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Regelverfahren für gasförmige Brennstoffe verarbeitende Gasturbinenanlagen
und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens Bei Gasturbinenanlagen, die gasförmige
Brennstoffe verarbeiten, wird das Brenngas im allgemeinen in einem mit der Verdichterturbine
unmittelbar oder über ein Reduziergetriebe verbundenen Brenngasverdichter verdichtet.
Die Teillastregelung geschieht in der Weise, daß mit Hilfe einer Rückführungsleitung
und einem Rückführungsventil die zur Leistungsdeckung nicht benötigte Brenngasmenge
von der Druckseite zur Saugseite des Brenngasverdichters zurückgeführt wird, nachdem
sie in einem Kühler auf die Ansaugtemperatur rückgekühlt wurde. Außer dem Nachteil
der zusätzlichen Kühleranordnung und Bereitstellung von Kühlmittel ergibt sich hierbei
zwangläufig auch eine Wirkungsgradeinbuße infolge der Drosselverluste und des geänderten
Treibgasdurchsatzes durch die Turbine. Hinzu kommt, daß in Zeiten von Brenngasmangel,
wenn in der Brennkammer ein flüssiger oder fester Hilfsbrennstoff verbrannt wird,
wegen des fehlenden Gasdurchsatzes die volle Nennleistung nicht aufgebracht werden
kann.
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Zur Beseitigung dieser Mängel wurde schon vorgeschlagen, die zur Leistungsdeckung
nicht benötigte Brenngasmenge vor ihrer Rückführung zur Saugseite des Verdichters
in einer Entspannungsturbine zur Arbeitsleistung heranzuziehen. Diese zusätzliche
Turbine ergibt aber auch in bezug auf die Regeleinrichtung einen Mehraufwand, und
die volle Nennleistung kann nur dann erreicht werden, wenn die als Treibmittel verwendete
Brenngasteilmenge zusätzlich aufgeheizt wird, was wiederum eine größere Auslegung
des Rückkühlers und eine zusätzliche Brennkammer bedingt.
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2,- un ist es an sich bekannt, die Leistung von mit Brenngas betriebenen
Gasturbinenanlagen durch Änderung des Brennstoffheizwertes zu regeln. Die verschiedenen
Heizwerte können dabei durch Mischung des Brenngases mit einem heizwertärmeren Gas,
unter Umständen sogar mit Luft erreicht werden, wobei beide Gase im Ansaugzustand
miteinander vermischt und im Brenngasverdichter gemeinsam auf den Prozeßdruck gebracht
werden. Man erzielt dabei den Vorteil, daß der Brenngasverdichter im gesamten Regelbereich
in oder annähernd in seinem optimalen Betriebspunkt betrieben wird. Zur Deckung
von Überlast soll nach dem bekannten Vorschlag ebenfalls flüssiger Zusatzbrennstoff
in die Hauptbrennkammer der Gasturbinenanlage eingebracht und hierin verbrannt werden.
Das bekannte Verfahren ist jedoch für schwankende Brenngasanlieferung nicht geeignet.
Bei abnehmender Brenngaszufuhr z. B. würde der Regler nämlich in Richtung »fetteres
Gemisch« regulieren, d. h., er würde die Luftzufuhr stärker drosseln, im Grenzfalle
sogar völlig schließen. Falls auch dann noch der Brenngasvordruck sinkt, muß der
Betrieb unterbrochen werden, da die zur Leistungsdeckung erforderliche Wärmemenge
nicht mehr freigemacht werden kann. Das bekannte Regelungsverfahren setzt also über
dem gesamten Regelbereich eine Mindestmenge von Brenngas voraus; überschüssige Gasmengen
müßten - da der Aufwand für einen Speicher vor allem bei Gichtgas - sich nicht lohnt,
in die Atmosphäre abgeblasen werden.
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plan könnte es nun als naheliegend bezeichnen, das bekannte Regelungsverfahren
mit Gemischverdichtung mit der Verbrennung flüssigen Zusatzbrennstoffes zu koppeln,
so daß beim Ausfall des Gichtgases nur mit flüssigem Brennstoff gefahren wird. Eingehende
Untersuchungen haben aber ergeben, daß damit höchstens 45 bis 509/o der ursprünglichen
Nennleistung erzielt werden können. Der verringerte Durchsatz beim Ausbleiben des
Brenngases allein bedingt eine Leistungsverminderung von etwa 15 °/n. Durch das
Mitschleppen des mit der Verdichterturbine fest gekuppelten Brenngasverdichters
ergeben sich weitere Verluste. Es kann also nur eine wesentlich geringere Brenn-
und Mischluftmenge verdichtet werden, der - wegen der Einhaltung der maximal zulässigen
Betriebstemperatur - nur eine ganz beträchtlich eringere Bremzstoffmenge zugeordnet
werden kann.' Im Unterschied hierzu besteht das Regelverfahren der vorliegenden
Erfindung darin, daß das Brenngas-Luft-Gemisch in Abhängigkeit vom Gichtgasvordruck
eingestellt wird, und zwar derart, daß mit abnehmender Brenngasanlieferung der Luftüberschuß
größer wird, und daß die zur Deckung der jeweiligen Leistung
fehlende
Wärmemenge durch Verbrennung eines unmittelbar in die Brennkammer eingespeisten
Zusatz= brennstoffes erzeugt wird. Hiermit wird nicht nur der Vorteil des konstanten
Gasdurchsatzes durch den Brenngasverdichter und damit dessen Betrieb im Bestpunkt
seiner Charakteristik erreicht, man kann = und das ist gerade für die Verwertung
heizwertarmer Gichtgase von überragender Bedeutung - auch beim völligen Ausfall
der Gasanlieferung die volle Nennleistung erzielen.
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Zur Sicherung der Anlage vor Schäden durch Selbstzündung des Brenngäs-Luft-Gemisches
können ganz einfache, auf bestimmte Betriebswerte (Temperatur, Druck od. dgl.) ansprechende
Sicherungsmittel (z. B. Schmelzsicherungen, Platzscheiben) an den gefährdeten Anlageteilen
vorgesehen werden. Das Mischventil, in dem die beiden Verbrennungspartner -nachdem
sie auf gleichen Druck gebracht wurden -gemischt werden, ist in seinem Aufbau einfach,
da es in der Saugleitung des Brenngasverdichters liegt, und daher Leckverluste nicht
auftreten können.
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Selbst bei zündfreudigeren Brenngas-Luft-Gemischen kann man vorzeitige
Zündungen vermeiden, wenn man die mit engem Laufspiel zugeordneten Bauteile des
Verdichters (z.-B. Labyrinthdichtungen, Spaltdichtungen, Lauf- und Leitschaufeln
u. dgl.) aus einem akatalytischen Werkstoff herstellt, dessen Schmelzpunkt vorzugsweise
unterhalb der untersten Zündtemperatur des zu verdichtenden Gemisches liegt, oder
wenn man die den Laufspalt begrenzenden Teile mit einer Anlaufschicht aus einem
Material geringer Verschleißfestigkeit versieht. Außerdem kann man in die Laufspalte
beispielsweise der Labyrinthdichtungen ein inertes Gas als Sperrgas einführen.
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Das Zurückschlagen der Flamme vom Brenner aus wird durch eine genügend
hohe Geschwindigkeit in der Brennermündung verhindert. Vorteilhaft ist es ferner,
die Brennkammer nächst dem Brenngasverdichter anzuordnen, um dadurch das Gemischvolumen
in der Verbindungsleitung klein zu halten und die Strömungsgeschwindigkeit so groß
zu wählen, daß sie größer ist als die Brenngeschwindigkeit des Brenngases, was wiederum
besonders bei Gichtgas leicht zu verwirklichen ist. Zwischen dem Brenngasverdichter
und der Brennkammer kann außerdem in bekannter Weise noch ein von den Turbinenabgasen
beaufschlagter Wärmeaustauscher angeordnet sein.
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Im folgenden sei das Verfahren der Erfindung sowie eine Einrichtung
zur Durchführung desselben an einem Ausführungsbeispiel erläutert. Die zugehörige
Zeichnung zeigt eine Zweiwellen-Gasturbinenanlage für Betrieb mit Gichtgas mit einem
Leistungsverbraucher 1, der ihn antreibenden Nutzleistungsturbine 2 und - davon
mechanisch getrennt - der den Luftverdichter 3 und den Brenngasverdichter 4 antreibenden
Verdichterturbine 5. Atmosphärische Luft wird durch die Saugleitung 6 vom Verdichter
3 angesaugt und durch die Leitung 7, in die der von den Turbinenabgasen beaufschlagte
Wärmeaustauscher 8 eingeschaltet ist, durch den Leitungszweig 9 für die Primärluft
mit dem Regelventil 10 sowie durch den Leitungszweig 11 für die Sekundär- und Mischluft
zur Brennkammer 12 befördert.
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Das Lichtgas wird durch die Leitung 13 mit dem Hauptgasschieber 13c
angeliefert und im Drosselventil 14 auf den Druck der durch die Leitung 15 angesaugten
Regelluft gedrosselt. Durch das Mischventil 16, das im vorliegenden Falle in einfachster
Weise als Drehschieberventil ausgebildet ist, sowie durch die Saugleitung 17 gelangt
das Lichtgas in den Brenn gasverdichter 4 und wird durch die Druckleitung 18 mit
dem Schnellschlußventil 19 in die Brennkammer 12 gepreßt. An die Leitung 18 ist
noch das Abblasventi120 angeschlossen, das ebenso wie das Schnellschlußventil 19
für den Havariefall vorgesehen ist. Beide Ventile 19 und 20 werden beim Ansprechen
einer nicht dargestellten Schmelzsicherung, die beispielsweise am Verdichterausgang
angeordnet sein kann, in Tätigkeit gesetzt.
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Die in der Brennkammer 12 erzeugten Treibgase werden durch die Leitung
21 der Verdichterturbine 5 zugeführt, die durch die Überströmleitung 22 mit der
Nutzleistungsturbine 2 verbunden ist, und gelangen durch die Abgasleitung 23 nach
Abgabe ihrer fühlbaren Wärme an die verdichtete Luft im Wärmeaustauscher 8 ins Freie.
An die Treibgasleitung 21 sind das Schnellöffnungsventil 24 sowie das regelbare
Abblasventil 25 und an die Überströmleitung 22 ist das Abblasventi126 zur hydraulischen
Abschaltung der Nutzturbine 2 angeschlossen.
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Bei Brenngasmangel erhält die Brennkammer 12 flüssigen Brennstoff
aus dem Behälter 27, der durch die Leitung 28 mit der Brennstoffpumpe 29 und dem
Regelventil 30 mit der Düse 31 in der Brennkammer 12 in Verbindung steht. Die Steuerung
der verschiedenen Ventile wird im folgenden mit der Erläuterung der einzelnen Betriebsfälle
erklärt. I. Anfahrvorgang Der Hauptgasschieber 13a ist geschlossen und das Mischventil
16 auf volle Luftansaugung eingestellt. Das Schnellschlußventil 19 und das Ventil
26 zur Abschaltung der Nutzleistungsturbine 2 sind voll geöffnet, die Abblasventile
20, 25 und das Schnellöffnungsventil24 sind geschlossen. Der nicht dargestellte
Anlaßmotor wird eingeschaltet und der Verdichterwellensatz so lange durchgedreht,
bis die Anlage durchlüftet ist. Nach Einschalten der Zündflamme wird in zunehmendem
Maße flüssiger Brennstoff (Dieselöl, Steinkohlenteeröl) eingespritzt, bis der Verdichtersatz
die Leerlauf-Drehzahl erreicht hat. Beim Weiterdrehen der Schaltwalze des Anlaßmotors
schließt jetzt das Abblasventil26 langsam, die Nutzleistungsturbine beginnt zu drehen
und wird langsam durch weitere Brennstoffzufuhr auf die Soll-Drehzahl bzw. Nennleistung
gebracht.
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Bislang stand das Mischventil 16 immer noch auf volle Luftansaugung.
Jetzt wird der Hauptgasschieber 13a geöffnet; das in Abhängigkeit von der Nutzleistung
und vom Brenngasvordruck gesteuerte Mischventil 16 stellt sich auf den erreichten
Zustand ein, d. h.., die Zufuhr von Mischluft wird verringert, und der Regler für
die Zufuhr flüssigen Brennstoffs schließt das Ventil 30.
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Grundsätzlich wäre das Anfahren auch mit Lichtgas allein möglich.
Das Anfahren mit Ö1 ist aber zweckmäßiger, da es unabhängig vom Gichtgasvordruck
durchgeführt werden kann und somit keine Schwierigkeiten etwa durch fallenden Gichtgasvordruck
eintreten können.
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II. Vollastbetrieb bei wechselndem Gichtgasvordruck (Fackelbetrieb)
Bei Vollastbetrieb strömt durch das Regelventil 10 für die Primärluft die volle
Primärluftmenge. Der Übergang vom reinen Gichtgasbetrieb auf reinen Ölbetrieb erfolgt
durch Einwirkung des Gichtgasvordruckes auf das Mischventil 16, d. h., jedem Gichtbasvordruck
ist ein bestimmtes Gas-Luft-Gemisch zugeordnet. Die für Vollast fehlende Wärmemenge
wird
durch das selbsttätig geregelte Brennstoffventil 30 durch Verbrennung
flüssigen Brennstoffs ausgeglichen. III. Teillast bei reinem Gichtgasbetrieb Bei
abnehmender Belastung stellt das Mischventil 16 ein ärmeres Gemisch ein, d. h. ein
Gemisch mit größerem Luftanteil. Im unteren Bereich des Teillastgebietes könnte
nun der Fall eintreten, daß die Zündtemperatur des »verdünnten« Gichtgases zu hoch
ist und die Flamme erlöscht. Erfindungsgemäß werden diese Schwierigkeiten dadurch
behoben, daß im unteren Teillastgebiet das Mischventil 16 auf eine größere als zur
Deckung der Teillast benötigte Brenngasmenge eingestellt wird, und daß die nicht
benötigte Treibgasmenge, die man am einfachsten empirisch ermittelt, durch das regelbare
Abblasventil 25 abgeblasen wird. Die Regelung dieses Abblasventils 25 erfolgt also
unterhalb einer Teillastgrenze in Abhängigkeit von der Leistung. Da im praktischen
Betrieb diese kleinen Leistungen kaum gefahren werden, fällt dieser geringe Gichtgas-Mehrverbrauch
kaum ins Gewicht. Das regelbare Abblasventi125 könnte gegebenenfalls auch mit dem
Schnellöffnungsventil24 kombiniert werden. IV. Teillast im reinen Ölbetrieb Hier
ist das Mischventil 16 auf volle Luftansaugung eingestellt. Die Leistungsregelung
erfolgt ausschließlich durch Veränderung der Primärluftmenge (Ventil 10) und Veränderung
der Menge flüssigen Brennstoffes (Ventil 30).
V. Teillast im Zweistoffbetrieb
Hierbei werden das Mischventil 16 in Abhängigkeit vom Brenngasvordruck und
das Brennstoffventil 30 sowie das Primärluftventil 10 in Abhängigkeit
von der Nutzleistung gesteuert. Bei sehr kleinen Leistungen kann dabei wieder das
regelbare Abblasventil 25 in Tätigkeit treten, falls der Luftaufwand zu groß werden
sollte. VI. Schlagartiger Lastabfall In diesem Betriebsfall soll bekanntlich die
Nutzleistungsturbine mit ihrer Nenndrehzahl weiterlaufen, um bei Belastung sofort
die erforderliche Leistung abgeben zu können. Dieses Regelproblem ist besonders
für Zweiwellenanlagen schwierig, da die Nutzturbine leicht auf Überdrehzahl kommen
kann. Wichtig ist ferner, daß die Flamme in der Brennkammer nicht erlöscht. Auch
dieser Betriebsfall kann erfindungsgemäß leicht beherrscht werden, indem bei Eröffnung
des Schnellöffnungsventils 24 und/oder des Abblasventils 25 das Mischventil
16 und das Regelventil 10
für die Primärluft mit Verzögerung auf den
neuen Lastzustand eingeregelt werden. Die Treibgaserzeugung folgt also nur langsam
dem Lastabfall, das Verlöschen der Flamme ist daher ausgeschlossen. VII. Schnellschluß
Dieser Betriebsfall kann eintreten, wenn beispielsweise aus irgendeinem Grunde die
Flamme verlöscht. Von einem Flammenwächter in der Brennkammer wird dann das Schnellschlußventi119
ausgelöst und das Abblasventil 20 geöffnet. Daraufhin wird das Mischventil 16 auf
volle Luftansaugung eingestellt.