Regelanordnung für eine Gasturbinenanlage Unter einer Gasturbinenanlage
mit vorgeschalteter, als Brennkraftumformer (Treibgaserzeuger) wirkender Brennkraftmaschine
soll eine Maschinenanordnung verstanden werden, die aus einer Brennkraftkolbenmaschine,
aus einem mit ihr gekuppelten Verdichter für ihre Verbrennungsluft und aus einer
Turbine besteht, die von den gespannten Abgasen der Brennkraftmaschine beaufschlagt
wird und von der allein die Nutzleistung abgenommen wird.Control arrangement for a gas turbine plant under a gas turbine plant
with an upstream internal combustion engine acting as an internal combustion power converter (propellant gas generator)
a machine arrangement is to be understood that consists of an internal combustion piston engine,
from a compressor coupled to it for its combustion air and from one
There is a turbine, which is acted upon by the stressed exhaust gases of the internal combustion engine
and from which only the useful power is removed.
Zur Regelung eines solchen Maschinensatzes ist vorgeschlagen worden,
bei Belastungsänderungen sowohl die Brennstoffzufuhr zur Brennkraftmaschine wie
auch die Treibgaszufuhr zur Turbine zu verändern und beide Regeleingriffe gleichzeitig
vorzunehmen, etwa in der Weise, daß man einen auf der Turbinenwelle angeordneten
Drehzahlregler auf die Brennstoffsteuerung der Kolbenmaschine und zugleich auf eine
Drossel- oder Düsensteuerung der Turbine einwirken läßt.To control such a machine set, it has been proposed that
in the event of load changes, both the fuel supply to the internal combustion engine and
also to change the propellant gas supply to the turbine and both control interventions at the same time
undertake, for example, in such a way that one is arranged on the turbine shaft
Speed controller on the fuel control of the piston engine and at the same time on one
Allow throttle or nozzle control of the turbine to act.
Durch die vorliegende Erfindung soll dieses Regelverfahren dadurch
verbessert werden, daß zwei Regler vorgesehen werden, von denen der eine als Drehzahlmesser,
der andere als Energiemesser ausgebildet ist. Erfindungsgemäß soll der Drehzahlmesser
in bekannter Weise über eine Drosselregelitng nur die Treibgaszufuhr zur Turbine
beeinflussen und ihre Drehzahl konstant halten, während der Energiemesser auf die
Brennstoffzufuhr zur Brennkraftmaschine einwirkt und dadurch die von der Brennkraftmaschine
gelieferte Energiemenge beeinflußt. Da der Energiemesser, wenn er beispielsweise
als elektrischer Leistungsmesser ausgebildet wird, jede Belastungsänderung der Turbine
sofort anzeigt, im Gegensatz zu einem Drehzahlmesser, der erst auf die Auswirkung
einer solchen Belastungsänderung anspricht, setzt die von dem Energiemesser abhängige
Brennstoffregelung früher ein, als wenn sie von dem Drehzahlmesser abhängig gemacht
würde. Damit erhält also die eine Regelung einen zeitlichen Vorsprung vor der anderen,
und das ist erwünscht, weil der Brennkraftumformer sich zuerst auf die Erzeugung
der erforderlichen Energiemenge einstellen muß, bevor die Gasturbine die neue Belastung
übernehmen kann. In dieser Hinsicht unterscheidet sich die Gasturbinenanlage von
einer Dampfturbinenanlage, die in dem Dampfkessel ein großes Speichervermögen besitzt.
Dieses Speichervermögen fehlt bei der Gasturbinenanlage, wenigstens in jenem Umfange,
und'muß durch eine möglichst schnelle Einregelung des Brennkraftumformers ersetzt
werden. Das Mittel dazu ist, wie gesagt, die Abhängigmächung der Brennstoffsteuerung
von einem auf Belastungsänderungen sofort ansprechenden Energiemesser.The present invention is intended to make this control method
be improved that two controllers are provided, one of which as a tachometer,
the other is designed as an energy meter. According to the invention, the tachometer
in a known way only the propellant gas supply to the turbine via a throttle control
influence and keep their speed constant while the energy meter is on the
Acts fuel supply to the internal combustion engine and thereby that of the internal combustion engine
affects the amount of energy supplied. As the energy meter, for example
is designed as an electrical power meter, any change in load on the turbine
immediately shows, in contrast to a tachometer, which only shows the effect
responds to such a load change, sets the dependent on the energy meter
Fuel control earlier than if made dependent on the tachometer
would. This gives one regulation a time advantage over the other,
and this is desirable because the internal combustion converter focuses on generating first
the required amount of energy must adjust before the gas turbine the new load
can take over. In this respect, the gas turbine plant differs from
a steam turbine system, which has a large storage capacity in the steam boiler.
This storage capacity is lacking in the gas turbine plant, at least to the extent that
und'must replaced by the fastest possible adjustment of the internal combustion converter
will. As already mentioned, the means for this is to make the fuel control dependent
from an energy meter that reacts immediately to changes in load.
Soweit es sich um langsame und mäßige Belastungsänderungen handelt,
wird die vorstehend beschriebene Regelanordnung ihre Aufgabe
erfüllen.
Anders dagegen, wenn plötzliche und starke Belastungsänderungen, sog. Belastungsstöße,
auftreten. Schon von Dampfkraftanlagen weiß man, daß dabei Regelschwierigkeiten
auftreten, um so mehr ist dies der Fall bei Gasturbinenanlagen. Man hat nun bereits
vorgeschlagen, solche Belastungsstöße dadurch abzufangen, daß den von dem Brennkraftumformer
gelieferten Treibgasen zusätzliche Energie von außen zugeführt oder ihnen Energie
entzogen wird, so lange, bis die Hauptregelung sich der neuen Belastung angepaßt
hat. Gemäß der vorliegenden Erfindung soll diese Zusatzregelung als Stoßfangregelung
mit der Hauptregelung in der Weise in Verbindung gebracht werden, daß sie ebenso
wie die Brennstoffregelung von einem Energiemesser betätigt wird. Die hierdurch
erreichte Schnelligkeit der Regelung erreicht einen Höchstwert, wenn die bei einem
Belastungsstoß von außen zuzuführende Energie stets betriebsbereit zur Verfügung
steht, d. h. einem Heißluft-oder Dampfspeicher entnommen wird, wobei es besonders
wirtschaftlich ist, wenn diese Speicherenergie aus der Abgaswärme der Turbine ganz
oder zum mindesten teilweise gedeckt wird.As far as slow and moderate changes in load are involved,
the control arrangement described above will do its job
fulfill.
On the other hand, it is different if sudden and strong changes in load, so-called load surges,
appear. It is already known from steam power plants that there are control problems
occur, the more this is the case with gas turbine systems. You already have
proposed to intercept such load surges in that the internal combustion converter
Propellant gases supplied with additional energy from the outside or energy supplied to them
is withdrawn until the main control adapts to the new load
Has. According to the present invention, this additional control is intended as a shock control
be associated with the main regulation in such a way that they are likewise
how the fuel control is operated by an energy meter. The result
achieved speed of regulation reaches a maximum value when the at one
External energy to be supplied is always available and ready for use
stands, d. H. a hot air or steam accumulator is taken, it being special
It is economical if this storage energy is entirely derived from the exhaust heat of the turbine
or at least partially covered.
Ein Ausführungsbeispiel ist in Abb. i und 2 dargestellt. Der Brennkraftumformer
besteht aus der Brennkraftmaschine i und dem mit ihr gekuppelten Verdichter 2. Der
Verdichter saugt die Verbrennungsluft durch die Leitung 3 an und fördert sie durch
die Leitung 4 in die einzelnen Zylinder 5 der Brennkraftmaschine. Die unter Druck
stehenden Abgase der Brennkraftmaschine strömen durch die Leitung 6 als Treibgase
zur Gasturbine 7, die einen elektrischen Generator 8 antreibt. Aus der Turbine strömen
die Abgase durch das Rohr g ab und entweichen durch die Leitung io ins Freie. Ein
auf der Turbinenwelle angeordneter Drehzahlmesser ii, für den man auch einen Frequenzmesser
wählen könnte, wirkt, wie durch die gestrichelte Linie 12 angedeutet ist, auf ein
Drosselventil 13 ein zur Beeinflussung der Treibgaszufuhr zur Turbine 7. Ein zweiter
Messer 14 ist ein Energiemesser, der, wenn er als Wattzähler oder Amperezähler ausgebildet
wird, an die Stromschienen des Generators 8 angeschlossen zu denken ist. Durch die
gestrichelte Linie 15 ist angedeutet, daß der Messer 14 auf die Brennstoffsteuerung
für die Zylinder 5 der Brennkraftmaschine einwirkt. Derselbe Messer wirkt, wie die
gestrichelten Linien 16 und 17 zeigen, außerdem auf die Regelorgane 18 und ig ein,
die in den Leitungen 2o und 2i angeordnet sind. Die Art und Weise, wie diese Einwirkung
erfolgt, geht aus der später beschriebenen Abb. 2 hervor. Dürch die Leitung 2o wird
der Turbine im Bedarfsfalle, d. h. bei einem Belastungsstoß, zusätzliche Energie,
die in dem Behälter 22 gespeichert ist, zugeführt. Die gespeicherte Energie kann
Druckluft sein, die aus einer besonderen Kraftquelle dem Behälter 22 durch die Leitung
23 zugeführt wird und durch die Abgaswärme erhitzt wird. Man kann sich den Behälter
22 aber auch als Dampfspeicher denken, dessen Dampf aus der Abgaswärme erzeugt wird.
Durch die Leitung z i wird bei einem Entlastungsstoß überschüssige Treibgasenergie
aus der Turbinenkammer unter Umgehung der Turbine unmittelbar in die Abgasleitung
g abgelassen.An exemplary embodiment is shown in FIGS. 1 and 2. The internal combustion converter
consists of the internal combustion engine i and the compressor 2 coupled to it
Compressor sucks in the combustion air through line 3 and conveys it through
the line 4 into the individual cylinders 5 of the internal combustion engine. The ones under pressure
Standing exhaust gases from the internal combustion engine flow through line 6 as propellant gases
to the gas turbine 7, which drives an electric generator 8. Flow from the turbine
the exhaust gases through the pipe g and escape through the line io to the outside. A
tachometer ii arranged on the turbine shaft, for which a frequency meter is also required
could choose acts, as indicated by the dashed line 12, on a
Throttle valve 13 a to influence the propellant gas supply to the turbine 7. A second
Knife 14 is an energy meter that, when designed as a watt meter or ampere meter
is to be thought of connected to the busbars of the generator 8. Through the
Dashed line 15 indicates that the knife 14 is on the fuel control
acts for the cylinder 5 of the internal combustion engine. The same knife works as that
dashed lines 16 and 17 show, in addition to the control elements 18 and ig a,
which are arranged in lines 2o and 2i. The way that this impact
takes place, emerges from Fig. 2 described later. Through the line 2o becomes
the turbine if necessary, d. H. in the event of a load surge, additional energy,
which is stored in the container 22 is supplied. The stored energy can
Be compressed air, the container 22 through the line from a special power source
23 is supplied and heated by the exhaust gas heat. You can look at the container
But also think of it as a steam store, the steam of which is generated from the heat of the exhaust gas.
In the event of a discharge surge, excess propellant gas energy is released through the line z i
from the turbine chamber, bypassing the turbine, directly into the exhaust pipe
g drained.
Die in Abb. 2 in ihren Einzelheiten dargestellte Regelvorrichtung
arbeitet in der Weise, daß der Energiemesser 14 über eine bekannte, mit Drucköl
betriebene Hilfssteuerung 24 einen Servomotorkolben 25 betätigt. Von diesem Kolben
wird einerseits ein Gestänge 26, 27 verstellt, das auf die Brennstoffsteuerung einwirkt,
andererseits ein Kolben z8 verschoben,, der in einem mit 01 gefüllten geschlossenen
Zylinder 29 angeordnet ist. Der Zylinder 29 ist über den im festen Drehpunkt
30 gelagerten doppelarmigen Hebel 31 an eine Stange 32 angeschlossen, deren
Endpunkte in den Schlitzen 33 und 34 gelagert sind. Diese Schlitze gehören zu den
nach außen durchgeführten Stangen der beiden Schieber 18 und ig, die durch die Federn
35. und 36 im allgemeinen geschlossen gehalten werden. Kommt nun ein Belastungsstoß,
durch den der Zeiger des Messers 14 im Sinne des Uhrzeigers gedreht wird, so wird
der Kolben 25 nach links verschoben und stellt über das Gestänge 26, 27 auf eine
größere Brennstoffmenge ein. Gleichzeitig wird auch der Kolben 28 nach links verschoben.
Die beiden Zylinderseiten links und rechts von dem Kolben 28 sind nur durch eine
enge Öffnung 37 miteinander verbunden, so daß, wenn ein starker Belastungsstoß kommt,
der Zylinder von dem Kolben 28 mitgenommen wird und über das Gestänge 31, 3a den
Schieber 18 öffnet. Unter dem Einfluß der Feder 35 gleitet der Zylinder 2,9 allmählich
in seine Mittellage zurück und schließt den Schieber 18 wieder. Dadurch wird die
zusätzliche Energie aus dem Speicher22, die durch das Öffnen des Schiebers 18 in
die Turbine eingelassen wurde, wieder abgesperrt. Unterdessen hat sich der Brennkraftumformer
auf den neuen Belastungszustand eingestellt. Bei einem starken Entlastungsstoß wird
analog der Schieber ig betätigt, um Treibgasenergie aus der Turbine abzulassen.
Bei langsamen Belastungsänderungen dagegen bleiben beide Schieber 18, ig geschlossen,
da die Drosselöffnung 37 genügt, um so viel 01 von einer Zylinderseite auf
die andere durchzulassen, daß keine Verschiebung des Zylinders 29 eintritt.The control device shown in detail in FIG. 2 operates in such a way that the energy meter 14 actuates a servomotor piston 25 via a known auxiliary control 24 operated with pressurized oil. From this piston, on the one hand, a linkage 26, 27, which acts on the fuel control, is displaced, on the other hand, a piston z8, which is arranged in a closed cylinder 29 filled with 01, is displaced. The cylinder 29 is connected to a rod 32 via the double-armed lever 31 mounted in the fixed pivot point 30 , the end points of which are mounted in the slots 33 and 34. These slots belong to the outwardly guided rods of the two slides 18 and ig, which are generally kept closed by the springs 35 and 36. If there is now a load shock, by which the pointer of the knife 14 is rotated in the clockwise direction, the piston 25 is shifted to the left and, via the rods 26, 27, adjusts to a larger amount of fuel. At the same time, the piston 28 is also shifted to the left. The two cylinder sides to the left and right of the piston 28 are only connected to one another by a narrow opening 37, so that if a strong load shock occurs, the cylinder is carried along by the piston 28 and opens the slide 18 via the linkage 31, 3a. Under the influence of the spring 35, the cylinder 2.9 gradually slides back into its central position and closes the slide 18 again. As a result, the additional energy from the accumulator 22, which was let into the turbine by the opening of the slide 18, is shut off again. In the meantime, the internal combustion converter has adjusted to the new load condition. In the event of a strong surge of relief, the ig slide is operated in the same way in order to release propellant gas energy from the turbine. At slow load changes on the other hand both slides 18 remain, ig closed since the throttle opening is sufficient 37 to as much 01 by a cylinder side to the other by allowing no displacement of the cylinder 29 occurs.
Die praktische Ausführung ist nicht an die in Abb. i und 2 gewählte
Darstellung gebunden, die in schematischer Form nur das Wesentliche und Grundsätzliche
enthält. Insbesondere sind für die Art der Bewegungsübertragung von dem Energiemesser
14 auf die einzelnen Regelorgane Zweckmäßigkeitsgründe maßgebend, ob man
diese
Übertragung hydraulisch, elektrisch oder sonstwie ausführen will. Ferner ändert
sich grundsätzlich nichts an der gewünschten Wirkung, wenn man die zusätzliche Energie
z. B. in eine Zwischenstufe der Gasturbine oder in ein 'besonderes Turbinenrad einführt
oder wenn man, anstatt Energie abzulassen, eine zusätzliche Drosselung in der Treibgasleitung
6 vornimmt bzw. eine gleichzeitige Drosselung und Abströmung vorsieht. Die Anordnung
und Ausbildung des Dampfspeichers kann nach bewährten Vorbildern unter Hinzufügung
eines hberhitzers erfolgen, wobei Vorsorge getroffen sein kann, daß bei Überschreitung
eines Höchst= druckes der überschüssige Dampf der Turbine zur Erhöhung ihrer Leistung
zugeführt wird.The practical execution is not the one chosen in fig. I and 2
Representation bound, in schematic form only the essentials and fundamental
contains. In particular, are for the type of motion transmission from the energy meter
14 on the individual regulatory bodies expediency reasons decisive whether one
these
Want to carry out transmission hydraulically, electrically or in some other way. Also changes
basically nothing in the desired effect if you use the additional energy
z. B. in an intermediate stage of the gas turbine or in a 'special turbine wheel
or if, instead of releasing energy, an additional throttling in the propellant gas line
6 undertakes or provides for a simultaneous throttling and outflow. The order
and training of the steam accumulator can be based on tried and tested models with the addition of
of a superheater, whereby precautions can be taken that if exceeded
a maximum pressure of the excess steam from the turbine to increase its performance
is fed.