EP3803084A1 - Verfahren zum anfahren einer gasturbine in einer gas- und dampfturbinenanlage - Google Patents

Verfahren zum anfahren einer gasturbine in einer gas- und dampfturbinenanlage

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EP3803084A1
EP3803084A1 EP19745988.6A EP19745988A EP3803084A1 EP 3803084 A1 EP3803084 A1 EP 3803084A1 EP 19745988 A EP19745988 A EP 19745988A EP 3803084 A1 EP3803084 A1 EP 3803084A1
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EP
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gas turbine
guide vanes
gas
starting
load
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Withdrawn
Application number
EP19745988.6A
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French (fr)
Inventor
Stefan Becker
Matthias Nickl
Kai Voit
Johannes WALZIK
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
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    • F02C9/20—Control of working fluid flow by throttling; by adjusting vanes
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    • Y02E20/16—Combined cycle power plant [CCPP], or combined cycle gas turbine [CCGT]

Definitions

  • the invention relates to a method for starting, but also for shutting down a gas turbine in a gas and steam turbine turbine.
  • the invention relates to a guide vane adjustment procedure in gas turbines.
  • gas turbines in gas and steam turbines with closed guide vanes in the compressor are started up to a maximum value.
  • the guide vanes are only opened after the base load has been reached or after an emission-compliant load point has been reached in order to increase the mass flow through the gas turbine and thus also the output.
  • the object of the invention is to provide a method for starting and starting a gas turbine in a gas and steam turbine system, in which the system as quickly as possible with compliance with emission requirements and the least possible fatigue components connected downstream from the gas turbine can be started and stopped.
  • the invention solves the problem addressed to a method for starting and stopping a gas turbine in a gas and steam turbine system by providing that in such a method the gas turbine comprises a compressor with adjustable guide vanes and the gas turbine power also through the opening the guide vane is controllable, the gas turbine being started up to the base load or to an emission-conforming load point, the guide vane being opened before the base load or the emission-compliant load point is reached.
  • the mass flow through the gas turbine is increased at an early stage and the temperature of the exhaust gas flow is reduced to subsequent components.
  • a complete opening of the guide vanes is typically avoided to avoid excessive emissions in the comparatively early period of the start.
  • the gas and steam turbine system comprises an exhaust gas chimney and emissions in the exhaust gas chimney are measured continuously. It is also advantageous if temperature sensors are continuously read out when starting and stopping. In particular, it is advantageous if the temperature sensors on thick-walled components are continuously read out, ie on parts with a ratio of outside diameter to inside diameter greater than 1.2.
  • the gas turbine without additional gas turbine stop with the maximum possible load ramp up to base load or up to the emission-compliant load point (z. B. 70% gas turbine load) is started up temperature-compatible for the following components.
  • the guide vane adjustment method of the inventive method can also be used during the shutdown process in order to modify the gas turbine exhaust gas temperature with regard to the boiler service life.
  • Figure 1 is a schematic representation of a gas
  • Figure 2 is a graph for the electrical power of the gas and steam turbine system over the exhaust gas temperature.
  • a gas and steam turbine system 2 is shown with a gas turbine 1, from a heat steam generator 7 and a steam turbine 8.
  • Other designs, such as two or more gas turbines, each with a downstream heat recovery steam generator or even a common heat recovery steam generator, are also possible.
  • the gas turbine 1 comprises a compressor 3, a combustion chamber 17 and a turbine 18.
  • the compressor 3 comprises adjustable guide vanes 4 with which the compressor air mass flow can be adjusted.
  • the steam turbine 8 is followed by a condenser 10 in a water-steam circuit 9. Furthermore, the water-steam circuit 9 comprises the heat recovery steam generator 7, in which temperature sensors 6 are arranged in particular on thick-walled components.
  • the steam turbine 8 usually comprises a plurality of pressure stages 11, which drive the generator 14 via a common shaft 12 with a clutch 13.
  • FIG. 2 shows the electrical power P ei in megawatts (MW) of the gas and steam turbine system 2, represented above the exhaust gas temperature T [K] in the inventive mode of operation 19 ',
  • the mass flow through the gas turbine 1 is increased before the load 50 or an emission-conforming load point is reached, as a result of which, among other things, reduces the temperature of the exhaust gas flow.
  • the adjustable guide vanes 4 have a closed position, that is to say a minimum opening angle, which can be increased by adjustment in order to increase the compressor air mass flow. When moving off or on, the guide vanes 4 are preferably kept closed.
  • the driving style 19 ' shows that the guide vanes 4 are opened as quickly as possible, so that the driving style 19' abuts the closed line 22 as quickly as possible.
  • the curves of the control modes 19 ', 19' ' rise very steeply at the beginning (a') or in the middle section (b ''), so that there is little or no change in the exhaust gas temperature T.
  • the opening angle of the guide vanes 4 is not left constant from the beginning, but is opened more and more over a certain period of time in stage a '', in particular continuously, very particularly continuously and continuously , but not completely, and then ramped up to P '' with minimum change in exhaust gas temperature T [K] according to stage b.
  • the procedure according to the 19 'or 19''mode of operation achieves outputs R' ⁇ 50% (19 ') or P'' ⁇ 60% as quickly as possible
  • the starting point 30 is preferably started with a minimal opening angle.
  • a time period t BASIC means the time period in which the gas turbine from the start Z is eit Vietnamese drive 30 to the base load combinge 40, and the maximum latching ramp a ', b''is preferably in the first third of the time period t BASIC ⁇
  • a temperature range T G RU N D describes the temperature range from the starting Z eit Vietnamese 30 to the temperature T of the base load 40, wherein the maximum possible loading ramp a ', b''is ramped up within the first third of the temperature range T GR1JND.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum An- und Abfahren einer Gasturbine (1) in einer Gas- und Dampfturbinenanlage (2), wobei die Gasturbine (1) einen Verdichter (3) mit verstellbaren Leitschaufeln (4) umfasst und die Gasturbinenleistung auch durch die Öffnung der Leitschaufeln (4) kontrollierbar ist, wobei die Gasturbine (1) beim Anfahren bis auf Grundlast oder bis auf einen emissionskonformen Lastpunkt gefahren wird, wobei vor Erreichen der Grundlast oder des emissionskonformen Lastpunkts die Leitschaufeln (4) geöffnet werden.

Description

VERFAHREN ZUM ANFAHREN EINER GASTURBINE IN EINER GAS- UND
DAMPFTURBINENANLAGE
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anfahren, aber auch zum Abfahren einer Gasturbine in einer Gas- und Dampfturbi nenanlage. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Leit schaufelverstellfahrweise bei Gasturbinen.
Typischerweise werden Gasturbinen in Gas- und Dampfturbinen anlagen mit geschlossenen Leitschaufein im Verdichter bis auf einen maximalen Wert hochgefahren. Dies hat den Vorteil, dass die Verbrennung in der Gasturbine stabil ist und die Emissio nen vergleichsweise schnell in einem vorgabenkonformen Be reich liegen. Erst nach Erreichen der Grundlast oder nach Er reichen eines emissionskonformen Lastpunkts werden die Leit schaufeln geöffnet, um den Massenstrom durch die Gasturbine und somit auch die Leistung zu erhöhen.
Immer höhere Gasturbinen-Abgastemperaturen lassen aber nur eine eingeschränkte Gesamtanlagenschnellstartfähigkeit bei Gas- und Dampfturbinenanlagen zu. Insbesondere der Abhitze dampferzeuger ist erheblichem thermischem Stress ausgesetzt, was zu vergleichsweise starker, vorzeitiger Materialermüdung führt .
Daher erfolgt aktuell nur ein schrittweises Anfahren der Ge samtanlage einschließlich Lasthaltepunkten durch ein tempera turgeführtes Gasturbinen-Anfahren bis zum Erreichen der maxi malen Abgastemperatur inklusive der Leistungshaltepunkten zur Anwärmung der nachgeschalteten Komponenten (Abhitzedampfer zeuger, Dampfturbine) .
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum An- und Ab fahren einer Gasturbine in einer Gas- und Dampfturbinenanlage anzugeben, bei dem die Anlage möglichst rasch unter Einhal tung von Emissionsvorgaben und möglichst geringer Ermüdung von der Gasturbine nachgeschalteten Komponenten an- und abge fahren werden kann.
Die Erfindung löst die auf ein Verfahren zum An- und Abfahren einer Gasturbine in einer Gas- und Dampfturbinenanlage ge richtete Aufgabe, indem sie vorsieht, dass bei einem derarti gen Verfahren die Gasturbine einen Verdichter mit verstell baren Leitschaufein umfasst und die Gasturbinenleistung auch durch die Öffnung der Leitschaufein kontrollierbar ist, wobei die Gasturbine beim Anfahren bis auf Grundlast oder bis auf einen emissionskonformen Lastpunkt gefahren wird, wobei vor Erreichen der Grundlast oder des emissionskonformen Last punkts die Leitschaufein geöffnet werden.
Durch das zumindest teilweise Öffnen der Leitschaufein wird der Massenstrom durch die Gasturbine frühzeitig erhöht und die Temperatur des Abgasstroms auf nachfolgende Bauteile ver ringert. Eine vollständige Öffnung der Leitschaufein wird ty pischer Weise zur Vermeidung zu hoher Emissionen im ver gleichsweise frühen Zeitraum des Anfahrens vermieden.
Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Gasturbine mit maximal mög licher Lastrampe hochgefahren wird. Somit ist ein möglichst schnelles Anfahren gewährleistet.
Es ist vorteilhaft, wenn die Leitschaufein zu Beginn des An fahrens geschlossen sind und beim Anfahren im Rahmen der Emissionsvorgaben so weit wie möglich geöffnet werden, da ein größerer Massenstrom zu mehr Leistung bzw. geringeren Tempe raturen des Abgasstroms führt. Es ist im Wesentlichen der Be trieb der Anlage „unterhalb" der Auslegung, der auf Grund der dann schlechteren Emissionswerte den Grad der Öffnung be grenzt .
Es ist vorteilhaft, wenn die Gas- und Dampfturbinenanlage einen Abgaskamin umfasst und Emissionen im Abgaskamin konti nuierlich gemessen werden. Ferner ist es vorteilhaft, wenn beim An- und Abfahren Tempe ratursensoren kontinuierlich ausgelesen werden. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Temperatursensoren an dickwandi gen Bauteilen kontinuierlich ausgelesen werden, d.h. an Bau teilen mit einem Verhältnis von Außendurchmesser zu Innen durchmesser größer als 1,2.
Durch das erfinderische Verfahren wird die Gasturbine ohne weiteren Gasturbinen-Haltepunkt mit der maximal möglichen Lastrampe bis auf Grundlast oder bis auf den emissionskonfor men Lastpunkt (z. B. 70% Gasturbinen-Last) temperaturverträg lich für die nachfolgenden Komponenten hochgefahren. Ferner kann die Leitschaufel-Verstellfahrweise des erfinderischen Verfahrens auch beim Abfahrvorgang eingesetzt werden kann um die Gasturbinen-Abgastemperatur im Hinblick auf die Kessel lebensdauer zu modifizieren.
Es ergeben sich folgende Vorteile:
• Reduzierung der Abhitzedampferzeuger-Stressbelastung und minimaler Abhitzedampferzeuger-Lebensdauerverbrauch
• Reduzierung der Anfahr-Emissionen (NOx)
• Verbesserter und flexibler Betrieb über den gesamten Lastbereich
• Schnelleres Anfahren der Gas-und Dampfturbinen-Anlage einschließlich reduziertem Brennstoffverbrauch
• Erhöhte, schnellere Leistungsbereitstellung durch die Verwendung von höheren Gasturbinen-Lastrampen während des Anfahrbetriebs
Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Gas- und
Dampfturbinenanlage und
Figur 2 eine Grafik für die elektrische Leistung der Gas- und Dampfturbinenanlage über der Abgastemperatur . In der schematischen Darstellung der Figur 1 ist eine Gas- und Dampfturbinenanlage 2 mit einer Gasturbine 1, einem Ab hitzedampferzeuger 7 und einer Dampfturbine 8 gezeigt. Andere Ausführungen, wie beispielsweise zwei oder mehr Gasturbinen mit je einem nachgeschalteten Abhitzedampferzeuger oder gar einem gemeinsamen Abhitzedampferzeuger sind ebenfalls mög lich.
Die Gasturbine 1 umfasst einen Verdichter 3, eine Brennkammer 17 und eine Turbine 18. Der Verdichter 3 umfasst verstellbare Leitschaufein 4, mit denen der Verdichterluftmassenstrom ein gestellt werden kann.
Der Dampfturbine 8 ist in einem Wasser-Dampf-Kreislauf 9 ein Kondensator 10 nachgeschaltet. Ferner umfasst der Wasser- Dampf-Kreislauf 9 den Abhitzedampferzeuger 7, in dem insbe sondere an dickwandigen Bauteilen Temperatursensoren 6 ange ordnet sind.
Die Dampfturbine 8 umfasst üblicherweise mehrere Druckstufen 11, die über eine gemeinsame Welle 12 mit einer Kupplung 13 den Generator 14 antreiben.
Zum Zuführen von in der Gasturbine 1 entspanntem Arbeitsmit tel oder Rauchgas in den Abhitzedampferzeuger 7 ist eine Ab gasleitung 15 an einen Eingang 16 des Abhitzedampferzeugers 7 angeschlossen. Das entspannte Arbeitsmittel aus der Gastur bine 1, d.h. das Gasturbinenabgas, verlässt den Abhitzedamp ferzeuger 7 über einen Abgaskamin 5.
Figur 2 zeigt die elektrische Leistung Pei in Megawatt (MW) der Gas- und Dampfturbinenanlage 2 dargestellt über der Ab gastemperatur T [K] bei der erfinderischen Fahrweise 19',
19'' (zwei mögliche Fahrweisen, gestrichelt) im Vergleich zur bisherigen Fahrweise 20 (gepunktet) . Bei der bisherigen Fahrweise 20 blieben die Leitschaufein 4 so lange geschlossen, bis die Gasturbine 1 auf eine Last 50 oder auf einen emissionskonformen Lastpunkt gefahren war.
Dies garantierte eine stabile und emissionskonforme Verbren nung und war aufgrund der im Vergleich zu heutigen Gasturbi nen 1 „niedrigen" Abgastemperaturen das bevorzugte Verfahren.
Mit dem Verfahren nach der Erfindung wird der Massenstrom durch die Gasturbine 1 bereits vor Erreichen der Last 50 oder eines emissionskonformen Lastpunkts erhöht, wodurch sich u.a. die Temperatur des Abgasstroms verringert.
Die verstellbaren Leitschaufein 4 haben eine Schließstellung, also einen minimalsten Öffnungswinkel, der durch Verstellung vergrößert werden kann, um den Verdichterluftmassenstrom zu vergrößern. Beim Anfahren oder Abfahren werden die Leitschau- feln 4 vorzugsweise noch geschlossen gehalten.
Aber auf jeden Fall ziemlich zeitnah, insbesondere direkt beim An- oder Abfahren, wird der Öffnungswinkel der Leit schaufeln vergrößert.
In Figur 2 ist in der Fahrweise 19' gezeigt, dass die Leit schaufeln 4 so schnell wie möglich geöffnet werden, so dass die Fahrweise 19' möglichst rasch an die geschlossene Linie 22 anstößt.
Die Kurven der Fahrweisen 19', 19'' steigen am Anfang (a') oder im Mittelteil (b'') sehr steil an, so dass kaum oder minimal eine Änderung der Abgastemperatur T erfolgt.
In einer leicht veränderten An- oder Abfahrweise gemäß Kurve 19'' wird der Öffnungswinkel der Leitschaufein 4 von Anfang an nicht konstant gelassen, sondern über einen gewissen Zeit raum der Stufe a'' immer weiter geöffnet, insbesondere konti nuierlich, ganz insbesondere stetig und kontinuierlich, aber nicht vollständig, und dann gemäß Stufe b auf P'' mit mini malster Änderung der Abgastemperatur T [K] hochgefahren. Durch die Verfahrweisen gemäß Fahrweise 19' bzw. 19'' werden möglichst rasch Leistungen R' ~ 50% (19') bzw. P'' ~ 60%
(19'') einer Grundlast 40 erreicht.
Zu erkennen ist dies in dem Diagramm in Figur 2 auch dadurch, dass die Fläche II, I, die zwischen der Fahrweise 19', 19'' und den oberen Begrenzungslinien 22 der durchgezogenen Linie möglichst minimal ist und deutlich weniger als die Hälfte der Fläche, die durch die der bisherigen Fahrweise 20 umschlossen wird, entspricht.
Vorzugsweise wird am Starterpunkt 30 mit einem minimalsten Öffnungswinkel gestartet.
Eine Zeitspanne tGRUND bedeutet die Zeitspanne, in der die Gasturbine vom StartZeitpunkt 30 bis zur Grundlast 40 hochge fahren ist, und die maximal mögliche Rastrampe a', b'' liegt vorzugsweise im ersten Drittel der Zeitspanne tGRUND ·
Eine Temperaturspanne TGRUND beschreibt die Temperaturspanne vom StartZeitpunkt 30 bis zur Temperatur T der Grundlast 40, wobei die maximal mögliche Lastrampe a', b'' vorzugsweise innerhalb des ersten Drittels der Temperaturspanne TGR1JND hochgefahren wird.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren
zum An- und Abfahren einer Gasturbine (1) in einer Gas- und Dampfturbinenanlage (2),
wobei die Gasturbine (1) einen Verdichter (3) mit verstell baren Leitschaufein (4) umfasst und
die Gasturbinenleistung (Pei) auch durch die Öffnung der Leitschaufein (4) kontrollierbar ist,
wobei die Gasturbine (1) beim Anfahren bis
auf Grundlast (40) oder
bis auf einen emissionskonformen Lastpunkt
gefahren wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
vor Erreichen der Grundlast (40) oder
vor Erreichen des emissionskonformen Lastpunkts
die Leitschaufein (4) so geöffnet werden,
dass kaum oder minimalst eine Änderung in der Abgastempera- tur (T) erfolgt.
2 Verfahren nach Anspruch 1,
wobei die Gasturbine (1) mit maximal möglicher Lastrampe (a', b'') hochgefahren wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
bei dem zum Start Zeitpunkt (30) mit einem geringsten Öff nungswinkel der Leitschaufein (4) gestartet wird.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3,
bei dem so schnell wie möglich etwa 47% bis 53% der Leis tung (P'ei) beim Hochfahren (19') erreicht wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3,
bei dem nach einer ersten Stufe (a'') in einer zweiten Stufe (b'') so schnell wie möglich etwa 57% bis 63% der Leistung (P''ei) beim Hochfahren (19'') erreicht wird.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3 oder 5,
bei dem die Leitschaufein (4) einer Fahrweise (19'') in zwei verschiedenen Stufen (a'', b'') geöffnet werden, wobei in einer ersten Stufe (a'') die Leitschaufein (4) etwas geöffnet werden,
insbesondere kontinuierlich und stetig
und in einer zweiten Stufe (b'') die Leitschaufein (4) maximal geöffnet werden,
so dass eine maximale Lastrampe (b'') erreicht wird, bei der kaum eine Änderung der Abgastemperatur (T) erfolgt.
7 Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5 oder 6,
wobei die Leitschaufein (4) zu Beginn (30) des Anfahrens geschlossen sind.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Leitschaufein (4) im Rahmen von Emissionsvorgaben so weit wie möglich geöffnet werden.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
8,
wobei die Gas- und Dampfturbinenanlage (2) einen Abgaskamin (5) umfasst und Emissionen im Abgaskamin (5) kontinuierlich gemessen werden.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim An- und Abfahren Temperatursensoren (6) kontinu ierlich ausgelesen werden.
11. Verfahren nach Anspruch 10,
wobei die Temperatursensoren (6) an dickwandigen Bauteilen kontinuierlich ausgelesen werden, d.h. an Bauteilen mit einem Verhältnis von Außendurchmesser zu Innendurchmesser größer als 1,2.
12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
11,
bei dem der Öffnungswinkel der Leitschaufein (4) kontinu ierlich,
insbesondere kontinuierlich und stetig
zumindest zeitweise geöffnet wird.
13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
12,
bei dem eine Zeitspanne tGRUND die Zeitspanne bedeutet, in der die Gasturbine vom StartZeitpunkt (30) bis zur Grundlast (40) hochgefahren ist,
und die maximal mögliche Rastrampe (a', b'') im ersten Drittel der Zeitspanne tGRUND liegt.
14. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13,
bei dem TGRUND die Temperaturspanne vom StartZeitpunkt (30) bis zur Temperatur der Grundlast (40) beschreibt,
wobei die maximal mögliche Lastrampe (a', b'') innerhalb des ersten Drittels der Temperaturspanne TGRUND hochgefahren wird .
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