Verfahren zur Erhöhung der Bereitschaft für plötzliche Lastaufnahmen von Gasturbinenanlagen. Bei Gasturbinen mit Gleichdruckverbren nung wird mit Rücksicht auf den Wirkungs grad die Treibgastemperatur bei allen Be lastungen so hoch gehalten, als es die Be triebssicherheit der Beschaufelung erlaubt. Erfolgt die Bemessung der Treibgastemperatur durch Kühlluftbeimischung, so verlangt jede Belastung der Turbine eine bestimmte Luft menge und diese, bei Kreiselverdichtern, eine ganz bestimmte Drehzahl des Verdichters, wenn die Anlage mit gutem Wirkungsgrad arbeiten soll.
Man lässt aus diesem Grunde die ihren Verdichter antreibende Gasturbine, wo nur immer möglich, mit veränderlicher Drehzahl arbeiten, oder führt mit Vorteil die Anlage mehrwellig aus, wobei die Nutzleistungs- turbine gleichbleibende, die den Verdichter antreibende Gasturbine aber veränderliche Drehzahl erhält. Erschwert wird dadurch allerdings die Regelung, da es nicht möglich ist, ohne besondere Vorkehrungen die Tur bine mit ihrem Verdichter bei grösseren und plötzlichen Belastungszunahmen rasch genug auf die Drehzahl zu beschleunigen, die erfor derlich ist, damit der Verdichter die der neuen Belastung entsprechende Luftmenge liefert.
Es könnte zwar der zu einer Lei stungserhöhung erforderliche Brennstoff so fort zugeführt und einwandfrei verbrannt werden, da dieser in der Kühlluft mehr wie genug Sauerstoff vorfände; diese Massnahme ist aber nicht ohne weiteres zulässig, da viel zu hohe Temperaturen entstehen würden. Es würde überdies eine Temperaturerhöhung allein, ohne gleichzeitige Erhöhung der Treib gasmenge nicht genügen, um die erforderliche Beschleunigungsarbeit aufzubringen. Neben dem Kühlmittel muss also auch für ein sofort zusätzlich zur Verfügung .stehendes Treib mittel gesorgt werden.
Es wird nun vorgeschlagen, zur Erhöhung der Bereitschaft für plötzliche Lastaufnah men von Gasturbinenanlagen mit einer oder mehreren Wellen, von denen mindestens eine eine mit der Belastung ändernde Drehzahl aufweist, den Treibbasen mindestens einer Turbine bei plötzlichen Belastungszunahmen zur Beschleunigung des Regelvorganges, und zwar nur während der Zeit dieses Vorganges, Wasser oder Wasserdampf beizumischen.
Wasser zur Niedrighaltung der Treibgas temperaturen beizumischen, ist bei Gastur binen schon oft vorgeschlagen worden; ebenso ist es bekannt, mit Dampf zu kühlen oder vor allem durch Beimischung von Dampf die Leistung von Gasturbinen zu erhöhen. Diese Beimischung erfolgt aber stets dauernd, das heisst nährend des regulären Betriebes und bedeutete, sofern der Dampf nicht lediglich aus nicht anders verwertbaren Abwärmen be stand, stets eine Verschlechterung des An lagewirkungsgrades.
Im vorliegenden Fall erfolgt das Wasser einspritzen oder die Dampfbeimischung nur während der kurzen Zeit, die nötig ist, um die durch Belastungserhöhungen bedingte Drehzahlerhöhung herbeizuführen. Diese Zeit ist so kurz, dass eine etwaige Wirkungs gradsverschlechterung keine Rolle spielt. Wird der Dampf aus Abwärmen gewonnen, so fällt auch hier eine Wirkungsgradver schlechterung dahin.
Man hat auch schon vorgeschlagen, bei den Gasturbinen, die Aufladeverdichter zu Brennkraftkolbenmaschinen antrieben. den Regelvorgang durch Druckluft zu beschleu nigen, die in Flaschen gespeichert und zu sammen mit den Treibgasen oder getrennt durch besondere Düsen auf das Turbinenrad beschickt wurde. Dieses Verfahren kann wohl für die verhältnismässig kleinen Leistungen der Aufladeeinrichtungen in Betracht kom men, ist aber für Gasturbinenanlagen, bei denen es sich um Hauptmaschinen handelt, viel zu unwirtschaftlich, umfangreich und kostspielig.
Die Zeichnung zeigt zwei Gasturbinen anlaben, die mit Einrichtungen zur Durch führung des Verfahrens versehen sind. An Hand derselben wird das Verfahren gemäss der Erfindung beispielsweise erläutert. Fig. 1 betrifft eine Anlage mit zwei Gasturbinen, einer gemeinsamen Brennkammer und mit Verwendung von Dampf zur Beschleunigung des Regelvorganges. Die atmosphärische Luft wird vom Verdichter 1 angesaugt, verdichtet und der Brennkammer 2 zugeführt, in wel cher der Brennstoff verbrannt wird. Nach der Brennkammer gelangt das Treibgas einer seits in die Nutzleistungsturbine 3, welche den Stromerzeuger 4 mit gleichbleibender Drehzahl antreibt, und anderseits in die zweite Turbine 5, welche ihre Leistung an den Verdichter 1 abgibt und mit veränder licher Drehzahl betrieben wird.
Zur Inbetrieb setzung wird die Verdichtergruppe vom An wurfsmotor 6 angetrieben. Der Geschwindig keitsregler 7 bestimmt über eine Kulisse oder Kurvenbahn 8 die Stellung des Brennstoff ventils 9, das von einem Kraftkolben 10 und seinem Steuerkolben 11 betätigt wird. Sinkt zum Beispiel die Drehzahl des Stromerzeu gers 4 wegen Lastaufnahme, so wird das Brennstoffventil 9 mehr geöffnet, so dass die Temperatur der Treibgase ansteigt und die Turbinen 3 und 5 mehr Leistung abgeben können. Über eine zweite Kurvenbahn 12 wird die Drehzahlregelung der Verdichter- bruppe beeinflusst, indem über eine dritte Kurvenbahn 13 und einen Steuer 14 und Kraftkolben 15 die Verteilung der Leistungs abgabe von den Treibgasen an die beiden Turbinen geregelt wird.
Im Beispiel sind zwei mittels Zahnstangen- und Seilzugsan triebes verstellbare Drosselorgane 16 und 17 eingezeichnet, welche die Gase abwechselnd vor der einen oder andern Turbine drosseln. Bei einer Belastung beispielsweise wird zu n,zu- 'Mist heiunveränderter Ste ll ungdes Ge- seliwindi;gkeitsreglers 18 die Kurvenbahn 13 durch das Gestänge angehoben, so dass zu nächst das Ventil 16 ganz geöffnet wird (falls es iiieht schon offen war), so dass das Ventil 1 7 zii schliessen anfängt.
Dadurch wird die Leistmig der Turbine 5 so lange erhöht, bis die Drehzahl desVerdiehters ihren Sollwert erreicht hat. Ist das der Fall, stellt der Geschwindigkeitsregler 18 über die Kurvenhahn 13 die lieistimgsverteilung zwi schen den beiden Turbinen wieder so weit zu- rück, dass die Drehzahl des Verdichters nicht weiter ansteigt oder absinkt.
An Stelle der Drosselorgane 16 und 17 können auch Mischventile vorgesehen werden, die den Treibgasen Kaltluft vom Verdichter druckstutzen beimischen, oder die Turbinen können mit einer Einlasssteuerung versehen sein.
Bei einer plötzlichen grösseren Entlastung funktioniert die Regulierung ohne weiteres in zulässiger Weise: Zunächst wird die Treibgastemperatur infolge der Brennstoff reduktion sofort stark absinken, sodann wird aber infolge der nach und nach sinkenden Drehzahl des Verdichters die Luftmenge re duziert, so dass die Temperatur wieder an steigt. Bei einer plötzlichen grossen Belastung würde sich jedoch vorübergehend eine unzu lässig hohe Treibgastemperatur einstellen. In diesem Moment greift nun gemäss der Erfin dung ein Regelorgan ein, das den Treibgasen Wasser oder Wasserdampf beimischt. Bei dem Beispiel Fig. 1 spricht ein Temperatur fühler 19 an, sobald die Temperatur ihren höchstzulässigen Wert erreicht hat.
Er setzt elektrisch oder mechanisch über den Emp fänger 20 den Steuerkolben 21 in Bewegung, der den Kraftkolben 22 steuert. Durch den Kraftkolben 22 wird das Ventil 23 betätigt, durch welches nun, erfindungsgemäss, Dampf in das Treibgassystem eingeblasen wird.
Die Einführung des Dampfes kann, wie im gezeigten Ausführungsbeispiel, in die Brennkammer, sie kann aber auch in die Treibgasleitung oder unmittelbar vor die Turbine oder auch in eine spätere Stufe der Turbine erfolgen. Durch die Beimischung des Dampfes wird das Treibgasvolumen erhöht. Da die Schluckfähigkeit der Turbine sich aber nicht ändert, so müsste ein Druckanstieg eintreten, der ein Absinken der Fördermenge des Verdichters in das Pumpgebiet zur Folge hätte. Um das zu verhüten, werden Zusatz öffnungen vorgesehen, die während des Re gelvorganges geöffnet werden.
Als solche Zu satzöffnungen kommen in Betracht entweder besondere Düsengruppen, oder Leit- oder Laufschaufeln, deren Durchtrittsquerschnitte durch Verdrehen vergrössert werden, oderUm- gehungsleitungen, durch die entweder einige Stufen derselben Turbine, oder bei mehreren hintereinandergeschalteten Turbinen, ganze Turbinen. übersprungen oder zueinander par allelgeschaltet werden. Es kann auch eine be sondere, nur während des Regelvorganges Leistung liefernde Turbine vorgesehen sein.
In den vorliegenden Ausführungsbeispie len wird die Querschnittserhöhung durch Ein führen des Treibmittels in eine tiefere Stuf der Verdichterantriebsturbine herbeigeführt. Das Abzweigrohr 28 ist im regulären Betrieb abgeschlossen. Kommt Kraftkolben 22 in Be wegung, so öffnet er gleichzeitig mit dem Dampfeinspritzventil 28 die im Rohr 28 ein gebaute Klappe.
Der zur Beschleunigung des Regelvor ganges verwendete Dampf kann, wie ein gangs erwähnt, aus Abwärmen der Gastur bine oder in besonders gefeuerten Kesseln während längeren Arbeitsperioden erzeugt werden. Um eine genügend grosse Dampf menge aber sofort zur Verfügung zu haben, wird dieser Dampf zweckmässigerweise in einem Gefällespeieher 24, der mit Rückschlag ventil 25 und Kondenstopf 26 versehen ist, gespeichert.
In Fig. 2 ist an einem zweiten Beispiel schematisch erläutert, wie die Erfindung auf eine einwellige mit veränderlicher Drehzahl arbeitende Gasturbinenanlage angewendet wer den kann. Der Geschwindigkeitsregler 32 wirkt über eine Kurvenbahn 33 auf den Kraftkol ben 35 und seinen Steuerkolben 36 und somit auf das Brennstoffventil 9. Sinkt zum Bei spiel die Drehzahl, so wird das Brennstoff ventil mehr geöffnet. Eine zweite Kurven bahn 34 wird von Hand oder von einem an dern Regler verstellt; dadurch wird .die Dreh zahl beeinflusst. Bei einem Verschieben der Kurvenbahn 34 nach rechts wird beispiels weise das Brennstoffventil zunächst mehr ge öffnet.
Dadurch steigt die Drehzahl und der Geschwindigkeitsregler reguliert von dann an auf erhöhter Drehzahl. Die Wasserdampf- beimischung erfolgt genau wie beim ersten Beispiel beschrieben. An Stelle von Dampf kann auch Wassar den Treibgasen beigemengt werden. In diesem Falle ist die Brennstoffmenge sofort noch mehr zu erhöhen, da nun nicht nur Überhit zungswärme für den Dampf, sondern auch noch die Verdampfungswärme für das einge spritzte Wasser aufzubringen ist. Die zur Verbrennung dieses Brennstoffes erforderliche Luft wird wieder der Kühlluft entnommen, bis das Gebläse so weit aufgeholt hat, um die dem neuen Belastungszustand entsprechende Treibmittelmenge allein zu liefern.
Für den Einsatz der Wassereinspritzung sorgt auch hier wieder der Temperaturfühler 19. An Stelle des Speichers 24 tritt ein Wassergefäss mit Windkessel. Es kann die benötigte, ver hältnismässig kleine Wassermenge aber auch unmittelbar von einer Pumpe geliefert wer den.
An Stelle des Temperaturfühlers 19 kön nen auch andere Impulsgeber verwendet wer den. So zum Beispiel Gemischregler, die un mittelbar das Verhältnis Brennstoffmen-e zur Brennluftmenge vergleichen. Dabei kann die Brennstoffmenge durch eine Durchfluss mengenmessung oder einfach durch die Stel lung des Brennstoffventils oder durch eine dieser Stellung zugeordnete Grösse (beim ersten Beispiel der Drehzahl der Nutz leistungsturbine) gemessen werden, während die Luftmenge entweder ebenfalls durch eine Durchflussmengenmessung oder durch die Drehzahl des Verdichters bestimmt wird.
Method for increasing readiness for sudden load acceptance by gas turbine systems. In gas turbines with constant pressure combustion, the propellant gas temperature is kept as high as the operational safety of the blading allows for all loads, taking into account the efficiency. If the propellant gas temperature is measured by adding cooling air, each load on the turbine requires a certain amount of air and, in the case of centrifugal compressors, this requires a very specific compressor speed if the system is to work with good efficiency.
For this reason, the gas turbine driving its compressor is allowed to operate at a variable speed wherever possible, or the system is advantageously designed with multiple shafts, with the power turbine having a constant speed while the gas turbine driving the compressor has a variable speed. This makes the control more difficult, however, since it is not possible, without special precautions, to accelerate the turbine with its compressor quickly enough to the speed necessary for the compressor to deliver the amount of air appropriate for the new load in the event of large and sudden increases in load .
Although the fuel required for a performance increase could be supplied immediately and burned properly, since this would find more than enough oxygen in the cooling air; However, this measure is not readily permissible because the temperatures would be far too high. Moreover, a temperature increase alone, without a simultaneous increase in the amount of propellant gas, would not be sufficient to apply the required acceleration work. In addition to the coolant, a propellant that is immediately available must also be provided.
It is now proposed to increase the willingness for sudden load acceptance men of gas turbine systems with one or more shafts, at least one of which has a speed that changes with the load, the propellant bases of at least one turbine in the event of sudden increases in load to accelerate the control process, and only during the time of this process, add water or steam.
Mixing in water to keep the propellant temperatures low has often been proposed in gas turbines; It is also known to use steam for cooling or, above all, to increase the output of gas turbines by adding steam. However, this admixture is always continuous, that is, during regular operation and, unless the steam consisted only of waste heat that could not be used for other purposes, always meant a deterioration in the efficiency of the system.
In the present case, the water is injected or the steam is added only during the short time that is necessary to bring about the increase in speed caused by the increased load. This time is so short that any deterioration in efficiency is irrelevant. If the steam is obtained from waste heat, there is also a deterioration in efficiency.
It has also already been proposed that, in the case of gas turbines, the supercharging compressors for internal combustion piston engines. to accelerate the control process with compressed air that was stored in bottles and fed to the turbine wheel together with the propellant gases or separately through special nozzles. This method can be considered for the relatively small capacities of the charging devices, but it is far too uneconomical, extensive and expensive for gas turbine systems, which are the main machines.
The drawing shows two gas turbines, which are provided with facilities for implementing the method. The method according to the invention is explained, for example, using the same. Fig. 1 relates to a system with two gas turbines, a common combustion chamber and with the use of steam to accelerate the control process. The atmospheric air is sucked in by the compressor 1, compressed and fed to the combustion chamber 2, in which the fuel is burned. After the combustion chamber, the propellant gas arrives on the one hand in the power turbine 3, which drives the generator 4 at a constant speed, and on the other hand in the second turbine 5, which delivers its power to the compressor 1 and is operated at variable speed.
To start up, the compressor group is driven by the starter motor 6. The speed controller 7 determines the position of the fuel valve 9, which is actuated by a power piston 10 and its control piston 11, via a link or cam 8. If, for example, the speed of the power generator 4 falls due to load consumption, the fuel valve 9 is opened more so that the temperature of the propellant gases increases and the turbines 3 and 5 can deliver more power. The speed control of the compressor group is influenced via a second cam track 12, in that the distribution of the power output from the propellant gases to the two turbines is controlled via a third cam track 13 and a control 14 and power piston 15.
In the example, two by means of rack and pinion and Seilzugsan drive adjustable throttle members 16 and 17 are shown, which throttle the gases alternately in front of one or the other turbine. In the event of a load, for example, the cam track 13 is raised by the linkage at an unchanged position of the speed regulator 18, so that the valve 16 is initially fully opened (if it was already open), so that the valve 1 7 begins to close.
This increases the efficiency of the turbine 5 until the speed of the compressor has reached its setpoint. If this is the case, the speed regulator 18 sets the power distribution between the two turbines back via the cam tap 13 to such an extent that the speed of the compressor does not increase or decrease any further.
Instead of the throttling devices 16 and 17, mixing valves can also be provided which mix cold air from the compressor pressure connection with the propellant gases, or the turbines can be provided with an inlet control.
In the event of a sudden greater relief, the regulation works in a permissible manner: First, the fuel gas temperature will immediately drop sharply as a result of the reduction in fuel, but then the amount of air is reduced as a result of the gradually falling speed of the compressor, so that the temperature rises again . In the event of a sudden high load, however, an inadmissibly high propellant gas temperature would temporarily set in. At this moment, according to the invention, a regulating element intervenes which mixes water or water vapor with the propellant gases. In the example of Fig. 1, a temperature sensor 19 responds as soon as the temperature has reached its maximum permissible value.
He sets electrically or mechanically via the Emp catcher 20, the control piston 21 in motion, which controls the power piston 22. The valve 23 is actuated by the power piston 22, through which, according to the invention, steam is blown into the propellant gas system.
As in the exemplary embodiment shown, the steam can be introduced into the combustion chamber, but it can also take place in the propellant gas line or directly in front of the turbine or in a later stage of the turbine. The propellant gas volume is increased by adding the steam. However, since the swallowing capacity of the turbine does not change, a pressure increase would have to occur, which would result in a decrease in the delivery rate of the compressor in the pumping area. To prevent this, additional openings are provided that are opened during the control process.
Such additional openings come into consideration either special nozzle groups, or guide vanes or rotor blades, the passage cross-sections of which are enlarged by twisting, or bypass lines through which either several stages of the same turbine or, if several turbines are connected in series, entire turbines. can be skipped or connected in parallel to each other. A special turbine that only delivers power during the control process can also be provided.
In the present Ausführungsbeispie len the increase in cross section is brought about by a lead of the propellant in a deeper stage of the compressor drive turbine. The branch pipe 28 is completed in regular operation. When the power piston 22 is in motion, it opens the flap built into the pipe 28 at the same time as the steam injection valve 28.
The steam used to accelerate the Regelvor course can, as mentioned earlier, be generated from waste heat from the gas turbine or in specially fired boilers during longer working periods. In order to have a sufficiently large amount of steam immediately available, this steam is expediently stored in a gradient storage tank 24 which is provided with a check valve 25 and a condensate trap 26.
In Fig. 2, a second example is used to schematically explain how the invention can be applied to a single-shaft variable-speed gas turbine system. The speed controller 32 acts via a cam 33 on the Kraftkol ben 35 and its control piston 36 and thus on the fuel valve 9. If, for example, the speed drops, the fuel valve is opened more. A second curve path 34 is adjusted by hand or by another controller; this affects the speed. When the cam track 34 is moved to the right, the fuel valve, for example, first opens more ge.
This increases the speed and the speed controller regulates to increased speed from then on. The water vapor is added exactly as described in the first example. Instead of steam, water can also be added to the propellant gases. In this case, the amount of fuel should be increased even more immediately, since now not only the overheating heat for the steam, but also the heat of evaporation for the injected water has to be applied. The air required for the combustion of this fuel is taken from the cooling air again until the fan has caught up enough to deliver the propellant quantity that corresponds to the new load condition.
Here, too, the temperature sensor 19 ensures that the water injection is used. Instead of the memory 24, there is a water vessel with an air tank. The required, relatively small amount of water can also be supplied directly by a pump.
Instead of the temperature sensor 19, other pulse generators can also be used. For example, mixture regulators, which directly compare the ratio of fuel quantity to combustion air quantity. The amount of fuel can be measured by a flow rate measurement or simply by the position of the fuel valve or by a variable assigned to this position (in the first example the speed of the power turbine), while the air volume can either be measured by a flow rate measurement or by the speed of the compressor is determined.