DE1042300B

DE1042300B - Gasturbinenanlage mit Abhitzekessel

Info

Publication number: DE1042300B
Application number: DES49895A
Authority: DE
Original assignee: Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1956-07-27
Filing date: 1956-08-08
Publication date: 1958-10-30

Description

Gasturbinenanlage mit Abhitzekessel Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer mit konstanter Drehzahl betriebenen Gasturbinenanlage mit einem an den Turbinenauslaß angeschlossenen Abhitzekessel und geregelter Arbeitsmittelentnahme aus dem Niederdruckteil des Kompressors.
Derartige Anlagen sind dort von Vorteil, wo beispielsweise einerseits durch den Betrieb .einer Gasturbinenanlage eine Abhitzequelle vorhanden ist, deren Rekuperation ein betriebswirtschaftliches Gebot darstellt, und wo andererseits aus fabrikationstechnischen Gründen eine Dampfquelle mit gleichbleibender Dampfspannung benötigt wird, deren Bereitstellung eine eigene Kesselanlage notwendig machen würde.
Bei dem Betrieb einer Gasturbinenanlage mit Abhitzekessel ergeben sich Schwierigkeiten, sobald der eine oder der andere oder beide Anlagenteile einer Laständerung unterworfen werden. Es kann beispielsweise geschehen, daß durch eine solche Laständerung die Abgastemperatur der Turbine absinkt, während die Dampfspannung gleich hoch bleiben soll. Zur Behebung dieser Schwierigkeit wurde schon vorgeschlagen, für den Abhitzekessel eine Zusatzbrennkammer anzuordnen.
Diese bekannte Anordnung verteuert jedoch die Anlage und verursacht zusammen mit dem erforderlichen Regelmechanismus eine beträchtliche Komplizierung derselben, wobei noch die Schwierigkeit besteht, daß die notwendigen Leitungen und Absperrorgane einer außerordentlich hohen thermischen Belastung ausgesetzt sind.
Man hat auch schon versucht, das Problem durch eine die Turbine umgehende Bypaßleitung für das heiße Arbeitsmittel der Turbine zu lösen, doch geht dabei die dem Arbeitsmittel innewohnende Druckenergie ungenutzt verloren, abgesehen von den bereits erwähnten Schwierigkeiten, welche durch im heißen Gasstrom liegende Bypaßventilc verursacht werden.
Eine unbefriedigende Kompromißlösung stellt auch die ebenfalls bekannte Maßnahme dar, einen Teil des Arbeitsmittels aus einer der ersten Stufen der Turbine zum Abhitzekessel abzuzweigen. Hierbei ist noch mit erheblichen thermodynamischen Verlusten zu rechnen, und die Schwierigkeiten bezüglich der Ventile im heißen Gasstrom sind kaum geringer als bei einem vor der Turbine abzweigenden Bypaß.
Die beispielsweise geschilderten Schwierigkeiten werden durch die Erfindung beseitigt. Diese ist dadurch gekennzeichnet, daß man zur Aufrechterhaltung der Dampfspannung im Abhitzekessel während eines Teillastbetriebes der Turbine das dem Niederdruckteil des Kompressors entnommene Arbeitsmittel ins Freie abbläst, dabei die Brennstoffmenge in an sich bekannter Weise nur so weit reduziert, daß die Turbine an der oberen zulässigen Temperaturgrenze läuft. Bei nur verhältnismäßig geringer Lastreduzierung der Gasturbinenanlage kann dabei die relativ einfache Maßnahme getroffen sein,_ daß man in an sich bekannter Weise die Temperatur dec Arbeitsmittels am Turbineneinlaß konstant .hält. -In einem anderen Belastungsfalle kann es genügen, wenn man in an sich bekannter- Weise die Abgastemperatur der Turbine konstant hält.
Bei stärkerer Lastverminderung der Turbine hat es sich hingegen als zweckmäßig erwiesen, daß man zu Beginn der Lastverminderung zunächst die Temperatur des Arbeitsmittels am Turbineneinlaß konstant hält, bis sich die Abgastemperatur einer oberen Temperaturgrenze genähert hat,. und daß man bei weiterer Lastverminderung die Abgastemperatur konstant hält.
Gegebenenfalls ist es dabei günstig, daß man die Abgastemperatur lastabhängig steuert.
Bei einer mit konstanter Drehzahl betriebenen Gasturbinenanlage, bei welcher an den Turbinenauslaß ein Abhitzekessel angeschlossen und eine aus dem Niederdruckteil des Kompressors abzweigende und mit einem Absperrventil versehene Entnahmeleitung vorgesehen ist und welche eine Regeleinrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach der Erfindung besitzt, ist die Erfindung gekennzeichnet durch mindestens ein Organ zur Einstellung der in die Brennkammer geführten Brennstoffmenge und ferner durch mindestens einen auf die Temperatur des Arbeitsmittels im Bereich der Turbine ansprechenden Impulsgeber, welcher in Wirkungsverbindung mit dem Organ zur Einstellung der Brennstoffmenge steht und die Brennstoffmenge bei Überschreiten einer zulässigen oberen Temperaturgrenze verringert und umgekehrt bei Unterschreiten einer unteren Grenze vergrößert.
Durch diese Anordnung wird erreicht, daß, solange die Temperatur am Auslaß unterhalb einer kritischen Grenze sich befindet, die Brennstoffmenge nach der Temperatur am Einlaß geregelt wird, während erst, wenn infolge einer durch Lastreduktion verringerten Entspannung des Arbeitsmittels die Abgastemperatur sich einem kritischen Grenzwert nähert, das vom Impulsgeber am Auslaß gesteuerte Organ anspricht und die Brennstoffmenge nach Maßgabe 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 bekanntenVorschlägen zurLösung des vorliegendenProblems liegen einerseits in der Erhaltung des bestmöglichen thermodynamischen Wirkungsgrades der Anlage. Dadurch, daß die Turbine mit reduzierter Arbeitsmittelmenge an der höchstzulässigen Temperaturgrenze gefahren wird, bleibt der Teillastwirkungsgrad derselben gut. Das Abblasen von Arbeitsmittel aus einer Niederdruckentnahmestufe des Kompressors sichert ebenfalls einen noch relativ günstigen Teillastwirkungsgrad einer Maschine, da der Energieverlust bei Entnahme beispielsweise zwischen erster und zweiter Stufe relativ gering ist, während andererseits eine besonders in der ersten Stufe gefährliche Annäherung an die Pumpgrenze vermieden wird.
Und andererseits bleibt beim Teillastbetrieb der Turbine das für den Abhitzekessel notwendige Temperaturfälle erhalten, oder es wird sogar noch erhöht, wodurch mindestens die Dampfspannung aufrechterhalten bleiben kann.
Mit der Verringerung der Arbeitsmittelmenge sinken - etwa gleiche Temperaturen des Abgases am Austritt des Abhitzekessels in den Kamin vorausgesetzt -die Kaminverluste, was dem Gesamtwirkungsgrad 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 an Hand eines Ausführungsbeispiels in einer schematischen Zeichnung näher erläutert.
Hierin 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.
Der Kompressor 1 saugt beim Ansaugstutzen 16 Luft ein, welche er durch den Auslaß 5 in die Brennkammer 6 fördert. Dort wird die Luft mit Brennstoff aus der Zuführungsleitung 7 zu heißem Gas verbrannt, ,,welches in den Turbineneinlaß 8 strömt, um die Turbine 2 nach Entspannung durch den Auslaß 9 zu verlassen und den Abhitzekesse110 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 Wirkungsverbindung mit Brennstoffregelorganen 14,14' der Brennstoffzuführung 7 stehen.
Die Funktion der beschriebenen Anlage und des Regelungsmechanismus nach der Erfindung ist folgende: Angenorzzmen die Anlage arbeitet auf dem Normalbetriebspunkt mit 100 % Leistung. Der Leistungsverbraucher 4 der Gasturbine 2 erzeugt Strom, während dem Abhitzekesse110 eine bestimmte, annähernd gleichbleibende Wärmemenge zugeführt wird. Der im Kessel erzeugte Dampf wird am Dampfstutzen 15 abgeführt.
Um nun - etwa wegen eines verringerten Leistungsbedarfs des Stromerzeugers 4 - die Last der Turbine 2 auf beispielsweise 80 °/o zu reduzieren, öffnet man das Verschlußorgan 12 am Entnahmestutzen 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 im voraus bestimmte höchste Temperaturgrenze erreicht ist, reduziert der auf Temperatur ansprechende Impulsgeber 13 in Zusammenwirken mit dem Brennstoffregelventil 14 die Brennstoffmenge, so daß - auch bei weiterer Lastreduktion - ein Überschreiten der Temperaturgrenze vermieden wird.
Bei stärkerer Lastreduktion nach diesem Verfahren stellt sich aber auch amAuslaß 9 einTemperaturanstieg ein, der - ebenfalls bei einer festgelegten Grenze -durch die Wirkung des Impulsgebers 13' in Verbindung mit dem Brennstoffeinstellventil 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 Öffnungsimpuls hat.

Claims

PATENTANSPRÜCHE; 1. Verfahren zur Regelung einer mit konstanter Drehzahl betriebenen Gasturbinenanlage mit einem an den Turbinenauslaß angeschlossenen Abhitzekessel und geregelter Arbeitsmittelentnahme aus dem Niederdruckteil des Kompressors, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Aufrechterhaltung der Dampfspannung im Abhitzekessel während eines Teillastbetriebes der Turbine das dem Niederdruckteil des Kompressors entnommene Arbeitsmittel ins Freie abbläst, dabei die Brennstoffmenge in an sich bekannter Weise nur so weit reduziert, daß die Turbine an der Oberen zulässigen Temperaturgrenze läuft.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man in an sich bekannter Weise die Temperatur des Arbeitsmittels am Turbineneinlaß konstant hält,
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gkennzeichnet, daß man in an sich bekannter Weise die Abgastemperatur der Turbine konstant hält.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man zu Beginn der Lastverminderung zunächst die Temperatur des Arbeitsmittels am Turbineneinlaß konstant hält, bis sich die Abgastemperatur einer oberen Temperaturgrenze genähert hat, und daß man bei weiterer Lastverminderung die Abgastemperatur konstant hält.
S. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Abgastemperatur lastabhängig steuert.
6. Mit konstanter Drehzahl betriebene Gasturbinenanlage, bei welcher an den Turbinenauslaß ein Abhitzekessel angeschlossen und eine aus dem Niederdruckteil des Kompressors abzweigende und mit einem Absperrventil versehene Entnahmeleitung vorgesehen ist, mit einer Regel- ,einrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet durch mindestens ein Organ zur Einstellung der in die Brennkammer geführten Brennstoffmenge und ferner durch mindestens einen auf die Temperatur des Arbeitsmittels im Bereich der Turbine ansprechenden Impulsgeber, welcher in Wirkungsverbindung mit dem Organ zur Einstellung der Brennstoffmenge steht und die Brennstoffmenge bei Überschreiten einer zulässigen oberen Temperaturgrenze verringert und umgekehrt bei Unterschreiten einer unteren Grenze vergrößert. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 936 363, 858 476; deutsche Auslegeschrift B 27834Ia/46f (bekanntgemacht am 29.3.1956) ; schweizerische Patentschrift Nr. 310 606.