DE2403344B2 - Vorrichtung zur drehzahlregelung einer gasturbinenanlage mit geschlossenem arbeitsmittelkreislauf - Google Patents

Description

regenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur hzahlregelung einer Gasturbinenanlage mit geossenem Arbeitsmittelkreislauf, mit Meßfühlern den Hochdruck und Niederdruck im Arbeitsmitreislauf und für die Soll- und Istdrehzahl und mit einem von diesen Fühlern gesteuerten, auf wenigstens ein Bypassventil im Arbeitsmittelkreislauf einwirkenden Regler, der eine das Differenzsignal zwischen Drehzahlist- und -soiiwert verarbeitende Einrichtung, eine weitere das Hochdruck- und/oder das Niederdrucksignal im Arbeitsmittelkreislauf verarbeitende Einrichtung, ferner eine die Ausgangssignale beider Einrichtungen aufnehmende Vergleichs- bzw. Summationseinrichtung sowie eine deren Ausgangssignal in eine Stellbewegung des oder der Bypassventile umwandelnde Einrichtung enthält.

Derartige Vorrichtungen sind bekannt. Bei solchen Gasturbinenanlagen kann das Drehzahlregelverhalten verbessert werden, indem man dem Regler ein Hoch- und ein Niederdrucksignal aus dem Gasturbinenkreislauf als Hilfsregelgrößen aufschaltet. Von dieser Möglichkeit wird bei den bisher ausgeführten Anlagen in der Weise Gebrauch gemacht, daß man in einer vor dem Regler liegenden Summationsstelle das Drehzahl-Istsignal, das Drehzahl-Sollsignal und die Drucksignale zusammenfaßt und das daraus resultierende Signal einem Regler zuführt, der im wesentlichen proportional-integrales Verhalten (PI-Regler) hat und dessen Ausgang auf ein Bypassventil als Stellglied wirkt (sieLe: B amme rt, K. and Krey, G., »Dynamic behavior and control of single-shaft closedcycle gas turbines« (Dynamisches Verhalten und Regelung von einwelligen geschlossenen Gasturbinen), Journal of Engineering for Power, Transactions of the ASME, October 1971, pp. 447 to 453).

Bekanntlich ändert ein PI-Regler seine Ausgangsgröße so lange, bis das Reglereingangssignal verschwindet. Setzt sich das Reglereingangssignal aus mehreren Signalen zusammen, so wird ein stationärer Gleichgewichtszustand (Beharrungszustand) erst dann erreicht, wenn die Summe aller Reglereingangsgrößen daueind verschwindet. Bei einer geschlossenen Gasturbine, deren Leistung über Bypässe geregelt wird, hat eine Leistungsänderung stets eine bleibende Änderung des Hoch- und des Niederdrucks zur Folge. Schaltet man die Signale dieser Drücke einem Regler auf, so ergeben sich nach einer Leistungsänderung dementsprechend bleibende Reglereingangssignale. Bei der beschriebenen Schaltung der Drehzahl- und Drucksignale kann deshalb im Beharrungszustand die resultierende Reglereingangsgröße nur dann verschwinden, wenn die Drucksignale durch ein Drehzahlsignal entsprechender Größe aufgehoben werden. Die vorstehend als bekannt beschriebene Drehzahlregelung hat darum den Nachteil, daß mit einer Laständerung stets auch eine bleibende Abweichung der Drehzahl von ihrem Sollwert verbunden ist. Dies hat zur Folge, daß man bei den bisherigen geschlossenen Gasturbinen den Drehzahlsollwert von Hand so lange verstellen mußte, bis die Solldrehzahl wieder erreicht war. Es war somit die Aufgabe, eine Vorrichtung zu schaffen, durch welche die genannten Nachteile vermieden werden, so daß als Endergebnis die Drehzahl wieder auf ihren Sollwert eingeregelt ist.

Es wurde nun gefunden, daß man eine solche Vorrichtung dadurch schaffen kann, daß die eine Stellbewegung des oder der Bypassventile hervorbringende Einrichtung ein P-Regler ist und daß die das Hochdruck- und Niederdrucksignal aufnehmende Vergleichs- bzw. Summationseinrichtung an ihrem zweiten Eingang über eine Signalflußleitung das in einem einen Integrator aufweisenden Reglerteil verarbeitete, diesem über eine Signalflußleitung von einer

Verpleichsstelle zugeführte Differenzsig-.ial zwischen Drehzahlist- und Drehzahlsollwert empfängt, wobei dieser das Drehzahlistwert-Signal von einem Fühler über eine Signalflußleitung und das Drehzahisoiiwertsignal über eine Signalflußleitung zugeführt werden.

Eine Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, daß die das Hochdruck- und Niederdrucksignal verarbeitende Einrichtung drei Verstärker bzw. Potentiometei und eine Vergleichsstelle enthält, wobei dem Eingang des ersten Verstärkers bzw. Potentiometers über eine Signalflußleitung das Arbeitsmittelkreislauf-Niederdrucksignal, dem Eingang des zweiten Verstärkers bzw. Potentiometers über eine andere Signalflußleitung das Arbeitsmittelkreislauf-Hochdrucksignal zugeführt und die Vergleichsstelle durch weitere Signalflußleitungen mit den Ausgängen der Verstärker bzw. Potentiometer und über eine SignalfluiMeitung mit dem Eingang des dritten Verstärkers bzw. Potentiometers verbunden ist.

In diesem Zusammenhang ist es noch vorteilhaft, daß die Drucksignale verarbeitende Einrichtung nur einen Verstärker bzw. Potentiometer enthält, dem entweder das Arbeitsmittelkreislauf-Niederdrucksignal über eine Signalflußleitung oder das Arbeitsmittelkreislauf-Hochdrucksignal über eine Signalflußleitung direkt zugeführt wird.

Die Figuren erläutern den Gegenstand der Anmeldung in einer beispielsweisen Ausführung und zeigen zugleich den Ausgangsstand der Technik auf, um die Fortschrittlichkeit der neuen Vorrichtung aufzuzeigen. Es zeigt

Fig. 1 schematisch allgemein eine Gasturbinenanlage,

Fig. 2 den erfindungsgemäßen Regler im Prinzip, Fig. 3 einen Regler nach dem Stand der Technik,

Fig. 4 eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Reglers.

Fig. 5 einen Vergleich der Drehzahlregelung zwischen dem Stand der Technik und der Erfindung.

In Fig. 1 ist eine Gasturbinenanlage mit geschlossenem Kreislauf in schematischer Darstellung gezeigt. Das Arbeitsmittel (z. B. Luft, Helium, CO₂) wird vom Niederdruckverdichter 1 angesaugt. Dort wird es auf den Zwischendruck verdichtet, anschließend im Zwischenkühler 2 rückgekühlt und im Hochdruckverdichter 3 auf den maximalen Prozeßdruck verdichtet. Im Wärmetauscher 4 wird das Arbeitsmittel dann vorgewärmt und tritt danach in den Erhitzer bzw. Reaktor 5 ein, in dem es auf die maximale Prozeßtemperatur erhitzt wird. In der Turbine 6 wird das Gas anschließend entspannt, gibt im Wärmetauscher 4 einer. Teil seiner Abwärme an das Hochdruckgas ab und wird schließlich im Vorkühler 7 wieder auf die Niederdruckverdichter-Eintrittstemperatur abgekühlt. Die Turbine 6 treibt über die Welle 8 sowohl die beiden Verdichter 1 und 3 als auch den Generator oder eine Arbeitsmaschine 9 an.

Zur Regelung der Maschinendrehzahl bzw. zur Leistungsregelung dient der Bypass 10 mit dem Bypassventil 11. Dieser Bypass zweigt hinter dem Hochdruckverdichter 3 ab und mündet entweder - wie in Fig. 1 dargestellt - zwischen Turbine 6 und Wärmeaustauscher 4 oder zwischen Wärmeaustauscher 4 und Vorkühler 7 wieder ein.

Die Maschinendrehzahl wird vom Regler 12 geregelt, dem das im Drehzahlmeßumformer 13 der Welle 8 erzeugte Drehzahlsignal durch die Signa!- flußleitung 14 zugeführt wird und dessen Ausgangssignal durch die Signalflußleitung 15 auf das Bypassventil 11 wirkt. Wie oben erläutert, werden dem Regler 12 zwei weitere Eingangssignale aufgeschaltet: das im Druckmeßumformer 16 erzeugte Signal durch die Signalflußleitung 17, wobei mit dem Druckmeßumformer 16 der Druck an einer geeigneten Stelle auf der Niederdruckseite des Kreislaufs (z. B. vor dem Niederdruckverdichter 1) gemessen wird, und das im Druckmeßumformer 18 erzeugte Signal durch die Signalflußleitung 19, wobei mit dem Druckineßumformer 18 der Druck an einer geeigneten Stelle auf der Hochdruckseite des Kreislaufs (z.B. hinter dem Hochdruckverdichter 3) gemessen wird.

Den erfindungsgemäß ausgebildeten inneren Auf-

¹S bau des Reglers 12 zeigt Fig. 2. Das dem Regler durch die Signalflußleitung 14 zugeführte Drehzahlsignal (Istwert) wird zunächst in der Vergleichsstelle 20 mit dem durch die Signafflußleitung 21 zugeführten Sollwert der Drehzahl verglichen. Das Differenzsignal zwischen Ist- und Sollwert wird sodann durch die Signalflußleitung 22 in den ersten Reglerteil 23 geleitet, der einen Integrator aufweist. Sein Ausgangssignal wird durch die Signalflußleitung 24 der Vergleichsund Summationsstelle 25 zugeführt. Die Drucksignale gelangen zunächst durch die Signalflußleitungen 17 und 19 in den zweiten, dem Reglerteil 23 parallelgeschalteten Reglerteil 26, dessen Ausgangssignal über die Signalflußleitung 27 ebenfalls der Vergleichs- bzw. Summationsstelle 25 zugeführt wird. Durch die in der Vergleichs- bzw. Summationsstelle 25 vorgenommene Addition der beiden Signale ergibt sich ein sowohl drehzahl- als auch druckabhängiges Ausgangssignal. Dieses wird durch die Signalflußleitung 28 dem dritten Reglerteil 29 zugeführt, der im wesentlichen den Stellantrieb des Bypassventils enthält und dessen Ausgangssignal über die Signalflußleitung 15 dem Bypassventil 11 zugeführt wird und die Größe des Ventilhubs bestimmt. Es reicht aus, wenn der Reglerteil 29 proportionales Verhalten aufweist.

4= Gegenüber Fig. 2 stellt Fig. 3 den Aufbau eines Reglers 12 nach dem Stand der Technik dar. Man erkennt, daß bisher in der Vergleichs- bzw. Summationsstelle 25a sowohl die Signale der Istdrehzahl 14 und der Solldrehzahl 21 als auch die im Reglerteil 26a zum Signal 27a umgeformten Drucksignale zusammengefaßt sind und das resultierende Signal 28o dem Reglerteil 29a zugeführt wird, der den Stellantrieb des Bypassventils enthält und proportional-integrales Verhalten aufweist. Das Ausgangssignal 15 des Reglerteils 29a bestimmt den Hub des Bypassventils. Es wird also in dem den Integrator enthaltenden Reglerteil 29a nicht nur das Differenzsignal zwischen Drehzahlist- und -soliwert, sondern ein aus den Drehzahl- und Drucksignalen zusammengesetztes Signal 28a verarbeitet.

Der Unterschied der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik besteht im wesentlichen darin, daß bei der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung

1. ein getrennter Reglerteil (23) vorhanden ist, der einen Integrator aufweist,

2. in dem Reglerteil (23), der einen Integrator aufweist, ausschließlich das Diffcrenzsignal zwischen Drehzahlist- und -soliwert verarbeitet wird,

3. eins oder beide Drucksignale nicht vor, sondern hinter dem Reglerteil (23), der einen Integrator aufweist, aufgeschaltet werden und
4. der Reglerteil (29), der den Stellantrieb des By-

passventils enthält, lediglich proportionales und nicht proportional-integrales Verhalten aufzuweisen braucht.

Ein Ausführungsbeispiel der nach der Erfindung arbeitenden Regelvorrichtung zeigt Fig. 4.

Der erste Reglerteil 23 wird hier durch einen handelsüblichen Reglerbaustein mit proportional-integralem Verhalten gebildet.

Der zweite Reglerteil 26 ist hier als Beispiel folgendermaßen aufgebaut: Das Niederdrucksignal gelangt durch die Signalflußleitung 17 zunächst zum Verstärker bzw. Potentiometer 30, dessen Ausgangssignal durch die Signalflußleitung 31 mit negativem Vorzeichen zur Vergleichsstelle 32 geleitet wird. In gleicher Weise wird das Hochdrucksignal durch die Signalfluß- »5 leitung 19 zunächst zum Verstärker bzw. Potentiometer 33 geleitet, dessen Ausgangssignal durch die Signalflußleitung 34 der Vergleichsstelle 32 mit positivem Vorzeichen zugeführt wird. Das in der Vergleichsstelle 32 gebildete Signal gelangt durch die Si- »ο gnalflußleitung 35 in den Verstärker bzw. das Potentiometer 36, dessen Ausgangssignal identisch mit dem des Reglerteils 26 ist. Die Vorzeichen der beiden Signale in den Signalflußleitungen 31 und 34 an der Summationsstelle 32 können vertauscht werden. »5 Dann muß jedoch auch das Vorzeichen des Signals in der Signalflußleitung 27 an der Vergleichs- bzw. Summationsstelle 25 umgekehrt werden.

Dem dritten Reglerteil 29 läßt sich hier proportionales Verhalten zuordnen, wobei in der Regel Verzögerungszeiten auftreten, die vom Stellantrieb herrühren.

Bei einer Änderung des Druckpegels durch Verminderung oder Vergrößerung der im Gasturbinenkreislauf umgewälzten Gasmenge ändern sich auch die Drucksignale, und zwar so, daß die prozentualen Änderungen ihrer Werte gleich groß sind. Wählt man die Verstärkung der Drucksignale in den Verstärkern bzw. Potentiometern 30 und 33 so, daß im Nennbetriebspunkt der Gasturbinenanlage (d.h. bei Nenntemperatures Nenndrücken, Nenndrehzahl und geschlossenem Bypassventil) das Ausgangssignal dei Vergleichsstelle 32 und folglich auch das Ausgangssignal des Verstärkers bzw. Potentiometers 36 NuI werden, so erreicht man, daß die Drehzahlregelunj unabhängig vom Druckpegel im Kreislauf ist.

Die Regeldynamik wird aber nicht beeinträchtigt wenn im Nennbetriebspunkt der Gasturbinenanlage das Signal in der Signalflußleitung 27 ungleich NuI ist. Da ferner die Drucksignale in den Signalflußlei tungen 17 und 19 in der Regel einen nahezu ähnlicher zeitlichen Verlauf aufweisen, genügt es oft, nur ein; der beiden Drucksignale dem Regler 12 aufzuschal ten. Dann können die Reglerkomponenten 30 bis einschließlich 35 sowie einer der beiden Druckmeßum former 16 oder 18 entfallen und ein einziges Drucksignal über die Signalflußleitung 17 oder 19 di rekt zum Verstärker bzw. Potentiometer 36 geführt werden.

Das vergleichende Ergebnis einer Vorrichtung nach der Erfindung mit einer Vorrichtung nach dem Stant der Technik zeigt Fig. 5. Darin ist die Drehzahlab weichung von ihrem Sollwert über der Zeit aufgetra gen. Zur Zeit Null wurde ein Vollastabwurf angenom men, der einen Drehzahlanstieg zur Folge hat. Durcr Öffnen des Bypassventils 11 (Fig. 1) wird die Drehzahl dann abgefangen und eingeregelt. Der Drehzahlverlauf α ergibt sich, wenn das Bypassventil mit einerr nach dem Stand der Technik ausgebildeten Regler be tätigt wird. Man erkennt, daß die Drehzahlabweichung einem Grenzwert von etwa 4,3% zustrebt. Den Drehzahlverlauf b erhält man bei Verwendung dei erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Drehzahlregelung der geschlossenen Gasturbine. Im Gegensatz zur Kurve α nähert sich Kurve b dem Grenzwert Null.

Die Erfindung zur Drehzahlregelung einer geschlossenen Gasturbinenanlage verbindet infolgedessen die bekannten Vorteile der Druckauf schaltung mil der Möglichkeit, die Drehzahl ohne bleibende Regelabweichung auf ihren Sollwert einzuregeln.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Drehzahlregelung einer Gasturbinenanlage mit geschlossenem Arbeitsmittelkreislauf, mit Meßfühlern für den Hochdruck und Niederdruck im Arbeitsmittelkreislauf und für die Soll- und Istdrehzahl und mit einem von diesen Fühlern gesteuerten, auf wenigstens ein Bypassventil im Arbeitsmittelkreislauf einwirkenden Regler, der eine das Differenzsignal zwischen Drehzahlist- und -soliwert verarbeitende Einrichtung, eine weitere das Hochdruck- und/oder das Niederdrucksignal im Arbeitsmittelkreislauf verarbeitende Einrichtung, ferner eine die Ausgangs- ¹S signale beider Einrichtungen aufnehmende Vergleichs- bzw. Summationseinrichtung sowie eine deren Ausgargssignal in eine Stellbewegung des oder der Bypassventile umwandelnde Einrichtung enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die zuletzt genannte Einrichtung ein P-Regler (29) ist und daß die das Hochdruck- und Niederdrucksignal aufnehmende Vergleichs- bzw. Summationseinrichtung (25) an ihrem zweiten Eingang über eine Signalflußleitung (24) das in einem einen In- ^a5 tegrator aufweisenden Reglerteil (23) verarbeitete, diesem über eine Signalflußleitung (22) von einer Vergleichsstelle (20) zugeführte Differenzsignal zwischen Drehzahlist- und Drehzahlsollwert empfängt, wobei dieser das Drehzahlistwert-Signal von einem Fühler (13) über eine Signalflußleitung (14) und das Drehzahlsollwert-Signal über eine Signalflußleitung (21) zugeführt werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die das Hochdruck- und Niederdrucksignal verarbeitende Einrichtung (26) drei Verstärker bzw. Potentiometer (30, 33, 36) und eine Vergleichsstelle (32) enthält, wobei dem Eingang des ersten Verstärkers bzw. Potentiometers (30) über eine Signalflußleitung (17) das Arbeitsmittelkreislauf-Niederdrucksignal, dem Eingang des zweiten Verstärkers bzw. Potentiometers (33) über eine Signalflußleitung (19) das Arbeitsmittelkreislauf-Hochdrucksignal zugeführt und die Vergleichsstelle (32) durch Signalflußleitungen (31, 34) mit den Ausgängen der Verstärker bzw. Potentiometer (30, 33) und über die Signalflußleitung (35) mit dem Eingang des dritten Verstärkers bzw. Potentiometers (36) verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drucksignale verarbeitende Einrichtung (26) nur einen Verstärker bzw. Potentiometer (36) enthält, dem entweder das Arbeitsmittelkreislauf-Niederdrucksignal über eine Signaifiußleitung (17) oder das Arbeitsmittelkreislauf-Hochdrucksignal über eine Signalflußleitung (19) direkt zugeführt wird.