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Verfahren zur Regelung einer mit Gleichdruckverbrennung arbeitenden
Gasturbinenanlage Bei einer mit Gleichdruckverbrennung arbeitenden Gasturbinenanlage
sind die Maschinengrößen bestimmt durch die Menge des zu verarbeitenden Treibmittels
und sein spezifisches Volumen. Die Maschinen werden am größten im offenen Prozeß,
d. h. in einem Prozeß, dessen tiefster Druck gleich dem Außendruck ist, und am kleinsten
im geschlossenen, unter erhöhtem Druck verlaufenden Prozeß, dessen geringster Druck
noch wesentlich über dem Außendruck liegt. Beide Prozesse haben ihre technische
Bedeutung. Für den offenen Prozeß spricht in erster Linie die Vereinfachung des
Erhitzers und der Wegfall druckfester Anlagenteile, die im Hinblick auf die hohen
Temperaturen wegen der geforderten Wärmebeständigkeit bei den hohen Drücken aus
Sonderbaustoffen hergestellt werden müßten. Für den geschlossenen Prozeß dagegen
ist geltend züi machen, <laß infolge des verringerten spezifischen Volumens des
Arbeitsmittels die Maschinenabmessungen wesentlich kleiner werden. Auch sind die
Wärmeübergangszahlen in den Wärmeaustauschern wegen der großen Dichte des Arbeitsmittels
entsprechend höher. Diese Überlegungen sind besonders wichtig im Hinblick auf die
Tatsachen, daß bei derartigen Gasturbinenanlagen nicht nur Nutzleistung erzeugende
Maschinen aufzustellen sind, sondern zusätzlich Leistung zur Deckung der Verdichterleistung
aufgebracht werden muB. Die Verdichterleistung beträgt aber erfahrungsgemäß ein
Mehrfaches, bis etwa das Dreifache dec Nutzleistung.
Es bedarf sorgfältiger
Prüfung aller Zusammenhänge, wenn man die Entscheidung zugunsten des offenen oder
des geschlossenen Prozesses treffen will.
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Eine besonders günstige Lösung verspricht die Vereinigung der beiden
Prozesse in der Weise, daß die Nutzleistung in einem offenen Gasprozeß erzeugt wird,
während zur Erzeugung der für diesen Prozeß benötigten Verdichterleistung ein geschlossener
Heißluftprozeß dient. Eine solche Anlage ist bereits vorgeschlagen worden. Das Schaubild
dieser Anlage ist in der Figur nochmals dargestellt. Die Nutzleistungsturbine i
zum Antrieb des Stromerzeugers 2 wird mit Brenngas aus dem Erhitzer 3 betrieben.
4 ist die Brennstoffleitung, 5 die Luftleitung. ,Die über die Leitung 5 dem Erhitzer
3 zuströmende Luft wird von einem Verdichter 6 gefördert, und zwar zunächst über
den Rekuperator 7, in dem sie die Abwärme des Treibgases der Turbine i aufnimmt.
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Zum Antrieb des Verdichters 6, der also dem offenen Heißgasprozeß
der Nutzleistungsturbine zugeordnet ist, dient die Gasturbine 8, die in einen geschlossenen
Prozeß eingeschaltet ist. Die über die Leitung 9 dem Erhitzer io zuströmende verdichtete
Luft wird hierin erhitzt und leistet dann in der Turbine 8 Arbeit. Die Abluft gelangt
zunächst zum Rekuperator i i und wird nach Kühlung in einem Kühler i2 dem Verdichter
13 zugeleitet, der sie über den Rekuperator i i in die Leitung 9 drückt.
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Die drei Maschinen 6, 8 und 13 bilden einen Maschinensatz, wie durch
das Bezugszeichen a angedeutet ist.
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Die Erfindung befaßt sich mit der Regelung einer solchen Anlage. Die
Drehzahl der Nutzleistungsturbine soll, abgesehen von einem etwaigen Ungleichförmigkeitsgrad,
gleichbleiben, ebenso ihre Eintrittstemperatur. Zur Regelung bei Teillasten soll
die Drehzahl der Maschine des geschlossenen Heißluftprozesses bei im wesentlich
gleichbleibendem Gegendruck verhältnismäßig zur abnehmenden Last verringert und
gleichzeitig die Turbineneintrittstemperatur um so viel gesenkt werden, daß der
geschlossene Heißluftprozeß leistungsmäßig ausgeglichen ist.
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Es war bereits gesagt, daß die Eintrittstemperatur der Nutzleistungsturbine
bei allen Lasten im wesentlichen gleichbleiben soll. Diese Forderung wird deshalb
gestellt, damit auch im Teillastgebiet der thermische Wirkungsgrad aufrechterhalten
werden kann oder jedenfalls nur unwesentlich abnimmt. Hält man aber die Temperatur
auf gleicher Höhe, so muß man die Arbeitsmittelmenge verringern. Das wäre an sich
durch Drosselung möglich, die jedoch, je weiter sie getrieben wird, zu einer um
so weiter gehenden Wirkungsgradverschlechterung führt. Deshalb ist es von besonderer
Bedeutung, wenn bei Teillast die Drehzahl der Maschinen des geschlossenen Heißluftkreislaufes
gesenkt wird. Die angesaugten Luftgewichte sind bekanntlich der Drehzahl verhältnisgleich.
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Wenn nun im geschlossenen Kreislauf bei der erniedrigten Drehzahl
und gleichgehaltener Eintrittstemperatur die Leistung der Heißluftturbine in jedem
Fall gleich der Summe der beiden Verdichterleistungen wäre, so hätte man den Idealfall
einer Regelung.
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Die Erfindung beruht nun auf der neuen Erkenntnis, daß die Verhältnisse
hier insofern schwierig liegen, als bei abgesenkter Drehzahl und gleichgehaltener
Eintrittstemperatur des geschlossenen Kreislaufes in diesem ein Leistungsüberschuß
entstehen würde, d. h. die Turbine mehr Leistung abgeben würde, als der Summe der
beiden Verdichterleistungen entspräche. Man könnte den Standpunkt vertreten, daß
Überschußleistung kein Mangel der Anlage sei, denn man könnte sie an das Netz der
Hauptmaschine abgeben. Das würde aber nur bei Gleichstromanlagen ohne wesentliche
Schwierigkeiten möglich sein. Bei Drehstromanlagen würde der Wechsel der Drehzahl
im geschlossenen Kreislauf den unmittelbaren Leistungsaustausch zwischen geschlossenem
und offenem Kreislauf nicht zulassen, so daß es besonderer Energieumformer bedürfen
würde, um die beiden Netze zu kuppeln. Deshalb wird auf die Erzeugung von überschußenergie
im geschlossenen Kreislauf verzichtet und dafür die Temperatur so weit gesenkt,
daß der Leistungsausgleich des geschlossenen Prozesses erhalten bleibt.
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Bei bekannten, völlig im geschlossenen Kreislauf unter Überdruck arbeitenden
Anlagen hat man bisher ebenfalls die Eintrittstemperatur der Turbine gleichgehalten.
Da man außerdem die Drehzahl des Verdichters auf gleicher Höhe hielt, ließ sich
die Anlage nur durch Veränderung des Druckniveaus regeln. Diese Regelung war nur
durchführbar, wenn man je nach der Last dem Kreislauf Arbeitsmittel entzogen oder
ihm solches zuführte. Das setzt aber die Anwendung zusätzlicher Anlagenteile (Speicher,
Hilfsverdichter usw.) voraus. Bei Lastanstieg wird zunächst durch größere Wärmezufuhr
die Eintrittstemperatur der Heißluftturbine des geschlossenen Kreislaufes erhöht,
d. h. ihre Leistung gesteigert. Da sich das sekundliche Luftgewicht noch nicht geändert
hat, führt die Leistungssteigerung zu einer Drehzahlerhöhung und damit zu einer
Erhöhung der Verdichterleistung sowohl des Verdichters des. geschlossenen wie des
offenen Prozesses. Mit der Erhöhung des Luftgewichtes wird eine Vergrößerung der
Treibgasmenge des offenen Prozesses verbunden und auf diese Weise die Leistung der
Nutzleistungsturbine gesteigert.
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Die Temperaturabsenkung des geschlossenen Kreislaufes istverhältnismäßiggering.
A1sErgebnis einer durchgeführten Rechnung hat sich folgendes ergeben: Die Heißluftturbine
wird bei Normallast mit einer Temperatur von 923° K und einem Druckverhältnis von
4,o betrieben. Wird bei Teillast das Druckverhältnis auf 3,o herabgesetzt, so würde
dem eine Eintrittstemperatur von 85o°' K entsprechen. Die Temperaturabsenkung würde
also 73° betragen, um den Leistungsausgleich innerhalb des geschlossenen Prozesses
zu sichern. Das hätte aber zur Voraussetzung, daß die Wirkungsgrade von Turbine
und Verdichter auch bei Teillasten gleich hoch bleiben. Das ist jedoch erfahrungsgemäß
nicht der Fall, sondern es tritt eine wenn auch nicht allzu
große
Wirkungsgradsenkung ein. Um diese auszugleichen, darf die Temperatur nicht ganz
so weit gesenkt «erden, wie es oben angegeben wurde. Nimmt man eine Wirkungsgradverringerung
von 2,5% an, so ergibt sich als Eintrittstemperatur der Heißluftturbine für Teillast
ein Wert von 895° K. Die Temperaturabsenkung bewegt sich also zwischen etwa 5 und
15'/0.