DE2436738B2 - Brennstoffregelvorrichtung für eine Gasturbinenanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffregelvorrichtung der im Anspruch 1 angegebenen Gattung.

Eine derartige Brennstoffregelvorrichtung ist aus der DE-OS 2205267 bekannt. Die bekannte Brennstoffregelvorrichtung ist derart ausgebildet, daß für die Brennstoffzufuhrregelung kein Anlauf- oder Drosselventil erforderlich ist. Hierzu werden einer, vorzugsweise elektronischen, Verarbeitungs- bzw. Vergleicherschaltung fünf den augenblicklichen Betriebskenngrößen proportionale Signale zugeführt und kontinuierlich zu einem der erforderlichen Brennstoffmenge entsprechenden Signal verarbeitet. Diese fünf Signale entsprechen der Durchschnittstemperatur der Turbine, dem Brennkammerdruck, der Verdichtercinlaßtemperatur, der Leistung und der Drehzahl.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die bekannte Brennstoffregelvorrichtung derart weiter-

τ> zuentwickeln, daß die Regelung der Drehzahl stetig und innerhalb von in weiten Grenzen einstellbaren Werten regelbar ist.

Diese Aufgabe wird durch das Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.

bo Diese Lösung hat den Vorteil, daß die Regelung der Brennstoffzufuhr den besonderen Betriebsbedingungen der jeweils verwendeten Gasturbinenanlage bequem anpaßbar ist. Insbesondere ermöglicht die erfindungsgemäße Lösung eine Begrenzung der Be-

b^r> schleunigung in der Anlaufphase derart, daß eine Erhöhung der Drehzahl und damit der Temperatur sowie der thermischen Beanspruchung in den heißen Teilen der Gasturbine möglich wird, wobei die Begrenzung

je nach Bedarf abstufbar ist.

Die gemäß Anspruch 2 wiedergegebene bevorzugte Ausführungsform der Erfindung hat den Vorteil, daß auf ein besonders einfaches, grundsätzlich an sich bekanntes Regelelement zurückgegriffen werden kann, wobei die Zeitkonstante des R-;gelverstärkers die Änderung von dessen Ausgangssignal innerhalb der vorgegebenen Grenzen festlegt.

Die Ausgestaltung der Funktionsgeberschaltung gemäß Anspruch 3 stellt eine besonders einfache ι ο Maßnahme zur Anpassung bzw. Regelung des Anstiegsverhaltens der Drehzahl und damit der Temperatur und der Wärmespannungen an den heißen Teilen der Gasturbinenanlage dar.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Einwellen-Gasturbinenanlage mit einer erfindungsgemäßen Brennstoffregelvorrichtung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild der in Fig. 1 schematisch dargestellten Regeleinheit und

Fig. 3 ein Schaltschema für ein in Fig. 2daigestelltes Schaltungselement.

In Fig. 1 bezeichnen 100 einen Verdichter einer Einwellen-Gasturbinenanlage, 101 eine Brennkammer, 102 eine Turbine und 108 die Turbinenwelle, die kinetische Energie auf eine Nutzlast 103. beispielsweise auf einen Wechselstromgenerator überträgt.

Eine Pumpe 105 fördert Brennstoff von einem Brennstofftank 104 über ein Brennstoffsteuerventil (Stellglied) 18 zur Brennkammer 101. Eine elektronische Regeleinheit 111 regelt die Drehzahl der Turbine 102 nach Verarbeitung der Signale von: r>

- einem Drucksignalgeber 14, der auf den Verdichterenddruck in der Förderleitung 107 des Verdichters 100 anspricht,

- zwei Temperatursignalgebern 150, 151, welche auf die Temperatur des Gases nach der Laufbeschaufelung und am Auslaß der Turbine 102 ansprechen, und

- zwei Drehzahlsignalgeber 1, 2, welche auf die Winkelgeschwindigkeit der Turbinenwelle 108 ansprechen.

Die elektronische Regeleinheit 111 steuert das Brennstoffsteuerventil 18, welches die der Brennkammer 101 zugeführte Brennstoffmenge regelt.

Gemäß dem in Fig. 2 dargestellten Blockschaltbild der elektronischen Regeleinheit 111 werden die Eingangssignale der beiden elektromagnetischen Drehzahlsignalgeber 1, 2 Wandlern 3, 4 zugeführt. Die Wandler 3, 4 liefern ihre Ausgangsspannungen an eine Höchstwertauswahlschaltung 5. Die vcn der Höchstwertauswahlschaltung 5 abgegebene höhere Spannung wird den Eingängen einer Funktionsgeberschaltung 7 und einer Hauptregelschaltung 6 zugeführt. Der Hauptregelschaltung 6 werden außerdem Eingangsspannungen von einem einstellbaren potentiometrischen Drehzahlsollwertgeber 8 und einer ω potentiometrischen Rückkopplungsschleife 9 zugeführt.

Die Ausgangssignale der Temperatursignalgeber 150, 151 werden gleichzeitig einer Mittelwertschaltung 15 und einer - nur beim Anlassen der Gasturbinenanlage durch einen äußeren Schalter 21 in Betrieb gesetzten - Höchstwertauswahlschaltung 20 zugeführt.

Eine Alternativschaltung 22 mit zwei Eingängen empfängt die Signale der Mittelwertschaltung 15 sowie der Höchstwertauswahlschaltung 20 und beaufschlagt eine Vergleichsschaltung 17. Die Alternativschaltung 22 ist so ausgelegt, daß sie in der Anlaufphase der Turbine 102 das von der Höchstwertauswahlschaltung 20 und bei Normalbetrieb der Turbine 102 das von der Mittelwertschaltung 15 kommende Signal an die Vergleichsschaltung 17 überträgt. Ein weiterer Eingang der Vergleichsschaltung 17 nimmt das vom Drucksignaigeber 14 kommende Signal auf. Dieses Signal durchläuft jedoch zuvor eine Anpaßschaltung 16, in welcher es für den Vergleich mit dem Temperatursignal angepaßt wird.

Der Vergleichsschaltung 17 ist ein Regeiverstärker 23 nachgeschaltet. Eine Rückkopplungsschaltung 38 koppelt den Ausgang des Regelverstärkers 23 an den Eingang der Vergleichsschaltung 17. Diese Schaltungsanordnung ist insgesamt als PID-Regler ausgelegt.

Der Ausgang des RegeIVerstärkers 23 liegt am einen Eingang einer Höchstwertauswahlschaltung 19 für das Temperatursignal. Der andere Eingang der Höchstwertauswahlschaltung 19 ist mit einem Potentiometer 24 verbunden.

Weiterhin sind zwei Tiefstwertauswahlschaltungen 10, 11 mit jeweils drei parallelen Eingängen 25, 26,

27 bzw. 28, 29, 30 vorgesehen. Hierbei ist jeder Eingang 25, 26 bzw. 27 der Tiefstwertauswahlschaltung 10 mit dem entsprechenden Eingang 28, 29 bzw. 30 der Tiefstwertauswahlschaltung 11 verbunden.

Der Ausgang der Hauptregelschaltung 6 ist mit den Eingängen 26 und 29 der Tiefstwertauswahlschaltungen 10 und 11 verbunden. Der Ausgang der Funktionsgeberschaltung 7 ist mit den Eingängen 25 und

28 der Tiefstwertauswahlschaltungen 10 und 11 verbunden.

Der Ausgang der Höchstwertauswahlschaltung 19 ist mit den Eingängen 27 und 30 der Tiefstwertauswahlschaltungen 10 und 11 verbunden.

Die Ausgangsspannungen der beiden Tiefstwertauswahlschaltungen 10, 11 werden zwei Ausgangssteuerschaltungen 12,13 zugeführt, welche Spannung in Strom umwandeln. Der Strom dient zur Steuerung des Brennstoffsteuerventils 18.

Fig. 3 zeigt ein Schaltbild der Funktionsgeberschaltung 7, welcher das von der Höchstwertauswahlschaltung 5 ausgehende Drehzahlsignal zugeführt wird und deren Ausgang mit dem Eingang 28 der Tiefstwertauswahlschaltung 11 verbunden ist.

Die Funktionsgeberschaltung 7 besitzt einen Eingangs-Operationsverstärker 77, der drei nichtlineare Funktionen erzeugende Operationszellen 78, 79, 80 speist. Die Rückkopplungsschleife jeder Operationszelle 78, 79, 80 umfaßt einen Regelwiderstand 71, 73, 75. Der invertierende Eingang der Operationszellen 78, 79 ist jeweils mit einem Potentiometer 72, 74 verbunden. Die Ausgänge der-Operationszellen 78, 79,80 werden einem Ausgangs-Operationsverstärker 81 zugeführt, dessen Eingang außerdem an einem dritten Potentiometer 76 liegt und dessen Ausgang der Tiefstwertauswahlschaltung 11 zugeführt wird.

Die Brennstoffregelvorrichtung arbeitet wie folgt:

Die beiden Drehzahlsignalgeber 1, 2 liefern ein der Drehzahl der Turbinenwelle 108 proportionales Signal an die Wandler 3, 4. Diese führen eine Frequenz-Spannungs-Wandlung durch, so daß deren Ausgangsspannungen der Drehzahl der Gasturbinen-

anlage proportional sind. Die Höchstwertauswahlschaltung S wählt nun die höhere Ausgangsspannung der Wandler 3 und 4 aus. Bei einer solchen Schaltungsanordnung ist der Betrieb selbst bei einem möglichen Ausfallen eines Drehzahlsignalgeber-Wand- !cr-Kanals 1, 3 bzw. 2, 4 sichergestellt.

Die Hauptregelschaltung 6 vergleicht durch an sich bekannte und daher in der Zeichnung nicht dargestellte Mittel die von der Höchstwertauswahlschaltung 5 abgegebene, zur Istwert-Drehzahl der Gastur- i< > bincnanlage proportionale Spannung mit einer von außen vom potentiometrischen Drehzahlsollwertgeber 8 vorgegebenen Spannung. Hieraus ermittelt sie ein Fehlersignal. In der Hauptregelschaltung 6 wird das Fchiersigna! durch eine an sich bekannte PI- ^ Schaltung bzw. einen PI-Regler verarbeitet, wobei mittels einer als Regelwiderstand ausgebildeten Riickkopplungsschleife 9 die Rückkopplung der Hauptregelschaltung 6 veränderbar ist. Dadurch wird ein nach Belieben von außen einstellbarer stetiger Be- ^o trieb ermöglicht.

Die zur Drehzahl der Gasturbinenanlage proportionale, von der Höchstwertauswahlschaltung 5 abgegebene Spannung wird als Eingangsgröße der Funktionsgeberschaltung 7 zugeführt. Durch die Kombination der Tiefstwertauswahlschaltungen 10, 11 mit der Funktionsgeberschaltung 7 wird eine Begrenzung der Beschleunigung erreicht, wenn beim Anlassen der Gasturbinenanlage der Ausgang der Hauptregelschaltung 6 aus irgendeinem Grunde über den Wert so des durch den Drehzahlsollwertgeber eingestellten Drehzahlsignals ansteigt.

Die Ansprechkurve der Funktionsgeberschaltung 7 ist zu diesem Zweck eine Funktion, deren Wert bei jeder Drehzahl der Gasturbinenanlage einen be- r> stimmten Schwellwert niemals überschreitet. Sie wird durch einen geknickten, aus mehreren segmentförmigen Abschnitten zusammengesetzten Linienzug angenähert. Die Neigung jedes Segmentes ist mittels der Regelwiderstände 71, 73 und 75 der nichtlinearen Operationszellen 78, 79 und 80 einstellbar. Die Lage der Enden jedes segmentförmigen Abschnittes des geknickten Linienzuges ist mit Hilfe der Potentiome ter 72, 74 und 76 der Operationszellen 78, 79 und 81 einstellbar.

Diese Art der Einstellung ist sehr flexibel, da der Verlauf jedes einzelnen segmentförmigen Abschnittes des geknickten Linienzuges veränderbar ist, ohne daß dabei die übrigen Abschnitte wesentlich beeinflußt wurden. Hieraus ergibt sich, daß die Beschleunigung ,0 derart begrenzbar ist, daß beim Anlassen der Turbine ein Anstiegsverhalten der Drehzahl und damit der Temperatur und der Wärmespannungen an den heißen Teilen vorgegeben werden kann, das einem gewünschten Verlauf entspricht.

Beim Anlassen der Turbine 102 wählt die Höchstwertauswahlschaltung 20 das höhere der beiden von den Temperatursignalgebern 150, 151 kommende Temperatursignal aus. Die Temperatursignalgeber 150,151 sind durch Thermoelemente realisiert. Nach eo dem Anlassen errechnet die Mittelwertschaltung 15 den Mittelwert der beiden von den Temperatursignalgebern 150, 151 gelieferten Temperatursignale.

Je nachdem, ob die Turbine 102 im Anlaßstadium oder in Normalbetrieb gefahren wird, liefert die Alternativschaltung 22 das Maximal- oder Mittelwerttemperatursignal an die Vergleichsschaltung 17.

Das von der Alternativschaltung 22 kommende Temperatursignal wird mit einem Bezugssignal verglichen, das von der Anpaßschaltung 16 abgegeben wird und sich aus einem von außen einstellbaren konstanten Wert und einem vom Druck des aus dem Verdichter 100 austretenden Gases abhängenden Korrekturwert zusammensetzt. Das dem Korrekturwert entsprechende Signal wird hierbei vom Drucksignalgeber der Anpaßschaltung 16 zugeführt.

Beim vorangehend beschriebenen Vergleich wird indirekt ein Temperatursignal produziert, das im wesentlichen gleich der mittleren Temperatur am Eingang der Turbine 102 ist.

Das von der Vergleichsschaltung 17 abgegebene Fehlersignal wird an den Regelverstärker 23 gegeben. Die zugeordnete Rückkoppelungsschaltung 38 wird mit ihrem Ausgang auf einem bestimmten oberen Grenzwert gehalten, wenn der Fehler positiv ist (wenn das von den Temperatursignalgebern 150, 151 gelieferte Temperatursignal niedriger als das Bezugssignal ist).

Wenn das Temperatursignal den Bezugswert erreicht, wird der Ausgang des Regelverstärkers 23 auf den unteren Grenzwert abgesenkt, und zwar in Abhängigkeit von den für den Regelverstärker 23 gewählten Zeitkonstanten. Wenn der Fehler wieder sein Vorzeichen ändert, steigt das Ausgangssignal wieder nach dem gleichen Gesetz an.

Das Ausgangssignal des Regelverstärkers 23 wird in der Höchstwertauswahlschaltung 19 mit einem vom Potentiometer 24 vorgegebenen Signal verglichen und das höherwertige Signal ausgewählt. Dies ermöglicht eine Einstellung der Temperaturgrenzlinien für den Betrieb unter Last bzw. beim Anlassen, und zwar durch Verändern von deren Neigung und Parallelverlagerung.

Auf diese Weise ist es möglich, die Temperaturregelung als Funktion der Art des Anlaßvorganges (langsam, normal, schnell) zu programmieren und die Temperaturgrenzkurve den besonderen Merkmalen der Gasturbinenanlage anzupassen. Das der Drehzahl der Gasturbinenanlage proportionale Spannungssignal der Hauptregelschaltung 6, das Spannungssignal der Funktionsgeberschaltung 7 und das der Temperatur proportionale Spannungssignal der Höchstwertauswahlschaltung 19 werden in den Tiefstwertauswahlschaltungen 10 und 11 miteinander verglichen, wobei das jeweils niedrigstwertige ausgewählt wird Dieser relativ niedrige Spannungspegel bestimmt übei die Ausgangssteuerschaltungen 12, 13 (Spannungs-Strom-Wandler) das mehr oder weniger weite öffner des Brennstoffsteuerventils (Stellglied) 18. DadurcV wird die Brennstoffzuflußrate zur Brennkammer 101 der Gasturbinenanlage geregelt. Die beiden Sätze mil der Tiefstwertauswahlschaltung 10 mit nachgeordneter Ausgangssteuerschaltung 12 sowie der Tiefstwertauswahlschaltung 11 mit nachgeordneter Ausgangssteuerschaltung 13 sind identisch und arbeiter parallel. Unter Normalbedingungen arbeitet nur eir derartiger Satz. Falls der im Betrieb befindliche Sat ausfällt und eine Ausgangsspannung liefert, welch« die maximal erforderliche Spannung überschreitet wird er automatisch abgeschaltet; der andere Satz wire dann eingeschaltet.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Brennstoff regelvorrichtung für eine Gasturbinenanlage, bei der Signalgeber den augenblicklichen Betriebskenngrößen Drehzahl, Verdichterenddruck und Temperaturen proportionale elektrische Signale einer auf das Brennstoffsteuerventil einwirkenden elektronischen Regeleinheit zuführen, die eine Hauptregelschaltung zum Vergleich eines zur Turbinendrehzahl proportionalen Istwertsignals mit einem Sollwertsignal und eine das Steuersignal für das Brennstoffsteuerventil begrenzende Funktionsgeberschaltung aufweist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) die Funktionsgeberschaltung (7) ist derart ausgelegt, daß deren Ausgangssignal kleiner als das Ausgangssignal der Hauptregelschaltung (6) ist, wenn letzteres über die durch den Drehzahlsollwertgeber (8) eingestellten Grenzen ansteigt;

b) ein Temperatursignalgeber (150) ist nach der Laufbeschaufelung der Turbine (102) und ein Temperatursignalgeber (151) am Auslaß aus der Turbine angeordnet;

c) die Temperatursignalgeber (150, 151) sind mit einer Höchstwertauswahlschaltung (20) und einer Mittelwertschaltung (15) verbunden;

d) die Ausgänge der Höchstwertauswahlschaltung (20) und der Mittelwertschaltung (15) liegen an einer Alternativschaltung (22), welche so ausgelegt ist, daß sie in der Anlaßphase der Gasturbinenanlage das von der Höchstwertauswahlschaltung (20) und bei Normalbetrieb das von der Mittelwertschaltung (15) kommende Signal durchläßt;

e) der Drucksignalgeber (14) steuert eine Anpaßschaltung (16) an, deren Ausgangssignal sich aus einem einstellbaren konstanten Wert und einem dem Ausgangssignal des Drucksignalgebers (14) proportionalen Korrekturwert zusammensetzt;

f) eine Vergleichsschaltung (17) vergleicht die Ausgangssignale der Alternativschaltung (22) und der Anpaßschaltung (16) miteinander;

g) die Vergleichsschaltung (17) steuert einen Regelverstärker (23) an, dessen Ausgang mit dem Eingang der Vergleichsschaltung (17) über eine Rückkopplungsschaltung (38) verbunden ist, wobei das Ausgangssignal der Rückkopplungsschaltung (38) eine vorgegebene obere Grenze nicht überschreitet, wenn das Ausgangssignal der Alternativschaltung (22) niedriger als das der Anpaßschaltung (16) ist, und das Ausgangssignal des Regelverstärkers (23) einen vorgegebenen unteren Grenzwert annimrrW, wenn die Ausgangssignale der Alternativschaltung (22) und der Anpaßschaltung (16) einander gleich sind;

h) einer Höchstwertauswahlschaltung (19) werden das Ausgangssignal des Regelverstärkers (23) und ein von einem Potentiometer (24) geliefertes Vergleichssignal zugeführt;

i) die Ausgangssignale der Hauptregelschaltung (6), der Funktionsgeberschaltung (7)

und der Höchstwertauswahlschaltung (19) liegen an den Eingängen (25, 26, 27; 28, 29, 30) einer Tiefstwertauswahlschaltung (10; 11), die über eine Ausgangsschaltung (12, 13) das Brennstoffsteuerventil (18) ansteuert.

2. Brennstoffregelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der aus der Vergleichsschaltung (17), dem Regelverstärker (23) und der Rückkopplungsschaltung (38) bestehende Regelkreis im wesentlichen als PID-Regler ausgelegt ist.

3. Brennstoff rege! vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionsgeberschaltung (7) einen von der Höchstwertauswahlschaltung (5) angesteuerten Eingangs-Operationsverstärker (77) und einen Ausgangs-Operationsverstärker (81) aufweist, und zwischen den beiden Operationsverstärkern (77, 81) drei parallel geschaltete Operationszellen (78, 79, 80) mit jeweils nicht linearer Ansprechkurve angeordnet sind, wobei der Ausgang jeder Operationszelle (78, 79, 80) über je einen Regelwiderstand (71,73, 75) mit dem vom Eingangs-Operationsverstärker (77) angesteuerten Eingang rückgekoppelt ist und zwei dieser Eingänge sowie der von den drei Operationszellen (78, 79, 80) angesteuerte Hingang des Ausgangs-Operationsverstärkers (81) außerdem jeweils an einem Potentiometer (72, 74, 76) liegen.