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.
Method for operating a gas turbine plant and gas turbine plant for carrying out the method. The invention relates to a method for operating a gas turbine plant and a gas turbine plant for carrying out this method.
The method according to the invention is characterized in that the heat supply to the compressed working medium to be supplied to a turbine takes place in two heating stages, one part in a first stage through heat exchange with a heat transfer medium and the other part in a second stage through the direct combustion of fuel in the working fluid between the gas heater and the turbine, and that the fuel is further divided between the two heating stages according to the partial pressure of the harmful combustion products resulting from direct combustion,
that the partial pressure of these harmful combustion products remains below the value at which the condensation of these products of direct combustion in endangered attachments would take place, at least during the almost unchanged load on the system.
The gas turbine system for carrying out the method according to the invention is characterized by a gas heater belonging to the first heating stage, heated with the aid of the heat carrier, for heating the compressed working medium to be supplied to the turbine,
also by a combustion device for direct combustion of fuel in the working medium and finally by an adjustable device for dividing the fuel between the two heating stages in the sense of limiting the partial pressure of the fuel arranged in the flow path of the compressed working medium between the gas heater and turbine and belonging to the second heating stage The harmful combustion products produced during incineration are set to a fixed value.
When using cheap fuels in gas turbine systems, there are difficulties as a result of harmful combustion products, which are carried along by the working fluid and in the flow channels of the combustion gases are abge in the form of deposits. Under certain circumstances, these deposits can clog the length of the blades of gas turbines in a short time. such a sensitive loss of efficiency or operational disruptions.
Certain deposits can also occur in the form of former compounds which cause corrosion on the blades of the turbine and on other parts of the plant that are particularly exposed to the heating by the combustion gases. These disadvantages are particularly pronounced when using heavy fuel oils: and have hitherto made it impossible to exploit the economic advantages of these cheap fuels.
Mixtures of the fuel that are particularly hazardous to operation are mainly salts of the chemical elements vanadium and sodium. For example, the presence of vanadium pentoxide (V2O5) causes contamination, which can show a considerable layer thickness on the turbine blades after just a few hours of operation. On the other hand, there are chemical compounds contained in the fuel, which generate corrosive combustion products. Particularly damaging is the occurrence of the acid residue SO3, which can lead to the formation of sulfuric acid, as well as the deposits, which contain vanadium, which occur at high combustion temperatures and pressures.
The extent of the harmful effects of these admixtures depends on the form in which the harmful combustion products are carried along by the combustion gas. The shape of the contaminants in turn depends to a large extent on the combustion conditions. When the fuel is burned under high pressure and at high temperature, the combustion products caused by the occurrence of vanadium can take the form of a sticky or even liquid mass, which clogs the turbine cluster within a short time.
The investigation of the combustion processes has shown that dangerous pollution phenomena only occur when the harmful combustion products contained in the combustion gases in vapor form condense on the turbine blades or other endangered system parts. At a given temperature, such a condensation only occurs when the partial pressure of the relevant vapor exceeds a certain value. This value is e.g. B. for vanadium pentoxide 0.062 mm water column at 700 C.
If the fuel is burned in such a way that the partial pressure of the harmful combustion products in the resulting mixture of working media and combustion gases remains below the value at which the condensation of these combustion products would occur in the endangered system parts, these products appear in the form of dry and dusty ash, which the gas turbine plant sweeps through without any serious pollution.
One possible method of limiting the partial pressure to the value at which the condensation of the harmful combustion products occurs is to set the amount of fuel to be burned for direct combustion in the working fluid upstream of the turbines so that this critical partial pressure is not exceeded for any operating state of the system becomes. The permissible amount of fuel for direct combustion in the flow path of the work means in front of the turbines depends on the proportion of harmful additions contained in the fuel, which form the harmful combustion products.
But since most cheaper fuels the amount of fuel allowed for direct combustion is not sufficient to supply the required heat to the working fluid, according to the invention, the heat supply to the working fluid to be supplied to the turbines is carried out in two stages. The heat is supplied in the first heating stage through heat exchange with a heat transfer medium and only in the second stage through direct combustion of the im.
Allowable amount of fuel with regard to signs of use. In this way, no combustion products from the first heating stage get into the flow path of the working fluid, with the heat exchanger used to heat the working fluid in and of itself - to a very small extent from the effects of the harmful union. Is exposed to combustion products and is also easy to clean.
The invention is explained in more detail below with reference to the exemplary embodiments illustrated in the drawing. It shows: Fig. 1 and \? One gas turbine system each rides an open flow path of the working medium and means for limiting the partial pressure of the harmful combustion products arising from the direct combustion of fuel in the working medium flow upstream of the turbine and FIG. 3 shows the same gas turbine system as shown in FIG. 2 together with other means to limit this partial pressure.
The operating method according to the invention makes it possible in all cases to prevent the occurrence of contamination in the turbines and at least to limit it to a small part of the gas turbine system in which contamination does not cause any effects that could endanger the operation.
The gas turbine system according to FIG. 1 has an open flow path of the Arbeitsmit means in which atmospheric air is twisted and heated and the gases released in the turbine are discharged to the outside. In the most common embodiment, gas turbine systems are more likely to provide heat to the working fluid by directly injecting and burning fuel in the air stream before it enters the turbine, whereby the air can be preheated beforehand in a known manner by exchanging heat with the exhaust gas in a recuperator .
Another known embodiment consists in the fact that the air is brought to the inlet temperature prevailing in front of the gas turbine even in systems with an open Strö flow path of the working medium by pure heat exchange. The fuel combustion can be carried out completely in the exhaust air of the turbine and the heat generated in this way can be transferred to the compressed compressed air in a heat exchanger, which is also a gas heater and recuperator.
This latter operating method has the advantage over the first-mentioned method that no combustion gas can get into the turbine and therefore there is extensive freedom in the choice of fuels, since no harmful effects of the combustion products on the turbine are to be feared.
These advantages are offset by serious disadvantages, so that such systems have not found technical widespread use. These disadvantages are caused by technical difficulties. While in the usual arrangement with direct combustion of fuel in the Ar beitsmittel before the turbine, the power regulation can be done in a simple manner by changing the fuel supply and thus the temperature of the working fluid entering the turbine, such a simple operating method with indirect He the work equipment cannot be heated.
This is related to the heat capacity of the required heat exchange apparatus, which results in a delay in the effect of all rule interventions that is inadmissible for practical operation.
The gas turbine system according to the invention shown in FIG. 1 enables the direct heating of the working medium by direct combustion and the advantages inherent in the medium heating by heat exchange to be achieved while eliminating the disadvantages associated with each sole application of these heating types .
The air sucked in by the compressor 1 from the atmosphere flows in a compressed system state through line 2 in the gas heater 3 designed as a heat exchanger. When flowing through the tubes 4 innge surrounding space, the air is heated. At the end of this first heating stage, the air flows through the line 5 into the combustion device 6. Through the line 7, liquid fuel is fed to the burner 8, the finely atomized fuel being burned directly in the flow path of the compressed air.
The heating with the aid of the combustion device 6 represents the second heating stage. The mixture of air and combustion gases heated to the maximum temperature is fed to the turbine 9 through the line 10 as working fluid. After expansion to approximately atmospheric pressure, the expanded working fluid flows through line 11 into a further combustion device 12, which is connected upstream of the gas heater 3 belonging to the first heating stage. The burner 13 of the combustion device 12 can also be supplied with liquid fuel through the line 7 '.
The mixture of working medium and combustion gases generated in the combustion device 12 serves as a heat carrier for heating the gas heater 3 and heats the compressed air coming from the twisted 1 by exchanging heat. At the same time, the gas heater serves as a recuperator to recover part of the heat contained in the exhaust gases. The relaxed and cooled working fluid leaves the system through line 14.
The turbine 9 serves both to drive the compressor 1 coupled to it and to deliver useful power to the electrical power generator 15.
To adjust the fuel supply in the two combustion devices 6 and 12, a control device influenced by the speed sensor 16 is used. The sensor 16 is driven by the shaft of the power generator 15 is. The sleeve 17 is connected to a control slide 22 via the lever 19 mounted in the fixed point of rotation 18, the rod 20 and the spring 21. In the space 23 below the slide 22, in a known manner, a pressure corresponding to the force of the spring 21 and thus also the speed of the turbine 9 of the pressure of the slide fed through the line 24 or discharged from it through the line 25 - z. B. pressure oil.
The pressure medium line 26 connected to the space 23 transmits the pressure of the pressure set by the control slide by means of the top of the pistons 27 and 28 of the two servomotors arranged in the housing 29. These servomotors are used to adjust the ge in the lines 7 'and 7 directed. Fuel quantities. For this purpose, the pistons are connected to the valves 34 and 35 by means of the rods 32 and 33. The fuel is supplied with the help of the pump 36, which promotes fuel sucked in from a collecting container through the line 37 and through the valves. An overflow valve 38 directs excess fuel to the line 37 on the suction side of the pump 36.
Any change in speed of the machine group 1, 9, 15 as a result of a change in load causes a change in pressure of the pressure medium in space 23 below the control slide 22. This change in pressure influences the position of the valves 34 and 35 with the help of the servomotor piston 27 and 28 in the sense that a speed reduction Increasing the load increases the fuel supply and an increase in speed as a result of the decrease in the load leads to a reduction in the fuel supply to the two combustion devices.
The operating method described avoids the negative delay resulting from the exclusive supply of heat through indirect heating with the aid of a heat exchanger in the effect of a change in the supply of heat on the power generated. Any changes in load are corrected without delay by changing the heat supply in the combustion device 6.
In order to prevent harmful effects of the combustion gases flowing through the turbine, the combustion in the combustion unit 6 is carried out according to the invention in such a way that the partial pressure of the harmful combustion products arising during combustion remains below the value at which the condensation of these products Combustion products would occur in the turbine. As already mentioned, this value for Vanacliumpentocyclic is 0.062 min water column at a working medium temperature of 700 C.
This value can only be achieved by means of complicated measuring devices and calculations. can be found, a direct determination for the purpose of deriving a control pulse is not possible for practical operation.
On the other hand, the CO .., - C content can continuously be eaten with the help of known sensor devices and, due to its proportional value to the partial pressure of the Vanacliunipeilto: wdes, can be used as a control variable for the distribution of the fuel between the two distribution devices 6 and 12 for a certain fuel serve.
For this purpose, a small portion of the mixture of air and combustion gases flowing out of the turbine is branched off through line 39 from line 11 and fed to a sensor device 40 shown schematically for the CO2 content. This content is measured, for example, by determining the thermal conductivity of the gas mixture to be examined. In principle, the CO2 determination could also be carried out on the inlet side. The arrangement shown, however, gives the advantage of reduced temperatures in the measuring device.
With the help of a mechanism belonging to the sensor device, not shown, the measured CO2 content can be converted into a failure of the lever 41, with a movement of the lever in the + direction of the arrow 42 an increase and a movement in -direction a decrease in the CO content means. The lever 41 is connected at its right end to the nut 43, which sits on the spindle 44. With a pivoting movement of the lever, the spindle 44 moves over the with. The spring 45 connected to it, the control slide 47 arranged around the housing 46. In the space 48 below the slide 47, a pressure of the pressure medium supplied through the line 49 or discharged through the line 50, corresponding to the force of the spring 45, is established.
The space 48 is connected to the cylinder space located below the servo motor piston 27 via the pressure medium line 51. Any shifting of the control slide 48 caused by changing the CO2 content therefore causes a delayed shifting of the servo motor piston 27 and thus an adjustment of the valve 35 under the influence of the throttle valve 76 in the line 51. The operation of the device described is as follows: If the speed of machine group 1, 9, 15 drops as a result of a previous increase in load, the speed sensor triggers the valves 34 and 35 to open at the same time.
If the CO2 content of the gases flowing out of the turbine rises above the fixed value set with a view to limiting the partial pressure of harmful combustion products, the deflection of the lever 41 causes a gradual further increase in the flow through the valve 35 into the combustion device 12 upstream of the gas heater - the amount of fuel used. After a certain CO 2 content has been reached, the increase in output is largely increased by increasing the heat supply in the first heating stage. If the load drops back to the original value, the speed sensor causes a reduction in the amount of fuel flowing through both valves 34 and 35 in the same direction.
In order to. but at the same time the CO 2 content of the gases flowing out of the turbine 9 decreases, which conversely triggers a gradual reduction in the amount of fuel flowing through the valve 35 into the combustion device 12.
But because the speed sensor influences the total amount of fuel supplied in the sense of keeping the speed constant, the reduction in the amount of fuel fed into the combustion device 12 under the influence of the C02 sensor is carried out by a simultaneous increase in the amount of fuel fed into the combustion device 6 the valve 34 balanced amount of fuel flowing.
This increase in the amount of fuel fed into the combustion device 6 lasts. until the lever 41 assumes its drawn horizontal position, which corresponds to a permissible C02 content, at which the partial weight of the harmful combustion products is just below the value at which a condensation of these combustion products would occur in the turbine. The arranged in the Lei device 51 throttle valve 76 verhin changed instability circuits of the described control processes.
The combustion of the amount of fuel passed into the combustion device 12 does not cause any risk of contamination for the gas heater 3. The combustion pressure is practically atmospheric pressure, which means that the partial pressures of the harmful vapors in question are always so low that no condensation products of these vapors in the form of a sticky mass occur. The harmful combustion products are more noticeable in the form of dry, dusty ash, which brushes through the gas heater without the formation of deposits. Vanadium vapors no longer occur in the form of vanadium pentoxide, but in the form of vanadium trioxide.
If the power requirement suddenly increases significantly, it can happen that the amount of fuel supplied to the combustion device 6 is temporarily increased so that the partial pressure of the harmful combustion products exceeds the permissible value. However, this condition is reversed after a short time due to the change in the fuel distribution between the two combustion systems by the CO2 sensor. The harmful combustion products flowing through the turbine in the short time interval can usually not cause any noticeable damage.
However, it is also possible to arrange an auxiliary burner 52 in the combustion device 6, to which a high-quality fuel which does not form harmful combustion products can be fed through the line 53. A valve 54 is arranged in the line 53, the position of which is determined by the position of the piston 55 of the servomotor 56. The cylinder space lying on the left side of the servomotor piston is connected to the device 51 through line 57 to the Druckmittellei. The high-quality fuel is fed to the valve 54 through the line 58, which has a conveyor element, not shown.
If the CO2 content rises above the permissible value, the pressure increase in the pressure medium line 57 causes the valve 54 to open, with the result that the combustion device 6 is additionally supplied with high-quality fuel without harmful admixtures. With this arrangement, even relatively large power peaks can be regulated from the working fluid supplied to the turbine 9 without temporarily exceeding the permissible partial pressure of harmful combustion products. If this increase in the power requirement lasts for a longer period of time, the increase in the amount of fuel burned in the combustion device 12 reduces the fuel requirement of the combustion device 6, so that the decreasing CO 2 content causes the valve 54 to close.
Thus, the increase in the power requirement is ultimately only regulated by increasing the heat supply that takes place in the first heating stage.
The structure of the in F sharp. 2 shown gas turbine system is essentially the same as that of the system shown in FIG. The same parts are given the same reference numbers. In contrast, the system has a manually adjustable power setting device, by means of which the fuel supply to the combustion device 6 and 12 of the two heating stages can be changed.
For this purpose, a height-adjustable screw spindle 62 is arranged in the housing 61, which is ver via the spring 63 with the control slide 64 connected. The force exerted by the spring on the slide can be changed by adjusting the spindle * 62. In a well-known manner, see in the space 65 below the slide 64 a spring force corre sponding pressure of the slide supplied through the line 66 or discharged through the line 67 pressure medium. This pressure plants see via line 68 in the cylinder space below piston 69.
The piston 69 is connected to a further control slide 71 via a piston rod and via the spring 70. In the space 72 below the slide 71 represents. in turn, a pressure corresponding to the force of the spring of the pressure supplied or removed from the lines 66 and 67 by means of a. The pressure medium line 26 connected to the space 72 transmits the pressure set by the control valve to the top of the piston 27 and 28 of the two servomotors arranged in the housing 29 by means of the arrangement shown in FIG.
In order to increase the power generated by the system, the screw spindle 62 is adjusted upwards by turning the handwheel. This causes a decrease in the pressure of the pressure medium acting on the top of the piston 27 and 28, which results in the opening of the two valves 34 and 35 and thus an increase in the amount of fuel intended for the two heating stages.
With regard to the heat resistance of the materials used for the turbine, the maximum temperature of the working fluid must not exceed a certain value. For this reason, a temperature sensor 73 is arranged in the flow path of the combustion gases of the combustion device 6.
This sensor is designed as a gas thermometer and connected via the pressure line 74 to the cylinder chamber located above the top of the piston 69. If the working medium temperature after the combustion device 6 exceeds the permissible value, the pressure increase in the line 74 causes the piston 69 to move downwards against the force exerted by the pressure medium on the underside of the piston 69, which increases the pressure of the above Pistons 27 and 28 located pressure medium and thus a limitation of the total amount of fuel burned in the system causes.
The distribution of the fuel in the combustion devices 6 and 12 is carried out in the same way as in the embodiment of FIG. 1 in the sense of limiting the partial pressure of harmful combustion products in the working fluid supplied to the turbine 9. For this purpose, a sensor device 40 is also provided for the CO2 content of the gases flowing out of the turbine, which device influences the position of the valve 35 via the control slide 47 and the pressure medium line 51.
The system according to FIG. 2 also differs from the system shown in FIG. 1 by the arrangement of the combustion device used for heating the gas heater 3. The combustion device 12 he holds through the fan 75 only a small subset of the flow from the turbine 9, the oxygen-containing gas mixture. The gas mixture generated in the combustion device 12 has a very high temperature and is mixed back into the main flow of the gases flowing through the line 11 into the gas heater 3. This arrangement made light a reduction in the incineration device 12 Druckver losses. Perfect combustion always requires that a certain pressure loss in the burner system is accepted.
In the arrangement shown, however, a pressure loss occurs only in the flow path of the partial amount of working medium branched off by the combustion device, so that the energy loss caused is lower than in the arrangement according to FIG. 1 despite the drive energy to be applied to the fan 75.
A throttle element 76 is also arranged in the pressure medium line 51. This he makes it possible to prevent instability phenomena in the control device described by means of delayed influencing of the valve 35 by the C02 sensor.
The gas turbine system according to FIG. 3 corresponds to the system shown in FIG. On the other hand, the setting of the amount of fuel that is used to heat the gas heater and fed to the combustion device 12 takes place as a function of the useful output generated. For this purpose, the conductors 81 of the power generator 15 are connected via a wattmeter 82 to an amplifier 83 shown schematically.
In the circuit formed by the electrical lines 84 and the solenoid 85, a current proportional to the generated useful power flows. The soft iron core 86 of the solenoid is connected to a control slide 89 via the rod 87 and the spring 88. In space 90 to the right of the control slide, a pressure corresponding to the force of the spring 88 of the pressure medium supplied to the slide through the line 91 or discharged from it through the line 92 is established in a known manner. The space 90 is connected via the line 93 to the space above the piston 27 of the servo motor for actuating the valve 35.
The latter serves as in the previous Ausfüh approximately examples to adjust the amount of fuel fed into the combustion device 12. The method of operation of this device is such that as the electrical power requirement increases, the amount of fuel delivered into the combustion device 12 is increased, and vice versa.
Since this control intervention due to the large heat capacity of the gas heater 3 is associated with an impermissible delay in the effect of the changed heat supply on the power it generated, a sensor 94 for the speed of the machine group 1, 9, 15 is also provided. This influences the amount of fuel flowing through the line 7 into the combustion device 6 via the lever system 95, spool 96, pressure medium line 97, servomotor 29 and valve 34 in order to keep the speed of the power group constant and thus the electrical power generated.
To limit the partial pressure of the harmful combustion products in the exhaust gas of the turbine 9, a CO 2 sensor 40 is again arranged, which additionally influences the position of the valve 34 via lever 41, control slide 46 and pressure medium line 51. When the CO 2 content rises above the permissible value, lever 51 moves in the + direction of arrow 42, which causes the pressure medium pressure in line 51 to increase. The line 51 opens into the space above the piston 28 of the servo motor 29, so that an increase in the CO2 content above the permissible value triggers a reduction in the amount of fuel flowing through the valve 34.
In the present exemplary embodiment, the M-sensor works as a pure limiting controller for the amount of fuel determined for direct combustion in the working medium upstream of the turbine 9.
The described two-stage heating of the working medium also enables trainees to use the advantages of the blade cooling of turbines. This is not possible if the working medium is heated solely by indirect heat exchange, because the walls of the heat exchanger cannot be cooled in principle. The operating method according to the invention therefore allows a considerably freer choice of the maxima len working medium temperature, with the stress on the blade material of the turbine being able to be kept at a permissible value by blade cooling.
The inventive operating method and the gas turbine system to its Ausfüh tion see in particular for those use cases where only cheap heavy oils come into consideration with regard to the economy, such as gas turbine systems mum drive ships or generate electrical energy.