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1. WO2020011426 - VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINER GASTURBINENANLAGE MIT GASFÖRMIGEM BRENNSTOFF

Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

Verfahren zum Betreiben einer Gasturbinenanlage mit gasförmi gem Brennstoff

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Gas turbinenanlage mit gasförmigem Brennstoff, der durch eine Gasleitung zur Gasturbinenanlage transportiert, in einer Brennkammer verbrannt und anschließend einer Gasturbine zuge führt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Steuervor richtung zur Durchführung des Verfahrens sowie eine Gasturbi nenanlage mit einer solchen Steuervorrichtung.

Gasturbinenanlagen werden in der Regel über eine Gasleitung mit Erdgas als Brennstoff versorgt. Dabei ist der optimale Betrieb der Gasturbinenanlage von der Qualität des Brenn stoffs, dem richtigen Druck und der richtigen Temperatur ab hängig. Ein minimaler erforderlicher Druck, der als Voraus setzung für den Betrieb der Gasturbinenanlage festgelegt wird und gewährleistet werden muss, hängt ebenfalls von verschie denen Einsatz- und Umweltbedingungen ab, z.B. Turbinenlast, Umgebungstemperatur, Umgebungsdruck, Gaszusammensetzung, Gas temperatur, etc.. Aufgrund verschiedener Situationen kann je doch der Druck in der Gasleitung nicht ausreichend sein, z.B. durch Druckschwankungen im lokalen Gasnetz, Ausfälle in den Leitungen zu und in der Gasturbinenanlage, Ausfall des Gas verdichters, wenn einer vorhanden ist, Schwankungen in der Gasqualität, Druckverluste entlang des Gasleitungssystems, Erhöhung der Feuerleistung, usw.. Im Falle, dass die Gastur binenverbrennung von der genauen Verteilung des Massenstroms an Brennstoff auf zwei oder mehrere Stufen (z.B. Hauptbrenner und Pilot-Brenner) abhängt, kann dabei die Verbrennungsstabi lität in den oben genannten Situationen nicht mehr garantiert werden .

Aus der EP 1 730 444 Bl ist es bekannt, zur Gewährleistung eines größeren Versorgungsdrucks in einer Gasleitung als der Druck in der Brennkammer, die Brennstofftemperatur zu redu zieren. Dies erfolgt jedoch stets in Kombination mit weiteren Maßnahmen zur Drosselung der Leistungssteigerung der Gastur bine, die eine höhere Priorität als die Reduzierung der

Brennstofftemperatur haben. Die Motivation dabei ist, durch eine Stabilisierung des Brennstoffversorgungsdruckes Flammen rückschläge zu vermeiden, durch welche die Betriebssicherheit der gesamten Brennstoffversorgung gefährdet wird und die Gas turbinenanlage für einen beträchtlichen Zeitraum ausfallen kann. Die Maßnahmen zur Leistungs- und ggf. Gastemperaturre duzierung werden abhängig von festgelegten Druckkurven bzw. Druckkennlinien eingeleitet. Die Druckkennlinien müssen sich auf Auslegungsrechnungen und/oder Erfahrungswerte von anderen Maschinen stützen. Wird der von der Leistung abhängige Brenn kammerdruck berücksichtigt, so ist der Gasdruck ein ungefäh res Maß für den maximal einstellbaren Brennstoffvolumenstrom. Aufgrund von Berechnungsungenauigkeiten und natürlichen

Schwankungen von Maschine zu Maschine (z.B. durch Fertigungs toleranzen) sowie zeitlich veränderlichen Druckverlustbeiwer-ten über das Gassystem und den Brenner (Verschleiß bzw. Ver schmutzung) , unterliegt der maximal einstellbare Brennstoff volumenstrom für einen bestimmten Gasdruck dabei einer gewis sen Streuung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu beheben und ein verbessertes Ver fahren zum Betreiben einer Gasturbinenanlage vorzuschlagen, bei welchem im Falle eines nicht ausreichenden Drucks in der Gasleitung die Leistung der Gasturbinenanlage möglichst lange maximal hoch gehalten wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren einer Gasturbinenanlage mit gasförmigem Brennstoff, der durch eine Gasleitung zur Gasturbinenanlage transportiert, in einer Brennkammer verbrannt und anschließend einer Gasturbine zuge führt wird, wobei in der Gasleitung zumindest eine Armatur zur Durchflussregelung des Brennstoffs zur Brennkammer einge baut ist, wobei für die Armatur eine kritische Öffnungsposi tion definiert wird und wenn die Armatur dabei ist die kriti- sehe Öffnungsposition zu überschreiten, eine Temperatur des Brennstoffs in der Gasleitung reduziert wird.

Die Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß gelöst durch eine Steuervorrichtung, umfassend Mittel zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.

Die Aufgabe wird schließlich erfindungsgemäß gelöst durch ei ne Gasturbinenanlage mit einer solchen Steuervorrichtung.

Die in Bezug auf das Verfahren nachstehend angeführten Vor teile und bevorzugten Ausgestaltungen lassen sich sinngemäß auf die Steuervorrichtung sowie die Gasturbinenanlage über tragen .

Mit Armatur wird hierbei jegliche Vorrichtung zur Steuerung oder Regelung des Massenstroms in der Gasleitung bezeichnet. Die Armatur ist insbesondere in der Lage im geschlossenen Zu stand die Gasleitung vollständig abzusperren, so dass der Gasstrom unterbrochen wird. Die Armatur ist bevorzugt als ein Steuer- oder Regelventil ausgestaltet, jedoch kann sie auch nach Art einer Klappe, eines Schiebers oder eines Hahns aus gebildet sein.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine beson ders zuverlässige Steuerbarkeit der Gasturbinenablage er reicht wird, indem als Kriterium, wann eine Absenkung der Brennstofftemperatur erforderlich ist, die Stellung der

Durchfluss-Armatur herangezogen wird. Die Position der Arma tur ist ein direktes Maß für den tatsächlich benötigten Druck vor der Brennkammer bzw. dafür, wie weit der Brennstoffmas senstrom noch angehoben werden kann, als Reaktion auf einen unzureichenden Druck in der Gasleitung. Die Maßnahmen greifen dabei nur ein, wenn dies wirklich notwendig ist, somit bleibt die eingestellte Sollleistung der Gasturbine so lang wie mög lich unverändert. Im Gegensatz zum Stand der Technik zeichnet sich das Verfahren insbesondere dadurch aus, dass es lastun abhängig ist, d.h. die Position der Armatur, in Korrelation mit der kritischen Öffnungsposition gebracht wird, ist ein festes Kriterium und ist unabhängig vom Betriebspunkt.

Die aktuelle Position der Armatur ist stets bekannt, da der Massenstrom in der Gasleitung, ein Teil von dem die Armatur ist, bekannt ist. Insbesondere wird die Stellung der Armatur in Abhängigkeit des Massenstroms eingestellt. Dieser wird di rekt gemessen oder indirekt anhand von verschiedenen Parame tern bestimmt. Wenn die Armatur sich in der kritischen Öff nungsposition befindet, jedoch der Druck in der Gasleitung nicht ausreichend ist, insbesondere da die Anforderungen an den Druck steigen oder der Druck in der Leitung sinkt, ist die Absenkung der Gastemperatur als Erstmaßnahme einzuleiten, damit die Sollleistung aufrecht erhalten bleibt. Die Tempera tur des Brennstoffs hat einen wesentlichen Effekt auf den Druck in der Gasleitung. Durch die Reduzierung der Gastempe ratur steigt die Dichte des Gases, was zu geringeren Druck verlusten im BrennstoffSystem führt.

Bevorzugt liegt die kritische Öffnungsposition der Armatur im Bereich oberhalb 70% der maximalen Öffnungsposition. Die ma ximale Öffnungsposition ist die Stellung, bei welcher der Massenstrom in der Gasleitung am größten ist. Die entschei dende, kritische Öffnungsposition der Armatur ist damit nicht zwingend die maximal offene Position der Armatur (jedoch kann auch die kritische Öffnungsposition auch durch die maximale Öffnungsposition definiert sein) , sondern eine Stellung mit geringfügig minimiertem Durchfluss. Der Vorteil hierbei ist, dass auf schnelle, kurzfristige Änderungen der Betriebspara meter, wie z.B. Schwankungen in der Qualität des Brennstoffs, durch ein weiteres Öffnen der Armatur reagiert werden kann. Die kritische Öffnungsposition kann zudem an die Betriebsbe dingungen nachträglich angepasst werden, indem sie im Betrieb geändert wird.

Die Reduzierung der Temperatur des Brennstoffs kann über ak tive Kühlmaßnahmen erfolgen. Vorzugsweise weist jedoch die Gasturbinenanlage ein Vorwärmsystem für den Brennstoff auf und die Temperatur des Brennstoffs in der Gasleitung wird re duziert, indem die dem Brennstoff zugeführte Wärme im Vor wärmsystem verringert wird. Dies ist eine besonders einfache und effiziente Vorgehensweise zur Temperaturabsenkung, die keine zusätzliche Hardware erfordert und mit keinem energeti schen Aufwand verbunden ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Schwellwert für die minimale Temperatur des Brennstoffs unter Berücksich tigung eines Betriebsparameters der Gasturbinenanlage be stimmt und die Reduzierung der Temperatur des Brennstoffs in der Gasleitung wird angehalten, wenn der Schwellwert erreicht ist.. Es kann in der Gasturbinenanlage potentielle Beschrän kungen geben, so dass das Einhalten einer Mindestgastempera-tur erforderlich sein kann. Nei niedrigen Gastemperaturen können z.B. Probleme bezüglich der Verbrennungsstabilität und/oder Emissionen auftreten. Ein solcher Betriebsparameter ist z.B. der NOx-Wert im Abgas, der ein zusätzliches Kriteri um darstellt, anhand dessen entschieden wird, ob das erfin dungsgemäße Verfahren gestartet bzw. weiter geführt wird. Ei ne Überwachung eines festen Minimalwerts der Temperatur des Brennstoffs kann bei Gasen mit erhöhten Anteilen höherer Koh lenwasserstoffe vorgesehen sein, da bei niedriger Gastempera tur die Gefahr der Kondensatbildung besteht. An sehr kalten Standorten besteht außerdem die Gefahr der Vereisung bei niedriger Gastemperatur, ein fester Minimalwert von 5°C hat sich hierbei als vorteilhaft erwiesen. Mit einem Anhalten der Reduzierung der Temperatur des Brennstoffs wird hierbei stan dartmäßig eine Unterbrechung des Vorgangs, wenn dieser be reits initiiert wurde, bezeichnet. Alternativ, sollte die Kühlung des Brennstoffs noch nicht aktiv sein, wenn der

Schwellwert für die Emissionen bereits erreicht ist, wird auf die Gaskühlung verzichtet, solange der Emissionswert dem Schwellwert entspricht.

Zweckdienlicherweise sind in der Gasleitung mehrere Armaturen eingebaut und die Position jeder der Armaturen wird herange zogen. Bei mehrstufigen Brennern ist in den Leitungen zu den einzelnen Stufen, z.B. zum Hauptbrenner und Pilot-Brenner, üblicherweise je eine Armatur zur Durchflussregelung vorgese hen. Wenn zumindest eine der Armaturen sich in der kritischen Öffnungsposition befindet und nicht mehr auf weiter wachsende Massenflussforderungen reagieren kann, wird die Temperatur des Brennstoffs in der Gasleitung, wie bereits erläutert, re duziert .

In den Fällen, bei denen Schwankungen in der Gasqualität die Ursache für den nicht ausreichenden Druck in der Gasleitung sind, wird die Absenkung der Brennstofftemperatur in der Re gel ausreichend sein. Sollte die Reduzierung der Brennstoff temperatur jedoch die Druckanforderung nicht erfüllen können, wird vorzugsweise ergänzend dazu eine Turbinenleistung redu ziert. Erst wenn die Druckanforderungen bei erreichter kriti scher Öffnungsposition der Armatur trotz einer Reduktion der Temperatur nicht erfüllt werden können, wird die Turbinen leistung geregelt abgesenkt, insbesondere indem ein reduzier ter Leistungssollwert vorgegeben wird. In Notfällen kann so gar ein Gasturbinen-Shutdown erfolgen. Dabei sollen beide Maßnahmen, die Absenkung der Gastemperatur sowie die Leis tungsreduktion, derart miteinander kombiniert werden, dass die Leistung so lange wie möglich unverändert bzw. möglichst hoch bleibt, wobei stets darauf zu achten ist, dass die Arma tur nicht die kritische Öffnungsposition überschreitet. Wich tig dabei ist die Priorisierung beider Maßnahmen, d.h. sie werden ggf. gleichzeitig eingeleitet, jedoch wird sobald wie möglich die Turbinenleistung wieder angehoben. Eine Reduzie rung der Turbinenleistung wird insbesondere als schnelle Re aktion auf einen besonders großen Druckgradienten eingelei tet, wenn alleine die Reduzierung der Brennstofftemperatur nicht ausreicht, um dem Druckgradienten entgegenzuwirken.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer

Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:

FIG 1 schematisch und stark vereinfacht ein Brenn

stoffsystem einer Gasturbinenanlage, und

FIG 2 in einem Diagramm den zeitlichen Verlauf verschie dener Parameter der Gasturbinenanlage.

Gleiche Bezugszeichen haben in den Figuren die gleiche Bedeu tung .

In FIG 1 ist schematisch der Aufbau eines BrennstoffSystems 2 gezeigt, welches Teil einer nicht näher gezeigten Gasturbi nenanlage ist, in der Erdgas als Brennstoff verwendet wird. Die Gasturbinenanlage umfasst in der Regel einen Verdichter, eine Brennkammer 4 sowie eine Gasturbine, an der z.B. ein Ge nerator zum Erzeugen von Strom gekoppelt ist.

Das BrennstoffSystem 2 umfasst eine Gasleitung 6, über welche gasförmiger Brennstoff der Brennkammer 4 zugeführt wird. In der Brennkammer 4 sind insbesondere mehrere Brenner angeord net, die im gezeigten Ausführungsbeispiel mehrstufig ausge bildet sind und die in der Figur symbolisch durch einen

Hauptbrenner 8 sowie einen Pilot-Brenner 10 dargestellt sind. Zu jeder der Brennerstufen 8, 10 wird eine Teilleitung 6a, 6b abgezweigt, in welcher je ein Regelventil 12a, 12b eingebaut ist. Die Gasleitung 6 enthält zudem ein Notfall-Ventil 14. Stromauf des Notfall-Ventils 14 ist an der Gasleitung 6 zudem ein Wärmetauscher 16 angeordnet, der Teil eines Vorwärmsys tems ist, welcher dazu dient, den Brennstoff in der Gaslei tung 6 vorzuwärmen.

Die Gasturbinenanlage umfasst weiterhin eine Steuer- bzw. Re gelvorrichtung 18, welche unter anderem die Position der Re gelventile 12a, 12b regelt. In der Regelvorrichtung 18 ist dabei eine kritische Öffnungsposition für die Regelventile 12a, 12b hinterlegt, die z.B. bei 80% einer maximalen Öff nungsposition der Regelventile 12a, 12b liegt. Die kritische Öffnungsposition kann dabei beispielsweise auch bei 70%, 75%, 85%, 90%, 95% der maximalen Öffnungsposition der Regelventile 12a, 12b liegen oder der maximalen Öffnungsposition entspre chen .

Der Verlauf des erfindungsgemäßen Verfahrens ist aus FIG 2 ersichtlich. Allgemein gilt, dass die Position des jeweiligen Regelventils 12a, 12b über einen Regelkreis in der Steuer-bzw. Regelvorrichtung 18 immer so eingestellt wird, dass die Gasturbine eine vorgegebene Leistung bzw. Verbrennungstempe-ratur fährt. Sie reagiert somit indirekt automatisch auf Schwankungen in den folgenden Größen: Erdgasversorgungsdruck, Erdgastemperatur, Erdgasqualität, Umgebungsbedingungen,

Druckverlust über das Erdgasversorgungssystem und den Brenner (Verschmutzung/Verschleiß) und/oder Wirkungsgrad der Gastur bine (Verschleiß) . Alle diese Parameter stellen mögliche Störfaktoren dar, auf deren Grundlage die Position der Regel ventile 12a, 12b geregelt wird, um dadurch insbesondere eine Turbinenleistung P einzustellen.

Als Störgröße wird in FIG 2 ein absinkender Brennstoffversor gungsdruck BD, hier Erdgasversorgungsdruck, betrachtet. An stelle eines absinkenden Erdgasdrucks könnte alternativ eine schlechter werdende Gasqualität, eine sinkende Umgebungstem peratur, eine steigende Umgebungsluftfeuchte, ein steigender Umgebungsdruck, eine Verschmutzung von Brenner oder Erdgas systemkomponenten, ein verringerter Gasturbinenwirkungsgrad, etc. verwendet werden.

Gemäß FIG 2 ist vom Zeitpunkt to bis Zeitpunkt ti der Brenn stoffversorgungsdruck BD konstant, eine Regelventilstellung RV liegt unterhalb einer kritischen Öffnungsposition Skrit·

Die Brennstofftemperatur TB und die Turbinenleistung P blei ben stabil auf ihrem Sollwert (Ps für die Turbinenleistung) .

Von ti bis t2 sinkt der Brennstoffversorgungsdruck BD in der Gasleitung 6 ab. Um die Turbinenleistung P (bzw. den Brenn stoffmassenstrom) konstant zu halten, wird das entsprechende Regelventil bzw. beide Regelventile 12a, 12b weiter geöffnet, bis eine kritische Öffnungsposition Skrit erreicht ist.

Im Zeitraum von t2 bis t3 sinkt der Brennstoffversorgungs druck BD weiter ab. Die Regelventile 12a, 12b haben ihre vor- definierte kritische Öffnungsposition Skrit erreicht, deshalb werden sie ab t3 nicht weiter geöffnet, sondern bleiben in Skrit· Um die Leistung P (bzw. den Brennstoffmassenstrom) kon stant zu halten, wird die Gastemperatur TB abgesenkt.

Ab t3 sinkt der Brennstoffversorgungsdruck BD mit einem noch steileren Gradienten weiter ab. Der Gradient ist zu groß, um durch die träge Änderung der Brennstofftemperatur TB kompen siert zu werden. Die Brennstofftemperatur TB sinkt weiter mit ihrem Maximalgradienten ab, zusätzlich wird auch die Gastur binenleistung P leicht reduziert, damit die Regelventile 12a, 12b weiterhin in der kritischen Öffnungsposition Skrit gehal ten werden.

Zwischen t4 und ts stabilisiert sich der Brennstoffversor gungsdruck BD auf einem niedrigeren Niveau als das ursprüng liche. Die Regelventile 12a, 12b befinden sich weiterhin in der kritischen Öffnungsposition Skrit· Die Turbinenleistung P ist seit t3 noch immer unterhalb des Leistungssollwerts Ps, jedoch wird parallel mit der fortschreitenden Reduzierung der Brennstofftemperatur TB die Gasturbinenleistung P wieder langsam auf den Sollwert Ps angehoben. Dabei ist darauf zu achten, dass die Brennstofftemperatur TB oberhalb eines mini malen Schwellwerts Tmin bleibt, wobei der Schwellwert Tmin z.B. mit den NOx-Emissionen oder einem anderen Betriebsparameter der Gasturbinenanlage korreliert.

Ab 15 wird erneut ein stabiler Betrieb erreicht. Die Gastur binenleistung P hat ihren Sollwert Ps wieder erreicht und die Gasturbine wird mit abgesenkter Brennstofftemperatur TB wei ter betrieben. Erst, wenn die Regelventile 12a, 12b eine Stellung RV unterhalb der kritischen Öffnungsposition Skrit annehmen, wird die Brennstofftemperatur TB wieder angehoben (der Fall ist nicht abgebildet) .