DE1964758A1

DE1964758A1 - Regelung einer Ofenanlage zur thermischen Behandlung von Metallen

Info

Publication number: DE1964758A1
Application number: DE19691964758
Authority: DE
Inventors: Rene Dipl-Ing Strub
Original assignee: Brown Boveri Sulzer Turbomaschinen AG
Current assignee: Brown Boveri Sulzer Turbomaschinen AG
Priority date: 1969-12-19
Filing date: 1969-12-24
Publication date: 1971-07-22
Also published as: CH517929A; NL7000918A; BE760481A; CA941743A; US3747335A; DE1964758B2; FR2072222A1; GB1325716A

Description

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BST 010

Brown Eoveri - Sulzer Turbomaschine η"Α.-&,., .Zurich-./ Schweiz

• "Regelung einer Ofenanlage zur thermischen Behandlung von Metallen"

Die Erfindung bezieht sich auf eine^; Regelung einer Ofenanlage zur thermischen Behandlung von Metallen mit mindestens einem Ofen, welchem die erforderliche Verbrennungsluft aus einer Druckluftleitung zugeführt wird₃ so dass die Verbrennung unter erhöhtem Druck vor sich geht und die Verbrennungsgase ebenso unter erhöhtem Druck abgeleitet und einer Turbine zugeführt werden, welche einen Turboverdichter antreibt, der verdichtete Luft in die Druckluftleitung fördert.

Bei den geschilderten Ofenanlagen werden .normalerweise die Turboverdichteranlagen durch Beeinflussung des zur Turbine geleiteten Gasstromes geregelt. Sine solche Regelung kann aber deshalb nur in beschränktem Maas sich den Eigenheiten des Ofens anpassen, als sie nur einen Teil des Gases der Turbine zuleiten kann und den übrigen Teil als Regelreserve anderswohin abströmen lassen muss. Daraus ergibt sich der. Nachteil, dass die zur Verfügung stehenden Gase nicht wirtschaftlich genug ausgenützt werden können. ■

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Zur Abhilfe des geschilderten tfachteils schlägt die Er-■ findung vor, die aus Turbine und Turboverdichter bestehende Maschinenanlage durch Einstellen einer verstellbaren Leitschaufelanordnung des Verdichters mittels eines Drehzahlreglers zu regeln. Durch diese Verlegung der Regelung von der Turbine auf den Turboverdichter entsteht die Möglichkeit, der Turbine praktisch immer die ganze Abgasmenge des Ofens zuzuführen, so dass deren Leistung voll ausgenützt wird.

Zweckmässig erhält der Drehzahlregler eine Vorrichtung zur Einstellung des Sollwertes der Drehzahl, die dann zum Beispiel in Abhängigkeit vom Druck in der Luftleitung eingestellt werden kann. Hierdurch gelingt es, den Betrieb des Verdichters immer so zu lenken, dass, er mit der ihm zur Verfügung stehenden Leistung unter günstigsten Verhältnissen die Luftmenge in die Luftleitung fördern kann, welche der zur Verfügung stehenden Leistung entspricht. ·

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Nach einem weiteren Vorschlag kann an die FordErleitung

eine

des Turboverdichters an eine Stelle niedrigeren Druckes führende Zweigleitung angeschlossen und in diese- Zweigleitung ein Regelorgan eingebaut sein, welches durch ein Messgerät eingestellt wird, das die vom Verdichter geförderte Luftmenge misst. Zweckmässig erhält dieser Mengenregler eine Vorrichtung zur Einstellung des Sollwertes der Luftmenge, bei. welchem das Re-

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gelorgan in der Zweigleitung zu öffnen beginnt, welche Vorrichtung durch den Druck in der Förderleitung einstellbar ist. Damit wird verhütet, dass der Betrieb des Turboverdichters in die Nähe der Pumpgrenze des Verdichters gelangt. Durch die Zweigleitung kann bei geringer Luftabnahme durch die Luftleitung die Luftmenge abströmen, welche den Verdichter vor dem Eintritt in die Pumpgrenze bewahrt. Ein Rückströmen von Luft aus der Druckluftleitung zum Verdichter bzw. in die Zweigleitung kann durch ein Rückschlagventil in der Förderleitung verhindert werden, was besonders beim notvrendigen Abströmen von Luft durch die Zweigleitung zur Verhütung des Eintritts in die Pumpgrenze zur Wirkung kommen kann«

In der Speiseleitung der Turbine kann ein Abschlussorgan eingebaut sein₅welches in Abhängigkeit von einem Schnellregler bei Erreichen einer höchstzulässigen Drehzahl des Turboverdichters geschlossen wird. Dieser Fall könnte eintreten, wenn der Turboverdichter die von der Turbine erzeugte Leistung nicht mehr aufzunehmen vermöchte und damit die Turbomaschinenanlage Gefahr liefe durchzugehen. Für diesen Fall empfiehlt es sich dann ausserdem an die Speiseleitung der Turbine - an ' einer Stelle vor dem Abschlussorgan - eine an eine Stelle niedrigeren Druckes führende Zweigleitung mit einem Abschlussorgan anzuschliessen und dieses Abschlussorgan ebenfalls in Abhängigkeit von einem Schnellregler bei Erreichen einer hochstzulässigen Drehzahl des Turboverdichters zu Öffnen.

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Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Figur 1 zeigt das Schema einer nach der Erfindung geregelten Ofenanlage und

Figur 2 ein PV-Diagramm des Verdichters.

Der Hochofen 1 in Figur 1 erhält durch die Leitung 2 Verbrennungsluft unter erhöhtem Druck zugeführt. Die bei der Verbrennung entstehenden Abgase strömen mit einem um den Druckverlust im Ofen verminderten, aber immer noch beachtlichen Druck

durch die Leitung 3 weiter und gelangen in eine Gasturbine 4. Es ist bekannt, dass diese Hochofenabgase mit einem bedeutenden Anteil von staubförmigen Verunreinigungen aus dem Ofen ankommen, und dass sie daher die Gefahr in sich bergen, in Leitungen und ungünstigen Strömungskrümmungen Ablagerungen anzusetzen, die sich in kurzer Betriebszeit soweit aufbauen, dass Durchgangsquerschnitte störend'vermindert und allfällige bewegliche Teile in ihrem Betrieb gehemmt werden. Am'meisten gefährdet sinddabei Rohrkrümmer und ganz besonders Regelanlagen, zum Beispiel Regelventile der Turbine. Andererseits gelingt es bei den erhöhten Strömungsgeschwindigkeiten in der Turbine durch geeignete Formgebung der Schauflung die Strömung so einzurichten, dass Ablagerungen überhaupt nicht entstehen oder mindestens kleine Ab-

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lagerungen sich nicht weiter aufbauen können. Wenn es demnach gelir.gt, sämtliche wesentlichen Regelapparate aus der Gasströmung der Turbine fernzuhalten, so ist ein ungestörter Betrieb der Turbine trotz des reichen Staubgehaltes des Treibgases gesichert. ■"■ -.--■■-.."

Die Turbine 4 treibt über die Kupplung 5 den Turboverdichter 6, der mindestens einen Kranz drehbarer Leitschaufeln 7 (von denen nur eine dargestellt ist) besitzt. Der Verdichter saugt durch die Leitung 8 Luft aus der Umgebung an und führt sie in verdichtetem Zustand durch die Förderleitung 9 in eine Druckluftleitung 10, an welcher u. a. die Leitung 2 angeschlossen ist, durch welche der Hochofen mit Verbrennungsluft versorgt wird. Bs können noch weitere. Leitungen an diese Druckluftleitung 10 angeschlossen sein, welche noch andere Ofenanlagen mit Verbrennungsluft versorgen, Ausserdem wird es in den meisten Fällen notwendig sein, der Druckluftleitung durch einen gesondert angetriebenen Verdichter noch die/fehlende Luftmenge zuzuführen. Dadurch entsteht die Betriebsbedingung, dass zunächst in der Luftleitung ein konstanter Druck (zum Beispiel auf der Höhe Pl) aufrechterhalten wird, und zwar durch geeignete Bemessung der vom zusätzlichen Verdichter gelieferten Luftmenge.

■ - ■ , ο .=----."■■ Der Drehzahlregler 11, der durch die Turbowelle angetrieben ist, beeinflusst mittels des Servo-Motors 12 den Kranz der

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einstellbaren Schaufeln 7 so, dass bei sinkender Drehzahl die Verdichterleistung vermindert und bei steigender Drehzahl die Verdichterleistung erhöht wird. Mit Hilfe einer Sollwerteinstellung "13 kann der einzustellende Sollwert der Turbomaschine nach Massgäbe des Druckes Pl in der Leitung 10 festgesetzt werden. Da in der Leitung 10 jedoch ein konstanter Druck aufrechterhalten wird, bleibt, solange keine Aenderungen desselben verursacht werden, auch die Drehzahl auf konstanter Höhe.

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An die Förderleitung 9 des TurboVerdichters ist eine Zweigleitung 14 angeschlossen, in welche ein Regelorgan 15 eingebaut ist. Die Leitung führt an eine Stelle niedrigeren Druckes, zum Beispiel in eine Ableitung, welche zuviel geförderte Luft über Dach abführt. Eingestellt wird das Regelorgan 15 durch einen Servo-Motor 16, der seinerseits durch ein Messgerät 17 gesteuert ist. Das Messgerät 17 steht unter dem Einfluss der durch die Leitung 9 zur Leitung 10 strömenden Luftmenge. Das Regelorgan 15 "beginnt zu öffnen, wenn die in die Luftleitung 10 strömende Luftmenge so klein wird, dass der Verdichterbetrieb sich der Pumpgrenze nähert. Die dadurch entstehende Vermehrung der Luftförderung durch den Verdichter verhütet den Eintritt des Betriebes in das Pumpgebiet, Da die Pumpgrenze sich mit niedrigem Förderdruck ebenso ändert, wird der Sollwert der Luftmenge₃ bei welchem das Ventil 15 durch den Servo-Motor 16 geöffnet wird, durch eine Messvorrichtung 18 nach Massgäbe des Druckes in der Förderleitung 9

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eingestellt, Damit kann erreicht werden, das« in jedem Betriebspunkt immer soviel Druckluft der Leitung 10 zugeführt werden kann, als diese ohne Druckerhöhung aufnehmen kann und nur diejenige Luftmenge abgelassen werden muss, welche notwendig ist, um das Pumpen des Verdichters zu verhüten. Das Rückschlagventil 25 in der Förderleitung 10 verhindert in solchen Fällen ein Rückströmen von Luft aus der Luftleitung 10 gegen den Verdichter 6 oder in die Zweigleitung 14.

In der Leitung 3 ist ein Schnellschlussorgan 19 eingebaut, welches durch einen Schnellschlussregler 20 beeinflusst ist. Bei Erreichen einer unzulässigen Drehzahl wird dieses Sehne 11 schlussorgan geschlossen, so dass die Drehzahl der Turbomaschinenanlage nicht durchgehen kann. Ausserdem ist vor dem Schnellschluss organ 19 an die Leitung 3 eine Zweigleitung 21'angeschlossen, die ein Durchflussorgan 22~besitzt<, Dieses Durchflussorgan ist ebenso durch den Schnellschlussregler 20 beeinflusst, so dass beim Abschliessen des Schnellschlussorgans 19 die vom Hochofen ankommende Gasmenge durch die Leitung 21 an eine Stelle niedrigeren Druckes geleitet werden kann· Damit soll verhütet werden, dass durch das schnelle Abschalten der Turbomaschinenanlage der Betrieb des Hochofens gestört wird. -

Der dargestelle Verdichter 6 ist als Axialmaschine gebaut. Eingestellt können Eintrittsleitkränze, zum Beispiel ein vor der ersten Stufe schon angeordneter Kranz oder Kränze zwischen den Stufen oder ein letzter Kranz hinter der letzten Stufe _s werden. Es ist aber auch möglich, Radialverdichter zu ver-

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wenden, bei denen dann entsprechende Eintritt sdr all vor richtungen oder Drallvorrichtungen in den Diffusoren Verwendung finden. Schliesslich könnte in besonderen Fällen auch bei Axialkompressoren Laufkränze eingestellt werden.

Die Art des Regelbetriebes lässt sich anhand des PV-Diagrammes der Figur 2 verfolgen. Pl entspricht dem Förderdruck in der Druckluftleitung 10 in Figur Iv Mit A ist die Pumpgrenze bei verschiedenen Betriebszuständen dargestellt und mit, B eine Zustandegrenze, die zur Verhütung des Eintritts in das Pumpgebiet durch den Verdichter nie übergehritten werden sollte. Äusserdem sind durch die Kurven Wl, W2 und V/3 die Gebiete gleicher Wirkungsgrade ^f (86, 84, 80 %) dargestellt.

■Es. mag unterstellt sein, dass der normale Betriebszustand in den Punkt F der Linie Pl fällt. Dabei soll der Verdichter eine bestimmte Leistung N bei einer Drehzahl R erhalten. Die

^ Stellung der einstellbaren Schaufeln ? entspricht einem An- * _ -

stellwinkel P ♦ Wenn die Leistung der Turbine abnimmt, zum Beispiel infolge einer Verminderung der Gasmenge oder des Druckes oder der Temperatur, verschiebt sich der Betrieb von Punkt F gegen Punkt F¹ unter Veränderung des Anstellwinkels ß. In Punkt F^! wird beispielsweise der Anstellwinkel ß* von der Re> gelung eingestellt. Besteht weiterhin Tendenz einer Verschiebung gegen die Pumpgrenze Ä» so muss gleich bei Punkt D der Mengenregler 15, 16, IT (Figur 1) eingreifen. Er öffnet das

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Regelorgan 15, so dass auch durch die Leitung 14 Luft abgeführt werden kann und die GesamtfÖrdernienge des Verdichters sich wie der vergrössert. Dabei gelangt der Betrieb wieder gegen den Punkt F⁽ und der Eintritt in das Pumpgebiet über der Kurve A ist damit verhindert. ■"■■· \*

Bei einer Vergrösserung der von der Turbine dem Verdichter zugeleiteten Leistung verschiebt sich der Betrieb vom Punkt F gegen den Punkt F¹'. Durch die Regelvorrichtung wird dann die Stellung der einstellbaren Laufschaufeln vom Anstellwinkel gegen den Anstellwinkel P¹' verändert. Dadurch wird eine erhöhte Luftmenge in die Druckluftleitung 10 geführt und so die von der Turbine geleistete Arbeit aufgenommen. Bei weiterer Erhöhung der Leistung wäre das Verdichten ausgeregelt und der Betrieb würde der eingezeichneten Kurve f3^|! folgen. Der Ver-

_ei,n

dichter würde dann wieder''kleineres Luftvolumen jedoch bei erhöhtem Druck fördern, und so die vermehrte Turbinenleistung allerdings bei erhöhter Drehzahl - absorbieren. :

Nur in Ausnahmefällen, wenn der Verdichter nicht mehr im Stande wäre, die ihm angebotene Leistung aufzunehmen! könnte die Drehzahl unzulässig hoch ansteigen. Dann würde dei* Schnell.-regler 20 in Aktion treten und auf alle Fälle das Schnell-· schlussorgan 19 absehliessen und im Bedarfsfalle das Abströmventil 22 öffnen, so dass die Turbinenanlage zum Stillstajid' käme.

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Claims

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Pa tent ansuriiche

1. Regelung einer Ofenanlage zur thermischen Behandlung von Metallen mit mindestens einejn Ofen (1),, welchem die erforderliche Verbrennungsluft aus einer Druckluftleitung (10) zugeführt wird, so dass die Verbrennung unter erhöhtem Druck vor

sich geht und die Verbrennungsgase ebenso unter erhöhtem Druck

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abgeleitet und einer Turbine (4) zugeführt v/erden, welche einen Turboverdichter (6) antreibt, der verdichtete Luft in die Druckluftleitung fördert, dadurch gekennzeichnet, dass die aus Turbine (4) und Turboverdichter (.6) bestehende Anlage durch Einstellen einer verstellbaren Leitschaufelanordnung (7) des Ver^- dichters (6) mittels eines Drehzahlreglers (11, 12) geregelt
wird.

2. Regelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass der Drehzahlregler (11, 12) eine Vorrichtung (10) zur Ein stellung des Sollwertes der Drehzahl aufweist. \

3. Regelung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
dass die Vorrichtung (13) zur Sollwerteinstellung ihrerseits 5; in Abhängigkeit vom Druck in der Luftleitung (10) eingestellt wird. " ".= ■"■

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4. Regelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an die Förderleitung (9) des Turboverdichters (6) eine an eine Stelle niedrigeren Druckes führende Zweigleitung (14) angeschlossen und in diese Zweigleitung ein Regelorgan (15,

16) eingebaut ist, welches durch ein Messgerät, (17) eingestellt wird, das die vom Verdichter (6). geförderte Luftmenge misst.

5. Regelung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Mengenregler (16, 17) eine Vorrichtung (18) zur Einstellung des Sollwertes der Luftmenge, bei welchem das Regelorgan (15) in der Zweigleitung (14) zu öffnen beginnt, und dass diese Sollwertvorrichtung.(18) ihrerseits durch den Druck in der Förderleitung (9) des Verdichters (6) eingestellt wird.

6. Regelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in die Förderleitung (9) des Verdichters (6) ein Rückschlagventil (25) eingebaut ist, welches ein Rückströmen von Luft aus der Druckluftleitung zum Verdichter (6) bzw. in die Zweigleitung (14) verhindert*

7. Regelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Speiseleitung (3) der Turbine ein Abschlussorgan (19) eingebaut ist, welches in Abhängigkeit von einem Schnellregler (20) bei Erreichen einer hochstzulässigen Drehzahl des Turboverdichters (4, 6) geschlossen wird»

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8. Regelung nach den Ansprüchen 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass an die Speiseleitung (3) der -Turbine - an einer Stelle vor dem Abschlussorgan (19) - eine an eine Stelle niedrigeren Druckes führende Zweigleitung (21) mit einem Abschlussorgan (22) angeschlossen ist, und dass das Abschlussorgan (22) in Abhängigkeit von einem Schnellregler (20) bei Erreichen einer höchstzulässigen Drehzahl des Turboverdichters geöffnet wird.

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