Verfahren zum Testen eines Überdrehzahlschutzes einer GuD-Einwellenanlage

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Testen eines Überdrehzahlschutzes einer GuD-Einwellenanlage (1), wobei während des Testbetriebs eine elektrische Last zunächst am Generator (4) angeschlossen ist und zu einem Testzeitpunkt ein Lastabwurf erfolgt und ein Auslösegrenzwert erreicht werden kann, wodurch der Überdrehzahlschutz ausgelöst wird.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Testen eines Überdrehzahlschutzes einer GuD-Einwellenanlage, wobei während eines Testbetriebs die Gasturbine und Dampfturbine mit einer Test-Drehzahl betrieben werden, wobei der Generator mit einer angeschlossenen Last betrieben wird und während des Testbetriebs ein Lastabwurf erfolgt.

[0002] Zum sicheren Betrieb einer Gas- und Dampfturbinenanlage ist es erforderlich, dass die Drehzahlen ermittelt und überwacht werden. In der Regel liegt die Drehzahl eines Gas- und Dampfturbinenkraftwerks bei einer konstanten Frequenz von 50 Hz bzw. 60 Hz. Unter Umständen kann es vorkommen, dass diese Drehzahl überschritten wird, was als Überdrehzahl bezeichnet werden kann. Sofern diese Überdrehzahl einen kritischen Wert übersteigt, sollte ein Schutzmechanismus erfolgen, indem Maßnahmen ergriffen und ein weiteres Ansteigen der Drehzahl verhindert werden. In der Regel wird hierbei ein Abschalten der Dampfzufuhr zur Dampfturbine und ein Abschalten der Brennstoffzufuhr zur Gasturbine erfolgen. In diesem Fall wird somit ein Trip der Dampfturbine nach der Gasturbine erfolgen.

[0003] Bisher konnten die Testmechanismen für den Überdrehzahlschutz von Dampf- und Gasturbinenanlagen überprüft werden, indem der Auslösegrenzwert für den Überdrehzahlschutz auf eine gegenüber der Betriebsdrehzahl geringere Drehzahl gesetzt wird. Im Testbetrieb kann diese geringere Testdrehzahl überschritten werden und überprüft werden, ob der Überdrehzahlschutz funktioniert.

[0004] Wünschenswert wäre es allerdings, diesen Testbetrieb auch mit Original-Auslösegrenzwerten durchzuführen. Das bedeutet, dass die Prüfung des Überdrehzahlschutzes von den Betriebsdrehzahlen aus erfolgen soll. Dies ist ebenso wünschenswert unter dem Aspekt, dass in bestimmten Ländern ein Gesetz solch einen Überdrehzahlschutz vorschreibt, der mit Original-Auslösegrenzwerten erfolgen soll. Solch eine Prüfung kann bei Einwellenanlagen nur gemeinsam für Gas- und Dampfturbine unter Berücksichtigung der zulässigen Auslegungsparameter durchgeführt werden.

[0005] Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein Verfahren zum Testen einer GuD-Einwellenanlage anzugeben, wobei der Überdrehzahlschutztest von Betriebsdrehzahlen aus durchführbar ist.

[0006] Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Testen eines Überdrehzahlschutzes einer GuD-Einwellenanlage, wobei während eines Testbetriebs die Gasturbine und Dampfturbine mit einer Testdrehzahl betrieben werden, wobei der Generator mit einer angeschlossenen Last betrieben wird, wobei während des Testbetriebs ein Lastabwurf erfolgt, wobei die Drehzahl der Dampfturbine sich erhöht und bei Erreichen eines DT-Auslösegrenzwertes ein DT-Überdrehzahlschutz ausgelöst wird.

[0007] Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung ist somit, dass die Dampf- und Gasturbine auf eine Test-Drehzahl, die der Betriebsdrehzahl von 50 Hz bzw. 60 Hz entspricht, ein elektrischer Generator angetrieben wird, wobei an den elektrischen Generator eine elektrische Last angeordnet ist. Diese elektrische Last führt zu einem erhöhten Drehmoment an den Rotoren der Gas- und Dampfturbine. Durch einen Lastabwurf, d.h. die elektrische Last wird schlagartig abgeschaltet, ändert sich das Entgegenwirken des Drehmoments an den Gas- und Dampfturbinenrotoren, was zur Folge hat, dass die Drehzahl sich mehr oder weniger schlagartig erhöht, da die Regelung der Dampfzufuhr und Brennstoffzufuhr zur Gasturbine in Folge der Trägheit des Systems nicht nachkommt.

[0008] Durch den Lastabwurf erhöht sich somit die Drehzahl der Dampfturbine und zwingend der Gasturbine und soll bei Erreichen eines DT-Auslösegrenzwertes ein DT-Überdrehzahlschutz ausgelöst werden.

[0009] Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

[0010] In einer ersten vorteilhaften Weiterbildung erreicht die Dampfturbine den DT-Auslösegrenzwert zunächst, wobei der DT-Überdrehzahlschutz ausgelöst wird und anschließend erreicht die Gasturbine einen GT-Grenzwert, wobei der GT-Überdrehzahlschutz nach Erreichen des GT-Grenzwertes ausgelöst wird. Somit werden in dieser vorteilhaften Weiterbildung zwei Auslösebedingungen nacheinander erreicht werden müssen, um zuerst den Überdrehzahlschutz der Dampfturbine und danach der Gasturbine auszulösen. Zunächst müsste der DT-Auslösegrenzwert erreicht werden und anschließend der GT-Grenzwert.

[0011] In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung befindet sich die Dampfturbine im Testbetrieb in einem vollständig durchgewärmten Zustand. Das bedeutet, dass die Betriebsparameter der Dampfturbine im Testbetrieb idealerweise erreicht werden und keine temporären Effekte im scharfen Betrieb zu berücksichtigen sind.

[0012] In einer vorteilhaften Weiterbildung wird die Gasturbine im Testbetrieb mit geringerer Leistung betrieben.

[0013] In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird die Gasturbine im Testbetrieb mit einer konstanten Abgastemperatur betrieben.

[0014] In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird zwischen dem Auslösen des DT-Überdrehzahlschutzes und dem Lastabwurf eine Zeit t_Auslösung vergehen und es gilt t_Auslösung < t_max, wobei ein Dampfturbinen-Trip erfolgt, sofern t_Auslösung > t_max ist und das Auslösen des DT-Überdrehzahlschutzes noch nicht erfolgt ist.

[0015] Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Die Figuren zeigen in schematischer Weise:

Figur 1

eine schematische Übersicht einer GuD-Einwellenanlage,

Figur 2

einen Drehzahlverlauf nach einem Lastabwurf.

[0016] Die Figur 1 zeigt eine GuD-Einwellenanlage 1. Diese GuD-Einwellenanlage 1 umfasst ein Dampfturbine 2, eine Gasturbine 3 und einen elektrischen Generator 4, die über eine gemeinsame Welle 5 drehmomentübertragend miteinander verbunden sind. Zwischen der Gasturbine 3 und dem elektrischen Generator 4 ist eine Kupplung 6 angeordnet, mit der die Drehmomentübertragung unterbrochen werden kann.

[0017] An einem Ausgang 7 des elektrischen Generators 4 ist über einen Schalter 8 ein elektrischer Verbraucher 9 bzw. eine elektrische Last 9 angeschlossen. In Figur 1 ist der Schalter 8 im geschlossenen Zustand dargestellt.

[0018] Die Figur 2 zeigt einen Drehzahlverlauf der Gasturbine (n_GT) und der Dampfturbine (n_DT). Die in Figur 2 dargestellten Drehzahlverläufe zeigen den Drehzahlverlauf der Gasturbine 3 und der Dampfturbine 2 bei geschlossener Kupplung 6. Zunächst wird die Gasturbine 3 und Dampfturbine 2 mit einer konstanten Drehzahl von 3000 Umdrehungen pro Minute betrieben. Zum Zeitpunkt t = t_Lastabwurf wird der elektrische Verbraucher 9 über den Schalter 8 vom Generator 4 getrennt. Die Folge ist, dass die Drehzahl der Gasturbine (n_GT) und der Dampfturbine (n_DT) kurzzeitig hoch geht und sofern ein Auslösegrenzwert erreicht wurde, ein Trip der Dampfturbine 2 3 erfolgt, was zu einem starken Absinken der Drehzahl, wie in Figur 2 erkennbar ist, führt.

[0019] Der scharfe Überdrehzahlschutz muss mit einem, gegenüber dem normalen Betrieb, unveränderten Auslösegrenzwert des Überdrehzahlschutzes erfolgen. Während des Tests werden die Gasturbine 3 und Dampfturbine 2 bis zum Auslösegrenzwert des zugehörigen Überdrehzahlschutzes definiert beschleunigt. Der Überdrehzahlschutz muss bei Überschreiten der Auslösegrenzwerte die entsprechende Aktuatorik von Gasturbine 3 und Dampfturbine 2 absteuern und so kritische Überdrehzahlen verhindern. Der scharfe Überdrehzahlschutztest ist im Sinne der funktionalen Sicherheit keine echte Anforderung an den Schutz, da die Regler die entsprechenden Auslösegrenzwerte mit definierter Dynamik anfahren und es nicht zu einer kritischen Überdrehzahl kommt.

[0020] Bei GuD-Einwellenanlagen 1 sind sowohl die Gasturbine 3 als auch die Dampfturbine 2 mit je einem separaten Überdrehzahlschutz ausgestattet. Aufgrund der mechanischen Kupplung 6 zwischen der Gasturbine 3 und der Dampfturbine 2 bei Einwellenanlagen kann die Drehzahl der Dampfturbine 2 nicht höher sein als die Drehzahl der Gasturbine 3. Weiterhin muss von der Gasturbine 3 eine ausreichende Kesselleistung für den scharfen Überdrehzahltest der Dampfturbine 2 bereitgestellt werden. Somit kann der Überdrehzahltest der Dampfturbine 2 nicht unabhängig von der Gasturbine 3 erfolgen. Das Verfahren zum Testen des Überdrehzahlschutzes der GuD-Einwellenanlage 1 erfolgt folgendermaßen: während eines Testbetriebs wird die Gasturbine 3 und die Dampfturbine 2 mit einer Testdrehzahl betrieben, die der Betriebsdrehzahl von 3000 Umdrehungen pro Minute gleicht. Der Generator 4 wird mit einer angeschlossenen Last 9 betrieben, wobei während des Testbetriebes zum Zeitpunkt t_Lastabwurf ein Lastabwurf erfolgt, wodurch die Drehzahl der Dampfturbine 2 und der Gasturbine 3 sich erhöht und bei Erreichen eines DT-Auslösegrenzwertes ein DT-Überdrehzahlschutz und bei Erreichen des GT-Auslösegrenzwertes ein GT-Überdrehzahlschutz ausgelöst wird. Die Folge ist, dass die Drehzahl der Dampfturbine 2 und der Gasturbine 3 verringert wird.

[0021] Das Massenträgheitsmoment bzw. die Anlaufzeitkonstante beeinflusst das dynamische Verhalten von Gasturbine 3 und Dampfturbine 2 nach dem Lastabwurf. Das Verhältnis der Anlaufzeitkonstanten hat einen Einfluss auf die Wahl des Auslösegrenzwertes.

[0022] Ein Lastabwurf führt bei der GuD-Einwellenanlage 1 automatisch zu einem Schnellschluss der Dampfturbine 2. Daher kann der Auslösegrenzwert des Dampfturbinen-Überdrehzahlschutzes ohne Reduzierung der Anlagenverfügbarkeit auch einen Wert knapp oberhalb der maximalen Netzfrequenz (beispielsweise 61,5 Hz) eingestellt werden (z.B. bei 104%). Der Abstand zwischen maximaler zulässiger Netzfrequenz und Auslösegrenzwert des Dampfturbinen-Überdrehzahlschutzes wird so gewählt, dass es während des Betriebs zu keinem unerwünschten Trip kommt.

[0023] Eine weitere Randbedingung ist, dass der Auslösegrenzwert des Dampfturbinen-Überdrehzahlschutzes nicht größer ist als der Auslösegrenzwert des Gasturbinen-Überdrehzahlschutzes.

[0024] Der Auslösegrenzwert des Gasturbinen-Überdrehzahlschutzes muss auf einen Wert oberhalb der maximalen Drehzahl nach einem Lastabwurf und unterhalb der kritischen Überdrehzahl eingestellt werden. Die Wahl des Auslösegrenzwertes muss derart erfolgen, dass die Dampfturbine 2 vor der Gasturbine 3 den Auslösegrenzwert erreicht.

[0025] Die Leittechnik der Gasturbine 3 und Dampfturbinen 2 einer GuD-Einwellenanlage 1 wird derart erweitert, dass ein Schalter installiert wird, mit dem der scharfe Überdrehzahltest aktiviert wird. Diese Funktion wird nach einem maximalen einzustellenden Zeitraum automatisch deaktiviert, um die Dampfturbine 2 vor Kontakt mit zu kaltem Dampf zu schützen. Der maximale Zeitraum muss entsprechend der Dauer des scharfen Überdrehzahltests gewählt werden mit der Randbedingung, dass die Dampftemperaturen während des Tests im zulässigen Bereich bleiben. Das Verfahren zeichnet sich folgendermaßen aus: in Abhängigkeit des Schalters wird bei der Gasturbine 3 zunächst die Lastabwurferkennung blockiert und ein automatisiertes, beispielsweise ein zeitversetztes Öffnen des Schalters 8 des Generators 4 erzeugt. Bei der Dampfturbine 2 wird in Abhängigkeit des Schalters zunächst der Drehzahlreglersollwert auf einen Wert knapp oberhalb des Auslösegrenzwertes des Dampfturbinen-Überdrehzahlschutzes, der beispielsweise bei 105% liegen kann, eingestellt, wobei der Regler den Grenzwert mit definierter Beschleunigung anfahren soll. Die Höhe der Beschleunigung beeinflusst die Testdauer. Danach wird der Grenzfrequenzeinfluss deaktiviert und anschließend wird der Einfluss der Gasturbinenfeuerleistung auf den Dampfturbinenregler unterdrückt. Hierbei muss anschließend ggf. der Gesamtschnellschluss bei Kupplungsstörungen für die Dauer des Überdrehzahltests geregelt werden, der nur erforderlich ist, wenn die Gasturbine 3 durch den Gesamtschnellschluss vor Erreichen des Auslösegrenzwertes getrippt wird.

[0026] Das Verfahren zum Testen des Überdrehzahlschutzes der GuD-Einwellenanlage 1 erfolgt, sofern die Dampfturbine 2 vollständig durchgewärmt ist und länger als 5 Stunden im Betrieb ist. Die Gasturbine 3 wird mit möglichst geringer Leistung und konstanter Abgastemperatur betrieben, was durch den IGV-Punkt widergespiegelt wird. Durch Betätigen des Schalters in der Leittechnik wird der Überdrehzahltest aktiviert. Bei aktiviertem Überdrehzahltest werden die notwendigen Umschaltungen automatisiert erfolgen, und etwas verzögert erfolgt das automatisierte Öffnen des Schalters 8. Anschließend fahren die Gasturbine 3 und Dampfturbine 2 den Auslösegrenzwert definiert an. Die Dampfturbine 2 erreicht ihren Auslösegrenzwert als erstes, wobei die Gasturbine 3 kurz danach ihren Auslösegrenzwert erreicht. Dieser Gesamtvorgang darf eine bestimmte einzustellende Zeit nicht überschreiten, da der Dampf dann unzulässig kalt wird. Daher wird die Funktion scharfer Überdrehzahltester aktiv automatisch nach einigen Sekunden, die eingestellt werden können, deaktiviert, wodurch ein Dampfturbinentrip erzeugt wird.

Ansprüche

1. Verfahren zum Testen eines Überdrehzahlschutzes einer GuD-Einwellenanlage (1),
wobei während eines Testbetriebs die Gasturbine (3) und Dampfturbine (2) mit einer Testdrehzahl betrieben werden, wobei der Generator (4) mit einer angeschlossenen Last betrieben wird,
wobei während des Testbetriebs ein Lastabwurf erfolgt, wobei die Drehzahl der Dampfturbine (2) sich erhöht und bei Erreichen eines DT-Auslösegrenzwertes ein Überdrehzahlschutz ausgelöst wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
bei dem die Dampfturbine (2) den DT-Auslösegrenzwert zunächst erreicht und anschließend die Gasturbine (3) einen GT-Grenzwert erreicht und der Überdrehzahlschutz nach Erreichen des DT-Grenzwertes ausgelöst wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2,
wobei der GT-Überdrehzahlschutz nach Erreichen des GT-Grenzwertes ausgelöst wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3,
wobei die Dampfturbine (2) im Testbetrieb in einem vollständig durchgewärmten Zustand sich befindet.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gasturbine (3) im Testbetrieb mit geringer Leistung betrieben wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gasturbine (3) im Testbetrieb mit einer konstanten Abgastemperatur betrieben wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen dem Auslösen des DT-Überdrehzahlschutzes und dem Lastabwurf eine Zeit t_auslösung vergeht und es gilt t_Auslösung < t_max, wobei ein Dampfturbinen-Trip erfolgt sofern t_Auslösung > t_max ist und das Auslösen des DT-Überdrehzahlschutzes noch nicht erfolgt ist.

Zeichnung