WO2015150056A1 - Druckregelvorrichtung für ein gasversorgungssystem einer gasturbinenanlage - Google Patents

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Rainer Bickert
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    • F05D2270/30—Control parameters, e.g. input parameters
    • F05D2270/301—Pressure

Definitions

  • the invention relates to a pressure control device for a gas supply system of a gas turbine plant. Furthermore, the invention relates to a gas supply system for a gas turbine plant, as well as a method for pressure regulation of a gas.
  • a gas turbine is used as part of a gas turbine plant for power generation by the combustion of gaseous fuels, such as natural gas.
  • the gas turbine is operated in this case by means of the fuel and drives ih ⁇ hand, one or more generators.
  • gaseous fuels such as natural gas.
  • the gas turbine is operated in this case by means of the fuel and drives ih ⁇ hand, one or more generators.
  • the inlet pressure of the natural gas is to be considered. Since the sites of fuel gas production are usually far away from the place of consumers, a corresponding Anliefe ⁇ tion is necessary.
  • the fuel gas is first compressed to high transport pressures and the gas pressure is set only at the je ⁇ perige consumption point to the required input pressure value. This inlet pressure is often not constant, but fluctuates.
  • pressure control devices are used in current practice, which are able to keep the pressure of the fuel gas, regardless of the fluctuations in the inlet pressure within predetermined limits in one or more controlled systems.
  • an operating pressure in a range between 36 bar and 40 bar is required.
  • Previous concepts provide this to equip a Druckregelvorrich ⁇ processing gas supply of a gas turbine plant with two pa ⁇ rallel enabled control systems.
  • One of the control systems is designed as a pressure reduction unit, which throttles the pressure of the incoming fuel gas to a preset value.
  • a compressor system which serves to compress the Brennga ⁇ ses and by means of which the pressure of the fuel gas when required, so if an undesirable pressure drop is expected or already recorded, can be increased again.
  • Compressor system no more compressor pressure is present.
  • a pressure control device for a gas supply system of a gas turbine must also be designed so that pressure shocks are avoided ⁇ particular during the switching.
  • the control systems ie in particular the compressor system and the pressure reduction unit, shut-off valves and self-medium-operated control valves are assigned, which interact during the switching phase in ge ⁇ suitable manner.
  • the output side of the compressor system a motor-driven blocking valve ⁇ til be provided, wherein the output-side pressure of the compressor system as a back pressure on the integrated Druckreduzierein- used by its own medium-operated control valves acts.
  • the shut-off valve When switching from the reduction operation to the compressor operation, the shut-off valve is opened, while the crizventi ⁇ le close due to the now increased back pressure. Open vice versa ⁇ the control valves for closing the blocking valve tils the compressor system.
  • the system dynamics is then be ⁇ true by the response times of the shut-off valves and control valves, and can only be optimized by selecting suitable verheg ⁇ cash valves. However, it is not possible to speak of a regulated or constant pressure gradient during the switching phase.
  • the pressure difference needed is calculated mainly consist of the Artificial Parame ⁇ tern of the valves used in the pressure control device.
  • the required pressure setting value of the compressor system is approximately 3 bar to 4 bar above the pressure setting value of the pressure reduction unit.
  • the combustion gas in the compressor system generally compressed to a pressure which is higher than would be necessary for operating a Gasturbi ⁇ nena position.
  • the compressor system is to be designed for egg ⁇ NEN pressure bar is 3 to 4 lent actual bar above the required operating pressure of the gas turbine.
  • a second object of the invention is to provide a gas supply system ⁇ with a corresponding pressure regulating device.
  • a third object of the invention is to provide a method for pressure regulation of a gas, in particular a fuel gas, which makes use of the advantages of the improved pressure control device.
  • a pressure control device for a gas supply system of a gas turbine plant comprising a pressure reducing unit for pressure reduction of a flowing gas, in particular a fuel gas, a parallel peeled ⁇ te to the pressure reducing unit compressor unit for compression of the incoming gas, as well as on the output side of the Pressure reducing unit to ⁇ ordered control valve comprises, via the pressure reduction unit on the output side fluidly separable from the compressor system.
  • the invention is based on the fact that, due to the pressure difference between the setpoint value of the compressor installation and the setting value of the pressure reduction unit, an unnecessarily high compressor capacity is required, which causes unnecessary additional costs and the energy required to operate a pressure regulator undesirably increased.
  • the invention based on the consideration of that the pressure increase so far required for the compressor unit can be omitted, if the reciprocal influencing of the control systems used to regulate the pressure, ie the pressure reducing unit and the compressor unit, currency ⁇ rend the switchover is prevented.
  • the invention recognizes that this is possible by a fluidic separability of the control systems, which can be implemented in a simple and effective manner by integrating a control valve arranged at the outlet side of the pressure reduction unit into the pressure control device. By such a control valve, the pressure can be shut off if required on the output side of the compressor plant ⁇ reduction unit.
  • the pressure on the output side of the pressure reduction unit can be lowered slowly and in a controlled manner and in compressor operation the first control system (pressure reduction unit) can be disconnected from the second control system (compressor unit). This ensures that the compressor system does not have to push away the function of the pressure reduction unit, in particular in the switchover phase, so that the overall compressor pressure can be set lower than before.
  • the drive power of the compressor system is reduced by a value of 3 on the basis of a typical gas turbine system consumption of 16 kg / s at an inlet pressure of approx. 20 bar and a final pressure of 30 to 40 bar when lowering the compressor setting value bar at about 300 kW.
  • a multistage compressor system can thus be dispensed play a compressor stage at ⁇ .
  • the controlled changeover from the reduction mode to the compressor mode and vice versa is by selecting a suitable closing or opening law for actuating the
  • Control valve ie via the pressure gradient in the downstream piping, easily controlled.
  • the control valve is controlled accordingly via an actuator ⁇ .
  • the control valve allows during the switchover adjustability of Druckgra ⁇ served in the downstream pipeline system, ie on the output side of the compressor system and the Druckreduzierein ⁇ ness.
  • the pressure reduction unit and the compressor system lead on the outlet side via a T branch piece into a common manifold, wherein the control valve is arranged between the pressure reduction unit and the T branch piece.
  • the pressure setting value in the compressor system essentially ⁇ chen the pressure set value in the pressure reduction unit.
  • the pressure set value in the compressor system preferably corresponds to the low ⁇ th pressure setting value in the pressure reduction, ie the value specified for the reserve controller.
  • the control valve is designed as a control ball valve. Control ball valves are particularly suitable for ge ⁇ rings pressure differences, as prevr ⁇ rule in the switching phase between the pressure reduction unit and the compressor system. The pressure loss of a control ball valve in the open state is almost zero.
  • the pressure reduction unit preferably comprises two redundant pressure control sections connected in parallel.
  • a pressure controlled systems is before ⁇ Trains t used as a main controller and the other pressure control system as a backup controller.
  • the backup controller is to this is ⁇ to a pressure value is, which is lower than the pressure set the master.
  • the back pressure is in an area where the reserve controller remains closed, for example via self-medium-operated control valves used there. Is that sinking?
  • the reserve controller automatically opens for self-medium-operated control valves.
  • the two controlled systems are staggered with respect to one another, wherein the pressure setting values differ.
  • the second object of the invention is achieved by a gas supply system for a gas turbine plant, comprising a gas supply, a flow with the gas supply ⁇ technically coupled pressure control described above direction, and a fluidically coupled to the pressure control device supply line to the gas turbine plant.
  • the specified gas supply system makes it possible, by the controlled switching between the pressure reduction of a fuel gas in the reduction mode and the compression of a
  • Fuel gas in compressor operation the permanent provision of a fuel gas at a suitable pressure level for Ver ⁇ combustion in a gas turbine plant with a comparatively low cost and energy consumption.
  • the treatment stage comprises a filter unit and / or a preheating unit.
  • the treatment stage is upstream of the pressure control device.
  • the filter unit serves to pre-purify the fuel gas, for example by removing unwanted particles.
  • the pre-heating unit which is the filter inlet ⁇ ness expediently downstream of flow
  • the pre-cleaned fuel gas is preheated in order to avoid condensate ⁇ sation in relaxation and finally processing for setting the desired pressure of the Druckregelvorrich- so fed to the pressure reduction unit and the compressor unit.
  • the fuel gas After passing the pressure control device, the fuel gas is fed to a post-processing stage downstream of the pressure control device.
  • the post-processing stage also comprises, prior ⁇ preferably a filter unit and / or a preheating ⁇ unit.
  • the fuel gas is reprocessed (or post-processed), and this one another Purification and heating, wherein in the case of post-processing, the final cleaning in the filter unit is advantageously carried out after preheating.
  • Zusharm ⁇ Lich can binenstrom influenced and the Wobbe index, so the Ver ⁇ ratio between the calorific value and the square root of the rela tive ⁇ density in the pre-heating efficiency of the gas-turbine can be adjusted.
  • the third object of the invention is inventively achieved by a method for pressure regulation of a gas, in particular a fuel gas of a gas turbine plant, wherein the gas to a pressure reducing unit and / or a switched to this pa ⁇ rallel compressor unit is supplied, wherein the gas in reduced over the Pressure reducing unit ge ⁇ leads, the gas in the compressor operation on the
  • Compressor system is performed, and wherein during a switching phase between ⁇ switching between reduction and compressor operation, the pressure reduction on the output side of the
  • Compressor plant separating control valve is actuated.
  • the control valve is actuated during the switching phase with a corresponding opening or closing law, so that the pressure reducing unit and the compressor system cooperate in a specific and fixed manner in the common collector or are fluidically connected thereto or disconnected from it.
  • the provision of the control valve makes it possible, in particular, to operate the compressor system at a pressure setting value which corresponds to the minimum pressure setting value of the pressure reduction unit, for which purpose the corresponding statements to the pressure control device is referenced.
  • Compressor plant started to increase the pressure back to a predetermined pressure setpoint for the compressor system hen ⁇ hen. Accordingly, when the system start-up pressure is increased, the compressor operation switches back to the reduction mode. During a switchover Zvi ⁇ rule the compressor operation and reduced operation impressive ⁇ influence as already described both control systems in an undesirable manner, which can be avoided by using the control valve.
  • control valve during a switching phase of Reduzier too on the
  • Compressor operation is closed and remains during the
  • control armature is opened during a switching phase of the compressor operation on the Reduzier réelle and remains open during Redu ⁇ ornamental operation.
  • the control valve is preferred currency ⁇ rend actuates the switching phases to maintain a predetermined range of the pressure gradient in the downstream piping system.
  • the pressure increase can be omitted by the compressor system.
  • the pressure of the compressor is anläge set according to a value which corresponds We ⁇ sentlichen the minimum pressure value of the pressure-reduced in the pressure reducing gas.
  • the gas is treated before entering the pressure ⁇ regulating unit in a treatment stage.
  • the conditioning stage includes a filter inlet ⁇ standardized and / or a pre-heating unit.
  • the gas leaving the pressure control device is fed to a post-processing stage.
  • This order ⁇ conveniently summarizes also a filter unit and / or a pre-heating unit.
  • the gas is then advantageously fed via a feed line ⁇ a gas turbine plant.
  • FIG. 1 shows a pressure control device as part of a gas supply system of a gas turbine plant, as well
  • FIG. 2 shows a gas supply system with the Druckregelvorrich- device according to FIG. 1
  • the pressure ⁇ regulating device 1 shows a pressure control device 1 as part of a gas ⁇ supply system 3 for a gas turbine system 5.
  • the pressure ⁇ regulating device 1 comprises a first control system, namely, a pressure reducing unit 7, and a second control system, namely, a compressor unit 9, which are mutually ge ⁇ connected in parallel ,
  • the pressure reduction unit 7 comprises two parallel-connected pressure control lines 13, 15, each holding a preferred egg gen-imediumbetuschippos control valve 16, two valves 17 and two safety stop ⁇ handbetägigbare shut-off valves 19 to ⁇ .
  • the pressure setting value is the first one Pressure control line 13, for example, set to a value of 36 bar and the pressure setting value of the second pressure reducing stage 15 to a value of 35 bar.
  • the first pressure control section 13 operates as a main and the second pressure control section 15 as a reserve controller. In normal operation, the self-medium-actuated control valves 16 of the second control loop 15 will remain closed because of the ⁇ be hired by the first controlled system 13 higher back pressure.
  • the compressor unit 9 comprises a compressor part 20, a self-medium-actuated control valve 16, twoméab ⁇ shut-off valves 17 and two motor-operated shut-off valves 21.
  • the compressor unit 9 is set to a pressure setting value, the pressure set value of the second control path 15 of the pressure reduction unit 7, in the present case 35 bar corresponds.
  • the compressor unit 9 and the pressure reduction unit 7 deliver on the output side into a common collector 22. Via a T branch piece 23, the collector 22 is connected to the gas turbine plant 5.
  • the compressor system 9 is switched on by opening the motor-operated shut-off valves 21.
  • the pressure reduction unit 7 must be taken out of service.
  • a control valve 24 arranged between the pressure reduction unit 7 and the T branch piece 23 is closed in accordance with a predetermined closing law. During compressor operation, this control valve 24 remains closed.
  • FIG. 2 a gas supply system 3 with the pressure control device 1 according to FIG. 1 is shown.
  • a fuel gas through a supply line configured as a gas supply 31, in this case natural gas, a conditioning stage 33 is fed from a pipeline 29th
  • the treatment stage 33 comprises a filter unit 35 and a preheating unit 37.
  • the natural gas is cleaned and finally preheated in the preheating unit 37 downstream of the filter unit 35.
  • the natural gas for adjusting the desired pressure via a further supply line 38 of the pressure control device 1 is supplied.
  • the pressure of the natural gas in the pressure reducing unit 7 is reduced and / or compressed in the compressor unit 9 on the ge ⁇ desired pressure.
  • the natural gas After passing the pressure control device 1, the natural gas is supplied via a supply line 39 to a post-processing stage 41.
  • the natural gas In the follow-up stage 41 the natural gas is again preheated in a preheater 43 and then supplied to a ⁇ from closing cleaning a further filter unit 45th Starting from the filter unit 45, the natural gas is then supplied via a feed line 47 of a gas turbine 49 of the gas turbine plant 5 and can be used there to generate elekt ⁇ cal energy.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Druckregelvorrichtung (1) für ein Gasversorgungssystem (3) einer Gasturbinenanlage (5), umfassend eine Druckreduziereinheit (7) zur Druckreduktion eines einströmenden Gases, insbesondere eines Brenngases, eine zur Druckreduziereinheit (7) parallel geschaltete Kompressoranlage (9) zur Kompression des einströmenden Gases, sowie eine an der Ausgangsseite (22) der Druckreduziereinheit (7) angeordnete Regelarmatur (24), über die die Druckreduziereinheit (7) ausgangsseitig strömungstechnisch von der Kompressoranlage (9) trennbar ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Gasversorgungssystem (3) für eine Gasturbinenanlage (5) mit einer entsprechenden Druckregelvorrichtung (1), sowie ein Verfahren zur Druckregulierung eines Gases, bei dem ein Gasversorgungssystem (3) mit einer entsprechenden Druckregelvorrichtung (1) eingesetzt wird.

Description

Beschreibung
Druckregelvorrichtung für ein Gasversorgungssystem einer Gasturbinenanlage
Die Erfindung betrifft eine Druckregelvorrichtung für ein Gasversorgungssystem einer Gasturbinenanlage. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Gasversorgungssystem für eine Gasturbinenanlage, sowie ein Verfahren zur Druckregulierung ei- nes Gases.
Eine Gasturbine wird als Teil einer Gasturbinenanlage zur Stromerzeugung durch die Verbrennung von gasförmigen Brennstoffen, wie beispielsweise Erdgas genutzt. Die Gasturbine wird hierbei mittels des Brennstoffs betrieben und treibt ih¬ rerseits einen oder mehrere Generatoren an. Bei der Nutzung von Erdgasströmen zum Betrieb einer Gasturbine ist insbesondere der Eingangsdruck des Erdgases zu berücksichtigen. Da die Stätten der Brenngasgewinnung zumeist weit entfernt vom Ort der Verbraucher liegen, ist eine entsprechende Anliefe¬ rung notwendig. Hierzu wird das Brenngas zunächst auf hohe Transportdrücke verdichtet und der Gasdruck erst an der je¬ weiligen Verbrauchsstelle auf den benötigten Eingangsdruckwert eingestellt. Dieser Eingangsdruck ist häufig nicht kon- stant, sondern schwankt.
Um dieser Problematik zu begegnen, werden in der gängigen Praxis Druckregelvorrichtungen eingesetzt, die in der Lage sind, in einer oder in mehreren Regelstrecken den Druck des Brenngases unabhängig von den Schwankungen des Eingangsdrucks innerhalb vorgegebener Grenzen zu halten. Für den Betrieb einer Gasturbine wird beispielsweise ein Betriebsdruck in einem Bereich zwischen 36 bar und 40 bar benötigt. Bisherige Konzepte sehen hierbei vor, eine Druckregelvorrich¬ tung zur Gasversorgung einer Gasturbinenanlage mit zwei pa¬ rallel geschalteten Regelsystemen auszustatten. Eines der Regelsysteme ist als eine Druckreduziereinheit ausgebildet, die den Druck des einströmenden Brenngases auf einen voreingestellten Wert drosselt. Als zweites Regelsystem wird eine Kompressoranlage eingesetzt, die der Kompression des Brennga¬ ses dient und mittels derer der Druck des Brenngases bei Be- darf, wenn also ein unerwünschter Druckabfall erwartbar oder bereits zu verzeichnen ist, wieder erhöht werden kann. Durch eine Kombination beider Regelsysteme ist es so möglich, für alle Gaseingangsbedingungen den notwendigen Betriebsdruck am Eingang der Gasturbine einzustellen.
Während sowohl der reine Reduzierbetrieb einer Druckregelvorrichtung, also der alleinige Betrieb der Druckreduziereinheit bei hohem Vordruck eines einströmenden Brenngases, als auch der reine Kompressorbetrieb, also der alleinige Betrieb der Kompressoranlage bei niedrigem Vordruck des einströmenden Brenngases, verhältnismäßig einfach beherrschbar sind, ge¬ staltet sich die Umschaltphase zwischen den beiden Regelsys¬ temen bislang problematisch. Da die parallel geschalteten Regelsysteme in einen gemeinsamen Sammler arbeiten, beeinflus- sen sie sich während der Umschaltphase, also wenn zwischen dem Reduzierbetrieb und dem Kompressorbetrieb umgeschaltet wird, gegenseitig.
So kann während des Umschaltvorgangs von der Druckreduzier- einheit auf die Kompressoranlage diese nur dann die gewünsch¬ te Verdichtung des Brenngases gewährleisten, wenn sie in der Lage ist, die Druckreduziereinheit „wegzudrücken" bzw. den Reduzierbetrieb zu unterdrücken. Während des Umschaltvorgangs in der Gegenrichtung kann die Druckreduziereinheit erst dann ihren Betrieb wieder aufnehmen, wenn seitens der
Kompressoranlage kein Kompressordruck mehr ansteht.
Eine Gasturbine fordert neben der Einhaltung eines geregelten Vordruckes aber auch eine Begrenzung der Druckgradienten im Vorsystem. Eine Druckregelvorrichtung für ein Gasversorgungssystem einer Gasturbine muss daher auch derart ausgebildet sein, dass insbesondere während des Umschaltvorgangs Druck¬ stöße vermieden sind. In herkömmlichen Druckregelvorrichtungen sind daher den Regelsystemen, also insbesondere der Kompressoranlage und der Druckreduziereinheit, Absperrventile und eigenmediumbetätigte Regelventile zugeordnet, die während der Umschaltphase in ge¬ eigneter Weise zusammenwirken. Beispielsweise kann ausgangs- seitig der Kompressoranlage ein motorbetriebenes Absperrven¬ til vorgesehen sein, wobei der ausgangsseitige Druck der Kompressoranlage als Hinterdruck auf in der Druckreduzierein- heit eingesetzte eigenmediumbetätigte Regelventile wirkt.
Beim Umschalten vom Reduzierbetrieb auf den Kompressorbetrieb wird das Absperrventil geöffnet, während sich die Regelventi¬ le aufgrund des nun erhöhten Hinterdrucks schließen. Umge¬ kehrt öffnen die Regelventile bei Schließen des Absperrven- tils der Kompressoranlage. Die Systemdynamik ist dann be¬ stimmt durch die Ansprechzeiten der Absperrventile und der Regelventile, und kann nur durch Auswahl von geeignet verfüg¬ baren Ventilen optimiert werden. Von einem geregelten oder konstanten Druckgradienten während der Umschaltphase kann je- doch nicht gesprochen werden.
Weiter verbleibt bei einer vorbeschriebenen Druckregelvorrichtung die Notwendigkeit, den Druck-Einstellwert der
Kompressoranlage gegenüber dem Druck-Einstellwert der Druck- reduziereinheit höher zu wählen. Die benötigte Druckdifferenz errechnet sich hierbei im Wesentlichen aus den Geräteparame¬ tern der in der Druckregelvorrichtung eingesetzten Armaturen. Der benötigte Druck-Einstellwert der Kompressoranlage liegt etwa 3 bar bis 4 bar über dem Druck-Einstellwert der Druckre- duziereinheit . Durch diese Drucküberhöhung kann in der Umschaltphase die Reduziereinheit außer Betrieb genommen (die Regelventile schließen) und somit im Vorsystem ein für den Betrieb der Gasturbinenanlage ausreichend stabiler Betriebs¬ druck geeigneter Höhe sichergestellt werden,
Allerdings wird durch die notwendige Druckdifferenz von etwa 3 bar bis 4 bar zwischen dem Einstellwert der Druckreduziereinheit und dem Einstellwert der Kompressoranlage das Brenn- gas in der Kompressoranlage grundsätzlich auf einen Druck verdichtet, der höher ist, als es zum Betrieb einer Gasturbi¬ nenanlage erforderlich wäre. Die Kompressoranlage ist für ei¬ nen Druck auszulegen, der 3 bar bis 4 bar über dem tatsäch- lieh benötigten Betriebsdruck der Gasturbine liegt.
Es ist demnach eine erste Aufgabe der Erfindung, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Druckregelvorrichtung für ein Gasversorgungssystem einer Gasturbinenanlage bereit- zustellen.
Eine zweite Aufgabe der Erfindung ist es, ein Gasversorgungs¬ system mit einer entsprechenden Druckregelvorrichtung bereitzustellen .
Eine dritte Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Druckregulierung eines Gases, insbesondere eines Brenngases, anzugeben, welches sich die Vorteile der verbesserten Druckregelvorrichtung zunutze macht.
Die erste Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Druckregelvorrichtung für ein Gasversorgungssystem einer Gasturbinenanlage, die eine Druckreduziereinheit zur Druckreduktion eines einströmenden Gases, insbesondere eines Brenngases, eine zur Druckreduziereinheit parallel geschalte¬ te Kompressoranlage zur Kompression des einströmenden Gases, sowie eine an der Ausgangsseite der Druckreduziereinheit an¬ geordnete Regelarmatur umfasst, über die die Druckreduziereinheit ausgangsseitig strömungstechnisch von der Kompressoranlage trennbar ist.
In einem ersten Schritt geht die Erfindung von der Tatsache aus, dass aufgrund der während der Umschaltphase benötigten Druckdifferenz zwischen dem Einstellwert der Kompressoranlage und dem Einstellwert der Druckreduziereinheit eine unnötig hohe Kompressorleistung benötigt wird, die unnötige Zusatz- kosten verursacht und den Energiebedarf zum Betrieb einer Druckregelvorrichtung unerwünscht erhöht. In einem zweiten Schritt geht die Erfindung von der Überlegung aus, dass die für die Kompressoranlage bislang benötigte Drucküberhöhung entfallen kann, wenn die gegenseitige Beein- flussung der zur Druckregulierung eingesetzten Regelsysteme, also der Druckreduziereinheit und der Kompressoranlage, wäh¬ rend der Umschaltphase verhindert ist.
In einem dritten Schritt erkennt die Erfindung, dass dies durch eine strömungstechnische Trennbarkeit der Regelsysteme möglich ist, die auf einfache und effektive Weise durch die Integration einer an der Ausgangsseite der Druckreduziereinheit angeordnete Regelarmatur in die Druckregelvorrichtung umsetzbar ist. Durch eine solche Regelarmatur kann die Druck- reduziereinheit bei Bedarf ausgangsseitig von der Kompressor¬ anlage abgesperrt werden.
Während des Umschaltvorgangs vom Reduzierbetrieb auf den Kompressorbetrieb kann der Druck ausgangsseitig der Druckre- duziereinheit langsam und kontrolliert abgesenkt werden und im Kompressorbetrieb das erste Regelsystem (Druckreduziereinheit) vom zweiten Regelsystem (Kompressoranlage) abgetrennt werden. Hierdurch wird erreicht, dass die Kompressoranlage insbesondere in der Umschaltphase die Funktion der Druckredu- ziereinheit nicht wegdrücken muss, so dass der Kompres- sor-idruck insgesamt niedriger eingestellt werden kann als bisher .
Durch den benötigten geringeren Ausgangsdruck der Kompres- sor-ianlage ist eine geringere Kompressorleistung erforder¬ lich, wodurch die Betriebskosten der Kompressoranlage verringert werden können. Überschlägigen Berechnungen zufolge reduziert sich die Antriebsleistung der Kompressoranlage unter Zugrundelegung eines typischen Verbrauchs der Gasturbinenan- läge von 16kg/s bei einem Eingangsdruck von ca. 20 bar und einem Enddruck von 30 bis 40 bar bei einer Absenkung des Kompressor-Einstellwertes um einen Wert von 3 bar um etwa 300 kW. Bei einer mehrstufigen Kompressoranlage kann so bei¬ spielsweise eine Kompressorstufe entfallen.
Weiterhin werden keine speziellen rückflusssicheren, hin- ter-idruckfesten Regelarmaturen mehr benötigt, die bislang als Regelarmaturen in der Kompressoranlage und der Druckreduziereinheit eingesetzt wurden. Da die Druckreduziereinheit durch die ausgangsseitige Anordnung der Regelarmatur im Betrieb der Kompressoranlage vollständig vom restlichen System abgetrennt werden kann, kann nunmehr auf kostengünstigere und einfacher zu handhabende Regelarmaturen zurückgegriffen werden.
Die kontrollierte Umschaltung vom Reduzierbetrieb auf den Kompressorbetrieb und umgekehrt ist durch Auswahl eines ge- eigneten Schließ- bzw. Öffnungsgesetzes zur Betätigung der
Regelarmatur, d.h. über den Druckgradienten im nachgeschalteten Rohrleitungssystem, auf einfache Weise regelbar. Die Regelarmatur wird dazu über einen Stellantrieb entsprechend an¬ gesteuert. Mit anderen Worten ermöglicht die Regelarmatur während der Umschaltphase eine Einstellbarkeit des Druckgra¬ dienten im nachgeschalteten Rohrleitungssystem, also auf der Ausgangsseite der Kompressoranlage und der Druckreduzierein¬ heit. In einer bevorzugten Weiterbildung der Druckregelvorrichtung führen die Druckreduziereinheit und die Kompressoranlage aus- gangsseitig über ein T-Abzweigstück in eine gemeinsame Sammelleitung, wobei die Regelarmatur zwischen der Druckreduziereinheit und dem T-Abzweigstück angeordnet ist. An dieser Stelle kann während einer Umschaltphase die Trennung der
Druckreduziereinheit von der Kompressoranlage unter Einhal¬ tung der vorgegebenen Druckgradienten technisch vergleichsweise einfach und beherrschbar erzielt werden In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung entspricht der Druck-Einstellwert in der Kompressoranlage im Wesentli¬ chen dem Druck-Einstellwert in der Druckreduziereinheit. Ist die Druckreduziereinheit mit einer Hauptregelstrecke und ei- ner Reserveregelstrecke ausgebildet, so entspricht der Druck- Einstellwert in der Kompressoranlage bevorzugt dem niedrigs¬ ten Druck-Einstellwert in der Druckreduziereinheit, also dem für den Reserveregler vorgegebenen Wert. Mit anderen Worten liegt der Enddruck der Kompressoranlage auf dem Druckniveau der Druckreduziereinheit, die bislang notwendige Einstellung einer Druckdifferenz zwischen beiden Regelsystemen kann durch die integrierte Regelarmatur entfallen. Zweckmäßigerweise ist die Regelarmatur als ein Regelkugelhahn ausgebildet. Regelkugelhähne sind besonders geeignet für ge¬ ringe Druckdifferenzen, wie sie in der Umschaltphase zwischen der Druckreduziereinheit und der Kompressoranlage vorherr¬ schen. Der Druckverlust eines Regelkugelhahns im geöffneten Zustand ist nahezu null.
Vorzugsweise umfasst die Druckreduziereinheit zwei parallel geschaltete redundante Druckregelstrecken. Dabei ist bevor¬ zugt eine der Druckregelstrecken als ein Hauptregler und die andere Druckregelstrecke als ein Reserveregler eingesetzt. Der Reserveregler wird hierzu auf einen Druckwert einge¬ stellt, der niedriger ist als der Druck-Einstellwert des Hauptreglers. Solange der Hauptregler ordnungsgemäß arbeitet und keine sonstige Störung in der Hauptstrecke auftritt, liegt der Hinterdruck in einem Bereich, bei dem der Reserveregler, beispielsweise über dort eingesetzte eigenmedium- betätigte Regelventile, geschlossen bleibt. Sinkt der
Hinterdruck, so öffnet sich der Reserveregler bei eigen- mediumbetätigte Regelventilen selbsttätig. Mit anderen Worten sind die beiden Regelstrecken in einer bevorzugten Ausgestaltung gestaffelt zueinander eingestellt, wobei sich die Druck- Einstellwerte unterscheiden.
Die zweite Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Gasversorgungssystem für eine Gasturbinenanlage, umfassend eine Gaszufuhr, eine mit der Gaszufuhr strömungs¬ technisch gekoppelte vorstehend beschriebene Druckregelvor- richtung, und eine mit der Druckregelvorrichtung strömungstechnisch gekoppelte Zuführleitung zur Gasturbinenanlage.
Das angegebene Gasversorgungssystem ermöglicht durch die kon- trollierte Umschaltung zwischen der Druckreduzierung eines Brenngases im Reduzierbetrieb und der Verdichtung eines
Brenngases im Kompressorbetrieb die dauerhafte Bereitstellung eines Brenngases auf einem geeigneten Druckniveau zur Ver¬ brennung in einer Gasturbinenanlage mit einem vergleichsweise geringen Kosten- und Energieaufwand.
Bevorzugt ist in die Gaszufuhr eine Aufbereitungsstufe und in die Zuführleitung zur Gasturbinenanlage eine Nachbereitungs¬ stufe geschaltet. Die Aufbereitungs- bzw. Nachbereitungsstufe dient dazu, das Brenngas beispielsweise hinsichtlich seiner Temperatur oder hinsichtlich des Gehalts an Fremdpartikeln für die Druckregelvorrichtung und für die Gasturbinenanlage entsprechend aufzubereiten. In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Aufbereitungsstufe eine Filtereinheit und/oder eine Vorwärmeinheit. Die Aufbereitungsstufe ist der Druckregelvorrichtung vorgeschaltet. Die Filtereinheit dient hierbei der Vorreinigung des Brenngases, beispielsweise durch die Entfernung uner- wünschter Partikel. In der Vorwärmeinheit, die der Filterein¬ heit zweckmäßigerweise strömungstechnisch nachgeschaltet ist, wird das vorgereinigte Brenngas zwecks Vermeidung von Konden¬ sation bei der Entspannung vorgewärmt und schließlich zur Einstellung des gewünschten Druckes der Druckregelvorrich- tung, also der Druckreduziereinheit und der Kompressoranlage zugeführt .
Nach dem Passieren der Druckregelvorrichtung wird das Brenngas einer der Druckregelvorrichtung nachgeschalteten Nachbe- reitungsstufe zugeführt. Die Nachbereitungsstufe umfasst vor¬ zugsweise ebenfalls eine Filtereinheit und/oder eine Vorwärm¬ einheit. Nach der Druckregulierung wird das Brenngas erneut aufbereitet (bzw. nachbereitet), und hierzu einer weiteren Reinigung und einer Erwärmung unterzogen, wobei im Falle der Nachbereitung die abschließende Reinigung in der Filtereinheit zweckmäßigerweise nach der Vorwärmung erfolgt. Zusätz¬ lich kann in der Vorwärmeinheit der Wirkungsgrad der Gastur- binenanlage beeinflusst und der Wobbe-Index, also das Ver¬ hältnis zwischen dem Heizwert und der Quadratwurzel der rela¬ tiven Dichte, eingestellt werden.
Die weiteren für die Druckregelvorrichtung und deren vorteil- hafte Weiterbildungen genannten Vorteile können sinngemäß auf das Gasversorgungssystem übertragen werden.
Die dritte Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Druckregulierung eines Gases, insbe- sondere eines Brenngases einer Gasturbinenanlage, wobei das Gas einer Druckreduziereinheit und/oder einer zu dieser pa¬ rallel geschalteten Kompressoranlage zugeführt wird, wobei das Gas im Reduzierbetrieb über die Druckreduziereinheit ge¬ führt wird, wobei das Gas im Kompressorbetrieb über die
Kompressoranlage geführt wird, und wobei während einer Um¬ schaltphase zwischen Reduzierbetrieb und Kompressorbetrieb eine die Druckreduziereinheit ausgangsseitig von der
Kompressoranlage trennende Regelarmatur betätigt wird. Mittels eines solchen Verfahrens kann gewährleistet werden, dass während eines Umschaltvorgangs zwischen dem Reduzierbe¬ trieb und dem Kompressorbetrieb die vorgegebenen Grenzwerte für Druckwerte und für Druckgradienten eingehalten werden. Die Regelarmatur wird hierzu während der Umschaltphase mit einem entsprechenden Öffnungs- bzw. Schließgesetz betätigt, so dass die Druckreduziereinheit und die Kompressoranlage in bestimmter und festgelegter Weise im gemeinsamen Sammler zusammenwirken bzw. strömungstechnisch diesem zugeschaltet oder von diesem getrennt werden. Das Vorsehen der Regelarmatur er- möglicht es insbesondere, die Kompressoranlage auf einem Druck-Einstellwert zu betreiben, der dem minimalen Druck- Einstellwert der Druckreduziereinheit entspricht, wozu auf die entsprechenden Ausführungen zur Druckregelvorrichtung verwiesen wird.
Bei der Zufuhr von Brenngas in eine vorbeschriebene Druckre- gelvorrichtung strömt dieses durch eine Druckreduziereinheit und/oder durch eine hierzu parallel geschaltete Kompressor¬ anlage. Innerhalb der Druckreduziereinheit wird das einströ¬ mende Brenngas auf einen voreingestellten Druckwert redu¬ ziert. Im Falle einer unerwünschten Verringerung des Anlagen- Eingangsdruckes unterhalb des vorgegebenen Wertes wird die
Kompressoranlage gestartet, um den Druck wieder auf einen für die Kompressoranlage vorgegebenen Druck-Einstellwert zu erhö¬ hen. Entsprechend wird bei einer Erhöhung des Anlagen- Ein-igangsdruckes vom Kompressorbetrieb wieder auf den Redu- zierbetrieb umgeschaltet. Während einer Umschaltphase zwi¬ schen dem Kompressorbetrieb und dem Reduzierbetrieb beein¬ flussen sich wie bereits beschrieben beide Regelsysteme in unerwünschter Art und Weise, was durch den Einsatz der Regelarmatur vermieden werden kann.
In einer vorteilhaften Weiterbildung wird die Regelarmatur während einer Umschaltphase vom Reduzierbetrieb auf den
Kompressorbetrieb geschlossen und bleibt während des
Kompressorbetriebs geschlossen. Weiter bevorzugt wird die Re- gelarmatur während einer Umschaltphase vom Kompressorbetrieb auf den Reduzierbetrieb geöffnet und bleibt während des Redu¬ zierbetriebs geöffnet. Bevorzugt wird die Regelarmatur wäh¬ rend der Umschaltphasen zur Einhaltung eines vorgegebenen Bereiches des Druckgradienten im nachgeschalteten Rohrleitungs- System betätigt.
Infolge der Betätigung der Regelarmatur während einer Umschaltphase kann die Drucküberhöhung durch die Kompressoranlage entfallen. Vorzugsweise wird der Druck der Kompressor- anläge entsprechend auf einen Wert eingestellt, der im We¬ sentlichen dem minimalen Druckwert des in der Druckreduziereinheit druckreduzierten Gases entspricht. Zweckmäßigerweise wird das Gas vor dem Eintritt in die Druck¬ regulierungseinheit in einer Aufbereitungsstufe aufbereitet. Vorzugsweise umfasst die Aufbereitungsstufe eine Filterein¬ heit und/oder eine Vorwärmeinheit.
Weiter bevorzugt wird das aus der Druckregelvorrichtung austretende Gas einer Nachbereitungsstufe zugeführt. Diese um¬ fasst zweckmäßigerweise ebenfalls eine Filtereinheit und/oder eine Vorwärmeinheit. Nach dem Passieren der Nachbereitungs- stufe wird das Gas dann zweckmäßigerweise über eine Zuführ¬ leitung einer Gasturbinenanlage zugeführt.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigen:
FIG 1 eine Druckregelvorrichtung als Teil eines Gasversorgungssystems einer Gasturbinenanlage, sowie
FIG 2 ein Gasversorgungssystem mit der Druckregelvorrich- tung gemäß FIG 1.
FIG 1 zeigt eine Druckregelvorrichtung 1 als Teil eines Gas¬ versorgungssystems 3 für eine Gasturbinenanlage 5. Die Druck¬ regelvorrichtung 1 umfasst ein erstes Regelsystem, nämlich eine Druckreduziereinheit 7, und ein zweites Regelsystem, nämlich eine Kompressoranlage 9, die zueinander parallel ge¬ schaltet sind.
Zur Einstellung des Drucks des Brenngases wird dieses nach einer entsprechenden Aufbereitung, die anschließend mit Bezug auf FIG 2 näher erläutert wird, der Druckreduziereinheit 7 zugeführt .
Die Druckreduziereinheit 7 umfasst zwei parallel geschaltete Druckregelstrecken 13, 15, die jeweils ein bevorzugt ei- gen-imediumbetätigtes Regelventil 16, zwei Sicherheitsabsperr¬ ventile 17 und zwei handbetägigbare Absperrarmaturen 19 um¬ fassen. Vorliegend ist der Druck-Einstellwert der ersten Druckregelstrecke 13 beispielsweise auf einen Wert von 36 bar und der Druck-Einstellwert der zweiten Druckreduzierstufe 15 auf einen Wert von 35 bar eingestellt. Entsprechend arbeitet die erste Druckregelstrecke 13 als Haupt- und die zweite Druckregelstrecke 15 als Reserveregler. Im Normalbetrieb bleiben die eigenmediumbetätigten Regelventile 16 der zweiten Regelstrecke 15 wegen des durch die erste Regelstrecke 13 be¬ dingten höheren Hinterdruckes geschlossen. Die Kompressoranlage 9 umfasst einen Kompressorteil 20, ein eigenmediumbetätigtes Regelventil 16, zwei Sicherheitsab¬ sperrventile 17 sowie zwei motorbetätigte Absperrarmaturen 21. Die Kompressoranlage 9 ist auf einen Druck-Einstellwert eingestellt, der dem Druck-Einstellwert der zweiten Regel- strecke 15 der Druckreduziereinheit 7, vorliegend also 35 bar, entspricht.
Die Kompressoranlage 9 und die Druckreduziereinheit 7 liefern ausgangsseitig in einen gemeinsamen Sammler 22. Über ein T- Abzweigstück 23 ist der Sammler 22 an die Gasturbinenanlage 5 angeschlossen .
Fällt der Anlagen-Eingangsdruck unter einen Grenzdruck, unterhalb dessen ein Reduzierbetrieb nicht mehr möglich ist, so wird die Kompressoranlage 9 durch Öffnen der motorbetriebenen Absperrarmaturen 21 zugeschaltet. Die Druckreduziereinheit 7 muss außer Betrieb genommen werden. Um in dieser Umschaltphase ausgangsseitig einen definierten Druckwert ohne Druckstöße zu erreichen, wird ein zwischen der Druckreduziereinheit 7 und dem T-Abzweigstück 23 angeordnete Regelarmatur 24 nach einem vorgegebenen Schließgesetz geschlossen. Während des Kompressorbetriebs bleibt diese Regelarmatur 24 geschlossen.
Umgekehrt wird in einer Umschaltphase vom Kompressorbetrieb auf den Druckreduzierbetrieb die Regelarmatur 24 nach einem vorgegebenen Öffnungsgesetz geöffnet, während die motorbe¬ triebenen Absperrventile 21 geschlossen werden, und bleibt während des Druckreduzierbetriebs geöffnet. In FIG 2 ist ein Gasversorgungssystem 3 mit der Druckregelvorrichtung 1 gemäß FIG 1 gezeigt. Zum Betrieb der Gasturbi¬ nenanlage 5 wird ausgehend von einer Pipeline 29 über eine als Zuführleitung ausgebildete Gaszufuhr 31 ein Brenngas, vorliegend Erdgas, einer Aufbereitungsstufe 33 zugeführt. Die Aufbereitungsstufe 33 umfasst eine Filtereinheit 35 und einer Vorwärmeinheit 37. In der Filtereinheit 35 wird das Erdgas gereinigt und in der der Filtereinheit 35 nachgeschalteten Vorwärmeinheit 37 schließlich vorgewärmt.
Anschließend wird das Erdgas zur Einstellung des gewünschten Druckes über eine weitere Zuführleitung 38 der Druckregelvorrichtung 1 zugeführt. Hier wird, wie in FIG 1 ausführlich be- schrieben, der Druck des Erdgases in der Druckreduziereinheit 7 reduziert und/oder in der Kompressoranlage 9 auf den ge¬ wünschten Druck verdichtet.
Nach dem Passieren der Druckregelvorrichtung 1 wird das Erd- gas über eine Zuführleitung 39 einer Nachbereitungsstufe 41 zugeführt. In der Nachbereitungsstufe 41 wird das Erdgas in einem Vorwärmer 43 erneut vorgewärmt und dann zu einer ab¬ schließenden Reinigung einer weiteren Filtereinheit 45 zugeführt. Ausgehend von der Filtereinheit 45 wird das Erdgas dann über eine Zuführleitung 47 einer Gasturbine 49 der Gasturbinenanlage 5 zugeführt und kann dort zur Erzeugung elekt¬ rischer Energie genutzt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Druckregelvorrichtung (1) für ein Gasversorgungssystem (3) einer Gasturbinenanlage (5) , umfassend eine Druckredu- ziereinheit (7) zur Druckreduktion eines einströmenden Gases, insbesondere eines Brenngases, eine zur Druckreduziereinheit (7) parallel geschaltete Kompressoranlage (9) zur Kompression des einströmenden Gases, sowie eine an der Ausgangsseite (22) der Druckreduziereinheit (7) angeordnete Regelarmatur (24), über die die Druckreduziereinheit (7) ausgangsseitig strö¬ mungstechnisch von der Kompressoranlage (9) trennbar ist.
2. Druckregelvorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die Druckreduziereinheit (7) und die Kompressoranlage (9) aus- gangsseitig über ein T-Abzweigstück (23) in eine gemeinsame Sammelleitung (22) führen, und wobei die Regelarmatur (24) zwischen der Druckreduziereinheit (7) und dem T-Abzweigstück (23) angeordnet ist.
3. Druckregelvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Druck-Einstellwert in der Kompressoranlage (9) im Wesent¬ lichen dem Druck-Einstellwert in der Druckreduziereinheit (7) entspricht .
4. Druckregelvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Druckreduziereinheit (7) zwei parallel geschaltete Druckregelstrecken (13, 15) umfasst.
5. Druckregelvorrichtung (1) nach Anspruch 3, wobei die Druckregelstrecken (13, 15) der Druckreduziereinheit (7) je¬ weils auf voneinander verschiedene Druckwerte eingestellt sind .
6. Gasversorgungssystem (3) für eine Gasturbinenanlage (5), umfassend eine Gaszufuhr (31), eine mit der Gaszufuhr (31) strömungstechnisch gekoppelte Druckregelvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, und eine mit der Druckregelvor- richtung (1) strömungstechnisch gekoppelte Zuführleitung (47) zur Gasturbinenanlage (5) .
7. Gasversorgungssystem (3) nach Anspruch 6, wobei in die Gaszufuhr (31) eine Aufbereitungsstufe (33) und in die Zu¬ führleitung (47) zur Gasturbinenanlage (5) eine Nachberei¬ tungsstufe (41) geschaltet ist.
8. Gasversorgungssystem (3) nach Anspruch 7, wobei die Auf- bereitungsstufe (33) eine Filtereinheit (35) und/oder eine
Vorwärmeinheit (37) umfasst.
9. Gasversorgungssystem (3) nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Nachbereitungsstufe (41) eine Filtereinheit (45) und/oder eine Vorwärmeinheit (43) umfasst.
10. Verfahren zur Druckregulierung eines Gases, insbesondere eines Brenngases einer Gasturbinenanlage (5) ,
wobei das Gas einer Druckreduziereinheit (3) und/oder einer zu dieser parallel geschalteten Kompressoranlage (9) zugeführt wird,
wobei das Gas in einem Reduzierbetrieb über die Druckre¬ duziereinheit (3) geführt wird,
wobei das Gas in einem Kompressorbetrieb über die
Kompressoranlage (9) geführt wird, und
wobei während einer Umschaltphase zwischen Redu¬ zierbetrieb und Kompressorbetrieb eine die Druckreduzierein¬ heit (3) ausgangsseitig von der Kompressoranlage (9) trennen¬ de Regelarmatur (24) betätigt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10,
wobei die Regelarmatur (24) während einer Umschaltphase vom Reduzierbetrieb auf den Kompressorbetrieb geschlossen wird und während des Kompressorbetriebs geschlossen bleibt, und/oder wobei die Regelarmatur (24) während einer Umschaltphase vom Kompressorbetrieb auf den Reduzierbetrieb geöffnet wird und während des Reduzierbetriebs geöffnet bleibt.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei der Druck- Einstellwert innerhalb der Kompressoranlage (9) auf einen Wert eingestellt wird, der im Wesentlichen dem Druck- Einstellwert des in der Druckreduziereinheit (7) druckredu¬ zierten Gases entspricht.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei das Gas vor dem Eintritt in die Druckregelvorrichtung (1) in einer Aufbereitungsstufe (33) aufbereitet wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei das aus der Druckregelvorrichtung (1) austretende Gas einer Nachbereitungsstufe (45) zugeführt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei das aus der Nachbereitungsstufe (45) austretende Gas über eine Zuführleitung (47) einer Gasturbinenanlage (5) zugeführt wird .
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