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Verfahren zur Regelung von Gasturbinenanlagen Bei Gasturbinen mit
Gleichdruckverbrennung wird mit Rücksicht auf -den Wirkungsgrad die Treibgastemperatur
bei allen Belastungen so hoch gehalten, als es die Betriebssicherheit der Beschauflung
erlaubt. Erfolgt die Bemessung der Treibgastemperatur durch Kühlluftbeimischung,
so verlangt jede Belastung der Turbine eine bestimmte Luftmenge und diese bei Kreiselverdichtern
eine ganz bestimmte Drehzahl des Verdichters, wenn die Anlage mit gutem Wirkungsgrad
arbeiten soll.
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bfan läßt aus diesem Grund die ihren Verdichter antreibende Gasturbine
wo nur immer möglich mit veränderlicher Drehzahl arbeiten oder führt mit Vorteil
die Anlage mehrwellig aus, wobei die Nutzleistungsturbine gleichbleibende, die den
Verdichter antreibende Gasturbine oder Gasturbinen aber veränderliche Drehzahlen
erhalten. Erschwert wird dadurch allerdings die Regelung, da es nicht möglich ist,
ohne besondere Vorkehrungen die Turbine mit ihrem Verdichter bei größeren und plötzlichen
Belastungszunahmen rasch genug auf die Drehzahl zu beschleunigen, die erforderlich
ist, damit der Verdichter die der neuen Belastung entsprechende Luftmenge liefert.
Es könnte zwar der zu einer Leistungserhöhung erforderliche Brennstoff sofort zugeführt
und einwandfrei verbrannt werden, da dieser in der Kühlluft mehr als genug Sauerstoff
vorfände; diese Maßnahme ist aber nicht ohne weiteres zulässig, da viel zu hohe
Temperaturen entstehen würden. Es würde überdies eine Temperaturerhöhung allein,
ohne gleichzeitige Erhöhung der Treibgasmenge, nicht genügen, um die erforderliche
Beschleunigungsarbeit aufzubringen. Neben dem Kühlmittel muß also auch für ein sofort
zusätzlich zur Verfügung stehendes Treibmittel gesorgt werden.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung von Gasturbinenanlagen
mit einer Gasturbine oder mehreren Gasturbinen, von denen
mindestens
eine eine sich mit der Belastung ändernde Drehzahl aufweist. Das erfinderische Neue
besteht darin, daß den Treibgasen mindestens einer Turbine zur Beschleunigung des
Regelvorganges nur während der Zeit dieses Vorganges Wasser oder Wasserdampf beigemischt
wird.
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Wasser zur Niedrighaltung der Treibgastemperaturen beizumischen ist
bei Gasturbinen schon bekannt, ebenso ist es bekannt, mit Dampf zu kühlen oder vor
allem durch Beimischung von Dampf die Leistung von Gasturbinen zu erhöhen. Diese
Beimischung erfolgte aber stets dauernd, d. h. während der ganzen Betriebszeit,
und bedeutete, sofern der Dampf nicht lediglich aus nicht anders verwertbaren Abwärmen
bestand, stets eine Verschlechterung des Anlagewirkungsgrades. Statt beizumischen,
ist es bekannt, Dampf, der aus Kühlung und Abgaswärme erhalten wurde, in besonderen
Dampfturbinen zu verarbeiten, mit denen z. B. der getrennt angetriebene Verdichter
dauernd betrieben werden kann.
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Im vorliegenden Fall erfolgt das Wassereinspritzen oder die Dampfbeimischung
nur während der kurzen Zeit, die nötig ist, um die durch Belastungsänderungen bedingte
Drehzahlerhöhung herbeizuführen. Diese Zeit ist so kurz, daß eine etwaige Wirkungsgradverschlechterung
keine Rolle spielt. Wird der Dampf aus Abwärmen gewonnen, so fällt auch hier eine
Wirkungsverschlechterung dahin.
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Es ist auch bekanntgeworden, daß bei den Gasturbinen, die Aufladeverdichter
für Brennkraftkolbenmaschinen antreiben, der Regelvorgang durch Druckluft beschleunigt
wird, die in Flaschen gespeichert und zusammen mit den Treibgasen oder getrennt
durch besondere Düsen auf das Turbinenrad geschickt wurde. Dieses Verfahren kann
wohl für die verhältnismäßig kleinen Leistungen der Aufladeeinrichtungen in Betracht
kommen, ist aber für Gasturbinenanlagen, bei denen es sich um Hauptmaschinen handelt,
viel zu unwirtschaftlich, umfangreich und kostspielig.
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In der Abbildung ist eine Anlage gemäß der Erfindung beispielsweise
dargestellt. Das Beispiel betrifft eine Anlage mit zwei Gasturbinen, einer gemeinsamen
Brennkammer und mit Verwendung von Dampf zur Beschleunigung des Regelvorganges.
Die atmosphärische Luft wird vom Verdichter i angesaugt, ver-<lichtet und der
Brennkammer 2 zugeführt, in welcher der Brennstoff verbrannt wird. Nach der Brennkammer
gelangt <las Treibgas einerseits in die Nutzleistungsturbine 3, welche den Stromerzeuger
4 mit gleichbleibender Drehzahl antreibt, und andererseits in die zweite Turbine
5, welche ihre Leistung an den Verdichter i abgibt und mit veränderlicher Drehzahl
betrieben wird. Zur Inbetriebsetzung wird die Verdichtergruppe vom Anwurfsmotor
6 angetrieben. Der Geschwindigkeitsregler 7 bestimmt über eine Kulisse oder Kurvenbahn
8 die Stellung des Brennstoffventils g, das von einem Kraftkolben io und seinem
Steuerkolben ii eingestellt wird. Über eine zweite Kurvenbahn 12 wird die Drehzahlregelung
der Verdichtergruppe beeinflußt, indem über eine dritte Kurvenbahn 13 und einen
Steuer-, 14, und Kraftkolben 13 die Verteilung der Leistungsabgabe von den Treibgasen
an die beiden Turbinen geregelt wird. Im Beispiel sind zwei Drosselglieder 16 und
17 eingezeichnet, welche die Gase abwechselnd vor der einen oder anderen
Turbine drosseln. Statt dieser Drosselglieder können auch Mischventile vorgesehen
werden, die den Treibgasen Kaltluft vom Verdichterdruckstutzen beimischen, oder
die Turbinen können mit einer Einlaßsteuerung versehen sein. Sobald die Verdichtergruppe
die für die Belastung des Stromerzeugers notwendige Drehzahl erreicht hat, stellt
der Geschwindigkeitsregler 18 die Leistungsverteilung zwischen den beiden Turbinen
wieder so weit zurück, daß die Drehzahl des Verdichters nicht weiter ansteigt oder
absinkt.
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Tritt nun eine plötzliche größere Belastungszunahme ein, so spricht
Geschwindigkeitsregler 7 an und gibt mehr Brennstoff. Seine Menge ist aber zunächst
begrenzt, da, die Treibgastemperatur nur noch wenig ansteigen darf. Sie wird überwacht
durch den Temperaturfühler i9. Er spricht an, sobald die Temperatur ihren höchstzulässigen
Wert erreicht hat. Der Temperaturfühler i9 setzt elektrisch oder mechanisch über
den Empfänger 2o den Steuerkolben 21 in Bewegung, der den Kraftkolben 22 steuert.
Durch den Kraftkolben 22 wird das Ventil 23 eingestellt, durch welches nun, erfindungsgemäß,
Dampf in die Treibgasanlage eingeblasen wird.
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Die Einführung des Dampfes kann, wie im gezeigten Ausführungsbeispiel,
in die Brennkammer, sie kann aber auch in die Treibgasleitung oder unmittelbar vor
der Turbine oder auch in eine spätere Stufe der Turbine erfolgen. Durch die Beimischung
des Dampfes wird die Treibgasmenge erhöht. Da sich aber die Schluckfähigkeit der
Turbine nicht ändert, so müßte ein Druckanstieg eintreten, der ein Absinken der
Fördermenge des Verdichters in das Pumpgebiet zur Folge hätte. Um das zu verhüten,
werden Zusatzöffnungen vorgesehen, die während des Regelvorganges geöffnet werden.
Als solche Zusatzöffnungen kommen in Betracht entweder besondere Düsengruppen oder
Leit- oder Laufschaufeln, deren Durchtrittsquerschnitte durch Verdrehen vergrößert
werden, oder Umgehungsleitungen, durch die entweder einige Stufen derselben Turbine
oder, bei mehreren hintereinandergeschalteten Turbinen, ganze Turbinen übersprungen
oder zueinander parallel geschaltet werden. Es kann auch, wie bekannt, eine besondere,
nur während des Regelvorganges Leistung liefernde Turbine vorgesehen sein.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Querschnittserhöhung
durch Einführen des Treibmittels in eine tiefere Stufe der Verdichterantriebsturbine
herbeigeführt. Das Abzweigrohr 28 ist im normalen Betrieb abgeschlossen. Kommt der
Kraftkolben 22 in Bewegung, so öffnet er gleichzeitig mit dem Dampfeinspritzventil
23 die im Rohr 28 eingebaute Klappe.
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Der zur Beschleunigung des Regelvorganges verwendete Dampf kann, wie
eingangs erwähnt, aus Abwärmen der Gasturbine oder in besonders gefeuerten Kesseln
während längerer Arbeitszeiten erzeugt werden. Um eine genügend große Dampfmenge
aber sofort zur Verfügung zuhaben, wird dieser Dampf zweckmäßigerweise in einem
Gefällespeicher 24, der
mit Rückschlagventil 25 und Kondenstopf
26 versehen ist, gespeichert. Wiederholen sich nun kurzzeitig die Regelungen in
größerer Zahl, so kann es vorkommen, daß die Dampflieferung nicht mehr nachkommt,
um einen gewissen Mindestdruck im Speicher aufrechtzuerhalten. In diesem Notfall
wird in Weiterbildung der Erfindung vorübergehend die Beschleunigung durch Dampfbeimischung
dadurch ersetzt oder vielmehr überflüssig gemacht, daß man die Drehzahl der mit
veränderlicher Drehzahl arbeitenden Turbine mit ihrer vollen oder nahezu vollen
Drehzahl laufen läßt, so daß der Verdichter ohne Verzögerung die größtmögliche Luftmenge
zu liefern imstande ist. Dieser Betrieb erfolgt allerdings mit verschlechtertem
Wirkungsgrad, was aber in Anbetracht der Seltenheit dieses Ausnahmefalls und kurzen
Dauer desselben nicht ins Gewicht fällt.
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Zur Einleitung dieses Notstandsbetriebes ist die Vorrichtung 2vorgesehen,
deren Kraftkolben 31 die Grundstellung des Regelgestänges des Reglers 18 so beeinflußt,
daß der betreffenden Turbine j mittels Vorrichtungen il, 15, 16 und 17 die
zur Erreichung der vollen Drehzahl erforderliche Treibgasmenge zukommt. Die Stellung
des Kraftkolbens selbst wird durch die Feder 29 und den durch Leitung
30 übertragenen Dampfdruck im Speicher festgelegt.
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An Stelle von Dampf kann auch Wasser den Treibgasen beigemengt werden.
In diesem Fall ist die Brennstoffmenge sofort noch mehr zu erhöhen, da nun nicht
nur Überhitzungswärme für den Dampf, sondern auch noch die Verdampfungswärme für
das eingespritzte Wasser aufzubringen ist. Die zur Verbrennung dieses Brennstoffes
erforderliche Luft wird wieder der Kühlluft entnommen, bis das Gebläse so weit aufgeholt
hat, uni die dem neuen Belastungszustand entsprechende Treibmittelmenge allein zu
liefern. Für den Einsatz der Wassereinspritzung sorgt auch hier wieder der Temperaturfühler
1g, 2o. An Stelle des Speichers 21 tritt ein Wassergefäß mit Windkessel. 1?; kann
die beniitigte, verhältnismäßig kleine Wassermenge aber auch unmittelbar von einer
Pumpe geliefert werden.
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An Stelle des Temperaturfühlers i9 können auch andere Impulsgeber
verwendet werden. So z. B. Gemischregler, die unmittelbar das Verhältnis Brennstoffmenge
zu Brennluftmenge vergleichen. Dabei kann die Brennstoffmenge durch eine Durchflußmengenmessung
oder einfach durch die Stellung des Brennstoffventils oder durch eine dieser Stellung
zugeordnete Größe, beim angeführten Beispiel die Drehzahl der Nutzleistungsturbine,
gemessen werden, während die Luftmenge entweder ebenfalls durch eine Durchflußmengenmessung
oder durch die Drehzahl des Verdichters bestimmt wird.