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Title:
METHOD FOR OPERATING A GAS TURBINE SYSTEM
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/001947
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for operating a gas turbine system (1) comprising a gas turbine (2) with a condenser (7) and an expansion turbine (9), a generator (4) which is driven by the gas turbine (2) for generating a current with a specified target frequency (fo), and a controller (5). Air (L) is supplied from the condenser (7) to the expansion turbine (9) as cooling air (K) via cooling air lines (14) in order to cool turbine components. An actual frequency (f(t)) of the current is monitored over time, and in the event of a deviation of the actual frequency (f(t)) from the target frequency (fo), the controller (5) generate a control signal (16), by means of which the supply of cooling air (K) to one or more of the turbine components is reduced. Thus, the degree of efficiency of the gas turbine (2) is increased in that power losses resulting from fluctuations of the generated network frequency are counteracted.

Inventors:
AHMAD, Fathi (Moselstr. 1, Kaarst, 41564, DE)
BUCHAL, Tobias (Blaumeisenweg 4, Düsseldorf, 40489, DE)
Application Number:
EP2018/065486
Publication Date:
January 03, 2019
Filing Date:
June 12, 2018
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Werner-von-Siemens-Straße 1, München, 80333, DE)
International Classes:
F02C6/08; F01D15/10; F02C7/18; F02C9/18
Domestic Patent References:
WO2015178897A12015-11-26
Foreign References:
EP2594749A22013-05-22
EP2562369A12013-02-27
EP1174606A22002-01-23
DE102008029941A12009-05-07
EP1507078A12005-02-16
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Claims:
Patentansprüche

1. Verfahren zum Betrieb einer Gasturbinenanlage (1) umfassend eine Gasturbine (2) mit einem Verdichter (7) und einer Entspannungsturbine (9), einen von der Gasturbine (2) angetriebenen Generator (4) zum Erzeugen eines Stroms mit einer vorgegebenen Soll-Frequenz (f0) sowie eine Steuervorrichtung (5) , wobei Luft (L) aus dem Verdichter über Kühlluftleitungen (14) der Entspannungsturbine (9) als Kühlluft (K) zum Kühlen von Turbinenkomponenten zugeführt wird,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass

eine Ist-Frequenz (f(t)) des Stroms von der Steuervorrichtung (5) über die Zeit überwacht wird und bei einer Abweichung der Ist-Frequenz (f(t)) von der Soll-Frequenz (f0) die Steuervor- richtung (5) ein Stellsignal (16) generiert, durch welches die Zufuhr von Kühlluft (K) zu einer oder mehreren der Turbinenkomponenten reduziert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass

die Zufuhr von Kühlluft (K) zu einer zweiten Stufe von Leitschaufeln und/oder einer dritten Stufe von Leitschaufeln der Entspannungsturbine (9) reduziert wird. 3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass

die Zufuhr von Kühlluft (K) um 50%, insbesondere um 30%, insbesondere im Bereich von 10-15% reduziert wird. 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass

die Kühlluftleitungen (14) Ventile (15) aufweisen und bei einer Unterschreitung der Soll-Frequenz (f0) die Ventile (15) über das Stellsignal (16) zumindest teilweise geschlossen werden.

5. Gasturbinenanlage (1) umfassend eine Gasturbine (2) mit einem Verdichter (7) und einer Entspannungsturbine (9), einen von der Gasturbine (2) angetriebenen Generator (4) zum Erzeugen eines Stroms mit einer vorgegebenen Soll-Frequenz (f0) sowie eine Steuervorrichtung (15) , wobei Luft (L) aus dem Verdichter (7) über Kühlluftleitungen (14) in die Entspan- nungsturbine (9) als Kühlluft (K) zum Kühlen von Turbinenkomponenten zuführbar ist,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass

die Steuervorrichtung (5) mit der Soll-Frequenz (f0) und einer Ist-Frequenz (f(t)) als Eingangssignale bespeisbar ist, und dass beim Erfassen einer Abweichung der Ist-Frequenz

(f(t)) von der Soll-Frequenz (f0) die Steuervorrichtung (5) dafür eingerichtet ist, ein Stellsignal (16) zu generieren, welches die Zufuhr von Kühlluft (K) zu einer oder mehreren der Turbinenkomponenten reduziert.

6. Gasturbinenanlage (1) nach Anspruch 5,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass

die Steuervorrichtung (5) dafür eingerichtet ist, die Zufuhr von Kühlluft (K) zu einer zweiten Stufe von Leitschaufeln und/oder einer dritten Stufe von Leitschaufeln der Entspannungsturbine (9) zu reduzieren.

7. Gasturbinenanlage (1) nach Anspruch 5 oder 6,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass

die Steuervorrichtung (5) dafür eingerichtet ist, die Zufuhr von Kühlluft (K) um 50%, insbesondere um 30%, insbesondere im Bereich 10-15% zu reduzieren.

8. Gasturbinenanlage (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass

die Kühlluftleitungen (14) Ventile (15) aufweisen und die Steuervorrichtung (5) dafür eingerichtet ist, bei einer Unterschreitung der Soll-Frequenz (f0) , die Ventile (15) über das Stellsignal (16) zumindest teilweise zu schließen.

Description:
Beschreibung

Verfahren zum Betrieb einer Gasturbinenanlage Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Gasturbinenanlage umfassend eine Gasturbine mit einem Verdichter und einer Entspannungsturbine, einen von der Gasturbine angetriebenen Generator zum Erzeugen eines Stroms mit einer vorgegebenen Soll-Frequenz sowie eine Steuervorrichtung, wobei Luft aus dem Verdichter über Kühlluftleitungen der Entspannungsturbine als Kühlluft zum Kühlen von Turbinenkomponenten zugeführt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Gasturbinenanlage umfassend eine Gasturbine mit einem Verdichter und einer Entspannungsturbine, einen von der Gasturbine ange- triebenen Generator zum Erzeugen eines Stroms mit einer vorgegebenen Soll-Frequenz sowie eine Steuervorrichtung, wobei Luft aus dem Verdichter über Kühlluftleitungen in die Entspannungsturbine als Kühlluft zum Kühlen von Turbinenkomponenten zuführbar ist.

Es sind Verfahren zum Betrieb einer Gasturbinenanlage mit einer Gasturbine und einem elektrischen Generator bekannt. Dabei ist die Gasturbine mit dem Generator über eine gemeinsame Rotorwelle gekoppelt. Zur Umwandlung fossiler Energie in elektrische Energie wird in der Gasturbine ein Brennstoff zu einem heißen Gas verbrannt und in Rotationsenergie im Rotor umgewandelt. Dabei treibt die Gasturbine den Generator über die Rotorwelle an, der dann elektrischen Strom mit einer festen Frequenz erzeugt .

Bei Gasturbinenkraftwerken kommt es immer wieder, besonders bei kleinen Elektrizitätsversorgungsnetzen (Inselnetzen) , zu Abweichungen von der Sollnetzfrequenz (50 oder 60Hz) . Jedoch ist als eine Anschlussbedingung für ein Kraftwerk an das Netz ein Frequenzbereich um die Sollnetzfrequenz z.B. von -6% bis +4% vorgeschrieben. Innerhalb dieses Frequenzbereichs muss der Betrieb des Kraftwerkes gewährleistet werden. Aufgrund einer zu großen elektrischen Last am Generator und bei gleichzeitiger Auslastung der Gasturbine kann die Frequenz des erzeugten Stroms sich jedoch ändern. Abweichungen von der Sollnetzfrequenz, insbesondere wenn die aktuelle Netzfrequenz unterhalb der Sollnetzfrequenz liegt, führen zu Leistungsverlusten, da die erreichte Drehzahl des Generators niedriger ist als die Solldrehzahl. Die Dauer der Frequenzabweichungen kann 5 Minuten betragen, kann jedoch unter Umständen auch deutlich länger sein (z.B. 30 min), so dass die Ge- samtleistung des Kraftwerks bzw. der Gasturbinenanlage negativ beeinflusst wird. Um diese Frequenzänderung zu kompensieren - was allgemein als Frequenzstützung bezeichnet wird -, muss die Gasturbine mehr Leistung abgeben. Dies wird erreicht beispielsweise indem die Brennstoffzufuhr der Gasturbine er- höht wird, wodurch dann dem Generator mehr Energie zur Verfügung steht. Jedoch entsteht durch die Erhöhung der Brennstoffzufuhr ein heißeres Gas, welches zu einer Überfeuerung der Gasturbine führen kann. Dabei können die dem Gas ausgesetzten Turbinenkomponenten durch die höhere Gastemperatur Schaden nehmen.

Alternativ kann durch die Eindüsung von großen Wassermengen eine Nassverdichtung (wet compression) der Verdichteransaugluft vorgesehen sein. Ein solches Verfahren ist beispielswei - se in der EP 1 507 078 AI beschrieben. Das Verfahren sieht vor, dass für die Zeitdauer der Abweichung der Frequenz von der Sollfrequenz die Eindüsung von Wasser in einen vom Verdichter angesaugten Luftstrom erfolgt. Dadurch wird der Volumenmassenstrom erhöht, so dass dieser bei der Verbrennung ein höheres Energieniveau aufweist, welches dann in der Turbine mittels des Rotors an den Generator weitergegeben werden kann. Der Abweichung der Frequenz, die durch eine Überlastung der Gasturbinenanlage hervorgerufen wird, kann somit schneller entgegengewirkt werden.

Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zum Entgegenwirken einer Abweichung der Frequenz von der Sollfre- quenz ist jedoch nachteilig, dass sie einen erhöhten Lebensdauerverbrauch der Gasturbinenkomponenten nach sich ziehen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbes- sertes Verfahren zum Betrieb einer Gasturbinenanlage vorzuschlagen, welches sich insbesondere durch einen geringeren Lebensdauerverbrauch der Turbinenkomponenten auszeichnet.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Gasturbinenanlage umfassend eine Gasturbine mit einem Verdichter und einer Entspannungsturbine, einen von der Gasturbine angetriebenen Generator zum Erzeugen eines Stroms mit einer vorgegeben Soll-Frequenz sowie eine Steuervorrichtung, wobei Luft aus dem Verdichter über Kühlluftlei- tungen der Entspannungsturbine als Kühlluft zum Kühlen von Turbinenkomponenten zugeführt wird, wobei eine Ist-Frequenz des Stroms von der Steuervorrichtung über die Zeit überwacht wird und bei einer Abweichung der Ist-Frequenz von der Soll- Frequenz die Steuervorrichtung ein Stellsignal generiert, durch welches die Zufuhr von Kühlluft zu einer oder mehreren der Turbinenkomponenten reduziert wird.

Die Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß gelöst durch eine Gasturbinenanlage umfassend eine Gasturbine mit einem Ver- dichter und einer Entspannungsturbine, einen von der Gasturbine angetriebenen Generator zum Erzeugen eines Stroms mit einer vorgegebenen Soll-Frequenz sowie eine Steuervorrichtung, wobei Luft aus dem Verdichter über Kühlluftleitungen in die Entspannungsturbine als Kühlluft zum Kühlen von Turbinen- komponenten zuführbar ist, wobei die Steuervorrichtung mit der Soll-Frequenz und einer Ist-Frequenz als Eingangssignale bespeisbar ist, und dass beim Erfassen einer Abweichung der Ist-Frequenz von der Soll-Frequenz die Steuervorrichtung dafür eingerichtet ist, ein Stellsignal zu generieren, welches die Zufuhr von Kühlluft zu einer oder mehreren der Turbinenkomponenten reduziert. Die in Bezug auf das Verfahren nachstehend angeführten Vorteile und vorteilhaften Ausführungen lassen sich sinngemäß auf die Gasturbinenanlage übertragen. Bei Gasturbinenanlagen werden innerhalb des Verdichters oder am Verdichteraustritt Teilströme entnommen und einem sogenannten Sekundärluftsystem zugeführt, der zur Kühlung der Turbinenbeschaufelung eingesetzt wird. Ein solches System ist z.B. in der WO 2015/178897 beschrieben. Hierbei werden mehre- re Ströme von Kühlluft aus dem Verdichter über separate Kühl- luftleitungen, in welche Ventile zur Regelung des Kühlluftstroms eingebaut sind, zu den Turbinenstufen geführt. Auf diese Weise strömt nur ein Teil des Verdichteransaug- massenstroms als Primärluft durch die Brennkammer.

Die Erfindung basiert auf der Erkanntnis, dass die Kühlung der Turbinenkomponenten, insbesondere der Turbinenbeschaufelung, zu einer Reduktion des thermischen Wirkungsgrads der Gasturbine führt, da die zur Kühlung verwendete Verdichter- luft nicht mehr als Primärluft am Verbrennungsprozess teilnehmen kann. Somit ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Kühlluftzufuhr zumindest zu einigen der Turbinenkomponenten reduziert wird, um den Leistungsverlusten entgegenzuwirken, die durch Schwankungen der erzeugten Netzfrequenz entstehen und dadurch den Wirkungsgrad der Gasturbine zu erhöhen. Die kurze Dauer der Abweichungen von der Sollnetzfrequenz (i.d.R. nur wenige Minuten) hat dabei keine wesentliche negative Auswirkung auf die Lebensdauer der betroffenen Turbinenkomponenten. Im Vergleich zu der bisher in diesen Fällen eingesetzten Überfeuerung oder Nassverdichtung zeichnet sich das erfindungsgemäße Betriebsverfahren einer Turbinenanlage somit durch einen verbesserten Lebensdauerverbrauch der Turbinenkomponenten, insbesondere der Turbinenbeschaufelung, aus. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante wird die Zufuhr von Kühlluft zu einer zweiten Stufe von Leitschaufeln

und/oder einer dritten Stufe von Leitschaufeln der Entspannungsturbine reduziert. Bautechnisch lässt sich eine Anpas- sung der Kühlluftzuhr zu diesen beiden Stufen von Leitschaufeln leicht realisieren, denn in den Kühlluftleitungen sind bereits technische Mittel vorhanden, durch welche eine aktive Beeinflussung des jeweiligen Kühlluftstroms vorgenommen wer- den kann .

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante wird die Zufuhr von Kühlluft um 50%, insbesondere um 30%, insbesondere im Bereich von 10-15% reduziert. Die Reduzierung richtet sich dabei nach der Größenordnung der Abweichungen der aktuellen Netzfrequenz von der Soll-Frequenz sowie danach, welcher der Kühlluftströme gedrosselt wird. In der Regel ist eine Reduzierung der Kühlluft zur zweiten oder dritten Leitschaufel - stufe um 10-15% über einen Zeitraum von weniger als 1 Minute ausreichend, um ca. 1 MW an Leistungsrückgewinnung zu erreichen .

Bevorzugt weisen die Kühlluftleitungen Ventile auf und bei einer Unterschreitung der Soll-Frequenz werden die Ventile über das Stellsignal zumindest teilweise geschlossen. Die

Ventile, welche ohnehin in den Kühlluftleitungen eines Sekun- därluftsystems vorhanden sind, stellen das einfachste technische Mittel dar, mit dem der Kühlluftstrom beeinflusst werden kann. Hierzu ist lediglich eine Ankopplung der Steuervorrich- tung, welche die Ist-Frequenz des vom Generator erzeugbaren elektrischen Stromes überwacht, mit der Steuerung der Ventile erforderlich .

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer

Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigt die einzige Figur eine Gasturbinenanlage 1 umfassend eine Gasturbine 2 mit einer Rotorwelle 3, die an einen Generator 4 angekoppelt ist. Eine Steuervorrichtung 5 dient zur Überwachung der Frequenz des Stromes, der vom Generator 4 im Betrieb der Gasturbinenanlage 1 erzeugt wird.

Die Gasturbine 2 umfasst weiterhin einen Verdichter 7, eine Brennkammer 8 und eine Entspannungsturbine 9. Während des Be- triebes der Gasturbinenanlage 1 saugt der Verdichter 7 Luft L an und verdichtet sie. Die verdichtete Luft wird als Primärluft zur Brennkammer 8 geführt, dort mit einem Brennmittel B vermischt und zu einem Rauchgas RG verbrannt. Von der Brenn- kammer 8 aus wird das Rauchgas RG zur Entspannungsturbine 9 geführt, in der es sich impulsübertragend an der Rotorwelle 3 der Gasturbinenanlage 1 entspannt und diese dabei antreibt. Die Rotationsenergie der Rotorwelle 3 wird dem Generator 4 zugeführt, der diese in elektrische Energie in Form eines elektrischen Stromes mit einer vorgegebenen Frequenz von 50 Hz oder 60 Hz umwandelt.

Ein Teil der verdichteten Luft L wird dem Verdichter entnommen und über Kühlluftleitungen 14 der Entspannungsturbine 9 als Kühlluft K zum Kühlen von Turbinenbeschaufelung, insbesondere der hier nicht näher gezeigten Leitschaufeln, zugeführt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind drei Kühlluftleitungen 14 vorgesehen, welche von unterschiedlichen Bereichen des Verdichters 7 Kühlluft K entnehmen und in unter- schiedlichen Leitschaufelstufen zuführen. In jeder der Kühlluftleitungen 14 ist ein Ventil 15 integriert, über welches der Kühlluftstrom geregelt wird. Die Ventile 15 werden von der Steuervorrichtung 5 angesteuert . Die Steuervorrichtung 5 weist zwei Eingänge 10, 11 auf. An einem Eingang 10 liegt ein Soll -Wert f 0 der Frequenz an und am weiteren Eingang 11 ein insbesondere zeitaufgelöste Ist- Wert f (t) der Frequenz des erzeugten Stromes. Eine Frequenzabweichung des Ist-Wertes f(t) vom Soll-Wert f 0 kann von der Steuervorrichtung 5 erkannt werden. Für diesen Fall kann die Steuervorrichtung 5 dann an ihrem Ausgang 12 ein Ausgangssignal generieren, welches als Stellsignal 16 zu den Ventilen 15 geführt wird, um die Kühlluftströme zu regulieren. Unterschreitet der Ist-Wert f (t) der Frequenz den Soll-Wert f 0l so generiert die Steuervorrichtung 5 ein Ausgangssignal, welches als Stellsignal 16 für die Position der Ventile 15 dient, so dass die Menge an Kühlluft K, insbesondere zu der zweiten und/oder der dritten Stufe von Leitschaufeln verringert wird. Dabei ist vorgesehen, dass der Betrag der Abweichung einen Schwellwert ε überschreitet, bevor das Verfahren zur Frequenzstützung eingeleitet wird. Der Strom an Kühlluft kann je nach Leitschaufelstufe und je nachdem wie weit der

Ist-Wert f (t) der Frequenz den Soll-Wert f 0 unterschreitet um bis zu 50% reduziert werden. In der Regel wird eine Reduktion von maximal 30% ausreichen. In den meisten Fällen bei kleinen Abweichungen des Ist-Werts f(t) der Frequenz ist eine Reduk- tion um 10%-15% ausreichend.