SE427765B - Regleranordning till ett gasturbinkraftverk - Google Patents

Description

7904149-7 elektrisk generator, kan en plötslig avsevärd minskning i den elektriska genera- torns belastníng resultera i en för hög hastighet hos turbinen för fri kraftav- givning och därmed orsaka skador på denna, eftersom gasturbinens och bränn- kammarens driftstillstånd ej kan regleras snabbt för att uppnå en anpassning till ändringar i hastighet och/eller effektbehov hos turbinen för fri kraftavgiv- ning. i Det är därför ett ändamål med föreliggande uppfinning att vid ett gas- turbinkraftverk uppvisande en brännkammre med tryckfluidiserad bädd saint en turbin för fri kraftavgivning avsedd att driva en belastning, framtaga en regler- anordning, som kan reagera snabbt för ändringar i hastighet och/eller effekt- behov, som inträffar vid den kraftavgivande turbinen, utan att rubba det ter- modynamiska driftstillståndet i brännkammaren med fluidiserad bädd och gastur- binen. ' Det är ett annat ändamål med föreliggande uppfinning att vid ett gastur- binkraftverk med en brännkammare med tryckfluidiserad bädd och en turbin för fri kraftavgivning avsedd att uppta en belastning, framtaga en regleranordning i vilken ventfler ej utsättes för höga temperaturer, varför speciella ventiler ej erfordras.

Det är ytterligare ett ändamål med föreliggande uppfinning att vid ett gasturbinkraftverk uppvisande en brännkammare med tryckfluidiserad bädd och en -turbín för fri kraftavgívning avsedd att uppta en belastning, framtaga en regler-anordning' för igångsättningsändamål, som undanröjer behovet av separata start- och primärluftskompressorer. ___ _ Nämnda ändamål uppnås medelst anordningen enligt föreliggande uppfin- ning, vars kännetecken framgår av efterföljande patentkrav 1.

Uppfinningen skall i det följande närmare beskrivas i ett utföririgsexempel med hänvisning till bifogade ritning, på vilken., en regleranordning enligt före- liggande uppfinning schematiskt visas.

' I figuren hänvisar beteckningen 10 till ett gasturbiiikraftverk (i det föl- jande benämnt kraftverket) av den typ som uppvisar en brännkammare med tryck- fluidiserad bädd och en regleranordning för detta enligt föreliggande uppfinning.

Kraftverket 10 och regleranordningen för detta består av en brännkam- mare 12 med tryckfluidiserad bädd, vilken via tillförselanordningar, såsom led- ningar 14 och 16, är ansluten till en källa för pulvriserat fast bränsle 18 och svaveldioxidabsorberande material 20, såsom exempelvis kol respektive krossad dolomit. De förbränningsgaser som alstras vid förbränningen av bränslet i bränn- kammaren 12 med fluidiserad bädd ledes från .denna via en ledning 22 till separa- torer 24 och 26, exempelvis cyklonseparatorer för tvåstegsseparation och via en ledning 28 till expansionsanordningen 30 i en gasturbin 32. Brännkammaren 12 med tryckfluidiserad bädd är försedd med ett luftkylningssystem för reglering 7904149-1 av reaktionstemperaturen i den fluidiserade bädden 34 inom intervallet cirka 700°C till cirka 925°C.

Luftkylsystemet är försett med en värmeväxlare 36 av vilken som helt god- tycklig typ belägen i den fluidiserade bädden 34, varvid värmeväxlaren är via ledningar 38 och 40 ansluten till en luftkompressor 42 för mottagning av kompri- merad luft från denna. Värmeväxlaren 36 är även ansluten via en utloppsledning 44 till ledningen 28, så att upphettad komprimerad luft ledes i blandning med de renade förbränningsgaserna, som avges från brännkammaren' 12 med fluidiserad bädd och strömmar genom ledningen 28.

Brännkaxnmaren 12 med fluidiserad bädd är via ledningen 38 ansluten för att mottaga en del av den komprimerade luft som avges från kompressorn 42.

Den komprimerade luft som inmatas i brännkammaren 12 med fluidiserad bädd fördelas till den fluidiserade bädden 34 medelst lämpliga fördelningsorgan, såsom en perforerad fördelningsplatta 46. Den komprimerade luften har till funktion att hålla bränslet och annat partikelformigt material såsom dolomit, i ett suspen- derat, fluidiserat tillstånd och att tillföra syre för att understödja förbränningen av bränslet.

Luftkompressorn 42 står i drivförbindelse med expanderanordniiigen 30 i gasturbinen 32 och kan ingå i gasturbinenheten eller kan utgöras av en separat enhet, som lämpligen är så ansluten, att den kan bringas i rotation medelst ex- panderanordningen 30. Förbränningszonen eller brännkammaren 48 kan likaså ingå i eller utgöras av en separat enhet i gasturbinen. Brännkammaren 48 är ansluten för mottagning av komprimerad luf__t_från kompressorn 42 Via en ledning 50 och bränsle från ett lämpligt bränsleförråd för att alstra förbränningsgaser; vilka avges via en ledning 52 för att blandas med förbränningsgaser i ledningen 28. Flödet av komprimerad luft genom ledningen 52 regleras medelst en ventil 51. Förbränningsgasen från brännkammaren 48 har till funktion att separat eller tillsammans med förbränningsgaser och upphettad komprimerad luft driva expan- sionsanordningen 30.

Den expanderade utloppsgasen från expansionsanordningen 30 ledes Via en ledning 54 till en turbin för fri kraftavgivning 56. Turbinen för fri kraftav- givning är ansluten för drivning av en belastning, såsom en elektrisk generator 58. Utloppsgasen .från turbinen för fri kraftavgivning 56 avges via en utlopps- ledning 60 till en ång- och kraftalstrande anordning 61.

Den ång- och kraftalstrande anordningen 61 omfattar en avgaspanna 62, som mottager utloppsgaserna från turbinen för fri kraftavgivning 56 och vidare- befordrar gaserna i ett indirekt vämeväxlingsförhållande med vatten från en matningsledning 64 för omvandling av vattnet till ånga. En ångturbin 66 är an- sluten för drivning av en elektrisk generator 68 och för att via en utloppsled- 79041119-7 ning 70 mottaga ånga. Spillångan matas från ångturbinen 66 till en ångkonden- :sor 72, i vilken den konverteras åter till vatten och avges genom ledningen 74 för återcirkulation till avgaspannan 62. Vattnet från kondensorn 72 och tillskotts vatten matas till en uppvärmningsanordning 76 för matarvatten och sedan via matningsledningen 64 till avgaspannan 62.

Regleranordningen enligt föreliggande uppfinning består av flera ventil- styrda shuntledningar, vilka har till funktion att idriftsätta kraftverket och att medge en snabb anpassning av turbinen för fri kraftavgivning 56 efter föränd- ringar i effektbehovet från den elektriska generatorn 58 samt skydda turbinen för fri kraftavgivning 56 mot för höga hastigheter vid ett plötsligt bortfall av effektbehov från den elektriska generatorn 58.

Regleranordningen består nämnare bestämt av en shuntledning 78 som är inrättad att förbinda ledningen 40, som leder komprimerad luft till värmeväxlaren 76, med utloppsledningen 44 för att därigenom shunta luft förbi värmeväxlaren 36. En- ventil 80 är belägen i shuntledningen '78 för reglering av flödet genom denna, medan en ventil 82 är belägen i ledningen 40 för reglering av flödet av komprimerad luft genom denna. Ventilerna 80 och 82 är justerbara så, att de kan helt shunta komprimerad luft förbi värzneväidaren 36, vilket sker under en del av igångsättningsperioden, eller reglera flödena i beroende av temperaturen hos den' fluidiserade bädden 34 för att upprätthålla temperaturen i bädden inom det önskade temperaturintervallet 700°C - 925°C under drift. Ventilerna 80 och 82 har även' en samverkande funktion för att upprätthålla en flödeshastighet hos den fluidiserande luften i den fluidiserade bädden 34 vid ett visst konstant vär-f de- Denna senare funktion åstadkommes genom avkänning av luftens flödeshas- tighet i ledningen 40 nedströms ventilen 82, till exempel vid 35, och korrelera denna mätning med lufthastigheten i den fluidiserade bädden genom avkänniiig av temperatur och tryck däri såsom en funktion av hastigheten.

En andra shuntledning 84 iluftkylsystemet är inrättad för shuntning av den komprimerade luft som avges från luftkompressorn 42 till ledningen 38. En lämplig uppvärmningsanordning 86 är belägen i shuntledningen 84 för uppvärm- ning av kompriinerad luft, innan den inmatas i brännkammaren 12 med fluidiserad bädd. Uppvärmningsanordningen 86 kan vara av vilken som helt godtycklig typ för uppvärmning av den komprimerade luften och kan, såsom visas, utgöras av en bränsleeldad brännkammare. För reglering av flödet av komprimerad luft ge- nom shuntledningen 84 och ledningen 38 är ventiler 88 och 90 inrättade i led- ningen 84 respektive ledningen 38.

Ytterligare en shuntledning 92 är i sin ena ände ansluten till ledningen 54 och i sin motsatta ände ansluten till utloppsledningen 60 för att tillförsäkra shuntning av utloppsgaser från expansionsanordningen 30 förbi turbinen för fri 5 . 7904149-7 krafttavgivning 56. En ventil 94, som är inrättad att arbeta i beroende av en signal, som alstras av en hastighetsstyrd strömställare eller annan lämplig belast- ningsavkännande anordning 96, är belägen i shuntledningen 92 för reglering av flödet genom denna. För drift under i huvudsak konstant belastning på turbinen för fri kraftavgivning 56 är ventilen 94 i stängt läge. För igångsättning av kraft- verket 10 är ventilen 94 emellertid helt öppen. Ventilen 94 har även till funktion att anpassa det vridmoment som alstras av turbinen för fri kraftavgivning 56 efter väsentliga förändringar i effektbehovet vid generatorn 58 och därmed vid turbinen för fri kraftavgivning. I händelse av en plötslig reduktion i effektbe- hovet öppnar ventilen 94 för att reducera tryckskillnaden över turbinen för fri kraftavgivning 56 till i huvudsak noll och därmed förhindra att turbinen för fri kraftavgivning 56 övervarvas med tillhörande skadeverkningar. Denna shuntled- ning 92 och ventilen 94 i denna tillförsäkrar en snabb och exakt reglering' av uteffekten från turbinen för fri kraftavgivning utan att rubba den termodyna- miska balansen i brännkammaren med fluidiserad bädd 12. För att ytterligare tillför-säkra skydd av turbinen för fri kraftavgivning 56 är det fördelaktigt att en ventilanordning 98 är inrättad i ledningen 54.

Ventilanordningen 98 befinner sig normalt i öppet läge och har till funk- tion att avstänga gasflödet till turbinen för fri kraftavgivning 56, när det upp- träder ett plötsligt bortfall i utgångsbelastning på turbinen för fri kraftavgivning.

Denna plötsliga reduktion i effektbehov kan uppstå, när det uppstår ett elek- triskt fel i generatorn 58, avbrott i en krets eller fel i en drivkoppling mellan turbinen för fri kraftavgivning 56 och generatorn 58, som drives av turbinen för fri kraftavgivning. Denna ventilanordning Qíš-kan vara av vilket som helst lämpligt utförande, såsom exempelvis en uppsättning icke böjda skovlar eller la- meller i turbinens för fri kraftavgivning ingångsöppning,__vilka skovlar eller la- meller kan anordnas i linje med riktningen hos gasflödet i ett normalt öppet läge och vridas medelst en lämplig anordning med länkar och samverkande ringar, relativt vilken skovlarna eller lamellerna är i huvudsak vinkelrätt orienterade i förhållande till gasflödets riktning för att inta ett fullständigt stängt läge. Alter- nativt kan en uppsättning skivor av iris- eller giljotintyp anordnas och manöv- reras så att det bildas en ringformig slussventil eller vid nyare effektturbinkons- truktioner kan första stegets statorskovlar anordnas vridbara till ett stängt läge för att åstadkomma avstängning av strömmen av utloppsgaser.

Det är önskvärt att ventilanordningen 98 ingår i regleranordningen och är inrättad att samverka med ventilen 94 i shuntledningen 92, eftersom man har funnit att i vissa situationer kan utloppsgaser ej i tillräcklig grad shuntas genom ledningen 92 för att reducera uteffekten från turbinen för fri kraftavgivning 56 till noll och förhindra övervarvning av turbinen för fri kraftavgivning. Ventil- 79041å9-7 anordningen 98 är i likhet med ventilen 94 ansluten så att den reagerar för den belastningsavkännande anordningen 96 och stänger, medan ventilen 94 öppnar.

Ventilanordningen 98 har även till funktion att, när den befinnersigri stängt läge, i samverkan med den stängda ventilen 94 upprätthålla ett mottryck på gas- turbinen 32 och på så sätt förhindra övervarvning av denna.

Igång-sättning av kraftverket åstadkommas genom att man till en början stänger ventilerna 80, 82, 88, 90 och 98, medan man öppnar ventilerna 51 och 94. Denna inställning av nämnda ventiler avstänger flöde av komprimerad luft till brännkammaren 12 med fluidiserad bädd och öppnar shuntledningen 92, så att utloppsgaser från expansionsanordningen 30 ej inströmmar i turbinen för fri kraftavgivning 56. Med ventilen 51 öppen aktiveras en lämplig startmekanism 100, såsom' en förbränningsmotor, för att driva luftkompressorn 42. All komprimerad luft som avges från luftkompressorn 42 strömmar genom ledningen 50 in i bränn- kammaren 48, i vilken bränsle insprutas och antändes för att bilda förbrännings- hgaser. *Dessa förbränningsgaser ledes via ledningen 52 till ledningen 28 och sedan till expansionsanordningen 30 för att driva denna. En strypventíl 102 eller lik- nande avstängningsanordning i ledningen 28 förhindrar att förbränningsgas strömmar i riktning mot brännkammaren 12 med fluidiserad bädd. Utloppsgaserna från expansionsanordningen 30 ledes till den ång- och kraftalstrande anordningen 61 via ledningen 54, shuntledningen 92 och utloppsledningen 60. En strypventíl 104 förhindrar motrilctat flöde av utloppsgaser i utloppsledningen 60. När expan- sionsanordningen 30 satts i drift, stannas startmekanismen 100, varvid bränn- kammaren 48 hälles i drift så, att gasturbinen upphettas. När gasturbinen 32 stabiliserats driftsmässigt, öppnas ventilen 88 i shuntledningen, 84 för att tillåta, att komprimerad luft strömmar till uppvärmningsanordningen 86, i vilken en del av den komprimerade luften understödjer det brinnande bränslet, varvid bland- ningen av förbränningsgaser och upphettad komprimerad luft strömmar in i bränn- kammaren 12 med fluidiserad bädd via ledningen 38. Efter att den upphettade komprimerade luften och förbränningsgaserna, som införts i brännkammaren 12 med fluidiserad bädd, uppnått tillräcklig volym och tillräckligt tryck för att upp- bära bränslet och det partikelformiga materialet i suspension, matas bränslet och det partikelformiga materialet in i brännkammaren 12 med fluidiserad bädd via ledningarna 14 och 16. Blandningen av heta förbränningsgaser och komprimerad luft tillförsäkrar även den värme och det syre som erfordras för att tända bräns- let i den fluidiserade bädden 34. När temperaturen i den fluidiserade bädden når cirka 750°C *till cirka 800°C, vilket avkännes medelst en temperaturavkännan- de.och signalavgivande anordning 106, öppnas ventilen 82 gradvis för att tillåta att komprimerad luft strömmar via ledningen 40 in i värmeväxlaren 36. Genom gradvis ökning av flödet av komprimerad luft in i och genom värmeväxlaren 36, 7904149-7 förhindras en kraftig tt-mperatursliock på värmeväxlaren, när den relativt kalla konipriinerade luften börjar inströmma genom värmeväxlaren. När den fluidiserade bädden 34 når en temperatur liggande inom området cirka 870°C till cirka 925°C, 'öppnar ventilen 80 så, att mängden komprimerad luft som strömmar genom värme- växlaren 36 regleras för att hålla den fluidiserade bädden 34 inom det önskade temperaturoinrådet cirka 870°C till cirka 925°C genom reglering av flödet genom värmeväxlaren och shuntledningen 78. Ventilerna 80 och 82 samverkar genom att den ena omställes till stängt läge medan den andra omställes till öppet läge, var- igenom luftflödet uppdelas för att upprätthålla den ovannämnda önskade tempe- raturen i den fluidiserade bädden. Dessa ventiler samverkar även för upprätt- hållande av hastigheten hos den fluidiserande luften vid ett visst konstant värde.

Den gas som alstras i brännkammaren 12 med fluidiserad bädd passerar via led- ningarna 22 och 28 in i expansionsanordningen 30 i gasturbinen 32. Utloppsga- serna från expansionsanordningen 30 shuntas vid detta tillfälle förbi turbinen för fri kraftavgivning 56 via shuntledningen 92. Även när den fluidiserade bäd- den 34 uppnår en temperatur inom området cirka 750°C till cirka 800°C med gas- turbinen 32 uppnående synkroniserad tomgångspunkt, stänges ventilen 88, var- vid bränslet till uppvärmningsanordningen 86 avstänges. I huvudsak samtidigt med stängningen av ventilen 88 öppnas ventilen 90 så, att komprimerad luft nu strömmar direkt till brännkammaren 12, i vilken den fluidiserade bädden har upp- nått termodynamisk balans. Härvid är shuntventilen 94 stängd och ventilen 98 öppen för att insläppa utloppsgaserna från expansionsanordningen 30 till turbi- nen för fri kraftavgivning 56 för att därigenomßriva denna. Härvid är även ventilen 51 stängd och bränslet till pannan 48 avstängt så, att expansionsanord- ningen 30 endast drives av en blandning av förbränningsgaser och upphettad komprimerad luft, som avges till expansíonsanordningen via ledningarna 28 och 44. Kraftverket 10 arbetar nu vid fullast på generatorn 58 med Ventílerna 94 och 98 reglerande flödet genom ledningen 54 och shuntledningen 92 för att kom- pensera för fluktuationer i belastningen, varvid de öppnar respektive stänger vid en plötslig och avsevärd belastningsminskning för att förhindra övervarvning av turbinen för fri kraftavgivning 56 och expansionsanordniiigen 30.

Sammanfattningsvis avser föreliggande uppfinning sålunda en regleranord- ning till ett gasturbinkraftverk, vilket uppvisar en brännkammare med fluidiserad bädd, vilken anordning medför förbättrad och förenklad igångsättning, anpass- ning till förändringar i effektbehovet utan att rubba den termodynamiska balan- sen i brännkammaren med fluidiserad bädd, samt skydd av turbinen för fri kraft- avgivning mot övervarvning i händelse av en plötslig och avsevärd reduktion i effektbehovet. Uppfinningen avser en regleranordning, i vilken ventilerna är inrättade att reglera gasflöde, när sådana gaser befinner sig vid relativt låga temperaturer och därför ej behöver vara av något specialutförande. 79@41@9-7 Uppfínníngen är ej begränsad till ovan beskrivna och på ritningen visade utföringsexempel, utan kan varieras inom ramen för efterföljande patentkrav.

Claims (6)

1. PATENTmgfl l. Regleranordning till ett gasturbinkraftverk (10) uppvisande a) en brännkammare (12) med tryckfluidiserad bädd, uppvisande anord- ningar för att i denna mottaga pulvriserat bränsle för förbränning; b) en värmeväxlare (36) inrättad i brännkammaren med fluidiserad bädd och anordnad att reglera reaktionstemperaturen i brännkammaren; c) en luftkompressoranordning (42); d) en första uppsättning ledningar (38, 40) avsedd att ansluta luft- kompressoranordningen till vämeväxlaren och brännkammaren med fluidiserad bädd för att mata en del av den komprimerade luft som avges från luftkompressoranordningen, till värmeväxlaren och en annan del till brännkaznmaren med fluidiserad bädd för att suspen- dera bränslet och understödja förbränningen av bränslet; e) en gasturbin (32) med en expansionsanordning (30), som är inrät- tad att driva luftkompressoranordningen (42) och som uppvisar en bränsleförbränningszon för åstadkommande av utloppsgaser för driv- ning av expansionsanordningenç' f) en andra uppsättning ledningar (22, 28) för ledning av förbrännings- gaser från brännkammaren (12) med fluídiserad bädd i blandning med förbränningsgaser från förbränningszonèn i gasturbinen (32) och sedan in i expansionsanordningen (30) ; g) en turbin för fri kraftavgivning (56), som är inrättad att driva en belastning och att mottaga utloppsgaser från expansionsanordningen (30) för att drivas av dessa, kännetecknad därav, att h) regleranordningen innefattar: h-l) en första ventilanordning (82), inrättad i nämnda första uppsättning ledningar (38, 40) och omställbar mellan öppet och stängt läge för en oberoende reglering av flödet av komprimerad luft in i värmeväx- laren och in i brännkainmaren (12) med fluidiserad bädd, och h-2) en ventilstyrd shuntledning (92) för ledning av avloppsgaser från expansionsanordningen (80) förbi turbinen för fri kraftavgívning (56) under igångsättning, när nämnda första ventilanordning (82) 7904149-7_ 7904149-7 I 'l Ü befinner sig i stängt läge, och för att förhindra övervarvning av turbinen för fri kraftavgivning vid en plötslig avsevärd reduktion i dess' belastning.

2. d Anordning enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att en uppvärmningsanordning (86) är parallellkopplad med nämnda första uppsätt- ning ledningar (38, 40) och att en andra ventilanordning (88, 90) är inrättad att samverka med nämnda första ventilanordning (82) för att genomsläppa kompri- merad luft till uppvärmningsanordningen före inträdet i brännkammaren (12) med fluidiserad bädd 'under igångsättning av gasturbinkraftverket (10).

3. Anordning enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att en tredje uppsättning ledningar (54) är inrättad att leda avloppsgaser från ex- 'pansionsanordningen (30) till turbinen för fri kraftavgivning,-och att en tredje ventilanordning (98) är inrättad i den tredje uppsättningen ledningar för regle- ring av flödet av utloppsgaser in i turbinen för fri kraftavgivning i ett inverte- rat förhållande till den mängd utloppsgaser som tillåtes strömma genom nämnda ventilstyrda shuntledning (92).

4. Anordning enligt patentkrav 3, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att den ventilstyrda shuntledningen (92) innefattar en ventil (94) som är inrättad att arbeta i beroende av turbinens för fri kraftavgivning (56) hastighet så, att vid hastigheter nedanför ett förutbestämt maximivärde förhindras flöde genom den ventilstyrda shuntventilen, och att den tredje ventilanordningen (98) nor- malt är inrättad att medge ett flöde av* utloppsgaser in i turbinen för fri kraft- avgivning vid hastigheter som befinner sig nedanför den förutbestämda maximi- hastigheten .

5. Anordning enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att i anordningen ingår organ för att isolera förbränningszonen i gasturbinen (32) från luftkompressoranordnixigen (42) och expansíonsanordnixigen (30) så, att ex- pansionsanordningen drives endast av förbränningsgaser från brännkammaren (12) med fluidiserad bädd.

6. Anordning enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att gasturbinen (32) uppvisar en uppsättning ledningar (50) för att leda komprime- rad luft från kompressoranordningen (42) till förbränningszonen och en tredje ventilanordning (52) för reglering av flödet av komprimerad luft till-förbränninge- ZOIICD .