Kesselspülen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Spülen eines Abhit zedampferzeugers einer Kraftwerksanlage.

Stationäre Gasturbinen und Verfahren zum Betrieb der Gastur binen sind aus dem verfügbaren Stand der Technik in umfang reicher Art und Weise bekannt. Gasturbinen moderner Bauart, welche zur Erzeugung elektrischer Energie eingesetzt werden, weisen in der Regel einen axial durchströmbaren Verdichter, eine oder mehrere Brennkammern und eine Turbineneinheit auf. Im Betrieb wird ein der Brennkammer zugeführter Brennstoff mit Hilfe der vom Verdichter verdichteten Umgebungsluft zu einem Heißgas verbrannt, welches sich in der Turbineneinheit an dem Rotor der Gasturbine arbeitsleistend entspannt. Der Rotor treibt dann einen Generator an, welcher die mechanische Energie in elektrische Energie verlustarm umwandelt und in ein Stromverteilungsnetz einspeist.

Bekanntermaßen spielen kurze Startzeiten der Gasturbine, ins besondere bei Kraftwerksanlagen zur Abdeckung von Lastspit zen, auf dem Gasturbinenmarkt eine immer größere Rolle, da für die Kraftwerksbetreiber kurze Startzeiten finanziell re levant sind (Verfügbarkeit). Ein Beispiel für ein Verfahren zum schnellen Gasturbinenanlagenstart offenbart die EP 2644 839 Al, wonach bei dem Start der Gasturbine der Generator vor Erreichen der Betriebsdrehzahl der Gasturbine über den Fre quenzumformer an das elektrische Netz angeschlossen wird, wo bei der Frequenzumformer so angesteuert wird, dass er einen Ausgangsstrom mit der Netzfrequenz erzeugt.

Um die heißen Abgase der Gasturbine zu nutzen, ist in einer Gas- und Dampfturbinenanlage der Gasturbine abgasseitig ein Abhitzedampferzeuger (Kessel) nachgeschaltet, dessen Heizflä chen in den Wasser-Dampf-Kreislauf einer Dampfturbine ge schaltet sind. Für derartige Anlagen ist es typischerweise erforderlich, vor dem Zünden der Gasturbine ein sogenanntes Kesselspülen durch zuführen, bei dem die Gasturbine auf eine sogenannte Spül drehzahl gebracht und mit Frischluft gespült wird, bis si chergestellt ist, dass alle explosiven Brennstoffgemische aus dem Abhitzedampferzeuger gespült sind. Der Vorgang des Kes- selspülens wird auch als Belüftung bzw. Vorbelüftung bezeich net, der Begriff des Spülens (englisch: purge) ist für den Vorgang aber treffender. Hierzu gibt es explizite Vorgaben und Regelwerke. Insbesondere nachdem ein Trip (ungeplante o- der Notabschaltung) ausgelöst wurde, müssen vor dem nächsten Gasturbinenstart Abgastrakt und Abhitzedampferzeuger gespült werden. Die DE 19959 342 Al offenbart in diesem Zusammenhang ein Kombikraftwerk und führt aus, dass es üblich und aus si cherheitstechnischen Gründen vorgeschrieben sei, nach einer Betriebsunterbrechung den Abhitzedampferzeuger vor einem er neuten Anfahren der Anlage mit Luft zu spülen. Eine derartige Kesselspülung dauert incl. Beschleunigung und Auslaufen je nach Kesselvolumen ca. 15 Minuten. Wie bei den reinen Gastur binenanlagen sind kurze Startzeiten auch bei Gas- und Dampf turbinenanlagen finanziell relevant.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist darin zu sehen, dass nach einer Gasturbinenabfahrt von Last bei Nenndrehzahl, die Abgastemperatur mit einem sehr hohen Gradienten sinkt. Falls es sich hierbei um einen Trip handelt, muss vor dem nächsten Gasturbinenstart zwingend ein Kesselspülen stattfinden. Bei einem Heißstart erhöht dies die Spannungen in den Gasturbinen und an den dickwandigen Bauteilen des Abhitzedampferzeugers, weil zum Spülen vergleichsweise kalte Umgebungsluft angesaugt und sowohl durch die Gasturbine als auch den Abhitzedampfer zeuger geblasen wird. Außerdem kühlt das Gasturbinengehäuse schneller ab als der Rotor. Dies führt zu kleineren Spalten an der Gasturbine, die in einer Spielüberbrückung (Rubs) re sultieren können. Mittelfristig gesehen verschlechtert die Gasturbine dadurch die Dichteigenschaften durch Spaltvergrö ßerung und ein Wirkungsgradverlust ist vorauszusehen. Dieses Problem ließe sich durch Erhöhung der Kaltspalte bei der Gas turbine lösen, führt aber zu schlechteren Wirkungsgraden. Au ßerdem müsste der Abhitzedampferzeuger teurer (höherwertige Materialien) ausgelegt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Spülen eines Abhitzedampferzeugers einer Kraftwerksanlage anzugeben.

Die Erfindung löst diese Aufgabe, indem sie vorsieht, dass bei einem derartigen Verfahren zum Spülen eines Abhitzedampf erzeugers einer Kraftwerksanlage mit einer Gasturbine, umfas send einen Rotor, und mit einem an die Gasturbine gekoppelten Generator und einem Anfahrumrichter zum Umwandeln von einem Wechselstrom beliebiger Frequenz in einen Wechselstrom vorge gebener Frequenz, wobei der Anfahrumrichter mit einem Ausgang des Generators verbunden ist, an dem der Wechselstrom belie biger Frequenz anliegt, beim Abfahren der Gasturbine der Ro tor mit Hilfe des Anfahrumrichters bei einer Kesselspüldreh zahl abgefangen wird und der Abhitzedampferzeuger so lange weitergespült wird, bis Vorgaben zum Spülen des Abhitzedampf erzeugers erfüllt sind. Als Kesselspüldrehzahl ist die Dreh zahl zu verstehen, mit der die Gasturbine im Spülbetrieb be trieben wird, d.h. die Drehzahl ist ausreichend hoch, dass ein durch Normen geforderter Volumenaustausch im Abhitze dampferzeuger erfolgt, damit möglicherweise vorhandene Reste von unverbranntem Brennstoff sicher entfernt und so bei spielsweise eine unerwünschte Selbstentzündung vermieden wer den. Anders ausgedrückt bedeutet dies für den Rotor, dass er beispielsweise ausgehend von einer Nenndrehzahl sich beim Ab fahren der Gasturbine immer langsamer dreht, jedoch ohne die Kesselspüldrehzahl für eine vorgegebene Dauer zu unterschrei ten. Anstelle des klassischen Kesselspülens nach einem Trip und vor dem Wiederstart, ist es möglich, das Spülvolumen beim Abfahren der Gasturbine (von Nenndrehzahl ausgehend) unter folgenden Voraussetzungen zu nutzen:

• Das BrennstoffSystem umfasst aufgrund der einschlägigen sicherheitstechnischen Vorschriften üblicherweise ein Gasschloss. Ein Gasschloss umfasst zwei Armaturen, bei- spielsweise Kugelhähne, die für einen Gasdurchfluss zu öffnen oder zu schließen sind. Zwischen diesen beiden Armaturen ist eine Zwischenentlastung oder eine Druck leitung angeschlossen. Dieses Gasschloss ist geschlossen (passiert nach wenigen Sekunden).

• Die Gasturbine fährt oberhalb der Kesselspüldrehzahl.

• Lufteinlass- und Kaminklappe sind geöffnet.

Vorzugsweise wird ab Erreichen einer Kesselspüldrehzahl der Gasturbine eine Gasturbinendrehzahl wiederholt auf- und abge fahren, jedoch ohne die Kesselspüldrehzahl zu unterschreiten. Dies vermeidet ein längeres Verweilen der Gasturbine in Be reichen kritischer Frequenzen (Eigenfrequenzen).

Bevorzugt wird die Gasturbinendrehzahl mindestens solange wiederholt auf- und abgefahren, bis eine Mindestdauer für ei nen Spülvorgang erreicht ist. Dabei ist es zweckmäßig, ent sprechende (internationale) Normen einzuhalten, wie bei spielsweise die Mindestdauer für den Spülvorgang, die typi scherweise 5 Minuten beträgt, da ein bestimmter Volumenaus tausch im Kessel zum erfolgreichen Abschluss des Spülens not wendig ist (in der Norm NFPA85 gibt es beispielsweise die An forderung „mindestens 5 Minuten"). Um dies sicherzustellen, kann beim Abfahren der Gasturbine der Rotor mit Hilfe des An fahrumrichters bei der Kesselspüldrehzahl abgefangen und so lange weitergespült werden, bis die o.g. Anforderungen er füllt sind.

Es ist zweckmäßig, die Gasturbinendrehzahl oberhalb der Kes selspüldrehzahl zu halten, denn auch sie ist für den Spülvor gang genormt und beträgt typischerweise 8% der Nenndrehzahl.

Mit der Erfindung wird bereits die Abfahrt der Gasturbine als Kesselspülung genutzt. Ferner wird der Anfahrumrichter beim Auslaufen der Gasturbine genutzt, um das Kesselspülen so zu gestalten, dass alle Normanforderungen in möglichst kurzer Zeit erfüllt werden. Außerdem wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Spülen von noch heißen Bauteilen von Gasturbine und Abhitzedampferzeuger mit vergleichsweise kalter Umge bungsluft vermieden.

Dieses Verfahren verbessert die Startverfügbarkeit, verlän gert die Bauteillebensdauer und verschafft der Kraftwerksan lage einen Performance-Vorteil durch kleinere Designspalte bzw. weniger „Anstreif "-Vorfälle in der Gasturbine.

Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Figuren näher er läutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich:

Figur 1: eine an ein elektrisches Versorgungsnetz angeschlos sene Gasturbine und

Figur 2: die Gasturbinendrehzahl beim Abfahrvorgang nach der Erfindung.

Die Figur 1 zeigt eine Gasturbine 1 mit Verdichter 2, Brenn kammer 3 und Turbine 4 mit Rotor 12. Im Ausführungsbeispiel der Figur 1 sind Verdichter 2 und Turbine 4 auf einer gemein samen Welle 5 angeordnet. Ebenfalls auf der Welle 5 angeord net ist ein Generator 6, der über einen Anfahrumrichter 7 mit einem Energieversorgungsnetz 8 verbunden ist.

Figur 2 zeigt schematisch und beispielhaft die Gasturbinen drehzahl über der Zeit beim Abfahren einer Gasturbine 1 nach dem erfinderischen Verfahren.

Nach Abschaltung der Verbrennung verringert sich die Drehzahl der Gasturbine 1, wobei die Änderungsgeschwindigkeit der Drehzahl mit der Zeit ebenfalls abnimmt. Ohne einen weiteren Eingriff von außen wird eine für Spülvorgänge relevante Dreh zahl-Untergrenze 9, die in der Figur 2 bei 8% der Nenndreh zahl eingezeichnet ist, bei etwa 300s unterschritten und fällt weiter ab (Kurve mit Bezugszeichen 10).

Ein weiteres Kriterium für eine ausreichende Spülung ist de ren Dauer bei einer Drehzahl oberhalb der Drehzahl-Unter grenze 9. Diese Dauer liegt bei 5 Minuten. Da aber der Beginn einer Spülung nicht unmittelbar bei t=0s zu sehen ist, son dern ein paar Sekunden später (die Figur zeigt eine eher kon servative Annahme), weil ein Gasschloss in der BrennstoffZu fuhr erst geschlossen sein muss, sind die Bedingungen (Inten- sität und Dauer) für eine erfolgreiche Spülung zum Zeitpunkt t=300s nicht erfüllt.

Hier setzt die Erfindung an und fängt die Gasturbine 1 mit hilfe des Anfahrumrichters 7 ab und hält die Drehzahl ober- halb der für den Spülvorgang relevanten Drehzahl-Untergrenze 9. Die Figur 2 zeigt hierzu eine Kurve 11 für einen idealen Spülvorgang mit Anfahrumrichter 7.

Die Drehzahl der Gasturbine 1 wird dabei solange oberhalb der Drehzahl-Untergrenze 9 gehalten, bis eine Mindestdauer für die Spülung erreicht ist. In der Figur 2 ist diese Mindest dauer durch die Zeitpunkte tl und t2 definiert. Die Fläche unter der Kurve 11 und zwischen tl und t2 stellt das Spülvo lumen dar.

Die Figur 2 zeigt ferner, dass die Drehzahl der Gasturbine 1 (durch den Anfahrumrichter 7) moduliert wird. Dies geschieht, um zu vermeiden, dass sich Eigenfrequenzen aufschaukeln und die Anlage schädigen.