Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Verhüten von Überdrehzahl einer aus Kompressor und Gasturbine bestehenden. einen elektrischen Generator antreibenden und einen Dampferzeuger aufladenden Gruppe bei plötzlichem Lastabwurf.
Bei kombinierten Anlagen mit aufgeladenem Dampferzeu ger, für die die eingangs genannte Einrichtung bestimmt ist, bildet der Dampferzeuger einen Wärmespeicher, der im Falle eines plötzlichen Abschaltens des elektrischen Generators noch geraume Zeit heisse Gase abgibt, und zwar auch dann, wenn die Feuerung sofort abgestellt wird. Um im Falle eines Lastabwurfs eine für die Ladegruppe gefährliche Uberdrehzahl zu vermeiden, war es bisher üblich, über eine über Dach führende Abblaseleitung, die bei Lastabwurf rasch geöffnet wird, das Gas ins Freie entweichen zu lassen. Hierbei entsteht starker Lärm, und ausserdem ist der Aufwand für die Abblaseleitung und das darin angeordnete, schnell öffnende Ventil sehr beträchtlich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte Einrichtung so zu verbessern, dass Lärm vermieden wird und der Aufwand verringert wird.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäss dadurch, dass zwischen Gasaustritt des Dampferzeugers und Gasturbineneintritt eine absperrbare, bei Lastabwurf ansprechende Vorrichtung zum Einspritzen von Wasser in das zur Gasturbine strömende Gas vorgesehen ist. Durch das Einspritzen von Wasser in flüssiger Form wird dem zur Gasturbine strömenden Gas eine beträchtliche Wärmemenge entzogen, die zum Aufwärmen und Verdampfen des Wassers dient. Dadurch wird das Gas gekühlt und das gesamte, aus Gas und Dampf bestehende Volumen verringert, so dass die Drehzahl der Gasturbine - ohne gefährliche Überdrehzahl zu erreichen - ziemlich rasch sinkt. Da für die Einspritzvorrichtung in der Dampftechnik übliche Einspritzventile verwendet werden können, ist der Aufwand für die erfindungsgemässe Einrichtung verhältnismässig klein.
Schliesslich entsteht durch das Wassereinspritzen kein Lärm.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung ein mit einem Lastmessgerät verbundenes Differentialglied auf. Durch dieses Differentialglied wird bei Lastabwurf ein Verschwindsignal erzeugt, so dass die Einspritzvorrichtung vorübergehend eine der vom Dampferzeuger an das Gas zuviel abgegebenen Wärme entsprechende Wassermenge einspritzt.
Nach einer anderen Ausführungsform weist die Vorrichtung einen von der Drehzahl der Ladegruppe beeinflussten Regler auf, der zweckmässig ein l-Glied enthält und dessen Ausgang bei abgesperrter Einspritzvorrichtung mit einem Additionspunkt verbunden ist, dem ein Sollwertsignal für die Einspritzwassermenge zugeführt wird, wobei über einen von einem Lastmessgerät betätigten Umschalter eine vom Additionspunkt zum Eingang des Reglers führende Verbindung besteht und wobei bei Lastabwurf über den Umschalter der Eingang des Reglers mit einem Additionspunkt verbunden ist, der mit einem die Drehzahl der Ladegruppe messenden Gerät verbunden ist und dem ein Sollwert für die Drehzahl zugeführt wird.
Ist bei dieser Ausführungsform ein weiterer, vom Lastmessgerät betätigter Umschalter vorgesehen, mit dem ein die Brennstoffzufuhr zum Dampferzeuger einstellendes Organ wahlweise mit einem Führungssignalgeber für die Brennstoffzufuhr bei Normalbetrieb und mit einem Signalgeber für die Brennstoffzufuhr bei Leerlauf der Ladegruppe verbindbar ist, so ist es möglich. bei Lastabwurf die Drehzahl der Ladegruppe zunächst durch Beeinflussung der Einspritzwassermenge und später durch Beeinflussung der Feuerintensität so zu regeln, dass die Ladegruppe im Leerlauf weiterfährt.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Folgenden Beschreibung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch vereinfacht eine kombinierte Anlage mit der erfindungsgemässen Einrichtung,
Fig. 2 Übergangsfunktionen der in der Gasturbine freiwerdenden Leistung bei Abstellen der Feuerung des Dampferzeugers und
Fig. 3 und 4 abgewandelte Ausführungsformen der erfindungsgemässen Einrichtung.
Gemäss Fig. ist eine Ladegruppe 1 vorgesehen, die aus einem Kompressor 16 und einer Gasturbine 11 besteht und einen elektrischen Generator 15 antreibt. Der Austritt des Kompressors 16 ist über eine Leitung 2 mit einem Brenner 3 verbunden, der in einem Dampferzeuger 5 angeordnet ist. Dem Brenner 3 wird über eine Leitung 4 Brennstoff zugeführt, dessen Menge mittels eines Ventils 12 einstellbar ist. Der Dampferzeuger 5 enthält eine Verdampferheizfläche 6 und eine Überhitzerheizfläche 7, die über eine Leitung 23 mit einer Dampfturbine 24 verbunden ist, die einen elektrischen Generator 25 antreibt. An den Austritt der Dampfturbine 24 schliesst sich ein Kondensator 27 an, der über eine Kondensatpumpe 28 mit einem Speisewassergefäss 20 in Verbindung steht. Das Speisewassergefäss 20 ist über eine Speisewasserleitung 26 mit der Verdampferheizfläche 6 verbunden.
In der Leitung 26 sind eine Speisepumpe 21 und ein Speisewasserregelventil 22 vorgesehen. Der Dampferzeuger 5 ist über eine Gasaustrittsleitung 10 mit dem Eintritt der Gasturbine 11 verbunden, und in der Leitung 10 ist eine Wassereinspritzvorrichtung 32 angeordnet, die über eine Leitung 30 mit der Speisewasserleitung 26 verbunden ist. In der Leitung 30 ist ein die Einspritzwassermenge einstellendes Ventil 31 vorgesehen, das von einem Stellmotor 35 in Abhängigkeit von einem Verschwindsignal verstellt wird. Zur Erzeugung des Verschwindsignals ist ein Differentialglied 36 vorgesehen, das eingangsseitig mit einem am Generator 15 angeschlossenen Strommessgerät 37 und ausgangsseitig mit dem Stellmotor 35 verbunden ist.
Im Normalbetrieb der Anlage wird die im Kompressor 16 verdichtete Luft über die Leitung 2 dem Dampferzeuger 5 zugeführt, in dem sie der Verbrennung des über die Leitung 4 zugeführten Brennstoffs dient. Ein Teil der dabei freiwerdenden Wärme wird auf das in den Heizflächen 6 und 7 strömende Arbeitsmittel übertragen, das als überhitzter Dampf der Dampfturbine 24 zugeführt wird und dann im Kondensator 27 niedergeschlagen wird. Die Rauchgase verlassen mit einer Temperatur von beispielsweise 700 9C den Dampferzeuger 5 über die Leitung 10 und werden in der Gasturbine 11 entspannt. Während dieses Betriebes findet keine Wassereinspritzung mittels der Vorrichtung 32 statt.
Bei Lastabwurf, d. h. plötzlichem Abschalten des Generators 15 wird, ausgehend vom Strommessgerät 37, im Differentialglied 36 ein Verschwindsignal erzeugt, das den Stellmotor 35 des Ventils 31 in dem Sinne betätigt, dass Wasser aus der Leitung 30 in die Einspritzvorrichtung 32 gelangt, wo es fein verteilt in den den Dampferzeuger 5 verlassenden Gasstrom eingespritzt wird. Dieses Wasser nimmt dabei Wärme aus dem Gasstrom auf und verdampft, wobei das Gas abgekühlt wird, so dass die Leistung der Gasturbine 11 auf einen Wert absinkt, der praktisch gleich der vom Kompressor 16 aufgenommenen Leistung ist. Die Drehzahl der Ladegruppe 1 bleibt somit praktisch konstant. Mit dem Lastabwurf wird die Brennstoffzufuhr unterbrochen oder zumindest sprunghaft verringert.
Anstatt von der Leistung des Generators 15 kann das Einspritzen von Wasser auch von einer anderen, mit der Leistung zusammenhängenden, physikalischen Grösse aus erfolgen, z. B. von der Drehzahl der Ladegruppe.
Gemäss Fig. 2 ist mit der Geraden Nk der Leistungsbedarf des Kompressors 16 mit der Kurvenschar Ng die vom Gas in der Gasturbine 11 erzeugbare Leistung für den Fall angedeutet, dass im Augenblick t das Feuer im Dampferzeuger auf 75,50, 25% oder auf null zurückgenommen wird. Fällt im Augenblick t wegen elektrischer Abschaltung der Leistungsbezug durch den Generator 15 weg, so verbleibt - auch bei sofortiger Abschaltung des Feuers - zunächst eine Leistungsdifferenz AN, die ohne Anwendung geeigneter Gegenmassnahmen die Ladegruppe 1 auf gefährliche Überdrehzahl bringen würde. Durch das Einspritzen von Wasser werden zusätzliche Verluste hervorgerufen, die den Leistungsüberschuss der Turbine 11 kompensieren.
Wird das Feuer im Augenblick t auf Null zurückgenommen, so muss eine solche Wassermenge eingespritzt werden, dass die Drehzahl der Ladegruppe die Nenndrehzahl nicht übersteigt; diese Wassermenge entspricht der schraffierten Fläche in Fig. 2. Im Augenblick t1 hört dann die Wassereinspritzung auf und die Drehzahl der Gruppe geht, die Nenndrehzahl unterschreitend, asymptotisch auf Null zurück.
Soll nach einem Lastabwurf die Ladegruppe 1 im Leerlauf weitergefahren werden, so nimmt man bei Lastabwurf das Feuer sprunghaft auf den entsprechenden Leerlaufwert zurück, z.B. auf 50% derVollastbrennstoffmenge. Die Drehzahl wird dann zunächst durch Beeinflussung der Einspritz- wassermenge und später durch Beeinflussung des Feuers geregelt.
Gemäss Fig. 3 ist das Strommessgerät 37 mit vier Umschal tern 40, 41, 42 und 43 in Wirkungsverbindung, die hier alle in einer Stellung gezeichnet sind, die sie bei Normalbetrieb der kombinierten Anlage innehaben. Der Umschalter 40 bewirkt in der gezeichneten Stellung, dass der Stellmotor 35 des Einspritzventils 31 ein Null-Signal erhält, so dass das Ventil 31 geschlossen ist.
Durch den Umschalter 41 wird in der gezeichneten Stellung bewirkt, dass ein Hilfsregelkreis geschlossen ist, in dem in einem Additionspunkt 50 ein über eine Signalleitung 51 zugeführtes Sollwertsignal mit dem Ausgangssignal eines Reglers 52 verglichen wird, wobei das aus diesem Vergleich resultierende Differenzsignal über den Umschalter 41 auf den Regler 52 zurückgeführt wird. Der Ausgang des Reglers 52 ist ausser mit dem Punkt 50 mit dem zweiten, momentan freien Eingang des Umschalters 40 verbunden. Durch diesen Hilfsregelkreis wird das Ausgangssignal des Reglers 52 gleich dem Sollwert in der Leitung 51 gemacht. Dieser Sollwert, der einstellbar sein kann, entspricht dem bei Lastabwurf zunächst gewünschten Wert der einzuspritzenden Wassermenge.
Am zweiten, momentan freien Ausgang des Umschalters 41 ist eine Signalleitung 77 angeschlossen, in der ein Signal ansteht, das der im Additionspunkt 74 gebildeten Abweichung zwischen einem über eine Signalleitung 76 zugeführten Sollwert für die Drehzahl der Ladegruppe 1 und dem von einem Drehzahlmessgerät 75 abgegebenen Istwert der Drehzahl entspricht.
Durch den Umschalter 42 wird in der gezeichneten Stellung ein weiterer Hilfsregelkreis geschlossen, in dem in einem Additionspunkt 60 ein über eine Signalleitung 61 zugeführtes Sollwertsignal mit dem Ausgangssignal eines Reglers 62 verglichen wird, wobei das aus dem Vergleich hervorgehende
Differenzsignal über den Umschalter 42 auf den Regler 62 zurückgeführt wird. Der Sollwert in der Signalleitung 61 entspricht der bei Lastabwurf gewünschten anfänglichen
Stellung des in der Brennstoffleitung 4 angeordneten Ventils
12, das über einen Stellmotor 66 eingestellt wird.
Der zweite, momentan freie Eingang des Umschalters 42 ist mit einer
Signalleitung 83 verbunden, in der ein Signal ansteht, das der im Additionspunkt 84 gebildeten Differenz zwischen dem
Stellsignal des Stellmotors 35 und einem über eine Signallei tung 80 zugeführten Sollwertsignal entspricht. Dieses Sollwert signal in der Leitung 80 entspricht einer sehr kleinen Öffnung des Einspritzventils 31, die für eine Feinregelung noch aus reicht.
Der Umschalter 43 führt in der gezeichneten Stellung ein auf an sich bekannte Art gebildetes, von einer beliebigen Stelle der kombinierten Anlage kommendes Führungssignal für die Brennstoffmenge über Signalleitungen 70 und 71 zum Stellmotor 66 des Ventils 12.
Bei Lastabwurf werden die vier Umschalter 40 bis 43 vom Strommessgerät 37 umgelegt, wobei der Umschalter 40 den Ausgang des Reglers 52 mit dem Stellmotor 35 verbindet, so dass der Stellmotor 35 zunächst das Einspritzventil 31 entsprechend dem anfänglich gewünschten Wert (Sollwert in Signalleitung 51) der Einspritzwassermenge einstellt.
Der Umschalter 41 verbindet nach seiner Umlegung die Signalleitung 77 mit dem Eingang des Reglers 52, so dass dieser dann, nachdem er dem Stellmotor 35 den anfänglichen Wert für die Wassereinspritzmenge geliefert hat, die Drehzahl der Ladegruppe durch Verändern der eingespritzten Wassermenge zu regeln beginnt.
Nach dem Umschalten des Umschalters 43 erhält der Stellmotor 66 anstelle der über die Signalleitung 70 zugeführten Führungsgrösse zunächst das Ausgangssignal des Reglers 62, das dem Sollwert in der Signalleitung 61 entspricht.
Nach dem Umlegen des Umschalters 42 verbindet dieser die Signalleitung 83 mit dem Eingang des Reglers 62, so dass dieser dann, nachdem er dem Stellmotor 66 den Sollwert für die anfängliche Stellung des Ventils 12 geliefert hat, die Differenz zwischen dem Stellsignal des Stellmotors 35 und dem Sollwertsignal in der Leitung 80 zugeführt erhält. Der Regler 62 arbeitet im Vergleich zum Regler 52 sehr langsam.
Die in Fig. 3 dargestellte Schalteranordnung hat den besondern Vorteil, dass bei Lastabwurf die Drehzahl der Ladegruppe 1 selbsttätig auf der Nenndrehzahl gehalten wird, wobei der Brennstoffverbrauch und der Einspritzwasserverbrauch minimal sind. Der Generator kann später innert kurzer Zeit wieder an das Netz geschaltet werden.
Um zu verhindern, dass bei Ausfall des Generators 15 der Gruppe 1 auch die Dampfturbine 24 wegen Verkleinerung der Feuerleistung des Brenners 3 eine Leistungsreduktion erfährt, ist gemäss Fig. 4 das die Umschalter 42 und 43 betätigende Signal über ein Und-Glied 45 geführt, dem der Betriebszustand des Generators 25 zusätzlich in dem Sinne aufgeschaltet ist, dass die Umschalter 42 und 43 nur umgelegt werden, wenn auch am Generator 25 die Last abgeworfen wird. Ein weiterer Unterschied zur Vorrichtung gemäss Fig. 3 besteht darin, dass zwischen dem Und-Glied 45 und dem Umschalter 42 ein Verzögerungsorgan 47 angeordnet ist, mittels dem der Umschalter 42 im Vergleich zum Umschalter 43 verzögert umgelegt wird. Die Vorrichtung nach Fig. 4 hat den Vorteil, dass zusätzliche Störungen vermieden werden können.
Es ist auch möglich, das Verzögerungsorgan 47 in der Vorrichtung nach Fig. 4 wegzulassen und das Und-Glied 45 direkt mit dem Umschalter 42 zu verbinden. Es ist ferner möglich, bei der Vorrichtung nach Fig. 3 in der zum Umschalter 42 führenden Signalleitung ein Verzögerungsorgan vorzusehen.