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Gasturbinenanlage mit Abhitzekessel Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Regelung einer mit konstanter Drehzahl betriebenen Gasturbinenanlage mit einem
an den Turbinenauslaß angeschlossenen Abhitzekessel und geregelter Arbeitsmittelentnahme
aus dem Niederdruckteil des Kompressors.
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Derartige Anlagen sind dort von Vorteil, wo beispielsweise einerseits
durch den Betrieb .einer Gasturbinenanlage eine Abhitzequelle vorhanden ist, deren
Rekuperation ein betriebswirtschaftliches Gebot darstellt, und wo andererseits aus
fabrikationstechnischen Gründen eine Dampfquelle mit gleichbleibender Dampfspannung
benötigt wird, deren Bereitstellung eine eigene Kesselanlage notwendig machen würde.
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Bei dem Betrieb einer Gasturbinenanlage mit Abhitzekessel ergeben
sich Schwierigkeiten, sobald der eine oder der andere oder beide Anlagenteile einer
Laständerung unterworfen werden. Es kann beispielsweise geschehen, daß durch eine
solche Laständerung die Abgastemperatur der Turbine absinkt, während die Dampfspannung
gleich hoch bleiben soll. Zur Behebung dieser Schwierigkeit wurde schon vorgeschlagen,
für den Abhitzekessel eine Zusatzbrennkammer anzuordnen.
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Diese bekannte Anordnung verteuert jedoch die Anlage und verursacht
zusammen mit dem erforderlichen Regelmechanismus eine beträchtliche Komplizierung
derselben, wobei noch die Schwierigkeit besteht, daß die notwendigen Leitungen und
Absperrorgane einer außerordentlich hohen thermischen Belastung ausgesetzt sind.
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Man hat auch schon versucht, das Problem durch eine die Turbine umgehende
Bypaßleitung für das heiße Arbeitsmittel der Turbine zu lösen, doch geht dabei die
dem Arbeitsmittel innewohnende Druckenergie ungenutzt verloren, abgesehen von den
bereits erwähnten Schwierigkeiten, welche durch im heißen Gasstrom liegende Bypaßventilc
verursacht werden.
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Eine unbefriedigende Kompromißlösung stellt auch die ebenfalls bekannte
Maßnahme dar, einen Teil des Arbeitsmittels aus einer der ersten Stufen der Turbine
zum Abhitzekessel abzuzweigen. Hierbei ist noch mit erheblichen thermodynamischen
Verlusten zu rechnen, und die Schwierigkeiten bezüglich der Ventile im heißen Gasstrom
sind kaum geringer als bei einem vor der Turbine abzweigenden Bypaß.
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Die beispielsweise geschilderten Schwierigkeiten werden durch die
Erfindung beseitigt. Diese ist dadurch gekennzeichnet, daß man zur Aufrechterhaltung
der Dampfspannung im Abhitzekessel während eines Teillastbetriebes der Turbine das
dem Niederdruckteil des Kompressors entnommene Arbeitsmittel ins Freie abbläst,
dabei die Brennstoffmenge in an sich bekannter Weise nur so weit reduziert, daß
die Turbine an der oberen zulässigen Temperaturgrenze läuft. Bei nur verhältnismäßig
geringer Lastreduzierung der Gasturbinenanlage kann dabei die relativ einfache Maßnahme
getroffen sein,_ daß man in an sich bekannter Weise die Temperatur dec Arbeitsmittels
am Turbineneinlaß konstant .hält. -In einem anderen Belastungsfalle kann es genügen,
wenn man in an sich bekannter- Weise die Abgastemperatur der Turbine konstant hält.
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Bei stärkerer Lastverminderung der Turbine hat es sich hingegen als
zweckmäßig erwiesen, daß man zu Beginn der Lastverminderung zunächst die Temperatur
des Arbeitsmittels am Turbineneinlaß konstant hält, bis sich die Abgastemperatur
einer oberen Temperaturgrenze genähert hat,. und daß man bei weiterer Lastverminderung
die Abgastemperatur konstant hält.
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Gegebenenfalls ist es dabei günstig, daß man die Abgastemperatur lastabhängig
steuert.
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Bei einer mit konstanter Drehzahl betriebenen Gasturbinenanlage, bei
welcher an den Turbinenauslaß ein Abhitzekessel angeschlossen und eine aus dem Niederdruckteil
des Kompressors abzweigende und mit einem Absperrventil versehene Entnahmeleitung
vorgesehen ist und welche eine Regeleinrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach
der Erfindung besitzt, ist die Erfindung gekennzeichnet durch mindestens ein Organ
zur Einstellung der in die Brennkammer geführten Brennstoffmenge und ferner durch
mindestens einen auf die Temperatur des Arbeitsmittels im Bereich der Turbine ansprechenden
Impulsgeber, welcher in Wirkungsverbindung mit dem Organ zur Einstellung der Brennstoffmenge
steht und die Brennstoffmenge bei Überschreiten einer zulässigen oberen Temperaturgrenze
verringert
und umgekehrt bei Unterschreiten einer unteren Grenze vergrößert.
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Durch diese Anordnung wird erreicht, daß, solange die Temperatur am
Auslaß unterhalb einer kritischen Grenze sich befindet, die Brennstoffmenge nach
der Temperatur am Einlaß geregelt wird, während erst, wenn infolge einer durch Lastreduktion
verringerten Entspannung des Arbeitsmittels die Abgastemperatur sich einem kritischen
Grenzwert nähert, das vom Impulsgeber am Auslaß gesteuerte Organ anspricht und die
Brennstoffmenge nach Maßgabe der Auslaßtemperatur reduziert, derart, daß ein etwa
gegenteiliger Impuls des ersten Impulsgebers nicht zur Ausführung gelangen kann,
und umgekehrt, daß ein. Drosselimpuls des ersten Impulsgebers einen gegenteiligen
Impuls des zweiten Impulsgebers außer Kraft setzt.
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Die Vorteile der Erfindung gegenüber bisher bekanntenVorschlägen zurLösung
des vorliegendenProblems liegen einerseits in der Erhaltung des bestmöglichen thermodynamischen
Wirkungsgrades der Anlage. Dadurch, daß die Turbine mit reduzierter Arbeitsmittelmenge
an der höchstzulässigen Temperaturgrenze gefahren wird, bleibt der Teillastwirkungsgrad
derselben gut. Das Abblasen von Arbeitsmittel aus einer Niederdruckentnahmestufe
des Kompressors sichert ebenfalls einen noch relativ günstigen Teillastwirkungsgrad
einer Maschine, da der Energieverlust bei Entnahme beispielsweise zwischen erster
und zweiter Stufe relativ gering ist, während andererseits eine besonders in der
ersten Stufe gefährliche Annäherung an die Pumpgrenze vermieden wird.
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Und andererseits bleibt beim Teillastbetrieb der Turbine das für den
Abhitzekessel notwendige Temperaturfälle erhalten, oder es wird sogar noch erhöht,
wodurch mindestens die Dampfspannung aufrechterhalten bleiben kann.
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Mit der Verringerung der Arbeitsmittelmenge sinken - etwa gleiche
Temperaturen des Abgases am Austritt des Abhitzekessels in den Kamin vorausgesetzt
-die Kaminverluste, was dem Gesamtwirkungsgrad der Anlage zugute kommt.
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Und schließlich befinden sich die notwendigen Regelorgane auf der
»kalten« Seite, wo ein sicherer Betrieb derselben ohne Schwierigkeiten möglich ist.
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Im folgenden wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels
in einer schematischen Zeichnung näher erläutert.
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Hierin bedeutet 1 den Kompressor, welcher mit der Turbine 2
auf der gleichen Welle 3 sitzt und ebenso wie der Erzeuger 4 für elektrische Energie
von derselben angetrieben wird.
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Der Kompressor 1 saugt beim Ansaugstutzen 16 Luft ein, welche er durch
den Auslaß 5 in die Brennkammer 6 fördert. Dort wird die Luft mit Brennstoff aus
der Zuführungsleitung 7 zu heißem Gas verbrannt, ,,welches in den Turbineneinlaß
8 strömt, um die Turbine 2 nach Entspannung durch den Auslaß 9 zu verlassen und
den Abhitzekesse110 zu durchströmen.
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Der Kompressor 1 besitzt eine Niederdruckent nahme 11 mit einem Verschlußorgan
12, Am Einlaß 8 der Turbine befindet sich ein auf Temperatur ansprechender Impulsgeber
13 und am Auslaß 9 ein Impulsgeber 13', welche in Wirkungsverbindung mit Brennstoffregelorganen
14,14' der Brennstoffzuführung 7 stehen.
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Die Funktion der beschriebenen Anlage und des Regelungsmechanismus
nach der Erfindung ist folgende: Angenorzzmen die Anlage arbeitet auf dem Normalbetriebspunkt
mit 100 % Leistung. Der Leistungsverbraucher 4 der Gasturbine 2 erzeugt Strom, während
dem Abhitzekesse110 eine bestimmte, annähernd gleichbleibende Wärmemenge zugeführt
wird. Der im Kessel erzeugte Dampf wird am Dampfstutzen 15 abgeführt.
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Um nun - etwa wegen eines verringerten Leistungsbedarfs des Stromerzeugers
4 - die Last der Turbine 2 auf beispielsweise 80 °/o zu reduzieren, öffnet man das
Verschlußorgan 12 am Entnahmestutzen 11 des Kompressors 1 und läßt einen Teil des
Arbeitsmittels in die Atmosphäre entweichen.
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Die Arbeitsmittelverringerung verursacht einen relativen Brennstoffüberschuß,
was ein Ansteigen der Temperatur am Einlaß 8 zur Folge hat. Wenn dabei eine im voraus
bestimmte höchste Temperaturgrenze erreicht ist, reduziert der auf Temperatur ansprechende
Impulsgeber 13 in Zusammenwirken mit dem Brennstoffregelventil 14 die Brennstoffmenge,
so daß - auch bei weiterer Lastreduktion - ein Überschreiten der Temperaturgrenze
vermieden wird.
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Bei stärkerer Lastreduktion nach diesem Verfahren stellt sich aber
auch amAuslaß 9 einTemperaturanstieg ein, der - ebenfalls bei einer festgelegten
Grenze -durch die Wirkung des Impulsgebers 13' in Verbindung mit dem Brennstoffeinstellventil
14' zum Stillstand kommt.
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Wenn beide Ventile 14 und 14' hintereinander geschaltet sind, richtet
sich die Brennstoffzufuhr nach dem Ventil mit der jeweils kleinsten Öffnung. Wenn
beide Impulsgeber auf nur ein Ventil geschaltet sind, muß die Wirkungsweise eine
solche sein, daß ein Drosselimpuls die Prädominanz vor einem Öffnungsimpuls hat.