DE2222689A1

DE2222689A1 - Verfahren und Einrichtung zur Dampfinjektion in Gasturbinen mit Komponenten festgelegter Geometrie

Info

Publication number: DE2222689A1
Application number: DE19722222689
Authority: DE
Inventors: Day William H; Kydd Paul Harriman
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1971-05-12
Filing date: 1972-05-09
Publication date: 1972-11-16
Also published as: CA952603A; IT955371B; US3693347A; NL7206402A; FR2137698A1; GB1348358A

Description

Verfahren und Einrichtung zur Dampfinjektion in Gasturbinen mit Komponenten festgelegter Geometrie

Die Erfindung betrifft Verfahren und Einrichtungen zur Dampfinjektion in Gasturbinen mit Komponenten festgelegter Geometrie.

Die Injektion von Dampf in die Verbrennungskammer einer Gasturbine ist an sich bekannt und wird in den US-Patenten Nr. 2 678 531 und 3 353 360. beschrieben. Der Betrieb von Gasturbinen in der Betriebsart mit Dampfinjektion ergibt eine erhöhte Ausgangsleistung wegen des erhöhten Massenflusses durch die Turbine und wegen der größeren spezifischen Wärme des Arbeitsmittels der Turbine. Ebenso ergibt sich ein höherer Wirkungsgrad für den Zyklus, da dieser erhöhte Massenfluß erreicht wird ohne Aufwendung zusätzlicher Verdichterleistung und der Dampf für die Dampfinjektion unter Verwendung von Wärmeverlusten oder Abgaswärme erzeugt werden kann, welche auf andere Weise nicht wirksam ausgenutzt werden.

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Es v/erden Steuereinrichtungen, vorgesehen zur Aucnuti'un-j; der maximalen Dampf-".len^'e, -.volche unter ien verschiedensten Bebriobszus fc^;inlen beim Bebrieb von Gasturbinen mit Kompononfcen festgelegter Geometrie zugelassen werden kann. Ji-J folgenden wahlweise einsetsbaren Einrichtungon sind vorgesehen: eine Einrichtung zur automatischen Einhaltung eines konstanten Druckverh'·! cnisses fJr den Zyklus (Verdiehfcerausstoßüruck/Umgebun^ödruck) unter allen Umgebungsbedingungen, eino Temperaturmeßfühler-.^teuereinriOhbung zur autoina tischen Einstellung der Dampfinjektion bei Umgebung mit niedriger und hoher Temperatur zur Vermeidung von sichtbaren üauchschv/aden und zur Vermeidung von Säurekondensation oder eine kombinierte Meßfühler-oteuereinrichtung für Temperatur und Feuchtigkeit zur automatischen Optimierung der Dampfinjektion unter allen Verhältnissen der Umgebungstemperatur und der Umgebungsfeuchtigkeit ο

Ein besseres Verständnis der iufgaben, Gesichtspunkte und Vorteile der Erfindung ergibt sich aus der nachstehenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen im Zusammnhang mit den .Abbildungen.

Pig» 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausfi'ihrungsform von Einrichtungen gemäß der Erfindung zur automatischen Steuerung des Ausmaßes der Dampfinjektion, welche bei einer Gasturbine mit kontinuierlichem Strom und festgelegter Geometrie verwendet wird.

Pig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform des Steuerapannungsgenerators nach Fig. 1 einschließlich der Umgebungstemperatur als Steuerparameter.

Fig. 3 zeigt eine andere Abwandlung des Steuerspannungsgenerators naoh Fig. 1, welcher sowohl die Umgebungstemperatur als auch die Umgebungsfeuchtigkeit als Steuerparameter enthält.

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j j le Fig. 4 und 5 ergeben zusa.umen eine Darsteilung des Betriebsverhaltens der Gasturbinen, in welcher der ,vir« !cun^sgrad bezüglich der Ausgangsleistung und der W'ärmewirkungsgrad als Funktion der Umgebungstemperatur bei einer Heine von Turbineneinlaßtemperatüren dargestellt sind»

JTig* 6 ist eine schematir.clie Darstellung eines automatisch gesteuerten Systems fär die Dampfinjektion gemäß der Erfindung, bei dem zusätzlich zu der Dampfinjektionseinrichtung der Fig. 1 .Dampf auch aus der lärme des Kühlmittel-Stroms einer durch Flüssigkeit gekehlten i'urbine und von der Verkleidung der Brennkammer erzeugt wirdο

iig. 7 ist eine schematische Darstellung eines Systems, in dem der Dampf mit im wesentlichen festgelegter Geschwindigkeit erzeugt wird und ein Steuerspannungsgenerator genfiß der Erfindung zur Einstellung des Dampfeirilasses zum Brenner verwendet wird*

Obwohl die Dampfinjektion -in sich for Gasturbinen bereits verwendet worden ist, ist der Beseitigung der Probleme bisher keine Beachtung reschenkt worder:, welche bei der Verwendung von D'KpiinjeKfcion auftreten. Diese Probleme beinhalten die cjaissicn von sichtbar -n 4u':stoßschwaden bei niedrigen L^TK?rebun'"3temperatüren und ö-\q Auftreten vcn Schwe-.felsrurekoniensation in de;n System unter Bedingungen hoher Umgebungstemperatur und niedriger dehornstiintemperatur,, Die 3misoion von sichtbaren Schwaden and/o^ev Abgasen mit oüure üröpfchen sind nicht anneizmbar im Hinblick auf die steigende 3edeutunir bezüglich der Unv-'eltverschmutzung. Weiterhin muß die in dem Abgassystem der Gasturbine durch die Urzeugung von Schwefelsäure bewirkte Korrosion vermieden werden. Vom Standpunkt der Umweltverschmutzung iofc eine solche Steuerung der ilassengeschwindigkeit der Dampfinjektion in höchstem „laSe gewünscht, welche eine oekoloffisch zulässige Form des Abgases am Kanin gewährleistet« "Selbstverständlich wurde ,iedoch auch gefunden, -da? diese Steuer-

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möglichkeit den Betrieb von Gasturbinen bei Verwendung von Dampfinjektion noch weiter verbessern kann»

Untersuchungen im Zuge der Entwicklung der erfindungsgemäßen Einrichtung haben gezeigt, daß die Dampfinjektion die Emission von Stickoxyden dadurch vermindert, daß die Verbrennungsluft verdünnt und die maximale Flammentemperatur verringert wird. Die Verringerung der Flammentemperatur ist wichtig, da der größte Teil des Stickoxydes bei Temperaturen oberhalb etwa 1870⁰O (340O⁰F) erzeugt wird.

In dem Dampfinjektionsverfahren kann Dampf unter hohem Druck verwendet werden, um schweres Brennstofföl zu zerstäuben und die Kosten und den Leistungsverbrauch eines Zusatzverdichters für die Zerstäuberluft zu beseitigen. Die Zerstäubungsenergie für eine verbesserte Verbrennung ist praktisch unbeschränkt bei Verwendung von Dampf aus der Wärmerückgewinnung als zerstäubendes Mittel. Weitere Vorteile ergeben sich auch dadurch, daß bei Hochdruckdampf als zerstäubendes Mittel das -Problem der Bildung von Ablagerungen in der Turbine und in dem Boiler für die Wärmerückgewinnung vermindert wird. Weiterhin kann die Emission von Stickoxyden noch wirksamer vermindert werden durch Konzentration des Dampfstroms in der Primärzone des Brenners.

Bei den angeführten Untersuchungen wurde auch gefunden, daß zwar der Betrieb ohne sichtbare Schwaden für Grasturbinen bei Umgebungstemperatüren oberhalb etwa 24 0 (75 F) bei Benutzung sehr hoher Dampfströme möglich sein sollte,, Das Problem der Kondensation von Schwefelsäure in dem Kamin verbleibt jedoch, wodurch dieses nicht zulässige korrosive Kondensat in dem Ausstoßgas des Kamins vorhanden ist. Weiterhin ist die Erzeugung von sichtbaren Schwaden bei Umgebungstemperaturen unterhalb etwa 24⁰C (75⁰F) immer noch ein Problem. Diese beiden unangenehmen Zustände können beseitigt werden durch Anwendung mindestens einer der verschiedenen wahlweise einsetzbaren Betriebsarten gemäß der vorliegenden Erfindung,,

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Die Pig. 1 zeigt schematisch eine Gasturbine 10 mit Bauteilen festgelegter Geometrie, einem Kompressor oder Verdichter 11, einem Brenner 12 und einer Turbine 13. Die Gasturbine 10 ist mit Dampfinjektioneinrichtungen ausgestattet und mit Steuerung für diese gemäß der vorliegenden Erfindung.

Die Dampfinjektionseinrichtung umfaßt einen Dampfseparator 14 (dieser kann beispielsweise ein Separator vom "Trommeltyp" sein), eine Leitung 16 für ein Heißwasser-Dampf-Gemisch zum Separator 14» eine Leitung 17 zur Weiterleitung von Dampf aus dem Dampfseparator 14 zum Brenner 12, eine Leitung 18 zur Ableitung von flüssigem Wasser zur Speisewasserpumpe 19, eine Leitung 20 zur Leitung von Wasser zum Boiler 21, eine Einlaßwasserleitung 22 zum Nachfüllen von Wasser und eine mit Ventil ausgestattete Ablaßleitung 22. Ein Tank (flash tank) in Kombination mit Druckminderventil gemäß dem oben genannten US-Patent 3 353 360 kann anstelle des Dampfabseheideis 14 verwendet werden.

Während des Betriebes mit Dampfinjektion saugt der Verdichter 11 atmosphärische Luft ein und preßt sie unter einem beträchtlichen über Atmosphärendruck liegenden Druck in den Brenner 12₀ Der Brennstoff wird dem Brenner 12 über den Brennstoffeinlaß 24 zugeführt und der Dampf wird in dem Brenner 12 über die Leitung 17 injiziert. Sowohl die Hochdruckluft als auch der Dampf (oder geeignete Mischungen · dieser Stoffe) können zur Zerstäubung des Brennstoffs im Brenner 12 verwendet werden. Die Verbrennung des Brennstoffes im Brenner 12 erzeugt Heißgase, welche durch die Turbine 13 hindurchgehen. Dort erfolgt die Expansion der Heißgase mit entsprechender Erzeugung mechanischer Energie, von der ein Teil über die Welle 26 den Verdichter 11 antreibt und ein anderer Teil zum Antrieb eines Verbrauchers oder einer Last über die Welle 27 verfügbar ist.

Der Steuerspannungsgenerator 31 besteht aus der voreinge-

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stellten Spannungaquelle 32, dem Druckwandler 33 und der Komparator schaltung 34. Diese Einzelkomponenten sind 7/ie gezeigt elektrisch miteinander verbunden. Beim Betrieb führt die Spannungsquelle 32 kontinuierlich eine feste Vorspannung E₀ der !Comparators chal tung 34 zu und der Druckwandler 33 führt der Komparatorschaltung kontinuierlich die Spannung Ep zu. Dabei ist Ep die Spannung, welche proportional ist dem Ausstoßdruck des Verdichters, der dem Druckwandler 33 über die leitung 36 zugeführt wird. Die Komparatorachaltung 34 wird so eingestellt, daß bei einer Spannung Ep, welche einem Verdichterausstoßdruck gleich dem ausgewählten Betriebswert des Druckverhältnisses für den Zyklus gemäß der vorliegenden Beschreibung entspricht, die Vorspannung E_Q gerade kompensiert wird.

Im Falle einer Änderung des Ausstoßdruckes des Verdichters wird die Spannung Ep nicht gleich der Vorspannung Sq sein und dadurch wird eine Spannungsabweichung (Ep) erzeugte Diese wird notwendigenfalls verstärkt und der By-pass-Einheit 37 (mit einem mit Motor betriebenen Stellglied 37a) zugeführt, d.h. einem Dämpferstellglied (hergestellt von der General Eleotric Company, Instrument Department, Lynn, Mass.), Dadurch wird die Stellung des 3affels oder Prallbleches 37b verändert und daduroh die ^ldenge des Ausstoßgases, welche durch den Boiler 21 strömt, und zwar auf solche Weise, daß die Abweichung vermindert und dann beseitigt wird. Wenn daher die Spannung Ep zeitweilig größer ist al3 die Vorspannung E₀, wird eine negative Steuerspannung E™ erzeugt. Diese stellt das Stellglied 37a für den By-Pass so nach, daß die ^Menge des Ausstoßgases von der Turbine durch die Leitung 38, die By-Pass-Einheit 37_} die Leitung 38a und den Boiler 21 vermindert wird. Diese Änderung führt zu einer Verminderung der im Boiler 21 erzeugten und im Dampf separator 14 abgetrennten Dampfmenge und dadurch, zu einer Verminderung des Dampfeinlasses zum Brenner IP₀ Bei Auftreten der umgekehrten Situation (Ep ist kleiner als E₀)

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ergibt sich eine positive Steuerspannung E„. Das Stellglied 37a für den By-Pass wird so nachgestellt, daß die Abgasströmung durch den Boiler 21 vergrößert und die Menge des Abgases durch die Abgasleitung 39 und den Mischer 40 zum Kamin vermindert wird. Die auf diese Weise im Dampfstrom bewirkte Änderung wird die Steuerspannung E_E vermindern und beseitigen und das Druckverhältnis über dem Verdiöüiter 11 durch Änderung des Massenstroms bei festgelegter Temperatur durch die festgelegte Geometrie der Turbine. Gewünschtenfalls wird ein Teil des umgekehrten Dampfes am Kopfende des Brenners eingeführt und der restliche Dampf wird stromabwärts von dem Kopfende eingeleitete

Das Ventil 25 in der Dampfleitung 17 wird in konventioneller Weise gesteuert (wie durch Erfassung der Drehzahl der Welle 27), um starke Steigerungen oder Verringerungen der Belastung der Gasturbine zu kompensieren. Das Ventil 25 kann ein Ventil mit Drossel- oder Sperrwirkung oder ein By-Pass-Ventil sein.

Es gibt mindestens zwei Arten von Situationen, in denen die automatische Beseitigung von sichtbaren Abgasschwaden und von einer Korrosion des Abgassystems bei einer Turbineneinlaßtemperatur bewerkstelligt werden müssen, die kleiner ist als diejenige Temperatur, bei der dies automatisch durch eine Dampfinjektion bewirkt wird, welche ein konstantes Druckverhältnis aufrechterhält. In solchen Situationen wird die öteuerspannungsgenerator-Einrichtung 31 nicht eine den Anforderungen gerecht werdende Steuerung liefern. Es kann dann einer der beiden Steuerspannungsgeneratoren gemäß Pig. 2 und 3 verwendet werden, um eine solche Steuerung zu bewirken, daß die maximale Dampfmenge für maximale Ausgangsleistung und maximalenjthermischen Wirkungsgrad über dem vorgewählten Bereich von Umgebungstemperaturen erzeugt und injiziert wird. Beispiele für diese vorerwähnten Situationen sind folgende:

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a) Wenn es erwünscht ist, die Maschine mit einer Turbineneinlaßtemperatur unterhalb der maximalen Turbineneinlaßtemperatur zu betreiben (obwohl dieser Betrieb an sich möglich ist), um eine verminderte Ausgangsleistung zu erhalten, jedoch trotzdem mit maximalem Dampfstrom und Wirkungsgrad zu arbeiten.

b) Wenn die Kombination von Verdichter und Turbine so beschaffen ist, daß die Turbine nicht eine so hohe Einlaßtemperatur ertragen kann, wie es notwendig ist, um das maximale Druckverhältnis im vollen vorgewählten Bereich der Umgebungstemperaturen durch Dampfinjektion beizubehalten.

Die Einrichtung nach Pig. 2 liefert eine Spannung zur automatischen Steuerung der Dampferzeugung als Funktion der Umgebungstemperatur und die Einrichtung nach Fig. 3 liefert eine Spannung zur automatischen Steuerung der Dampferzeugung als Funktion der beiden Größen Umgebungstemperatur und relative Feuchtigkeit der Umgebung (RH)₀ Alle im Zusammenhang mit der hier offenbarten Steuereinrichtung gezeigten Einzelkomponenten sind handelsmäßg erhältliche Bauteile<,

Die Einrichtung 41 nach Fig. 2 kann im Austausch mit dem Steuerspannungsgenerator 31 nach Fig. 1 verwendet v/erden. Der Druckwandler 42 wird hydraulisch über die •'-'eitung 36 mit dem Verdichterauslaß verbunden. Die erzeugte Spannung Ep besitzt einen Wert proportional zum Ausstoßdruck des Verdichters und wird der Komparatorschaltung 43 wie vorstehend beschrieben zugeführt. Der Temperaturmeßfühler 44 (d.h„ ein Thermoelement oder ein Temperaturwandler, wie er unter der Typenbezeichnung GE/MAG-Type 550 von der General Electric Company, Instrument Department/Lynn,Mass_o hergestellt wird) ist bei oder in der Hähe des Verdichtereinlasses angeordnet und gibt eine Spannung E._p ab, welche die Verhältnisse der Umgebungstemperatur wiederspiegelt. Der Temperaturrneßfühler 44 ist elektrisch mit dem Funktionsgenerator 4 6 ver-

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bunden (beispielsweise dem Funktionsgenerator Typ GE/MAÖ-Type 566, wie er von der General Electric Gompany, Instrument Department, Lynn. Mass. hergestellt wird) und liefert an den Funktionsgenerator wie gezeigt die Spannung E_m. In dem Funktionsgenerator 46 (eingestellt für einen Zustand mit 100$ relativer Feuchtigkeit) wird eine Vorspannung E_Q als Funktion der Spannung Em erzeugt und spiegelt im Endergebnis die Auswirkung irgendeiner Umgebungstemperatur in dem vorgewählten Bereich bei 100$ relativer Feuchtigkeit (RH) wieder. Die Spannungen E_Q und Ep werden der Komparatorschaltung 43 in der gleichen Weise zugeführt wie oben im Zusammenhang mit der Komparatorschaltung 34 beschriebene Der Wert der gegebenenfalls vorliegenden Spannungsabweichung (Steuerspannung Eg) bestimmt die Einstellung der durch Motor betätigten By-Pass-Einheit 37 in. der gleichen Weise wie zuvor beschrieben.

Wenn sich daher die Umgebungstemperatur unter den Punkt verringert, an dem ein konstantes Druckverhältnis durch Dampfinjektion ohne sichtbare Schwaden aufrechterhalten werden kann, wird eine automatische Kompensation der Geschwindigkeit der Dampfinjektion erfolgen, da das elektrische Steuersignal Ep automatisch eine Beziehung zum gewählten Yerdichterausstoßdruck kompensiert für niedrige Umgebungstemperatur herstellen wird. Daher wird die Steuerspannung E_ß (über das Stellglied 37a für den By-Paas) die Geschwindigkeit der Dampfinjektion zum Brenner 12 in der erforderlichen Weise einstellen, um sichtbare 'jchwaden im Abgas zu vermeiden,, In gleicher V/eise wird bei einer Erhöhung der Umgebungstemperatur über den Punkt hinaus, an dem ein konstantes Druckverhältnis durch Dampfinjektion ohne Bildung von Säurekondensat im Abgas aufrechterhalten werden kann, die Steuerspannung E_E automatisch in richtiger Weise die Geschwindigkeit der Dampfinjektion zum Brenner 12 zur Beseitigung dieses Säurebildungszustandes einstellt. Diese Betriebsweise gestattet eine zufriedenstellende Arbeitsweise bei allen Werten der rela- ' tiven Feuchtigkeit der Umgebungsbedingungen, sie ^!tut dien

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jedoch auf Kos ben der Möglichkeit, mehr Dampf bei Feuchtigkeitswerten der Umgebung unterhalb lOOfo relative Feuchtigkeit zuzuführen.

Der Steuerspannungsgenerator 51 enthält einen Druckwandler 52, dessen elektrisches A usgangssignal (Spannung Bp) wie bereits beschrieben zur Komparatorschaltung 53 weitergeführt wird. Das elektrische Signal Ep wird dort mit den Vorspannungssignal E₀ verglichen, wobei diese Spannung E₀ in die automatische Steuerfunktion Faktoren zur Berichtigung der Parameter der Umgebungstemperatur und der Feuchtigkeit der Umgebung einführt» Bei oder in der Nähe des Verdichtereinlasses sind sowohl ein Temperaturmeßfühler als auch ein Feuchtigkeitsmeßfühler angeordnet und diese Meßfühler geben elektrische Signale E«, bzw. E_R„ ab. Beispielsweise kann als Feuchtigkeitsmeßfühler ein Meßfühler des "Oberflächenionenaustauschtyps" hergestellt von der Amlak Company of Essex, Conn, verwendet werden in einer Brückenschaltung mit Ihermistorkompensation von Temperatureffekten. Der Feuchtigkeitsmeßfühler 54 wird so eingestellt, daß bei 100$ relativer Feuchtigkeit die A us gangs spannung E^rr Null ist und bei der relativen Feuchtigkeit Null die Ausgangsspannung ^ERH Sleioh dem Einheitawert ist. Der Temperaturmeßfühler ist elektrisch mit den beiden Funktionsgeneratoren 56 und 57 verbunden. Der Funktionsgenerator 56 gibt eine Spannung E'q als irgendeine Funktion von Ε™ ab und damit als Funktion der Umgebungstemperatur bei 100?t relativer Feuchtigkeit. Der Funktionsgenerator 56 ist elektrisch verbunden mit einem Summierungspunkt 58, der seinerseits elektrisch mit der Komparatorschaltung 53 verbunden ist.

Das am Funktionsgenerator 57 aufgeprägte elektrische Signal Ε™ erzeugt die mit Δ Bq bezeichnende Spannung. Dieses elektrische Signal (die Spannung A Eq), spiegelt Jegliche erforderliche richtige Korrekturapannung für die tatsächliche Umgebungstemperatur bei einer relativen Feuchtigkeit von Null wieder« Doh,, sie deutet praktisch im Endeffekt

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die Geschwindigkeit der Dampfinjektion an, welche unter diesen Bedingungen verwendet werden solle Die Spannung A Eq wird gemäß der nachstehenden Beschreibung weiter abgewandelt in der Interpolationsschaltung 59, so daß sie die tatsächlich vom Feuchtigkeitsmeßfühler 54 erfaßte Feuchtigkeit der Umgebung wiederspiegelte Hierzu kann beispielsweise als Interpolationsschaltung ein Spannungomodifikator des Typs 564 B, hergestellt von der General Electric Company, Instrument Department, lynn, Mass., verwendet werden« Die am -Meßfühler 54 abgegebene Spannung Ε_βΗ spiegelt die tatsächliche Feuchtigkeit der Umgebung wieder und zeigt den Bruchteil der Spannung^ E_n an, der einen Teil der Vorspannung bilden kann, welche der Komparatorschaltung 53 zugeführt werden solle

Wie gezeigt werden beide Spannungen E_RH undA E_Q in die Interpolationsschaltung 59 eingespeist. Die Interpolationsschaltung 59 multipliziert elektrisch die Spannung Δ E₀ mit der Spannung E-njj und das Produkt (die Spannung E'_Q) spiegelt die Geschwindigkeit (Zuwachs) (Incremental) wieder, welche zulässig ist bei der Umgebungstemperatur und der relativen Feuchtigkeit gegenüber der zulässigen Geschwindigkeit der Dampfinjektion bei dem Zustand mit Umgebungstemperatur und relativer Feuchtigkeit von 100$. Die Interpolationsschaltung 59 ist elektrisch mit dem Summierungspunkt 58 verbunden, an dem die elektrischen Signale E'_Q für die Geschwindigkeit der Dampfinjektion für die Umgebungstemperatur bei 100$ relativer Feuchtigkeit und das oignalÄE'₀ für den Zuwachs der erhöhten Geschwindigkeit der Dampfinjektion für die relative Feuchtigkeit der Umgebung eingespeist werden. Im Summierungspunkt 58 werden die Signale E'q und £E'q addiert zur Erzeugung der resultierenden Vorspannung Eq, welche in die !Comparatorschaltuni: 53 eingespeist wird. Jegliches resultierende Fehlersignal E^, von der Komparatorschaltung 53 steuert die Einstellung des Stellgliedes 37a in der gleichen Weise wie zuvor beschrieben und ergibt damit automatisch eine optimale Arbeitsweise

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bei allen Umgebungstemperaturen im vorgewählton "Bereich und bei allen Werten der relativen Feuchtigkeit für die Umgebungο

Obwohl die in diesem Beispiel verwendeten Steuereinrichtungen elektrische Einrichtungen sind, erstreckt sich die Erfindung auch auf hydraulische, pneumatische und mechanische Einrichtungen, welche diesen elektrischen Einrichtungen analog sind. In jedem Falle ist es notwendig, ein 3ignal zu erzeugen, das in einer quantitativen Beziehung zum Druckverhältnis steht und eine Beziehung zwischen diesem Signal und einem Vorspannungssignal herzustellen. Das Vorspannungssignal kann entv^eder einen konstanten Y/ert haben oder es kann variabel sein entweder als funktion der Umgebungstemperatur allein oder als Funktion von der Temperatur und der Feuchtigkeit der Umgebung,

Jeder der drei wahlweisen 3teuerspannungsgeneratoren gemäß der vorstehenden Beschreibung kann verwendet werden zur Steuerung der Dampfinjektion für eine gegebene Gasturbine„ Die Wahl des zu verwendenden Cteuerspannungsgenerators wird bestimmt durch die Eigenschaften der fraglichen Gasturbine, den Bereich für Umgebungetemperatur und relativer Feuchtigkeit, in dem die Maschine arbeiten muß und davon, ob die Ausgangsleistung und der Wirkungsgrad bezüglich der relativen Feuchtigkeit optimiert werden sollen»

Die wichtigen Charakteristika der Gasturbine oind das Verdicht erdiagramm (Druckveriiältnis aufgezeichnet über dem Luftstrom bei verschiedener Drehzahl), welches die Grenze für den Stauzustand oder die Pulsation (stall oder pulsation) als eine Funktion der Drehzahl definiert, und der Düsenquerschnitt der ersten Turbinenstufe. Der ..'u.'/bin-sndüsenouerschnitt muß- groß genut. sein, so daß der Verdichter nicht durch Rückstau bei der maximalen Turbineneinlrißtcnperatur und dem Mindes-twert der Temperatur der Umgebung zun Stillstand kommt, wobei unter diesen Verhältnissen der Luft-

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s brom und das Druckverhältnis des Verdichters infolge der hohen Dichte der Binlißluft hoch sind» Daher kann bei höheren Umgebungstemperaturen ein zusätzlicher Massenstrom von der Turbine angenommen werden, ohne den Verdichter durch Hückstau zum Stillstand zu bringen»

Der erste Schritt bei der Auswahl eines Steuerspannungsgenerators entsprechend den vorbeschriebenen Wahlmöglichkeiten für eine gegebene G-asturbine besteht in der Wahl einer Turbineneinlaßtemperatür und eines DampfStroms _t welche bei dem durch die Konstruktion festgelegten Arbeitspunkt das erwünschte Gleichgewicht zwischen Ausgangsleistung und Wirkungsgrad liefern. Hohe Turbineneinlaßtemperaturen geben maximale Ausgangsleistung (Fig.4). Niedrigere Turbineneinlaßtemperaturen und höherer Dampfstrom erzeugen einen größeren thermischen Wirkungsgrad (I¹Xg. 5) bis herab zu dem Punkt, an dem die Abgastemperatur zu gering ist, um die erforderliche Dampfmenge zu erzeugen oder bei dem das Absinken der verfügbaren Energie infolge der verminderten !Eurbineneinlaßtemperatur nicht mehr wettgemacht wird durch die Steigerung der verfügbaren Energie aus der zulässigen Erhöhung des DampfZusatzes. Die oben erwähnte Kombination der Turbineneinlaßtemperatur und des Dampfstromes wird so gewählt, daß das Druckverhältnis auf den Maximalwert erhöht wird, den der Verdichter mit einem ausreichenden Sicherheitsfaktor gegen Stillstand durch Rückstau liefern kann.

Der nächste Schritt bei der Auswahl des Steuersystems besteht in der Untersuchung des Verhaltens oder der Arbeitsweise der Gasturbine in dem beabsichtigten Bereich der Umgebungstemperatur. Dabei besteht die Zielsetzung in der Aufrechterhaltung eines optimalen Verhaltens in einem möglichst weiten Bereich von anzutreffenden Umgebungsbedingungen. Dies wird am leichtesten dadurch bewerkstelligt,. daß die Turbi— neneinlüßtemperatur über die übliche Abgastemperaturmessung und das Brennstoffsteuersystem konstant gehalten wird und das Druckverhältnis konstant auf einem Maximalwert-^gehalten

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wird durch Steuerung der Geschwindigkeit der Dampfinjektion, Es kann sein, daß für die gegebenen Bauteile der Gasturbine und die Turbineneinlaßtemperatur der Betrieb mit konstantem Druckverhältnis im gesamten Bereich der erwarteten Umgebungstemperatur erzielt werden kann.

In diesem Falle ist der Steuerspannungsgenerator 31 ausreichend»

Wenn gefunden γ/ird, daß bei niedriger Umgebungstemperatur und lOOfo relativer Feuchtigkeit entweder der Feuchtigkeitsgehalt des Abgases zur Ausbildung von sichtbaren 3chv/aden führt oder daß bei hoher Umgebungstemperatur und 100$ relativer Feuchtigkeit infolge eines übermäßigen Dampfstromes und entsprechend niedriger Kamintemperatur eine Säurekondensation auftritt, dann wird es notwendig sein, den Dampfzustrom zum Brenner bei niedrigen Temperaturen, bei hohen Temperaturen oder in beiden Fällen zu begrenzen. Diese Begrenzung des Dampfstroms wird das Druckverhältnis und die

Leistung der Gasturbine bei extremen Umgebungsbedingungen vermindern und kann erreicht werden mit dem Steuerspannungsgenerator 41.

Wenn die Tatsache vorteilhafterweise ausgenutzt werden soll, daß eine geringe relative Feuchtigkeit der Umgebung die Neigung zur Erzeugung eines Abgasschwadena oder zur Kondensation im Kamin vermindert, dann kann man durch Verwendung des Steuerspannungsgeneratora 51 den 3ereich des maximalen DampfStroms und der Arbeitsweise unter Bedingungen geringer relativer Feuchtigkeit ausdehnen.

In allen Fällen ist es erwünscht, den maximalen Dampfstrom zu erhalten, der durch die Grenzen zugelassen wird, welche durch Bildung von Abgasschwaden, Stillstand des Verdichters durch Hückstau und Säurekondensation bei der gegebenen Turbineneinlaßtemperatur erzwungen werden. Höhere Turbineneinlaßtemperaturen erweitern den Bereich der Umgebungstemperatur, in dem ein Betrieb mit konstantem maximalen Druckver-

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hältnis möglich ist. Die Betriebsgrenzen für eine repräsentative Gasturbine bei verschiedenen Turbineneinlaßtemperaturen sind in den Pig. 4 und 5 dargestellt» Beispielsweise liegt beim Betrieb für jede der gezeigten Turbineneinlaßtemperaturen die Grenze für den Stillstand des Verdichters durch Rückstau zwischen den Buchstaben a, und b_. Die Grenze durch Abgasschwaden lie/rt auf der Seite des Buchstabens a für niedrige Umgebungstemperaturen und die Grenze für Säurekondensation liegt auf der Seite des Buchstabens Jd mit höherer Umgebungstemperatur Pur den Betrieb zwischen dem Buchstaben a und b ist das Druckverhältnis konstant. Dieses Diagramm veranschaulicht weiterhin die beträchtliche Änderung des thermischen Wirkungsgrades und der Ausgangsleistung zwischen dem Betrieb mit Dampfinjektion und dem Betrieb ohne' Dampfinjektion.

Die Erzeugung der für die Vorbereitung eines Arbeitsdiagramms für eine Turbine gemäß den Pig_o 4 und 5 zusammengenommen erforderlichen Daten erfordert einen beträchtlichen Aufwand an versuchsweisen Berechnungen und wird daher wirksamer er-. reicht durch Verwendung eines Rechners beispielsweise durch Zeit-Sharing. Die Entwicklung eines geeigneten Rechnerprogramms verwendet die folgenden Schritte:

a) Eine vorläufige V/ahl eines Bereichs von Turbineneinlaßtemperatüren, welche ein erwünschtes Gleichgewicht zwischen thermischem Wirkungsgrad und Ausgangsleistung für die Gasturbine liefern,

b) die Wahl eines Bereichs für die Betriebsdruckverhältnisse aus dem Verdichterdiagramm entlang der ^urve der Gasturbine für die Drehzahl 100$. Dabei ist das größte Druckverhältnis dasjenige Druckverhältnis, welches der Verdichter ohne Stillstand durch Rückstau liefern kann und das niedrigste Druckverhältnis das Druckverhältnis für den Zustand ohne Dampfinjektion bei niedrigster Umgebungstemperatur,

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c) die Auswahl eines Betriebsbereiches für die Umgebungstemperaturen,

d) die Berechnung des Bereiches für die Betriebswerte der Turbineneinlaßtemperaturen, welche verwendet werden sollen unter Zuhilfenahme der bekannten Beziehungen der Gaseigenschaften bei verschiedenen Temperaturen und verschiedenem Dampfgehalt und Turbinenwirkun.'Mgrad als Funktion des Druckverhältnisses der Turbineneinlaßtemperatur, des Dampfgehaltes und des Brennstoffanteils,

e) die Auswahl eines Bereiches fur die zu injizierende Dampfmenge, d.h., die Geschwindigkeit der Dampfinjektion in das Gas,

f) die Errechnung eines Diagramms des V/irkungsgrades der Turbine allein als funktion der Parameter in den drei ausgewählten Bereichen (Druckverhältnis, Turbineneinlaßtemperatur und Dampfinjektion),

r) Wahl irgendeines Wertes der Turbineneinlaßtemperatur aus dem errechneten Temperaturbereich,

h) Wahl einer Umgebungstemperatur und einer relativen Feuchtigkeit entweder mit den Werten Null oder 100?$,

i) Berechnung des Wirkungsgrades des Verdichters für die gewählten Umgebungsbedingungen zur Ermittlung des maximal vom Verdichter verfügbaren Druckverhältnioses,

j) Berechnung der Größe des Dampf- und BrennstoffZuflusses, welcher zur iSrzielung des maximalen Druckverh^ltnissGS bei der gewählten Turbineneinlaßtemperatur erforderlich ist,

k) Bestimmungen des Wirkungsgrades der Turbine selbst aus dem Betriebsdiagramm für die Turbine für die gewählte Turbineneinlaßtemperatur, maximales Druckverhältnio und Ga3 eigenschaften,

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l) Errechnung der üJurbinenabgastemperatur (unter Berücksichtigung der Effekte der Abkühlung und Verdünnung des Gasstromes) ,

m) Errechnung der' Kamintemperatur unter Berücksichtigung jeglicher Wärmeabgabe aus dem Abgas und aus dieser Kenntnis der Kamintemperatur Feststellung darüber, ob eine Kaminkorrosion (Säurekondensation) auftreten wird und

n) Feststellung darüber, ob unter den gewählten Betriebsbedingungen bei der gewählten umgebungstemperatur und relativen Feuchtigkeit ein sichtbarer Schwaden erzeugt werden wird, durch Errechnung der relativen Feuchtigkeit bei fortschreitender Verdünnung des aus dem Kamin austretenden Gases mit der Umgebungsluft.

Wenn festgestellt wird, daß entweder eine 8äurekondensati,on oder ein sichtbarer Schwaden auftreten würden, dann ist djie eingeführte Dampfmenge zu groß, ^n diesem Falle muß das Verfahren wiederholt werden unter Verwendung eines kleineren Dampfstroms und unter Berücksichtigung der Änderungen (kleineres Druckverhältnis), welche mit dieser verminderten Dampfinjektion einhergehen.

7/enn weder eine Säurekondensa.tion noch ein sichtbarer Schwaden auftreten, dann v/erden die vorgenannten Schritte unter Verwendung eines anderen Satzes von Umg ebungaTo θ dingung en v/iederholt. Herrn eine hinreichend große Zahl von Sätzen von Ungebungsbedingungen berücksichtigt worden sind, beispielsweise mit Temperaturschritten von etwa H⁰C (20 F), dann wird eine Kurve für den thermischen Wirkungsgrad und die Ausgangsleistung der Gasturbine gemäß der vorstehenden Beschreibung für die einzelne ausgewählte Turbineneinlaßteroperatur erzeugt. Danach wird das! Verfahren solange wiederholt, bis ein Diagramm für den thermischen Wirkungsgrad und die Ausgangsleistung der Gasturbine bezogen auf die Fig. 4 und 5 für verschiedene Turbineneinlaßtemperaturen, bei- · spielöweise mit Schritten von etwa 50⁰C (lOÖ⁰?) erhalten

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worden ist. Dieses Diagr iirnn gib b die Höglichkeit, wahlweise nach ',Tunsoh eine x'urbineneinläßtempera bur zur Optimierung der Kombination des thermischen .Yirkungsgrades und der Ausgangsleistung der Gasturbine in Übereinstimmung mit den Möglichkeiten der Maschine auszuwählen. Nach der Ermittlung dieses Diagramms kann die zuvor beschriebene Methode für die Ermittlung der verschiedenen '.Wahlmöglichkeiten durchgeführt werden. 'Venn eine Gasturbine vorliegt, die mit v/eniger als lQOfo der Drehzahl betrieben v/erden kann, dann kann ein Tachometer mit einem Ausgangssignal proportional der Drehzahl eingeführt werden, um die Drehzahl des Verdichters zu erfassen, und den Meßwert für das Druckverhältnis so nachzustellen, daß er die Drehzahländerungen wiederspiegelt. Bei einer bekanntenGasturbinenkonstruktion kann der gevr^:h-lte Bereich für die Umgebungstemperatur beispielsweise sehr klein sein und etwa 3O⁰G (6O⁰F) umfassen oder größer sein und mindestens etwa 60⁰G (11O⁰P) umfassen in Abhängigkeit von der gewählten Turbineneinlaßtemperatur. Je größer die Turbineneinlaßtemperatur ist, um so größer ist der verfügbare Bereich für die umgebungstemperatur. Beispielsweise kann bei einer Gasturbine des Typs M37000 der General Electric/bei der höchsten Turbineneinlaßtemperatur mit Reserve der verfügbare Bereich für die Umgebungstemperatur für den Betrieb von sichtbarenjchwaden oder Säurekondensation im Abgas, einen Umfang von etwa 62°G (HO⁰F) besitzen (von - 18⁰C bis etwa + 44°C) (von O⁰I' bis HO⁰F) bei einem absoluten Einlaßdruck von etwa 1 ata (14*17 psia) betragen.

Der unerwartete überraschende Aspekt dieser Erfindung besteht darin, daß nach der Durchfuhrung der zuvor erwähnten Bestimmungen die Geschwindigkeit (d.h. kg.Dampf pro Stunde) der Injektion des Dampfes der einzige verbleibende Steuerparameter ist, welcher notwendig iat, um gleichzeitig folgendes zu erreicheni

a) maximale Leistung und Wirkungsgrad, der von der Masohin· in dem gewählten Betriebsbereich für die Umgebungstemperaturen verfügbar iat,

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b) Freiheit von sichtbaren Schwaden,

c) Freiheit von Bildung einer S-Uurekondensation.«

Die Erfindung liefert daher wahlweise Einrichtungen zur, Erinöglichung einer Steuerung der Geschwindigkeit der Dampfinjektion. Diese Einrichtungen besitzen untereinander verschiedene Fähigkeiten, um das Ausmaß des Bereiches der Umgebungstemperatur zu berücksichtigen, wenn das Druckverhältfiis nicht konstant gehalten wird» In der einfachsten Anordnung (Steuersignalgenerator-iiinrichtung 3l) muß das gewählte Druckverhältnis konstant gehalten werden, und die Turbine wird bei der konstanten ausgewählten Turbinenein-,laßtemperatur betrieben.

Ein gesteigerter Wirkungsgrad kann erhalten werden durch Verwendung von überhitztem Dampf, wenn man in Kauf nimmt, daß die Geschwindigkeit der Erzeugung von Stickoxid geringfügig höher ist. 7/eitere Steigerungen in der spezifischen Ausgangsleistung und dem Wirkungsgrad können erhalten werden durch Erhöhung der Turbineneinl^tftemperatur» Dies wird möglich gemacht durch Verwendung einer Innenkühlung. In den US-Patenten 3 446 481 un-i 3 446 482 sind Anordnungen zur Flüssigkeitskühlung beschrieben. Die Innenkühlung führt selbstverständlich zu T/ärmeverlusten aus den Gasstrom» Durch Verwendung dieser verlorenen .'/arme zur Erzeugung von Dampf zur Injektion in die Gasturbine zusätzlich zu dem durch das Turbinenabgas erzeugten Dampf kann jedoch etwa 10/o der -"eistungsminderung infolge der Wärmeverluste wiedergewonnen werden.

Die flüssigkeitsgekühlten Turbinenteile wirken tatsächlich als eine Art Boiler in dem Kühlkreislauf. Das flüssige Kühlmittel kann entweder in einen vollständig geschlossenen Kreislauf umgeführt werden, oder im Falle von Wasser als Kühlmittel in einem offenen Kreis, aus däm der erzeugte Dampf abgezogen und durch nachgegebenes Wasser ersetzt werden kann«, Die erstere Anordnung besitzt den Vorteil,, den

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BAD OBrGiNAL

Gehalt an Verunreinigungen auf ein Mindestmaß zu bringen. Eine solche Anordnung ist in Pig. 6 abgebildet.

Die Gasturbine 60 umfaßt den Verdichter 61, den Brenner 62 und eine flüssigkeitsgekühlte Turbine 63. Zusätzlich zu der Dampfinjektioneinrichtung und Steuereinrichtung gemäß den Fig. 1 bis 3 werden das flüssige Kühlmittel für die Turbine 63 und das flüssige Kühlmittel für den Brenner 62 als Quellen für die Dampferzeugung verwendet. Die Geschwindigkeit der Dampferzeugung von diesen zusätzlichen Quellen ist festgelegt durch den erforderlichen Grad an Kühlung und ist im wesentlichen konstant. Obwohl die Geschwindigkeit der Dampferzeugung und der Dampfinjektion nicht der Steuereinrichtung für den abgaserzeugten Dampf unterliegt, stellt dies kein Problem dar. Der Grund hierfür liegt darin, daß die Turbineneinlaßtemperatur für eine flüssigkeitsgekiihlte Turbine genügend hoch eingestellt werden kann, um in auereichender Weise die maximale Geschwindigkeit der Dampferzeugung von dem FlüssigkuMmittel für die Turbine 63 und von der Kühlung der Auskleidung des Brenners 62 aufzunehmen ohne Bildung von sichtbaren Schwaden oder Säurekondensat.

Wie in der Anordnung nach Fig. 1 gezeigt, erhält der StrÖ— mungsbypass 64 Abgas von der Turbine 63 über die Leitung Das durch Motor betriebene Stellglied 64a erhält die Steuerspannung E„ von dem Steuerspannungsgenerator 67, der elektrisch angeschlossen ist, und stellt die Lage des Dämpfunge-

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teils 64b gemäß der Spannung E-, ,ein. Die Stellung des Dämpfungsteils 64b legt fest, welcher Anteil des Abgases durch die Bypass-Einheit 64 zum Boiler 68 über die Leitung 66a geht und welcher Anteil des Abgases durch die Bypass-Einheit 64 über die Leitung 71 zum Mischer 69 strömt. Als Steuerspannungsgenerator 67 kann irgendeine der wahlweise verwendbaren Generatoreinheiten 31, 41 oder 51 gemäß der vorstehenden Beschreibung verwendet werden.

Das von der Pumpe 72 durch die Leitung 73 im Kreislauf ge-

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führte Wasser geht durch die Brennerauskleidung 74, den Wärmeaustauscher 76 und den Boiler 68. Die Dampferzeugung kann im Wärmeaustauscher 76 und in der Auskleidung 74 stattfinden und wird stets stattfinden in dem Boiler 68 in Abhängigkeit von der Einstellung des Dämpfungsteils 64b» Das Dampf/Wasser-Gremisch geht von dort aus zum Dampfs eparat or 77» in dem Flüssigkeit und Dampf voneinander geschieden werden, wobei die Flüssigkeit über die leitung 78 zur Speisepumpe 72 fließt. Die mit Ventil ausgestattete Ablaßleitung 79 ist mit der leitung 78 verbunden und wird zur Entfernung von Verunreinigungsmaterial verwendet»

Der Dampf vom Dampfabscheider 77 geht über die leitung 81 zum Brenner 62. Das Ventil 82 in der Dampfleitung 81 wird in konventioneller Weise gesteuert zur Kompensation starker Steigerungen oder Minderungen der Belastung der Gasturbine. Der Brennstoff wird dem Brenner 62 über die Leitung zugeführt und verdichtete luft strömt vom Verdichter 61 zum Brenner 62 zur Verbrennung des Brennstoffes und Erzeugung von Heißgftsen, welche von dort aus zur flussigkeitsgekühlten Turbine 63 gehen.

Bei einer nichtgezeigten alternativen Konstruktion wird anstelle der Verwendung eines vollständig geschlossenen Kreises für das Kühlmittel der Turbine und die Durchführung des Wasserstroms in der leitung 72 durch den Wärmeaustauscher 74 der Turbinenkühlkreis zu einem Teil des Dampfinjektionskreises gemacht.

Gewünschtenfalls kann das Abgas der Turbine teilweise oder vollständig zur Erzeugung von Dampf mit einer im wesentlichen konstanten Geschwindigkeit verwendet werden. In diesem Falle wird die Einstelleinrichtung zwischen der Dampferiaagungseinrichtung und dem Brenner angeordnet, mit dem sie in Strömungsmittelverbindung steht. Die verschiedenen wählbaren Steuerspannungsgeneratoren gemäß der Erfindung werden dann verwendet, um den Zutritt von Dampf zu dem Brenner zu steu-

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ern. Der nicht in den Brenner 62 injizierte Dampf wird dabei für andere Verwendungszwecke abgezweigt, beispielsweise als Verfahrensdampf oder zur Raumheizung. Eine solche Anordnung ist in Fig. 7 gezeigt, in der die gleichen Elemente wie in Fig. 1 mit gleichen Bezugsziffern versehen sind. Der Strömungsmittelaufteiler 91 mit einem einstellbaren Baffle oder Prallblech ist zwischen den Abgasleitungen 38 und 38a angeschlossen. Das Prallblech ist in seiner Stellung so angebracht, daß die durch den Boiler 28 hindurchgehende Abgasmenge ausreicht, um den Dampf mit der maximal verwendbaren Geschwindigkeit zu erzeugen. Der Steuerspannungsgenerator 92 kann eine abgewandelte Version der wahlweise zur Verfügung stehenden G-eneratoren 31 » 41» 51 gemäß der vorstehenden Beschreibung sein und steuert den Zutritt von Dampf zum Brenner 12 durch Einstellung der Bypass-Einheit 93» in der das Prallblech 93b durch das Stellglied 93a mit Motor in seiner Lage eingestellt wird. Nicht verwendeter Dampf wird über eine Leitung 94 einer anderen Verwendung zugeführt. Wenn zuviel Dampf für die zusammengefaßten Anforderungen der Dampfinjektion und der anderweitigen Verwendung erzeugt wird, wird das Prallblech in dem Strömungsaufteiler 91 neu eingestellte

Die richtige Einstellung des Strömungsaufteilers 91 hängt daher von den Anforderungen für den Injektionsdampf und für die anderweitige Verwendung ab. Die ^enge des Dampfes, welcher über die Erfordernisse der Dampfinjektion hinaus erzeugt wird, beeinflußt die Kamingastemperatur. Wenn die Kamingastemperatür auf einen zu niedrigen Wert verringert wird, wird die Dampfmenge verringert, die bei niedrigen und hohen Umgebungstemperaturen ohne Bildung von sichtbaren Schwaden oder Säurekondensat injiziert werden kann. Daher sollte einfeteuersignal von dem Temp era türme Sf Linier 96 für das Kamingas verwendet werden, um ein zusätzliches ügnal für den Spannungsgenerator 92 zu erzeugen. Dieses trägt dann in der gleichen Weise zur Vorspannung E_Q bei, wie der Feuchtigkeitsmeßfühler 54 und die Interpolationsschaltung 59 bezüglich des Signals E₀ bei dem Steuerspannungsgenera-

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tor 51.

Bei einer anderen Ausführungsförm kann die Kamingastempera— tür gesteigert und zusätzlicher- Dampf erzeugt werden durch die Verwendung eines nicht-gezeigten Zusatzbrenners. Dieser ist dann zwischen dem Strömungsaufteiler 91 und dem Boiler 21 angeordnet.

Es können Verhältnisse auftreten, in denen es bevorzugt wird, eine Dampfquelle zu verwenden, welche eine andere Wärmeenergiequelle für die Umwandlung von Wasser in Dampf als das Turbinenabgas- oder die Kühlmittelströme verwendet. In solchen Fällen kann die Dampfquelle in Strömungsmittelverbindung mit dem Brenner gebracht werden, wobei ein Steuerspannungagenerator gemäß der Erfindung entweder zur Einstellung der Geschwindigkeit der Erzeugung der Wärmeenergie für die Dampferzeugungsfunktion (wie in den Pig. I und 6) oder zur Einstellung des Zutritts von Dampf zum Brenner (wie in Pig.7) verwendet werden kann. -

Durch Ausnutzung der erfindungagemäßen Anordnungen für die, automatische Steuerung der Dampfinjektion können beträchtliche Verbesserungen der Arbeitsweise in verschiedenstem Grade in konventionellen Gasturbinen mit Bauteilen festgelegter Geometrie als Ergebnis der optimierten Dampfinjektion erhalten werden, und zwar in Abhängigkeit davon, welche wahlweise Einrichtung ausgewählt wird.

Die Steuereinrichtungen gemäß der Erfindung können entweder in bereits vorhandene Anlagen oder in neue Anlagen eingefügt werde.n.

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Claims

Patentansprüche

Dampfinjektionseinrichtung für eine G-asturbinenkraftanlage, bei der die Turbine mechanisch zum Antrieb eines Verdichters verbunden ist, der Verdichter in Strömungsmittelverbindung mit der Turbine steht und ihr verdichtete luft zuführt, eine Dampfinjektionseinrichtung einschließlich einer Dampferzeugereinrichtung in Strömungsmittelverbindung mit dem Brenner steht und Dampf zur Zufuhr zum Brenner erzeugt, eine Einrichtung in Strömungsmittelverbindung mit dem Brenner -diesem Brennstoff zur Verbrennung mit der Luft und zur Erzeugung von Heißgasen zuführt, wobei der Brenner die erzeugten Heißgase der Turbine in Strömungsmittelverbindung zuführt und die Dampferzeugereinrichtung mit Einrichtungen zur automatischen Steuerung der Erzeugung oder des Zutritts von Dampf zum Brenner kombiniert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung umfaßt:

a) eine Einrichtung ( 31,41,51) in Strömungsmittelverbindung mit dem Verdichter (11) zur Erzeugung eines Steuersignals und

b) eine Einrichtung (37)(37a), die mit der Stauersignalerzeugereinrichtung (31,41,51) verbunden ist, und auf dieses Steuersignal zur Einstellung der Geschwindigkeit der Wärmeenergiezufuhr zur Dampferzeugereinrichtung (21) anspricht.

2. Dampfinjektionseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampferzeugereihrichtung in Strömungsmittelverbindung mit dem Abgassystem der Turbine (I3) steht und die Einstelleinrichtung (37, 37a) die Strömung von -ibg-is zu ihr bestimmt.

3ο Dampfinjektioneinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die

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Dampferzeugereinrichtung einen ersten Dampferzeuger in Strömungsmittelverbindung mit dem Abgassystem der Turbine und einen zweiten Dampferzeuger in Reihe mit dem ersten Dampferzeuger umfaßt, wobei der Zutritt von Abgas nur zu dem ersten Dampferzeuger durch die Einstelleinrichtung einstellbar ist.

4. Dampfinjektioneinrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine eine !Flüssigkeitskühlung aufweist und die zweite Dampferzeugungseinrichtung in Wärmeaustauschverbindung mit dem Kühlkreis der Turbine steht«

Dampfinjektionseinrichtung" nach Anspruch 1 oder 4 , dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (31,41,51) zur Erzeugung eines Steuersignals umfaßt:

(a) elektrische Signalkomparatoreinrichtung (34,43,53) mit erstem und zweitem Eingang und einem Ausgang, wobei der Ausgang elektrisch mit der Einstelleinrichtung (37, 37a) verbunden ist,

(b) eine mit dem ersten Eingang der Komparatoreinrichtung (34,43,53) elektrisch verbundene und ir^Strömungsmittelverbindung mit dem Ausstoßdruck des Verdichters (11) stehende Einrichtung (33)(42) zur Erzeugung eines Drucksignals (E_p) als quantitative Funktion des Druckes und

(c) eine mit dem zweiten Eingang der Komparatoreinrichtung elektrisch verbundene Einrichtung zur Zuführung eines Vorspannungssignals, wobei durch die Komparatoreinriohtung ein Steuersignal zur Einstelleinrichtung über den Ausgang zuführbar ist, wenn die Beziehung zwischen dem Vorspannungssignal und dem Drucksignal von einem vorgegebenen Wert abweicht.

6. Dampfinjektionseinrichtung nach Anspruch 5, d a -

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duroh gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Zuführung eines Vorspannungssignals eine feste Spannungsquelle (32) ist.

7. Dampfinjektionseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Zuführung eines Vorspannungssignals einen Spannungsgenerator (46) und einen Temperaturmeßfühler (44) enthält, dessen elektrisches Ausgangssignal in quantitativer Beziehung zur erfaßten Temperatur steht, wobei der Temperaturmeßfühler benachbart zum Einlaß des Verdichters (11) angeordnet ist und elektrisch mit dem Spannungsgenerator verbunden ist, wobei dieser Spannungsgenerator elektrisch mit dem zweiten Eingang des Komparators (43) verbunden ist und das durch ihn erzeugte Vorspannungssignal in quantitativer Beziehung zu dem Signal von dem Temperaturmeßfühler steht.

8. Dampfinjektionseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Zuführung eines Vorspannungssignals einen Temperaturmeßfühler (55) mit einem elektrischen Ausgangasignal enthält, das in quantitativer Beziehung zur erfaßten Temperatur ist, der erste und ein zweiter Spannungsgenerator (56, 57) elektrisch an ihren jeweiligen Eingängen mit dem Temperaturmeßfühler (55) verbunden sind, ein Feuchtigkeitsmeßfühler (54) mit einem elektrischen Ausgangssignal mit quantitativer Beziehung zur erfaßten relativen Feuchtigkeit vorhanden ist, ein Spannungsmultiplikator (59) mit getrennten Singingen, die elektrisch mit den Ausgängen des zweiten Spannungsgenerators und des Feuchtigkeitsmeßfühlers (54) verbunden sind, wobei die Ausgänge des ersten Spannungsgenerators und de» Spannungsmultiplikators elektrisch mit einem Summierungspunkt (58) verbunden sind und der Vorspannungssigna laus gang des Summierungspunktes elektrisch

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mit der Kompa-ratoreinrichtung (53) verbunden ist und
der Temperaturmeßfühler (55) und der Feuchtigkeitsmeßfühler (54) benachbart zum Einlaß des Verdichters (11) angeordnet sind.

9. Dampfinjektionseinrichtung nach Anspruch 5 > d a .durch gekennzeichnet, daß die
Einrichtung zur Erfassung und Erzeugung eines Drucksignals ein Druckwandler ist.

10. Dampf ing ektionseinrichtung nach Anspruch 1 oder 4 _t
dadurch gekennzeichnet, daß die Einstelleinrichtung ein Strömungsmittelby-pass mit einem Stellglied mit Antrieb ist, wobei der Strömungsmitteibypass in Strömungsmittelverbindung mit der Dampferzeugereinrichtung ist.

11. Dampfinjektionseinrichtung nach Anspruch 2 oder 4 »
daaurch gekennzeichnet, daß die Einstelleinrichtung ein Strömungsmittelbypass mit
Stellglied mit Antrieb ist, wobei der Strömungsmittelbypass in Strömungsmittalverbindung mit dem Auslaß der Turbine s^eht und die Dampferzeugereinrichtung und eine Mischeinrichtung stromabwärts in dem Turbinenabgassystem angeordnet sind.

12. Dairpfinjektions einrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Steuersignalerzeugereinrichtung verbundene Einrich-

• tung eine Einrichtung zur Einstellung des Zutritts von Dampf zum Brenner besitzt, welche in Strömungsmibtelverbiniun·/ mit ier Dampfinjektion!?einrichtung und mit dem Brenner steht und automatisch auf das Steuersignal ansprechbar ist.

15. Verfahran zur Dampfinjektion bein Betrieb einer Sasturbinenkraftanlars mit den 7erfi.hr ausschritten der -3r-

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zeugung von D-impf aus flüssigem 7/asser, der Verdichtung atmosphärischer Luit auf Jberatmosphärendruck,

der Weiterleitung der verdichteten Luft zu einer Verbrennungszone, in der Brennstoff eingeführt wird und eine kontinuierliche Verbrennung erfolgt, Weiterleitung des erzeugten Dampfes in die Verbrennun,^r-:szone,der kontinuierlichen Abgabe von Heißgason aus der Verbrennungszone durch eine Expansionszone, in der eine wesentlich größere Menge mechanischer Energie entnommen wird, als der in der Verdichterstufe absorbierten mechanischen Energie entspricht, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

automatische Steuerung des Dampfstroms zur Verbrennungszone mit Hilfe eines Steuersignals, das aus der Wechselbeziehung eines Vorspannungssignals und eines in quantitativer Beziehung zum Druckverhältnis stehenden Signals abgeleitet wird,

14· Verfahren zum Betrieb einer Gasturbinenkraftanlage nach Anspruch 13> dadurch gekennzeichnet, daß als Vorspannungssignal ein Signal konstanter Spannung zugeführt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch geke nnzeichnet, daß ein Vorspannungssignal zugeführt wird, das in quantitativer Beziehung zur Umgebungstemperatur steht.

16ο Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , daß ein Vorspannungssignal zugeführt wird, das in quantitativer Beziehung sowohl zur Umgebungstemperatur als -wich zur Umgebungsfeuchtigkeit ist.

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