Verfahren zur Regelung einer Gasturbinenanlage mit Abhitzekessel Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rege lung einer mit konstanter Drehzahl betriebenen Gas turbinenanlage mit einem an den Turbinenauslass an geschlossenen Abhitzekessel.
Derartige Anlagen sind vor Vorteil, wo beispiels weise einerseits durch den Betrieb einer Gasturbinen anlage eine Abhitzequelle vorhanden ist, deren Re- kuperation ein betriebswirtschaftliches Gebot darstellt, und wo anderseits aus fabrikationstechnischen Grün den eine Dampfmenge benötigt wird, deren Bereit stellung eine eigene Kesselanlage notwendig machen würde.
Die Rekuperation von Abhitze lässt sich in einem solchen Falle mit der Erzeugung von Dampf bei einer Gasturbinenanlage mit Abhitzekessel in betriebs wirtschaftlich günstiger Weise verbinden.
Bei dem Betrieb einer solchen Gasturbinenanlage mit Abhitzekessel ergeben sich jedoch Schwierig keiten, sobald einer oder der andere oder beide der Anlagenteile einer Laständerung unterworfen werden. Es kann beispielsweise geschehen, dass durch eine solche Laständerung die zur Verfügung stehende Abhitze verringert wird, während der Dampfbedarf gleich bleibt. Es kann aber auch geschehen, dass Zei ten des geringsten Dampfbedarfes mit Höchstlast betrieb der Gasturbinenanlage zusammenfallen.
Sehr häufig kommt in der Praxis ein Betriebszustand vor, bei welchem bei annähernd konstantem Dampfbedarf am Abhitzekessel die Turbine mit stark reduzierter Leistung gefahren wird. Für diesen normalerweise besonders ungünstigen Belastungsfall der Anlage so wie für andere, ähnlich ungünstige Belastungsfälle einen - über die ganze Anlage bezogen - wirt schaftlichen Betrieb aufrechtzuerhalten, stellt eine schwierige technische Aufgabe dar. Es wurde schon vorgeschlagen, für den Abhitze- kessel eine besondere Zusatzbrennkammer anzu ordnen.
Diese verteuert jedoch die Anlage und verursacht zusammen mit dem erforderlichen Regelmechanismus eine beträchtliche Verkomplizierung derselben, wobei noch die Schwierigkeit besteht, dass die notwendigen Leitungen und Absperrorgane einer ausserordentlich hohen thermischen Belastung ausgesetzt sind.
Man hat versucht, das Problem durch eine die Turbine umgehende Bypassleitung zu lösen, doch geht dabei die dem Arbeitsmittel innewohnende Druck energie ungenützt verloren, abgesehen von den bereits erwähnten Schwierigkeiten, welche durch im heissen Gasstrom liegende Bypassventile verursacht werden.
Eine unbefriedigende Kompromisslösung stellt auch der Vorschlag dar, einen Teil des Arbeitsmit tels aus einer der ersten Stufen der Turbine zum Abhitzekessel abzuzweigen. Hierbei ist noch mit er heblichen thermodynamischen Verlusten zu rechnen, und die Schwierigkeiten bezüglich der Ventile sind kaum geringer als bei einem Bypass vor der Turbine.
Die geschilderten Schwierigkeiten werden durch das Verfahren nach der Erfindung beseitigt.
Dieses besteht darin, dass man zur Einstellung eines Teillastbetriebes der Turbine einen Teil des Arbeitsmittels aus dem Kompressor, vorzugsweise aus dem Niederdruckteil desselben abbläst, und dass man dabei die Brennstoffmenge so weit reduziert, dass ein Überschreiten einer zulässigen, obern Temperatur grenze innerhalb der Turbine vermieden wird.
Bei nur verhältnismässig geringer Lastreduzie rung der Gasturbinenanlage kann dabei die - relativ einfache - Massnahme getroffen sein, dass man die Temperatur des Arbeitsmittels am Turbineneinlass konstant hält. In einem andern Belastungsfalle kann es genügen, wenn man die Abgastemperatur der Turbine konstant hält.
Bei einer starken Lastverminderung hat es sich hingegen als zweckmässig erwiesen, dass man zu Be ginn derselben zunächst die Temperatur des Arbeits mittels am Turbineneinlass konstant hält, bis sich die Abgastemperatur einer obern Temperaturgrenze ge nähert hat, und dass man bei weiterer Lastverminde rung die Abgastemperatur konstant hält.
Gegebenenfalls ist es günstig, die Abgastempera tur dabei lastabhängig zu steuern.
Die Erfindung betrifft ferner eine Regeleinrich tung an einer Gasturbinenanlage zur Ausführung des Verfahrens mit einer aus dem Kompressor, vorzugs weise aus dem Niederdruckteil desselben abzweigen den und mit einem Absperrorgan versehenen Ent nahmeleitung, mindestens einem Organ zur Einstel lung der in die Brennkammer geführten Brennstoff menge und ferner mit mindestens einem auf die Temperatur des Arbeitsmittels im Bereich der Tur bine ansprechenden Impulsgeber,
welcher in Wir kungsverbindung mit dem Organ zur Einstellung der Brennstoffmenge steht und die Brennstoffmenge bei Überschreiten einer zulässigen obern Temperatur grenze verringert und umgekehrt bei Unterschreiten einer untern Grenze vergrössert.
Bei einer zweckmässigen Ausführung besitzt die Gasturbine einen auf die Temperatur des Arbeits mittels am Turbineneinlass ansprechenden ersten Im pulsgeber in Wirkungsverbindung mit einem ersten Organ zur Einstellung der Brennstoffmenge, ferner hin einen zweiten, auf die Temperatur des Arbeits mittels am Turbinenauslass ansprechenden Impuls geber in Wirkungsverbindung mit einem zweiten Organ zur Einstellung der Brennstoffmenge, welches - in Richtung der Brennstofförderung gesehen dem ersten Organ nachgeschaltet ist.
Der erste und der zweite Impulsgeber kann auch in Wirkungsverbindung mit einem einzigen Organ zur Einstellung der Brennstoffmenge stehen, wobei ein Schliessimpuls eines der Impulsgeber bei Errei chen einer zulässigen obern Temperaturgrenze die Prädominanz vor einem Öffnungsimpuls des andern Impulsgebers besitzt.
Durch diese Anordnung wird erreicht, dass, so lange die Temperatur am Auslass unterhalb einer kritischen Grenze sich befindet, die Brennstoffmenge nach der Temperatur am Einlass geregelt wird, wäh rend erst, wenn infolge einer durch Lastreduktion verringerten Entspannung des Arbeitsmittels die Abgastemperatur einem kritischen Grenzwert sich nähert, das vom Impulsgeber am Auslass gesteuerte Organ anspricht und die Brennstoffmenge nach Mass gabe der Auslasstemperatur reduziert, derart, dass ein etwa gegenteiliger Impuls des ersten Impulsgebers nicht zur Ausführung gelangen kann und umgekehrt,
dass ein Drosselimpuls des ersten Impulsgebers einen gegenteiligen Impuls des zweiten Impulsgebers ausser Kraft setzt. Die Vorteile der Erfindung gegenüber bisher bekannten Vorschlägen zur Lösung des vorliegenden Problems liegen einerseits in der Erhaltung des best möglichen thermodynamischen Wirkungsgrades der Anlage.
Dadurch, dass die Turbine mit reduzierter Arbeits- mittelmenge an der höchstzulässigen Temperatur grenze gefahren wird, bleibt der Teillastwirkungsgrad derselben gut.
Das Abblasen von Arbeitsmittel aus einer Ent nahmestufe des Kompressors sichert ebenfalls einen noch relativ günstigen Teillastwirkungsgrad dieser Maschine, da der Energieverlust bei Entnahme bei spielsweise zwischen erster und zweiter Stufe gering ist, während anderseits eine besonders in der ersten Stufe gefährliche Annäherung an die Pumpgrenze vermieden wird.
Und anderseits bleibt - was wesentlich ist ein für den Abhitzekessel notwendiges Temperatur gefälle erhalten, oder es wird sogar noch erhöht, wo durch die Dampfspannung aufrechterhalten bleiben kann.
Mit der Verringerung der Arbeitsmittelmenge sinken - etwa gleiche Temperaturen des Abgases am Austritt des Abhitzekessels in den Kamin voraus gesetzt - die Kaminverluste, was dem Gesamtwir kungsgrad der Anlage zugute kommt.
Und schliesslich befinden sich die notwendigen Regelorgane auf der kalten Seite, wo ein sicherer Betrieb derselben ohne Schwierigkeiten möglich ist.
Im folgenden wird die Erfindung anhand zweier Ausführungsbeispiele, welche die Zeichnung schema tisch darstellt, näher erläutert.
Fig.l zeigt eine Gasturbinenanlage mit einer Regeleinrichtung zur Durchführung des erfindungs gemässen Verfahrens, wobei - beeinflusst von der Temperatur vor und nach der Turbine - je ein Regelorgan in der Brennstoffzuführungsleitung ver stellt wird.
Fig.2 stellt eine andere Ausführungsform der Erfindung mit einer Brennstoffregeleinrichtung dar, bei der die Temperaturfühler vor und nach der Tur bine auf ein gemeinsames Regelventil in der Brenn- stoffzuführungsleitung wirken. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugsziffern versehen.
In Fig. 1 bedeutet 1 den Kompressor, welcher mit der Turbine 2 auf der gleichen Welle 3 sitzt und ebenso wie der Erzeuger 4 für elektrische Energie von derselben angetrieben wird.
Dre Kompressor 1 saugt beim Ansaugstutzen 16 Luft ein, welche er durch den Auslass 5 in die Brenn- kammer 6 fördert. Dort wird die Luft mit Brenn stoff aus der Zuführungsleitung 7 zu heissem Gas verbrannt, welches in den Turbineneinlass 8 strömt, um die Turbine 2 nach Entspannung durch den Aus lass 9 zu verlassen und den Abhitzekessel 10 zu durchströmen.
Der Kompressor 1 besitzt eine Niederdruckent- nahme 11 mit einem Verschlussorgan 12. Am Einlass 8 der Turbine befindet sich ein auf Temperatur ansprechender Impulsgeber 13 und am Auslass 9 ein Impulsgeber 13', welche in Wirkungs verbindung mit Brennstoffregelorganen 14, 14' (Fig.1) der Brennstoffzuführung 7 stehen.
Die Funktion der beschriebenen Anlage nach Fig. 1 und der Mechanismus der Regelung nach der Erfindung ist folgender: Angenommen, die Anlage arbeitet auf dem Nor- malbetriebspunkt mit 100% Leistung-. Der Leistungs verbraucher 4 der Gasturbine 2 erzeugt Strom, wäh rend dem Abhitzekessel 10 eine bestimmte, annähernd gleichbleibende Wärmemenge zugeführt wird. Der im Kessel erzeugte Dampf wird beim Dampfstutzen 15 abgeführt.
Um nun - etwa wegen eines verringerten Lei stungsbedarfes des Stromerzeugers 4 - die Last der Turbine 2 auf beispielsweise 80% zu reduzieren, öffnet man das Verschlussorgan 12 am Entnahme stutzen 11 des Kompressors 1 und lässt einen Teil des Arbeitsmittels in die Atmosphäre entweichen.
Die Arbeitsmittelverringerung verursacht einen relativen Brennstoffüberschuss, was ein Ansteigen der Temperatur am Einlass 8 zur Folge hat. Wenn dabei eine vorgegebene höchste Temperaturgrenze erreicht ist, reduziert der auf Temperatur ansprechende Im pulsgeber 13 in Zusammenwirken mit dem Brenn stoffregelventil 14 die Brennstoffmenge, so dass auch bei weiterer Lastreduktion - ein Überschreiten der Temperaturgrenze vermieden wird.
Bei stärkerer Lastreduktion nach diesem Ver fahren stellt sich aber auch am Auslass 9 ein Tem peraturanstieg ein, der - ebenfalls bei einer fest gelegten Grenze - durch die Wirkung des Impuls gebers 13' in Verbindung mit dem Brennstoffeinstell- ventil 14' zum Stillstand kommt.
Wenn beide Ventile 14 und 14' hintereinander geschaltet sind, richtet sich die Brennstoffzufuhr nach dem Ventil mit der jeweils kleinsten Öffnung. Wenn beide Impulsgeber auf nur ein Ventil geschaltet sind, muss die Wirkungsweise eine solche sein, dass ein Drosselimpuls die Prädominanz vor einem öffnungs- impuls hat. Diese wird im folgenden näher ausge führt.
Die in Fig. 2 gezeigte Anordnung ist bis auf die Regeleinrichtung die gleiche wie in Fig. 1. Die Kon trolle der beiden Temperaturen vor und nach der Turbine (Messorgane 13 und 13') erfolgt nach Fig. 2 mit einer speziellen Art Kaskadenschaltung. Dabei entstehen zwei Regelkreise. Ein innerer Kreis A ge bildet aus den Elementen 13, 22, 21 und 6 und ein äusserer Kreis B aus den Elementen 13', 20, 17, 22, 21, 6 und 2. Es können nun bei der Regelung der Brennstoffzufuhr zwei Fälle auftreten: a) Die Belastung der Turbine ist so eingestellt, dass die Temperatur nach der Turbine kleiner ist als der am Regler 20 eingestellte zulässige Sollwert.
Der Regler 20 befindet sich demnach in der Endlage und gibt auf das Additionsrelais 17 ein konstantes Signal. Der Ausgangswert des Additionsrelais 17 ändert sich demnach proportional zum Sollwert, der am Geber 18 eingestellt wird. In diesem Fall arbeitet somit ledig lich der innere Regelkreis.
b) Die Belastung der Turbine wird so geändert, dass die Temperatur nach der Turbine steigt. Sobald nun der vom Messorgan 13' gemessene Istwert den im Regler 20 eingestellten Sollwert (Grenzwert) erreicht, wird das vom Regler 20 gesteuerte Signal geändert und beeinflusst über das Additionsrelais 17 den Soll wert des Reglers 22. Entsprechend der damit geschaf fenen Differenz zwischen Sollwert und dem vom Messorgan 13 erzeugten Istwert wird die Stellung des Regulierventils 21 so lange geändert, bis die Tem peratur nach der Turbine dem gewünschten Grenz wert entspricht. In diesem Fall arbeiten demnach beide Regelkreise.
Mit dieser Schaltung wird erreicht, dass die Belastung der Turbine innerhalb eines ersten Bereiches bei konstanter Temperatur vor der Turbine und variabler Temperatur nach der Turbine ver ändert werden kann. Die konstante Temperatur vor der Turbine kann der zulässigen Grenztemperatur vor der Turbine entsprechen. Ein zweiter Lastbereich kann gefahren werden, wenn die Temperatur nach der Turbine den am Regler 20 eingestellten Grenzwert erreicht hat, indem nun die Temperatur vor der Turbine so variiert, dass die Temperatur nach der Turbine konstant bleibt. Die am Regulierventil 21 eingestellte Brennstoffmenge wird demnach immer durch das Erreichen des einen oder andern Grenz wertes bestimmt.