DE2114602C3 - Regelanordnung zum Hochfahren einer Gasturbinenanlage auf Betriebstemperatur - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Regelanordnung zum Hochfahren einer Gasturbinenanlage auf Betriebstemperatur gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Eine derartige Regebnordnung ist in der DE-OS 1401281 beschrieben.

Um den größtmöglichen Wirkungsgrad einer Gasturbine zu erzielen, wird die Betriebstemperatur einer Turbine vorteilhafterweise so hoch wie möglich gemacht, jedoch sind durch die zulässigen Materialbeanspruchungen Grenzen gesetzt. Aus diesen Gründen ist eine Temperaturregelung erforderlich, die die Drehzahl- oder Lastregelung der Turbine übersteuert, falls die Turbineneinlaßtemperatur einen vorbestimmten Wert überschreitet.

Da es schwierig ist, die Einlaßtemperatur direkt zu messen, ist das Temperatursteuersystem derart ausgelegt, daß die Turbineneinlaßtemperatur indirekt, nämlich durch Steuerung der Abgastemperatur, gesteuert werden kann. Während des normalen stationären Betriebes der Gasturbine bis zu 100% der Turbinendrehzahl wird die Abgastemperatur durch eine Brennstoffsteuerung auf einem optimalen Wert gehalten. Während des Scanvorganges der Turbine ist die Temperatursteuerung ein integraler Bestandteil der Startfunktion. Während des Startens, wenn, die Turbine gezündet wird, lösen die Flammendetektoren eine Zeitperiode aus, während der die Turbinentemperatur allmählich auf ihre endgültige Betriebstemperatür erhöht wird. Hierbei dürfen bestimmte, materialbedingte Temperaturanstiegsgeschwindigkeiten nicht überschritten werden. Bei den bekannten Regelanordnungen ist jedoch der zeitliche Abgastemperaturanstieg fest vorgegeben, so daß der breite Bereich von Umgebungstemperaturen der Turbine, die die Anfangstemperaturen des Regelvorganges darstellen, ohne Berücksichtigung bleiben. Somit ist es möglich, daß entweder unzulässig erhöhte Temperaturanstiegsgeschwindigkeiten oder eine zu starke Drosselung der Brennstoffzufuhr auftreten, wodurch eine Flammenlöschung bewirkt werden kann.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb darin, eine Regelanordnung zum Hochfahren einer Gasturbinenanlage auf Betriebstemperatur zu schaffen, die bei der Begrenzung der zulässigen Temperaturanstiegsgeschwindigkeiten die jeweilige Umgebungs- bzw. Anfangstemperatur berücksichtigt.

Diese Aufgabe wird bei einer Regelanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Ausführungsbeispiele der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch das erfindungsgemäß vorgesehene Unterdrückungssignal eine Anpassung der Temperaturanstiegskurve an die jeweilige Umgebungs- oder Anfangstemperatur herbeigeführt wird. Dadurch kann es weder zu einer übersteigung der zulässigen Anstiegsgeschwindigkeit noch zu einer starken Drosselung der Brennstoffzufuhr und zur Flammenlöschung kommen.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Beschreibung und Zeichnung eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die Temperaturregelung in Relation zu anderen Funktionsregelungen bei der Brennstoffzufuhr,

Fig. 2 eine graphische Darstellung, bei der der Temperaturanstieg und die Brennstoffzufuhr als Funktion der Zeit dargestellt sind, und

Fig. 3 die Temperaturregelanordnung mit der Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines Unterdrückungssignals während des Hochfahrens der Turbine auf Betriebstemperatur.

In Fig. 1 ist die Gesamtregelung zum Betrieb einer Gasturbine dargestellt, welche drei Hauptparameter besitzt:

1) Starten,

2) Drehzahl und

3) Temperatur.

Diesen drei Parametern können eine Anzahl anderer Parameter, wie beispielsweise die Beschleunigung, und auch getrennte Eingangssignale, wie beispielsweise der Lasteingang der Turbine, zugeführt werden. In Fig. 1 ist ein Blockschaltbild dargestellt, welches diese drei Hauptparameter anzeigt, wobei die Startsteuerung 11 einen Ausgang aufweist, der über eine Diode 12 mit einem Minimalwertgatter 13 verbunden ist. Der Ausgang der Temperatursteuerung 15 ist in ähnlicher Weise mit dem Minimalwertgatter 13 über eine Diode 14 verbunden, und die Drehzahlsteuerung 17, welche eine Beschleunigungssteuerung enthält, ist ebenfalls mit ihrem Ausgang mit dem Minimalwertgatter 13 über eine Diode 16 verbunden. Das Minimalwertgatter liefert einen Eingangsimpuls für die Verstärkungs- und Brennstoffsteuerscha'tung 19, wodurch die der Gasturbine (nicht näher dargestellt) zugeführte Brennstoffmenge gesteuert wird. Die Anfangsfunktion der Startsteuerung besteht darin, Brennstoff zurückzuhalten, während die Turbine auf

eine vorbestimmte Zünddrehzahl angedreht wird; bei diesem Punkt »^4« (Fig. T) liefert die Startsteuerung ein Signal, wodurch die Zündung des Brennstoffes veranlaßt wird. Unmittelbar bei Feststellung der Flamme wird die Brennstoffzufuhr für eine Warmlaufperiode automatische gedrosselt (Punkt B), wobei die Turbine allmählich auf Tempei atur gebracht wird, um einen thermischen Schock der Teile des Strömungsweges der heißen Gase zu vermeiden. Am Ende der Warmlaufperiode (Punkt C) veranlaßt die Startsteuerung eine Beschleunigungsperiode, wodurch bewirkt wird, daß die Brennstoffsteuerung die Brennstoffzufuhr für die Gasturbine erhöht. Hierdurch erhöht die Turbine ihre Drehzahl, wobei der zulässige Temperaturanstieg der Turbine gesteuert wird. Die Temperaturanstiegsgeschwindigkeit ist der Temperaturanstieg pro Zeiteinheit, der für die Turbine während der Perioden als sicher betrachtet wird, die dem Ende der Warmlaufzeit und der maximal zulässigen Turbinentemperatur folgen.

Da der Wirkungsgrad der Turbine sich mit der Temperatur verbessert, steigt die Drehzahl der Turbine schneller an als die Geschwindigkeit der Brennstoffzufuhr, so daß es Zeiten gibt, in denen die Turbinenregelung durch die Beschleunigungssteuerung geleitet wird, welche die Brennstoffzufuhr reduziert, wenn eine überhöhte Beschleunigung angezeigt wird. Die Turbinendrehzahl nimmt deshalb mit einer Geschwindigkeit zu, welche von der Beschleunigungssteuerung innerhalb der Grenzen der Temperaturanstiegsgeschwindigkeit zugelassen wird. Wenn die Betriebsdrehzahl erreicht ist, übernimmt die Drehzahlsteuerung die Verantwortung für den Lauf der Turbine. Im allgemeinen ist die Turbine mit einem Satz magnetischer Meßfühlereinheiten ausgerüstet, die auf der Welle befestigt sind und eine Pulsfolge mit einer Frequenz liefern, die der Drehzahl der Turbine proportional ist. Ein analoges Spannungssignal liefert das Bezugs- oder Sollwertsignal, gegen das das Signal des magnetischen Fühlers geprüft wird. Wenn das Sollwert-Signal mit dem Rückkopplungssignal übereinstimmt, mit anderen Worten, wenn die Resultierende der zwei Signale Null ist, läuft die Maschine mit 100% der Soll-Drehzahl.

Der dritte Hauptparameter bei der Regelung einer Gasturbine ist die Temperatursteuerung, welche den Zweck hat, die Brennstoffzufuhr beim Hochfahren so zu begrenzen, daß die Betriebstemperaturen der Gasturbine innerhalb sicherer Werte aufrechterhalten werden, wobei die Abgastemperatur als primäres Eingangssignal verwendet wird. Die Temperatursteuerung liefert ein Übersteuerungssignal, so daß die Temperatur der Abgase, z. B. mit nicht mehr als 5°/see ansteigt. Wenn die Brennstoffzufuhr dann eine Größe aufweist, bei der die Temperatur der Abgase diese Grenze überschreitet, so übersteuert die Temperatursteuerung alle anderen Funktionen der Turbinenregelung und verringert die Brennstoffzufuhr zur Turbine, damit die Temperaturanstiegsgeschwindigkeit wieder auf ihre vorbestimmte Größe gebracht wird.

Die graphische Darst lum^ in Fig. 2 zeigt, daß während der Warmlaufzeit, in der die Brennstoffzufuhr konstant bleibt, die Temperatur der Turbine entlang einer der drei als Beispiel gezeigten Kurven » E« bis » G« ansteigt. Die tatsächliche Kurve, welche von der Turbinentemperatur verfolgt wird, hängt beispielsweise von der Umgebungstemperatur, der Art

des von der Turbine verwendeten Gases oder der Art des Brennstoffes, der während des Startens der Turbine verwendet wird, und von anderen Gründen ab, die eine Veränderung des Temperaturanstiegs der Turbine während der Anlaufphase verursachen. So kann an heißen Tagen die Temperatur der Turbine einen durch die Kurve »G« dargestellten Verlauf nehmen, während an kalten Tagen die Kurve »£« maßgebend sein kann. Es soll angenommen werden, daß die Kurve » F« für den mittleren Temperaturanstieg der Turbine während der Warmlaufperiode maßgebend ist. Die Kurve endet nach einem bestimmten Zeitraum »C«, wonach eine Zunahme der Brennstoffzufuhr mit einer gesteuerten Geschwindig-

keit beginnt. Hierdurch ergibt sich ein Anstieg der Turbinendrehzahl, wodurch die Temperatur der Turbine um einen Betrag zunimmt, der dem durch die Kurve »//« dargestellten Wert entspricht. Die Steigung der Kurve »//« entspricht dem maximal zulässigen Temperaturanstieg der Turbine, welcher so bemessen ist, daß die Turbine in einer möglichst geringen Zeit hochgefahren wird, ohne daß die Temperaturgrenzen der Turbine überschritten werden. Beim Stand der Technik hat die Kurve » H« eine feste Lage, so daß, falls die Turbinentemperatur während des Warmlaufens z. B. der Kurve »£« folgt und zusätzlicher Brennstoff am Punkt » C« der Turbine zugeführt wird, der Temperaturanstieg nicht gesteuert ist, bis die Kurve die Grenzen schneidet, die durch die Kurve »//« festgelegt sind. Es ist daher durchaus möglich, daß die Geschwindigkeit des Temperaturanstiegs den Wert weit überschreitet, der durch die Steigung der Kurve »H« dargestellt ist, wodurch die den heißen Gasen ausgesetzten Teile der Turbine einer erhöhten

J5 Gefahr ausgesetzt sind.

Eine zweite Möglichkeit besteht darin, daß an heißen Tagen die Turbinentemperatur durch die Kurve » G« dargestellt wird und daß dann, wenn die Brennstoffzufuhr am Ende der Warmlaufperiode erhöht wird, die Brennstoffzufuhr am Punkt» C« erhöht wird, um einen Anstieg der Turbinendrehzahl zu erreichen. Wenn die Temperaturgrenzen wiederum durch die Kurve »H« festgelegt sind, muß der Brennstoff reduziert werden, da die Kurve »G« die durch die Kurve »//« festgelegten Grenzen überschreitet. Hierdurch können die Flammen verlöschen, da die Verringerung des Brennstoffs nach der Flammenabtastung am Punkt » B«. und welche durch die Kurve » ß« bis » C« dargestellt ist, die kleinstmögliche Brennstoffzufuhr

so wiedergibt, die zur Aufrechterhaltung der Flammen in der Turbine erforderlich ist. Um dies'es Problem zu lösen, werden bei bekannten Regelungsanordnungen die durch die Kurve »//« dargestellten Werte hoch genug festgesetzt, um den höchsten Temperaturen am Ende der Warmlaufperiode zu genügen. Hierdurch ergeben sich weitere Probleme, die den zuerst beschriebenen Zustand betreffen, da die Periode, in der keine Temperatursteuerung vorliegt, sich nunmehr vom kältesten Bereich, der durch die Kurve »£« dargestellt ist, bis zu Kurve »/« erstreckt, welche die Grenzen der Temperatur des heißesten Zustandes wiedergibt.

Gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die Grenzen der Temperatursteuerung durch diejenigen Temperaturen festgelegt, die am Ende der Warmlaufperiode bestehen. Wenn beispielsweise die Temperatur der Turbine während des Warmlaufens den Werten folgt, die durch die

Kurve »F« wiedergegeben werden, begrenzt die Temperatursteuerung während des gesteuerten Hochfahrens der Turbine die Temperaturanstiegsgeschwindigkeit auf Werte, die durch die Kurve »f/« festgelegt sind. In ähnlicher Weise wird dann, wenn die Temperatur der Turbine den Werten folgt, die durch die Kurve » E«. wiedergegeben sind, die Temperatur während des Hochfahrens auf jene Werte begrenzt, die durch die Kurve »7« dargestellt sind, und wenn die Temperaturen durch die Werte der Kurve »G« wiedergegeben werden, werden die Hochfahrtemperaturen auf jene Werte begrenzt, welche durch die Kurve »/« dargestellt sind.

Die zur Durchführung der oben beschriebenen Funktionen erforderliche elektrische Schaltung ist in Fig. 3 dargestellt. Ein Temperaturrückkopplungssignal 21 wird über einen Widerstand 23 einer Summierstelle 25 zugeleitet. Eine gemeinsame Sammelschiene 27 ist mit den Emittern der Transistoren 29 und 31 sowie mit dem inversen Eingang des Funktionsverstärkers 33 verbunden. Eine negative Sammelschiene 35 verbindet den Widerstand 37 und 39 mit der Basis des Transistors 29 und den veränderbaren Widerstand 41 mit der Summierstelle 25. Eine Eingangsverbindung » Z« (deren Funktion später beschrieben wird) ist mit den Kathoden der Dioden 43 und 45 verbunden. Die Anode der Diode 45 ist mit dem Widerstand 39 und über den Widerstand 47 mit dem Ausgang des Funktionsverstärkers 33 sowie mit der Kathode der Diode 45 verbunden. Die Anode der Diode 43 ist mit der Anode der Diode 49 und dem Widerstand 51 verbunden. Die Diode 49 liegt mit den Dioden 53 und 55 in Reihe, welche mit der Basis des Transistors 31 und dem Kollektor des Transistors 29 verknüpft sind. Der Kollektor des Transistors 29 ist mit dem Kondensator 57 und über den Widerstand 59 mit der positiven Sammelleitung 61 verbunden. Der Kollektor des Transistors 31 ist mit dem Kondensator 57 und über den Widerstand 63 und der Diode 65 mit der Summierstelle 25 verknüpft. Die positive Sammelleitung 61 ist über den Widerstand 67 mit dem Kondensator 57 und über den Widerstand 69 mit der Anode der Diode 45 verbunden. Die Anode der Diode 45 ist mit dem nicht näher dargestellten Minimalwertgatter verbunden. Das Minimalwertgatter as stellt ein Mittel dar, das derjenigen Schaltung (z. B. Temperatur, Start- oder Drehzahlsteuerung), welche die am wenigstens positive Ausgangsgröße besitzt, gestattet, die Regelung der Brennstoffzufuhr zur Turbine zu übernehmen. so

Die Schaltung arbeitet wie folgt:

Die das Rückkopplungssignal darstellende Spannung reicht von einem vorbestimmten positiven Wert, welcher die höchste Temperatur darstellt, bis zu einem vorbestimmten negativen Wert, welcher die niedrigste Temperatur wiedergibt. Es soll nun angenommen werden, daß die Turbine kalt und zum Starten bereit ist. Die Spannung des Rückkopplungssignals 21 ist negativ und wird der Summierstelle 25 über den Widerstand 23 zugeführt. Ein der Summierstelle 25 über einen verstellbaren Widerstand 41 zugeführtes negatives Temperaturbezugssignal hat einen Wert, welcher der maximal zulässigen Temperatur der Turbine entspricht. Nimmt man an, daß diese zwei Signale die einzigen der Summierstelle 25 zugeführten Signale sind, so bewirkt dies, daß der Funktionsverstärker 33 in seine positive Sättigung geht, und da die Regelung der Turbine durch einen Schaltkreis erfolgt, der die geringste positive Ausgangsspannung aufweist, ist die Temperatursteuerung zu diesem Zeitpunkt unwirksam. Wenn die Turbine gestartet wird und eine Flamme vorhanden ist, steigt die Temperatur, wie in Fig. 2 angegeben an und bewirkt, daß das Temperaturrückkopplungssignal zuerst weniger negativ und dann allmählich zunehmend positiv ist, bis ein Punkt erreicht ist, bei dem das Bezugssignal und das Rückkopplungssignal entgegengesetzt gleich sind. Dieser Zustand entsteht, wenn die Turbine ihre maximal zulässige Betriebstemperatur erreicht hat.

Wenn jedoch der Summierstelle 25 ein drittes Signal mit einer positiven Spannung zusätzlich, zum Temperaturrückkopplungssignal und zum negativen Temperaturbezugssignal entgegengesetzt zugeführt wird, so bedeutet der Punkt, bei dem ein Gleichgewicht vorliegt, eine geringere Temperatur, d. h. die maximal zulässige Temperatur wird auf einen Wert herabgedrückt, der durch die positive Spannung des dritten Signals, das der Summierstelle zugeführt wird, bestimmt wird.

Das gemäß der Erfindung zusätzlich zugeführte Unterdrückungssignal ist zwischen vorbestimmten Grenzen veränderbar und seine Größe ist auf einen Wert eingestellt, der der Turbinentemperatur während der Warmlaufperiode proportional ist und der anschließend gestattet, daß die Turbinentemperatur mit einer gesteuerten Geschwindigkeit auf die maximal zulässige Temperatur ansteigt, die durch den Widerstand 41 eingestellt ist.

Zum Zeitpunkt des Startens ist die Turbine also kalt und das Temperaturrückkopplungssignal 21 ist negativ. Ist das Temperaturbezugssignal ebenfalls negativ, befindet sich der Verstärker 33 in positiver Sättigung und - wie in dem voranstehenden Beispiel gezeigt - die Temperatursteuerung ist an der Regelung der Turbine nicht beteiligt. Das positive Ausgangssignal des Verstärkers 33 wird über die Widerstände 47, 39 und 37 der negativen Sammelschiene 35 zurückgeführt. Die Widerstände sind so ausgewählt, daß sie eine Spannungsteilerschaltung darstellen, welche bewirkt, daß der Transistor 29 unter diesen Bedingungen voll durchgeschaltet ist, d. h. seine Leitfähigkeit ist maximal. Bei voll durchgeschaltetem Transistor 29 fließt der Strom von der positiven Sammelschiene 61 über den Widerstand 51, den Dioden 49, 53 und 55 in den Kollektor des Transistors 29, der im durchgeschalteten Zustand die Basis des Transistors 31 direkt mit der gemeinsamen Sammelschiene 27 verbindet. Bei dieser Anordnung ist der Transistor 31 nicht leitend, wodurch bewirkt wird, daß ein Strom Von der positiven Sammelschiene «1 UuSr uic rriu5rstände 67 und 63 und über die Diode 65 in die Summierstelle 25 fließt, wodurch durch ein Unterdrükkungssignal gebildet wird, das einen Maximalwert hat. Da die Turbinentemperatur während der Startperiode ansteigt, ändert sich der Wert an der Summierstelle 25 aufgrund der Änderung des Temperaturrückkopplungssignals auf der Leitung 21, wodurch die A.usgangsspannung des Verstärkers 33 verändert wird, was wiederum die Ausgangsspannung des Spannungsteilers 37, 39 ändert und als Folge davon die Eingangsspannung zur Basis des Transistors 29. Dies hat zur Folge, daß der Transistor 29 gesperrt wird, wodurch der Transistor 31 durchgeschaltet wird. Wenn der Transistor 31 durchgeschaltet ist, wird ein bestimmter Strom in Abhängigkeit vom Leitfähigkeitszustand des Transistors 31 von der Summierstelle 25

über den Transistor 31 zur gemeinsamen Stromschiene 35 geleitet, wodurch das Eingangssignal zum Funktionsverstärker 33 und entsprechend sein Ausgangssignal geändert wird. Mit der geänderten Ausgangsspannung des Verstärkers 33 wird das Rückkopplungssignal zur Basis des Transistors 29 geändert, wodurch eine kontinuierliche Korrektur der LeitfähigkeitszuständederTransistoren29und 31 als Funktion der Temperatur der Turbine bewirkt wird. Die Ausgangsspannung folgt daher dem Temperaturanstieg der Turbine bis zum Ende der Warmlaufperiode. Am Ende der Warmlaufperiode zur Zeit C bewirkt ein zeitlich gesteuertes Signal, daß eine Nullspannung der Eingangsverbindung »Z« zugeführt wird, wodurch eine Nullspannung an die Basis des Transistors 29 gelangt, weiche den Durchschaltzustand beendet. Nunmehr fließt ein Strom durch den Widerstand 51 über die Diode 43 und Eingang » Z« zur gemeinsamen Sammelschiene 27, wodurch kein weiterer Strom zur Basis des Transistors 31 fließt. Der Transistor 31

bleibt jedoch durchgeschaltet, da noch Strom durch den Widerstand 59 zur Basis fließt. Wenn sich der Kondensator 57 nicht in dem Stromkreis befinden würde, wäre der Basisstrom durch den Widerstand 59

*' groß genug, um den Transistor 31 voll durchzuschalten, wodurch der positive Strom von der Summierstelle 25 augenblicklich weggeleitet wird. Unter dem Einfluß des Kondensators 57 jedoch und der vorbestimmten Beziehung von Kapazität und dem Wert

¹⁽¹ des Widerstandes 59 wird der Transistor 31 veranlaßt, seine Leitfähigkeit allmählich mit einem gleichförmigen Maß zu erhöhen. Dies bewirkt, daß der durch den Widerstand 67 fließende Strom abgeleitet wird und nicht mehr in die Summierstelle, sondern

π über den Transistor 31 zur gemeinsamen Verbindungsleitung 27 fließt, und zwar so lange, bis die gesamte Vorspannung weg ist und die Eingangsspannung zum Funktionsverstärker aus dem Temperaturbezugs- und dem Temperaturrückkopplungssignal be-

-¹» steht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Regelanordnung zum Hochfahren einer Gasturbinenanlage auf Betriebstemperatur mit einem Geber zur Erzeugung eines eine erste Polarität aufweisenden Sollwert-Signals, das der maximal zulässigen Abgastemperatur proportional ist, mit Fühlern zur Erzeugung eines Istwert-Signals, das der Abgastemperatur proportional ist und in einer Summierstelle mit dem Sollwert-Signal zu einem die Brennstoffzufuhr steuernden Signal zusammengefaßt wird, welches einen vorbestimmten zeitlichen Abgastemperaturanstieg bewirkt, dadurch ge kennzeichnet, daß der Summierstelle (25) zusätzlich über eine erste Schaltungsanordnung (67, 31, 63, 65) ein Unterdrückungssignal entgegengesetzter Polarität zugeführt wird, dessen »Größe sich während einer vorbestimmten Anwärmperiode (bis Pkt. C) umgekehrt proportional zur Abgastemperatur ändert, und daß danach (nach Pkt. C) eine zweite Schaltungsanordnung (31,59,57) die Größe des Unterdrückungssignals nach einer dem zeitlichen Abgastemperaturanstieg entsprechenden Zeitfunktion auf null senkt.

2. Regelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Unterdrückungssignal durch eine RC-Schaltung (57,59) veränderbar ist.

3. Regelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schalter (31) das Unterdrückungssignal auf null senkt.