Verfahren zur Regelung von Gasturbinenanlagen. Die Erfindung bezieht sich auf ein Ver fahren zur Regelung von Gasturbinen- anlagen, .die folgendermassen arbeiten:
Das Arbeitsmittel wird von mindestens einem Hauptverdichter bei einem Druck, der grö sser ist als der atmosphärische, angesaugt, verdichtet, einer Erhitzung unterworfen und alsdann in mindestens einer Turbine expan diert auf einen Druck, der ebenfalls höher ist als der atmosphärische. Der Prozess spielt sieh also vollständig unter Überdruck ab, was so erreicht wird, @dass mindestens ein weiteres unabhängiges Turboaggregat, ge nannt Ladeaggregat, vorgesehen ist, be stehend aus einem Kompressor, der fortwäh rend Luft ansaugt, komprimiert und dem übrigen System zuführt, und einer Turbine, der aus diesem letzteren fortwährend Ar beitsgas unter Überdruck zuströmt,
um zu expandieren und die Anlage zu verlassen. Die Leistung solcher Anlagen lässt sich in vorzüglicher Weise so. regeln, da.ss durch Verändern der Drehzahl des Ladeaggregates das gesamte Druckniveau der unter Über- druck arbeitenden Anlage entsprechend dem Belastungszustand verändert und die Brenn stoffzufuhr dementsprechend angepasst wird. Eine solche Regelung ist eine ausserordent lich wirtschaftliche.
Ist aber die anzutrei bende Maschine ein elektrischer Generator, bei dem nur geringe Drehzahlschwankungen zulässig sind, so stellt sich die Schwierigkeit ein, dass bei plötzlich veränderter Belastung der Anlage die Drehzahl eles Ladeaggregates nicht rasch genug geändert werden kann, so dass noch zusätzliche Hilfsmittel nötig sind, die eine sofortige Anpassung der Leistungs abgabe ermöglichen: Als solche kommen bei spielsweise in Frage:
Reserveluftbehälter, in denen Druckluft aufgespeichert wird, die bei plötzlicher steigender Belastung in die An lage geleitet wird, damit sofort der erhöhte Druckzustand eintritt, noch bevor das Lade aggregat die entsprechende höhere Drehzahl erreicht hat. Bei plötzlicher Entlastung hin gegen lässt man in analoger Weise durch Ausströmorgane Luft oder Gas aus der An lage austreten, so dass sich sofort ein niedri- gerer Druckzustand einstellt.
Ein anderes sehr vorteilhaftes Mittel zur Schnellrege lung besteht darin, dass die Scha.ufelung des Hauptverdichters vorübergehend derart ver stellt wird, dass das im Hauptverdichter er zeugte Druckverhältnis momentan grösser oder kleiner wird je nach der Art der Be lastungsänderung. Sobald sich die Drehzahl des Ladeaggregates dem neuen Belastungs zustand angepasst hat, wird die Schaufelung wieder in ihre normale Lage zurückgestellt.
Auch Dampfspeicher und Hilfsdampfturbi- nen können als solche Schnellregelvorrich- tung Verwendung finden.
Die Anwendung solcher Mittel setzt aber voraus, dass ein Reguliermechanismus ge schaffen wird, der nach einem Verfahren arbeitet, durch das die betreffenden Ein griffe (Öffnen und Schliessen der Ventile, Verstellen und Rückstellen der Schaufelung) in ztveckmässige.r Weise benverkstelligt wer den, das heisst derart, dass die folgenden B < @- dingungen erfüllt sind:
Die Regelung muss nicht nur stabil sein, also nach jeder Be lastungsänderung der Anlage wieder eine neue Beharrungslage einstellen, sondern die neue Beharrungslage muss möglichst rasch und mit einem Minimum von vorübergehen den Schwankungen eingestellt werden, so dass die vorgesehenen Hilfsmittel für die Schnellregelung nur ganz kurze Zeit einge schaltet bleiben. Dies ist deshalb zu fordern, weil die Arbeitsweise der Anlage eine un wirtschaftliche ist, während diese Hilfsein richtungen in Tätigkeit sind. Bei verstell barer Gebläseschaufelung beispielsweise wird der Anlagewirkungsgrad schlechter.
Sieht man Reserveluftbehälter vor, so muss deren Speichervermögen sehr gross und die Nach- füllvarrichtung sehr leistungsfähig sein. wenn der Speicher während relativ langer Zeit in Anspruch genommen werden muss. Dies wäre eine sehr unerwünschte Kompl i- zierung der Anlage. Durch die vorliegende Erfindung ist ein Regelungsverfahren ge funden worden, das den obigen Forderungen in besonders hohem Masse entspricht.
Das Verfahren besteht darin, dass die Mittel, die bei plötzlich veränderter Leistungsaufnahme der angetriebenen Maschine (z. B. Generator) die Leistungsabgabe der Gasturbinenanlage sofort dem neuen Belastungszustand anpas sen, noch bevor sich die Drehzahl des Lade aggregates diesem angepasst hat, nur dann und nur so lange in Tätigkeit.
gehalten wer den, als die Drehzahl der anzutreibenden Ma schine um mehr als den zugelassenen bleiben den Irngleichförmigkeitsgrad von der mitt leren Drehzahl abweie.ht. Unter dem blei benden Ungleichförmigkeitsgrad wird be kanntlich diejenige positive oder negative Abweichung von einer bestimmten vorge schriebenen mittleren Drehzahl verstanden, welche im Betrieb dauernd zugelassen wer den kann.
Er beträgt in praktischen Fällen beispielsweise -i- 1 %. - Im Falle der abso luten Isodroniregelung ist dieser bleibende Ungleichförmigkeitsgrad 0. - Es kann ge nügend und zweckmässig sein, die genannten Mittel zur raschen Leistungsveräntderung so zu regeln, dass die Drehzahl der zu treiben den Maschine der einzige Impuls ist, der auf ihre Regelung einwirkt.
Dies gilt besonders für den Fa1il der verstellbaren Schaufelung. Wird hingegen ein Reserveluftbehälter vor gesehen, so kann es vorteilhaft sein, die Regelung so auszubilden, dass, sobald die Drehzahl der anzutreibenden Maschine ihren tiefsten Wert erreicht hat und wieder zu steigen beginnt, die Luftzufuhr aus dem Be hälter derart. geregelt wird, dass in der An lage annähernd der Druckzustand bestehen bleibt, der im Augenblick kleinster Drehzahl erreicht war, und zwar so lange, bis das Ladeaggregat nahezu die geforderte Dreh zahl erreicht hat und die Reserveluftzufuhr abgestellt wird.
Umgekehrt wird bei raschen Entlastungen, bei denen man Luft aus der Anlage abblasen lässt, dieser Luftauslass so geregelt, dass er von dem Moment an, wo die Drehzahl ihren Höchstwert erreicht hat und wieder zu sinken beginnt, einen konstanten Druck in der Anlage einstellt. Die Vorrich- tungen,welche zur Anpassung der Drehzahl des Ladeaggregates an die jeweilige Be lastung dienen, (z.
B. elektrische Maschinen oder Regelventile zur Stufenüberbrückung an der Turbine des Ladeaggregates ete.) können an sich ebenfalls derart geregelt werden, dass die Drehzahl der anzutreiben den Maschine der einzige Regulierimpuls ist. Zweckmässiger wird die Regelung dieser Vorrichtung so, ausgebildet, dass sie durch die vereinigte Wirkung der Drehzahlen der anzutreibenden Maschine und des Lade aggregates bestimmt ist.
An Hand der Figuren wird das erfin dungsgemässe Verfahren beispielsweise er läutert.
Fig. 1 stellt beispielsweise das Arb.eits- Schema einer Gasturbinenanlage der hier in Frage stehenden Art,dar. Der Hauptverdich ter 1 saugt durch den Stutzen 2 Luft unter Überdruck an, verdicket sie und fördert sie durch den Stutzen 3 in den Wärmeaustausch apparat 4 (Rekuperator), wo sie im Gegen strom aufgewärmt wird. Sie gelangt als dann durch die Leitung 5 in das Röhren system 6 des Lufterhitzers 7, wird :dort auf Maximaltemperatur erhitzt und durch die Leitung 8 in die Turbine 9 geleitet, wo sie wiederum expandiert.
Die Luft verlässt die Turbine 9 durch die Leitung 10. Ein Teil strömt durch die Leitung 14, in den Wärmc- austauscher 4, den sie im Gegenstrom durch strömt, um hierauf im Kühler 15 rück gekühlt und wieder dem Verdichter 1 zuge führt zu werden. Der übrige Teil strömt in den Verbrennungsraum 11 des Lufterhitzers 7, wo durch die Düse 12 Brennstoff zuge führt wird.
Nach Abgabe der Verbrennungs wärme an die Erhitzerrohre 6 strömt das Gas: durch die Leitung 16 ebenfalls in den ZVärmeaustauscher 4 und nach Austritt aus diesem durch die Leitung 17 in die Lade turbine 18. Dort findet die Expansion auf den atmosphärischen Druck statt, und das Gas verlässt die Anlage durch den Stutzen 19. Die Ladeturbine 18 treibt den Ladever dichter 20, der durch den Stutzen 21 Luft aus der Atmosphäre ansaugt, sie komprimiert und durch die Leitung 23, in die ein Rück schlagventil 22 eingebaut ist, und den Küh ler 24 dem Verdichter 1 zuzuführen. Die Anlage treibt den Drehstromgenerator 25.
Zum Ausgleich der Leistungen der Maschi nen: 18 und 20 dient die elektrische Maschine 26, die als Gleichstrommaschine ausgebildet ist. Der Gleichstrom wird ihr aus einem Quecksilberdampfmutator27 zugeführt. Die sem wird in bekannter Weise Drehstrom über einen Transformator (Primärwicklun gen 28, Sekundärwicklungen 29) aus dem Netz 41 zugeführt. Der Mutator arbeitet als Gleichrichter, wenn die Maschine 26 als Motor arbeitet, als Wechselrichter, wenn sie als- Generator arbeitet.
Die Maschine 26 wird deshalb als Gleichstrommaschine ausgebil det, weil dann die Tourenzahlvariation ohne weiteres möglich ist. Selbstverständlich kann an Stelle der Gleichstrommaschine 26 auch eine tourenvariable Wechselstrommaschine verwendet werden, wobei der Mutator über flüssig wird.
Um die Leistung bei rascher Belastungs steigerung genügend rasch erhöhen zu kön nen, ist ein Druckluftbehälter 30 vorgesehen, aus dem durch Öffnen des Absperrorganes 31 Luft in die Anlage geleitet werden kann, um sie auf höheren Druck zu bringen. Umge kehrt kann .durch Öffnen des Absperrorganes 32 Luft aus der Anlage abgelassen werden bei plötzlicher Entlastung.
Die Regelung dieser beiden Ventile erfolgt unter -dem Ein fluss des Fliehkraftreglers 33, und zwar er findungsgemäss derart, dass das Absperr organ 31 erst geöffnet wird, wenn die Dreh zahl tiefer ist als dem zugelassenen bleiben den Ungleichförmigkeitsgrad entspricht, wäh rend 32 nur geöffnet wird, wenn die Dreh zahl entsprechend höher ist. Die Drehzahl regelung der elektrischen Maschine 26 und damit des Aggregates 18, 20 kann unter dem Einfluss des Reglers 33 erfolgen, zweckmässi ger aber unter dem vereinigten Einfluss der Regler 33 und 34.
Das Rückschlagventil 22 hat den Zweck, ein Rückströmen von Luft durch das Gebläse 20 zu vermeiden. Wird nämlich die Anlage vom Behälter 30 aus auf höheren Druck aufgefüllt, so hört das Ge bläse 20 zunächst auf zu fördern, weil es bei der augenblicklichen Drehzahl das hohe Druckverhältnis nicht erzengen kann. Erst wenn seine Drehzahl genügend gestiegen ist, setzt die Förderung wieder ein. Fig. 1 lässt ferner noch: eine zusätzlie.he Regelvorrich tung erkennen. Sie besteht in einem Stufen kolben 35, der über einen Hebel 36 ein IMb- sperrorga n 37 betätigt.
Hat das Verhältnis der Drücke auf Hochdruckseite und Nieder druckseite der Hauptanlage seinen normalen Wert, so ist die Kraft auf die untere grö ssere Kolbenfläche des Stufenkolbens etwas grösser als diejenige auf die kleinere obere Kolbenfläche. Steigt aber das genannte; Druckverhältnis, so überwiegt die Kraft auf die obere kleine Kolbenfläche. Damit. bewegt sich der Stufenkolben nach unten und das Abschlussorgan 37 öffnet sich und lässt Luft von der Hochdruckseite nach der Nieder druckseite strömen, so dass eine Reduktion des Druckverhältnisses eintritt.
Dadurch wird vermieden, dass der Verdichter 1 pumpt, was bei zu grossen Druckverhältnis sen, eintreten kann. - Ein kleiner Hilfs kompressor 39 speist über eine Leitung 40 den Behälter 30 nach, so dass dort stets die nötige Luftreserve vorhanden ist.
In Fig. 2 ist ein Diagramm eines Regel vorganges dargestellt. Als Abszisse ist die Zeit aufgetragen, als Ordinate die Drehzahl. jlo sei die vorgeschriebene mittlere Drehzahl, fr.' die im Dauerzustand minimal zulässige, ri <I>'</I> die entsprechende maimal zulässige Tourenzahl.
Das Band zwischen n' und 7i"' entspricht. also dem bleibenden Ungleich- förmigkeitsgra.d. Erfindungsgemäss erfolgt nun die Regelung des Abschlussorganes 31 so, dass dieses Ventil sich erst dann öffnet, wenn die Drehzahl unter den Wert n' sinkt. Ganz analog kann das Abschlussorgan 32 nur dann geöffnet werden, wenn die Dreh zahl über u" steigt.
Solange sich also die Drehzahl auf und zwischen den beiden Linien -rä und rz" befindet. ist keines der bei- ,den genannten Abschlussorgane 31, 32 ge öffnet, und insbesondere sind sie demnach geschlossen, solange die Drehzahl um nicht mehr als dem zugelassenen bleibenden LTn - gleichförmigkeitsgrad von n" abweicht. Fig. 3 stellt beispielsweise einen Regii- liermecha.nismus dar, der nach dem genann ten Verfahren arbeitet.
Die Beeinflussung der Drehzahl des Motors 26 geschieht in die sem Fall unter dem gleichzeitigen Einfluss der Regler 33 und 34. Sinkt beispielsweise die Drehzahl des Generators, so sinkt die Muffe des Reglers 33, damit aber auch das linke Ende des Hebels 42 und schliesslich die Punkte 45 und 46. Da Punkt 48 des Hebels 47 zunächst in Ruhe bleibt, hebt sich der Punkt 49, und der Schieber 51 bewegt sich nae.h oben.
Da bei 52 Drucköl zugeführt wird, gibt somit der Schieber 51 den Druck- älzutritt zur obern Seite des Kolbens 53 frei, während auf der untern Seite das 01 ablaufen kann (dies ist auch die gezeichnete Lage des Schiebers 51). Der Kolben 53 be wegt sich folglich nach unten und damit auch der Punkt 48, was eine Rüe.kführung des Schiebers 51 mit sich bringt.
Diese Rück führung ist aber keine starre, sondern es sind erstens Federn 50 vorgesehen, welche den Punkt 48 in eine bestimmte Lage zu bringen bestrebt sind, während gleichzeitig ein Öl- katarakt 54 vorgesehen ist, der in bekannter Weise mit einem Kolben versehen ist, der eine kleine Durchtrittsbohrung 55 für das 01 besitzt. Es ist klar, dass sich nach be endigtem Regulierungsvorgang der Schieber 51 unbedingt wieder in seiner neutralen Mit tellage befinden muss, weil sonst eben noch weitere Bewegungen eintreten würden.
Damit nimmt aber auch der Punkt 49 eine ganz be stimmte Lage ein, aber auch der Punkt 48 muss nach beendigtem Regelvorgang wieder eine ganz bestimmte (nämlich seine ursprüng liche) Lage einnehmen, da er durch die Federn 50 schliesslich in diese Lage zurück gebracht wird (die Federn 50 müssen sich nach beendigtem Regelvorgang im Gleich gewicht befinden, da nämlich sonst der Öl- katarakt sich noch bewegt, was ja voraus setzungsgemäss nicht der Fall sein soll). Ist aber die Lage der Punkte 48 und 49 fest gelegt, so ist es schliesslich auch diejenige des Punktes 45. Damit ist aber zu jeder Stellung des Reglers 33 eine Stellung des Reglers 34 zugeordnet.
Die Regelung- arbei tet also so, dass zu jeder Stellung des Reg lers 33 auch eine ganz bestimmte Touren zahl des Ladeaggregates gehört, unabhängig davon, wie die zum vornherein nicht genau bekannte Charakteristik dieses Aggregates ist. Durch den Kolben 53 wird einfach der Bürstenträger 56 der elektrischen Maschine 26 um den Punkt 57 gedreht. Im vorliegen den Fall ist angenommen, dass die Maschine als Motor arbeitet.
Ihre Leistungsabgabe ist dann um so grösser, je weiter sich die Ebene der Bürsten aus derjenigen der Pole 58 ent fernt und wird am grössten, wenn die bei den Ebenen senkrecht aufeinander stehen. Eine Abwärtsbewegung des Kolbens 53, wie sie bei Belastungsvorgängen eintritt, bringt demnach eine Leistungszunahme, das heisst eine Drehzahlerhöhung der Maschine 26 mit sieh.
Der Regler 33 bestimmt nun aber gl-eieli- zeitig auch das Öffnen, und Schliessen der Ventile 31 und 32. Das rechte Ende des Hebels 43 ist mit dem Punkt 59 verbunden. Die Punkte 59, 60 und 61 gehören ein und demselben Hebel an, der mit dem Kolben 63 und dem Schieber 64 zusammen eine ge wöhnliche Krafteinschaltung darstellt, die einfach derart arbeitet, dass die Lage des Kolbens 63 durch die Stellung des Reglers 33 eindeutig bestimmt ist. Dadurch wird aber auch der Punkt 62a des Winkelhebels <B>62</B> durch den Regler 33 verstellt, und zwar im gleichen Sinne wie dieser.
Schliesslich werden damit auch die Winkelhebel'65 und 106 durch den Regler 33 verstellt. Der Punkt 65a bewegt sich im gleichen Sinne wie der Regler 33, nämlich nach abwärts, wenn der Regler sinkt, nach aufwärts, wenn der Regler steigt. In der Figur ist diejenige Lage eingezeichnet, die der Dreh zahl 7ä entspricht. Sinkt also in diesem Zu stand -die Drehzahl noch weiter, so muss das Ventil 31 geöffnet werden. Das wird da durch erreicht, dass bei einer weiteren Ab wärtsbewegung des Schiebers 66 der Druck ölzutritt zum Kolben 74 durch die Leitung 67, 68, 69, 70, 71 freigegeben wird.
Gleich- zeitig kann das 01 über dem Kolben 74 durch die Leitungen 72, 73, 75, 76, 77, 78 abfliessen. Der Kolben bewegt sich also nach oben und öffnet das Ventil 31. Durch den Stutzen 100 kann nun Druckluft aus dem Reservebehälter in die Leitung 99 über strömen, die direkt an die Anlage ange schlossen ist.
Es ist zudem vorgesehen, dass die Rege lung, sobald die Drehzahl ihren tiefsten' Wert erreicht hat und wieder zu steigen an fängt, in der Anlage einen konstanten Druckzustand einstellt. Das wird folgender massen erreicht: Steigt die Drehzahl des Generators., so steigt auch der unter dem Einfluss des Reglers 33 sich bewegende Schieber 66, folglich auch der Kolben 83. Beim vorhererfolgten Abwärtsgang dieses Kolbens konnte in den Raum über demselben Öl unter schwachem Druck nachströmen, nämlich durch die Leitungen 79, 80, 82. unter Durchströmung des Rückschlagventils 81.
Bewegt sich nun aber der Kolben 83 nach oben, so kann ein Rückströmen des Öls wegen des Rückschlagventils 81 nicht statt finden. Da der Schieber 66 hierbei nach Voraussetzung tiefer steht auls die gezeich nete Lage, tritt durch die Leitung 102 Drucköl unter den Kolben 84, so dass auch ein Abströmen des Öls durch die Leitung <B>8 ,5,</B> 78 zunächst nicht möglich ist. Daher wird nun der Schieber 86 entgegen der Kraft der Feder 87 von der untersten in die oberste Lage gedrückt.
Erst dann erzeugt der Kol ben 83 bei seiner weiteren Aufwärtsbewe- gung einen solchen Druck, dass weiterver drängtes 01 unter Zurückdrückung des Kol bens 84 durch die Leitungen 85 abströmt. Dadurch, dass sich 86 in seiner obersten Lage befindet, tritt folgendes eiü: .Die Verbin dungen zwischen den Kanälen 76 und 77, sowie zwischen 68 und 69 sind unterbrochen.
Damit hört der Schieber 66 auf, die Bewe gung dies Kolbens 74 zu beeinflussen. Hin gegen gelangt nun Drucköl aus, der Leitung 68 durch die Leitung 88 unter den Kolben 89, der folglich die Nadel 90 auf ihren Sitz drückt. Man erkennt, dass nunmehr der Kolben 91 keine Bewegung mehr ausführen kann, weil die Räume über und unter diesem Kolben nicht mehr miteinander kommunizie ren. Folglich ist jetzt auch der Einsatz 92 festgehalten.
Steigt der Druck in der An lage also auch in der Leitung 99 noch wei ter an, so bewegt sich der Kalben 95 weiter nach oben, damit aber auch der Punkt 9 7 und somit der Schieber 93. Damit gelangt Drucköl durch die Kanäle 68, 98, 72 über den Kolben 74. während unter demselben das Öl durch die Kanäle 71, 104 abströmen kann. Der Kolben 74 gebt also nach unten und bewegt das Ventil 31 im Sinne des Schliessens. Es kann sich also in der Lei tung 99 kein wesentlich höherer Druck ein stellen, denn das würde ein vollständiges Schliessen des Ventils 31 zur Folge haben.
Anderseits würde ein beträchtliches Absin ken des Druckes ein vollständiges Öffnen des Ventils 31 bewirken, so dass entsprechend Druckluft nachgefüllt würde. Man erkennt also, dass ein Festhalten des Einsatzes 92 zur Folge hat, dass von diesem Augenblick an ein ungefähr konstanter Druck in .der Leitung 99, also ein nahezu konstanter Druckzustand der Anlage eingestellt wind.
Ist der Einsatz 92 frei beweglich, so ist dies nicht der Fall, weil er dann durch die Federn 94 relativ zum Schieber 93 immer in der neutralen Lage gehalten wird, so dass dieser keinerlei steuernden Binfluss ausübt.
Es wird also durch die gezeigte Art der Regelung tatsächlich erreicht, dass, sobald die Drehzahl des Generators wieder zu stei gen anfängt, ein konstanter Druckzustand in der Anlage eingestellt wird, und man kann die Teile der Regelvorrichtung so bemessen, dass dieser Druckzustand nicht weit von dem jenigen abweicht, der im Augenblick tiefster Drehzahl vorhanden war. Sobald das Lade aggregat genügend beschleunigt ist, fängt es wieder an zu fördern. Demzufolge wird die Druckregelung das. Ventil 31 mehr schliessen, bis es ganz geschlossen ist.
Auf alle Fälle schliesst sich das Ventil 31 aber, sobald die Drehzahl den Wert n' übersteigt. Denn ist yä erreicht, so hat der Schieber 66 wieder die gezeichnete Lage. Hebt er sich weiter, so kann das 01 unter dem Kolben 84 durch,die Leitungen 102, 103, 104 abfliessen; die Feder 87 drückt den Kolben 86 wieder in die unterste Lage, so dass die Kanäle 68 und 69 wieder miteinander in Verbindung treten, ebenso 76 und 77. Anderseits wird der Kol ben 91 wieder freigegeben.
Es übernimmt nun also wieder der Schieber 66 die Steue rung des Kolbens 74, und zwar wird dieser, weil der Schieber in einer höheren Lage ist als gezeichnet, nach unten gedrückt und schliesst das Ventil 31.
Es muss natürlich auch die Brennstoff zufuhr dauernd dem Druckzustand der An lage angepasst werden. Das kann beispiels weise so geschehen, dass eine federnde Druck dose 105 das als Regulierkonus ausgebildete Brennstoffregelventil 13 derart einstellt, dass eine richtige Anpassung der Brennstoff- menge an den Druckzustand stattfindet.
Auf ganz analoge Weise wird das Ven til 32 betätigt, durch das Luft aus der An lage abgelassen werden kann. Der Steue- rungsmechanismus ist genau derselbe wie für das Ventil 31, nur dass er im umgekehrten Sinne arbeitet, was durch die andere Anord nung des Winkelhebels 106 (gegenüber dem Hebel 65) und des Kolbens 107 (gegenüber dem Kolben 95) bedingt ist. Die beiden Steuerungsmechanismen lassen sich natürlich konstruktiv in einen einzigen vereinigen, doch wurden sie hier der Deutlichkeit halber getrennt gezeichnet.
Der in Fig. 2 dargestellte Regelvorgang spielt sich nun so ab; Ursprünglich schwache Belastung und Drehzahl n,. Im Zeitpunkt t1 wird die Belastung plötzlich erhöht, so dass die Drehzahl sofort fällt. In t, öffnet sich das Ventil 31 und füllt die Anlage auf, so dass das weitere Abfallen der Drehzahl immer mehr aufgehalten wird, bis sie sogar wieder zu steigen beginnt. Unmittelbar darauf nämlich vom Zeitpunkt t" an, arbei tet die Regelung so, dass sie einen konstan ten Druckzustand in der Anlage einstellt.
Das Ladeaggregat habe sich im Zeitpunkt t, so weit beschleunigt, dass es wieder zu för- lern beginnt. Dementsprechend schliesst die Druckregelung das Ventil 31, welches im Punkt tz; vollständig geschlossen sei. Von jetzt ab spielt nur noch die Drehzahlrege lung des Ladeaggregates (das heisst der Ma schine 26) und stellt nach einigen kleineren Schwankungen schliesslich den neuen Behar rungszustand ein, der durch,die Drehzahl n.2 gekennzeichnet ist und im Zeitpunkt ta er reicht sei.
Durch das beschriebene Reglungsverfah- ren werden erhebliche Vorteile erreicht. Vor allem ist es dabei völlig ausgeschlossen, @dass sich ein Betriebszustand als Beharrungs zustand einstellt, bei dem die Mittel, die zur sofortigen Leistungsanpassung dienen, dauernd eingeschaltet bleiben würden. Es wird auch vermieden, dass die Generatordreh- za.hl während. des Reguliervorganges stark um den Wert herumpendelt, den sie dann schliesslich einnimmt. Selbst wenn im ersten Augenblick stark überreguliez-t wird (also z.
B . zu viel Luft in die Anlage eingelassen wird) kann dies keine grossen Nachteile ver ursachen. Denn die Drehzahl steigt in die sem Falle an, was aber die Mittel zur Lei stungserhöhung sofort wieder ausschaltet, nämlich sobald n' erreicht ist. Beispielsweise wird dann das Abschlussorgan 31 .geschlos sen, so dass überhaupt nirgends Luft in die Anlage eintritt, weil,das Ladeaggregat wäh rend der kurzen Zeit, die hier in Frage kommt, noch nicht so weit beschleunigt sein kann, dass es zu fördern beginnt.
Damit nimmt aber die Drehzahl sofort wieder ab, kann also niemals über den Wert n" anwach sen, was ein Abblasen zur Folge hätte. Es kann sich daher kein Pendeln einstellen, bei dem mehrmals hintereinander Luft nachge füllt und abgelassen würde, bis sich die Regelung beruhigt hätte. Höchstens kann sich ein etwas unstetiges Auffüllen (bezw. Ablassen beim Entlastungsvorgang) ergeben. Aber selbst dieser viel kleinere Nachteil wird noch behoben, wenn man vom Moment der umkehrenden Drehzahl an eine Druckrege lung in Tätigkeit bringt.
Der schwankungs freie Verlauf der Drehzahl des Generators bewirkt dann, dass jede Verschleppung bei der Drehzahländerung des Ladeaggregates vermieden wird, so da3 sich dieses rasche stens dem neuen Zustand anpasst und der Regelvorgang sehr schnell abgeschlossen ist.
Die gezeigte Art der Drehzahlregelung des Ladeaggregates durch den kombinierten Ein fluss der Regler 33 und 34 unter Einschal tung von nachgiebiger Rückführung und Öl katarakt hat den Vorteil, dass unabhängig von der zum voraus oft nicht sehr genau be kannten Leistungscharakteristik des Lade aggregates, eine ganz bestimmte Zuordnung der Drehzahl des, Generators (bezw. der Generatorleistung) und derjenigen des Lade aggregates erzielt werden kann, die sieh im Beharrungszustand immer einstellt. Zudem zeigt die Berechnung, dass eine solche Rege lung immer stabil ist.
Method for regulating gas turbine systems. The invention relates to a method for regulating gas turbine systems, which work as follows:
The working fluid is sucked in by at least one main compressor at a pressure that is greater than atmospheric, compressed, subjected to heating and then expanded in at least one turbine to a pressure that is also higher than atmospheric. The process takes place completely under overpressure, which is achieved in such a way that at least one additional independent turbo unit, called a charging unit, is provided, consisting of a compressor that continuously draws in air, compresses it and supplies it to the rest of the system, and a turbine, which continuously flows in working gas under excess pressure from the latter,
to expand and leave the facility. The performance of such systems can be expressed in an excellent manner. regulate that by changing the speed of the charging unit, the entire pressure level of the system operating under overpressure is changed according to the load condition and the fuel supply is adjusted accordingly. Such a regulation is extraordinarily economical.
If, however, the machine to be driven is an electric generator, in which only slight fluctuations in speed are permitted, the problem arises that if the load on the system suddenly changes, the speed of the charging unit cannot be changed quickly enough, so that additional tools are required that enable an immediate adjustment of the power output: Examples of these are:
Reserve air tanks in which compressed air is stored, which is fed into the system in the event of a sudden increase in load, so that the increased pressure condition occurs immediately, even before the charging unit has reached the corresponding higher speed. In the event of sudden relief, on the other hand, air or gas is let out of the system in an analogous manner through outflow elements, so that a lower pressure state is set immediately.
Another very advantageous means of Schnellrege development is that the Scha.ufelung of the main compressor is temporarily adjusted so that the pressure ratio he generated in the main compressor is momentarily larger or smaller depending on the type of load change. As soon as the speed of the loading unit has adapted to the new load condition, the shovel is returned to its normal position.
Steam accumulators and auxiliary steam turbines can also be used as such rapid regulating devices.
However, the use of such means presupposes that a regulating mechanism is created that works according to a process by which the relevant interventions (opening and closing the valves, adjusting and resetting the blades) are controlled in a regular manner means that the following B <@ - conditions are met:
The control not only has to be stable, i.e. set a new steady-state position after every change in the load on the system, but the new steady-state position must be set as quickly as possible and with a minimum of temporary fluctuations, so that the aids provided for rapid control are only very brief Remain switched on. This is required because the operation of the system is uneconomical while these auxiliary facilities are in operation. With adjustable fan blades, for example, the efficiency of the system is poor.
If reserve air tanks are provided, their storage capacity must be very large and the refill device must be very efficient. when the memory has to be used for a relatively long time. This would be a very undesirable complication of the system. With the present invention, a control method has been found that meets the above requirements to a particularly high degree.
The method consists in that the means which, if the power consumption of the driven machine (e.g. generator) suddenly changes, adapt the power output of the gas turbine system to the new load condition immediately, even before the speed of the charging unit has adapted to this, only then and only in action for so long.
who kept the, as the speed of the machine to be driven by more than the permitted, the degree of irregularity remains deviating from the mean speed. The remaining degree of nonuniformity is understood to be that positive or negative deviation from a certain prescribed average speed which can be continuously permitted during operation.
In practical cases, for example, it is -i- 1%. - In the case of absolute isodronic control, this permanent degree of irregularity is 0.- It can be sufficient and useful to control the means for rapid output change so that the speed of the machine to be driven is the only impulse that affects its control .
This is particularly true for the case of adjustable blades. If, on the other hand, a reserve air tank is provided, it can be advantageous to design the control so that, as soon as the speed of the machine to be driven has reached its lowest value and begins to rise again, the air supply from the tank is in this way. it is regulated that the system remains almost at the pressure level that was reached at the moment of the lowest speed, until the charging unit has almost reached the required speed and the reserve air supply is shut off.
Conversely, in the case of rapid reliefs in which air is blown out of the system, this air outlet is regulated in such a way that it sets a constant pressure in the system from the moment the speed has reached its maximum value and begins to decrease again. The devices that are used to adapt the speed of the charging unit to the respective load (e.g.
B. electrical machines or control valves for level bridging on the turbine of the charging unit ete.) Can also be controlled in such a way that the speed of the machine to be driven is the only control pulse. The regulation of this device is more expediently designed in such a way that it is determined by the combined effect of the speeds of the machine to be driven and the loading unit.
The method according to the invention is explained using the figures, for example.
Fig. 1 shows, for example, the working diagram of a gas turbine plant of the type in question here. The Hauptverdich ter 1 sucks air under overpressure through the nozzle 2, doubles it and promotes it through the nozzle 3 in the heat exchange apparatus 4 (recuperator), where it is warmed up in the opposite direction. It then reaches the pipe system 6 of the air heater 7 through the line 5, where it is heated to the maximum temperature and passed through the line 8 into the turbine 9, where it expands again.
The air leaves the turbine 9 through the line 10. Part of it flows through the line 14 into the heat exchanger 4, which it flows through in countercurrent, to be cooled back in the cooler 15 and fed back to the compressor 1. The remaining part flows into the combustion chamber 11 of the air heater 7, where fuel is supplied through the nozzle 12.
After releasing the combustion heat to the heater tubes 6, the gas flows: through line 16 also into the ZVärmeaustauscher 4 and after exiting this through line 17 in the loading turbine 18. There, the expansion to atmospheric pressure takes place, and the gas leaves the system through the connection 19. The charging turbine 18 drives the charging compressor 20, which sucks in air from the atmosphere through the connection 21, compresses it and passes it through the line 23, in which a check valve 22 is installed, and the cooler 24 to be fed to the compressor 1. The system drives the alternator 25.
The electrical machine 26, which is designed as a direct current machine, serves to compensate for the performance of the machines: 18 and 20. The direct current is fed to it from a mercury vapor mutator27. The sem is supplied in a known manner three-phase current via a transformer (primary windings 28, secondary windings 29) from the network 41. The mutator operates as a rectifier when the machine 26 operates as a motor, as an inverter when it operates as a generator.
The machine 26 is therefore ausgebil det as a DC machine, because then the number of revolutions variation is easily possible. A variable-speed alternating current machine can of course also be used instead of the direct current machine 26, the mutator being superfluous.
In order to be able to increase the performance quickly enough in the event of a rapid increase in load, a compressed air tank 30 is provided, from which air can be passed into the system by opening the shut-off device 31 in order to bring it to a higher pressure. Conversely, air can be released from the system by opening the shut-off device 32 in the event of sudden relief.
The regulation of these two valves takes place under the influence of the centrifugal governor 33, namely according to the invention in such a way that the shut-off organ 31 is only opened when the speed is lower than the permitted remain the degree of irregularity, while 32 is only opened if the speed is correspondingly higher. The speed regulation of the electrical machine 26 and thus of the assembly 18, 20 can take place under the influence of the controller 33, but more expediently under the combined influence of the controllers 33 and 34.
The check valve 22 has the purpose of preventing air from flowing back through the fan 20. Namely, if the system is filled up from the container 30 to a higher pressure, the Ge blower 20 initially stops to promote because it cannot generate the high pressure ratio at the current speed. Only when its speed has increased sufficiently does the promotion start again. Fig. 1 also shows: an additional control device. It consists of a stepped piston 35 which actuates a locking device 37 via a lever 36.
If the ratio of the pressures on the high pressure side and the low pressure side of the main system is at its normal value, the force on the lower, larger piston area of the stepped piston is slightly greater than that on the smaller, upper piston area. But increases the said; Pressure ratio, the force on the upper small piston area predominates. In order to. the stepped piston moves downwards and the closing element 37 opens and allows air to flow from the high pressure side to the low pressure side, so that a reduction in the pressure ratio occurs.
This prevents the compressor 1 from pumping, which can occur if the pressure ratios are too high. - A small auxiliary compressor 39 feeds the container 30 via a line 40 so that the necessary air reserve is always available there.
In Fig. 2 is a diagram of a control process is shown. The time is plotted as the abscissa and the speed as the ordinate. jlo is the prescribed mean speed, fr. ' the minimum permissible in the permanent state, ri <I> '</I> the corresponding maximum permissible number of tours.
The band between n 'and 7i "' corresponds to the remaining degree of irregularity. According to the invention, the closing element 31 is now regulated so that this valve only opens when the speed drops below the value n '. Quite analogously the closing element 32 can only be opened when the speed rises above u ".
As long as the speed is on and between the two lines -rä and rz ". Neither of the two closing elements 31, 32 mentioned is open, and in particular they are accordingly closed as long as the speed does not remain by more than the permitted one LTn - degree of uniformity deviates from n ". 3 shows, for example, a regulating mechanism which works according to the method mentioned.
The speed of the motor 26 is influenced in this case under the simultaneous influence of the controllers 33 and 34. If, for example, the speed of the generator drops, the sleeve of the controller 33 drops, but so does the left end of the lever 42 and finally the points 45 and 46. Since point 48 of the lever 47 initially remains at rest, the point 49 is raised and the slide 51 moves near the top.
Since pressure oil is supplied at 52, the slide 51 thus releases the pressure oil access to the upper side of the piston 53, while the 01 can run on the lower side (this is also the position of the slide 51 shown). The piston 53 consequently moves downwards and thus also the point 48, which brings about a Rüe.kführung of the slide 51 with it.
This return is not a rigid one, but firstly springs 50 are provided, which strive to bring the point 48 into a certain position, while at the same time an oil cataract 54 is provided, which is provided in a known manner with a piston that has a small through-hole 55 for the 01. It is clear that after the regulation process has ended, the slide 51 must be in its neutral central position, because otherwise further movements would occur.
However, point 49 also occupies a very specific position, but point 48 must also take up a very specific (namely its original) position after the control process has been completed, since it is finally brought back into this position by springs 50 ( the springs 50 must be in equilibrium after the control process has been completed, since otherwise the oil cataract will still move, which is not supposed to be the case according to the statutory provisions). If, however, the position of points 48 and 49 is fixed, it is ultimately also that of point 45. However, a position of regulator 34 is assigned to each position of regulator 33.
The control therefore works in such a way that a very specific number of revolutions of the loading unit also belongs to each position of the controller 33, regardless of the characteristics of this unit, which are not exactly known beforehand. The brush holder 56 of the electrical machine 26 is simply rotated about the point 57 by the piston 53. In the present case, it is assumed that the machine works as a motor.
Their power output is greater the further the plane of the brushes is removed from that of the poles 58 and is greatest when the two planes are perpendicular to one another. A downward movement of the piston 53, as occurs during loading processes, accordingly brings about an increase in output, that is to say an increase in the speed of the machine 26.
The regulator 33 now also determines the opening and closing of the valves 31 and 32 at the same time. The right end of the lever 43 is connected to the point 59. Points 59, 60 and 61 belong to one and the same lever, which, together with piston 63 and slide 64, represents a common power switch that simply works in such a way that the position of piston 63 is clearly determined by the position of controller 33 . As a result, however, the point 62a of the angle lever <B> 62 </B> is also adjusted by the controller 33, in the same sense as this.
Finally, the angle levers 65 and 106 are also adjusted by the controller 33. The point 65a moves in the same direction as the controller 33, namely downwards when the controller decreases, upwards when the controller increases. In the figure, that position is shown which corresponds to the speed 7ä. If the rotational speed falls even further in this state, the valve 31 must be opened. This is achieved by the fact that with a further downward movement of the slide 66, the pressure of oil admission to the piston 74 through the line 67, 68, 69, 70, 71 is released.
At the same time, the oil can flow off over the piston 74 through the lines 72, 73, 75, 76, 77, 78. The piston thus moves upwards and opens the valve 31. Compressed air can now flow through the nozzle 100 from the reserve container into the line 99, which is connected directly to the system.
There is also provision for the regulation to set a constant pressure state in the system as soon as the speed has reached its lowest value and starts to rise again. This is achieved as follows: If the speed of the generator increases, the slide 66 moving under the influence of the regulator 33 also increases, and consequently also the piston 83. During the previous downward movement of this piston, the oil could flow into the space above the same oil under weak pressure , namely through the lines 79, 80, 82 with flow through the check valve 81.
If the piston 83 now moves upwards, however, the oil cannot flow back because of the check valve 81. Since the slide 66 is lower than the position shown, pressure oil passes through the line 102 under the piston 84, so that the oil does not initially flow out through the line 8, 5, 78 is possible. Therefore, the slide 86 is now pressed against the force of the spring 87 from the bottom to the top position.
Only then does the piston 83 generate such a pressure during its further upward movement that further displaced 01 flows off through the lines 85 while the piston 84 is pushed back. Because 86 is in its uppermost position, the following occurs: The connections between channels 76 and 77 and between 68 and 69 are interrupted.
The slide 66 thus ceases to influence the movement of this piston 74. On the other hand, pressurized oil now comes out of the line 68 through the line 88 under the piston 89, which consequently presses the needle 90 onto its seat. It can be seen that the piston 91 can now no longer perform any movement because the spaces above and below this piston no longer communicate with one another. Consequently, the insert 92 is now also held in place.
If the pressure in the system also rises further in line 99, the calve 95 moves further upwards, but with it the point 9 7 and thus the slide 93. This means that pressurized oil passes through the channels 68, 98 , 72 over the piston 74. while under the same the oil can flow out through the channels 71, 104. The piston 74 thus gives down and moves the valve 31 in the sense of closing. There can be no significantly higher pressure in the line 99, because that would result in a complete closure of the valve 31.
On the other hand, a considerable drop in pressure would cause valve 31 to open completely, so that compressed air would be refilled accordingly. It can thus be seen that holding the insert 92 in place means that from this moment on an approximately constant pressure is set in the line 99, that is to say an almost constant pressure state of the system.
If the insert 92 is freely movable, this is not the case because it is then always held in the neutral position relative to the slide 93 by the springs 94, so that the latter does not exert any controlling influence.
The type of control shown actually ensures that as soon as the speed of the generator begins to rise again, a constant pressure state is set in the system, and the parts of the control device can be dimensioned so that this pressure state does not go far from differs from the one that was present at the moment of the lowest speed. As soon as the charging unit is accelerated enough, it starts to pump again. As a result, the pressure control will close the valve 31 more until it is completely closed.
In any case, the valve 31 closes as soon as the speed exceeds the value n '. Because if yä is reached, the slide 66 has the position shown again. If it rises further, the oil can flow under the piston 84 through the lines 102, 103, 104; the spring 87 pushes the piston 86 back into the lowest position, so that the channels 68 and 69 come into contact with one another again, as do 76 and 77. On the other hand, the piston 91 is released again.
The slide 66 now takes over the control of the piston 74 again, namely because the slide is in a higher position than shown, it is pressed down and closes the valve 31.
Of course, the fuel supply must also be continuously adapted to the pressure status of the system. This can be done, for example, in such a way that a resilient pressure cell 105 adjusts the fuel control valve 13, which is designed as a regulating cone, in such a way that the fuel quantity is correctly matched to the pressure state.
In a very analogous way, the Ven valve 32 is actuated through which air can be drained from the system. The control mechanism is exactly the same as for valve 31, except that it works in the opposite direction, which is due to the different arrangement of angle lever 106 (opposite lever 65) and piston 107 (opposite piston 95). The two control mechanisms can of course be combined into a single one, but for the sake of clarity they have been drawn separately here.
The control process shown in FIG. 2 now takes place as follows; Originally low load and speed n ,. At time t1, the load is suddenly increased, so that the speed drops immediately. In t, the valve 31 opens and fills the system, so that the further decrease in the speed is stopped more and more until it even begins to increase again. Immediately thereafter, namely from time t ″, the control works in such a way that it sets a constant pressure state in the system.
The charging unit had accelerated so far at time t that it began to feed again. Accordingly, the pressure control closes the valve 31, which at point tz; completely closed. From now on, only the speed control of the charging unit (i.e. the machine 26) plays and after a few minor fluctuations it finally sets the new steady state, which is characterized by the speed n.2 and is reached at time ta.
Considerable advantages are achieved through the regulation method described. Above all, it is completely out of the question that an operating state of steady-state occurs in which the means that are used for immediate performance adjustment would remain permanently switched on. It is also avoided that the generator speed during. of the regulation process fluctuates strongly around the value which it then finally assumes. Even if it is strongly overregulated at the first moment (e.g.
B. too much air is let into the system) this cannot cause any major disadvantages. Because the speed increases in this case, but this immediately switches off the means for increasing the performance, namely as soon as n 'is reached. For example, the closing element 31 is then closed so that air does not enter the system anywhere, because the charging unit cannot be accelerated to such an extent during the short time that comes into question here that it begins to convey.
However, this immediately decreases the speed again, so it can never increase above the value n ", which would result in a blow-off. Therefore, there can be no oscillation in which air would be refilled and deflated several times in succession until the control system works At most, the filling (or draining during the unloading process) can be somewhat unsteady, but even this much smaller disadvantage can be remedied if a pressure regulator is activated from the moment the speed is reversed.
The fluctuation-free course of the speed of the generator then ensures that any delay in the speed change of the charging unit is avoided, so that this adapts to the new state as quickly as possible and the control process is completed very quickly.
The type of speed control of the charging unit shown through the combined influence of the controllers 33 and 34 with the inclusion of flexible feedback and oil cataract has the advantage that regardless of the performance characteristics of the charging unit, which are often not very precisely known beforehand, a very specific one Assignment of the speed of the generator (or the generator power) and that of the charging unit can be achieved, which always sets see in the steady state. The calculation also shows that such a control is always stable.