Verfahren zum Betrieb einer Gasturbinenanlage und Gasturbinenanlage zur Ausführung des Verfahrens. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Gasturbinenanlage sowie eine Gasturbinenanlage zur Ausführung dieses Verfahrens.
Das Verfahren nach der Erfin dung isst dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmezufuhr an das einer Turbine zuzufüh rende, verdichtete Arbeitsmittel in zwei Er hitzungsstufen erfolgt, und zwar zu einem Teil in einer ersten Stufe durch Wärmeaus- tauisch mit einem Wärmeträger und zu einem andern Teil in einer zweiten Stufe durch di rekte Verbrennung von Brennstoff im Ar beitsmittel zwischen Gaserhitzer und Turbine, und dass ferner der Brennstoff nach Massgabe des Partialdruckes von bei der direkten Ver brennung entstehenden schädlichen Verbren nungsprodukten auf die beiden Erhitzungs stufen so aufgeteilt wird,
dass der Partial druck dieser schädlichen Verbrennungspro dukte zumindest während annähernd unver änderter Belastung der Anlage unterhalb des jenigen Wertes bleibt, bei welchem die Kon densation dieser Produkte der direkten Ver brennung in gefährdeten Anlegeteilen erfol gen würde.
Die Gasturbinenanlage zur Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens ist ge kennzeichnet durch einen der ersten Erhit- zun gsstufe angehörenden, mit Hilfe des Wärmeträgers beheizten Gaserhitzer zur Er hitzung des der Turbine zuzuführenden, ver- dichteten Arbeitsmittels,
ferner durch eine im Strömungsweg des verdichteten Arbeitsmittels zwischen Gaserhitzer und Turbine angeord nete und der zweiten Erhitzungsstufe angehö rende Verbrennungseinrichtung zur direkten Verbrennung von Brennstoff im Arbeitsmittel und schliesslich durch eine einstellbare Vor richtung zum Aufteilen des Brennstoffes auf die beiden Erhitzungsstufen im Sinne einer Begrenzung des Partialdruckes der bei der Verbrennung entstehenden schädlichen Ver brennungsprodukte auf einen fest einstellba ren Wert.
Bei der Verwendung billiger Brennstoffe in Gasturbinenanlagen zeigen sich Schwierig keiten infolge schädlicher Verbrennungspro dukte, welche vom Arbeitsmittel mitgeführt und in den Strömungskanälen der Verbren nungsgase in Form von Ablagerungen abge setzt werden. Diese Ablagenungen können unter Umständen in kurzer Zeit die Schaufe- langen von Gasturbinen verstopfen und. so empfindliche Wirkungsgradeinbussen oder Be- triebsstörungen verursachen.
Gewisse Ablage rungen können zudem in Form von ehemi- sehen Verbindungen auftreten, welche KOrrO- sionen an den Schaufelungen der Turbine und an andern, der Erhitzung durch die Ver brennungsgase besonders ausgesetzten Teilen der Anlage herbeiführen. Diese Nachteile zei gen sieh besonders ausgeprägt bei der Ver wendung von Schwerölen: und verunmöglichten bisher, die wirtschaftlichen Vorteile dieser billigen Brennstoffe auszunützen.
Den Betrieb besonders gefährdende Bei mengungen des Brennstoffes sind vor allem Salze- der chemischen Elemente Vanadium und Natrium. So verursacht beispielsweise das Vor handensein von Vanadiumpentoxyd (V2O5) Verschmutzungen, welche bereits nach weni gen Betriebsstunden auf den Schaufelungen der Turbinen eine beträchtliche Schichtdicke aufweisen können. Anderseits sind es im Brennstoff enthaltene chemische Verbindun gen, welche korrosionsgefährliche Verbren nungsprodukte erzeugen. Besonders schädlich ist das Auftreten des Säurerestes SO3, der zur Bildung von Schwefelsäure führen kann, sowie die bei hohen Verbrennungstemperatu ren und -drücken entstehenden Ablagerungen, welche Vanadium enthalten.
Das Ausmass der schädlichen Wirkungen dieser Beimengungen richtet sich nach der Form, in welcher die schädlichen Verbren nungsprodukte vom Verbrennungsgas mitge führt werden. Die Form der Schmutzstoffe wiederum ist in hohem Masse von den Ver brennungsbedingungen abhängig. So können die durch das Auftreten von Vanadium ver ursachten Verbrennungsprodukte bei Ver- brennung des Brennstoffes unter hohem Druck und bei hoher Temperatur die Form einer klebrigen oder gar flüssigen Masse an nehmen, welche innert kurzer Zeit die Tur- binensehaufelung verstopft.
Die Untersuehung der Verbrennungsvorgänge hat gezeigt, dass gefährliche Verschmutzungserscheinungen aber nur dann auftreten, wenn die in den Ver brennungsgasen in Dampfform enthaltenen schädlichen Verbrennungsprodukte auf den Turbinenschaufeln oder andern gefährdeten Anlageteilen kondensieren. Eine solche Kon- densation tritt bei gegebenem Temperaturzu stand aber nur ein, wenn der Partialdruck des betreffenden Dampfes einen gewissen Wert überschreitet. Dieser Wert beträgt z. B. für Vanadiumpentoxyd 0,062 mm Wasser säule bei 700 C.
Wird die Verbrennung des Brennstoffes so geführt, dass der Partial druck der schädlichen Verbrennungsprodukte im entstehenden Gemisch aus Arbeitsmittel und Verbrennungsgasen unterhalb desjenigen Wertes bleibt, bei dem die Kondensation dieser Verbrennun gsprodukte in den gefährdeten Anlageteilen erfolgen würde, treten diese Pro dukte in Form von trockener und staubartiger Asche auf, welche die Gasturbinenanlage ohne jede ernsthafte Verschmutzung durchstreicht.
Ein mögliches Verfahren zur Begrenzung des Partialdruekes auf denjenigen Wert, bei welchem die Kondensation der schädlichen Verbrennungsprodukte erfolgt, besteht darin, die für direkte Verbrennung im Arbeitsmittel vor den Turbinen zu verbrennende Brenn stoffmenge derart einzustellen, dass für jeden Betriebszustand der Anlage dieser kritische Partialdruck nicht überschritten wird. Die zulässige Brennstoffmenge für die direkte Verbrennung im Strömungsweg des Arbeits mittels vor den Turbinen richtet sieh dabei nach dem Anteil der im Brennstoff enthalte nen schädlichen Beimengungen, welche die schädlichen Verbrennungsprodukte bilden.
Da aber bei den meisten billigeren Brennstoffen die so für direkte Verbrennung zulässige Brennstoffmenge nicht ausreicht, um die be nötigte Wärme dem Arbeitsmittel zuzuführen, wird nach der Erfindung die Wärmezufuhlir an das den Turbinen zuzuführende, verdich tete Arbeitsmittel in zwei Erliitzungsstufen durchgeführt. Dabei erfolgt die Wärmezufuhr in der ersten Erhitzun"sstufe durch -Wärme austausch mit einem Wärmeträger und erst. in der zweiten Stufe durch direkte Verbren nung der im.
Hinblick auf V ersehm.utzungser- scheinungen zulässigen Brennstoffmenge. Auf diese Weise gelangen keine Verbrennungspro dukte der ersten Erhitzun csstufe in den Strö mungsweg des Arbeitsmittels, wobei der zur Erhitzung des Arbeitsmittels verwendete Wärmeaustauseher an und für sich- in sehr geringem Masse der Einwirkung der schäd lichen. Verbrennungsprodukte ausgesetzt ist und sich zudem leicht reinia2en lässt.
Die Erfindung ist nachstehend an Hand der in der Zeichnung veranschaulichten Aus führungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 und \? je eine Gasturbinenanlage reit offenem Strömungsweg des Arbeitsmittels und Mitteln zur Begrenzung des Partial- druckes der bei der direkten Verbrennung von Brennstoff im Arbeitsmittelstrom vor der Turbine entstehenden schädlichen Verbren nungsprodukte und Fig. 3 die gleiche wie in Fig. 2 dargestellte Gasturbinenanlage zusammen mit andern Mit teln zur Begrenzung dieses Partialdruekes.
Das erfindungsgemässe Betriebsverfahren ermöglicht in allen Fällen, das Auftreten von Verschmutzungen in den Turbinen zu verhin dern und zumindest auf einen kleinen Teil der Gasturbinenanlage zu beschränken, bei dem Verschmutzungen keine den Betrieb ge fährdenden Auswirkungen verursachen.
Die Gasturbinenanlage nach Fig. 1 weist einen offenen Strömungsweg des Arbeitsmit tels auf, bei welchem atmosphärische Luft ver- diehtet, erhitzt und die in der Turbine ent spannten Gase nach aussen abgeführt werden. Bei der gebräuchlichstenAusführungsform sol eher Gasturbinenanlagen erfolgt die Wärme zufuhr an das Arbeitsmittel durch unmittel bares Einspritzen und Verbrennen von Brennstoff im Luftstrom vor Eintritt des selben in die Turbine, wobei die Luft zuvor in bekannter Weise durch Wärmeaustausch mit dem Abgas in einem Rekuperator vorge wärmt werden kann.
Eine weitere bekannte Ausführungsform besteht darin, dass die Luft auch bei solchen Anlagen mit offenem Strö mungsweg des Arbeitsmittels durch reinen Wärmeaustausch auf die vor der Gasturbine herrschende Eintritthtemperatur gebracht wird. Die Brennstoffverbrennung kann hier bei vollständig in der Abluft der Turbine durchgeführt und die so erzeugte Wärme in einem Wärmeaustauscher, der zugleich Gas erhitzer und Rekuperator darstellt, an die ver- clichtete Druckluft abgegeben werden.
Dieses letztere Betriebsverfahren hat gegenüber dem erstgenannten Verfahren den Vorteil, dass kein Verbrennungsgas in die Turbine gelan gen kann und somit weitgehende Freiheit in der Wahl der Brennstoffe besteht, da keine schädliche Einwirkung der Verbrennungspro dukte auf die Turbine zu befürchten ist.
Diesen Vorteilen stehen schwerwiegende Nachteile gegenüber, so dass derartige Anla- gen keine technische Verbreitung gefunden haben. Diese Nachteile sind durch regeltech nische Schwierigkeiten verursacht. Während nämlich bei der üblichen Anordnung mit di rekter Verbrennung von Brennstoff im Ar beitsmittel vor der Turbine die Leistungsrege lung auf einfache Weise durch Veränderung der Brennstoffzufuhr und damit der Ein trittstemperatur des Arbeitsmittels in die Turbine erfolgen kann, ist ein solches ein faches Betriebsverfahren bei indirekter Er hitzung des Arbeitsmittels nicht möglich.
Dies hängt mit der Wärmekapazität des benötigten W ärmeaustauschapparates zusammen, die eine für den praktischen Betrieb unzulässige Ver zögerung der Auswirkung sämtlicher Regel eingriffe zur Folge hat.
Die in Fig. 1 dargestellte Gasturbinenan- lage nach der Erfindung ermöglicht, die der unmittelbaren Erhitzung des Arbeitsmittels durch direkte Verbrennung und die der mit telbaren Erhitzung durch Wärmeaustausch innewohnenden Vorteile unter Ausschaltung der mit jeder alleinigen Anwendung dieser Erhit.zungsa.rten verbundenen Nachteile zu erzielen.
Die durch den Verdichter 1 aus der Atmo sphäre angesaugte Luft strömt in verdichte tem Zustande durch die Leitung 2 in den als Wärmeaustauscher ausgebildeten Gaserhitzer 3. Beim Durchströmen des die Rohre 4 innge benden Raumes wird die Luft erhitzt. An schliessend an diese erste Erhitzungsstufe strömt die Luft durch die Leitung 5 in die Verbrennungseinrichtung 6. Durch die Lei tung 7 wird flüssiger Brennstoff dem Bren ner 8 zugeführt, wobei der fein zerstäubte Brennstoff ,direkt im Strömungsweg der ver dichteten Luft verbrannt wird.
Die Erhitzung mit Hilfe der Verbrennungseinrichtt-m- 6 stellt die zweite Erhitzungsstufe dar. Das so auf maximale Temperatur erhitzte Gemisch aus Luft und Verbrennungsgasen wird als Arbeitsmittel der Turbine 9 durch die Lei tung 10 zugeführt. Nach erfolgter Expansion auf annähernd Atmosphärendruck strömt das entspannte Arbeitsmittel durch die Leitung 11 in eine weitere Verbrennungseinrichtung 12, welche dem der ersten Erhitzungsstufe an gehörenden Gaserhitzer 3 vorgeschaltet ist. Dem Brenner 13 der Verbrennungseinrich tung 12 kann durch die Leitung 7' ebenfalls flüssiger Brennstoff zugeführt werden.
Das in der Verbrennungseinrichtung 12 erzeugte Gemisch aus Arbeitsmittel und Verbrennungs gasen dient als Wärmeträger zur Beheizung des Gaserhitzers 3 und erhitzt durch Wärme austausch die aus dem Verdrehter 1 kommende verdichtete Luft. Zugleich dient der Gaser hitzer als Rekuperator zur Rückgewinnung eines Teils der in den Abgasen enthaltenen Wärme. Das entspannte und abgekühlte Ar beitsmittel verlässt die Anlage durch die Lei tung 14.
Die Turbine 9 dient sowohl zum Antrieb des mit ihr gekuppelten Verdichters 1 als auch zur Abgabe von Nutzleistung an den elektri schen Stromerzeuger 15.
Zur Einstellung der Brennstoffzufuhr in die beiden Verbrennungseinrichtungen 6 und 12 dient eine vom Drehzahlfühler 16 beein flusste Regeleinrichtung. Der Fühler 16 wird durch die Welle des Stromerzeugers 15 ange trieben. Die Muffe 17 ist über den im festen Drehzunkt 18 gelagerten Hebel 19, die Stange 20 und die Feder 21 mit einem Steuerschieber 22 verbunden. Im Raum 23 unterhalb des Schiebers 22 stellt sich in bekannter Weise ein der Kraft der Feder 21 und damit auch der Drehzahl der Turbine 9 entsprechender Druck des dem Schieber durch die Leitung 24 zuge führten bzw. aus ihm durch die Leitung 25 abgeführten Druckmittels - z. B. Drucköl ein.
Die an den Raum 23 angeschlossene Druekmittelleitung 26 überträgt den vom Steuerschieber eingestellten Druck des Druck mittels auf die Oberseite der Kolben 27 und 28 der beiden im Gehäuse 29 angeordneten Servomotoren. Diese Servomotoren dienen zur Einstellung der in die Leitungen 7' und 7 ge leiteten. Brennstoffmengen. Zu diesem Zwecke sind die Kolben mittels der Stangen 32 und 33 mit den Ventilen 34 und 35 verbrunden. Die Brennstoffzufuhr erfolgt mit Hilfe der Pumpe 36, welche aus einem Sammelbehälter ange saugten Brennstoff durch die Leitung 3 7 und über die Ventile fördert. Ein Überströmventil 38 leitet überschüssigen Brennstoff ans der Leitung 37 auf die Ansaugseite der Pumpe 36.
Jede Drehzahländerung der Maschinen gruppe 1, 9, 15 infolge Belastungsänderung bewirkt eine Druckänderung des Druckmittels im Raum 23 unterhalb des Steuerschiebers 22. Diese Druckänderung beeinflusst mit Hilfe der Servomotorkolben 27 und 28 die Stellung der Ventile 34 und 35 in dem Sinne, dass eine Drehzahlverminderung infolge Belastungszu nahme eine erhöhte Brennstoffzufuhr und eine Drehzahlsteigerung infolge Belastungs abnahme eine Verminderung der Brennstoff zufuhr in die beiden Verbrennungseinrichtun gen zur Folge hat.
Das beschriebene Betriebsverfahren ver meidet die bei ausschliesslicher Wärmezufuhr durch mittelbare Erhitzung mit Hilfe eifies Wärmeaustauschers entstehende naehteilige Verzögerung in cler Auswirkung einer V er- änderung der Wärmezufubr auf die erzeugte Leistung. Auftretende Belastungsänderungen werden verzögerungsfrei durch Veränderung der Wärmezufuhr in der Verbrennungsein richtung 6 ausreguliert.
U m eine schädliche Einwirkung der durch die Turbine strömenden Verbrennungsgase zu verhindern, wird die Verbrennung in der Ver- brennungseinriehtun g 6 erfindungsgemäss so geführt, dass der Partialdruck von bei der Verbrennung entstehenden schädlichen Ver- brennungsprodukten unterhalb desjenigen Wertes bleibt, bei welchem die Kondensation dieser Verbrennungsprodukte in der Turbine erfolgen würde. Dieser Wert beträgt, wie bereits genannt, für Vanacliumpentozycl 0,062 min Wassersäule bei einer Arbeitsmittel temperatur von 700 C.
Dieser Wert kann nur mittels komplizierter Messvorriehtnn-en und Berechnungen. gefunden werden, eine direkte Bestimmung zwecks Ableitung eines Regel impulses ist für den praktischen Betrieb nicht möglich.
Hingegen kann der CO..,-CTehalt mit Hilfe bekannter Fühlereinriehtungen laufend Beinessen werden und vermag infolge seines zum Partialdruek des Vanacliunipeilto:wdes proportionalen Wertes bei einem bestimmten Brennstoff als Regelgrösse für die Aufteilung des Brennstoffes auf die beiden V erbren- nungseinrichtungen 6 und 12 zu dienen.
Zu diesem Zweck wird aus der Leitung 11 eine kleine Teilmenge des aus der Turbine strö menden Gemisches aus Luft und Verbren nungsgasen durch die Leitung 39 abgezweigt und einer schematisch dargestellten Fühler- vorriehtunfg 40 für den CO2-Gehalt zuge führt. Die Messung dieses Gehaltes erfolgt beispielsweise durch Bestimmung der Wärme leitfähigkeit des zu untersuchenden Gasge misches. Grundsätzlich könnte die CO2-Be- stimmung auch auf der Eintrittsseite vorge nommen werden. Die gezeigte Anordnung er gibt aber den Vorteil verminderter Tempera turen in der Messeinrichtung.
Mit Hilfe eines der Fühlervorrichtung angehörenden, nicht gezeichneten Mechanismus kann der gemes sene CO2-Gehalt in einen Aussehlag des He bels 41 umgewandelt werden, wobei eine Be wegung des Hebels in +Richtung des Pfeils 42 eine Zunahme und eine Bewegung in -Riehtung eine Abnahme des CO-Gehaltes bedeutet. Der Hebel 41 ist an seinem rechten Ende mit der Mutter 43 verbunden, welche auf der Spindel 44 sitzt. Bei einer Schwenk bewegung des Hebels verschiebt die Spindel 44 über die mit. ihr verbundene Feder 45 den um Gehäuse 46 angeordneten Steuerschieber 47. Im Raum 48 unterhalb des Schiebers 47 stellt sich' wiederum ein der Kraft der Feder 45 entsprechender Druck des durch die Lei tung 49 zugeführten bzw. durch die Leitung 50 ans ihm abgeführten Druckmittels ein.
Der Raum 48 ist über die Druckmittelleitung 51 mit dem unterhalb des Servomotorkolbens 27 liegenden Zylinderraum verbunden. Jede durch Veränderung des CO2-Gehaltes verur verur sachte Verschiebung des Steuerschiebers 48 bewirkt deshalb eine allerdings unter dem Einfluss des Drosselventils 76 in der Leitung 51 verzögert erfolgende Verschiebung des Servomotorkolbens 2 7 und damit eine Verstel lung des Ventils 35. Die Arbeitsweise der be schriebenen Einrichtung ist folgende: Bei einem Drehzahlabfall der Maschinengruppe 1, 9, 15 infolge vorausgehender Belastungsver- grösserung löst der Drehzahlfühler ein gleich zeitiges Öffnen der Ventile 34 und 35 aus.
Steigt der CO2-Gehalt der aus der Turbine abströmenden Gase über den im Hinblick auf Begrenzung des Partialdruekes schädlicher Verbrennungsprodukte fest eingestellten Wert, so bewirkt der Ausschlag des Hebels 41 eine allmähliche weitere Vergrösserung der durch das Ventil 35 in die dem Gaserhitzer vorge schaltete Verbrennungseinrichtung 12 strö- mendeBrennstoffmenge. Nach Erreichen eines bestimmten C02-Gehaltes wird eine Leistungs erhöhung also zum grössten Teil durch Ver grösserung der Wärmezufuhr in die erste Er hitzungsstufe gesteigert. Sinkt die Belastung wieder auf den ursprünglichen Wert, bewirkt der Drehzahlfühler eine gleichsinnige Ver minderung der durch beide Ventile 34 und 35 strömenden Brennstoffmenge.
Damit. nimmt aber gleichzeitig der C02-Gehalt der aus der Turbine 9 strömenden Gase ab, was umge kehrt eine allmähliche Verminderung der durch das Ventil 35 in die Verbrennungsein- rieht.ung 12 strömenden Brennstoffmenge aus löst.
Weil aber der Drehzahlfühler die gesamt haft zugeführte Brennstoffmenge im Sinne einer Konst.anthaltung der Drehzahl beein- flusst, wird die unter dem Einfluss des C02- Fühlers erfolgte Verminderung der in die Verbrennungseinrichtung 12 geleiteten Brenn stoffmenge durch eine gleichzeitige Erhöhung der in die Verbrennungseinrichtung 6 durch das Ventil 34 strömenden Brennstoffmenge ausgeglichen.
Diese Vergrösserung der in die Verbrennungseinrichtiuig 6 geführten Brenn stoffmenge dauert. so lange, bis der Hebel 41 seine gezeichnete waagrechte Lage einnimmt, was einem zulässigen C02-Gehalt entspricht, bei welchem der Partialdiaiek der schädlichen Verbrennungsprodukte gerade unterhalb des jenigen Wertes liegt, bei welchem eine Kon densation dieser Verbrennungsprodukte in der Turbine erfolgen würde. Das in der Lei tung 51 angeordnete Drosselventil 76 verhin dert Instabilitätsersclieinungen der beschrie benen Regelvorgänge.
Die Verbrennung der in die Verbrennungs einrichtung 12 geleiteten Brennstoffmenge verursacht keine Verschmutzungsgefahr für den Gaserhitzer 3. Der Verbrennungsdruck beträgt praktisch Atmosphärendruck, womit die Partialdrücke der in Frage kommenden schädlichen Dämpfe stets so tief zu liegen kommen, dass keine Kondensationsprodukte dieser Dämpfe in Form einer klebrigen Masse auftreten. Die schädlichen Verbrennungspro dukte fallen vielmehr in Form einer trocke nen, staubförmigen Asche auf, welche den Gaserhitzer ohne Bildung von Ablagerungen durchstreichen. Vanadiumdämpfe treten da bei nicht mehr in Form von Vanadiumpent- oxyd, sondern in Form von Vanadiumtrioxyd auf.
Bei plötzlich eintretender erheblicher Stei gerung des Leistungsbedarfes kann es vor kommen, dass vorübergehend die der Verbren nungseinrichtung 6 zugeführte Brennstoff menge so vergrössert wird, dass der Partial druck der schädlichen Verbrennungsprodukte den zulässigen Wert überschreitet. Dieser Zu stand wird aber nach kurzer Zeit durch die vom CO2-Fühler veränderte Brennstoffauftei lung auf die beiden Verbrennungseinrich tungen rückgängig gemacht. Die in dem kur zen Zeitintervall die Turbine durchströmen den schädlichen Verbrennungsprodukte kön nen in der Regel keinen fühlbaren Sehaden verursachen.
Es ist aber auch möglich, in der Verbren nungseinrichtung 6 einen Hilfsbrenner 52 anzuordnen, dem durch die Leitung 53 ein hochwertiger, keine schädlichen Verbren- nungsprodukte bildender Brennstoff zuge führt werden kann. In der Leitung 53 ist ein Ventil 54 angeordnet, dessen Stellung durch die Lage des Kolbens 55 des Servomotors 56 bestimmt ist. Der auf der linken Seite des Servomotorkolbens liegende Zylinderraum ist durch die Leitung 57 an die Druckmittellei tung 51 angeschlossen. Der hochwertige Brenn stoff wird dem Ventil 54 durch die Leitung 58 zugeführt, welche ein nicht gezeichnetes Förderorgan aufweist.
Bei einem Ansteigen des CO2-Gehaltes über den zulässigen Wert bewirkt der Druckanstieg in der Druckmit telleitung 57 ein Öffnen des Ventils 54, wo- mit zusätzlich der Verbrennungseinrichtung 6 hochwertiger Brennstoff ohne schädliche Beimengungen zugeführt wird. Mit dieser An ordnung können auch verhältnismässig grosse Leistungsspitzen ohne vorübergehende Über schreitung des zulässigen Partialdruckes schädlicher Verbrennungsprodukte in dem der Turbine 9 zugeführten Arbeitsmittel aus reguliert werden. Dauert diese Vergrösserung des Leistungsbedarfes längere Zeit an, be wirkt die Vergrösserung der in der Verbren nungseinrichtung 12 verbrannten Brennstoff menge eine Abnahme des Brennstoffbedarfes der Verbrennungseinrichtung 6, so dass der sinkende C02-Gehalt ein Schliessen des Ven tils 54 verursacht.
Damit ist die Erhöhung des Leistungsbedarfes schliesslich einzio durch Vergrösserung der in der ersten Erhitzungs stufe erfolgenden Wärmezufuhr aasreguliert.
Der Aufbau der in Fis,. 2 oezeigten Gas turbinenanlage stimmt im wesentlichen mit demjenigen der in Fig. 1 gezeichneten Anlage überein. Gleiche Teile sind mit gleichen Be- zugszeiehen versehen. Hingegen weist die An lage eine von Hand verstellbare Leistimgsein- stellvorrichtung auf, mittels welcher die Brennstoffzufuhr in die Verbrennungseinrich tung 6 und 12 der beiden Erhitzungsstufen verändert werden kann.
Zu diesem Zwecke ist im Gehäuse 61 eine in der Höhe verstellbare Schraubenspindel 62 angeordnet, welche über die Feder 63 mit dem Steuerschieber 64 ver bunden ist. Die von der Feder auf den Schie ber ausgeübte Kraft kann durch Verstellen der Spindel *62 verändert werden. In bekann ter Weise stellt sieh im Raum 65 unterhalb des Schiebers 64 ein der Federkraft entspre chender Druck des dem Schieber durch die Leitung 66 zugeführten bzw. durch die Lei tung 67 abgeführten Druckmittels ein. Dieser Druck pflanzt sieh über die Leitung 68 in den unterhalb des Kolbens 69 liegenden Zylinder raum fort.
Der Kolben 69 ist- über eine Kol benstange und über die Feder 70 mit einem weiteren Steuerschieber 71 verbunden. Im Raume 72 unterhalb -des Schiebers 71 stellt. sich wiederum ein der Kraft der Feder ent sprechender Druck des aus den Leitungen 66 und 67 zugeführten bzw. abgeführten Druck mittels ein. Die an den Raum 72 angeschlos sene Druckmittelleitung 26 überträgt den vom Steuersehieber eingestellten Druck des Druck mittels analog der in Fig. 1 gezeigten Anord nung auf die Oberseite der Kolben 27 und 28 der beiden im Gehäuse 29 angeordneten Servo motoren.
Zwecks Erhöhung der von der Anlage er zeugten Leistung wird die Schraubenspindel 62 durch Drehen des Handrades nach oben verstellt. Dies bewirkt ein Absinken des auf die Oberseite der Kolben 27 und 28 wirkenden Druckes des Druckmittels, was ein Öffnen der beiden Ventile 34 und 35 und damit eine Vergrösserung der für die beiden Erhitzungs stufen bestimmten Brennstoffmengen zur Folge hat.
Im Hinblick auf die Warmfestigkeit der für die Turbine verwendeten Werkstoffe darf die Maximaltemperatur des Arbeitsmittels einen bestimmten Wert nicht überschreiten. Aus diesem Grunde ist im Strömungsweg der Verbrennungsgase der Verbrennungseinrich tung 6 ein Temperaturfühler 73 angeordnet.
Dieser Fühler ist als Gasthermometer ausge bildet und über die Druckleitung 74 mit dem über der Oberseite des Kolbens 69 liegenden Zylinderraum verbunden. Übersteigt die Ar beitsmitteltemperatur nach der Verbrennungs- einriehtung 6 den zulässigen Wert, verursacht der Druckanstieg in der Leitung 74 eine Ab wärtsbewegung des Kolbens 69 entgegen der vom Druckmittel auf die Unterseite des Kol bens 69 ausgeübten Kraft, was eine Vergrösse rung des Druckes des über den Kolben 27 und 28 befindlichen Druckmittels und damit eine Begrenzung der gesamthaft in der An lage verbrannten Brennstoffmenge bewirkt.
Die Aufteilung der in die Verbrennungs einrichtungen 6 und 12 geführten Brennstoff mengen erfolgt auf gleiche Weise wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 im Sinne einer Begrenzung des Partialdruckes schäd licher Verbrennungsprodukte in dem der Tur bine 9 zugeführten Arbeitsmittel. Zu diesem Zwecke ist ebenfalls eine Fühlervorrichtung 40 für den CO2-Gehalt der aus der Turbine strömenden Gase vorgesehen, welche über den Steuerschieber 47 und die Druckmittelleitung 51 die Stellung des Ventils 35 beeinflusst.
Die Anlage nach Fig. 2 unterscheidet sich ferner durch die Anordnung der zur Behei zung des Gaserhitzers 3 dienenden Verbren nungseinrichtung von der in Fig. 1 gezeigten Anlage. Die Verbrennungseinrichtung 12 er hält durch das Gebläse 75 nur eine kleine Teilmenge des aus der Turbine 9 abströmen den sauerstoffhaltigen Gasgemisches. Das in der Verbrennungseinrichtung 12 erzeugte Gasgemisch besitzt eine sehr hohe Temperatur und wird dem Hauptstrom der durch die Lei tung 11 in den Gaserhitzer 3 strömenden Gase wieder beigemischt. Diese Anordnung ermög licht eine Verringerung der in der Verbren nungseinrichtung 12 entstehenden Druckver luste. Eine einwandfreie Verbrennung erfor dert nämlich stets, dass ein gewisser Druckver lust im Brennersystem in Kauf genommen wird.
Bei der gezeigten Anordnung entsteht ein Druckverlust aber nur im Strömungsweg der durch die Verbrennungseinrichtung abge zweigten Arbeitsmittelteilmenge, so dass der verursachte Energieverlust trotz der für das Gebläse 75 aufzubringenden Antriebsenergie geringer ist als bei der Anordnung nach Fig. 1.
In der Druckmittelleitung 51 ist ebenfalls ein Drosselorgan 76 angeordnet. Dieses er möglicht, Instabilitätserscheinungen im Ver halten der beschriebenen Regeleinrichtung mittels verzögerter Beeinflussung des Ventils 35 durch den C02-Fühler zu verhindern.
Die Gasturbinenanlage nach Fig. 3 ent spricht der in Fig. 1 gezeigten Anlage. Hin gegen erfolgt die Einstellung der für die Be- heizung des Gaserhitzers dienenden, der Ver- brenniuigseinrichtiuig 12 zugeführten Brenn stoffmenge in Abhängigkeit von der erzeug ten Nutzleistung. Zu diesem Zwecke sind die Leiter 81 des Stromerzeugers 15 über ein Wattmeter 82 mit einem schematisch darge stellten Verstärker 83 verbunden.
In dem durch die elektrischen Leitungen 84 und das Solenoid 85 gebildeten Stromkreis fliesst ein der erzeugten Nutzleistung proportionaler Strom. Der Weieheisenkern 86 des Solenoids ist über die Stange 87 und die Feder 88 mit einem Steuerschieber 89 verbunden. Im Raume 90 rechts des Steuerschiebers stellt sieh in bekannter Weise ein der Kraft der Feder 88 entsprechender Druck des dem Schieber durch die Leitung 91 zugeführten bzw. durch die Leitung 92 aus ihm abgeführ ten Druckmittels ein. Der Raum 90 ist über die Leitung 93 mit dem über dem Kolben 27 liegenden Raum des Servomotors zur Betäti gung des Ventils 35 verbunden.
Letzteres dient wie in den vorhergehenden Ausfüh rungsbeispielen zur Einstellung der in die Verbrennungseinrichtung 12 geführten Brenn stoffmenge. Die Arbeitsweise dieser Einrich tung ist derart, dass mit zunehmendem elek trischem Leistungsbedarf die in die Verbren- ntmgseinriehtung 12 geförderte Brennstoff menge vergrössert wird und umgekehrt.
Da dieser Regeleingriff infolge der grossen W ärmekapazität des Gaserhitzers 3 mit einer unzulässigen Verzögerung in der Auswirkung der veränderten Wärmezufuhr auf die er zeugte Leistung verbunden ist, ist ferner ein Fühler 94 für die Drehzahl der Maschinen gruppe 1, 9, 15 vorgesehen. Dieser beeinflusst über das Hebelsystem 95, Steuerschieber 96, Druckmittelleitung 97, Servomotor 29 und Ventil 34 die durch die Leitung 7 in die Ver brennungseinrichtung 6 strömende Brenn stoffmenge im Sinne einer Konstanthaltung der Drehzahl der Nutzleistungsgruppe und damit der erzeugten elektrischen Leistung.
Zur Begrenzung des Partialdruckes der schädlichen Verbrennungsprodukte im Abgas der Turbine 9 ist wiederum ein C02-Fühler 40 angeordnet, welcher über Hebel 41, Steuer schieber 46 und Druekmittelleitung 51 die Stellung des Ventils 34 zusätzlich beeinflusst. Beim Ansteigen des C02-Gehaltes über den zulässigen Wert bewegt sich Hebel 51 in +Richtung des Pfeils 42, was eine Erhöhung des Druckmitteldruckes in der Leitung 51 bewirkt. Die Leitung 51 mündet in den über dem Kolben 28 des Servomotors 29 liegenden Raum, so dass ein Ansteigen des CO2-Gehaltes über den zulässigen Wert eine Verminderung der dureh das Ventil 34 strömenden Brenn stoffmenge auslöst.
Im vorliegenden Aus führungsbeispiel arbeitet der M-Fühler als reiner Begrenzungsregler für die zur direk ten Verbrennung im Arbeitsmittel vor der Turbine 9 bestimmten Brennstoffmenge.
Die beschriebene zweistufige Erhitzung des Arbeitsmittels ermöglicht auch die Vorteile der Schaufelkühlung von Turbinen auszu nützen. Dies ist bei alleiniger, mittelbar durch Wärmeaustausch erfolgender Erhitzung des Arbeitsmittels nicht möglich, weil grundsätz- lieh die Wandungen des Wärmeanstauschers nicht gekühlt werden können. Das Betriebs verfahren nach der Erfindung erlaubt des halb eine erheblieh freiere Wahl der maxima len Arbeitsmitteltemperatur, wobei die Bean spruchung des Schaufelmaterials der Turbine durch Schaufelkühlung auf einem zulässigen Wert gehalten werden kann.
Das erfindungsgemässe Betriebsverfahren und die Gasturbinenanlage zu dessen Ausfüh rung eignen sieh insbesondere für solche An wendungsfälle, bei denen mit Rücksicht auf die Wirtschaftliehkeit nur billige Schweröle in Frage kommen, beispielsweise Gasturbinen anlagen mum Antrieb von Schiffen oder zur Erzeugung von elektrischer Energie.