[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen einer Überdrehzahlschutzeinrichtung
einer Einwellenanlage.
[0002] Bei einer Einwellenanlage zur Erzeugung von elektrischer Energie sind eine Gasturbine,
eine Dampfturbine und ein Generator auf einem gemeinsamen Strang angeordnet. Im Normalbetrieb
der Einwellenanlage wird die elektrische Energie in ein elektrisches Netz eingespeist
und der Strang rotiert mit einer Drehzahl, die der Nenndrehzahl der Einwellenanlage
entspricht, wie beispielsweise 50 Hz oder 60 Hz. Bei einem Störfall, insbesondere
bei einem Abfall der an dem Generator angeschlossenen elektrischen Last, kann die
Drehzahl auf Werte oberhalb der Nenndrehzahl ansteigen. Wenn die Drehzahl eine kritische
Drehzahl erreicht, ist eine Synchronität des von dem Generator erzeugten Stroms mit
dem Netz nicht mehr gegeben und/oder die Einwellenanlage wird mechanisch und thermisch
übermäßig belastet, was in einer Verkürzung der Lebensdauer der Einwellenanlage resultiert.
[0003] Bei Erreichen einer Grenzwertdrehzahl greift eine Überdrehzahlschutzeinrichtung,
die ein weiteres Ansteigen der Drehzahl des Strangs unterbindet, wobei die Grenzwertdrehzahl
herkömmlich derart gewählt wird, dass sie zwischen der Nenndrehzahl und der kritischen
Drehzahl liegt. Herkömmlich wird die Überdrehzahlschutzeinrichtung überprüft, indem
die Einwellenanlage in einem Testbetrieb betrieben wird, bei dem die Grenzwertdrehzahl
gegenüber der Grenzwertdrehzahl im Normalbetrieb abgesenkt wird, um dadurch während
des Testbetriebs eine übermäßige Belastung der Einwellenanlage zu vermeiden.
[0004] Wünschenswert wäre es jedoch im Testbetrieb die gleiche Grenzwertdrehzahl wie im
Normalbetrieb zu verwenden. Ein solcher Test ist zudem in einigen Ländern, wie beispielsweise
in Südkorea, zwingend vorgeschrieben.
[0005] Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Prüfen einer Überdrehzahlschutzeinrichtung
einer Einwellenanlage zu schaffen, wobei das Verfahren nicht zu einer übermäßigen
Belastung der Einwellenanlage führt.
[0006] Das erfindungsgemäße Verfahren zum Prüfen einer Überdrehzahlschutzeinrichtung einer
eine Gasturbine, einen Generator und eine Dampfturbine aufweisenden Einwellenanlage
weist die Schritte auf: a) Betreiben der Einwellenanlage bei deren Nenndrehzahl und
wobei an dem Generator keine elektrische Last angeschlossen ist; b) Erhöhen des Massenstroms
des in die Dampfturbine eingeleiteten Dampfs und/oder des in Gasturbine eingeleiteten
Brennstoffs derart, dass die Drehzahl der Dampfturbine eine Dampfturbinengrenzwertdrehzahl
erreicht, wobei die Überdrehzahlschutzeinrichtung derart eingerichtet ist, dass ein
erster Überdrehzahlschutz ausgelöst wird, sobald die Drehzahl der Dampfturbine die
Dampfturbinengrenzwertdrehzahl erreicht; c) Prüfen, ob der erste Überdrehzahlschutz
ausgelöst wird.
[0007] Indem die Dampfturbinengrenzwertdrehzahl durch Erhöhen des Massenstroms des Brennstoffs
und/oder des Dampfs erreicht wird und nicht etwa durch ein Abwerfen einer an den Generator
angeschlossenen elektrischen Last, kann die Dampfturbinengrenzwertdrehzahl vorteilhaft
langsam angefahren werden und eine kritische Drehzahl der Einwellenanlage vorteilhaft
vermieden werden. Dadurch kann eine übermäßige mechanische und thermische Belastung
der Einwellenanlage während des Prüfens der Überdrehzahlschutzeinrichtung vermieden
werden, wodurch die Lebensdauer der Einwellenanlage lang ist. Die übermäßige Belastung
kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren selbst dann vermieden werden, wenn für die
Gasturbinengrenzwertdrehzahl und die Dampfturbinengrenzwertdrehzahl die gleichen Grenzwertdrehzahlen
wie im Normalbetrieb der Einwellenanlage eingesetzt werden.
[0008] Bevorzugt ist die Dampfturbine mittels einer Kupplung an die Einwellenanlage gekuppelt,
wobei die Kupplung einkuppelt, sobald die Dampfturbine die Gasturbine überholt, und
auskuppelt, wenn die Drehzahl der Dampfturbine niedriger als die der Gasturbine ist,
wobei Schritt b) derart durchgeführt wird, dass die Dampfturbine schneller als die
Gasturbine beschleunigt wird, wodurch die Kupplung eingekuppelt bleibt. Dadurch, dass
die Kupplung eingekuppelt bleibt rotieren die Gasturbine und die Dampfturbine mit
der gleichen Drehzahl, während die Dampfturbine auf ihren Dampfturbinengrenzwert beschleunigt,
wodurch es somit vorteilhaft sichergestellt ist, dass dabei die Drehzahl der Gasturbine
eine kritische Drehzahl nicht erreicht.
[0009] Das Verfahren wird bevorzugt mit dem Schritt durchgeführt: d) Unterbrechen des Massenstroms
des in die Dampfturbine eingeleiteten Dampfs für den Fall, dass der erste Überdrehzahlschutz
ausgelöst wird. Das Unterbrechen des Massenstroms des Dampfs wird dazu führen, dass
die Kupplung auskuppelt und die Dampfturbine somit unabhängig von der Gasturbine und
dem Generator rotiert.
[0010] Es ist bevorzugt, das Verfahren mit den Schritten durchzuführen: e) Erhöhen des Massenstroms
des Brennstoffs derart, dass eine Gasturbinengrenzwertdrehzahl erreicht wird, die
höher als der Dampfturbinengrenzwertdrehzahl ist, wobei die Überdrehzahlschutzeinrichtung
derart eingerichtet ist, dass ein zweiter Überdrehzahlschutz ausgelöst wird, sobald
die Drehzahl der Gasturbine die Gasturbinengrenzwertdrehzahl erreicht; f) Prüfen,
ob der zweite Überdrehzahlschutz ausgelöst wird. Indem die Gasturbinengrenzwertdrehzahl
höher als die Dampfturbinengrenzwertdrehzahl ist, kann somit das Prüfen des zweiten
Überdrehzahlschutzes nach erfolgter Prüfung des ersten Überdrehzahlschutzes und unabhängig
von dieser Prüfung durchgeführt werden.
[0011] Im Folgenden wird anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen das erfindungsgemäße
Verfahren näher erläutert. Es zeigen:
- Figur 1
- eine schematische Ansicht einer Einwellenanlage,
- Figur 2
- einen zeitlichen Drehzahlverlauf der Einwellenanlage und
- Figur 3
- einen zeitlichen Leistungsverlauf der Einwellenanlage.
[0012] Wie es aus Figur 1 ersichtlich ist, weist eine Einwellenanlage 1 eine Gasturbine
2, eine Dampfturbine 3 und einen elektrischen Generator 4 auf. Die Gasturbine 2 und
die Dampfturbine 4 dienen zur Erzeugung von Rotationsenergie, wobei die Rotationsenergie
in dem Generator 4 in elektrische Energie umgewandelt wird. Der Generator 4 ist zwischen
der Gasturbine 2 und der Dampfturbine 3 angeordnet. Die Gasturbine 2 weist eine Gasturbinenwelle
5 und die Dampfturbine 3 weist eine Dampfturbinenwelle 6 auf. In Figur 1 ist dargestellt,
dass der Generator 4 und die Gasturbine 2 zusammen auf der Dampfturbinenwelle 5 angeordnet
sind. Es ist jedoch ebenfalls denkbar, dass für den Generator 4 eine separate Generatorwelle
vorgesehen wird, die mittels einer Kupplung an die Gasturbinenwelle 5 gekuppelt ist.
[0013] Die Dampfturbinenwelle 6 ist mittels einer Kupplung 7 mit der Gasturbinenwelle 5
verbunden. Die Kupplung 7 ist derart eingerichtet, dass sie einkuppelt, wenn die Dampfturbine
3 die Gasturbine 2 überholt, was bedeutet, dass die Drehzahl der Dampfturbine 3 höher
als die Drehzahl der Gasturbine 2 ist. Sobald die Kupplung 7 eingekuppelt ist, rotieren
die Gasturbine 2 und die Dampfturbine 3 mit der gleichen Drehzahl. Die Kupplung 7
ist weiterhin eingerichtet, dass sie auskuppelt, wenn die Dampfturbine 3 langsamer
als die Gasturbine 2 dreht. Die Kupplung 7 kann beispielsweise eine SSS-Kupplung sein.
Beim Anfahren der einen Einwellenanlage 1 wird zunächst die Gasturbine 2 beschleunigt,
wobei die Kupplung 7 ausgekuppelt ist. Die Abwärme der Gasturbine 2 wird benutzt,
um die Dampfturbine 3 anzutreiben. Sobald die Dampfturbine 3 ebenfalls beschleunigt
ist, kuppelt die Kupplung 7 ein.
[0014] Durch Schließen eines Schalters 9 ist ein elektrischer Verbraucher 10 an einen elektrischen
Anschluss 8 des Generators 4 anschließbar. Der Stromverbrauch des Verbrauchers 10
entspricht einer an den Generator 4 angeschlossenen elektrischen Last. Fällt nun die
an dem Generator 4 angeschlossene Last ab, ohne dass die Massenströme des in die Dampfturbine
3 eingeleiteten Dampfs und/oder des in die Gasturbine 2 eingeleiteten Brennstoffs
abgesenkt werden, so führt dies zu einem Ansteigen der Drehzahl der Einwellenanlage
1. Durch Öffnen des Schalters 9 wird sichergestellt, dass beim Prüfen der Überdrehzahlschutzeinrichtung
keine elektrische Last an den Generator 4 angeschlossen ist.
[0015] Um ein Ansteigen der Drehzahl der Einwellenanlage 1 auf einen kritischen Wert zu
vermeiden, weist die Einwellenanlage 1 eine Überdrehzahlschutzeinrichtung auf. Die
Überdrehzahlschutzeinrichtung ist dabei derart eingerichtet, dass ein erster Überdrehzahlschutz
ausgelöst wird, sobald die Drehzahl der Dampfturbine 3 eine Dampfturbinengrenzwertdrehzahl
13 erreicht, und ein zweiter Überdrehzahlschutz ausgelöst wird, sobald die Drehzahl
der Gasturbine 2 eine Gasturbinengrenzwertdrehzahl 14 erreicht. Bei einem Auslösen
des ersten Überdrehzahlschutzes kann beispielsweise der Massenstrom des Brennstoffs
und/oder der Massenstrom des Dampfs unterbrochen werden. Bei einem Auslösen des zweiten
Überdrehzahlschutzes kann ebenfalls der Massenstrom des Brennstoffs unterbrochen werden.
[0016] Figur 2 zeigt einen zeitlichen Drehzahlverlauf der Einwellenanlage und Figur 3 zeigt
die dazugehörigen zeitlichen Leistungsverläufe der Gasturbine 2 und der Dampfturbine
3. In Figur 2 ist über der Abszisse 11 die Zeit in willkürlichen Einheiten (w.E.)
und über der Ordinate 12 die Drehzahl aufgetragen, wobei die Drehzahl normiert auf
die Nenndrehzahl der Einwellenanlage 1 aufgetragen ist. Dargestellt sind die Solldrehzahl
15 der Dampfturbine 2, die Istdrehzahl 16 der Dampfturbine 2, die Solldrehzahl 21
der Gasturbine 3 und die Istdrehzahl 22 der Gasturbine 3. Ebenfalls in Figur 2 dargestellt
sind sowohl die Dampfturbinengrenzwertdrehzahl 13 als auch die Gasturbinengrenzwertdrehzahl
14, wobei die Gasturbinengrenzwertdrehzahl 14 höher als die Dampfturbinengrenzwertdrehzahl
13 ist. In Figur 3 ist über der Abszisse 17 die Zeit in den gleichen willkürlichen
Einheiten wie in Figur 2 und über die Ordinate 18 die Leistung aufgetragen.
[0017] Wie es aus Figuren 2 und 3 ersichtlich ist, wird im Zeitbereich von 0 bis 1 w.E.
die Einwellenanlage 1 bei deren Nenndrehzahl betrieben. Im Zeitbereich von 2 bis 6
w.E. werden beide Solldrehzahlen 15, 21 kontinuierlich auf einen Wert oberhalb der
Gasturbinengrenzwertdrehzahl 14 angehoben, wodurch sich auch beide Istdrehzahlen 16,
22 erhöht. Bei dem Zeitpunkt von 6 w.E. erreicht die Istdrehzahl 16 der Dampfturbine
3 die Dampfturbinengrenzwertdrehzahl 13, wodurch der erste Überdrehzahlschutz ausgelöst
wird. Dadurch wird der Massenstrom des in die Dampfturbine 3 eingeleiteten Dampfs
unterbrochen, wodurch die Kupplung 7 auskuppelt. Beim Zeitpunkt von 9 w.E. erreicht
die Istdrehzahl 22 der Gasturbine 2 die Gasturbinengrenzwertdrehzahl 14, wodurch der
zweite Überdrehzahlschutz ausgelöst wird. Dadurch wird der Massenstrom des in die
Gasturbine 2 eingeleiteten Brennstoffs unterbrochen.
[0018] Wie es aus Figur 3 ersichtlich ist, zeichnet sich der zeitliche Verlauf der Leistung
19 der Dampfturbine 3 dadurch aus, dass die Leistung 19 im Zeitbereich von 2 bis 7
w.E. kontinuierlich ansteigt, um dann durch das Auslösen des ersten Überdrehzahlschutzes
schlagartig auf Null abzufallen. Der zugehörige zeitliche Verlauf der Leistung der
Gasturbine 2 zeichnet sich durch einen kontinuierlichen Abfall bis zum Zeitpunkt von
7 w.E. aus, um anschließend kontinuierlich bis zum Zeitpunkt 11 w.E., wenn die Istdrehzahl
16 die Gasturbinengrenzwertdrehzahl 14 erreicht, kontinuierlich anzusteigen.
[0019] Anhand eines Beispiels wird im Folgenden das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert.
[0020] Das beispielhafte Verfahren zum Prüfen einer Überdrehzahlschutzeinrichtung einer
eine Gasturbine 2, einen Generator 4 und eine Dampfturbine 5 aufweisenden Einwellenanlage,
wobei die Dampfturbine 3 mittels einer Kupplung 7 an die Einwellenanlage 1 gekuppelt
ist, wobei die Kupplung 7 einkuppelt, sobald die Dampfturbine 3 die Gasturbine 2 überholt,
und auskuppelt, wenn die Drehzahl der Dampfturbine 3 kleiner als die der Gasturbine
2 ist, ist mit den Schritten durchzuführen: a) Betreiben der Einwellenanlage 1 bei
deren Nenndrehzahl und wobei an dem Generator 4 keine elektrische Last angeschlossen
ist; b) Erhöhen des Massenstroms des in die Dampfturbine 3 eingeleiteten Dampfs und/oder
des in Gasturbine 2 eingeleiteten Brennstoffs derart, dass die Drehzahl der Dampfturbine
3 eine Dampfturbinengrenzwertdrehzahl erreicht, wobei das Erhöhen derart durchgeführt
wird, dass die Dampfturbine 3 schneller als die Gasturbine 2 beschleunigt wird, wodurch
die Kupplung 7 eingekuppelt bleibt, wobei die Überdrehzahlschutzeinrichtung derart
eingerichtet ist, dass ein erster Überdrehzahlschutz ausgelöst wird, sobald die Drehzahl
der Dampfturbine 3 die Dampfturbinengrenzwertdrehzahl erreicht; c) Prüfen, ob der
erste Überdrehzahlschutz ausgelöst wird; d) Unterbrechen des Massenstroms des in die
Dampfturbine 3 eingeleiteten Dampfs für den Fall, dass der erste Überdrehzahlschutz
ausgelöst wird; e) Erhöhen des Massenstroms des Brennstoffs derart, dass eine Gasturbinengrenzwertdrehzahl
erreicht wird, die höher als der Dampfturbinengrenzwertdrehzahl ist, wobei die Überdrehzahlschutzeinrichtung
derart eingerichtet ist, dass ein zweiter Überdrehzahlschutz ausgelöst wird, sobald
die Drehzahl der Gasturbine 2 die Gasturbinengrenzwertdrehzahl erreicht; f) Prüfen,
ob der zweite Überdrehzahlschutz ausgelöst wird.
[0021] Dabei kann die Dampfturbinengrenzwertdrehzahl 106% bis 108% der Nenndrehzahl betragen
und die Gasturbinengrenzwertdrehzahl 0,1% bis 0,5% größer als die Dampfturbinengrenzwertdrehzahl
sein.
[0022] Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert
und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele
eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden,
ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
1. Verfahren zum Prüfen einer Überdrehzahlschutzeinrichtung einer eine Gasturbine (2),
einen Generator (4) und eine Dampfturbine (5) aufweisenden Einwellenanlage mit den
Schritten:
a) Betreiben der Einwellenanlage (1) bei deren Nenndrehzahl und wobei an dem Generator
(4) keine elektrische Last angeschlossen ist;
b) Erhöhen des Massenstroms des in die Dampfturbine (3) eingeleiteten Dampfs und/oder
des in Gasturbine (2) eingeleiteten Brennstoffs derart, dass die Drehzahl der Dampfturbine
(3) eine Dampfturbinengrenzwertdrehzahl erreicht, wobei die Überdrehzahlschutzeinrichtung
derart eingerichtet ist, dass ein erster Überdrehzahlschutz ausgelöst wird, sobald
die Drehzahl der Dampfturbine (3) die Dampfturbinengrenzwertdrehzahl erreicht;
c) Prüfen, ob der erste Überdrehzahlschutz ausgelöst wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1,
wobei die Dampfturbine (3) mittels einer Kupplung (7) an die Einwellenanlage (1) gekuppelt
ist,
wobei die Kupplung (7) einkuppelt, sobald die Dampfturbine (3) die Gasturbine (2)
überholt, und auskuppelt, wenn die Drehzahl der Dampfturbine (3) niedriger als die
der Gasturbine (2) ist, wobei Schritt b) derart durchgeführt wird, dass die Dampfturbine
(3) schneller als die Gasturbine (2) beschleunigt wird, wodurch die Kupplung (7) eingekuppelt
bleibt.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2,
mit dem Schritt:
d) Unterbrechen des Massenstroms des in die Dampfturbine (3) eingeleiteten Dampfs
für den Fall, dass der erste Überdrehzahlschutz ausgelöst wird.
4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3,
mit den Schritten:
e) Erhöhen des Massenstroms des Brennstoffs derart, dass eine Gasturbinengrenzwertdrehzahl
erreicht wird, die höher als der Dampfturbinengrenzwertdrehzahl ist, wobei die Überdrehzahlschutzeinrichtung
derart eingerichtet ist, dass ein zweiter Überdrehzahlschutz ausgelöst wird, sobald
die Drehzahl der Gasturbine (2) die Gasturbinengrenzwertdrehzahl erreicht;
f) Prüfen, ob der zweite Überdrehzahlschutz ausgelöst wird.