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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Wesentlichen die Steuerung des
Kesseldruckes in einem Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator (HRSG – Heat Recovery
Steam Generator), der in einer modernen dampfgekühlten Gasturbinenmaschine und deren
zugeordneter Dampfturbine zur Energieerzeugung enthalten ist.
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In
dem von General Electric hergestellten modernen 9H- oder 7H-Gasturbinenmaschinen
wird hauptsächlich
Kühldampf
anstelle von Kühlluft
verwendet. Während
des Hochfahrens muss ein ausreichender Dampfstrom durch Hochdruck-(HP)-
und Zwischendruck-(IP)-Bypassventile als ein Freigabe- oder Schwellenwert
aufgebaut werden, um die Gasturbine zu kühlen, bevor die Gasturbine über eine
Minimalbelastung hinaus belastet werden kann. Diese Minimallast
wird als "Spinning"-Reserve bezeichnet. In
einem Betrieb vor und während
der Spinning-Reserve wird die Gasturbine luftgekühlt und muss dann für eine Belastung über der
Spinning-Reserve dampfgekühlt
werden.
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EP 1 209 325 offenbart eine
Dampfkühlvorrichtung
für eine
Gasturbine und ein Verfahren nach dem Stand der Technik.
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In
den meisten Anwendungen enthält
der HRSG drei Dampferzeugungsdrücke
und somit drei getrennte Dampfkesseln, Hochdruckdampf (HP), Zwischendruckdampf
(IP) und Niederdruckdampf (LP). Die Freigabe der Dampfströmung erfolgt
durch HP- und/oder IP-Bypassventile, bevor die Gasturbine dampfgekühlt werden
kann. Um die Freigabe des Dampfstroms herzustellen, muss der Kesseldruck
für den
HP-Kessel in der Gasturbine größer ein
vorbestimmter Pegel (d.h., ein Mindestdruck-Sollwert (z.B. 49,6
bar (720 psi)) sein. Somit wird, wenn die Bypassventile offen sind,
der HP-Kesseldruck auf dem Mindestdruck-Sollwert gehalten. Der Mindestdruck ist
der minimale Druck, bei welchem der Dampfturbine Dampf zugeführt werden
kann.
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Während eines
Kalt-Hochfahrvorgangs, in welchem die moderne Maschine für eine signifikante Zeitdauer
abgeschaltet war, ist der HP-Kesseldruck niedrig, da der mit der
Gasturbine verbundene HRSG kalt ist, und der HP-Kesseldruck unter
dem Mindestdruck-Sollwert liegt. Beispielsweise wird während des
Hochfahrens der modernen Maschine der HRSG gespült, indem Luft aus der nicht
gezündeten
Gasturbine durch den HRSG strömt.
Die Gasturbine wird dann (nach der HRSG-Spülung)
gezündet
und mit der Spinning-Reserve belastet, welche es dem HP-Kesseldruck
ermöglicht,
aufgrund des in den HRSG eintretenden erhitzten Abgases anzusteigen. Schließlich ist
der HP-Kesseldruck größer als
der Mindestdruck-Sollwert, und die HP-Bypassventile öffnen sich,
um den Mindestdruck-Sollwert aufrechtzuerhalten, bis die Gasturbine
dampfgekühlt
wird und die Bypassventile schließen.
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Wenn
der HP-Kesseldruck größer als
der Mindestdruck-Sollwert
während
des Hochfahrens ist (z.B. während
eines Hochfahrens nach einer vor kurzem erfolgten Abschaltung) öffnen sich
die Bypassventile, bis der Mindestdruck erreicht ist und schließen beispielsweise
dann, um den Druck aufrechtzuerhalten, wenn die Gasturbine noch
nicht gezündet ist
oder vor kurzem gezündet
wurde. Daher geht in dem HP-Kessel
als Dampfdruck enthaltene Energie verloren, wenn Dampf durch die
Bypassventile strömt,
bevor die Gasturbine die Spinning-Reserve erreicht. Demzufolge muss
dann der HP- Kesseldruck erneut
aufgebaut werden, um Dampf nach der Spinning-Reserve zu liefern.
Daher gehen Zeit und Brennstoff verloren, da ausreichend Wärme in dem HRSG
erzeugt wird und der Druck in dem HP-Kessel erhöht wird, um die Belastung der
Gasturbine über die
Spinning-Reserve hinaus zu ermöglichen.
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Demzufolge
besteht ein Bedarf für
die Bereitstellung einer Technik, die einen Druckabfall eines HP-Kessels
in dem HRSG verhindert, wenn sich der HP-Kesseldruck während des
Hochfahrens der modernen Maschine über einem Mindestdruck-Sollwert befindet.
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In
einem Beispiel der Erfindung wird ein Bypassventil-Druck-Sollwert (hierin
nachstehend als Druck-Sollwert bezeichnet) eingestellt, wenn ein HP-Kessel
in einer Gasturbine sich auf ihrem niedrigsten Energiepegel (d.h.,
dem niedrigsten Kesseldruck) und immer noch über einem Mindestdruck-Sollwert
befindet. Während
dieses Szenarios sinkt der HP-Kesseldruck während einer anfänglichen
HRSG-Spülung
und nimmt nach dem Zünden der
Gasturbine zu. Der HP-Kesseldruck wird gemessen und der Druck-Sollwert
dem niedrigsten HP-Kesseldruck über dem
Mindestdruck-Sollwert gleichgesetzt. Daher ist der eingestellte
Druck-Sollwert größer als
der Mindestdruck-Sollwert, um dadurch die Energie in dem HP-Kessel zu erhalten.
Ferner kann erhebliche Zeit eingespart werden, da der HP-Kesseldruck
nicht nochmals aufgebaut werden muss.
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Die
Erfindung wird nun detaillierter im Rahmen eines Beispiels unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in welchen
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1 ein
die Prinzipien der vorliegenden Erfindung anwendendes Beispielsystem
darstellt; und
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2 ein
Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einer Beispielausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt.
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1 stellt
eine exemplarische Ausführungsform
eines Energieerzeugungssystems dar, das eine die Prinzipien der
vorliegenden Erfindung anwendende moderne Maschine enthält. Eine
eine Gasturbine 110 enthaltende moderne Maschine, welche
mit einem HRSG 120 verbunden ist, erzeugt Wellenleistung
für einen
Generator 130. Die moderne Maschine ist nicht auf eine
Gasturbine beschränkt. Ein
Fachmann auf diesem Gebiet würde
leicht erkennen, dass eine moderne Maschine mehrere Gasgeneratoren,
HRSG's, Dampfturbinen
und dergleichen abhängig
von der unterstützten
Last umfassen könnte.
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Der
HRSG 120 erzeugt Dampf, wovon ein Teil zum Kühlen der
Gasturbine 110 verwendet wird, und ist mit der Gasturbine 110 über HP-
und/oder IP-Bypassventile 125 verbunden. Der Großteil des durch
den HRSG 120 erzeugten Dampfes plus des Gasturbinenkühldampfes
strömt
zu einer Turbine 115 zur Energieerzeugung. Außerdem enthält der HRSG 120 einen
Hochdruck-(HP)-Kessel 135, um den Wasserpegel für einen
Verdampfer darin aufzubauen und Druck aufrechtzuerhalten. Der Verdampfer
ist eine Wärmetauscheroberfläche, die
Dampf erzeugt. Obwohl nur ein HP-Kessel 135 als ein Teil
des in 1 dargestellten HRSG 120 dargestellt
ist, ist dieser nicht darauf beschränkt. Es dürfte sich verstehen, dass der
HRSG 120 drei Dampferzeugungsdrücke beinhalten kann und somit
drei getrennte Dampfkesseln, Hochdruckdampf (HP), Zwi schendruckdampf (IP)
und Niederdruckdampf (LP). Ferner nimmt die Dampfturbine 115 Kesselspeisewasser
auf und kann Abdampf an das Ausgleichssystem der Anlage 150 des
Energieerzeugungssystems liefern und kann Wellenleistung für den Generator 130 liefern.
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Während des
Hochfahrens beginnt die Gasturbine mit einer Hochfahrprozedur, welche
eine Spülung
des HRSG 120 mit frischer Luft beinhaltet, die durch einen
Kompressor einer Gasturbine 110 bewegt wird, und dann das
Zünden
und Belasten der Gasturbine 110 zur Erzeugung von Leistung.
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Während der
Hochfahrprozedur bei einem heißen
erneuten Hochfahren der Gasturbine 110 in der fortschrittlichen
Maschine wird der HRSG 120 mit Luft gespült, die
aus der nicht gezündeten
Gasturbine 110 zu dem HRSG 120 strömt. Der
Luftstrom kühlt Dampferzeugungs-
und Erwärmungsflächen des HRSG 120 und
verringert den Druck des HP-Kessels 135. Ein heißes erneutes
Hochfahren entspricht einem Hochfahrszenario, in welchem sich der
Druck des HP-Kessels 135 über dem Mindestdruck-Sollwert
befindet. Typischerweise befand sich bei einem heißen erneuten
Hochfahren der Kesseldruck vor kurzem (z.B. die moderne Maschine
war in den letzten mehreren Minuten abgeschaltet) auf einem hohen
Betriebsdruck und die Bypassventile 125 waren geschlossen,
um diesen Druck aufrecht zu erhalten. Frische Luft aus der nicht
gezündeten
Gasturbine 110 kühlt
den HRSG 120 und Verdampferwasser, was eine Abnahme des
Drucks und der Wassertemperatur bewirkt. Dann wird die Gasturbine 110 gezündet und
beginnt eine Last bis zu einer Spinning-Reserve zu übernehmen,
und der Druck des HP-Kessels 135 nimmt zu. An einem bestimmten
Punkt nach der Zündung
der Gasturbine 110 öffnen
sich die HP- und/oder IP-Bypassventile 125, wenn der Druck
des HP-Kessels 135 größer als
ein Druck-Sollwert ist. Der Druck-Sollwert wird zu dem Punkt, an
welchem der HP-Kessel 135 seinen niedrigsten Wert während eines
heißen
erneuten Hochfahrens oder ähnlichen Starts
erreicht, bei dem der Kesseldruck über dem voreingestellten Mindestdruck-Sollwert
liegt; ansonsten wird der Mindestdruck-Sollwert verwendet.
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Der
Druck-Sollwert ist ein Druckwert für den HP-Kessel 135.
Der Druckwert basiert auf einem während des Hochfahrens gemessen
Druck des HP-Kessels 135 und einem vorbestimmten Mindestdruck-Sollwert
für die
Gasturbine 110. Der Mindestdruck-Sollwert ist ein Schwellenwert,
der üblicher weise
von einem Hersteller der Dampfturbine 115 festgelegt wird.
Die Dampfturbine 115 nimmt den in dem HRSG 120 erzeugten
Dampf und auch den gesamten Kühldampf
aus der Gasturbine 110 auf. Der Dampf wird zum Erzeugen
von Energie in der Dampfturbine 115 verwendet. Dieses Einstellverfahren
des HP-Kesseldruckes ist vorteilhaft, da der aufrechterhaltene Druck
eine frühere Öffnung des
HP-Bypassventils 125 ermöglicht, wenn beispielsweise
der Mindestdruck der Sollwert war, und daher den Dampfstrom aufbaut.
Das Verfahren für
die Einstellung des Mindestdruck-Sollwertes wird nachstehend im
Detail beschrieben.
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Die
in 2 dargestellten Schritte können in einer Software (z.B.
Firmware) enthalten sein, die auf einem Prozessorbasierenden Steuersystem 140 abläuft, das
mit der Gasturbine 110, der Dampfturbine 115,
dem HRSG 120 und dem Anlagenausgleich 150 verbunden
ist und diese steuert. Beispielsweise kann das Steuersystem 140 Software
für die
Aufnahme von Messwerten des HP-Kesseldruckes, Einstellung des Druck-Sollwertes
und Steuerung der HP- und/oder IP-Bypassventile 125 abhängig von
dem nachstehend beschriebenen und in 2 dargestellten
Verfahren enthalten. Einrichtungssoftware zur Steuerung von Energieerzeugungssystemen
ist im Fachgebiet allgemein bekannt, und ein Fachmann auf diesem
Gebiet kann ohne weiteres die in 2 dargestellten
Schritte unter Verwendung bekannter Programmierungssprachen und
Techniken programmieren.
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2 stellt
ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Einstellen eines Druckes
in einem HP-Kessel 135 im HRSG 120 gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dar. Das in 2 dargestellte
Verfahren wird in Verbindung mit einer modernen Maschine mit einer
in 1 dargestellten Gasturbine 110 für Darstellungszwecke
beschrieben. Es dürfte
sich verstehen, dass das in 2 dargestellte
Verfahren auf den Betrieb von mehreren Arten von Einheiten mit kombiniertem
Zyklus wie z.B. dem H-SystemTM (z.B. den
modernen 7H- oder 9H-Gasturbinenmaschinen), hergestellt von General
Electric anwendbar ist.
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Im
Schritt 200 beginnt die Gasturbine 110 der modernen
Maschine eine Hochfahrprozedur. Anschließend wird im Schritt 205 der
Druck des HP-Kessels 135 gemessen und ein neuer Druckwert (NP)
kontinuierlich in der Größenordnung
von alle 1/8 Sekunden gelesen. Die Zeitdauer zwischen aufeinander
folgenden Druckmessungen des HP-Kessels 135 wird einfach
von einem Fachmann auf diesem Gebiet bestimmt und kann abhängig von
dem Typ der Gasturbine und der Belastung variieren. Eine herkömmliche
Vorrichtung zum Messen von Druck kann zum Messen des Druckes des
HP-Kessels 135 im HRSG 120 verwendet werden. Herkömmliche HRSG's enthalten Systeme
zum automatischen Überwachen
des HP-Kesseldruckes.
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Nachdem
ein neuer Druckwert (NP) gemessen und eingelesen wurde, wird er
im Schritt 210 mit der Summe des während der vorhergehenden Zeitperiode
gemessenen letzten Druckwertes (PP) und eines Verschiebungswertes
(z.B. 0,69 bar (10 psi)) gemessen. Wenn der neue Druckwert (NP)
größer als
der vorhergehende Druckwert (PP) plus des Verschiebungswertes ist,
wird dann im Schritt 230 ermittelt, ob dieses der erste
Fall ist, in welchem dieser Zustand auftrat (d.h.; NP > PP + Verschiebungswert
ist). Wenn dieses der erste Fall ist, wird dann im Schritt 240 der
neue Druckwert (NP) der temporäre Druck-Sollwert
(Ptemp). Wenn dieses nicht der erste Fall ist, dass der neue Druckwert
(NP) größer als
der vorherige Druckwert (PP) plus eines Verschiebungswertes ist,
wird dann im Schritt 250 der temporäre Druck-Sollwert (Ptemp) beibehalten.
Sobald die Gasturbine 110 ausreichend belastet ist und
mit der Erhöhung
ihrer Betriebsdrehzahl fortfährt, ändert sich
der temporäre
Druck-Sollwert nicht, da der Kesseldruck weiter steigt und der temporäre Druck-Sollwert (Ptemp)
im Schritt 250 blockiert bleibt. Solange der vorherige
Druck (PP) niedriger als der neue Druck (NP) bleibt, bleibt der
Druck-Sollwert blockiert.
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Anderenfalls
wird, wenn im Schritt 210 der vorherige Druckwert (PP)
plus des Verschiebungswertes größer als
oder gleich dem neuen Druckwert (NP) ist, der temporäre Druck-Sollwert (Ptemp)
der neue Druckwert (NP). Wenn der vorherige Druck (PP) zu dem temporären Druck-Sollwert
(Ptemp) im Schritt 240 wird, oder im Schritt 250 beibehalten
wird, oder der vorherige Druck (PP) der temporäre Druck-Sollwert (Ptemp) im
Schritt 220 wird, wird im Schritt 260 der temporäre Druck-Sollwert
(Ptemp) mit dem Mindestdruck-Sollwert (Pfloor) verglichen. Der Mindestdruck-Sollwert
kann variieren und kann in der Größenordnung von 49,6 bar (720
psi) liegen. Wenn der temporäre
Druck-Sollwert (Ptemp) größer als
der Mindestdruck (Pfloor) ist, wird dann der Druck-Sollwert (Pset) der
temporäre
Druck-Sollwert (Ptemp) im Schritt 270. Anderenfalls wird
im Schritt 280 der Mindestdruck-Sollwert (Pfloor) als der
Druck-Sollwert (Pset) festgelegt. In dem nächsten Zeitschritt wird der vorherige
Druck (PP) als der neue Druck (NP) im Schritt 290 eingestellt,
und die Steuerung des Prozesses kehrt dann zu dem Schritt 205 zurück, um den Prozess
für die
nächste
Zeitperiode zu wiederholen. In der nächsten Zeitperiode wird ein
weiterer neuer Druckwert (NP) gemessen und der Prozess wiederholt.
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Unter
Verwendung des in 2 dargestellten Verfahrens wird
der Druck-Sollwert so eingestellt, dass der Druck der HP-Kessels 135 nicht
abgesenkt wird, wenn der Druck des HP-Kessels 135 größer als der
Mindestdruck-Sollwert während
der Hochfahrprozedur der eine Gasturbine 110 enthaltenden
modernen Maschine ist. Daher wird die Energie in dem HP-Kessel 135 während der
Hochfahrprozedur der die Gasturbine 110 enthaltenden modernen
Maschine eingespart und keine Zeit und Energie verschwendet, um
den Druck in dem HP-Kessel 135 wieder
neu aufzubauen, nachdem der Druck des HP-Kessels 135 abgesenkt worden
ist.