DE4023900A1 - Vorrichtung zum regeln einer turbine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Regeln einer Turbine mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.

Turbinen können an unterschiedliche Belastungen durch eine Anpassung der Geometrie, wie z. B. verstellbare Düsenquerschnitte oder Schaufeln oder durch eine Anpassung des Zustandes des Strömungsmediums, z. B. Druck oder Temperatur geregelt werden. Eine Kombination beider Arten stellt die Düsengruppenregelung dar, auf die sich die Erfindung bezieht. Die Düsenfläche ist in Düsengruppen aufgeteilt, die mit jeweils einem Regelventil versehen, zu- oder abgeschaltet werden können. Damit werden je nach Anzahl der Düsengruppen sogenannte Ventilpunkte erreicht, in denen das Medium nahezu ungedrosselt zu den Düsen strömen kann. Zwischen den Ventilpunkten wird das Medium in der jeweils letzten Düsengruppe so weit gedrosselt, wie es der Belastung der Turbine entspricht. Daraus ergibt sich die Belastungskurve der Turbine, die nur in den Ventilpunkten optimale Wirkungsgrade aufweist und dazwischen zum Teil erhebliche Drosselverluste hat. Die Größe der Drosselverluste hängt ab von der Anzahl der Ventilpunkte, die bei den bekannten Turbinen mit der Zahl der Düsengruppen übereinstimmt, und von dem Anteil des Regelstufengefälles am Gesamtgefälle der Turbine. Je kleiner die Düsengruppenanzahl ist und je größer das Regelstufengefälle ist, desto höher werden die Verluste. Kleine Turbinen haben im allgemeinen höhere Regelverluste, unter anderem weil wegen der Baugröße die Anzahl der unterzubringenden Düsengruppen beschränkt ist.

Die Steuerung der Regelventile kann mechanisch über Hebel oder Kurven erfolgen oder kann hydraulisch, pneumatisch oder elektrisch sein. In jedem Fall erfolgt das Öffnen und Schließen der Ventile nach einer fest vorgegebenen Reihenfolge, wobei im allgemeinen ein proportionaler Anstieg der Turbinenleistung über der Ventilöffnungsstellung angestrebt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Drosselverluste beim Regeln einer Turbine ohne apparativen Mehraufwand zu verringern.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei der Erfindung wird das bisher bekannte starre Öffnungsschema der Drosselorgane durch ein optimiertes Öffnen und Schließen ersetzt. Dadurch kann, ohne daß die Zahl der Düsengruppen und der Drosselorgane erhöht wird, die Anzahl der Ventilpunkte vermehrt werden, in denen das Medium ungedrosselt den Düsen zuströmen kann. Wird die Gesamtquerschnittsfläche der einzelnen Düsengruppen gemäß Anspruch 2 aufgeteilt, so ergeben sich im Betriebsbereich bei vorgegebener Anzahl der Düsengruppen kleinstmögliche Abstände zwischen den so geschaffenen Ventilpunkten.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den Längsschnitt durch eine Turbine,

Fig. 2 den Schnitt II-II nach Fig. 1,

Fig. 3 ein Diagramm zur Abhängigkeit der Durchflußmenge von der Leistung (Verbrauchskurve der Turbine),

Fig. 4 ebenfalls ein Diagramm zur Abhängigkeit der Durchflußmenge von der Leistung und

Fig. 5 ein Diagramm zur Abhängigkeit der Durchflußmenge und der Leistung von der Zeit während des Umsteuervorganges.

Eine Turbine weist ein Gehäuse 1 auf, in dem ein Turbinenrad 2 umläuft. Im dargestelten Fall ist die Turbine eine Dampfturbine. Die nachfolgenden Erläuterungen können in gleicher Weise auch für andere Turbinen, z. B. für Entspannungsturbinen für Erdgas gelten. In dem Gehäuse 1 ist eine Eintrittskammer 3 für den zu entspannenden Dampf vorgesehen. Der Austrittsquerschnitt der Eintrittskammer 3 ist durch Düsen 4 gebildet, die zu Gruppen zusammengefaßt sind.

Die Eintrittskammer 3 ist in mehrere Eintrittsteilkammern 3a, 3b, 3c aufgeteilt. Wie aus der Fig. 2 zu erkennen ist, ist jede Düsengruppe einer dieser Eintrittsteilkammer 3a, 3b, 3c zugeordnet. Jede Eintrittsteilkammer 3a, 3b, 3c ist mit einer eigenen Zuführungsleitung 5 verbunden, in der ein Drossel- oder Stellorgan in Form eines Ventiles 6 angeordnet ist. Die Ventile 6 sind mit einem elektrischen, pneumatischen, oder hydraulischen Antrieb 7 versehen. Jeder Antrieb 7 wird über einen Stellungsregler 8 gesteuert, der durch eine Steuerleitung 10 mit einem Regler 9 verbunden ist. Dieser Regler 9 steuert jedes Ventil 6 einzeln an.

Gemäß Fig. 2 sind drei Düsengruppen und damit drei Ventile 6 vorgesehen. Die Gesamtquerschnittsfläche der Düsengruppen ist unterschiedlich groß. Vorteilhaft ist es, die Gesamtquerschnittsfläche einer Düsengruppe jeweils halb so groß zu wählen, wie die Gesamtquerschnittsfläche der nächsten Düsengruppe. Bei drei Düsengruppen ergibt sich damit ein Verhältnis der Gesamtdüsenfläche von 1 : 2 : 4.

Die Durchflußmenge des zu entspannenden Mediums durch die Turbine wird in Abhängigkeit von der geforderten Leistung eingestellt. Eine verlustfreie Regelung ist durch den Verlauf der geradlinigen Kurve 11 in Fig. 3 gegeben. Drosselverluste entstehen in den Ventilen 6, wenn diese zur Einstellung der geforderten Durchflußmenge nur teilweise geöffnet sind. Die bisherige Steuerung erfolgte durch ein starres Öffnungsschema der einzelnen Ventile 6, indem zuerst das erste, zu der ersten Düsengruppe führende Ventil geöffnet und danach zusätzlich das zweite und das dritte Ventil geöffnet wurde. Dieses Öffnungsschema ergibt den Verlauf der oberen Kurve 12 in Fig. 3. Dieser Kurvenverlauf ist durch drei Ventilpunkte I, I + II, I + II + III gekennzeichnet, die dem vollständig geöffneten Zustand eines oder mehrerer Ventile entsprechen. Nur in diesen Ventilpunkten kann das Medium nahezu ungedrosselt den Düsen zuströmen.

Sind die Ventile 6 über den Regler 9 einzeln ansteuerbar, so besteht die Möglichkeit, das bekannte starre Öffnungsschema durch ein optimiertes Öffnen oder Schließen der Ventile 6 zu ersetzen. Sind drei Düsengruppen vorgesehen, deren Gesamtfläche im Verhältnis 1 : 2 : 4 aufgeteilt ist, so werden die Ventile 6 nach dem folgenden Schema angesteuert.

Dieses Regelschema ergibt den Verlauf der mittleren Kurve 13 in Fig. 3. Obwohl nur drei Düsengruppen und damit drei Ventile vorhanden sind, hat sich die Zahl der drosselverlustfreien Ventilpunkte auf sieben erhöht. Diese Ventilpunkte sind in Fig. 3 mit 1, 2, 2 + 1, 3, 3 + 1, 3 + 2 2 + 2 + 1 bezeichnet. Diese Ziffern geben an, welche Ventile geöffnet sind. Durch die Erhöhung der Anzahl der Ventilpunkte beträgt der Abstand zwischen benachbarten Ventilpunkten nur noch 14,3% der Gesamtdurchflußmenge. Es zeigt sich, daß gegenüber einem starren Öffnungsschema durch die unabhängige Ansteuerung der einzelnen Ventile 6 die Drosselverluste, die durch teilweise geöffnete Ventile hervorgerufen werden, gesenkt werden können.

Der Turbinenbetrieb zwischen den genannten Ventilpunkten und der Umsteuervorgang von einem zum nächsten Ventil werden ebenfalls optimiert. Ist beispielsweise das erste Ventil voll geöffnet und soll der Durchfluß weiter gesteigert werden, so muß das zweite Ventil geöffnet werden. Das voll geöffnete erste Ventil bringt ohne Drosselverluste eine höhere Leistung, als wenn das zweite Ventil, halb geöffnet, die gleiche Menge, jedoch mit erheblichen Drosselverlusten durchläßt. Das erste Ventil wird daher zunächst noch offen gelassen, und die volle Leistung wird beibehalten. Das zweite Ventil wird geöffnet, wenn sich auch daraus keine nennenswerte Leistungserhöhung ergibt. Fig. 4 zeigt, daß der Punkt der optimalen Umsteuerung erreicht ist, wenn die Leistung aus der Menge des voll geöffneten ersten Ventils und die Leistung aus der Menge des gedrosselten zweiten Ventils gleich groß sind und der Leistung entsprechen, wenn beide Mengen nur durch das zweite Ventil strömen würden.

Der optimale Punkt zur Umsteuerung läßt sich errechnen oder zeichnerisch ermitteln, wenn die Durchfluß/Leistungs-Kurven der Düsengruppen vorliegen. Zeichnerisch geschieht dies dadurch, indem bei gleichen Maßstäben die Kurve des ersten Ventils so in die Kurve des zweiten Ventils übertragen wird, daß die Endpunkte der ersten Kurve parallel verschoben auf der zweiten Kurve liegen. Der Endpunkt der ersten Ventilkurve auf der zweiten Ventilkurve gibt den Gesamtdurchfluß an, bei dem das erste Ventil beim Hochfahren geschlossen werden bzw. beim Herunterfahren geöffnet werden sollte.

Beim Umsteuern der Ventile verursacht für eine kurze Zeit das erste Ventil zwischen den beiden Endpunkten Drosselverluste, die nicht zu vermeiden sind. Hier muß entschieden werden, welcher Parameter, die Durchflußmenge oder die Leistung, konstant gehalten werden soll, und wie diese kurzzeitige Schwankung den Betrieb der Anlage beeinflußt. In diesem Beispiel wurde der konstante Durchfluß als wichtiger angesehen als die relativ geringe Leistung, die in ein großes elektrisches Netz eingespeist wird. Das erste Ventil wird ungeregelt geschlossen. Das zweite Ventil wird nach einer Kurve, die aus dem Schließverhalten des ersten Ventils ermittelt wurde, so geöffnet, daß der Massenstrom konstant bleibt. Wie Fig. 5 zeigt, sinkt dabei die Leistung zunächst ab, steigt dann aber wieder bis auf den ursprünglichen Wert an.

Ein weiteres Kriterium ist die Stabilität der Regelung. Es muß sichergestellt werden, daß in jedem Betriebspunkt eine klar definierte Ventilstellung vorliegt, um ein Pendeln der Ventile zu vermeiden. Dies ist zu erreichen, indem man den Umschaltpunkt beim Abfahren tiefer legt als beim Hochfahren. Damit kann sichergestellt werden, daß wenn der Ventilumsteuerpunkt als Betriebspunkt vorgegeben wurde, dies nur für das Hochfahren oder das Herunterfahren möglich ist. Bei einer Umschaltung bleibt der Betrieb stabil, so daß Betriebsschwankungen durch die hystereseartige Einstellung aufgefangen werden können.

Claims (4)

1. Vorrichtung zum Regeln einer Turbine mit einem mit Schaufeln versehenen Turbinenrad (2), das in einem, mit einer Eintrittskammer (3) für das zu entspannende Medium versehenen Gehäuse (1) umläuft, wobei zwischen der Eintrittskammer (3) und der Beschaufelung des Turbinenrades (2) Düsen (4) vorgesehen sind, die zu mehreren Gruppen zusammengefaßt sind und jede Düsengruppe mit einer ein Drosselorgan (6) aufweisenden Zuführungsleitung (5) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtquerschnittsfläche der einzelnen Düsengruppen unterschiedlich groß ist und daß die Antriebe (7) der Drosselorgane (6) nach einem vorherbestimmten Programm einzeln ansteuerbar sind, bei dem dasjenige Drosselorgan (6) oder diejenigen Drosselorgane (6) geöffnet sind, deren ungedrosselte Durchflußmenge der geforderten Gesamtdurchflußmenge am nächsten liegt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtquerschnittsfläche einer Düsengruppe jeweils halb so groß ist wie die Gesamtquerschnittsfläche der nächsten Düsengruppe.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Umsteuerpunkt der Drosselorgane (6) bei einer Leistungssteigerung nach oben und bei einer Leistungsverminderung nach unten verschoben ist.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß beim Umsteuern der Drosselorgane (6) die Durchflußmenge oder die Leistung konstant gehalten ist.