DE2635993A1

DE2635993A1 - Regelsystem mit notausloeseanordnung fuer eine gasturbinenanlage

Info

Publication number: DE2635993A1
Application number: DE19762635993
Authority: DE
Inventors: Roine Dipl Ing Braennstroem; Goeran Dipl Ing Nilsson
Original assignee: Stal Laval Turbin AB
Current assignee: ABB Stal AB
Priority date: 1975-08-29
Filing date: 1976-08-11
Publication date: 1977-03-10
Also published as: DE2635993B2; SE393160B; DE2635993C3; GB1552990A; SE7509603L; CH608860A5; US4045955A

Description

STAL-LAVAL Turbin AB Finspang, Schweden

Regelsystem mit Notauslöseanordnung für eine Gasturbinenanlage

Die Erfindung betrifft ein Regelsystem mit Notauslöseanordnung für eine Gasturbinenanlage der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art.

Das druckgaserzeugende Aggregat besteht üblicherweise aus einem Kompressor, einer Brennkammer und einer Gasturbine, die den Kompressor antreibt und eine Hochdruckturbinenstufe darstellt, von der aus die Abgase zur Kraftturbine geleitet werden. Das Gasaggregat kann aber auch einfach aus einer Brennkammer bestehen, die von einem Luftspeicher gespeist wird.

In beiden Fällen ist ein durch einen Regler gesteuertes Regelventil zur Steuerung des Brennstoffflusses erfoderlich, damit beispielsweise bei einer Entlastung der Kraftturbine der Brennstofffluß vermindert wird,

ORIGINAL INSPECTED

und zwar - wenn notwendig - auf einen Mindestwert, der gerade ausreicht, das Gasaggregat in Gang zu halten.

Wenn diese Regelung aus irgendeinem Grunde versagt, so besteht die Gefahr, daß die Kraftturbine gefährliche Drehzahlüberhöhungen erfährt. Aus diesem Grunde ist die Anlage mit irgendeiner Notauslöseanordnung versehen, welche die Brennstoffzufuhr unterbricht, wenn die Drehzahl der Turbine einen bestimmten über der Nenndrehzahl liegenden ¥ert überschreitet. Um ein unerwünschtes Ansprechen dieser Notauslöseanordnung zu vermeiden, darf die genannte Ansprechdrehzahl nicht zu niedrig gewählt werden. Dies hat air Folge, daß die Turbine sehr hohe Drehzahlen erreichen kann, bevor die Auslösung wirksam wird und die Drehzahl wieder herabgesetzt wird. Dieses kurzfristige Auftreten hoher Drehzahlen ist unerwünscht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Regelsystem der eingangs genannten Art zu entwickeln, bei dem die Notauslöseanordnung einerseits anspricht, bevor unerwünscht hohe Drehzahlen erreicht werden, andererseits aber die Gefahr eines unerwünschten Ansprechens der Notauslöseanordnung vermieden wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Regelsystem nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, wel-

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ches erfindungsgemäß die, im kennzeichnenden-Teil" des Anspruches 1 genannten Merkmale· hat.

Vorteilhafte" Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen genannt.

Die Notäuslöseanordnung nach der Erfindung verarbeitet also eine Kombination der Drehzahl und des Different! alquoti ent ens dieser Drehzahl, da diese beiden Größen zusammen in einem frühen Stadium anzeigen, ob es zu gefährlichen Drehzahlüberhöhungen kommen kann.

Gemäß einer Weiterentwicklung der Erfindung wird eine noch sicherere Beurteilung des Zustandes der Anlage dadurch erreicht, daß man außer der Drehzahl der Kraftturbine auch einen geeigneten Arbeitsparameter im Gasaggregat berücksichtigt. Auf diese Weise kann eine klare Aussage darüber erreicht werden, ob der Brennstoffregler vorschriftsmäßig arbeitet und imstande ist, Überdrehzahlen zu verhindern, oder ob der Eingriff des Reglers zu schwach ist, so daß eine Notauslösung eingeleitet werden muß.

Anhand des in der Figur gezeigten Ausführungsbeispieles soll die Erfindung näher erläutert werden.

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Die Anlage besteht aus einem Kompressor 1, von dem Druckluft zu einer Brennkammer 2 geleitet wird, von welcher die heißen Gase zu einer Hochdruckgasturbine 3 strömen, die den Kompressor 1 antreibt. Die Abgase der Hochdruckturbine 3 werden zu einer Kraftturbine 4 geleitet, die einen Generator 5 antreibt, der .in ein Wechselstromnetz einspeist.

Die Brennkammer 2 wird über ein Regelventil 7 mit Brennstoff gespeist, das von einer Steuervorrichtung 8 gesteuert wird, welche in der Regel irgendeinen Servomechanismus enthält. Während des normalen Betriebes wird die Steuervorrichtung 8 von einem mit zwei Eingängen versehenen Regler 9 gesteuert. Auf den einen Eingang 10 wird ein Sollwert für die Drehzahl der Kraftturbine und auf den anderen der entsprechende Istwert gegeben, der beispielsweise durch die Frequenz des Wechselstromnetzes gewonnen werden kann.

Um sicher zu stellen, daß die Kraftturbine keine gefährlichen Überdrehzahlen erreicht, wenn der Regler 9 im Falle einer (plötzlichen)Entlastung nicht schnell genug oder überhaupt nicht ansprechen sollte, gibt es verschiedene Arten von Notauslösungen zum Schließen des Regelventils 7. Eventuell genügt es, das Ventil 7 auf einen minimalen Brennstofffluß zu drosseln, so daß der gaserzeugende Teil 1-3 im Leerlauf in Betrieb bleibt,

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Eine einfache Anordnung zur Notauslösung kann aus einem mechanischen Überdrehzahlregler 11 bestehen, der direkt von der Welle der Kraftturbine angetrieben wird. Ferner kann man einen elektrischen Drehzahlrechner 12 in Form eines Zahnradgenerators oder Tongenerators verwenden, der von einem Zahnradkranz auf der Turbinenwelle magnetisch beeinflußt wird. Das so gewonnene Signal wird einem Diskriminator 13 zugeführt, der über das ODER-Glied 14 ein die Drosselung des Regelventils veranlassendes Signal an die Steuervorrichtung 8 gibt, falls die Turbinendrehzahl ein gewisses Niveau übersteigt.

Der Nachteil dieser einfachen Signalgeber 11 und 12,13 besteht - wie bereits erwähnt - darin, daß zur Verhinderung einer ungewollten Auslösung ihr Auslöseniveau verhältnismäßig hoch liegen muß, so daß die Kraftturbine gefährlich hohe oder zumindest unerwünscht hohe Drehzahlen erreichen kann, bevor die Heruntersteuerung wirksam wird.

Eine schnellere und sicherere Auslösung kann man gemäß der Erfindung mit Hilfe der Signalgeber 15 bis erzielen. Auch diese Signalgeber sind an den Generator 12 angeschlossen, wobei die Glieder 15 und 17 Diskriminatoren sind und das Glied 16 ein differenzierendes Glied ist. Durch die Kombination dieser Glieder kann der Diskriminator 15 so eingestellt werden, daß er ein

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Signal bei einer kleineren Drehzahl abgibt als der Diskriminator 13, ohne daß die Gefahr einer ungewünschten Auslösung besteht. Der Diskriminator 17 gibt ein Signal, wenn der vom differenzierenden Glied 16 gebildete zeitliche Differentialquotient der Drehzahl einen bestimmten Wert überschreitet, was bedeutet, daß die Drehzahl mit einer bestimmten Geschwindigkeit zunimmt. Wenn der Diskriminator 15 zugleich anzeigt, daß die Drehzahl bereits groß ist, so besteht die Gefahr einer gefährlichen Drehzahlüberhöhung, und die Signale von den Gliedern 15 und 17 erzeugen zusammen Auslösesignale über das UND-Glied 18 und das ODER-Glied 14 an die Steuervorrichtung 8, wodurch das Ventil 7 gedrosselt wird.

Eine noch frühzeitigere und sicherere Anzeige der Gefahr einer Drehzahlüberhöhung erhält man durch Einfügung des Zweiges mit den Gliedern 19-21.

Dieser Zweig enthält einen Generator 19 von gleicher Art wie der Generator 12 zur Messung der Drehzahl des Kompressorteils 1,3. Das Signal vom Generator ist über ein differenzierendes Glied 20 und einen Diskriminator 21 auf einen Eingang des UND-Gliedes durchgeschaltet, wenn der vom differenzierenden Glied 20 gebildete zeitliche Different!alquotient der Drehzahl einen bestimmten negativen Wert über-

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schreitet.

Das Ausgangssignal des Diskriminator 21 ist im Normalzustand als stationärer Wert vorhanden. Dieses Signal ist von Bedeutung, wenn die Glieder 15 und 17 gleichzeitig ein Signal geben, was bedeutet, daß die Drehzahl der Kraftturbine einen bestimmten Wert erreicht hat und mit einer über einen bestimmten Wert liegenden Geschwindigkeit weiter ansteigt. Wenn bei diesem Vorgang der Regler 9 ordnungsgemäß arbeitet, so hat das Ventil 7 bereits eine Drosselung erfahren, so daß die den Kompressor 1 antreibende Turbine 3 gebremst wird. Erfolgt diese Bremsung schnell genug, so daß der vom differenzierenden Glied 20 gebildete Differentialquotient den im Diskriminator 21 eingestellten negativen Wert unterschreitet, so verschwindet das Ausgangsignal des Diskriminators 21 mit der Folge, daß über die Glieder 18 und 14 kein Auslösesignal zur Steuervorrichtung 8 gegeben werden kann.

In diesem Fall ist nämlich damit zu rechnen, daß der Druck der Abgase von der Turbine 3 so schnell fällt, daß die Kraftturbine durch die Wirkung des Reglers 9 trotz erhöhter und noch zunehmender Drehzahl rechtzeitig wieder gebremst wird.

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Kann dagegen der Regler 9 den Brennstofffluß durch das Ventil 7 nicht schnell genug steuern, so wird auch das Kompressoraggregat 1 bis 3 nicht schnell genug heruntergesteuert. Das Ausgangssignal des Diskriminators 21 bleibt also bestehen, so daß alle drei Eingänge des UND-Gliedes mit einem Signal belegt sind und ein Auslösesignal über das UND-Glied 18 und das ODER-Glied zur Drosselung des Ventils 7 gegeben wird.

Unter Berücksichtigung der Kennlinien und Zeitkonstanten der verschiedenen Teile der Anlage ist es verhältnismäßig einfach, angemessene Schwellwerte für die einzelnen Glieder des Systems festzulegen.

Beispielsweise sollen die auslösenden Schwellwerte der Glieder 11 und 13 möglichst nicht niedriger als ca. 112 % der normalen Drehzahl liegen, wenn eine unerwünschte Auslösung vermieden werden soll. Dies bedeutet, daß die Drehzahl der Kraftturbine 4 sehr gut bis auf 120 % der Nenndrehzahl ansteigen kann, bevor die Bremsung wirksam wird, was als unzweckmäßig hoch anzusehen ist.

Mit der Kombination aus den Gliedern 15,17 und 21 kann der Schwellwert des Gliedes 15 bedeutend herabgesetzt werden, zum Beispiel auf 108 % der Nenndrehzahl der Kraftturbine. Der Schwellwert des Gliedes 17

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kann dann auf 180 UpM/s festgesetzt werden, während der Schwellwert für das- Glied 21 auf -100 UpM/s festgesetzt werden kann. Wenn das Signal vom Glied über diesem Wert liegt, ist es nicht mehr gewährleistet, daß der Eingriff des Reglers 9 schnell genug ist, so daß ein Auslösesignal gegeben werden muß.

Das Kompressoraggregat 1 bis 3 ist als "einstufiges Aggregat dargestellt, bei dem nur eine Drehzahl zur Verfugung steht. Wenn das Kompressoraggregat dagegen aus einer Hochdruckstufe und einer Niederdruckstufe mit verschiedenen Wellen besteht, so kann der Generator 19 die Drehzahl der einen oder anderen Welle messen. In der Regel wird die Messung an der Hochdruckstufe, welche die Brennkammer enthält, durchgeführt, da diese am schnellsten anspricht.

Anstelle der Messung der Kompressordrehzahl kann beispielsweise auch der Brennstofffluß durch das Regelventil 7 gemessen werden, und zwar mittels einer Messdrosselung 22, die mit dem Ventil 7 in Reihe liegt. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Einstellage des Regelventils 7 zu messen, in dem die Steuervorrichtung 8 mit einem Anschlußorgan 23 versehen ist, welches diese Lage > anzeigt. Eine weitere Möglichkeit besteht darin,

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daß man den Druck oder die Temperatur in"der Brennkammer 2 mit einem Messglied 24 mißt oder daß man den Druck oder die Temperatur der Abgase von der Turbine 3 mittels eines Messgliedes 25 mißt. Das Prinzip besteht also darin, an den Diskriminator einen Arbeitsparameter für das druckgaserzeugende Organ anzuschließen, so daß man feststellen kann, ob der Regler 9 zufriedenstellend arbeitet.

Wenn das druckgaserzeugende Organ aus einer Brennkammer besteht, die von einem Luftspeicher gespeist wird, so ist es zweckmäßig, als Arbeitsparameter für den Diskriminator 21 den Brennstofffluß über die Messdrossel 22 oder die Einstellung des Regelventils 7 zu benutzen.

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Claims

- 11 Patentansprüche

π.j Regelsystem mit Notauslöseanordnung für eine Gasturbinenanlage, die ein druckgaserzeugendes Aggregat und eine Kraftturbine enthält, die vom Gas des druckgaserzeugenden Aggregats angetrieben wird, welches seinerseits mit Brennstoff über ein Regelventil gespeist wird, das von einem Brennstoffregler gesteuert wird, wobei die Notauslöseanordnung das Regelventil bei Überdrehzahlen der Kraftturbine schließt, dadurch gekennzeichnet, daß die Notlöseanordnung eine erste Meßanordnung (12, 16) enthält, welche die Drehzahl und den Differentialquotienten der Drehzahl der Kraftturbine mißt und beide Werte über Schwellwertgeber (15, 17) auf einen Signalgeber (18) gibt, welcher ein die Drosselung des Regelventils (7) auslösendes Signal abgibt, wenn seine beiden Eingangssignale vorgegebene Schwellwerte überschreiten.
2. Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Notauslöseanordnung eine zweite Meßanordnung (19 -21) zur Messung eines Arbeitsparameters des druckgaserzeugenden Aggregates (1 - 3) enthält, welche Meßanordnung ein Signal abgibt, wenn der genannte Arbeitsparameter einen Wert annimmt bei dem die Leistung des Gasaggregates einen bestimmten Wert übersteigt, und daß dieses Signal über ein UND-Glied (18) zusammen mit den beiden von der Drehzahl der Kraftturbine abhängigen Signalen (15, 17) die Notauslösung des Regelventils (7) steuert.

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3. Regelsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstofffluß zum Gasaggregat als Arbeitsparameter dient und daß die zweite Meßanordnung ein Signal abgibt, wenn der Brennstoff fluß einen bestimmten Wert übersteigt.
4. Regelsystem nach Anspruch 2 bei einer Gasturbinenanlage, deren Gasaggregat ein von einer Gasturbine angetriebener Kompressor ist, dadurch gekennzeichnet, daß als Arbeitsparameter die Drehzahl des Gasaggregates dient und daß die zweite Meßanordnung (19 - 21) ein Signal abgibt, wenn der Differentialquotient des Arbeitsparameters einen bestimmten negativen Wert übersteigt.

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