenaustritt nachfolgenden Bauteile. Als Beispiele für derartige Bauteile, die sich temperaturbegrenzend auf das Abgas auswirken, seien hier ein Kessel genannt, der als Abhitzedampferzeuger für eine der Gasturbine nachgeschaltete Dampfturbine arbeitet, ein Abgasgehäuse der Gasturbine und/oder ein Abgas- diffusor der Gasturbine. Da durch eine Zugabe von flüssigem bzw. dampfförmigen Mittel am oder stromab des Austritts der Gasturbine die Abgastemperatur abgesenkt wird, kann die vor dem Ort der Zugabe auftretende Abgastemperatur weit höher sein als die maximal zulässige Betriebs-Temperatur der stromab davon angesiedelten Bauteile, die das Abgas führen. Folglich wird der in der Gasturbine ablaufende Kreisprozess mit einer Abgastemperatur betrieben, die oberhalb der Betriebstemperatur der besagten Bauteile liegt, wobei die ab- gastemperaturbegrenzenden Bauteile dennoch ein Abgas führen, dessen Temperatur unterhalb der maximal zulässigen Betriebstemperatur liegt. Folglich wird trotz angehobener Verbrennungstemperatur gewährleistet, dass die dem Gasturbinenaus- tritt nachfolgenden Bauteile nicht zu heiß werden. Dies ver- mindert das Auftreten von CO-Emissionen im Teillastbetrieb bzw. ermöglicht es, die Gasturbine in weiter abgesenkten Leistungsbereichen zu betreiben, ohne die Bauteile zu gefährden . Als Verbrennungstemperatur ist im Sinne dieser Patentanmeldung diejenige Temperatur der Flammen zu verstehen, die in der Primärzone von Brennern auftreten. Diese Temperatur ist auch als theoretische Flammentemperatur bekannt. Es ist zu beachten, dass bei der Erfindung die Zugabe des dampfförmigen bzw. flüssigen Mediums nicht in die Flamme erfolgt, sondern in das von der Flamme erzeugte Abgas. Ersteres ist üblich und wurde auch schon sehr früh eingesetzt, um die NOx-Emissionen der früher üblichen Diffusionsbrenner zu kontrollieren und zu reduzieren. Vorzugsweise erfolgt die Zugabe des Medium unmittelbar hinter der letzten Turbinenstufe der Gasturbine oder hinter dem Lagerstern der Gasturbine, in wel- ehern der Rotor der Gasturbine üblicherweise radial gelagert ist. Diese Konstruktionen zum Durchführen dieses Verfahrens sind relativ einfach, verglichen mit denjenigen Konstruktionen, die eine Zugabe des Mediums unmittelbar stromab der Flamme, beispielsweise von der ersten oder vor der zweiten Turbinenstufe ermöglichen. Dennoch hätte Letzteres hätte den Vorteil, dass die Leistung und somit der Wirkungsgrad höher ist als bei einer weiter stromab angeordneten Zugabe. Increasing the exhaust gas temperature provides an effective means of reducing CO emissions. So far, however, this measure is limited by the maximum permissible operating temperature of the gas turbine components and the components downstream of the gas turbine outlet. As examples of such components which have a temperature-limiting effect on the exhaust gas, here a boiler is called, which works as a heat recovery steam generator for a steam turbine downstream of the gas turbine, an exhaust housing of the gas turbine and / or an exhaust gas diffuser of the gas turbine. Since the exhaust gas temperature is lowered by an addition of liquid or vaporous means at or downstream of the exit of the gas turbine, the exhaust gas temperature occurring before the place of addition can be far higher than the maximum permissible operating temperature of the components downstream thereof which contain the exhaust gas to lead. Consequently, the cycle running in the gas turbine is operated with an exhaust gas temperature which is above the operating temperature of the said components, the exhaust gas temperature-limiting components nevertheless carrying an exhaust gas whose temperature is below the maximum permissible operating temperature. Consequently, despite the increased combustion temperature, it is ensured that the components following the gas turbine outlet do not become too hot. This reduces the occurrence of CO emissions in partial load operation or makes it possible to operate the gas turbine in further lowered power ranges without endangering the components. For the purposes of this patent application, the combustion temperature is to be understood as the temperature of the flames which occur in the primary zone of burners. This temperature is also known as the theoretical flame temperature. It should be noted that in the invention, the addition of the vapor or liquid medium does not take place in the flame, but in the flue gas produced by the flame. The former is common and has been used very early to control and reduce the NO x emissions of previously common diffusion burners. Preferably, the medium is added immediately after the last turbine stage of the gas turbine or behind the bearing star of the gas turbine, in which the rotor of the gas turbine is usually mounted radially. These constructions for carrying out this method are relatively simple compared to those constructions which allow addition of the medium immediately downstream of the flame, for example from the first or before the second turbine stage. Nevertheless, the latter would have the advantage that the power and thus the efficiency is higher than in a more downstream arranged addition.
Der vorgegebene Grenzwert für die CO-Emission, ab dessen Er- reichen die Verbrennungstemperatur in der Brennkammer derThe specified limit value for the CO emission, from which the combustion temperature in the combustion chamber of the
Gasturbine erhöht werden soll, kann einen beliebigen Wert besitzen. Er ist unabhängig von dem gesetzlich vorgeschriebenen Emissionsgrenzwert für CO-Emissionen . Der erfindungsgemäße vorgegebene Grenzwert für die CO-Emission wird so gewählt, dass dieser gemäß der gewünschten Betriebsweise den Start des erfindungsgemäßen Verfahrens auslöst. Gas turbine can be increased, can have any value. It is independent of the legally prescribed emission limit value for CO emissions. The predetermined limit value for the CO emission according to the invention is selected such that it triggers the start of the method according to the invention in accordance with the desired mode of operation.
Selbstverständlich ist es möglich, auch andere Parameter als die CO-Emission zur Auslösung des erfindungsgemäßen Verfah- rens heranzuziehen. Die anderen Parameter können ergänzend oder alternativ zum Starten des CO-emissionsarmen Teillastbetriebs verwendet werden. Bspw. ist es möglich, das erfindungsgemäße Verfahren erst bei Unterschreiten eines relativen oder absoluten vorgegebenen Grenzwertes der Gasturbinen-Leis- tung durchzuführen. Die abgegebene Gasturbinen-Leistung kann anhand thermodynamischer Daten oder auch anhand der Generator-Klemmenleistung ermittelt werden. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist das dampfförmige Mittel Prozessdampf eines kombinierten Gas- und Dampfturbinenkraftwerks , welches bei sehr niedriger Lastabgabe keinen Prozessdampf abgeben muss, so dass dieser für die Kühlung des Abgases zur Verfügung steht . Of course, it is also possible to use other parameters than the CO emission for triggering the method according to the invention. The other parameters can be used in addition or alternatively to start the low-CO partial-load operation. For example. For example, it is possible to carry out the method according to the invention only when the gas turbine power falls below a relative or absolute predetermined limit value. The output gas turbine power can be determined based on thermodynamic data or on the basis of the generator terminal power. According to a particularly preferred embodiment, the vaporous medium is process steam of a combined cycle power plant, which does not have to deliver any process steam at very low load delivery, so that it is available for the cooling of the exhaust gas.
Nach einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird die Verbrennungstemperatur soweit angehoben und die zugegebene Menge an Medium so gewählt, dass die sich nach der Zugabe des Mediums einstellende Abgastemperatur in etwa gleich groß ist wie die Abgastemperatur, die an gleicher Stelle bei Nennleistung ohne Zugabe von Medium auftreten würde oder nur geringfügig von dieser abweicht. Dieser Ausgestaltung liegt folgender Gedankengang zugrunde: According to a particularly preferred embodiment of the method, the combustion temperature is raised so far and the added amount of medium selected so that the adjusting after the addition of the medium exhaust gas temperature is about the same size as the exhaust gas temperature at the same place at rated power without the addition of medium would occur or only slightly deviates from this. This embodiment is based on the following train of thought:
Üblicherweise wird ausgehend von Nennlast zur Lastminderung zunächst der Ansaugmassenstrom des Verdichters durch das Zudrehen von Einlassleitschaufeln des Verdichters verringert. Mit dieser Maßnahme reduziert sich das Druckverhältnis der Gasturbine und als Folge davon steigt die Abgastemperatur bei festgehaltener Verbrennungstemperatur an. Wie bereits weiter oben beschrieben, ist die maximal zulässige Abgastemperatur am Turbinenaustritt durch Materialtemperaturen der Gasturbine und auch eines eventuell nachgeordneten Kessels (zur Dampfer- zeugung) vorgegeben. Erreicht das Abgas diese maximale Temperatur bei Entlastung mittels Verdichtermassenstromverringe- rung, muss beim Stand der Technik bei weiterer Absenkung der Last auch die Verbrennungstemperatur weiter gesenkt werden. Um diese Absenkung der Verbrennungstemperatur zu vermeiden und somit die CO-Emission auf einem vergleichsweise geringen Wert zu halten, wird vorzugsweise vorgeschlagen, den Verdichtermassenstrom weiter zu reduzieren, was eine Anhebung der Abgastemperatur über die maximal zulässige Materialtemperatur der der Gasturbine nachgeschalteten Bauteile bedeuten würde. Um diese Bauteile jedoch vor Überhitzung und somit vor einer Verkürzung der Lebensdauer zu schützen, wird dann die unzulässig erhöhte Abgastemperatur durch die Zugabe des dampfförmigen oder flüssigen Mediums soweit abgesenkt, dass sie in etwa gleich der maximal zulässigen Materialtemperatur der Gasturbinenbauteile bzw. der der Gasturbine nachgeschalteten Bauteile liegt. Üblicherweise sind derartige Gasturbinen so konzipiert, das die zulässigen Materialtemperaturen im Nenn- betrieb erreicht werden. Usually, starting from the rated load for reducing the load, the intake mass flow of the compressor is initially reduced by the closing of inlet guide vanes of the compressor. With this measure, the pressure ratio of the gas turbine is reduced and as a result, the exhaust gas temperature increases at a fixed combustion temperature. As already described above, the maximum permissible exhaust gas temperature at the turbine outlet is predetermined by the material temperatures of the gas turbine and also by any downstream boiler (for steam generation). If the exhaust gas reaches this maximum temperature at discharge by means of compressor mass flow reduction, the state of the art must be further reduced as the load is further reduced, as well as the combustion temperature. In order to avoid this lowering of the combustion temperature and thus to keep the CO emission at a comparatively low value, it is preferably proposed to further reduce the compressor mass flow, which would mean raising the exhaust gas temperature above the maximum permissible material temperature of the components connected downstream of the gas turbine. However, in order to protect these components against overheating and thus against a shortening of the service life, the inadmissibly increased exhaust gas temperature is lowered by the addition of the vapor or liquid medium so far that they are in is approximately equal to the maximum permissible material temperature of the gas turbine components or the gas turbine downstream components. Usually, such gas turbines are designed so that the permissible material temperatures are reached during nominal operation.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist, dass bestehende Gasturbinen vergleichsweise einfach für den Betrieb des erfindungsgemäßen Verfahrens umgerüstet werden können. Modifi- kationen der Gasturbine selber sind nicht notwendig, sondern lediglich ist deren Abgasstrecke zur Einspeisung eines flüssigen oder dampfförmigen Mediums zu ertüchtigen. Auch stellt sich kein Wirkungsgradverlust wie beim Stand der Technik durch Bypassen von Verdichterendluft ein. Gegebenenfalls kann sogar eine Wirkungsgradverbesserung auftreten, da der A particular advantage of the invention is that existing gas turbines can be converted relatively easily for the operation of the method according to the invention. Modifications of the gas turbine itself are not necessary, but only their exhaust gas line for feeding a liquid or vapor medium to be trained. Also, there is no loss of efficiency as in the prior art by bypassing Verdichterendluft. Optionally, even an improvement in efficiency occur because of
Ausbrand der Flamme verbessert wird. Burnout of the flame is improved.
Die Erfindung wird anhand eines einzigen Ausführungsbeispiels, näher erläutert, wodurch jedoch die Erfindung nicht weiter eingeschränkt werden soll. The invention will be explained in more detail with reference to a single embodiment, which, however, the invention should not be further limited.
Hierzu zeigt die einzige Figur schematisch eine Gasturbine mit der Möglichkeit zur Zuführung eines dampfförmigen oder flüssigen Mediums in das Abgas. For this purpose, the single figure shows schematically a gas turbine with the possibility of supplying a vaporous or liquid medium in the exhaust gas.
Figur 1 zeigt schematisch eine stationäre Gasturbine 10 mit einem Verdichter 12 und einer Turbineneinheit 14, deren Rotoren miteinander starr gekoppelt sind. Zwischen dem Verdichterausgang und dem Eintrittsabschnitt der Turbineneinheit 14 ist eine Brennkammer 16 vorgesehen. Diese kann als Silobrennkammer, Rohrbrennkammer oder auch als Ringbrennkammer ausgestaltet sein. Im Falle von Rohrbrennkammern weist die Gasturbine 10 zumeist zehn, zwölf oder noch mehr Rohrbrennkammern auf . Figure 1 shows schematically a stationary gas turbine 10 with a compressor 12 and a turbine unit 14, the rotors are rigidly coupled together. Between the compressor outlet and the inlet section of the turbine unit 14, a combustion chamber 16 is provided. This can be configured as a silo combustion chamber, tube combustion chamber or as an annular combustion chamber. In the case of tube combustion chambers, the gas turbine 10 usually ten, twelve or more tube combustion chambers.
An dem Verdichterrotor ist zudem ein Generator 11 zur Stromerzeugung angekoppelt. Am Lufteinlass des Verdichters 12 sind um ihre Längsachse schwenkbare Verdichtereinlass-Leitschaufein 13 vorgesehen, mit denen der Verdichtermassenstrom mv einstellbar ist. Diese Leitschaufeln 13 sind lediglich schematisch dargestellt. Die Turbineneinheit 14 umfasst gemäß dem Ausführungsbeispiel insgesamt vier aufeinanderfolgende Turbinenstufen 14a, 14b, 14c, 14<ä , die in der einzigen Figur ebenfalls nur schematisch dargestellt sind. At the compressor rotor also a generator 11 is coupled to generate electricity. At the air inlet of the compressor 12 are provided about its longitudinal axis pivotable compressor inlet Leitschaufein 13, with which the compressor mass flow m v is adjustable. These vanes 13 are shown only schematically. The turbine unit 14 according to the embodiment comprises a total of four consecutive turbine stages 14 a , 14 b , 14 c , 14 < ä, which are also shown only schematically in the single figure.
Im Betrieb saugt der Verdichter 12 Umgebungsluft an, verdichtet diese und führt sie der Brennkammer 16 zu. Dort wird die verdichtete Luft mit einem Brennstoff B gemischt und in einer Flamme zu einem Heißgas HG verbrannt . Das Heißgas HG strömt in den Eintritt der Turbineneinheit 14 und entspannt sich an den nicht weiter dargestellten Turbinenschaufeln der Turbineneinheit 14 arbeitsleistend . Das so entstehende Abgas RG strömt am Austritt der Turbineneinheit 14 über einen nicht dargestellten Abgasdiffusor ab. Danach wird das Abgas RG entweder über einen Schornstein in die Umgebung abgelassen, oder das Abgas RG wird einem sogenannten Kessel zugeführt, welcher als Abhitzedampferzeuger die im Abgas enthaltene Wärmeenergie zur Erzeugung von Dampf nutzt. Der im Abhitzedampferzeuger erzeugte Dampf dient dann zum Antrieb von nicht weiter dargestellten Dampfturbinen oder auch als Prozessdampf. In operation, the compressor 12 draws in ambient air, compresses it and supplies it to the combustion chamber 16. There, the compressed air is mixed with a fuel B and burned in a flame to a hot gas HG. The hot gas HG flows into the inlet of the turbine unit 14 and relaxes work on the turbine blades of the turbine unit 14, not shown further. The resulting exhaust gas RG flows at the outlet of the turbine unit 14 via an exhaust gas diffuser, not shown. Thereafter, the exhaust gas RG is discharged either via a chimney into the environment, or the exhaust gas RG is fed to a so-called boiler, which uses as a heat recovery steam generator, the heat energy contained in the exhaust gas for the production of steam. The steam generated in the heat recovery steam generator is then used to drive steam turbines, not shown, or as process steam.
Mit Hilfe des Brennstoffmassenstroms mB und dem Verdichtermassenstrom mv lässt sich die von der Gasturbine 10 zu erbringende Leistung einstellen. Sofern die Gasturbine 10 unterhalb ihrer Nennleistung betrieben wird und sie somit nur einen Anteil der von ihr maximal erbringbaren möglichen Leistung an der Verdichterwelle dem Generator 11 zur Verfügung stellt, ist vorgesehen, dass zur Reduzierung von CO-Emissionen die sich in der Brennkammer 16 einstellende Verbrennungstemperatur bzw. Primärzonentempera- tur durch weiteres Zudrehen der Verdichtereinlass-Leitschau- feln 13 bei konstanten Brennstoffmassenstrom mB erhöht wird. Da die Gasturbine 10 sich bereits im Teillastbetrieb befindet und die Temperatur des Heißgases HG am Turbineneintritt bereits unter der maximal zulässigen Turbineneintrittstemperatur liegt, kann die Verbrennungstemperatur weiter erhöht werden, ohne dass die am Turbineneintritt angeordneten Bauteile eine unzulässig hohe Materialtemperatur erfahren, was deren Lebensdauer verkürzt hätte. Da jedoch gleichzeitig die Abgastemperatur aufgrund der gestiegenen Verbrennungstemperatur dann unzulässig hoch werden kann, ist vorgesehen, dass entweder stromab der vorletzten Turbinenstufe 14c der Gasturbine 10 und/oder stromab der letzten Turbinenstufe 14d der Gasturbine 10 ein dampfförmiges oder flüssiges Medium M zugeführt wird, welches die im Abgas RG sich durch die Verbrennungstemperaturerhöhung einstellende Abgastemperaturerhöhung zumindest teilweise kompensiert. With the aid of the fuel mass flow m B and the compressor mass flow m v , the power to be provided by the gas turbine 10 can be adjusted. If the gas turbine 10 is operated below its rated power and thus provides only a portion of its maximum achievable potential power to the compressor shaft to the generator 11, it is provided that to reduce CO emissions in the combustion chamber 16 adjusting combustion temperature or primary zone temperature is increased by further rotation of the compressor inlet guide vanes 13 at a constant fuel mass flow m B. Since the gas turbine 10 is already in partial load operation and the temperature of the hot gas HG at the turbine inlet is already below the maximum allowable turbine inlet temperature, the combustion temperature can be further increased without the components arranged at the turbine inlet experience an inadmissibly high material temperature, which would have shortened their life. However, since at the same time the exhaust gas temperature can become unacceptably high due to the increased combustion temperature, it is provided that either a vaporous or liquid medium M is supplied downstream of the penultimate turbine stage 14c of the gas turbine 10 and / or downstream of the last turbine stage 14d of the gas turbine 10, which in the exhaust gas RG adjusting itself by the combustion temperature increase adjusting exhaust gas temperature increase at least partially.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine (10) unterhalb ihrer Nennleistung, A method of operating a gas turbine (10) below its rated power,
bei dem mit Absenken der abgegebenen Gasturbinenleistung eine CO-Emission im Abgas (RG) der Gasturbine (10) ansteigt ,  in which a CO emission in the exhaust gas (RG) of the gas turbine (10) increases with lowering of the emitted gas turbine power,
wobei bei Erreichen eines vorgegebenen Grenzwertes für die CO-Emission oder bei Unterschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes für die abgegebene Gasturbinenleistung die Verbrennungstemperatur in der Brennkammer (16) der Gasturbine (10) erhöht wird und die sich durch die Verbrennungstempe- raturerhöhung einstellende Abgastemperaturerhöhung am Abgas-Austritt der Gasturbine (10) durch die Zugabe eines flüssigen oder dampfförmigen Mediums (M) zumindest teilweise kompensiert wird.  wherein the combustion temperature in the combustion chamber (16) of the gas turbine (10) is increased upon reaching a predetermined limit value for the CO emission or falls below a predetermined limit value for the output gas turbine power and the exhaust gas temperature increase due to the combustion temperature increase at the exhaust gas outlet the gas turbine (10) is at least partially compensated by the addition of a liquid or vapor medium (M).
2. Verfahren nach Anspruch 1, 2. The method according to claim 1,
bei dem ohne Laständerung die Verbrennungstemperatur soweit angehoben und bei dem die zugegebene Menge an Medium (M) so gewählt wird, dass die sich nach der Zugabe des Mediums (M) einstellende Abgastemperatur in etwa gleich groß oder geringfügig größer ist als diejenige Abgastemperatur, die an gleicher Stelle bei Nennleistung auftritt.  in which the combustion temperature is increased without load change and in which the added amount of medium (M) is chosen so that the after the addition of the medium (M) adjusting exhaust gas temperature is approximately equal to or slightly greater than the exhaust gas temperature, the same place at rated power occurs.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , 3. The method according to claim 1 or 2,
bei dem zur Erhöhung der Verbrennungstemperatur die Menge eines der Brennkammer (16) zugeführten Brennstoffs B erhöht und/oder die Menge einer der Brennkammer (16) zugeführten Verbrennungsluft durch weiteres Zudrehen von Einlassleitschaufeln (13) eines Verdichters (12) der Gasturbine (10) reduziert wird.  in which the amount of fuel B supplied to the combustion chamber (16) is increased to increase the combustion temperature and / or the amount of combustion air supplied to the combustion chamber (16) is reduced by further turning inlet guide vanes (13) of a compressor (12) of the gas turbine (10) becomes.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, 4. The method according to claim 1, 2 or 3,
bei dem das dampfförmige Medium (M) dem Prozessdampf eines der Gasturbine (10) nachgeordneten Dampfturbinen-Kraftwerks entnommen wird. in which the vaporous medium (M) is taken from the process steam of a steam turbine power plant downstream of the gas turbine (10).
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Medium (M) dem Abgas (RG) stromab der vorletzten Turbinenstufe (14c) der Gasturbine (10) zugeführt wird. 5. The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the medium (M) to the exhaust gas (RG) downstream of the penultimate turbine stage (14 c ) of the gas turbine (10) is supplied.
6. Verfahren nach Anspruch 5, 6. The method according to claim 5,
bei dem das Medium (M) dem Abgas (RG) stromab der letzten Turbinenstufe (14d) der Gasturbine (10) zugeführt wird. in which the medium (M) is supplied to the exhaust gas (RG) downstream of the last turbine stage (14 d ) of the gas turbine (10).
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019164475A1 (en) * 2018-02-20 2019-08-29 Siemens Aktiengesellschaft A method for starting up a gas turbine engine of a combined cycle power plant
US11898502B2 (en) * 2020-12-21 2024-02-13 General Electric Company System and methods for improving combustion turbine turndown capability
CN112627989A (en) * 2021-01-08 2021-04-09 大连欧谱纳透平动力科技有限公司 System and method for controlling exhaust temperature and nitrogen oxide concentration of small gas turbine

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SG104914A1 (en) * 1997-06-30 2004-07-30 Hitachi Ltd Gas turbine
CN1237261C (en) * 1998-10-23 2006-01-18 株式会社日立制作所 Gas turbine generator and air humidifier
JP3683521B2 (en) * 2001-10-09 2005-08-17 川崎重工業株式会社 Cogeneration system operation method
US6782703B2 (en) * 2002-09-11 2004-08-31 Siemens Westinghouse Power Corporation Apparatus for starting a combined cycle power plant
DE10314041A1 (en) * 2003-03-28 2004-12-02 Alstom Technology Ltd Method and device for adapting the parameters of the hot gas of a hot gas generator with a subsequent technological process
GB2403272A (en) * 2003-06-28 2004-12-29 Rolls Royce Plc A gas turbine engine having regulated combustion and steam cooled guide vanes
US20050235649A1 (en) * 2004-01-09 2005-10-27 Siemens Westinghouse Power Corporation Method for operating a gas turbine
US7269953B2 (en) * 2004-08-27 2007-09-18 Siemens Power Generation, Inc. Method of controlling a power generation system
US8015826B2 (en) * 2007-04-05 2011-09-13 Siemens Energy, Inc. Engine brake for part load CO reduction
US8495883B2 (en) * 2007-04-05 2013-07-30 Siemens Energy, Inc. Cooling of turbine components using combustor shell air
US20090053036A1 (en) * 2007-08-24 2009-02-26 General Electric Company Systems and Methods for Extending Gas Turbine Emissions Compliance
US20090205310A1 (en) * 2008-02-20 2009-08-20 General Electric Company Power generation system having an exhaust gas attemperating device and system for controlling a temperature of exhaust gases
EP2260193B1 (en) * 2008-03-05 2018-08-29 Ansaldo Energia IP UK Limited Method for regulating a gas turbine in a power plant and power plant to carry out the method
US8677761B2 (en) * 2009-02-25 2014-03-25 General Electric Company Systems and methods for engine turn down by controlling extraction air flows
US8516786B2 (en) * 2009-08-13 2013-08-27 General Electric Company System and method for injection of cooling air into exhaust gas flow
ITMI20101075A1 (en) * 2010-06-15 2011-12-16 Ansaldo Energia Spa METHOD FOR THE CONTROL OF EMISSIONS IN A THERMAL MACHINE, IN PARTICULAR A GAS TURBINE, AND THERMAL MACHINE
US20140174090A1 (en) * 2012-12-21 2014-06-26 General Electric Company System for supplying fuel to a combustor

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO2014128000A1 *

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