DE2333028C2

DE2333028C2 - Entlastungsregelvorrichtung für eine geschlossene Gasturbinenanlage

Info

Publication number: DE2333028C2
Application number: DE19732333028
Authority: DE
Inventors: Hansulrich Riniken Frutschi (Schweiz)
Original assignee: Brown Boveri Sulzer Turbomaschinen AG
Current assignee: Brown Boveri Sulzer Turbomaschinen AG
Priority date: 1973-06-26
Filing date: 1973-06-26
Publication date: 1975-07-17
Also published as: DE2333028B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Entlastungsregelvorrichtung für eine geschlossene Gasturbinenanlage, die in einem endlosen Strömungsweg für das Arbeitsmittel nacheinander einen Verdichter, einen Erhitzer und eine Turbine aufweist, mit einer Entlastungsleitung, die von einer Stelle hohen Drucks des Strömungswegs zu einer Stelle niedrigeren Drucks des Strömungswegs führt und mindestens zwei bezüglich des Arbeitsmittels parallel zueinander geschaltete miteinander redundante Steuerventile aufweist.

Bei bekannten geschlossenen Gasturbinenanlagen wird zur Schnellentlastung eine im Normalbetrieb geschlossene Verdichterrückflußleitung verwendet. Bei Lastabwurf des angetriebenen Generators wird durch öffnen aer Verdichterrückflußleitung die erzeugte Leistung auf Null gebracht. Dies muß in so kurzer Zeit geschehen, daß die Drehzahl der Gasturbinenanlage die vorgegebene Überdrehzahl nicht übersteigt.

Weiter wird für die Schnellentlastung Redundanz verlangt, d. h. es sind mindestens zwei bezüglich des Arbeitsmittels parallel zueinander geschaltete Steuerventile in der Entlastungsleitung vorgesehen.

Wenn nun das zweite Steuerventil der Entlastungsleitung erst geöffnet wird, nachdem ein Versagen des ersten Regelventils festgestellt wurde, verzögert sich die Schnellentlastung sehr, öffnen aber, beispielsweise bei Ausfallen des Steueröldrucks, beide Steuerventile der Entlastungsleitung gleichzeitig, wird zwar die Schnellentlastung durch Verkürzung der zu ihr erforderlichen Zeit verbessert, es entsteht aber im Hochdruckteil der Gasturbinenanlage ein sehr rascher Druckabfall, was den Erhitzer gefährdet

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Entlastungsregelvorrichtung für eine geschlossene Gasturbinenanlage zu schaffen, welche gleichzeitig eine genügend schnelle Schnellentlastung erlaubt und ein genügend langsames Absinken des Drucks des Arbeitsmittels im Hochdruckteil sicherstellt.

Diese Aufgabe wird bei der eingangs geschilderten Entlastungsvorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in die Entlastungsleitung ein in Serie zu den parallel zueinander geschalteten Regelventilen geschalteter Mengenbegrenzer eingebaut ist.

Dieser Mengenbegrenzer kann durch eine Verengung der Entlastungsleitung gebildet werden. Vorteilhafterweise wird der Mengenbegrenzer als Venturidüse ausgebildet. Als Mengenbegrenzer kann aber auch eine in der Entlastungsleitung angeordnete Turbine dienen.

Weiter :st es von Vorteil, wenn mindestens zwei Regelkreise der zueinander parallel geschalteten Steuerventile jeweils eine voneinander verschiedene Charakteristik haben. Dabei können die Regelkreise voneinander verschiedene Proportionalbereiche aufweisen. Ebenso können die Integral- oder Differentialwerte der Regelkreise voneinander verschieden sein.

In der Zeichnung, an Hand welcher die Erfindung näher erläutert wird, sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes vereinfacht dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 ein Schema einer geschlossenen Gasturbinenanlage mit der erfindungsgemäßen Entlastungsregelvorrichtung und

F i g. 2 einen schematischen Schnitt durch eine abgeänderte cntlastungsvorrichtung.

Einander entsprechende Teile sind in den beiden Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Die in F i g. 1 gezeigte Gasturbinenanlage weist einen Verdichter 1, eine Turbine 2 und einen Stromerzeuger 3 auf, die auf einer gemeinsamen Welle 4 angeordnet sind. Die Turbine 2 erhält heißes Arbeitsmittel aus einem Erhitzer 5, nämlich aus einem Kernreaktor, und erzeugt die für den Antrieb des Stromerzeugers 3 und des Verdichters 1 erforderliche Leistung. Zur Vervollständigung des thermodynamischen Kreisprozesses ist eine Wärmesenke, d. h. ein Kühler 6 vorgesehen. Zur Verbesserung des Wirkungsgrades ist ein rekuperativer Wärmetauscher 7 vorhanden, welcher das vom Verdichter 1 zum Erhitzer 5 fließende Arbeitsmittel unter teilweiser Nutzung der Abwärme der Turbine 2 vorwärmt. Der Hochdruckteil des endlosen Strömungswegs ist mit 8, der Niederdruckteil des endlosen Strömungsweges mit 9 bezeichnet. Vom Hochdruckteil 8 des Strömungswegs führt eine Enllastungsleitung 10 zum Niederdruckteil 9 des Strömungswegs. Diese Entlastungsleitung ist hier eine an sich bekannte Verdichterrückflußleitung. In dieser Entlastungsleitung 10 liegen zwei bezüglich des Arbeitsmittels parallel zueinander geschaltete Steuerventile 11 und 12. Diese sind miteinander redundant, d. h. sowohl das Steuerventil U allein, als auch das Steuerventil 12 allein ist so groß, daß es für die Schnellentlastung ausreicht.

In die Entlastungsleitung 10 ist ein in Serie zu den

parallel zueinander geschalteten Steuerventilen 11 und i2 geschalteter Mengenbegrenzer 13 eingebaut Der Mengenbegrenzer 13 liegt beim Ausführur.gsbeispiel in Strömungsrichtung des Arbeitsmittels vor den beiden parallel zueinander geschalteten Steuerventilen 11 und S 12. Der Mengenbegrenzer könnte aber auch (in einem wieder vereinigten Leitungsstück der Entlastunpsleitung 10) hinter den Steuerventilen liegen.

Der Meng«?nbegrenzer 13 ist als Venturidüse ausgebildet und so dimensioniert, daß einerseits die Schnellentlastung der Gasturbinenanlage schnell genug und andererseits der Druckabfall im Hochdruckteil der Gasturbinenanlage langsam genug vor sich geht

Wie durch eine Wirkungslinie 14 angedeutet ist, hat das Steuerventil 11 einen getrennten Regelkreis mit einem eigenen Regler 15. Ebenso hat das Steuerventil 12, wie durch die Wirkungslinie 16 angedeutet ist, einen getrennten Regelkreis mit einem eigenen Regler 17. Die beiden Regler 15 und 17 sind als von der Welle 4 angetriebene Drehzahlregler ausgebildet.

Die beschriebene Entlastungsregulierung arbeitet folgendermaßen. Verliert der Stromerzeuger 3 aus irgendeinem Grund seine Last, so beginnt infolge des Leistungsübergewichts der Turbine 2 gegenüber dem Stromerzeuger 3 die Drehzahl der Welle 4 zu steigen. Um das Steigen zu begrenzen, beginnen die beiden Regler 15 und 17 ihre zugehörigen Steuerventile 11 bzw. 12 so weit zu öffnen, bis der durch den Verdichter 1 geförderte zusätzliche Massenstrom infolge der nun größeren Verdichterleistungsaufnahme wieder Leistungsgleichgewicht auf der Welle 4 herbeiführt.

Um dies zu erreichen, genügt es, wenn entweder beide Steuerventile zur Hälfte, oder aber eines von ihnen voll öffnet. Dabei ist einfache Redundanz der Entlastungssicherung vorhanden; der Mengenbegrenzer 13 verhindert dabei einen zu schnellen Druckabfall im Hochdruckteil, d. h. im Erhitzer 5, falls auf Grund einer Störung oder einer Instabilität in der Regeleinrichtung beide Steuerventile U und 12 ganz geöffnet werden. Der Mengenbegrenzer 13 ist so dimensioniert, daß in seinem engsten Querschnitt im Fall der halben Öffnung beider Steuerventile 11 und 12 bzw. im Fall der ganzen Öffnung eines der Steuerventile 11 oder 12 Schallgeschwindigkeit erreicht wird.

Um dabei stabile Regelungsverhältnisse zu erreichen, weist der Drehzahlregler 15 einen Proportiona'.bereich von 4% und der Drehzahlregler 17 einen Proportionalbereich von 6% auf. Das hat zur Folge, daß im ungestörten Fall, & h. wenn beide Regelkreise normal arbeiten, die Welle 4 nach erfolgtem Lastabwurf des Stromerzeugers 3 eine bleibende Überdrehzahl von weniger als 4% aufweist, da dann das Steuerventil 11 nur teilweise, jedoch mehr als zur Hälfte offen ist und der restliche Durchströmquerschnitt vom Steuerventil 12, dessen Drehzahlregler einen größeren Proportionalbereich aufweist, gebildet wird. Im Verbundbetrieb öffnen sich also die beiden Steuerventile 11 und 12 ungleich, was stabile Regelungsverhältnisse ergibt. Für den Fall aber, daß einer der beiden Regelkreise 11, 14, 15 bzw. 12,16,17 gestört ist, öffnet sich das Steuerventil des noch arbeitsfähigen Regelkreises voll, wobei dann die Drehzahlregelung einen Proportionalbereich von 4% oder von 6% aufweist.

Beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 ist neben der bereits geschilderten einfachen Redundanz eine zusätzliche Redundanz innerhalb der beiden Regelkreise vorhanden. Die Steuerventile 11 und 12 des Ausführungsbeispiels nach F i g. 1 sind hier durch je ein Paar von bezüglich des Arbeitsmittels zueinander parallelgeschalteten Steuerventilen H¹ und II² bzw. 12' und 12² ersetzt.

Weiter sind hier die Regler 15 und 17 als Drehzahlregler mit rotierendem Flüssigkeitsring ausgebildet. Diese sind über Übertragungskanäle 18 bzw. 19 mit der hydraulischen Verstärkung dienenden Steuerschiebern 20 bzw. 21 verbunden, welche das Steueröl für die Servomotoren der Steuerventile U¹ und II² bzw. 12¹ und 12² steuern. Mit 22 bzw. 23 sind Steuerölquellen bezeichnet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

t. Entlastungsvorrichtung für eine geschlossene Gasturbinenanlage, die in einem endlosen Strömungsweg für das Arbeitsmittel nacheinander einen Verdichter, einen Erhitzer und eine Turbine aufweist, mit einer Entlastungsleitung, die von einer Stelle hohen Drucks des Strömungswegs zu einer Stelle niedrigeren Drucks des Strömungswegs führt und mindestens zwei bezüglich des Arbeitsmittels parallel zueinander geschaltete, miteinander redundante Steuerventile aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß in die Entlastungsleitung (10) ein in Serie zu den parallel zueinander geschalteten Regelventilen (11,12) geschalteter Mengenbegrenzer (13) eingebaut ist.
2. Entlastungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mengenbegrenzer (13) durch eine Verengung der Entlastungsleitung (10) gebildet ist
3. Entlastungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Mengenbegrenzer (13) als Venturidüse ausgebildet ist
4. Entlastungsvorrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der Mengenbegrenzer als eine Turbine ausgebildet ist.
5. Entlastungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Regelkreise der zueinander parallelgeschalteten Steuerventile (11,12) jeweils eine voneinander verschiedene Charakteristik haben.
6. Entlastungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelkreise voneinander verschiedene Proportionalbereiche aufweisen.
7. Entlastungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelkreise voneinander verschiedene Integral- oder Differentialwerte aufweisen.