DE2635993C3

DE2635993C3 - Brennstoffregelung für eine Gasturbinenanlage

Info

Publication number: DE2635993C3
Application number: DE2635993A
Authority: DE
Inventors: Göran Dipl.-Ing. Finspaang Nilsson
Original assignee: Stal Laval Turbin AB
Current assignee: ABB Stal AB
Priority date: 1975-08-29
Filing date: 1976-08-11
Publication date: 1982-06-16
Also published as: CH608860A5; SE393160B; DE2635993A1; US4045955A; SE7509603L; DE2635993B2; GB1552990A

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffregelung für eine Gasturbinenanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruches. Eine solche Brennstoffregelung ist im wesentlichen bekannt aus der DE-PS 9 54 117.

Bei den meisten Gasturbinenanlagen besteht der Druckgaserzeuger aus einem Kompressor, einer Brennkammer und einer Gasturbine, die den Kompressor antreibt und eine Hochdruckturbinenstufe darstellt, von der aus die Abgase zur Nutzleistungsturbine geleitet werden. Der Gaserzeuger kann aber auch einfach aus einer Brennkammer bestehen, die von einem Luftspeicher gespeist wird.

tn den bekannten Fällen ist eine durch einen Regler gesteuerte Brennstoffzumeßeinrichtung zur Steuerung des Brennstoffflusses erforderlich, damit beispielsweise bei einer Entlastung der Nutzleistungsturbine der Brennstofffluß vermindert wird, und zwar — wenn notwendig — auf einen Mindestwert, der gerade ausreicht, den Gaserzeuger in Gang zu halten.

Wenn diese Regelung aus irgendeinem Grunde versagt, so besteht die Gefahr, daß die Nutzleistungstur· bine gefährliche Überdrehzahlen annimmt Aus diesem Grunde ist die Brennstoffzumeßeinrichtung des Gaserzeugers mit irgendeiner Notauslöseanordnung versehen, welche die Brennstoffzufuhr unterbricht, wenn die Drehzahl der Turbine einen bestimmten über der Nenndrehzahl liegenden Wert überschreitet Um ein unerwünschtes Ansprechen dieser Notauslöseanordnung zu vermeiden, darf die genannte Ansprechdrehzahl nicht zu niedrig gewählt werden. Dies hat zur Folge, daß die Turbine sehr hohe Drehzahlen erreichen kann, bevor die Auslösung wirksam wird und die Drehzahl wieder herabgesetzt wird. Dieses kurzfristige

ίο Auftreten hoher Drehzahlen ist unerwünscht

Bei der aus der DE-PS 9 54 117 bekannten Gasturbinenanlage besteht der Gaserzeuger aus einer Mehrzahl von Treibgaserzeugern mit Freiflugkolben. Die Brennstoffzufuhr kann durch zwei hintereinander geschaltete

is Abstellvorrichtungen unterbrochen werden. Die erste Abstellvorrichtung ist für alle .Treibgaserzeuger gemeinsam und spricht an, wenn die Drehzahl der Turbine einen bestimmten Wert überschreitet Die zweite Absperrvorrichtung ist für jeden Treibgaserzeuger

individuell vorhanden und spricht an, wenn der Hub des Freiflugkolbens zu groß wird. Diese zweite Ansprechvorrichtung hat also allein den Zweck, den jeweiligen Treibgaserzeuger zu schütten. Ihr Ansprechen ist unabhängig von der Drehzahl der Turbine. Das im vorangegangenen Absatz beschriebene kurzfristige Auftreten hoher Drehzahlen kann mit dieser bekannten Anordnung nicht verhindert werden.

Es ist auch bereits bekannt, bei Gasturbinenanlagen zur Regelung der Brennstoffzufuhr den Differentialquo-

tienten der Drehzahl der Nutzleistungsturbine zu verarbeiten. So ist aus der GB-PS 8 52 346 eine Gasturbinenanlage bekannt, bei der zur Verhinderung eines unerwünschten Abreißens des Gasstromes bei schneller Beschleunigung die Größe, weiche das

Brennstoffventil steuert, in Abhängigkeit der Differenz

aus dem Differentialquotienten, der Drehzahl und einer zweiten Größe, die von der Temperatur, dem Druck und der Drehzahl der Turbine abhängt gebildet wird.

Aus der DE-OS 19 02 356 ist ein«; Drehzahlregelung

einer Gasturbine bekannt, bei der die Brennstoffzufuhr das Stellglied der Regelung ist Dabei wird von dem allgemeinen Regelungsprinzip Gebrauch gemacht, neben der Proportionalregelung eine Integral- und Differentialregelung zusätzlich durchzuführen. Alle drei Regelabweichungsanteile werden additiv und ständig auf das Stellglied gegeben. Eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines die normale Regelung übersteuernden Auslösesignals bei Überdrehzahlen ist bei dieser Gasturbinenanlage nicht vorhanden.

sä Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffregelung der eingangs genannten Art zu entwickeln, bei der die Notauslösung zur Verhinderung zu. hoher Drehzahlen der Nutzleistungsturbine durch eine Schaltungsanordnung erreicht wird, die einerseits sehr empfindlich ist, andererseits aber unerwünschte und unnötige Notauslösungen verhindert

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Brennstoffregelung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, die erfindungsgemäß die im kennzeichnenden

Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in dem Unteranspruch genannt

Die für die Brennstoffregelung gemäß der Erfindung verwendete Schaltungsanordnung für die Notauslösung

verarbeitet also die Drehzahl der Nutzleistungsturbine, den Differentialquotienten dieser Drehzahl und einen geeigneten Arbeitsparameter des Gaserzeugers. Bereits das Zusammenwirken der beiden erstgenannten Grö-

If Den zeigt in einem frühsn Stadium an, ob es zu

m gefahrlichen Oberdrehzahlen kommen kann. Durch die

pi Hinzunahme der dritten Größe wird eine klare Aussage

is darüber erreicht, ob der Brennstoffregler vorschriftsmä-

|! Big 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.

Die Anlage besteht aus einem Kompressor 1, von dem Druckluft zu einer Brennkammer 2 geleitet wird, von welcher die heißen Gase zu einer Turbine 3 strömen, die den Kompressor 1 antreibt Die Abgase der Turbine 3 werden zu einer Nutzleistungsturbine 4 geleitet, die einen Generator 5 antreibt, der in ein Wechselstromnetz 6 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 Nutzleistungsturbine 4 und auf den anderen der entsprechende Istwert gegeben, der beispielsweise durch die Frequenz des Wechselstromnetzes gewonnen werden kann.

Um sicherzustellen, daß die Nutzleistungsturbine 4 keine gefährlichen Oberdrehzahlen erreicht, wenn der Regler 9 im Falle einer (plötzlichen) Entlastung nicht schnell genug oder überhaupt nicht ansprechen sollte, gibt es verschiedene Arten von Notauslösungen zürn Schließen des Regelventils 7. Eventuell genügt es, das Ventil 7 auf einen minimalen Brennstofffluß zu drosseln, so daß der Gaserzeuger 1—3 im Leerlauf in Betrieb bleibt Ferner kann man einen elektrischen Drehzahlsignalgeber 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 12 und 13 besteht — wie bereits erwähnt - darin, daß zur Verhinderung einer ungewollten Auslösung ihr Auslöseniveau verhältnismäßig hoch liegen muß, so daß die Nutzleistungsturbine gefährlich hohe oder zumindest unerwünscht hohe Drehzahlen erreichen kann, bevor die Hemntersteuerung wirksam wird.

Eine schnellere und sicherere Auslösung kann man gemäß der Erfindung mit Hilfe der Signalgeber 15 bis 17 erzielen. Auch diese Signalgeber sind an den Generator 12 angeschlossen, wobei die Glieder 15 und 17 Diskriminatoren sind und das Glied 16 ein Differenzierglied ist Durch die Kombination dieser Glieder kann der Diskriminator 15 so eingestellt werden, daß er ein Signal bei einer kleineren Drehzahl abgibt als der Diskriminator 13, ohne daß die Gefahr einer unerwünschten Auslösung besteht Der Diskriminator 17 gibt ein Signal, wenn der vom Differenzierglied 16 gebildete zeitliche Differentialquotient der Drehzahl einen bestimmten Wert überschreitet, was bedeutet daß die Drehzahl, mit einer bestimmten Geschwindigkeit es zunimmt Wenn der Diskriminator 15 zugleich anzeigt, daß die Drehzahl bereit, groß ist, so besteht die Gefahr einer gefahrlichen 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 Gaserzeugers 1 —3. Das Signal vom Generator 19 ist über ein Differenzierglied 20 und einen Diskriminator 21 auf einen Eingang des UND-Gliedes 18 durchgeschaltet, wenn der vom Differenzierglied 20 gebildete zeitliche Differentialquotient der Drehzahl einen bestimmten negativen Wert überschreitet

Das Ausgangssignal des Diskriminators 21 ist im Normalzustand als stationärer Wen vorhanden. Dieses Signal ist von Bedeutung, wenn die Glieder 15 und 17 gleichzeitig ein Signal geben, was bedeutet, daß die Drehzahl der Nutzleistungsturbine t einen bestimmten Wert erreicht hat und mit einer über ?inem 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 Differenzierglied 20 gebildete Differentialquotient den im Diskriminator 21 eingestellten negativen Wert unterschreitet so verschwindet das Ausgangssignal 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 Nutzleistungsturbine 4 durch die Wirkung des Reglers 9 trotz erhöhter und noch zunehmender Drehzahl rechtzeitig wieder gebremst wird.

Kann dagegen der Regler 9 den Brennstofffluß durch das Ventil 7 nicht schnell genug steuern, so wird auch der Gaserzeuger 1 bis 3 nicht schnell genug heruntergesteuert Das Ausgangssignal des Diskriminators 21 bleibt also bestehen, so daß alle drei Eingänge des UND-Gliedes 18 mit einem Signal belegt sind und ein Auslösesignal über das UND-Glieü 18 und das ODER-Glied 14 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 des Gliedes 13 möglichst nicht niedriger als ca. 112% der normalen Drehzahl liegen, wenn eine unerwünschte Auslösung vermieden werden soll. Dies bedeutet, daß die Drehzahl der Nutzleistungsturbine 4 sehr gut bis auf 120% der Nenndrehzahl ansteigen kann, bevor die Bremsung wirksam wird, was als unzweckmä ßig hoch anzusehen ist

Mit der Kombination aus den Gliedern 15,17 und 21 kann der Schwellwert des Diskriminators 15 bedeutend herabgesetzt werden, zum Beispiel auf 108% der Nenndrehzahl der Nutzleistungsturbine 4. Der Schwellwert des Gliedes 17 kann dann auf 180 UpM/s festgesetzt werden, während der Schwellwert fur das Glied 21 auf -lOOUpM/s festgesetzt werden kann. Wenn das Signal vom Glied 20 über diesem Wert liegt, ist nicht mehr gewährleistet, daß der Eingriff des

Reglers 9 schnell genug ist, so daß ein Auslösesignal gegeben werden muß.

Der Gaserzeuger 1 bis 3 ist als einstufiges Aggregat dargestellt, bei dem nur eine Drehzahl zur Verfügung steht Wenn der Gaserzeuger 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 enthalt, durchgeführt, da diese am schnellsten anspricht.

Anstelle der Messung der Gaserzeugerdrehzahl kann beispielsweise auch der Brennstofffluß durch das Regelventil 7 gemessen werden, und zwar mittels einer Meßdrossel 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, 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 21 einen Arbeitsparameter für den Gaserzeuger anzuschließen, so daß man feststellen kann, ob der Regler 9 zufriedenstellend arbeitet.

Wenn der Gaserzeuger 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1, Brennstoffregelung für eine aus einem Gaserzeuger und einer freien Nutzleistungsturbine bestehenden Gasturbinenanlage mit einer Schaltungsanordnung zur Verminderung von Oberdrehzahlen, bei der eine Brennstoffzuroeßeinrichtung normal auf eine Stellgröße eines Regelkreises zur Beeinflussung der Brennstoffzufuhr zum Gaserzeuger anspricht und die Stellgröße der Unterbrechung bzw. Verminderung der Brennstoffzufuhr bei Überdrehzahlen der Nutzleistungsturbine durch ein von der Schaltungsanordnung abgegebenes Auslösesignal übersteuerbar ist, wobei die Schaltungsanordnung einen ersten Signalgeber zur Erfassung der Drehzahl der Nutzleistungsturbine, dessen Ausgang mit dem Eingang eines Schwellwertgliedes verbunden ist, und einen zweiten Signalgeber zur Erfassung einer Betriebske^ngröße des Gaserzeugers, dessen Ausgang mit dem Eingang eines weiteren Schwellwertgliedes verbunden ist, aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des ersten Signalgebers (12) auch mit einem Eingang eines Differenziergliedes (16) verbunden ist, dessen Ausgang mit dem Eingang eines dritten Schwellwertgliedes (17) in Verbindung steht und daß die Ausgänge aller drei Schwellwertglieder (15, 21, 17) mit je einem Eingang eines UND-Gliedes (18) verbunden sind.
2. Brennstoffregelung nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des ersten Signalgebers (12) auch mit dem Eingang eines vierten SchwellwertgKed« (13) verbunden ist, dessen Schwellwert größer ist als der Schwellwert des ersten Schwellwertgliedes (15) und daß der Ausgang des vierten Schwellwertgliedes (13) mit dem Eingang eines ODER-Gliedes in Verbindung steht, dessen anderer Eingang mit dem Ausgang des UND-Gliedes (18) verbunden ist