DE19518093A1 - Method and arrangement for starting a gas turbine - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum An fahren einer Gasturbine großer Leistung mit P < 100 MWel in ei nem Kombikraftwerk, mit einem von der Abwärme der Gasturbine be heizten ersten Dampfkessel zur Erzeugung von Dampf, mit einer vom Dampf beaufschlagten Dampfturbine und mit jeweils der Gasturbine und der Dampfturbine zugeordneten und von diesen beaufschlagten, miteinander gekoppelten Generatoren.The invention relates to a method and an arrangement for driving a gas turbine of high power with P <100 MW el in egg nem combined cycle power plant, with a first steam boiler heated by the waste heat of the gas turbine for generating steam, with a steam turbine charged with steam and with each of the gas turbine and the steam turbine are assigned and acted upon by these, coupled generators.
Die Entwicklung der im Kraftwerksbereich eingesetzten Gasturbi nentechnik hat in der jüngsten Vergangenheit zu einer beträcht lichen Verbesserung der Verfahrensparameter geführt und damit die Entwicklung und den Betrieb von Gasturbinen großer Leistung, das heißt von wenigstens 100 MWel, ermöglicht. Insbesondere wurde das Druckverhältnis von ursprünglich 15 auf nunmehr ca. 30 gesteigert.In the recent past, the development of the gas turbine technology used in the power plant sector has led to a considerable improvement in the process parameters and thus enables the development and operation of gas turbines of high output, that is to say of at least 100 MW el . In particular, the pressure ratio was increased from originally 15 to about 30 now.
Diese Leistungsanhebung hat zwangsläufig zur Folge, daß die zum Anfahren der betreffenden Gasturbine erforderliche Anfahrlei stung auch höher ist. Dabei ist zu berücksichtigen, daß die Gasturbine wenigstens 60% ihrer Nenndrehzahl erreicht haben muß, bevor sie in der Lage ist, die zum weiteren Hochfahren erforder liche Leistung selber zu erbringen.This increase in performance inevitably means that the Start-up of the gas turbine in question stung is also higher. It should be borne in mind that the Gas turbine must have reached at least 60% of its nominal speed, before it is able to start up further to perform itself.
Bei bisherigen Anlagen wird die für die Anfahrleistung erforder liche elektrische Energie aus einem angeschlossenen Hochspan nungsnetz oder durch sogenannte Dieselgeneratoren, das sind mit Dieselmotoren angetriebene Notstromaggregate, bereitgestellt.In previous systems, this is required for the starting performance electrical energy from a connected high voltage network or through so-called diesel generators, that is with Diesel powered emergency generators provided.
Hierbei kommen Frequenzumrichter zum Einsatz, welche die zuge führte elektrische Energie umwandeln, so daß die an die Stator wicklung des mit der Gasturbine verbundenen Generators abgege bene Spannung und Frequenz variabel sind. Der Generator arbeitet während des Anfahrvorgangs als Synchronmotor.Here frequency converters are used, which the added led convert electrical energy so that the to the stator winding of the generator connected to the gas turbine Level voltage and frequency are variable. The generator works during the start-up process as a synchronous motor.
Im Hinblick auf die erhebliche Leistungssteigerung der Gastur bine erfordert der Anfahrbetrieb an Stelle von ursprünglich etwa 3,5 MW nunmehr eine fast verfünffachte Anfahrleistung von ca. 15 MW, welche technisch nicht mehr sinnvoll mit Hilfe der Dieselag gregate bereitgestellt werden kann. Auch von einer Einspeisung aus einem möglicherweise angeschlossenen Hochspannungsnetz sollte man angesichts dieses Leistungsbedarf s ebenfalls absehen, um den hiermit verbundenen Einschaltstromstoß und die hieraus resultierenden Rückwirkungen für das Netz zu vermeiden.In view of the significant increase in performance of the restaurant bine requires starting operation instead of originally 3.5 MW now almost a quintuple starting power of approx. 15 MW, which is no longer technically sensible with the help of the Dieselag gregate can be provided. Also from an infeed from a possibly connected high-voltage network one should also refrain from considering this power requirement, around the inrush current associated therewith and from it to avoid resulting repercussions for the network.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfin dung, ein Verfahren zum Anfahren einer Gasturbine großer Lei stung mit P < 100 MWel anzugeben sowie eine entsprechende Anord nung zur Durchführung des Verfahrens.On the basis of this prior art, it is the task of the invention to provide a method for starting a gas turbine with a high output with P <100 MW el and a corresponding arrangement for carrying out the method.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 2 gelöst. Das erfindungsgemäße Ver fahren ist dementsprechend durch die folgenden Verfahrens schritte gekennzeichnet:This object is achieved by the characterizing Features of claims 1 and 2 solved. The Ver Accordingly, driving is through the following procedure marked steps:
- a) Erzeugung von Anfahrdampf zum Anfahren der Dampfturbine,a) generation of start-up steam for starting the steam turbine,
- b) Beaufschlagung der Dampfturbine mit dem Anfahrdampf und Hoch fahren der Dampfturbine, welche einen daran gekoppelten Gene rator ebenfalls beschleunigt,b) loading the steam turbine with the start-up steam and high drive the steam turbine, which has a genes linked to it rator also accelerated,
- c) Erzeugung von elektrischer Energie mit in Abhängigkeit von der Drehzahl veränderlicher Spannung und Frequenz,c) Generation of electrical energy with depending on the speed of variable voltage and frequency,
- d) Einspeisung der elektrischen Energie mit variabler Spannung und Frequenz in den der Gasturbine zugeordneten, im Motorbe trieb arbeitenden Generator, d) Feeding the electrical energy with variable voltage and frequency in those assigned to the gas turbine, in the engine area powered generator,
- e) Hochfahren der Gasturbine durch den zugeordneten, im Motorbe trieb arbeitenden Generator auf wenigstens 60% der Nenndreh zahl unde) startup of the gas turbine by the assigned, in the engine area driven working generator to at least 60% of the nominal rotation number and
- f) Umschalten auf Generatorbetrieb und Synchronisieren der Gene ratoren.f) Switching to generator operation and synchronizing the genes rators.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich insbesondere da durch aus, daß unabhängig von dem jeweiligen Standort der betref fenden Kraftwerksanlage, sei es eingebunden in ein Verbundnetz, das von weiteren Kraftwerksanlagen gespeist wird, sei es im so genannten Inselbetrieb, der Anfahrvorgang auf technisch sinn volle Weise mit vergleichsweise geringem Aufwand, dafür aber mit großer Zuverlässigkeit und ohne störende Rückwirkungen durchge führt werden kann.The method according to the invention is particularly notable for by stating that regardless of the respective location of the power plant, be it integrated into a network, that is fed by other power plants, be it in this way island operation, the starting process in a technical sense full way with comparatively little effort, but with great reliability and without annoying repercussions can be led.
Ein nicht unwesentlicher Begleiteffekt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Umstand, daß die erfindungsgemäßen Verfah rensabläufe, eventuell mit Ausnahme der Anfahrdampferzeugung für die Dampfturbine, mit vergleichsweise günstigem Wirkungsgrad er folgen, wobei der Aufwand für die Ansteuerung und Überwachung von bisher benötigten Dieselgeneratoren entfällt. Dies bedeutet in verfahrenstechnischer Hinsicht eine erhebliche Vereinfa chung.A not insignificant accompanying effect of the invention The procedure is the fact that the procedure according to the invention sequences, possibly with the exception of the start-up steam generation for the steam turbine, with comparatively low efficiency follow, the effort for control and monitoring of diesel generators previously required. this means a considerable simplification in terms of process technology chung.
Eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung von Anfahrdampf für das Anfahren der Dampfturbine zusätzlich ein zweiter Dampf kessel kleiner Dampfleistung (< 100 t Dampf/h) vorgesehen ist, daß im Anfahrbetrieb der der Gasturbine zugeordnete Generator als Motor eingesetzt ist, daß der im Anfahrbetrieb von dem von der Dampfturbine beaufschlagten Generator erzeugte elektrische Strom den mit der Gasturbine gekoppelten Generator speist und daß dieser im Motorbetrieb die Gasturbine anfährt.An arrangement for carrying out the method according to the invention is characterized in that a second steam boiler of low steam output (<100 t steam / h) is additionally provided for generating start-up steam for starting the steam turbine, that the generator assigned to the gas turbine is used as a motor in the start-up mode is that the electric current generated in the start-up mode by the generator acted upon by the steam turbine feeds the generator coupled to the gas turbine and that this starts up the gas turbine in engine mode.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß an stelle eines Frequenzwandlers zur Bereitstellung elektrischer Energie mit veränderlicher Frequenz der von der Dampfturbine an getriebene Generator im Anfahrbetrieb beim Beschleunigen er zeugte elektrische Strom mit steigender Frequenz dem der Gastur bine zugeordneten, im Motorbetrieb befindlichen Generator zu fließt.An advantageous development of the invention provides that place a frequency converter to provide electrical Energy with variable frequency from the steam turbine on driven generator in start-up mode when accelerating generated electrical current with increasing frequency that of the gas bine assigned generator in engine operation flows.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die beiden der Dampfturbine beziehungsweise der Gasturbine zugeord neten Generatoren elektrisch gekoppelt.According to a preferred embodiment of the invention, the assigned to both the steam turbine and the gas turbine Neten generators electrically coupled.
Durch den durch die Erfindung erst ermöglichten Wegfall des Die selgenerators und des ebenfalls nicht mehr erforderlichen Fre quenzwandlers ergeben sich nicht nur wesentliche Einsparungen an Investitionsmitteln sondern auch betriebliche Vorteile wegen der möglichen Vereinfachung hinsichtlich der zur Steuerung und Über wachung des Betriebs der mit der erfindungsgemäßen Anordnung ausgestatteten Kraftwerksanlage erforderlichen Schalt- und Kon trolleinrichtungen.By the elimination of the die made possible by the invention selgenerator and the also no longer required Fre not only result in significant savings Investment funds but also operational benefits because of possible simplification in terms of control and over monitoring the operation of the arrangement according to the invention equipped power plant required switching and con trolleys.
Anhand eines in der schematischen Zeichnung gezeigten Ausfüh rungsbeispiels sollen die Erfindung, vorteilhafte Ausgestaltun gen und Verbesserungen der Erfindung sowie besondere Vorteile der Erfindung näher erläutert und beschrieben werden.Using an embodiment shown in the schematic drawing Example, the invention, advantageous Ausgestaltun gene and improvements of the invention and special advantages the invention are explained and described in more detail.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 eine Schaltungsanordnung zum Anfahren einer Gasturbine gemäß dem Stand der Technik und Fig. 1 shows a circuit arrangement for starting a gas turbine according to the prior art and
Fig. 2 eine Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung. Fig. 2 shows a circuit arrangement according to the invention.
In Fig. 1 ist eine Schaltungsanordnung zum Anfahren einer Gasturbogruppe 10, bestehend aus einem Verdichter 12, einer Brennkammer 14 und einer Gasturbine 16 gezeigt, welche Gasturbo gruppe über eine Welle 18 mit einem Generator 20 gekoppelt ist.In Fig. 1, a circuit arrangement for starting a gas turbine group 10 , consisting of a compressor 12 , a combustion chamber 14 and a gas turbine 16 is shown, which gas turbine group is coupled via a shaft 18 to a generator 20 .
Der Generartor 20 ist über einen Generatorschalter 22 an einen als Haupttransformator 24 bezeichneten Transformator angeschlos sen, der seinerseits über einen Hochspannungsschalter 26 mit ei nem Hochspannungsnetz 28 verbunden ist. The generator 20 is connected via a generator switch 22 to a transformer designated as the main transformer 24 , which in turn is connected to a high-voltage network 28 via a high-voltage switch 26 .
Parallel zum Generatorschalter 22 ist ein Anfahrstromkreis 30 angeordnet mit einem sogenannten Eigenbedarfstransformator 32, zwei in Serie geschalteten Mittelspannungsschaltern 34, 35, zwi schen denen ein von einem weiteren Mittelspannungsschalter 36 abschaltbarer Abgang zu einem sogenannten Eigenbedarfsnetz 38 angeschlossen ist.In parallel to the generator switch 22 , a start-up circuit 30 is arranged with a so-called own-power transformer 32 , two series-connected medium-voltage switches 34 , 35 , between which a branch which can be switched off by a further medium-voltage switch 36 is connected to a so-called own-supply network 38 .
Der erwähnte, parallel zum Generatorschalter 22 angeordnete An fahrstromkreis 30 wird vervollständigt durch eine statische An fahrvorrichtung 40, die über einen Trenner 42 an die Leitung zwischen dem Generator 20 und dem Generatorschalter 22 an schließt.The mentioned, arranged parallel to the generator switch 22 to drive circuit 30 is completed by a static drive device 40 , which closes via a disconnector 42 to the line between the generator 20 and the generator switch 22 .
Die hier als eigene Komponente dargestellte statische An fahrvorrichtung 40 dient dazu, die für die Speisung des beim An fahren des im Motorbetrieb arbeitenden Generators 20 erforderli che elektrische Energie aus dem Hochspannungsnetz 28 zu entneh men und in entsprechend angepaßter Spannung und Frequenz bereit zustellen. Hierbei ist, wie in Fig. 1 gezeigt, der Generator schalter 22 geöffnet, während die übrigen Schalter 26, 34 und 35 und der Trenner 42 geschlossen sind.The static drive device 40 shown here as a separate component serves to remove the electrical energy required for driving the generator 20 operating in motor operation from the high-voltage network 28 and to provide it in a correspondingly adapted voltage and frequency. Here, as shown in Fig. 1, the generator switch 22 is open, while the other switches 26 , 34 and 35 and the isolator 42 are closed.
In Fig. 2 ist eine Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung dar gestellt, bei welcher eine Kombikraftwerksanlage 50 eine Gastur bogruppe 52 und eine Dampfturbogruppe 54 aufweist, denen jeweils ein Generator 56 und 58 zugeordnet ist.In Fig. 2, a circuit arrangement according to the invention is shown, in which a combined cycle power plant 50 has a gas turbine group 52 and a steam turbine group 54 , each of which a generator 56 and 58 is assigned.
Die Gasturbogruppe umfaßt eine Gasturbine 60, eine vorge schaltete Brennkammer 62 und einen Verdichter 64. Dabei sind die Gasturbine und der Verdichter über eine gemeinsame Welle 66 mit dem zugeordneten Generator 56 gekoppelt.The gas turbine group comprises a gas turbine 60 , an upstream combustion chamber 62 and a compressor 64 . The gas turbine and the compressor are coupled to the associated generator 56 via a common shaft 66 .
Die Dampfturbogruppe 54, die von einer mit dem zugeordneten Ge nerator 58 gekoppelten Dampfturbine gebildet ist, wird im Nor malbetrieb aus einem vom Abgas der Gasturbine beheizten Abhitze kessel 70 mit Dampf versorgt. Für den Anfahrbetrieb dient ein zusätzlich vorgesehener Anfahr- oder Hilfsdampfkessel 72, das ist ein Kessel niedriger Dampfleistung, zum Beispiel < 100 tDampf/h, dessen Wirkungsgrad im Hinblick auf die für den Anfahrvorgang benötigte Dampfmenge günstiger ist als der des Abhitzekessels 70.The steam turbine 54, which is formed by a coupled with the associated Ge erator 58 steam turbine, in the Nor malbetrieb of a heated exhaust gas from the gas turbine waste heat boiler 70 supplied with steam. An additionally provided start-up or auxiliary steam boiler 72 is used for the start-up operation, i.e. a boiler with low steam output, for example <100 t steam / h, the efficiency of which is more favorable than that of the waste heat boiler 70 in terms of the amount of steam required for the start-up process.
Eine dreipolige Verbindungsleitung 74, welche die beiden Genera toren 56 und 58 miteinander verbindet, dient zu deren erfin dungsgemäß vorgesehenen elektrischen Kopplung.A three-pole connecting line 74 , which connects the two generators 56 and 58 with each other, is used for their electrical coupling according to the invention.
Es ist nicht zu übersehen, daß gemäß dem Stand der Technik für den Anfahrbetrieb der Gasturbogruppe 10 ein beträchtlicher Auf wand erforderlich ist, zumindest aber eine Anfahrvorrichtung, die eine hier nicht näher gezeigten Frequenzwandler mit entspre chenden Schalteinrichtungen enthält.It is not to be overlooked that according to the prior art for the start-up operation of the gas turbine group 10, a considerable amount of wall is required, but at least one starter device which contains a frequency converter (not shown in more detail here) with corresponding switching devices.
Demgegenüber kommt die erfindungsgemäß vorgesehene Schaltung mit deutlich weniger Aufwand aus. Lediglich der Hilfs- oder Anfahr kessel 72 ist zusätzlich vorgesehen. Aufwendige Schalteinrich tungen mit Frequenzwandlern und dgl. sind ebenso entbehrlich wie ebenfalls zum Einsatz vorgesehene dieselbetriebene Zusatzstrom aggregate.In contrast, the circuit provided according to the invention manages with significantly less effort. Only the auxiliary or starting boiler 72 is additionally provided. Complex switching devices with frequency converters and the like are just as unnecessary as diesel-powered auxiliary power units also intended for use.
Claims (4)
- a) Erzeugung von Anfahrdampf zum Anfahren der Dampfturbine (54),
- b) Beaufschlagung der Dampfturbine (54) mit dem Anfahr dampf und Hochfahren der Dampfturbine (54), welche einen daran gekoppelten Generator (58) ebenfalls be schleunigt,
- c) Erzeugung von elektrischer Energie mit in Abhängigkeit von der Drehzahl veränderlicher Spannung und Frequenz,
- d) Einspeisung der elektrischen Energie mit variabler Spannung und Frequenz in den der Gasturbine (60) zugeordneten, im Motorbetrieb arbeitenden Generator (56),
- e) Hochfahren der Gasturbine (60) durch den zugeordneten, im Motorbetrieb arbeitenden Generator (56) auf wenig stens 60% der Nenndrehzahl und
- f) Umschalten auf Generatorbetrieb und Synchronisieren der Generatoren (56, 58).
- a) generation of starting steam for starting the steam turbine ( 54 ),
- b) loading the steam turbine ( 54 ) with the starting steam and starting up the steam turbine ( 54 ), which also accelerates a generator ( 58 ) coupled to it,
- c) generation of electrical energy with voltage and frequency that vary depending on the speed,
- d) feeding the electrical energy with variable voltage and frequency into the generator ( 56 ) assigned to the gas turbine ( 60 ) and operating in engine operation,
- e) starting up the gas turbine ( 60 ) by the assigned generator ( 56 ) operating in engine operation to at least 60% of the nominal speed and
- f) Switching to generator operation and synchronizing the generators ( 56 , 58 ).
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