DE2225840C2 - Vorrichtung zum Verhüten von Überdrehzahl einer aus Kompressor und Gasturbine bestehenden, einen Dampferzeuger aufladenden Gruppe - Google Patents

Description

Ladegruppe in Verbindung stehenden Regler auf, der über einen Stellmotor auf das Einspritzventil einwirkt und zweckmäßig ein I-Olied enthält und dessen Ausgang hei abgesperrter Einspritzvorrichtung mit eint, in Additionspunkt verbunden ist, dem ein Sollwertsignal 5 für die Einspritzwassermenge zugeführt wird, wobei übe· einen von einem Lastmeßgerät betätigten Umschalter eine vom Additionspunkt zum Eingang des Reglers führende Verbindung besteht und wobei bei Laslabwurf über den Umschalter der Eingang des Reglers mil einem Additionspunkt verbunden ist, der mit dem Drehzahlmeßgerät der Ladegruppe verbunden ist und dem ein Sollwert für die Drehzahl zugeführt wird. Ist bei dieser Ausführungsform ein weiterer, vom Lastmeßgerät betätigter Umschalter vorge- '5 sehen, mit dem ein die Brennstoffzufuhr zum Dampferzeuger einstellendes Organ wahlweise mit einem Führungssignalgeher für die Brennstoffzufuhr hei Normalbctrieb und mil einem Signalgeber für die Brennstoffzufuhr bei Leerlauf r" τ Ladegruppe verbindbar ist, so is; es möglich, bei Lastabwurf die Drehzahl der Ladegruppe zunächst durch Beeinflussung der F.inspritzwassermenge und später durch Beeinflussung der Feuerinte:*silät so zu regeln, daß die Ladegruppe im Leerlauf weiterfährt.

Einige Aiisführungsbeispicle der Erfindung sind in der folgenden Beschreibung an Hand der Zeichnung erläutert. Es zeigt

Fig. 1 schematisch vereinfacht eine kombinierte Anlaue mit der erfindungsgemaßeii Vorrichtung,

F i g. 2 Übergangsfunktioiien der in der Gasturbine freiwerdenden Leistung bei Abstellen der Feuerung des Dampferzeugers und

Fig. 3 und 4 abgewandelte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Gemäß Fig. 1 ist eine Ladegruppe 1 vorgesehen, c'v aus einem Kompressor 16 und einer Gasturbine 11 besteht und einen elektrischen Generator 15 antreibt. Der Austritt des Kompressors 16 ist über eine Leitung 2 mit einem Brenner 3 verbunden, der in ei-11cm Dampferzeuger 5 angeordnet ist. Dem Brenner 3 wird über eine Leitung 4 Brennstoff zugeführt, dessen Menge mittels eines Ventils 12 einstellbar ist. Der Dampferzeuger 5 enthüll eine Verdampferheizflächc 6 und eine Überhitzerheizfläche 7, die über eine Leitung 23 mit einer Dampfturbine 24 verbunden ist, die einen elektrischen Generator 25 antreibt. An den Austritt der Dampfturbine 24 schließt sicli ein Kondensator 27 an, der über eine Kondensatpumpe 28 mit einem Speisewassergefäß 20 in Verbindung strht. Das Speisewassergefäß 20 ist über eine Speisewasserleilung 26 mit der Verdampfcrheizfläche 6 verbunden. In der Leitung 26 sind eine Speisepumpe 21 und ein Speisewasserregelvcntil 22 vorgesehen. Der Dampferzeuger 5 ist über eine Gasaustritisleitung 10 mit dem Eintritt der Gasturbine 11 verbunden; in der Leitung 10 ist eine Wassereinspritzvorrichtiing 32 angeordnet, die über eine Leitung 30 mit der Speisewasserleitung 26 verbunden ist. In der Leitung 30 ist ein die Einspritzwassermenge einstellendes Ventil 31 vorgesehen, das von einem Stellmotor 35 in Abhängigkeit von einem Verschwindsignal verstellt wird. Zur Erzeugung des Verschwindsignals ist ein Differentialglied 3ii vorgesehen, das einuangsseitig mit einem am Generator 15 angeschlossenen Strommcßgerät 37 und .iiisgangsscitig mit dem Stellmotor 35 verbunden ist.

Im Normalbetricb der Anlage wird die im Kompressor 16 verdichtete Luft über die Leitung 2 dem Dampferzeuger 5 zugeführt, in dem sie der Verbrennung des über die Leitung 4 zugeführten Brennstoffs dient. Ein Teil der dabei freiwerdenden Wärme wird auf das in den Heizflächen 6 und 7 strömende Arbeilsmittel übertragen, das als überhitzter Dampf der Dampfturbine 24 zugeführt und dann im Kondensator 27 niedergeschlagen wird. Die Rauchgase verlassen mit einer Temperatur von beispielsweise 700° C den Dampferzeuger 5 über die LeiEung 10 und werden in der Gasturbine 11 entspannt. Während dieses Betriebs findet keine Wassereinspritzung mittels der Vorrichtung 32 statt.

Bei Lastabwurf, d.h. plötzlichem Abschalten des Generators 15, wird, ausgehend vom Strommeßgeräl 37, im Differentialglied 36 ein Verschwindsignal erzeugt, das den Stellmotor 35 des Ventils 31 in dem Sinn betätigt, daß Wjsser aus der Leitung 30 in die Einspritzvorrichtung '¹J; gelangt, wo es fein verteilt in den den Dampferzeuger 5 verlassenden Gasstrom eingespritzt wird. Dieses Wasser nimmt dabei Wärm^ aus dem Gasstrom auf und verdampft, wobei das Gas abgekühlt wird, so daß die Leistung der Gasturbine 11 auf einen Wert absinkt, der praktisch gleich der vom Kompressor 16 aufgenommenen Leistung ist. Die Drehzahl der Ladegruppe 1 bleibt somit praktisch konstant. Mit dem Lastabwurf wird die Brennstoffzufuhr unterbrochen oder zumindest sprunghaft verringert.

Anstalt von der Leistung des Generators 15 kam das Einspritzen von Wasser auch von einer anderen mit der Leistung zusammenhängenden, physikalischen Größe aus erfolgen, z. B. von der Drehzahl de, Ladegruppe.

Gemäß Fig. 2 ist mit der Geraden N_k der Leistungsbedarf des Kompressors 16 und mit der Kurvenschar N_g die vom Gas in der Gasturbine 11 erzeugbare Leistung für den Fall angedeutet, daß in: Augenblick t das Feuer im Dampferzeuger auf 75, 50 25% oder auf Null zurückgenommen wird. Fällt irr Augenblick / wegen elektrischer Abschaltung dci Leistungsbezug durch den Generator 15 weg, so verbleibt — auch bei sofortiger Abschaltung des Feuer; - zunächst eine Leistungsdifferenz Δ TV, die ohne Anwendung geeigneter Gegenmaßnahmen die Ladegruppe 1 auf gefährliche Überdrehzahl bringer würde. Durch das Einspritzen von Wasser werden zusätzliche Verluste hervorgerufen, die den Leistung? Überschuß der Turbine 11 kompensieren. Wird dai Feuer im Augenblick / auf Null zurückgenommen, se muß eine solche Wassermenge eingespritzt werden daß uie Drehzahl der Ladegruppe die Nc ndrchzah nicht übersteigt; diese Wassermenge ents »rieht dci schraffierten Fläche in Fig. 2. Im Augenbli k J₁ hör dann die Wassereinspritzung auf und die Dr .hzahl dci Gruppe geht, die Nenndrehzahl untc ;chreit<'nd asymptotisch auf Null zurück. Soll nach c ;icm Lastab wurf die Ladegruppe 1 im Leerlauf ν eitcrgefahrer werden, so nimmt man bei Lastabv jrf das Feuei sprunghaft auf den entsprechenden ' oerlaufwert zu rück, :. B. auf W'e der Vollastbrennstoffmenge. Di< Drehzahl wird dann zunächst durch Beeinflussung dci Einsprilzwasscrmenge und später durch Beeinflus sung des Feuers geregelt.

Gemäß Fig. 3 ist das Strommeßgerät 37 mit vici Umschaltern 40, 41, <X2 und 43 in Wirkungsvcrbin dung, die hier alle in einer Stellung gezeichnet sind die sie bei Normalbetrieb der kombinierten Anlagt

innehaben. Der Umschalter 4« bewirkt in der gezeichneten Stellung, daß der Stellmotor 35 des Hinsprit/ventils31 ein Null-Signal erhält. sodaU das Ventil 31 geschlossen ist.

Durch den Umschalter 41 wird in der gezeichneten Stellung hcwirkt, da« ein Hilfsregclkrcis geschlossen ist. in dem in einem Additionspunk! 50 ein über eine Signalleitung 51 zugefiihrles Sollwertsignal mit dem Ausgangssignal eines 1-Rcglers 52 verglichen wird, 'wobei das aus diesem Vergleich resultierende Differcnzsignal über den Umschalter 41 auf den I-Regler 52 zurückgeführt wird. Der Ausgang des !-Reglers 52 ist außer mit dem Punkt 50 mit dem zweiten momentan freien Mingang des Umschalters 40 verbunden. Durch diesen Hilfsregelkrcis wird das Ausgangssignal des !-Reglers 52 gleich dem Sollwert in der Leitung 51 gemacht. Dieser Sollwert, der einstellbar sein kann, entspricht dem bei Lasiahwurf zunächst gewünschten Wert der einzuspritzenden Wassermenge. Am /weilen momentan freien Ausgang des I ^schalters 41 is! eine Sigiiiilicitung 77 angeschlossen, in der ein Signal ansteht, das der im Addilionspunkt 74 gebildeten Abweichung /wischen einem über eine Sigiuillciluug 76 zugtfiilsrlen Sollwert iur die Drehzahl der Ladegrtippe 1 und dem von einem Drehzahlmeßgerai 75 nbgcgcnencn Istwert der Drehzahl entspricht.

Durch den Umschalter 42 wird in der gzeichneten Stellung ein weiterer Hilfsregelkreis geschlossen, in dem in einem Addilionspunkt 60 ein über eine Signalleitung 61 /ugefiihrtes Sollwerlsignal mit dem Ausgangssignal eines I-Reglers 62 verglichen wird, wobei das aus dem Vergleich hervorgehende Differ en/signal über den Umschalter 42 auf den I-Regler 62 zurückgeführt wird. Der Sollwert in der Signalleitung 61 entspricht der bei Laslabwurf gewünschten anfänglichen Stellung ties in der Brennstoffleitung 4 angeordneten Ventils 12, das über einen Stellmotor 66 eingestellt wird. Der /weile, momentan freie Eingang des Umschalters 42 ist mit einer Signallcitung 83 verbunden, ip der ein Signal ansteh!. (Ins der im Additionspunkt 84 gebildeten Differenz /wischen dem Stellsignal des Stellmotors 35 und einem über eine Signalleitung 80 /!!geführten Sollwertsignal entspricht. Dieses SoII-w. erlsignal in der Leitung 80 einspricht einer sehr kleinen Öffnung des Linsprit/veriliK 31. die fur eine Feinregelung noch ausreicht.

Der Umschalter 43 fuhrt in dei gezeichneten Stel lungern auf an sich bekannte Art gebildetes, von einer beliebigen Stelle der kombinierten Anlage kommendes Führungssignal für die Brennstoffmenge über Sianalieiiungen 70 und 71 /um Stcllmolor 66 des Ventils 12.

Bei Lastabwurf werden die vier Umschalter 40 bis 43 vom Strommeßgeräi 37 umgelegt, wobei der Umschalter 40 den Ausgang des !-Reglers 52 mit dem Stellmotor 35 verbindet, so daß der Stellmotor 35 zunächst das Einspritzventil 31 entsprechend dem anfänglichen gewünschten Wert (Sollwert in Signnlleilung 51) der Hinspriizwasscrmcnge einstellt.

S Der Umschalter 41 verbinde! nach seiner Umlegung die Signalle ι lung 77 mil dem Eingang des I-Reglers 52. so d.iß diesel dann, nachdem ei dem Slellmolor 35 den anfänglichen Wert für die Wassereinsprit/ menge geliefert hat. die Drehzahl der Ladegtlippe

ίο dutch Andern der eingespritzten Wassermenge zu regeln beginnt.

Nach dem Umschalten des Umschalters 43 erhall der Stellmotor 66 an Stelle der über die Signallcituug 70 z.iigeführteii luhrungsgrnßc zuniichsl das Aus gangssignal des I-Reglers 62. das dem Sollwert in der Signalleilimg 61 entspricht.

Nach dem I 'nilegen des Umschalters 42 verbindet dieser die Signalleitung 83 mil dem Hingang des I-Reglers62,sodaß dieser dann, nachdem er dem Si el I-motor 66 den Sollwert für die anfängliche Stellung des Ventils 12 geliefeit hat, die Differenz zwischen dein Stellsignal des Stellmotors 35 und dem Sollwell signal in der Leitung 80 zugeführt erhält. Der I-Regleι 62 arbeiiei im Vergleich zum 1 Regler 52 sehr lang sam.

Die in (ig. .1 dargestellte Schalteranordnung hai den besonderen Voileil. daß bei Lastabwurf die Dieh/ahl der I.adegruppt 11 selbsttätig auf der Nenn drehzahl gehalten wird, wobei clei Brennsloffw brauch und dei Linspritzwassct verbrauch minimal sind. DcrGeneiaior k;>.nn spüler innerhalb kurzer /eil wieder an das Net/ »csch;;i!ict werden.

Um zn verhindern, daß bei Ausfall des General«- 15 der (ίιlippe I auch die Dampfturbine 24 wegen

Verkleinerung der Leuerleistimg des Brenners 3 ci".·- Lcistiingseinbuße erfahrt, ist gemäß Fig. 4 das d>e Umschalter 42 und 43 betätigende Signal über ■. 11 Und-Glied 45 geführi. dem der Betriebszustand il·^ Generators 25 /usäi/hch in dem Sinn aiifgcscliah'-i

+0 iM. daß die Um-chaher 42 und 43 nur umgelegt wi τ den. wenn auch am (ie-ieralor 25 die Last abgcwnrl· π wird. Fin weiterer Unterschied zur Vorrichtung g·. maß Fig. 3 besteht dirin. daß /wischen dem Ur..i Glied 45 und dem Umschalter 42 ein Verzögerung

organ 47 angeordnet ist, mittels dem der Umschali· ' 42 im Vergleich zum Umschalter 43 ver. igerl umgelegt wird. Die Vorrichtung nach Fig. 4 hat den Vo leil. daß zusätzliche Störungen vermieden werden können.

Es ist auch möglich, das Vcrzögcrungsorgan 47 in der Vorrichtung nach Fig. 4 wegzulassen und das Und-Glied 45 direkt mit dem Umschalter 42 zu verbinden. Es ist ferner möglich, bei der Vorrichtung nach Fi g. 3 in der zum Umschalter 42 führenden Sl·

gnalleitung ein Verzögerungsorgan vorzusehen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Verhüten von Überdrehzahl einer aus Kompressor und Gasturbine besiehenden, einen elektrischen Generator antreibenden und einen Dampfer/enger aufladenden Gruppe bei plötzlichem Lastabwurf, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung in der vom Dampferzeuger (5) zur Gasturbine (II) führenden Gasleitung (10) ein bei l.uMabwurf selbsttätig öffnendes Einspritzventil (31) für Wasser aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Einspritzventil (31) mit der Speiseleitung (26) des Damperzeugcrs (5) verbunden ist.

3. Verrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß sie ein mit einem l.astmeßgerat (37) der Ladegruppe (1) verbundene·. Differentialglicd (36) aufweist, das ube>· einen Stellmotor (35) auf das Einspritzventil (31) einwirkt.

4. Vorriehiuim nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen mit einem Dieh/ahlniei.lüeräl (75) der Ladegruppe (1) in Verbindung siehenden Regler aulweist, der über einen Stellmotor (35) auf das Einspritzventil (31) einwirkt.

■v \ ornv'niuiiL: nach Anspruch 4, dadurch nekennzeul -.1. daß iler Reeler ein I-(ilied enthalt und der Ausgang des Regler- bei abgesperrter !einspritzvorrichtung mit .incm Addiiionspunkt (50) verbunden ist. dem ein SolKvertsignal fur die [^:.inspn!zwassermcnge zuge.'iihrt wird, daß über einen von einem Laslmeßgcrat (37) betätigten Umschalter (41) eine vom Additionspunkt fäO) zum Eingang des Reglers führende Verbindung besteht und daß bei Lastabwurf über den Umschalter (41) der Eingang des Reglers mit einem Additionspunkt (74) verbunden ist, der mit dem Drehzahlmeßgerät (75) der Ladegt lippe (1) verbunden ist und dem ein Sollwert fiir die Drehzahl zugeführt wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß sie einen weiteren, vom Lastnicßgerät (37) betätigten Umschalter (43) aufweist, mit dem ein die Brennstoffzufuhr zum Dampferzeuger einstellendes Organ wahlweise mit einem Führungssignalgeber fur die Brennstoffzufuhr bei Normalbetrieb und mit einem Signalgeber für die Brennstoffzufuhr bei Leerlaufbetrieb der Ladegruppe verbindbar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen weiteren, vom Lastttoffzufuhr bei Leerlaufbetrieb der Ladegruppe Von der Einspritzwasscrmcngc beeinfluß;, ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalgeber für die Brennstoffzufuhr bei Leerlaufbetrieb der Ladegruppe ein Regler (62) ist, der die Einspritzwassermenge auf ein Minimum regelt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (62) verzögert einschaltbar ist.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Vor hüten von Überdrehzahl einer aus Kompressor um Gasturbine bestehenden, einen elektrischen Genera tor aulreibenden und einen Dampferzeuger aufladen den Gruppe bei plötzlichem Laslabwurf.

Bei kombinierten Anlagen mil aufgeladenen Dampferzeuger, für die die eingangs genannte Vor richtung bestimmt isi, bildet der Dampferzeuger einer Wärmespeicher, der im Fall eines plötzlichen Ab

Schaltens des elektrischen Generators noch geraurm Zeit heiße Gase abgibt, und zwar auch dann, wem die Feuerung sofor I abgestellt wird. Um im Fall eine: Lastabwurfs eine für die Ladegruppe gefährlicht Überdrehzahl zu vermeiden, war es bisher üblich, übe:

'5 eine über Dach führende Abblaslcilung, die bei Last abwurf geöffnet wird, das Gas ins Freie entweiche: zu lassen. Hierbei entsteht starker Lärm; außerden ist der Aufwand für die Abblasleitung und das darii angeordnete, schnell öffnende Ventil beträchtlich.

^Jn Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die ein

aangs genannte Vorrichtung so zu verbessern, da!.

Lärm vermieden und der Aufwand verringert wird Cielost wird diese Aufgabe erfindungsgemiiß da

durch, daß die Vorrichtung in der vom Dampferzeuger

²S zur Gasturbine führenden Gasleitung ein bei l.astah· wiirf selbsttätig olfnendes Einspritzventil fur W'assei aufweist. Durch das Einspritzen von Wasser in flussi ger Form wird dem zur Gasturbine strömenden Ga-Jne betrachtliche Wärmemenge entzogen, die /im ,Aufwarmen und Verdampfen des Wassers dient. Dadurch wird das Gas gekühlt und das gesamte, aus Ga- und Dampf bestehende Volumen verringert, so ein; die Drehzahl der Gasturbine - ohne gefährliche Überdrehzahl zu erreichen - ziemlich rasch sinkt. 1):

fur die Einspritzvorrichtung in der Dampftechmk üb liehe Einspritzventil!.· verwendet werden können, isi der Aufwand fur die erfindur>f,sgemäße Vorrichtung verhältnismäßig klein. Schließlich entsteht durch da> Wassereinspritzen kein Lärm.

i" Aus der schweizerischen Patentschrift 220 292 isi eine Ciasturbinenanlage ohne aufgeladenen Dampf erzeuger bekannt, bei der zur Erhöhung der Bereit schaft für plötzliche Lastaufnahmen den Treibgaser bei plötzlichen Bclastungszunahmcn zur Bcschleuni gung des Regelvorganges während dieses Vorganges Wasser oder Wasserdampf beigemischt wird. In ahnlicher Weise wird bei einer als Flugzeugtriebwerk dienenden Gasturbinenanlage (schweizerische Palen! schrift 320509) Wasser in den Treibgasstioir eingespritzt und gleichzeitig die Turbinendrehzahl erhöht, um die Turbincnleistung auf den Maximalwert zu erhöhen. Bei einer anderen Gasturbinenanlage ohne aufgeladenen Dampferzeuger (schweizerische Patentschrift 248 932) wird die Eintrittstemperatur

jj des Arbeitsmittels dc.r den Kompressor antreibende!' Gasturbine durch Ändern der Brennstoffmenge variiert, um die Drehzahl einer parallel geschalteter Nutzleistungsgasturbinc zu beeinflussen.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Er findung weist die Vorrichtung ein mit einem Lastmeßgerät verbundenes Differentialglied auf. Durch dieses Differentiated wird bei Lastabwurf ein Verschwindsignal erzeugt, so daß die Einspritzvorrichtung vorübergehend eine der vom Dampferzeuger an das Gas zuviel abgegebenen Warme entsprechende Wassermenge einspritzt.

Nach einer anderen Ausführungsform weist die Vorrichtung einen mit einem Drehzahlmeßgcrät de: