DE19651073A1

DE19651073A1 - Verfahren zur Ermittlung von Lecks im geschlossenen oder halboffenen Kühlsystem einer Gasturbine

Info

Publication number: DE19651073A1
Application number: DE19651073A
Authority: DE
Inventors: Hans Dr Wettstein
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1996-12-09
Filing date: 1996-12-09
Publication date: 1998-06-10
Also published as: JPH10176969A; US5942678A

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Kraftwerkstech nik. Sie betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von Lecks im geschlossenen oder halboffenen Kühlsystem einer Gasturbine, bei dem ein von Luft verschiedenes Kühlmittel in einem beson deren Kreislauf umströmt.

Stand der Technik

Neben der Luftkühlung ist im Gasturbinenbau von Anfang an auch der Gedanke der Fremdkühlung verfolgt worden. Bei dieser werden die Teile der Turbine durch ein fremdes Medium, meist Wasser oder Wasserdampf gekühlt, wobei dieses Kühlmittel in einem besonderen Kreislauf umströmt (W. Traupel: Thermische Turbomaschinen, Springer Verlag, 1988, 3. Auflage, Band 1, S. 85). Dieser Kühlmittelkreislauf kann beispielsweise geschlos sen sein, wobei die praktisch immer unvermeidlich auftreten den geringen Leckagen durch Nachfüllen von Kühlmittel in den Kreislauf ausgeglichen werden. Der Kühlmittelkreislauf kann z. B. auch halboffen sein, indem zusätzlich gezielt Kühlmit tel aus dem Kühlmittelkreislauf herausgenommen wird und bei spielsweise zur direkten Filmkühlung thermisch besonders stark belasteter Teile benutzt wird.

Vor allem bei Gasturbinen mit geschlossenen Kühlsystemen ist die Entstehung eines Lecks, bei dem aus dem Kühlsystem Kühl mittel in den Heißgaskanal strömt, ein großes Risiko. Durch das entweichende Kühlfluid fehlt den nachgeschalteten Kühlzo nen das Kühlfluid, und eine rasche Überhitzung der betroffe nen Teile ist die Folge.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung versucht, diesen Nachteil zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren zur Er mittlung von Lecks im geschlossenen oder halboffenen Kühlsy stem von Gasturbinen zu entwickeln, welches eine die Maschine schützende Überwachung ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß bei einem Verfahren gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 aus dem Abgas der Gasturbine Proben entnommen und an diesen Konzentrations messungen durchgeführt werden. Die Probenentnahme und die Messungen können kontinuierlich (on-line) oder periodisch er folgen.

Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß mit diesem Verfahren Lecks im Kühlsystem der Gasturbine einfach festge stellt werden können und somit durch rechtzeitig erfolgende Eingriffe eine Überhitzung gefährdeter Teile vermieden werden kann. Die Konzentrationsmessergebnisse können dabei zur Alar mierung oder für automatische Schutzeingriffe, z. B. Brenn stoffmengenreduktion, Kühldampfmengenerhöhung benutzt werden.

Es ist besonders zweckmäßig, wenn die Kühlfluidkonzentrati on, vorzugsweise Wasserdampfkonzentration, im Abgas gemessen wird. Es können aber auch wahlweise die CO₂- oder NOx-Kon zentration gemessen werden.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn dem Kühlfluidkreislauf eine Tracersubstanz, vorzugsweise Edelgase, Deuterium oder Ammoni ak, zugegeben wird und die Tracersubstanzkonzentration im Ab gas gemessen wird, weil die Tracersubstanz leicht nachweisbar ist. Besonders bei teuren Tracersubstanzen kann man die Bei mischung auch zyklisch oder periodisch ausführen und entspre chend überwachen.

Schließlich werden mit Vorteil die Konzentrationsproben im Bereich zwischen Turbinenaustritt und Kamin oder zwischen Turbinenaustritt und Abhitzekessel entnommen. Bevorzugt ist eine Konzentrationsprobenentnahme soweit wie möglich stromab der Gasturbine, aber noch stromauf des Kessels, damit Lecka gen vom Abhitzekessel bei der Messung nicht mit erfaßt wer den und das Messergebnis nicht verfälscht wird.

Bei Anordnung mehrerer Entnahmestellen für die Konzentra tionsproben in einer Ebene, welche sich senkrecht zur Strö mungsrichtung befindet, ist auch die Detektion der Lage von Lecks möglich.

Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn die Konzentrationsproben nach dem Abhitzekessel oder direkt im Kamin entnommen werden. Wegen der dort bereits erfolgten Vermischung genügt es, wenn nur an einer einzigen Stelle eine Probe entnommen wird, so daß der Aufwand zur Ermittlung von Lecks im Kühlsystem hier sehr niedrig ist.

Schließlich ist es zweckmäßig, wenn bei einer Maschine mit sequentieller Verbrennung, welche im wesentlichen aus in Strömungsrichtung nacheinander angeordnetem Verdichter, einer ersten Brennkammer, einer Hochdruckturbine, einer zweiten Brennkammer und einer zweiten Turbine besteht und bei der die Hochdruckturbine mittels geschlossenem Kühlfluidkreislauf ge kühlt wird, zwischen der Hochdruckturbine und der zweiten Brennkammer Konzentrationsproben entnommen werden, wobei die Entnahmestellen am Umfang verteilt angeordnet sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfin dung dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Gasturbinenanlage mit geschlossenem Kühlfluidkreislauf und mit vier verschiedenen Entnahmestellen für die Konzentrations proben;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Gasturbinenanlage analog zu Fig. 1 mit zusätzlicher Tracersubstanzzuga be und -regelung;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Gasturbinenanlage mit sequentieller Verbrennung und erfindungsgemäßer Konzentrationsmessung.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentli chen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen bezeichnet.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispie len und der Fig. 1 bis 3 näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Gasturbinen anlage. Auf einer gemeinsamen Welle 1 sind ein Verdichter 2 und eine Turbine 3 angeordnet. Umgebungsluft 4 wird angesaugt und im Verdichter 2 komprimiert. Diese komprimierte Luft 5 wird anschließend in einer Brennkammer 6 mit Brennstoff 7 vermischt und verbrannt. Die Heißgase 8 aus der Brennkammer 6 beaufschlagen dann die Turbine 3 und werden dort entspannt. Dabei treibt die Turbine 3 den Verdichter 2 an, der mit einem Generator 9 zur Stromerzeugung in Verbindung steht. Die Abga se 10 der Turbine 3 gelangen anschließend über einen Abgas diffusor 11, einen Schalldämpfer 12 und einen Kamin 13 ins Freie. Wahlweise kann vor dem Kamin ein Abhitzekessel 14 an geordnet sein, in welchem ein Wärmetausch des Abgases 10 mit zu erhitzendem Wasser bzw. Wasserdampf stattfindet und die Abgase 10 weiter abgekühlt werden. Die Gasturbine weist ein geschlossenes Kühlsystem auf, wobei Teile der Turbine 3 und der Brennkammer 7 durch ein fremdes Kühlfluid 15, meist Was ser oder Wasserdampf, gekühlt werden, wobei das Kühlfluid 15 in einem besonderen Kühlfluidkreislauf 16 umströmt. Der Kühl fluidkreislauf 16 wird über eine hier nicht näher beschriebe ne Kühlfluidmengenregeleinrichtung 17 reguliert. Da in der Praxis immer unvermeidlich geringe Leckagen auftreten, muß der Kühlfluidkreislauf 16 regelmäßig mit Kühlfluid 15 nach gefüllt werden. Insoweit ist dies bekannter Stand der Tech nik.

Da bei Gasturbinen mit einem derartigen geschlossenen Fremd kühlsystem die Entstehung eines Lecks aus dem Kühlsystem in den Heißgaskanal ein großes Risiko darstellt, weil durch das Entweichen des Kühlfluids 15 aus dem Kühlfluidkreislauf 16 für die nachgeschalteten Kühlzonen nur noch eine vermin derte Kühlwirkung erreicht wird und somit eine Überhitzung der betroffenen Turbinenteile verursacht wird, werden erfin dungsgemäß aus dem Abgas 10 Proben entnommen und an diesen Konzentrationsmessungen durchgeführt. Die Probenentnahme und die Messung erfolgt bei diesem Ausführungsbeispiel on-line. Bevorzugt wird die Kühlfluidkonzentration gemessen, also bei Verwendung von Wasserdampf als Kühlmittel 15 die Wasserdampf konzentration. Es ist aber auch möglich, die CO₂- oder NOx- Konzentration zu messen.

Wie in Fig. 1 durch die Varianten A, B, C und D gekennzeich net, können die Konzentrationsproben an verschiedenen Stellen aus dem Abgasstrom entnommen werden. Die Entnahmestellen 18 sind dabei im Bereich zwischen dem Austritt der Turbine 3 und dem Kamin 13 angeordnet. Bei den Varianten A und B sind die Entnahmestellen 18 im Bereich zwischen dem Austritt der Tur bine 3 und dem Eintritt in den Abhitzekessel 14 angeordnet. Dabei ist es von Vorteil, wenn die Proben soweit wie möglich stromab der Turbine 3, aber noch stromauf des Abhitzekessels 14 aus dem Abgasstrom entnommen werden, damit man Leckagen vom Abhitzekessel 14 nicht mit erfaßt.

Werden mehrere Entnahmestellen 18 in einer senkrecht zur Strömungsrichtung des Abgases 10 angeordneten Ebene vorgese hen und dort Konzentrationsproben entnommen, ist es durch ei nen Vergleich der Meßwerte möglich, die örtliche Lage des Lecks zu ermitteln.

Bei der Variante c sind die Entnahmestellen 18 unmittelbar stromab des Abhitzekessels 14 vorgesehen, bei Variante D sind sie im Kamin 13 angeordnet. Der Vorteil bei der Entnahme der Proben an diesen Stellen besteht darin, daß auf Grund der dort bereits erfolgten intensiven Vermischung von Abgas 10 und Kühlfluid 15 nur eine einzige Entnahmestelle 18 notwendig ist. Allerdings könnten die Messungen durch eventuelle Lecks im Kessel 14 verfälscht werden.

Allen Varianten A bis D ist gemeinsam, daß die Abgasproben über Pumpen 19 zu Konzentrationsmeßgeräten 20 geleitet wer den, in denen on-line die jeweils gewünschte Konzentration bestimmt wird. Anschließend werden Signale, die den Meßre sultaten entsprechen, einem Alarmierungs- oder Schutzsystem 21, das z. B. eine Brennstoffmengenreduktion oder eine Kühl dampferhöhung veranlaßt, zugeleitet. Diese Systeme 21 grei fen dann, wenn beispielsweise ein oberer Grenzwert der Kühl fluidkonzentration überschritten wird, wobei der Grenzwert als Funktion von einem oder mehreren folgenden Betriebspara metern vorgegeben wird: Leistung, Vorleitreihenstellung, d. h. Luftmenge, Brennstoffart, Wasser- oder Dampfspritzmengen in die Brennkammer. Das Alarmierungs- oder Schutzsystem 21 kann auch aktiv werden, wenn beispielsweise ein oberer Grenz wert des Konzentrationsverhältnisses von Kühlfluid (H₂O) zu CO₂ überschritten wird. Von Vorteil ist hier, daß der Ein fluß von Leistung und Luftmenge weitgehend neutralisiert ist.

Wird dagegen ein ebenfalls von den o. g. Betriebsparametern vorgegebener unterer Grenzwert unterschritten, so kann dies der Detektion von Fehlern im Meßsystem dienen.

In einem anderen Ausführungsbeispiel analog zu Fig. 1 kann die Probenentnahme aus dem Abgas 10 und die Konzentrations messung auch zyklisch oder periodisch erfolgen.

Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsvariante der Erfindung. Fig. 2 unterscheidet sich von der ersten oben beschriebenen Ausführungsvariante nur dadurch, das dem Kühlfluid 15 in den Kühlfluidkreislauf 16 eine Tracersubstanz 25 beigemischt wird. Als Tracersubstanzen 25 eignen sich besonders Edelgase, Deuterium oder Ammoniak. Mit einer Tracersubstanz-Konzentra tionsmengenregeleinrichtung 26 werden die gemessenen Konzen trationswerte der Tracersubstanz 25 mit vorgegebenen Werten verglichen und durch eine entsprechende Dosierung der Tracer substanz 25 den jeweiligen Bedingungen angepaßt. Erfindungs gemäß kann in einem solchen Falle vorteilhafterweise die Konzentration der Tracersubstanz 25 im Abgas gemessen werden, wobei die Entnahmestellen 18, so wie bei Fig. 1 beschrieben, angeordnet sein können. In den Konzentrationsmeßgeräten 20 wird somit die Tracersubstanzkonzentration gemessen, mit vor gegebenen Grenzwerten der Tracersubstanz verglichen und bei Bedarf das Alarmierungs- oder Schutzsystem 21 eingeschaltet.

Die Beimischung und Konzentrationsmessungen der Tracersub stanz 25 kann sowohl kontinuierlich erfolgen, als auch in ei nen weiteren Ausführungsbeispiel zyklisch bzw. periodisch er folgen. So kann z. B. dem Kühlfluid 15 eine bestimmte Menge Tracersubstanz 25 verabreicht werden und die Konzentration der Tracersubstanz 25 im Abgas 10 als Funktion der Zeit ge messen werden. Das Kühlsystem ist dann um so dichter, je hö her und schmaler der "Konzentrationsberg" (als Funktion der Zeit) ist. Derartige Kontrollen können während des Betriebes der Gasturbine periodisch, z. B. einmal pro Tag, durchgeführt werden. Möglich ist eine automatische Auslösung dieser Kon trollmessungen. Wenn nur bei ungünstigen Messergebnissen die Probenentnahme aus dem Abgas und die Konzentrationsmessungen in kürzeren Abständen durchgeführt werden, können auf diese Weise Aufwand und Tracersubstanzmengen gespart werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich am besten für die Detektion von Lecks in geschlossenen Kühlsystemen einer Gas turbine, aber es ist auch für halboffene Kühlsysteme anwend bar. Einspritzungen können je nach Tracergehalt die Detektion erschweren.

In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Gasturbine mit sequentieller Verbrennung darge stellt. Diese besteht im wesentlichen aus einem auf einer ge meinsamen Welle 1 angeordnetem Verdichter 2, einer ersten Hochdruckturbine 3 und einer zweiten Turbine 23. Zwischen dem Verdichter 2 und der ersten Turbine 3 ist eine erste Brenn kammer 7, in der die komprimierte Luft aus dem Verdichter 2 mit Brennstoff 6 vermischt und verbrannt wird, angeordnet. Das erzeugte Heißgas wird der ersten Hochdruckturbine 3 zu geführt, dort entspannt und das Abgas einer zweiten Brennkam mer, der Nachbrennkammer 22, zugeführt, welche zwischen der ersten Turbine 3 und der zweiten Turbine 23 angeordnet ist, und welche das Heißgas zur Beaufschlagung der zweiten Turbi ne 23 bereitstellt. Wie schematisch in Fig. 3 angedeutet wer den Teile der Hochdruckturbine 3 mittels geschlossenem Kühl fluidkreislauf 16 gekühlt. Als Kühlfluid 15 kann beispiels weise Wasserdampf verwendet werden, welchem wie bereits oben beschrieben zusätzlich eine Tracersubstanz 25 beigemischt werden kann.

Erfindungsgemäß kann nun die Hochdruckturbine 3 separat überwacht werden, indem vom Gasstrom im Gebiet zwischen dem Austritt der Hochdruckturbine 3 und dem Eintritt in die Nach brennkammer 22 Konzentrationsproben aus am Umfang angeordne ten Entnahmestellen 18 entnommen werden. Das Gas wird mittels einer Pumpe 19 in das Konzentrationsmeßgerät 20 gebracht, die Meßwerte mit vorgegeben Werten verglichen und bei Bedarf das Alarmierungs- oder Schutzsystem 21 eingeschaltet. Wie be reits oben beschrieben, können sowohl Kühlfluidkonzentrati onsmeßwerte, aber auch Meßwerte der Konzentrationen von NOx, Kohlendioxid oder gegebenenfalls einer Tracersubstanz verwendet werden.

Bezugszeichenliste

1

Welle

2

Verdichter

3

Turbine

4

Umgebungsluft

5

komprimierte Luft

6

Brennstoff

7

Brennkammer

8

Heißgase

9

Generator

10

Abgas

11

Abgasdiffusor

12

Schalldämpfer

13

Kamin

14

Abhitzekessel

15

Kühlfluid

16

Kühlfluidkreislauf

17

Kühlfluidmengenregeleinrichtung

18

Entnahmestelle für Konzentrationsproben

19

Pumpe

20

Konzentrationsmeßgerät

21

Alarmierungs- oder Schutzsystem

22

Nachbrennkammer

23

zweite Turbine

24

Heißgaskanal

25

Tracersubstanz

26

Tracersubstanz-Konzentrationsmengenregeleinrichtung

Claims

1. Verfahren zur Ermittlung von Lecks im geschlossenen oder halboffenen Kühlsystem einer Gasturbinenanlage, wobei die zu kühlenden Teile der Gasturbinenanlage mittels ei nes von Luft verschiedenen Kühlfluids (15) gekühlt wer den, und das Kühlfluid (15) in einem besonderen Kühl fluidkreislauf (16) umströmt, und wobei das Leck im Kühlsystem zu einem Eintritt des Kühlfluids (15) in den Heißgaskanal der Gasturbine (3) führt, dadurch gekenn zeichnet, daß aus dem Abgas (10) der Gasturbine (3) Proben entnommen und an diesen Konzentrationsmessungen durchgeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Probenentnahme und die Konzentrationsmessung on-line durchgeführt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Probenentnahme und die Konzentrationsmessung peri odisch durchgeführt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die Kühlfluidkonzentration gemessen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlfluid (15) Wasserdampf verwendet und die Wasser dampfkonzentration gemessen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die CO₂-Konzentration gemessen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die NOx-Konzentration gemessen wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß dem Kühlfluidkreislauf (16) eine Tracersubstanz (25) zugegeben wird und die Tracersub stanzkonzentration im Abgas (10) gemessen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Tracersubstanz (25) Edelgase verwendet werden.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Tracersubstanz (25) Ammoniak verwendet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Tracersubstanz (25) Deuterium verwendet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 3 und einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugabe der Tracer substanz (25) in den Kühlfluidkreislauf periodisch er folgt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch ge kennzeichnet, daß die Konzentrationsproben im Bereich zwischen dem Austritt der Turbine (3) und dem Kamin (13) entnommen werden.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch ge kennzeichnet, daß die Konzentrationsproben im Bereich zwischen dem Austritt der Turbine (3) und dem Eintritt des Abhitzekessels (14) entnommen werden.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentrationsproben soweit wie möglich stromab der Gasturbine (3) aber noch stromauf des Abhitzekessels (13) entnommen werden.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentrationsproben an mehre ren sich in einer Ebene senkrecht zur Strömungsrichtung befindenden Entnahmestellen (18) entnommen werden.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch ge kennzeichnet, daß die Konzentrationsproben unmittelbar nach dem Austritt des Abhitzekessels (13) entnommen wer den.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch ge kennzeichnet, daß die Konzentrationsproben im Kamin (14) entnommen werden.

19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeich net, daß die Konzentrationsproben nur an einer einzigen Stelle entnommen werden.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Gasturbinenanlage eine Maschine mit sequentieller Ver brennung ist, welche im wesentlichen aus in Strömungs richtung nacheinander angeordnetem Verdichter (2), einer ersten Brennkammer (7), einer Hochdruckturbine (3), ei ner zweiten Brennkammer (22) und einer zweiten Turbine (23) besteht, wobei zwischen der Hochdruckturbine (3) und der zweiten Brennkammer (22) ein Heißgaskanal (24) vorgesehen ist, und bei der die Hochdruckturbine (3) mittels geschlossenem oder halboffenem Kühlfluidkreis lauf (16) gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gasstrom zwischen der Hochdruckturbine (3) und der zwei ten Brennkammer (22) Konzentrationsproben entnommen wer den, wobei die Entnahmestellen (18) am Umfang des Heiß gaskanales (24) verteilt angeordnet sind.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch ge kennzeichnet, daß die Konzentrationsmessergebnisse einem Alarmierungssystem (21) zugeführt werden.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch ge kennzeichnet, daß die Konzentrationsmessergebnisse einem automatischen Schutzsystem (21), vorzugsweise einer Brennstoffmengen- oder Kühlfluidmengenregelung, zugeführt werden.