EP3183434B1 - Kuppeln einer gasturbine und einer dampfturbine mit zielkuppelwinkel mit verstellen des polradwinkels - Google Patents

Kuppeln einer gasturbine und einer dampfturbine mit zielkuppelwinkel mit verstellen des polradwinkels Download PDF

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EP3183434B1
EP3183434B1 EP15774921.9A EP15774921A EP3183434B1 EP 3183434 B1 EP3183434 B1 EP 3183434B1 EP 15774921 A EP15774921 A EP 15774921A EP 3183434 B1 EP3183434 B1 EP 3183434B1
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EP
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excitation
gas turbine
angle
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coupling
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Marc Diefenbach
Marcel Langer
Martin Ophey
Dennis Schlüter
Michael Winkel
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Siemens AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K13/00—General layout or general methods of operation of complete plants
    • F01K13/02—Controlling, e.g. stopping or starting
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K23/00—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
    • F01K23/12—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engines being mechanically coupled
    • F01K23/16—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engines being mechanically coupled all the engines being turbines

Definitions

  • the gas turbine and the steam turbine are coupled by means of a clutch.
  • the steam turbine is accelerated in a suitable manner.
  • the frequency of the gas turbine is given insofar as it must match the frequency of the power grid into which the feed takes place.
  • From the EP 1 911 939 A1 is a method for engaging a drive shaft of a turbomachine with an output shaft by means of a clutch known.
  • the turbomachine is ramped up to a subsynchronous speed with respect to the output shaft and maintained at that stall speed before a dome start signal is asserted to achieve dome coupling with dome angle.
  • the turbomachine is usually a steam turbine and the output shaft around the shaft for driving the generator.
  • the object of the invention is to provide a possibility for improved coupling with target dome angle.
  • the solution to this problem can be found in particular in the independent claims.
  • the dependent claims indicate advantageous developments.
  • the description and drawings contain further information.
  • step a) and step b) at least partially overlap in time.
  • Step b) is always carried out when it is not possible or only difficult, for example not in a short time, to reach the target dome angle with step a).
  • Step a) is known, so that there are no further explanations.
  • Step b) will be explained in more detail.
  • the so-called rotor angle can be influenced.
  • Under the Polradwinkel, also called load angle is generally the angle to understand, under which the pole of a synchronous machine leads the synchronous rotating field. The details will not be discussed here because they are known to those of ordinary skill in the art. It is important to understand that by changing the rotor angle, the reactive power changes, but it remains possible to provide the required active power. By changing the Polradwinkels it is possible to meet the requirement that the generator rotates at mains frequency and at the same time a change in the angular position of the generator and thus the gas turbine can be achieved.
  • the invention thus makes it possible to influence not only the angular position of the steam turbine, but also the angular position of the gas turbine. Although usually only an influence of a few degrees is possible, nevertheless an additional degree of freedom is created, which the If required, it is very easy to facilitate and accelerate domes with target dome angles.
  • the rotor angle depends on the ratio of active power and reactive power. Since the ratio of active power and reactive power depends on the excitation, ie on the excitation current, the corresponding choice of reactive power for a given active power is basically equivalent to saying that the excitation current should be selected accordingly.
  • the relationships make it clear that it is not necessary to detect the rotor angle directly. It is basically enough to change the reactive power accordingly for a given active power. This can be used in the regulation on the already detected variables active power and reactive power.
  • the relationships between active power, reactive power and rotor angle can be taken from a so-called performance diagram, as will be explained in more detail later.
  • the excitation current is increased and as the gas turbine retards, the excitation current is decreased.
  • the rotor angle can be lowered. So it is the angle by which the pole precedes the synchronous rotating field, lowered. The generator and thus the gas turbine are so, so to speak, turned back a little, so that eliminates the Vorausilen the gas turbine with respect to the Zielkuppelwinkel.
  • the change in the excitation current is used to compensate for fluctuations in the line frequency, which complicate the achievement of the target coupling angle.
  • the aim is to keep the grid frequency as constant as possible, in Germany, for example, a value of 50 hertz is desired, small fluctuations still occur. If these occur during the coupling process, ie also in the run-up to the actual coupling, while the steam turbine is accelerating or decelerating, it is often no longer possible to accelerate the acceleration Adjust steam turbine accordingly.
  • the change of the excitation current and the concomitant change of the Polradwinkels and thus the change of the angular position of the gas turbine is very important, if not indispensable to engage quickly with target dome angle.
  • the change of the excitation current of the angle of the gas turbine can be changed by up to 5 °.
  • the achievable angle change is manageable, but still important. It remains that the essential degree of freedom in coupling is given by the appropriate acceleration of the steam turbine and the choice of dome time.
  • the excitation voltage is changed to change the excitation current. This allows influencing the excitation current in a simple manner.
  • the above considerations may also be used for a method of disengaging a steam turbine and a gas turbine connected to a generator.
  • the generator in turn has an excitation winding whose excitation can be changed by changing an excitation current flowing through the exciter winding.
  • the change of the rotor angle allows a rotation of the gas turbine. In certain situations, this may be advantageous when disengaging, so when releasing the coupling between the gas turbine and steam turbine. Above all, it is often possible to speed up the disengagement. This reduces the wear of the clutch.
  • control device for a single shaft turbine set with a gas turbine, a steam turbine and a generator.
  • the control device is set up such that the method described above for Coupling and / or disengaging is feasible. It often suffice marginal changes of the already existing control device. In many cases you can limit yourself to another programming.
  • the implementation of the method according to the invention thus requires only very manageable effort. Normally, a retrofitting of existing single-shaft turbo sets, in fact the associated control device easily possible.
  • FIG. 1 shows a performance diagram in which the relationships between reactive power, active power and rotor angle are shown.
  • the active power is plotted in MW.
  • the reactive power is entered in the Mvar on the high-value axis.
  • Line 1 runs at reactive power 0.
  • the reactive power is negative, for the above positive.
  • the edges ending at the edge stand for certain values of the Cos phi, where phi is the angle between the voltage induced in the generator and the resulting current in the phasor diagram.
  • the arrows 3, 4 and 5 emanating from an origin 2 at the bottom left. As can be seen, these ends at operating points with the same active power but different reactive power.
  • the distance 6 connecting the two end points of the arrows 3 and 5 is a typical range in which the reactive power can be adjusted while the active power remains the same.
  • the angle between the arrows 3, 4 and 5 and the high-value axis is the respective Polradwinkel.
  • the location of the origin 2 is determined metrologically.
  • the rotor angle can be read in the performance diagram, in which an arrow is drawn from the origin 2 to the respective operating point is determined and the angle of this arrow to the high-value axis.
  • the rotor angle must be reduced by 2 °.
  • this is the reactive power increase.
  • the excitation voltage and thus reduce the excitation current as far as until the Polradwinkel is 42 °. It is therefore possible in a simple manner by changing the reactive power, which can be brought about by changed excitation, to influence the Polradwinkel and thus to influence the target dome angle in an improved manner.

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Description

  • Beim Anfahren von Gasturbinenkraftwerken gilt es häufig die Dampfturbine zuzuschalten, sobald mit der Abwärme der Gasturbine genügend Dampf zum Antreiben der Dampfturbine bereitgestellt werden kann. Dazu werden die Gasturbine und die Dampfturbine mittels einer Kupplung gekuppelt. Besonders zur Vermeidung von Unwuchten werden Ansätze verfolgt, durch eine gezielte Regelung des Kuppelvorgangs bei einem Zielkuppelwinkel zu kuppeln. Dazu wird die Dampfturbine in geeigneter Weise beschleunigt. Die Frequenz der Gasturbine ist insoweit vorgegeben als diese mit der Frequenz des Stromnetzes, in das die Einspeisung erfolgt, übereinstimmen muss.
  • Aus der EP 1 911 939 A1 ist ein Verfahren zum Einkuppeln einer Antriebswelle einer Strömungsmaschine mit einer Abtriebswelle mittels einer Kupplung bekannt. Die Strömungsmaschine wird auf eine in Bezug auf die Abtriebswelle untersynchrone Drehzahl hochgefahren und auf dieser Haltedrehzahl gehalten, bevor ein Signal zum Start des Kuppelns gesetzt wird, um ein Kuppeln mit Zielkuppelwinkel zu erreichen. Bei der Strömungsmaschine handelt es sich im Regelfall um eine Dampfturbine und bei der Abtriebswelle um die Welle zum Antreiben des Generators.
  • Aufgabe der Erfindung ist es eine Möglichkeit zum verbesserten Kuppeln mit Zielkuppelwinkel bereitzustellen. Die Lösung dieser Aufgabe findet sich insbesondere in den unabhängigen Ansprüchen. Die abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterentwicklungen an. In der Beschreibung und in den Zeichnungen sind weitere Informationen enthalten.
  • Es wird ein Verfahren zum Kuppeln einer mit einem Generator verbundenen Gasturbine und einer Dampfturbine bereitgestellt, wobei der Generator eine Erregerwicklung aufweist. Die Erregung der Erregerwicklung kann durch Veränderung eines durch die Erregerwicklung fließenden Erregungsstroms verändert werden. Das Verfahren weist folgende Schritte auf:
    1. a) Beschleunigen und/oder Verzögern der Dampfturbine derart, dass das Kuppeln mit einem Zielkuppelwinkel erfolgt;
    2. b) bei Bedarf Veränderung des Erregungsstroms, so dass die dadurch veränderte Erregung der Erregerwicklung zu einem veränderten Polradwinkel führt, wobei der Polradwinkel derart verändert wird, dass das Erreichen des Zielkuppelwinkels unterstützt wird.
  • Es ist klar, dass Schritt a) und Schritt b) zeitlich zumindest teilweise überlappen. Schritt b) wird immer dann erfolgen, wenn es nicht oder nur erschwert, etwa nicht in kurzer Zeit, möglich ist, mit Schritt a) den Zielkuppelwinkel zu erreichen. Schritt a) ist bekannt, so dass hierzu keine weiteren Ausführungen erfolgen.
  • Schritt b) soll näher erläutert werden. Es gibt einen Freiheitsgrad beim Erregungsstrom, der die Erregung der Erregerwicklung hervorruft. Dadurch kann der sogenannte Polradwinkel beeinflusst werden. Unter dem Polradwinkel, auch Lastwinkel genannt, ist allgemein der Winkel zu verstehen, unter dem das Polrad einer Synchronmaschine dem Synchrondrehfeld voreilt. Auf die Einzelheiten soll hier nicht eingegangen werden, da sie dem einschlägigen Fachmann bekannt sind. Wichtig ist zu verstehen, dass durch eine Veränderung des Polradwinkels sich die Blindleistung ändert, aber es möglich bleibt die geforderte Wirkleistung bereit zu stellen. Durch die Veränderung des Polradwinkels ist es möglich, der Forderung zu genügen, dass der Generator sich mit Netzfrequenz dreht und zugleich eine Veränderung der Winkellage des Generators und damit der Gasturbine erreichbar ist. Die Erfindung gestattet also, nicht nur die Winkellage der Dampfturbine, sondern auch die Winkellage der Gasturbine zu beeinflussen. Wenngleich im Regelfall nur eine Beeinflussung um wenige Grad möglich ist, wird doch ein zusätzlicher Freiheitsgrad geschaffen, der das Kuppeln mit Zielkuppelwinkel bei Bedarf sehr erleichtern und beschleunigen kann.
  • Der Polradwinkel ist vom Verhältnis von Wirkleistung und Blindleistung abhängig. Da das Verhältnis von Wirkleistung und Blindleistung von der Erregung, also vom Erregungsstrom abhängt, ist die entsprechende Wahl der Blindleistung bei gegebener Wirkleistung grundsätzlich gleichbedeutend mit der Aussage den Erregungsstrom entsprechend zu wählen. Die Zusammenhänge machen deutlich, dass es nicht erforderlich ist, den Polradwinkel unmittelbar zu erfassen. Es genügt im Grunde bei gegebener Wirkleistung die Blindleistung entsprechend zu ändern. Damit kann bei der Regelung auf die ohnehin erfassten Größen Wirkleistung und Blindleistung zurückgegriffen werden. Die Zusammenhänge zwischen Wirkleistung, Blindleistung und Polradwinkel können einem sogenannten Leistungsdiagramm entnommen werden, wie später noch näher erläutert wird.
  • In einer Ausführungsform wird bei einem Vorauseilen der Gasturbine in Bezug auf den Zielkuppelwinkel der Erregungsstrom erhöht und bei einem Nacheilen der Gasturbine der Erregungsstrom gesenkt. Im Regelfall kann durch Erhöhung der Erregung der Polradwinkel gesenkt werden. Es wird also der Winkel um den das Polrad dem Synchrondrehfeld vorauseilt, gesenkt. Der Generator und damit die Gasturbine werden also gleichsam etwas zurückgedreht, so dass das Vorauseilen der Gasturbine in Bezug auf den Zielkuppelwinkel beseitigt.
  • In einer Ausführungsform wird die Veränderung des Erregungsstroms eingesetzt um Schwankungen der Netzfrequenz, welche das Erreichen des Zielkuppelwinkels erschweren, auszugleichen. Wenngleich grundsätzlich angestrebt wird, die Netzfrequenz möglichst konstant zu halten, in Deutschland beispielsweise wird ein Wert von 50 Hertz angestrebt, so treten dennoch kleine Schwankungen auf. Treten diese während des Kuppelns, also gerade auch im Vorfeld des eigentlichen Kuppelns, während die Dampfturbine beschleunigt oder verzögert wird, auf, ist es oft nicht mehr möglich die Beschleunigung der Dampfturbine entsprechend anzupassen. In diesem Fall ist die Veränderung des Erregungsstroms und die damit einhergehende Veränderung des Polradwinkels und somit die Veränderung der Winkellage der Gasturbine sehr wichtig, wenn nicht unverzichtbar, um zügig mit Zielkuppelwinkel einzukuppeln.
  • In einer Ausführungsform ist durch die Veränderung des Erregungsstroms der Winkel der Gasturbine um bis zu 5° veränderbar. Wie bereits erläutert ist die erreichbare Winkeländerung zwar überschaubar, aber eben dennoch wichtig. Es bleibt dabei, dass der wesentliche Freiheitsgrad beim Kuppeln durch die geeignete Beschleunigung der Dampfturbine und den Wahl des Kuppelzeitpunkts gegeben ist.
  • In einer Ausführungsform wird zur Veränderung des Erregungsstroms die Erregerspannung verändert. Dies gestattet eine Beeinflussung des Erregerstroms in einfacher Weise.
  • Die obigen Überlegungen können auch für ein Verfahren zum Auskuppeln einer Dampfturbine und einer mit einem Generator verbundenen Gasturbine genutzt werden. Der Generator weist wiederum eine Erregerwicklung auf, deren Erregung durch Veränderung eines durch die Erregerwicklung fließenden Erregungsstroms verändert werden kann. Beim Auskuppeln wird der Erregungsstrom derart verändert, dass die dadurch veränderte Erregung der Erregerwicklung zu einem veränderten Polradwinkel führt, der ein Auskuppeln erleichtert. Wie bereits oben beim Kuppeln beschrieben erlaubt die Veränderung des Polradwinkels eine Verdrehung der Gasturbine. In bestimmten Situationen kann dies beim Auskuppeln, also beim Lösen der Kupplung zwischen Gasturbine und Dampfturbine vorteilhaft sein. Vor allem ist es oft möglich, das Auskuppeln zu beschleunigen. Dies senkt den Verschleiß der Kupplung.
  • Es wird ebenfalls eine Regelungseinrichtung für einen Einwellen-Turbosatz mit einer Gasturbine, einer Dampfturbine und einem Generator bereit gestellt. Die Regelungseinrichtung ist derart eingerichtet, dass das oben beschriebene Verfahren zum Kuppeln und/oder Auskuppeln durchführbar ist. Dabei genügen oft marginale Änderungen der ohnehin vorhandenen Regelungseinrichtung. In vielen Fällen kann man sich auf eine andere Programmierung beschränken. Die Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfordert somit nur sehr überschaubaren Aufwand. Im Normalfall ist auch eine Nachrüstung bestehender Einwellen-Turbosätze, genau genommen der zugehörigen Regelungseinrichtung problemlos möglich.
  • Weitere Einzelheiten sollen anhand der Figur 1 beschrieben werden, die ein Leistungsdiagramm zeigt, in dem die Zusammenhänge zwischen Blindleistung, Wirkleistung und Polradwinkel dargestellt sind.
  • Auf der Rechtswertachse von Figur 1 ist die Wirkleistung in MW aufgetragen. Auf der Hochwertachse ist die Blindleistung im Mvar eingetragen. Die Linie 1 verläuft bei der Blindleistung 0. Bei den auf der Linie 1 liegenden Betriebspunkten wird also nur Wirkleistung bereitgestellt. Bei den unterhalb der Linie 1 liegenden Betriebspunkten ist die Blindleistung negativ, bei den oberhalb liegenden positiv. Die am Rand endenden Geraden stehen für bestimmte Werte vom Cos phi, wobei phi der Winkel zwischen der im Generator induzierten Spannung und dem daraus resultierenden Strom im Zeigerdiagramm ist.
  • Vorliegend bedeutend sind die von einem links unten liegenden Ursprung 2 ausgehenden Pfeile 3, 4 und 5. Wie ersichtlich enden diese an Betriebspunkten mit derselben Wirkleistung, aber unterschiedlicher Blindleistung. Die Strecke 6 welche die beiden Endpunkte der Pfeile 3 und 5 verbindet, ist ein typischer Bereich in dem die Blindleistung verstellt werden kann, während die Wirkleistung gleich bleibt.
  • Der Winkel zwischen den Pfeilen 3, 4 sowie 5 und der Hochwertachse ist der jeweilige Polradwinkel. Die Lage des Ursprungs 2 ist messtechnisch bestimmt. Allgemein kann der Polradwinkel im Leistungsdiagramm abgelesen werden, in dem ein Pfeil vom Ursprung 2 zum jeweiligen Betriebspunkt gezogen wird und der Winkel dieses Pfeils zur Hochwertachse bestimmt wird.
  • Wird etwa beim Betriebspunkt, der am Ende von Pfeil 4 liegt, gekuppelt und von der Regelung festgestellt, dass die Gasturbine für ein Kuppeln mit dem Zielkuppelwinkel um 2° vorauseilt, dann gilt es den Polradwinkel um 2° zu senken. Wie im Leistungsdiagramm nach Figur 1 ersichtlich, ist hierzu die Blindleistung zu erhöhen. Dafür gilt es die Erregung, also die Erregerspannung und damit den Erregungsstrom soweit abzusenken, bis der Polradwinkel 42° beträgt. Es ist also in einfacher Weise möglich durch eine Änderung der Blindleistung, die durch geänderte Erregung herbeigeführt werden kann, den Polradwinkel zu beeinflussen und damit in verbesserter Weise den Zielkuppelwinkel zu beeinflussen.

Claims (7)

  1. Verfahren zum Kuppeln einer mit einem Generator verbundenen Gasturbine und einer Dampfturbine,
    wobei der Generator eine Erregerwicklung aufweist, deren Erregung durch Veränderung eines durch die Erregerwicklung fließenden Erregungsstroms verändert werden kann, mit folgenden Schritten:
    a) Beschleunigen und/oder Verzögern der Dampfturbine derart, dass das Kuppeln mit einem Zielkuppelwinkel erfolgt;
    b) bei Bedarf Veränderung des Erregungsstroms, so dass die dadurch veränderte Erregung der Erregerwicklung zu einem veränderten Polradwinkel führt,
    wobei der Polradwinkel derart verändert wird, dass das Erreichen des Zielkuppelwinkels unterstützt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    bei einem Vorauseilen der Gasturbine in Bezug auf den Zielkuppelwinkel der Erregungsstrom erhöht wird und bei einem Nacheilen der Gasturbine der Erregungsstrom gesenkt wird.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Veränderung des Erregungsstroms eingesetzt wird um Schwankungen der Netzfrequenz, welche das Erreichen des Zielkuppelwinkels erschweren, auszugleichen.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    durch die Veränderung des Erregungsstroms der Winkel der Gasturbine um bis zu 5° veränderbar ist.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zur Veränderung des Erregungsstroms die Erregerspannung verändert wird.
  6. Verfahren zum Auskuppeln einer Dampfturbine und einer mit einem Generator verbundenen Gasturbine,
    wobei der Generator eine Erregerwicklung aufweist, deren Erregung durch Veränderung eines durch die Erregerwicklung fließenden Erregungsstroms verändert werden kann,
    wobei der Erregungsstrom derart verändert wird, dass die dadurch veränderte Erregung der Erregerwicklung zu einem veränderten Polradwinkel führt, der ein Auskuppeln erleichtert.
  7. Regelungseinrichtung für einen Einwellen-Turbosatz mit einer Gasturbine, einer Dampfturbine und einem Generator, derart eingerichtet, dass ein Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche durchführbar ist.
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