CH705965A1 - Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine. - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine die wahlweise mit einem Gasbrennstoff (A) eines Gasmassenstroms und/oder mit einem Ölbrennstoff (B) eines Ölmassenstroms betrieben wird, wobei ein Wechsel zwischen einer Betriebsart mit dem Gasbrennstoff (A) mit einem unteren Heizwert (LHV gas ) und einer Betriebsart mit dem Ölbrennstoff (B) mit einem unteren Heizwert (LHV oil ) im Lastbetrieb der Gasturbine vorgenommen wird, und wobei wenigstens in der Betriebsart mit dem Ölbrennstoff (B) ein Wasserzusatz (11) eines Wassermassenstroms) vorgesehen ist. Erfindungsgemäss ist vorgesehen, dass das Wassermassenstromverhältnis (m H2O RATIO bzw. Ω norm ) des zugesetzten Wassermassenstroms bezogen auf den Brennstoffmassenstrom beim Wechsel zwischen den Betriebsarten mit dem normierten Heizwert (LHV norm ) bestimmt wird zu
Description
ANWENDUNGSBEBIET DER ERFINDUNG
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine, die wahlweise mit einem gasförmigen Brennstoff, wie Erdgas, und/oder mit einem flüssigen Brennstoff, Öl, betrieben wird, wobei ein Wechsel zwischen einem Betrieb mit dem gasförmigen Brennstoff und einem Betrieb mit dem flüssigen Brennstoff im Lastbetrieb der Gasturbine vorgenommen wird, und wobei wenigstens der Betrieb mit dem flüssigen Brennstoff unter Wasserzugabe erfolgt.
STAND DER TECHNIK
[0002] Es ist eine auf dem Gebiet der modernen Gasturbinentechnologie hinreichend bekannte Massnahme, die Brenner der Gasturbine mit einem gasförmigen und/oder einem flüssigen Brennstoff zu betreiben.
Des Weiteren ist es bekannt, im Interesse einer Verminderung von Verbrennungsinstabilitäten und zur Reduktion der NOx-Emissionen beim Betrieb der Gasturbine mit Flüssigbrennstoff dem Brennstoffstrom Wasser beizumischen. Besondere Herausforderungen stellen sich dann, wenn der Betrieb unter Last von dem einen Brennstoff auf den anderen umgestellt werden soll. Eine qualifizierte Regelung der Massenströme des ersten Brennstoffs, des zweiten Brennstoffs und des Wassers ist eine essentielle Voraussetzung für die Aufrechterhaltung des Betriebs der Gasturbine in dieser Phase.
Im Falle einer Umstellung von dem flüssigen auf den gasförmigen Brennstoff wird während’ einer Übergangsphase der Massenstrom des ersteren kontinuierlich vermindert unter gleichzeitiger kontinuierlicher Steigerung der Zufuhr an gasförmigem Brennstoff. Parallel dazu bedarf es einer Reduktion der Wasserzufuhr. Gemäss den Lösungen des Standes der Technik wird die Wasserzufuhr auf der Basis des Ölmassenstroms anhand der Verhältniszahl Ω geregelt.
[0003] Dabei ist Ω definiert als der Quotient der Massenströme des Wassers und des flüssigen Brennstoffs gemäss der Beziehung
[0004] Weiterhin ist es bekannt, Dividend und Divisor dieser Grundgleichung insbesondere in Abhängigkeit von der Ausführungsform der Gasturbine mit festgelegten Faktoren zu dem Zwecke der Bestimmung einer normierten Verhältniszahl Ω zu erweitern. Hieraus folgt die Beziehung
[0005] Es ist ohne weiteres ersichtlich, dass eine Regelung der Wasserzufuhr auf Basis der Gleichungen 1 oder 2 bei abnehmendem Ölmassenstrom an ihre Grenzen stösst. Mit zunehmender Annäherung des Divisors gegen Null werden die Gleichungen Undefiniert. Für die Umschaltung von flüssigem auf gasförmigen Brennstoff können die vorgenannten Gleichungen damit zumindest in der Endphase nicht als Berechnungsgrundlage für die Wasserzufuhr herangezogen werden, da sich phasenweise unvorteilhafte Betriebsparameter einstellen würden. Dieser Zusammenhang ist offensichtlich.
[0006] Im umgekehrten Falle, also beim Umschalten von gasförmigem auf flüssigen Brennstoff existiert dieses Problem analog, dann allerdings in der Anfangsphase mit einsetzender Ölzufuhr.
[0007] Bekanntermassen wird diesem Phänomen durch eine aus Fig. 2 ersichtliche Fahrweise begegnet, indem die Ω-basierte Fahrweise nicht während der gesamten Übergangsphase beibehalten wird, sondern nur so lange, wie ein hinreichend grosser Ölmassenstrom eingespeist wird. Danach wird auf eine andere Betriebsführung in Gestalt einer stufenweisen Reduzierung der Wasserzugabe umgeschaltet. Üblicherweise liegt der Grenzwert, bei dem von der einen Betriebsführung auf die andere umgeschaltet wird, bei einem Massenstromverhältnis zwischen gasförmigem Brennstoff und flüssigem Brennstoff von etwa 0,8. Oberhalb dieses Grenzwerts erfolgt eine stufenweise Reduzierung der Wasserzugabe gemäss einer Transferfunktion bis auf null oder einen anlagespezifischen Mindeststrom.
[0008] Nachteilig an diesem Betriebsregime gemäss dem Stand der Technik ist es, dass sich gewisse Parameter während des Übergangs nicht kontinuierlich verhalten, sondern gewissen Diskontinuitäten unterliegen.
WESEN DER ERFINDUNG
[0009] Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine zu schaffen, das die Nachteile des vorstehend bezeichneten Standes der Technik überwindet und einen verbesserten Betrieb bei der Umstellung von einem flüssigen Brennstoff auf einen gasförmigen und umgekehrt zu schaffen, der sich durch eine hohe Kontinuität und ohne abrupte Wechsel der relevanten Betriebsparameter auszeichnet.
[0010] Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine gemäss der in dem unabhängigen Anspruch genannten Art gelöst. Weitere Ausführungsarten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung zu entnehmen.
[0011] Die Erfindung schliesst die technische Lehre ein, dass das Wassermassenstromverhältnis des zugesetzten Wassermassenstroms bezogen auf den Brennstoffmassenstrom während der Übergangsphase gemäss der folgenden Beziehung bestimmt wird:
[0012] Die Erfindung geht dabei von dem Gedanken aus, den zuzuführenden Wassermassenstrom nicht mehr allein auf Basis der aus dem zugeführten Ölmassenstroms äquivalenten Leistung zu definieren, sondern auf Grundlage der durch die beiden Brennstoffe insgesamt eingetragenen Wärmeleistung, indem in den Divisor der Gleichung 2 ein weiterer Parameter zusätzlich aufgenommen wird, nämlich die durch den gasförmigen Brennstoff eingebrachte Wärmeleistung
[0013] Durch diese Massnahme wird vordergründig vermieden, dass der Divisor der Gleichung gegen Null geht und der Quotient damit Undefiniert wird. Mit einer Regelung der Wasserzugabe auf Basis der Gleichung 3 geht überraschenderweise eine Reihe von Vorteilen einher. Zum einen wird der Effekt vermieden, dass sich gegen Ende der Übergangsphase ein überhöhter Wassermassenstrom einstellt. Zum anderen ist hiernach kein Übergang auf eine andere Transferfunktion mehr geboten, wie er bei dem bekannten Verfahren auf Basis der Gleichung 2 zwingend erforderlich ist, und die Definition eines Grenzwerts des Brennstoffmassenverhältnisses für den Übergang auf die zweite Transferfunktion entfällt.
Dies alles vermindert signifikant den Regelungsaufwand für das Betriebsregime des Brennstoffwechsels.
Weiterhin erhöht sich die Kontinuität des Verfahrens.
[0014] Die vorliegende Erfindung richtet sich ferner auf eine Gasturbine, die wahlweise mit gasförmigen Brennstoffen oder mit flüssigen Brennstoffen betreibbar ist, und wobei ein Wechsel zwischen verschiedenen Brennstoffarten im Lastbetrieb der Gasturbine ausführbar ist, wobei wenigstens in der Betriebsart mit dem flüssigen Brennstoff eine Wasserzugabe zum Brennstoff vorgesehen ist, und wobei erfindungsgemäss das Wassermassenstromverhältnis des zugesetzten Wassermassenstroms bezogen auf den Brennstoffmassenstrom beim Wechsel zwischen den Betriebsarten bestimmt wird zu
[0015] Insbesondere richtet sich die Erfindung auf eine Steuerungsvorrichtung zum Steuern des Betriebes einer Gasturbine, wobei die Steuerungsvorrichtung insbesondere zum Steuern eines Wasserzusatzes für den Betrieb der Gasturbine ausgebildet ist, wobei die Gasturbine wahlweise mit einem Gasbrennstoff eines Gasmassenstroms und/oder mit einem Ölbrennstoff eines Ölmassenstroms betreibbar ist, wobei ein Wechsel zwischen einer Betriebsart mit dem Gasbrennstoff und einer Betriebsart mit dem Ölbrennstoff im Lastbetrieb der Gasturbine vorgenommen wird, und wobei wenigstens während der Betriebsart mit dem Ölbrennstoff die Zuführung eines Wassermassenstroms vorgesehen ist. Erfindungsgemäss wird durch die Steuerungsvorrichtung das Wassermassenstromverhältnis (Ωnorm)des zugesetzten Wassermassenstroms bezogen auf den Brennstoffmassenstrom beim Wechsel zwischen den Betriebsarten bestimmt zu
[0016] Die Erfindung richtet sich ferner auf ein Computerprogrammprodukt zum Betrieb einer Steuerungsvorrichtung der vorbezeichneten Art.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSARTEN DER ERFINDUNG
[0017] Weitere Ausführungsarten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Figuren näher dargestellt. Es zeigen: Fig. 1<sep>eine schematische Ansicht einer Gasturbine mit einer Gasbrennstoffzufuhr, einer Ölbrennstoffzufuhr und einer Wasserzufuhr zum Betrieb derselben, Fig. 2<sep>ein Diagramm mit einem Wassermassenstromverhältnis, das gemäss dem Stand der Technik bestimmt wird, Fig. 3<sep>ein Diagramm mit einem Wassermassenstromverhältnis, das gemäss der vorliegenden Erfindung bestimmt wird und Fig. 4<sep>eine Ansicht der Massenströme und des Massenstromverhältnisses beim Wechsel zwischen zwei Betriebsarten der Gasturbine.
[0018] Fig. 1 zeigt in einer schematischen Ansicht eine Gasturbine 10, die wahlweise mit einem Gasbrennstoff A eines Gasmassenstroms und/oder mit einem Ölbrennstoff B eines Ölmassenstroms betrieben werden kann. Die Zufuhr des Gasbrennstoffs A und des Ölbrennstoffs B ist schematisch angedeutet. Im stationären Betrieb wird die Gasturbine 10 vorzugsweise entweder nur mit dem Gasbrennstoff A oder nur mit dem Ölbrennstoff B betrieben.
[0019] Ohne die Turbinenausgangsleistung L der Gasturbine 10 signifikant zu ändern, kann während des Lastbetriebs der Turbine ein Wechsel der Betriebsart vorgenommen werden. Dabei kann beispielsweise vom Betrieb der Gasturbine 10 mit dem Gasbrennstoff A in einen Betrieb der Gasturbine 10 mit einem Ölbrennstoff B übergegangen werden.
[0020] Wenigstens während der Phase des Wechsels von Brennstoff A auf Brennstoff B, aber auch begleitend zum stationären Betrieb der Gasturbine 10 mit dem Ölbrennstoff B kann ein Wasserzusatz 11 zum Betrieb der Gasturbine 10 vorgesehen sein, so dass ergänzend zur Zugabe des Ölbrennstoffs B ein Wassermassenstrom der Gasturbine 10 zugesetzt wird. Der Massenstrom des Gasbrennstoffs A ist dabei mit angegeben, und der Massenstrom des Ölbrennstoffs ist mit angegeben. Der Wasserzusatz ist als Wassermassenstrom.
[0021] Fig. 2 zeigt ein Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine 10 mit einem Wassermassenstromverhältnis O des zugesetzten Wassermassenstroms wobei das Wassermassenstromverhältnis Ωnorm bestimmt wird durch Gleichung 2, die den Stand der Technik wiedergibt.
[0022] Darin ist der Wechsel von einer Betriebsart der Gasturbine 10 mit einem Ölbrennstoff B auf eine Betriebsart der Gasturbine 10 mit einem Gasbrennstoff A gezeigt. Auf der Abszisse ist das Brennstoffmassenverhältnis aufgetragen, und die Ordinate zeigt das Wassermassenstromverhältnis Ω, wie dieses bestimmt wird aus der Gleichung 2.
[0023] Bei einem Brennstoffmassenverhältnis von erfolgt die Zugabe des Wassers auf bekannte Weise in einer Omega Controlled-Betriebsart (Ω). Durch den kleiner werdenden Ölmassenstrom der im Nenner der Gleichung 2 steht, steigt der Wassermassenstrom stetig an, und es werden Wassermassenstromverhältnisse Ω von über 2,5 erreicht, wie beispielsweise bei einem Brennstoffmassenverhältnis von 0,8. Bei einer weiteren Steigerung des Brennstoffmassenverhältnisses über 0,8 würde die Wassereinspritzmenge nach Gleichung 2 stark steigen, so dass die Betriebsart in Form der bekannten Step Controlled-Betriebsart (S) vorgenommen wird, und der Wassermassenstrom wird langsam heruntergeregelt. Damit ergibt sich ein unvorteilhafter Verlauf des Wassermassenstromverhältnisses Ω, insbesondere da der Wassermassenstrom beim Wechsel der Betriebsart von einem Ölbrennstoff B auf einen Gasbrennstoff A stark ansteigen kann.
[0024] Fig. 3 stellt den Verlauf des Wassermassenstromverhältnisses Ω über dem Brennstoffmassenverhältnis dar, und das Wassermassenstromverhältnis Ω wird erfindungsgemäss bestimmt mittels Gleichung 3.
[0025] Das Wassermassenstromverhältnis Ω steigt nicht über den Wert 1, vorzugsweise steigt das Wassermassenstromverhältnis Ω nicht über den Wert 0,7 und insbesondere nicht über den Wert 0,6. In den gezeigten Betriebsarten, in denen die Gasturbine 10 entweder nur mit Gasbrennstoff A oder nur mit Ölbrennstoff B betrieben wird, erfolgt kein Wasserzusatz 11, wie auch in der Fig. 2 gemäss dem Stand der Technik gezeigt. Hierzu sei angemerkt, dass auch Betriebsarten von Gasturbinen 10 ohne Wasserzusatz 11 bekannt sind. Jedoch wird der Wasserzusatz 11 vorgesehen, wenn ein Wechsel zwischen den Betriebsarten mit Gasbrennstoff A und Ölbrennstoff B erfolgt. Folglich ist das Wassermassenstromverhältnis 0 sowohl bei einem Betrieb, der nur auf dem Gasbrennstoff A beruht, mit dem Wert Null gezeigt, und das Wassermassenstromverhältnis Ω weist den Wert Null auf, wenn die Gasturbine 10 nur mit dem Ölbrennstoff B betrieben wird.
[0026] Fig. 4 zeigt schliesslich den Verlauf des Wassermassenstromverhältnisses Ω in Abhängigkeit des Ölmassenstroms und des Gasmassenstroms Zum Zeitpunkt des Umschaltbeginns t0 wird der Ölmassenstrom reduziert und der Gasmassenstrom aktiviert. Folglich nimmt zum Zeitpunkt t0der Ölmassenstrom ab und der Gasmassenstrom nimmt zu. Die Betriebsart mit dem Ölbrennstoff B wird unter Wasserzusatz 11 vorgesehen, und der Bereich vor dem Zeitpunkt t0, in dem die Gasturbine 10 mit dem Ölbrennstoff B betrieben wird, ist der Wassermassenstrom etwa konstant.
[0027] Folglich ergibt sich ein gezeigter Verlauf des Wassermassenstromverhältnisses Ω, welches einen konstanten Wert aufweist, bis zum Zeitpunkt t0 der Wechsel der Betriebsart vom Ölbrennstoff B auf die Betriebsart Gasbrennstoff A erfolgt. Das Wassermassenstromverhältnis Ω sinkt demnach kontinuierlich ab, so dass der Wasserzusatz 11 gegen Null laufen kann, wenn die Gasturbine 10 nur noch mit dem Gasbrennstoff A betrieben wird.
[0028] Die Erfindung beschränkt sich in Ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschliesslich konstruktiver Einzelheiten, räumliche Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
Bezugszeichenliste
[0029]
Claims (12)
1. Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine (10), die wahlweise mit einem Gasbrennstoff (A) eines Gasmassenstroms und/oder mit einem Ölbrennstoff (B) eines Ölmassenstroms betrieben wird, wobei ein Wechsel zwischen einer Betriebsart mit dem Gasrennstoff (A) und einer Betriebsart mit dem Ölbrennstoff (B) im Lastbetrieb der Gasturbine (10) vorgenommen wird, und wobei wenigstens in der Betriebsart mit dem Ölbrennstoff (B) ein Wasserzusatz (11) eines Wassermassenstroms vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Wassermassenstromverhältnis (Ωnorm) des zugesetzten Wassermassenstroms bezogen auf den Brennstoffmassenstrom beim Wechsel zwischen den Betriebsarten bestimmt wird zu
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wassermassenstromverhältnis (Ωnorm) beim Wechsel von der Betriebsart mit Gasbrennstoff (A) auf die Betriebsart mit Ölbrennstoff (B) vorgesehen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wassermassenstromverhältnis (Ωnorm) beim Wechsel von der Betriebsart mit Ölbrennstoff (B) auf die Betriebsart mit Gasbrennstoff (A) vorgesehen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Wechsel von der Betriebsart mit Gasbrennstoff (A) auf die Betriebsart mit Ölbrennstoff (B) der Wassermassenstrom vor der Zuführung des Ölmassenstroms aktiviert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Wechsel von der Betriebsart mit Ölbrennstoff (B) auf die Betriebsart mit Gasbrennstoff (A) der Wassermassenstrom vor der Zuführung des Gasmassenstroms aktiviert wird.
6. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasturbine (10) eine Leitschaufelanordnung aufweist, wobei die Stellung der Leitschaufeln während des Wechsels zwischen der Betriebsart mit Gasbrennstoff (A) und der Betriebsart mit Ölbrennstoff (B) unverändert bleibt.
7. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasturbine (10) in der Betriebsart mit Ölbrennstoff (B) ohne Zugabe eines Wassermassenstroms betreibbar ist, wobei zum Wechsel zwischen der Betriebsart mit Gasbrennstoff (A) und der Betriebsart mit Ölbrennstoff (B) die Zugabe eines Wassermassenstroms aktiviert wird.
8. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wassermassenstromverhältnis (Ωnorm) während des Übergangs von der Betriebsart mit Gasbrennstoff (A) auf die Betriebsart mit Ölbrennstoff (B) einen Wert von maximal 1, insbesondere von maximal 0,7 und bevorzugt von maximal 0,6 aufweist.
9. Gasturbine (10), die wahlweise mit einem Gasbrennstoff (A) eines Gasmassenstroms und/oder mit einem Ölbrennstoff (B) eines Ölmassenstroms Betriebsart mit dem Ölbrennstoff (B) im Lastbetrieb der Gasturbine (10) ausführbar ist, wobei wenigstens in der Betriebsart mit dem Ölbrennstoff (B) ein Wasserzusatz (11) eines Wassermassenstroms vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Wassermassenstromverhältnis (Ωnorm) des zugesetzten Wassermassenstroms bezogen auf den Brennstoffmassenstrom beim Wechsel zwischen den Betriebarten bestimmt ist zu
10. Gasturbine (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasturbine (10) mit einem Verfahren gemäss einem der Ansprüche 2 bis 8 betreibbar ist.
11. Steuerungsvorrichtung zum Steuern des Betriebes einer Gasturbine (10), wobei die Steuerungsvorrichtung insbesondere zum Steuern eines Wasserzusatzes (11) für den Betrieb der Gasturbine (10) ausgebildet ist, wobei die Gasturbine (10) wahlweise mit einem Gasbrennstoff (A) eines Gasmassenstroms und/oder mit einem Ölbrennstoff (B) eines Ölmassenstroms betreibbar ist, wobei ein Wechsel zwischen einer Betriebsart mit dem Gasbrennstoff (A) und einer Betriebsart mit dem Ölbrennstoff (B) im Lastbetrieb der Gasturbine (10) vorgenommen wird, und wobei wenigstens in der Betriebsart mit dem Ölbrennstoff (B) der Wasserzusatz (11) mit einem Wassermassenstrom vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Steuerungsvorrichtung das Wassermassenstromverhältnis (Qn0rm) des zugesetzten Wassermassenstroms bezogen auf den Brennstoffmassenstrom beim Wechsel zwischen den Betriebsarten bestimmt ist zu
12. Computerprogrammprodukt zum Betrieb einer Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 12.
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