WO2014033220A1

WO2014033220A1 - Kühlverfahren zum betreiben einer gasturbine

Info

Publication number: WO2014033220A1
Application number: PCT/EP2013/067918
Authority: WO
Inventors: Michael Wagner
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2012-08-31
Filing date: 2013-08-29
Publication date: 2014-03-06
Anticipated expiration: 2015-02-28

Description

Beschreibung

KÜHLVERFAHREN ZUM BETREIBEN EINER GASTURBINE Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine mit einer Brennkammer und einem Sekundärluftsystem, bei dem in zumindest zwei, mit unterschiedlichen Drücken beaufschlagten, strömungsmediumsseitig vor der Brennkammer liegenden Bereichen Luft entnommen und in einen strömungsmedi - umsseitig nach der Brennkammer liegenden Bereich zumindest teilweise eingeführt wird.

Eine Gasturbine ist eine Verbrennungskraftmaschine, bestehend aus der Gasturbine im engeren Sinne mit einem vorgeschalteten Verdichter und einer dazwischengeschalteten Brennkammer. Das Wirkungsprinzip beruht auf dem Joule-Kreisprozess : Dieser komprimiert über die Beschaufelung einer oder mehrerer Verdichterstufen Luft, mischt diese anschließend in der Brennkammer mit einem gasförmigen oder flüssigen Treibstoff, zün- det und verbrennt. So entsteht ein Heißgas (Mischung aus Verbrennungsgas und Luft) , das im nachfolgenden Turbinenteil entspannt, wobei sich thermische in mechanische Energie umwandelt und zunächst den Verdichter antreibt. Der verbleibende Anteil wird beim Wellentriebwerk zum Antrieb eines Ge- nerators, eines Propellers, eines Rotors, eines Kompressors oder einer Pumpe verwendet. Beim Strahltriebwerk dagegen beschleunigt die thermische Energie den heißen Gasstrom, was den Schub erzeugt . Eine stationäre Gasturbine besteht prinzipiell aus einem Ein- lauf, einem Verdichter, einer Brennkammer, einer Turbine und einer Abtriebswelle für Wellentriebwerke. Der Begriff „Turbine" wird nicht ganz eindeutig verwendet, da streng genommen nur ein Bauteil der Gasturbine tatsächlich eine Turbine ist, aber andererseits auch das gesamte Aggregat umgangssprachlich als „Gasturbine" bezeichnet wird. Bis auf den Einlauf werden alle anderen beweglichen Komponenten über eine oder auch mehrere Wellen gekoppelt. Sowohl im Verdichter als auch in der Turbine sind in der Regel mehrere Schaufeln auf der Welle montiert. In einer Ebene montierte Laufschaufeln bilden jeweils ein Schaufelrad oder Laufrad. Die Schaufeln sind leicht gekrümmt profiliert, ähnlich einer Flugzeugtragfläche. Vor jedem Laufrad befindet sich üblicherweise ein Leitrad. Diese Leitschaufeln ragen vom Gehäuse in das strömende Medium hinein und versetzen es in einen Drall, der einer optimalen Anströmung des Laufrades dient. Leitrad und Laufrad zusammen bezeichnet man als Stufe. Üblicherweise sind mehrere solcher Stufen hintereinandergeschaltet. Da das Leitrad stillsteht, können seine Leitschaufeln sowohl am Gehäuseinneren als auch am Gehäuseäußeren befestigt sein, und somit für die Welle des Laufrads ein Lager bieten.

Zur Kühlung der Beschaufelung der Turbine weist eine Gasturbine üblicherweise ein Sekundärluftsystem auf. Dieses entnimmt an einer oder mehreren Stellen Luft im Verdichter, die an der Brennkammer vorbeigeführt wird und in der Turbine, üblicherweise durch entsprechende Kühlluftöffnungen eingeführt wird. Die Kühlluftöffnungen können dabei auch in den Leitschaufeln angeordnet sein, so dass sich hier ein schützender Luftfilm bildet.

Im Normalfall wird die Turbinenschaufel für einen nominellen Betriebspunkt bzgl . Lebensdauer, Kosten und Kühlluftverbrauch optimiert, was bei ungünstigen Betriebszuständen wie zum Beispiel Überfeuern zu einer Verringerung der Lebensdauer führt . Dieses wird insbesondere im Teillastbetrieb wichtig, bei dem zur Erreichung einer erhöhten Maschinenflexibilität zukünftig immer stärker überfeuert wird. Auf der anderen Seite ist man bei einer geringen Grundlastverbrennungstemperatur daran interessiert, Kühlluft einzusparen, da ansonsten mit einer nicht notwendigen Überkühlung der Bauteile und damit einem entsprechenden Wirkungsgradverlust zu rechnen ist. Zusätzlich muss man sehr ungünstige Betriebsbedingungen wie zum Beispiel zu niedrige Versorgungsdrücke bei ungünstiger Verdichtercha- rakteristik unabhängig von der Verbrennungstemperatur verhindern .

Bisher wird eine entsprechende Anpassung des Sekundärluftsys- tems über verstellbare Klappen in den äußeren Entnahmeleitungen versucht, darüber hinaus gibt es Konzepte zur Umschal - tung/Kaskadierung der Kühlluftversorgung auf höherliegende Druckniveaus aus entsprechenden Bereichen des Verdichters. Nachteilig bei diesen Konzepten ist der jeweils sehr spezifi- sehe Anwendungsfall , da unterschiedliche

Zielsetzungen vorliegen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine sowie ein Sekundärluftsystem für eine Gasturbine anzugeben, die besonders flexible Fahrweisen ohne Einschränkung der Lebensdauer erlauben.

Diese Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens erfindungsgemäß gelöst, indem Menge, Druck und Temperatur der eingeführten Luft geregelt werden, indem die Menge der an dem jeweiligen Entnahmebereichen entnommenen Luft gesteuert wird und wobei Kühlmittel mittels eines Einspritzsystems in die entnommene Luft eingespritzt wird und die Menge des eingespritzten Kühlmittels gesteuert wird.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass eine erhöhte Flexibilität bezüglich zukünftiger Anforderungen an die Gasturbinenbetriebsweise erreichbar wäre, wenn eine freie und stufenlose Regelung von Menge, Druck und Temperatur der Kühlluft möglich wäre. Die Anforderungen sind nämlich durch einen erhöhten Betriebsbereich zwischen niedriger Teillast und Spitzenlast mit sehr hohen Turbineneintrittstemperaturen gekennzeichnet . Die verschiedenen Betriebsbereiche haben sehr unterschiedliche Anforderungen an Kühlluftdruck und Kühlluft- temperatur der Turbinenschaufeln, so dass die Erfüllung aller Anforderungen nur sehr eingeschränkt möglich ist: Generell soll Kühlluft zur Wirkungsgradmaximierung eingespart werden, d. h. niedrige Temperaturen und Drücke sind erwünscht. Gleichzeitig sollen aber gerade bei Teillast CO-Emissionen verringert werden, was durch hohe Verbrennungstemperaturen möglich ist. Diese bedingen aber einen hohen Kühlluftverbrauch, d. h. hohe Drücke mit möglichst niedrigen Temperatu- ren. Gleiches gilt bei anderen ungünstigen Betriebsbedingungen wie z. B. Überfeuern. Schließlich ist ein hinreichender Versorgungsdruck bei ungünstigen Betriebsbedingungen wie z. B. Teillast und niedrigen Umgebungstemperaturen sicherzustellen .

Die Anpassung an diese Betriebszustände ist möglich, indem eine Kühlluftkaskadierung mit einer entsprechenden Regelung gekoppelt wird. Allerdings bedingt die Entnahme von Luft in einem Verdichterbereich mit hohem Druck auch eine entspre- chend hohe Kühllufttemperatur. Diese Kühllufttemperaturerhöhung bei einer Umschaltung auf höhere Druckniveaus bei der Kühlluftkaskadierung schränkt die Flexibilität erheblich ein. Dies ist jedoch lösbar, indem zusätzlich eine Kühlmitteleinspritzung, insbesondere mit Wasser in die Kühlluft vorgesehen wird. Wird die Menge des eingespritzten Wassers ebenfalls geregelt, ergibt sich so eine von der Druckregelung weitgehend unabhängige Temperaturregelung der Kühlluft.

Vorteilhafterweise wird bei einem Ausfall des Einspritzsys- tems die Menge der eingeführten Luft erhöht. Dadurch kann der

Betriebszustand identisch gehalten werden, allerdings auf Kosten von Kühlluftmehrverbrauch . Eine Erhöhung auf ein höheres Druckniveau mit entsprechendem Wirkungsgradverlust aufgrund der Verdichterarbeit wird dadurch jedoch in der Regel noch nicht erforderlich sein, da ausreichend Druckreserven durch Öffnen der Durchflussregelventile vorhanden sind.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung wird bei einer Erhöhung der Verbrennungstemperatur der Druck und/oder die Menge der eingeführten Luft erhöht. Dies vermeidet eine übermäßige

Reduzierung der Lebensdauer der Schaufel. Um ein Überfeuern bei gleichzeitigem Ausfall des Wassersystem zu ermöglichen sollte dabei vorteilhafterweise auf die druckmäßig höherliegende Entnahme umgeschaltet werden, auf Kosten des Kühlluftverbrauchs .

Vorteilhafterweise wird bei einer Erhöhung der Verbrennungstemperatur die Menge des eingespritzten Kühlmittels erhöht bzw. die Durchflussregelventile geöffnet um die Schaufellebensdauer nicht zu reduzieren. Wenn bei vergleichsweise starker Überfeuerung der Versorgungsdruck der vorhandenen

Entnahme nicht ausreicht, um die Lebensdauer der Schaufel zu gewährleisten, wird vorteilhafterweise auf eine höherliegende Entnahme mit ausreichendem Versorgungsdruck bei moderatem Kühlluftmehrverbrauch umgeschaltet. Bei Ausfall des Wasser- Systems sollte dabei hinreichender Druck der höherliegenden Entnahme vorgehalten werden.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Verfahrens wird bei einer Senkung der Grundlastverbrennungstemperatur der Druck und/oder die Menge der eingeführten Luft gesenkt. Dies verringert den Kühlluftverbrauch und steigert somit den Wirkungsgrad .

In zusätzlicher oder alternativer vorteilhafter Ausgestaltung des Verfahrens wird bei extremem Teillastbetrieb bei niedrigen Umgebungstemperaturen der Gasturbine auf ein höheres Druckniveau umgeschaltet, d. h. der Anteil der in dem mit dem höheren Druck beaufschlagten Bereich entnommenen Luft erhöht. Aufgrund der physikalisch gegebenen Verdichtercharakteristik sind im Teillastbetrieb nämlich erheblich niedrigere Entnahmedrücke zu erwarten. Daher sollte insbesondere bei Unterschreitung der back flow margin, d. h. dem Druckunterschied zwischen Kühlluftdruck und Heißgasdruck am Einführort, unabhängig der thermischen Belastung auf die höhere Entnahme um- geschaltet werden. Dies hat den Vorteil, dass im Vergleich zur üblichen Vorgehensweise bei der Wahl der Verdichterentnahmestelle vergleichsweise weniger Sicherheit vorgehalten werden, da auf höheren Druck umgeschaltet werden kann. Dieses reduziert die erforderliche Verdichterleistung und erhöht damit die Gasturbinen-Performance für alle Betriebspunkte.

Wird bei Teillast zur CO-Reduzierung stark überfeuert, sollte vorteilhafterweise unter Wassereindüsung der Versorgungsdruck erheblich erhöht werden, um die Lebensdauer der Schaufel nicht zu reduzieren. Weiterhin wird gleichzeitig bei maximaler Wassereindüsung und maximalen Versorgungsdruck der Kühl- luftverbrauch erhöht, was das Potential der CO-Reduzierung erheblich erhöht.

Bezüglich des Sekundärluftsystems für eine Gasturbine mit einer Brennkammer wird die Aufgabe gelöst, indem das Sekundär- luftsystem zumindest zwei, jeweils mit unterschiedlichen Drü- cken beaufschlagten, strömungsmediumsseitig vor der Brennkammer liegenden Bereichen der Gasturbine verbundene Luftentnahmevorrichtungen umfasst, die ausgangsseitig mit einer, mit einem strömungsmediumsseitig nach der Brennkammer liegenden Bereich der Gasturbine verbundenen Lufteinführeinrichtung verbunden sind, wobei jeder der Luftentnahmevorrichtungen ein Durchflussregelventil zugeordnet ist und wobei das Sekundär- luftsystem ein Einspritzsystem für Kühlmittel umfasst, dem ein Durchflussregelventil zugeordnet ist. Eine Gasturbine umfasst vorteilhafterweise ein derartiges Se- kundärluftsystem und/oder wird vorteilhafterweise mit dem beschriebenen Verfahren betrieben.

Vorteilhafterweise umfasst eine Kraftwerksanlage eine derar- tige Gasturbine.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Kombination einer Kühlluftkaskadie- rung bzw. Umschaltung auf höheres Druckniveau mit regelbaren Regelventilen und einer Wassereindüsung zur Temperaturabsenkung in den Versorgungsstrang eine flexibel und stufenlos einstellbare Kombination aus Kühlluftdruck und -temperatur erreicht werden kann, um für alle Betriebszustände das Opti- murti für Lebensdauer und Kühlluftverbrauch zu erreichen.

Gleichzeitig ermöglicht dieses Konzept, extreme Betriebszu- stände wie niedrigen Teillastbetrieb und Überfeuerung abzufangen .

Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

FIG 1 einen Längsteilschnitt durch eine Gasturbine,

FIG 2 eine schematische Darstellung eines SekundärluftSystems mit Regelung von Druck, Menge und Temperatur der Kühlluft, FIG 3 ein Diagramm der Temperatur gegen den Druck der Kühl- luft in einem Sekundärluftsystem mit einer Luftentnahmevorrichtung ohne Regelung,

FIG 4 ein Diagramm der Temperatur gegen den Druck der Kühl- luft in einem Sekundärluftsystem mit einer Luftentnahmevorrichtung mit Regelung,

FIG 5 ein Diagramm der Temperatur gegen den Druck der Kühl- luft in einem Sekundärluftsystem mit einer Luftent- nahmevorrichtung mit Einspritzsystem,

FIG 6 ein Diagramm der Temperatur gegen den Druck der Kühl- luft in einem Sekundärluftsystem mit einer Luftentnahmevorrichtung mit Regelung und Einspritzsystem,

FIG 7 ein Diagramm der Temperatur gegen den Druck der Kühl- luft in einem Sekundärluftsystem mit zwei Luftentnahmevorrichtungen mit Regelung, FIG 8 ein Diagramm der Temperatur gegen den Druck der Kühl- luft in einem Sekundärluftsystem mit zwei Luftentnahmevorrichtungen mit Regelung und Einspritzsystem, FIG 9 das Diagramm aus FIG 8 mit Darstellung der Änderungsrichtungen bei bestimmten Regeleingriffen,

FIG 10 ein Diagramm der Temperatur gegen den Druck sowie der

Darstellung des Massenstroms bei Grundlast der Gasturbine, und

FIG 11 ein Diagramm der Temperatur gegen den Druck sowie der

Darstellung des Massenstroms bei Teillast der Gastur- bine.

Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Die FIG 1 zeigt eine Gasturbine 100 in einem Längsteilschnitt der oberen Hälfte. Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 102 (Axialrichtung) drehgelagerten Rotor 103 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird. Entlang des Rotors 103 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 104, ein Verdichter 105, eine torusartige Brennkammer 110, mit mehreren koaxial angeordneten Brennern 107, eine Turbine 108 und das Abgasgehäuse 109.

Die Brennkammer 106 kommuniziert mit einem ringförmigen Heiß- gaskanal 111. Dort bilden beispielsweise vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 112 die Turbine 108. Jede Turbinenstufe 112 ist aus zwei Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums 113 gesehen folgt im Heißgaskanal 111 einer Leitschaufelreihe 115 eine aus Laufschau- fein 120 gebildete Laufschaufelreihe 125.

Die Leitschaufeln 130 sind dabei am Stator 143 befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 120 einer Reihe 125 mittels einer Turbinenscheibe 133 am Rotor 103 angebracht sind. Die Lauf- schaufeln 120 bilden somit Bestandteile des Rotors oder Läufers 103. An dem Rotor 103 angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt) . Während des Betriebes der Gasturbine 100 wird vom Verdichter 105 durch das Ansauggehäuse 104 Luft 135 angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 105 bereitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern 107 ge- führt und dort mit einem Brennmittel vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums 113 in der Brennkammer 110 verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsmedium 113 entlang des Heißgaskanals 111 vorbei an den Leitschaufeln 130 und den Laufschaufeln 120. An den Laufschaufeln 120 ent- spannt sich das Arbeitsmedium 113 impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 120 den Rotor 103 antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine.

Die dem heißen Arbeitsmedium 113 ausgesetzten Bauteile unter- liegen während des Betriebes der Gasturbine 100 thermischen Belastungen. Die Leitschaufeln 130 und Laufschaufeln 120 der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums 113 gesehen ersten Turbinenstufe 112 werden neben den die Brennkammer 106 auskleidenden Hitzeschildsteinen am meisten thermisch belastet. Um den dort herrschenden Temperaturen standzuhalten, werden diese mittels eines Kühlmittels gekühlt. Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion (MCrAlX; M = Fe, Co, Ni , Seltene Erden) und Wärme (Wärmedämmschicht, beispielsweise Zr02, Y204-Zr02) aufweisen.

Weiterhin werden die Leitschaufeln 130 über ein Sekundärluftsystem 145 mit Kühlluft versorgt. Die Kühlluft wird dort in die Leitschaufeln 120 geführt und tritt an deren Oberfläche in einer Vielzahl von Kühlluftöffnungen in der Art einer Filmkühlung in den Heißgaskanal 111 aus.

Die Gasturbine 100 ist Bestandteil einer nicht näher dargestellten Kraftwerksanlage. FIG 2 zeigt schematisch die Bauteile des Sekundärluftsystems 145. Es weist zwei Luftentnahmevorrichtungen 147, 149 auf, von denen die erste Luftentnahmevorrichtung 147 mit einem mittleren Bereich des Verdichters 105 verbunden ist, die zweite Luftentnahmevorrichtung 149 mit einem Endbereich des Verdichters 105 verbunden. In dem Endbereich herrscht ein höherer Druck als im mittleren Bereich. Der Luftentnahmevorrichtung 147 ist eine Leitung 151 mit einem Durchflussregelventil 153 nachgeschaltet. In gleicher Weise ist der Luftentnahmevorrichtung 149 ist eine Leitung 155 mit einem Durchflussregelventil 157 nachgeschaltet. Die Leitungen 151, 155 münden in eine gemeinsame Leitung 159, die zu einer Lufteinführeinrichtung 161 führt, die die Kühlluft in die Turbine 108, insbesondere in die Leitschaufeln 130.

In der Leitung 159 ist ein Einspritzsystem 163 für Wasser vorgesehen, dass ebenfalls ein nicht näher dargestelltes Durchflussregelventil umfasst. Somit sind Druck, Menge und

Temperatur der Kühlluft an der Lufteinführeinrichtung 161 regelbar .

Das Sekundärluftsystem 145 kann auch mehrere parallele An- Ordnungen gemäß FIG 2 enthalten, die in unterschiedliche Bereiche der Turbine 108 führen und Luft in unterschiedlichen Bereichen des Verdichters 105 entnehmen.

Die FIGs 3 bis 9 zeigen jeweils ein Diagramm der Kühllufttem- peratur aufgetragen gegen den Kühlluftdruck, wobei die Darstellungen nur schematisch sind und daher keine Zahlenwerte an den Achsen eingezeichnet sind. Bei den FIGs 3 bis 7 ist im rechten Rand des Diagramms jeweils eine schematische Darstellung der zugehörigen Konfiguration des Sekundärluftsystems 145 angeordnet.

FIG 3 zeigt eine ungeregelte Kühlluftleitung 151 von der Luftentnahmevorrichtung 147 im Verdichter 105 zur Lufteinführeinrichtung 161 in der Turbine 108. Druck und Temperatur der Luft sind nicht beeinflussbar und bestimmen sich nach den Verhältnissen im Verdichter 105, dargestellt als Punkt 165. FIG 4 zeigt eine geregelte Kühlluftleitung 151 mit einem Durchflussregelventil 153 von der Luftentnahmevorrichtung 147 im Verdichter 105 zur Lufteinführeinrichtung 161 in der Turbine 108. Die Temperatur der Luft ist nicht beeinflussbar und bestimmt sich nach den Verhältnissen im Verdichter 105. Der Druck lässt sich jedoch aufgrund des Durchflussregelventils 153 variieren, dargestellt als Linie 167. Das Maximum ist durch den Punkt 165 dargestellt. FIG 5 zeigt eine ungeregelte Kühlluftleitung 151 mit einem Einspritzsystem 163 für Wasser von der Luftentnahmevorrichtung 147 im Verdichter 105 zur Lufteinführeinrichtung 161 in der Turbine 108. Der Druck der Luft ist nicht beeinflussbar und bestimmt sich nach den Verhältnissen im Verdichter 105. Die Temperatur lässt sich jedoch aufgrund des Einspritzsystems 163 variieren, dargestellt als Linie 167. Das Maximum ist durch den Punkt 165 dargestellt.

FIG 6 zeigt eine geregelte Kühlluftleitung 151 mit einem Durchflussregelventil 153 und einem Einspritzsystem 163 für Wasser von der Luftentnahmevorrichtung 147 im Verdichter 105 zur Lufteinführeinrichtung 161 in der Turbine 108. Druck und Temperatur der Kühlluft lassen sich gegenüber den Verhältnissen im Verdichter 105 durch entsprechende Ansteuerung des Durchflussregelventils 153 und des Einspritzsystems 163 variieren, dargestellt als Fläche 169. Der ungeregelte Betriebspunkt ist durch den Punkt 165 dargestellt.

FIG 7 zeigt eine erste geregelte Kühlluftleitung 151 mit ei- nem Durchflussregelventil 153 sowie eine zweite geregelte

Kühlluftleitung 155 mit einem Durchflussregelventil 157, die in eine gemeinsame Leitung 159 münden. Die erste Kühlluftleitung 151 ist eingangsseitig mit der Luftentnahmevorrichtung 147 im Verdichter 105 verbunden, die zweite Kühlluftleitung 155 mit der Luftentnahmevorrichtung 149 in einem mit höherem Druck beaufschlagten Bereich des Verdichters 105. Die gemeinsame Leitung 159 führt zur Lufteinführeinrichtung 161 in der Turbine 108. Wahlweise kann nun Kühlluft von der Luftentnah- mevorrichtung 147 oder von der Luftentnahmevorrichtung 149 entnommen werden, wobei die Entnahme über die Durchflussventile 153 bzw. 157 regelbar ist. Der Druck lässt sich somit jeweils variieren, dargestellt durch die Linien 167 bzw. 171. Der ungeregelte Betriebspunkt ist jeweils durch die Punkte 165 bzw. 173 dargestellt. Bedingt durch die physikalischen Verhältnisse im Verdichter 105 ist das Temperaturniveau der Luft aus der Luftentnahmevorrichtung 147 niedriger als das aus der Luftentnahmevorrichtung 149.

Die FIGs 8 und 9 zeigen entsprechende Diagramme zu der Konfiguration aus FIG 2, die hier nicht mehr zusätzlich dargestellt wird. Durch die Kombination des Einspritzsystems 163 mit der Konfiguration aus FIG 7 in der FIG 8 ergibt sich eine stufenlose Regelbarkeit von Druck und Temperatur, dargestellt durch die Fläche 175 mit dem durch den Punkt 173 dargestellten Maximum und die teilweise darunter liegende Fläche 169.

FIG 9 zeigt alle Merkmale der FIG 8, wobei hier auch der Punkt 165, der das Maximum in Bezug auf die Fläche 169 darstellt, mit abgebildet ist. Von dem Punkt 165 aus, der in etwa dem Betriebszustand bei einem einfachen, ungeregelten System der FIG 3 darstellt, lässt sich der Betriebszustand nun hinsichtlich Druck und Temperatur beliebig je nach ge- wünschter Fahrweise optimieren, dargestellt durch Pfeile 177, 179, 181, 183: Pfeile 177 zeigen eine Erhöhung des Drucks z. B. bei Teillast unter Anpassung der Temperatur zur Erweiterung des CO-Emissionskonformen Betriebsbereichs der Gasturbine 100. Pfeil 179 zeigt hier das Maximum an Kühlluftver- brauch durch maximale Senkung der Temperatur bei maximalem

Kühlluftdruck. Pfeile 181 zeigen die Möglichkeit der Senkung der Kühllufttemperatur ohne Erhöhung des Drucks, z. B. zur Erweiterung des Betriebsbereiches oder um die Verwendung weniger hochwertiger Werkstoffe zu ermöglichen. Pfeile 183 zei- gen schließlich die Minimierung von Kühllufttemperatur und -druck zur maximalen Kühllufteinsparung und Optimierung des Wirkungsgrads und zur Reduzierung der NOx-Emissionen . FIG 10 und 11 zeigen die Kühllufttemperatur aufgetragen gegen den relativen Versorgungsdruck (Druck der Kühlluft geteilt durch Druck des Heißgases) der jeweiligen Leitschaufel 130 im Verdichter 105, jeweils für die Konfiguration aus FIG 2. Hin- terlegt ist der dem jeweiligen Punkt entsprechende Massenstrom der Kühlluft, dargestellt in der Legende 184.

FIG 10 beschreibt das Regelkonzept an einer realen Gasturbine 100 bei Grundlastbetrieb: Der Kasten 185 beschreibt den mög- liehen Betriebsbereich einer druckgeregelten Verdichterentnahme mit Wassereindüsung, der Kasten 187 beschreibt die druckgeregelte, höherliegende Verdichterentnahme bzw. den Verdichterendraum mit Wassereindüsung. Als untere Grenze des Versorgungsdrucks gilt stets die back flow margin, darge- stellt durch Linie 189, die unabhängig vom Betriebsregime nicht unterschritten werden darf. Dieses ist insbesondere bei filmgekühlten Schaufeln von Bedeutung.

Die Auslegung der Schaufel erfolgt unter Nominalbedingung un- ter Optimierung von Kosten, Lebensdauer und Kühlluftverbrauch. Der zugehörige Betriebspunkt ist dargestellt durch Punkt 191. Ausgehend von diesem Punkt 191 ist es möglich, Versorgungsdruck und Temperatur so zu variieren (Kurve 193), dass Schaufeltemperatur und Temperaturgradient unter Nominal - bedingungen identisch sind und damit keine Einschränkung für die Lebensdauer zu erwarten ist. Bei Ausfall des Einspritzsystems 163 kann über Öffnen des Durchflussregelventils 153 die thermische Belastung der Schaufel identisch gehalten werden, allerdings auf Kosten von Kühlluftmehrverbrauch, siehe Punkt 195. Eine Umschaltung auf die höhere Entnahme, d. h. die Luftentnahmeeinrichtung 149 soll noch nicht erforderlich sein .

Bei höheren Verbrennungstemperaturen (normales Überfeuern, siehe Punkt 197) muss unter Wassereindüsung bei gleichen Versorgungstemperaturen der Versorgungsdruck erhöht werden, um die Lebensdauer der Schaufel nicht erheblich zu reduzieren. Um ein normales Überfeuern bei gleichzeitigem Ausfall des Einspritzsystems 163 zu ermöglichen, muss eventuell auf die höherliegende Entnahme umgeschaltet werde, siehe Punkt 201, auf Kosten des Kühlluftverbrauchs .

Wenn bei starker Überfeuerung der Versorgungsdruck der vorhandenen Entnahme nicht ausreicht, um die Lebensdauer der Schaufel zu gewährleisten, ermöglicht das System eine Um- schaltung auf die höherliegende Entnahme, siehe Punkt 199, mit Wassereindüsung und mit ausreichenden Versorgungsdruck bei moderatem Kühlluftmehrverbrauch . Bei Ausfall des Einspritzsystems 163 muss hinreichender Druck der höherliegenden Entnahme vorgehalten werden, siehe Punkt 203. Im Fall einer Unterfeuerung kann der Versorgungsdruck so reduziert werden, dass eine Kühllufteinsparung zur Wirkungsgradsteigerung erreicht werden kann, siehe Punkt 205. Dabei sind die technischen Grenzen der Schaufel (BFM-Linie 189) zu berücksichtigen. Bei Ausfall des Einspritzsystems 163 kann hier ebenfalls der Kühlluftdruck erhöht werden, siehe Punkt 205.

FIG 11 zeigt das zu FIG 10 analoge Diagramm für den Fall niedriger Teillast. Aufgrund der physikalisch gegebenen Ver- dichtercharakteristik sind erheblich niedrigere Entnahmedrücke zu erwarten, gekennzeichnet durch ein Verschieben der Kästen 185 und 187 zu kleineren Versorgungsdrücken. Bei Unterschreitung der BFM-Linie 189 wird unabhängig von der thermischen Belastung auf die höhere Entnahme umgeschaltet, siehe Punkt 209.

Wird bei Teillast zur CO-Reduzierung stark überfeuert, wird unter Wassereindüsung der Versorgungsdruck erheblich erhöht, siehe Pfeil 211, um die Lebensdauer der Schaufel nicht zu re- duzieren. Weiterhin wird gleichzeitig bei maximaler Wassereindüsung und maximalem Versorgungsdruck (siehe Punkt 213) der Kühlluftverbrauch erhöht, was das Potential der CO-Reduzierung erheblich erhöht.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine (100) mit einer Brennkammer (106) und einem Sekundärluftsystem (145), bei dem in zumindest zwei, mit unterschiedlichen Drücken beaufschlagten, strömungsmediumsseitig vor der Brennkammer (106) liegenden Bereichen Luft entnommen und in einen

strömungsmediumsseitig nach der Brennkammer (106) liegenden Bereich zumindest teilweise eingeführt wird, wobei Menge, Druck und Temperatur der eingeführten Luft geregelt werden, indem die Menge der an dem jeweiligen Entnahmebereichen entnommenen Luft gesteuert wird und wobei Kühlmittel mittels eines Einspritzsystems (163) in die entnommene Luft eingespritzt wird und die Menge des eingespritzten Kühlmittels ge- steuert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1,

bei dem bei einem Ausfall des Einspritzsystems (163) die Menge der eingeführten Luft erhöht wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem bei einer Erhöhung der Verbrennungstemperatur der Druck und/oder die Menge der eingeführten Luft erhöht wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem bei einer Erhöhung der Verbrennungstemperatur die Menge des eingespritzten Kühlmittels erhöht wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem bei einer Senkung der Verbrennungstemperatur der

Druck und/oder die Menge der eingeführten Luft gesenkt (Kühl- lufteinsparung) wird .

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem bei einer Leistungssenkung der Gasturbine (100) der Anteil der in dem mit dem höheren Druck beaufschlagten Bereich entnommenen Luft erhöht wird.

7. Sekundärluftsystem für eine Gasturbine (100) mit einer Brennkammer (106), umfassend zumindest zwei, jeweils mit mit unterschiedlichen Drücken beaufschlagten, stromungsmediumsseitig vor der Brennkammer (106) liegenden Bereichen der Gas- turbine verbundene Luftentnahmevorrichtungen (147, 149), die ausgangsseitig mit einer mit einem stromungsmediumsseitig nach der Brennkammer liegenden Bereich der Gasturbine (100) verbundenen Lufteinführeinrichtung (161) verbunden sind, wobei jeder der Luftentnahmevorrichtungen (147, 149) ein Durch- flussregelventil (153, 157) zugeordnet ist und wobei das Se- kundärluftsystem (145) ein Einspritzsystem (163) für Kühlmittel umfasst, dem ein Durchflussregelventil zugeordnet ist.

8. Gasturbine (100) mit einem Sekundärluftsystem (145) nach Anspruch 7.

9. Gasturbine (100), betrieben mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6.

10. Kraftwerksanlage mit einer Gasturbine (100) nach Anspruch 8 oder 9.