Verfahren und Einrichtung zur Regelung von Gasturbinenanlagen, bei welchen sich der Arbeitsprozess unter Überdruck abspielt. Die Erfindung bezieht sich auf ein Ver fahren und eine Einrichtung zur Regelung von Gasturbinenanlagen, bei welchen sich der Arbeitsproze$ unter Überdruck abspielt und die Leistungsregelung derart erfolgt, dass das Druckniveau der Anlage bei konstan ten Temperaturen und Druckverhältnissen mindestens angenähert proportional der Lei stung geändert wird.
Die Erfindung besteht darin, dass unter annähernd gleichzeitiger Veränderung der Brennstoffzufuhr bei ra schen Belastungssteigerungen mindestens ein Teil der Schaufelung des Hauptverdichters vorübergehend so verstellt wird, dass der Hauptverdichter ein grösseres Druckverhält nis erzeug, und dass die Schaufeln unter dem Einfluss der dem neuen Beharrungszustand zustrebenden Drehzahl mindestens ange nähert in ihre Ausgangsstellung zurück kehren.
Es ist zweckmässig, die Schaufeln nach erfolgtem Regelvorgang nicht ganz in ,die Ausgangsstellung zurückzustellen, so dass also, die Schaufelstellung im Beharrungs- zustand von der Belastung abhängig sein kann. Es können auch alle Schaufeln gleich zeitig verstellt werden. Für die Nieder druckstufen kann ein grösserer Verstellungs- winkel als für die Hochdruckstufen vorge sehen werden. Es können auch nur die Nie derdruckstufen verstellt werden.
Gasturbinenanlagen, bei denen sich der Arbeitsprozess, unter Überdruck abspielt und durch Verändern des Druckniveaus die An lageleistung geregelt wird und bei denen das Druckniveau durch ein Aufladeaggregat ge halten und entsprechend der verlangten Lei stung verändert wird, sollen nicht nur in weitem Belastungsbereich einen guten Wir- kungsgrad ergeben,
sondern auch schnell dem jeweiligen Belastungszustand angepasst wer den können. Die Regelung mit gutem Wir kungsgrad in weitem Belastungsbereich ist in solchen Fällen ohne weiteres gegeben, da bei Belastungsänderungen die Strömungsverhält nisse im Verdichter und in der Turbine um verändert bleiben und zusätzliche Stossvers luste nicht auftreten, jedoch beschleunigt sich ohne Zuhilfenahme besonderer Mittel das Aufladeaggregat zu langsam, so dass der Reguliervorgang verhältnismässig träge er folgt.
Es besteht zwar die Möglichkeit, diese Schwierigkeit durch Anbringen von Reserve luftbehältern oder Speichern, zum Beispiel von Dampf, mit entsprechenden Beschleuni gungsturbinen zu umgehen. Solche Reserve luftbehälter und Speicheranlagen haben den Nachteil, dass sie einen zusätzlichen Raum bedarf und konstruktiven Aufwand mit sich bringen. Durch die vorliegende Erfindung wird der Vorteil erzielt, dass mit geringem Aufwand und ohne zusätzlichen Raumbedarf eine rasche und trotzdem wirtschaftliche, das heisst eine mit gutem Wirkungsgrad in wei ten Belastungsgrenzen arbeitende Regelung von Gasturbinenanlagen erreicht wird.
Wenn die Schaufeln nicht mehr ganz in ihre ursprüngliche Stellung zurückverstellt werden, so ergibt sich der weitere Vorteil, dass eine gewisse Korrektur des in der Än derung des Druckniveaus bestehenden Regu lierverfahrens erzielt werden kann. Da näm lich die Wärmeübergangszahl im Rekupera- tor nicht genau proportional dem Druck ist, sondern etwas weniger rasch ansteigt als die ser, wird der Rekuperator der Anlage bei hoher Leistungsabgabe, das heisst bei hohem Druckniveau, etwas weniger wirksam sein. Es wird dann pro 1 kg Arbeitsmittel weniger Wärme ausgetauscht.
Ein Ausgleich kann erzielt werden, wenn das Druckverhältnis zwischen Hochdruck- und Niederdruckseite des Rekuperators vergrössert, wird. Eine ge ringe Steigerung des Druckverhältnisses ist dadurch erzielbar, dass nach dem Regulier vorgang eine gewisse geringe Schaufelver stellung bestehen bleibt. Die Schaufelstel lung ist dann also abhängig von der momen tanen Belastung. Durch dieses Regulierver fahren ist es möglich, ein Optimum an Wirt schaftlichkeit zu erzielen. Thermodynamisch stellt ein mit der Belastung innert sehr klei nen Grenzen veränderliches Druckverhältnis den günstigsten Fall dar, während strö mungstechnisch ein absolut konstantes Druck- verhältnis am vorteilhaftesten ist.
Durch die Anwendung einer verstellbaren Schaufelung gemäss der Erfindung ist die Möglichkeit ge geben, den thermodynamisch günstigsten Fall zu wählen, ohne wesentliche strömungs technische Nachteile in Kauf nehmen zu müssen.
In der Zeichnung ist ein Ausführungs beispiel der Erfindung schematisch darge stellt.
Fig. 1 zeigt ein Schaltschema einer Gas turbinenanlage; Fig. 2 zeigt den Schnitt durch ein mehr stufiges Axialgebläse mit verstellbaren Schaufeln.
In Fig. 1 stellt. 1 den Verdichter dar. wel cher von der Gasturbine 2 angetrieben wird. Die Gasturbine 2 gibt ihre Überschussleistung nach aussen, zum Beispiel an einen Generator 3, ab. Die im Verdichter 1 verdichtete Luft gelangt in die Heizschlangen 4 eines Reku- perators 5, wo sie durch die von der Gas turbine 2 durch die Leitung 8' kommende Luft erwärmt wird.
Die Luft wird hierauf in der Rohrschlange 6 einer Heizstelle 7 wei ter erhitzt und gelangt anschliessend in die Gasturbine 2 zur Arbeitsleistung. Die von der Gasturbine 2 kommende Luft wird zum Teil durch die Leitung 8" in die Heizstelle 7 und zum Teil durch eine Leitung 8' in den Rekuperator 5 geführt.
Die in die Reiz stelle 7 geleitete Luft gelangt nach Erwär mung durch Einspritzen von Brennstoff und teilweiser Wärmeabgabe an die in der Rohr schlange 6 strömende Luft ebenfalls in einen andern Teil 11 des Rekuperators. Der Reku- perator 5 ist durch eine Trennwand 9 in zwei Teile geteilt, damit sich die Frischluft mit den Verbrennungsgasen nicht mischen kann.
Die aus dem Teil 10 des Rekuperators ,5 kommende Luft gelangt über den ]Kühler 12, welcher mit der Kühlspirale 13 ausgerüstet ist, in den Hauptverdichter 1, während die aus dem Teil 11 des Rekuperators 5 kom menden Abgase, welche noch unter Drack stehen, in die Gasturbine 14 der Auflade gruppe 15 gelangen. Die Gasturbine 14 treibt den Aufladeverdichter lfi, welcher mit einem Zwischenkühler 17 ausgerüstet ist.
Die na mentlich bei Belastungssteigerungen notwen dige Zusatzleistung wird durch den Elektro motor 18 geliefert. Die im Aufladeverdich- ter 16 verdichtete Luft wird in den Kühler 12 geleitet und gelangt damit in den Haupt kreislauf der Gasturbinenanlage.
In I'ig. 2 stellt 19 den Ansaugstutzen und 20 den Austrittsstutzen des Il'auptver- dichters 1 dar. Die Leitschaufeln 21 sind mit dem Gehäuse 33 fest verbunden, wäh rend die Laufschaufeln 22, 22' im Rotor 23 beweglich gelagert sind. Die Verstellung der Laufschaufeln 22, 22' erfolgt über Hebel 24, an denen Zapfen 25 befestigt sind. Diese Zapfen 25 greifen in Nuten 26 ein, welche im innern Teil 27 des Rotors 23 angebracht sind. Durch axiale Verschiebung des in- nern Teilfis 27 können sämtliche Laufschau feln 22, 22' gleichzeitig verstellt werden.
Man könnte die Einrichtung auch so bauen, dass die Niederdruckstufen 22 des Verdich ters 1 verstellt werden, die Hochdruck stufen 22' dagegen nicht. Die Verschiebung des innern Teils, 27 in axialer Richtung erfolgt durch die Stange 28, in welche am äussern Ende ein Gabelhebel 29 eingreift. Der Hebel 29 wird um den Drehpunkt 29' verstellt. Der Rotor 23 ist in den Lagern 30 und 31 gelagert. Die Verbindung des Ver dichters 1 mit der Gasturbine erfolgt über die Kupplungshälfte 32.
Die Betriebsweise ist nun folgende: Bei einer plötzlichen Belastungserhöhung fällt die Drehzahl der Maschinen 1 und 2 merk lich ab, so dass der Zentrifugalregler momen tan sich aus seiner Beharrungslage um einen wesentlichen Betrag entfernt. Dieser Zentri- fugaIregler beeinflusst nun in an sich bekann ter Weise (z. B. hydraulisch) den Verstell hebel 29 und besorgt damit die Verstellung der Schaufelung 22, derart, dass der Haupt verdichter ein grösseres Druckverhältnis er zeugt. Da gleichzeitig die Brennstoffzufuhr entsprechend gesteigert wird, kann die Gas turbinenanlage sofort eine grössere Leistung abgeben.
Der neue Betriebszustand bei der erhöhten Leistung, der sich innert kürzester Zeit einstellt, weist allerdings einen geringen Wirkungsgrad auf. Allmählich beschleunigt sich jedoch das Aufladeaggregat und erhöht damit das Druckniveau der Anlage. Gleich zeitig steigt die Drehzahl der Maschinen- gruppe 1, 2. 3 wieder an, bis sie schliesslich ihren normalen Wert erreicht hat. Demgemäss kehrt auch der Zentrifugalregler in seine normale Lage zurück und macht damit auch die Verstellung der Schaufelung des I3aupt- verdichters wieder rückgängig.
Die höhere Leistungsabgabe ist jetzt (also im neuen Beharrungszustand) einzig bedingt durch die höhere Drehzahl des Ladeaggregates 14, 16, 18 und die damit gegebene höhere Aufla- dung, welche ohne Übertemperatur eine höhere Brennstoffzufuhr gestattet. Der Be triebszustand der Gasturbinenanlage im Beharrungszustand weist also einen guten Wirkungsgrad- auf, weil der Hauptverdichter 1 wieder mit seinem normalen Druckverhält nis arbeitet, wobei gleichzeitig die Möglich keit geschaffen ist, eintretende Belastungs- stösse rasch aufzunehmen.
Lei langsamen Belastungserhöhungen vermag die Drehzahlerhöhung des Lade aggregates dem sich ändernden Betriebszu stand schnell genug zu folgen, so dass beim Hauptaggregat 1, 2, 3 keine nennenswerte vorübergehende Drehzahlreduktion zustande kommt. Demgemäss erfolgt auch keine we sentliche Verstellung der Kompressorschau- felung.
Ist die Regelung der Anlage nicht als eigentliche Isodromregelung ausgebildet, so stellt sich bei erhöhter Belastung die Dreh zahl im Beharrungszustand auf einen etwas kleineren Wert ein als bei kleiner Belastung. Demgemäss nimmt auch der Zentrifugalregler eine etwas andere Lage ein und macht da mit auch die Verstellung der Schaufelung nicht vollständig rückgängig.
Selbstverständlich ist auch jederzeit die Kombination einer solchen verstellbaren Schaufelung mit den bereits bekannten Be schleunigungsvorrichtungen (Reserveluftbe- hälter oder Dampfspeicher mit den entspre- chenden Beschleunigungsturbinen) anwend bar, wenn beispielsweise besonders plötzliche und grosse Belastungsänderungen aufgenom men werden müssen und das Bestreben be steht, die Reserveluftbehälter oder Dampf speicher mit den zugehörigen Turbinen be sonders klein zu halten.
Auch muss nicht not wendigerweise die ganze Schaufelung des Verdichters verstellt werden, und es ändert auch nichts am Grundgedanken der Erfin dung, wenn die Schaufelung nicht mehr ganz genau in ihre Ausgangslage zurückkehrt, so dass eine gewisse, allerdings klein bleibende Schaufelverstellung vorhanden ist.
Method and device for regulating gas turbine systems in which the work process takes place under excess pressure. The invention relates to a method and a device for regulating gas turbine systems, in which the work process takes place under excess pressure and the power control takes place in such a way that the pressure level of the system is changed at least approximately proportionally to the power at constant temperatures and pressure conditions .
The invention consists in that with almost simultaneous changes in the fuel supply with rapid increases in load, at least part of the blades of the main compressor is temporarily adjusted so that the main compressor generates a greater pressure ratio, and that the blades are influenced by the speed towards the new steady state return to their starting position at least as close as possible.
It is advisable not to return the blades completely to the starting position after the control process has taken place, so that the blade position in the steady state can be dependent on the load. All blades can also be adjusted at the same time. A larger adjustment angle can be provided for the low pressure stages than for the high pressure stages. Only the low pressure levels can also be adjusted.
Gas turbine systems in which the work process takes place under overpressure and the system capacity is regulated by changing the pressure level and in which the pressure level is maintained by a charging unit and changed according to the required output, should not only have a good effect in a wide load range. result in efficiency,
but can also be quickly adapted to the respective load condition. The control with good efficiency in a wide load range is readily available in such cases, since when the load changes, the flow conditions in the compressor and in the turbine remain changed and additional shock losses do not occur, but the charging unit accelerates too slowly without the aid of special means so that the regulation process is relatively slow.
There is indeed the possibility of this difficulty by attaching reserve air tanks or storage, for example of steam, with appropriate acceleration turbines to circumvent. Such reserve air tanks and storage systems have the disadvantage that they require additional space and involve constructional effort. The present invention achieves the advantage that, with little effort and without additional space requirements, a rapid and nevertheless economical regulation of gas turbine systems, that is to say a regulation of gas turbine systems working with good efficiency within wide load limits, is achieved.
If the blades are no longer completely adjusted back to their original position, there is the further advantage that a certain correction of the regulating process, which consists in changing the pressure level, can be achieved. Since the heat transfer coefficient in the recuperator is not exactly proportional to the pressure, but increases a little less rapidly than this, the recuperator of the system will be somewhat less effective when there is a high output, that is to say at a high pressure level. Less heat is then exchanged per 1 kg of working fluid.
Compensation can be achieved if the pressure ratio between the high-pressure and low-pressure sides of the recuperator is increased. A slight increase in the pressure ratio can be achieved by maintaining a certain slight blade adjustment after the regulation process. The blade position is then dependent on the current load. This Regulierver drive it is possible to achieve optimum economic efficiency. Thermodynamically, a pressure ratio that changes with the load within very small limits is the most favorable case, while an absolutely constant pressure ratio is most advantageous in terms of flow.
By using an adjustable blade according to the invention, the possibility is given ge to choose the thermodynamically most favorable case without having to accept significant fluidic disadvantages.
In the drawing, an embodiment example of the invention is schematically Darge provides.
Fig. 1 shows a circuit diagram of a gas turbine system; Fig. 2 shows the section through a multi-stage axial fan with adjustable blades.
In Fig. 1 represents. 1 represents the compressor. Wel cher is driven by the gas turbine 2. The gas turbine 2 outputs its excess power to the outside, for example to a generator 3. The air compressed in the compressor 1 reaches the heating coils 4 of a recuperator 5, where it is heated by the air coming from the gas turbine 2 through the line 8 '.
The air is then heated in the coil 6 of a heating point 7 and then passes into the gas turbine 2 for work. The air coming from the gas turbine 2 is partly conducted through the line 8 ″ into the heating point 7 and partly through a line 8 ′ into the recuperator 5.
The air routed into the stimulus point 7 reaches another part 11 of the recuperator after warming up by injecting fuel and partially releasing heat to the air flowing in the pipe coil 6. The recuperator 5 is divided into two parts by a partition 9 so that the fresh air cannot mix with the combustion gases.
The air coming from part 10 of the recuperator, 5 passes through the cooler 12, which is equipped with the cooling spiral 13, into the main compressor 1, while the exhaust gases coming from part 11 of the recuperator 5, which are still under pressure, get into the gas turbine 14 of the charging group 15. The gas turbine 14 drives the supercharging compressor IFi, which is equipped with an intercooler 17.
The additional power required in the event of increased loads is provided by the electric motor 18. The air compressed in the supercharging compressor 16 is passed into the cooler 12 and thus enters the main circuit of the gas turbine system.
In I'ig. 2 shows 19 the intake port and 20 the outlet port of the main compressor 1. The guide vanes 21 are fixedly connected to the housing 33, while the rotor blades 22, 22 'are movably supported in the rotor 23. The moving blades 22, 22 'are adjusted via levers 24 to which pins 25 are attached. These pins 25 engage in grooves 26 which are made in the inner part 27 of the rotor 23. By axial displacement of the inner part 27, all blades 22, 22 'can be adjusted simultaneously.
You could also build the device so that the low pressure stages 22 of the compressor 1 are adjusted, the high pressure stages 22 ', however, not. The displacement of the inner part, 27 in the axial direction takes place by the rod 28, in which a fork lever 29 engages at the outer end. The lever 29 is adjusted about the pivot point 29 '. The rotor 23 is mounted in the bearings 30 and 31. The connection of the Ver poet 1 to the gas turbine takes place via the coupling half 32.
The mode of operation is now as follows: In the event of a sudden increase in the load, the speed of the machines 1 and 2 drops noticeably, so that the centrifugal controller is currently moving away from its steady-state position by a substantial amount. This centrifugal regulator now influences the adjusting lever 29 in a manner known per se (for example hydraulically) and thus adjusts the blades 22 in such a way that the main compressor generates a greater pressure ratio. Since the fuel supply is increased accordingly at the same time, the gas turbine system can immediately deliver greater power.
The new operating state with the increased output, which is set within a very short time, however, has a low level of efficiency. Gradually, however, the charging unit accelerates and thus increases the pressure level of the system. At the same time, the speed of machine groups 1, 2. 3 increases again until it has finally reached its normal value. Accordingly, the centrifugal regulator also returns to its normal position and thus also reverses the adjustment of the blades of the main compressor.
The higher power output is now (that is, in the new steady state) solely due to the higher speed of the charging unit 14, 16, 18 and the associated higher charge, which allows a higher fuel supply without excess temperature. The steady-state operating state of the gas turbine system therefore has a good degree of efficiency because the main compressor 1 is again working with its normal pressure ratio, while at the same time making it possible to quickly absorb occurring load surges.
As the load increases slowly, the increase in speed of the charging unit is able to follow the changing Betriebszu status quickly enough so that no significant temporary speed reduction occurs in the main unit 1, 2, 3. Accordingly, there is also no significant adjustment of the compressor blades.
If the control of the system is not designed as an actual isodrome control, the speed in the steady state is set to a slightly lower value with increased load than with low load. Accordingly, the centrifugal regulator also takes a slightly different position and does not completely reverse the adjustment of the blades.
Of course, the combination of such an adjustable blade with the already known acceleration devices (reserve air tank or steam accumulator with the corresponding acceleration turbines) can be used at any time if, for example, particularly sudden and large load changes have to be absorbed and the endeavor is made Reserve air tanks or steam accumulators with the associated turbines are particularly small.
Also, the entire blade of the compressor does not necessarily have to be adjusted, and it does not change anything in the basic idea of the invention if the blade no longer exactly returns to its original position, so that a certain, albeit small, blade adjustment is present.