DE925025C

DE925025C - Control method for constant pressure combustion turbine systems

Info

Publication number: DE925025C
Application number: DES25399A
Authority: DE
Inventors: Willi Kastert
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1951-11-01
Filing date: 1951-11-01
Publication date: 1955-03-10

Description

Regelverfahren ;für Gleichdruck-Verbrennungs-Turbinenanlagen Die Regelung der Nutzleistung von Gleichdruck-Verbrennungs,_Turbinenanlagen geschieht meist unmittelbar durch Änderung der der Brennkammer zugeführten Brennstoffmenge. Bei plötzlicher Laststeigerung besteht dann aber die Gefahr, daß die höchst zulässige Treibgastemperatur überschritten und die Betriebssicherheit gefährdet wird. Man ist bei diesem Regelverfahren deshalb gezwungen, mit einer Temperatur zu fahren, die mehr oder weniger tief unter der Höchsttemperatur liegt, wodurch aber andererseits wieder die Wirtschaftlichkeit der Anlage verringert wird. Es muß deshalb angestrebt werden, mindestens gleichzeitig mit der Brennstofferhöhung auch die geförderte Luftmenge entsprechend zu erhöhen. Im Lokomotivbetrieb mit elektrischer Kraftübertragung, bei der die Rege-Jung der Nutzleistung willkürlich durch den Lokführer erfolgt, hilft man sich dadurch, daß man vor Erhöhung der Turbinenleistung zuerst die Belastung des Generators senkt, ohne die der Brennkammer zugeführte Brennstoffmenge zu verringern. Die frei werdende Turbinenleistung dient dazu, die Drehzahl der Turbine und des Verdichters und damit die geförderte Luftmenge schnell zu erhöhen. Nun kann die Brennstoffmenge und gleichzeitig die Belastung des Generators erhöht werden, bis. die zulässige Höchsttemperatur erreicht ist. Dieses Regelverfahren ist aber bei ortsfesten Anlagen, die eine möglichst gleichbleibende Drehzahl des Generators verlangen, nicht möglich. Die Regelimpulse werden bei diesen Anlagen erst bei Beginn der Belastungsänderung durch die damit verbundene geringe Drehzahländerung gegeben. Eine weitere Bedingung für die Regelung von Kraftwerksanlagen ist die, daß der Regelvorgang möglichst schnell erfolgen muß, um ein unzulässiges Absinken oder Ansteigen der Drehzahl zu vermeiden.Control method; for constant pressure combustion turbine systems The control the useful power of constant pressure combustion, _Turbine plants mostly happens immediately by changing the amount of fuel supplied to the combustion chamber. With sudden However, there is then the risk that the maximum permissible propellant gas temperature will increase in load exceeded and operational safety is endangered. You are in this standard procedure therefore forced to drive with a temperature that is more or less deep below the maximum temperature, which on the other hand, the economy again the system is reduced. It must therefore be striven for, at least at the same time to increase the amount of air conveyed with the increase in fuel. In locomotive operation with electrical power transmission, in which the Rege-Jung der Useful power is done arbitrarily by the driver, you help yourself by the fact that before increasing the turbine output, the load on the generator is reduced first, without reducing the amount of fuel supplied to the combustion chamber. The one becoming free Turbine power is used to set the speed of the turbine and the compressor and thus to quickly increase the amount of air conveyed. Now the amount of fuel and at the same time the load on the generator can be increased until. the maximum allowable temperature is reached. In the case of stationary systems, however, this control method is the one possible Require constant speed of the generator, not possible. The control impulses are only in these systems at the beginning of the change in load due to the connected low speed change given. Another condition for the control of power plants is that the control process is as fast as possible must be done in order to avoid an inadmissible decrease or increase in speed.

Die Erfindung beschäftigt sich mit der eben erwähnten Aufgabe der Kraftwerksregelung, und zwar geht sie von dem Fall aus, daß die Anlage zwei gasmäßig hintereinandergeschaltete Maschinensätze besitzt" von denen der eine aus Hochdruckturbine und Verdichter und der andere aus Niederdruckturbine und Arbeitsmaschine (Stromerzeuger) besteht. Eine. befriedigende Regelung einer derartigen Anlage läßt sich erzielen, wenn gemäß der Erfindung der Regelvorgang in zwei Abschnitte unterteilt wird, in der Weise, daß im ersten Abschnitt das Durchsatzvolumen der Nutzleistungsturbine erhöht und das Druckgefälle der vorgeschalteten Verdichterturbine durch Druckabsenkung hinter ihr vergrößert wird, während im zweiten Abschnitt Verdichterleistung und Brennstoffmenge dem neuen Belastungszustand angeglichen werden.The invention is concerned with the just mentioned object of Power plant control, and it is based on the case that the plant is two gas cascaded machine sets "one of which has a high-pressure turbine and compressor and the other from low-pressure turbine and driven machine (power generator) consists. One. satisfactory control of such a system can be achieved, if, according to the invention, the control process is divided into two sections, in the way that in the first section the throughput volume of the power turbine increases and the pressure drop in the upstream compressor turbine by lowering the pressure is increased behind her, while in the second section compressor capacity and Fuel quantity to be adjusted to the new load condition.

Man könnte zunächst daran denken, bei eintretender Belas.tungssteiggerung durch Brennstoffzufuhr vor der NiederdTuckturbine deren Leistung zu erhöhen. Man würde damit das Treibmittelvolumen zwar vergrößern;, aber man würde damit gleichzeitig zu einer Erhöhung des Zwischendruckes kommen. Die Erhöhung des Zwischendruckes hätte eine Verringerung des der Verdichterturbine zur Vorfügung stehenden Gefälles zur Folge. Die Drehzahl des Verdichtersatzes und damit die Fördermenge würden sofort absinken und die Temperatur vor der Verdichterturbine ansteigen. Das wäre nur zulässig, -wenn man im normalen Betrieb unterhalb der zulässigen Temperatur fahren wurde. Das würde aber wiederum eine Verringerung der Wirtschaftlichkeit bedeuten. Wenn man im Normalbetrieb mit der Temperatur bis an die zulässige Grenze herangeht, dann würde diese bei Belastungssteigerung über das zulässige Maß hinaus ansteigen.One could first think of this when the load increases to increase the power of the low pressure turbine by supplying fuel upstream. Man this would increase the propellant volume, but it would at the same time there is an increase in the intermediate pressure. The increase in the intermediate pressure would have a reduction in the head available to the compressor turbine Episode. The speed of the compressor set and thus the delivery rate would be immediate decrease and the temperature in front of the compressor turbine increases. That would only be permissible -if you were driving below the permissible temperature in normal operation. But that in turn would mean a reduction in profitability. if one approaches the permissible limit in normal operation with the temperature, then If the load increased, this would increase beyond the permissible level.

Wenn man dagegen gemäß der Erfindung zunächst den Druck hinter der den Hochdruckverdichter antreibenden Turbine absenkt, so vergrößert man das Druckgefälle der Hochdruckturbine, damit deren Leistung und damit auch .die Verdichterleistung. Wenn jetzt der Verdichter eine größere Luftmenge fördert, dann kann man auch vor der Niederdruckturbine eine zusätzliche Brennstoffmenge eingeben und auf diese Weise ihre Leistung dem neuen Belastungszustand anpassen. Gleichzeitig mit der erhöhten Fördermenge des Verdichters kann man aber jetzt auch entsprechend dieser Erhöhung vor der Hochdruckturbine eine größere Brennstoffmenge einführen und auf diese Weise das gesamte Leistungsniveau des Maschinensatzes vergrößern..If, on the other hand, according to the invention, first the pressure behind the If the turbine driving the high-pressure compressor is lowered, the pressure gradient is increased the high-pressure turbine, thus its performance and thus also the compressor performance. If the compressor now delivers a larger amount of air, then you can also advance the low pressure turbine enter an additional amount of fuel and in this way adapt their performance to the new level of stress. Simultaneously with the increased However, the delivery rate of the compressor can now also be increased according to this introduce a larger amount of fuel in front of the high pressure turbine and in this way increase the overall performance level of the machine set.

Bei der Temperaturempfindlichkeit der Gasmaschine wird es zweckmäßig sein, auf jeden Fall für eine Sicherung zu sorgen, daß der Temperaturanstieg innerhalb dar zulässigen Grenze bleibt. Das läßt sich durch eine Grenzregelung ermöglichen, welche in Abhängigkeit von der Temperatur des Treibmittels arbeitet.It becomes useful when the gas engine is sensitive to temperature Be sure to take a backup that the temperature rise within the permissible limit remains. This can be made possible by a limit regulation, which works depending on the temperature of the propellant.

Die Erfindung sei an Hand einiger Ausführungs berispiele erläutert. Es sei mit der Schaltung nach Fig. i begonnen. Die Anlage ist aufgeteilt in die beiden Maschinensätze i (Verdichter) und 3 (Hochdruckturbine) sowie 5 (Niederdruckturbine) und 6 (Stromerzeuger). Zwischen Verdichter i und Hochdruckturbine 3 ist die Brennkammer :2 geschaltet. Eine -weitere Brennkammer 4 ist zwischen Hochdruckturbine 3 und Niederdruckturbine 5 geschaltet. Für die Erfindung ist es naturgemäß unerheblich, ob es sich um eine unmittelbare oder mittelbare Wärmezufuhr handelt. Außerdem ist ein Anwurfmotor 7 vorgesehen. Die Brennkammer 4 kann unter Umständen so gesteuert werden, daß sie nur innerhalb eines bestimmten höheren Lastbereiches benötigt wird, sonst aber -abgeschaltet ist; für die folgenden Ausführungen sei jedoch angenommen, daß die Anlage mit dauernder Zwischenerhitzung des Arteitsmittels arbeitet. Die Regelung des Maschinensatzes ist einem Drehzahlregler io unterstellt, der, wie die Impulslinie ii andeutet, auf ein Ventil q vor der Turbine 5 und auf ein Brennstoffventil 8 vor dem Zwischenerhitzer 4 einwirkt.The invention will be explained with reference to some examples of execution. Let us begin with the circuit according to FIG. The system is divided into the two machine sets i (compressor) and 3 (high pressure turbine) as well as 5 (low pressure turbine) and 6 (power generator). Combustion chamber: 2 is connected between compressor i and high-pressure turbine 3. Another combustion chamber 4 is connected between the high-pressure turbine 3 and the low-pressure turbine 5. For the invention it is of course irrelevant whether it is a direct or indirect supply of heat. A starter motor 7 is also provided. The combustion chamber 4 can under certain circumstances be controlled in such a way that it is only required within a certain higher load range, but is otherwise switched off; for the following explanations, however, it is assumed that the system works with continuous reheating of the process medium. The control of the machine set is subordinated to a speed controller io, which, as indicated by the pulse line ii, acts on a valve q in front of the turbine 5 and on a fuel valve 8 in front of the intermediate heater 4.

13 ist ein Brennstoffventil vor der Brennkammer 3, 14 eine Meßblende in der Ansaugleitung des Verdichters i mit einer Regeleinrichtung, die entsprechend der Impulslinie 15 zur Verstellung des Brennstoffventils 13 dient. Außerdem ist noch ein Thennoimpuls 16 vorgesehen, der entsprechend der Impulslinie 17 ebenfalls auf das Brennstoffventil 13 wirkt. Das Ventil 9 steuert die Verteilung des Gases auf die beiden Düsengruppen 12 und 12'. Bei einem bestimmten Belastungszustand läuft die Turbine 3 mit einer bestimmten Drehzahl; der Verdichter i fördert eine bestimmte Luftmenge, der eine bestimmte Brennstoffmenge in der Brennkammer 2 und hinter, der Turbine 3 eine bestimmte Brennstoffmenge in der Brennkammer 4 zugeordnet ist. Das Treibgas wird über die Düsen 12 der Turbine 5 zugeführt. Jetzt steigt die Belastung des Maschinensatzes :an. Die Folge hiervon ist, daß die Drehzahl des Maschinensatzes 5, 6 um einen gewissen Betrag absinkt, -wodurch der Regler io zum Eingriff kommt. Er wirkt auf das Brennstoffventil 8 ein und veranlaßt, daß der Brennkammer .4. eine größere Brennstoffmenge zugeführt wird. Gleichzeitig verstellt er jedoch das Ventil 9 derart, d,aß eine gewisse Treibgasmenge zusätzlich zu der durch die Düsen 12 strömenden über die Düsen 12' zur Turbine 5 gelangt. Die Vergrößerung des Abströmquerschni.ttes aus der Brennkammer 4 bewirkt eine Druckabsenkung, die sich auf die Turbine 3 fortpflanzt. Das Druckgefälle der Turbine 3 wird vergrößert, d. h. ihre Leistung steigt an. Hiermit verbunden ist eine Drehzahlerhöhung und damit eine Erhöhung der Förderleistung des Verdichters i. Der in der Brennkammer ¢ zugeführten größeren Brennstoffmenge entspricht also jetzt eine entsprechend vergrößerte Förderluftmenge. Es muß jetzt noch die Leistung des Maschinensatzes i, 3 durch Brennstoffzufuhr auf den neuen Belastungswert gebracht werden. Das geschieht dadurch, daß der von der Meßblende ausgehende größere Mengenwert auf das Brennstoffventil 13 übertragen wird, das jetzt eine größere Brennstoffmenge in die Brennkammer 2 gibt. Man sieht also, daß das Regelverfahren in zwei Abschnitten verläuft; im ersten Abschnitt wird durch Druckabsenkung die Leistung des Maschinensatzes erhöht, der aus Verdichter und Hochdruckturbine besteht, während im zweiten Abschnitt das Leistungsniveau durch Einregelung der Brennstoffzufuhr auf den neuen Belastungswert geht.13 is a fuel valve in front of the combustion chamber 3, 14 a measuring orifice in the suction line of the compressor i with a control device which is used to adjust the fuel valve 13 in accordance with the pulse line 15. In addition, a Thenno pulse 16 is also provided, which also acts on the fuel valve 13 in accordance with the pulse line 17. The valve 9 controls the distribution of the gas to the two nozzle groups 12 and 12 '. At a certain load condition, the turbine 3 runs at a certain speed; the compressor i conveys a certain amount of air to which a certain amount of fuel in the combustion chamber 2 and behind the turbine 3 a certain amount of fuel in the combustion chamber 4 is assigned. The propellant gas is fed to the turbine 5 via the nozzles 12. Now the load on the machine set increases: The consequence of this is that the speed of the machine set 5, 6 drops by a certain amount, whereby the controller io intervenes. It acts on the fuel valve 8 and causes the combustion chamber .4. a larger amount of fuel is supplied. At the same time, however, he adjusts the valve 9 in such a way that a certain amount of propellant gas in addition to that flowing through the nozzles 12 reaches the turbine 5 via the nozzles 12 '. The enlargement of the outflow cross section from the combustion chamber 4 causes a pressure drop which is propagated to the turbine 3. The pressure gradient of the turbine 3 is increased, ie its output increases. This is associated with an increase in speed and thus an increase in the delivery rate of the compressor i. The larger amount of fuel supplied in the combustion chamber ¢ now corresponds to a correspondingly larger amount of conveying air. The output of machine set i, 3 must now be brought to the new load value by supplying fuel. This takes place in that the larger quantity value proceeding from the measuring orifice is transmitted to the fuel valve 13 , which now feeds a larger quantity of fuel into the combustion chamber 2. So you can see that the control procedure runs in two sections; In the first section, the power of the machine set, which consists of the compressor and high-pressure turbine, is increased by lowering the pressure, while in the second section the power level goes to the new load value by regulating the fuel supply.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ist grundsätzlich die gleiche Anordnung getroffen, nur mit dem Unterschied, daß jetzt die Druckabsenkung dadurch herbeigeführt wird, daß über ein Ventil i3 eine gewisse Treibgasmenge in eine spätere Stufe der Turbine 5 geleitet wird.The embodiment according to FIG. 2 is basically the same Arrangement made, only with the difference that now the pressure drop is thereby it is brought about that a certain amount of propellant gas into a later one via a valve i3 Stage of the turbine 5 is passed.

Fig.3 schließlich zeigt eine: Möglichkeit, diese Druek.absenkung durch eine kleine Zusatzturbine 20 zu erreichen, deren Gaszufuhr durch ein Ventil 21 gesteuert wird.Finally, Fig. 3 shows one way of reducing this pressure To achieve a small auxiliary turbine 20, the gas supply of which is controlled by a valve 21 will.

Bisher ist nur der Fall der Belastungssteigerung betrachtet worden. Im Falle der Belastungsabsenkung sind die Vorgänge mit umgekehrter Wirkung durchzuführen. Es ist also durch Verringerung der aus der Brennkammer q. abströmenden Gasmenge der Druck hinter der Turbine 3 anzustauen und die Brennstoffzufuhr zur Brennkammer q. durch weiteres Schließen des Brennstoffventils 8 zu verringern. Die Leistung der Turbine 3 fällt ab, die Fördermenge des Verdichters i sinkt, und ausgehend von dieser verringerten Fördermenge ist das Brennstoffventil 13 entsprechend dem neuen Belastungszustand zu drosseln.So far, only the case of increased stress has been considered. In the case of a reduction in the load, the processes are to be carried out with the opposite effect. So it is by reducing the amount from the combustion chamber q. the amount of gas flowing out to accumulate the pressure behind the turbine 3 and the fuel supply to the combustion chamber q. by closing the fuel valve 8 further. The output of the turbine 3 drops, the delivery rate of the compressor i drops, and based on this reduced delivery rate, the fuel valve 13 is to be throttled according to the new load condition.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Control method for a gas turbine plant with two machine sets connected in series in terms of gas, one of which is from High-pressure turbine and compressor, the other a low-pressure turbine and driven machine (Power generator) consists, characterized in that the control process is divided into two sections is divided in such a way that in the first section the throughput volume of the power turbine increases and the pressure drop in the upstream compressor turbine by lowering the pressure is increased behind her, while in the second section compressor capacity and Fuel quantity to be adjusted to the new load condition.

2. Set up according to Claim i, characterized in that zu.r increasing the throughput volume of the Power turbine an additional working medium (water, steam, gas, etc.) is introduced.

3. Device according to claim i with intermediate heating of the working medium in front of the power turbine, characterized in that to increase the throughput volume the power turbine, the fuel supply to the reheater is increased. q ..

Device according to claim i, characterized in that the before the heater The amount of fuel to be supplied to the high-pressure turbine to adjust to the new load condition of the system is regulated depending on the flow rate of the compressor.

5. Device according to claim q., Characterized in that the amount of fuel additionally by a temperature limit pulse of the propellant gas behind the heater being affected.

6. Device according to claim i, characterized in that for Change in pressure behind the compressor turbine nozzles or nozzle groups of the Power turbine can be switched on and off.

7. Device according to claim i, characterized in that the power turbine with increasing load the Amount of propellant or at least a portion thereof supplied in an intermediate stage will. B. Device according to claim i or 7, characterized in that when falling Load on the pressure behind the compressor turbine by throttling the propellant supply is accumulated to the power turbine. G. Device according to claim i, characterized characterized in that to influence the pressure behind the compressor turbine a in particular auxiliary turbine coupled to the power turbine. is provided, the amount of propellant gas increases with increasing load and with decreasing load is decreased. Cited publications: German Patent No. 815 426; Swiss patent specification No. 229 026.