-
Verfahren zur Regelung von Gaserhitzern und Gaserhitzer zflr Ausführung
des Verfahrens Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur unabhängigen Regelung
der Temperatur des erhitzten Gases und der Temperatur des Verbrennungsgases von
Gaserhitzern sowie auf einen Gaserhitzer zur Ausführung dieses Verfahrens.
-
Das Verfahren der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß außer
der Regelung der Wärmezufuhr durch den Brennstoff in Abhängigkeit von der Temperatur
der Verbrennungsgase auch noch eine in Abhängigkeit von der Temperatur des erhitzte
Gases geregelte Teilmenge des zu erhitzenden Gases um mindestens einen Teil der
Wärmeaustauschfläche umgeführt wird. Der Gaserhitzer nach der Erfindung ist durch
eine von den Verbrennungsgasen beeinflußte Temperaturmeßvorrichtung, durch welche
die Brennstoffmenge geregelt wird, und einen durch das erhitzte Gas beeinflußten
Temperaturimpulsgeber gekennzeichnet, welcher eine die Heizfläche umströmende Teilmenge
des zu erhitzenden Gases regelt.
-
Die Regelvorrichtung zur Einstellung des Brennstoffes und zur Einstellung
der Umgehungsmenge werden zweckmäßig mit einer nachgiebigen Rückführvorrichtung
ausgerüstet, welche den Sollwert der einzuregelnden Temperatur ohne bleibende Ungleichförmigkeit
einstellt. Mittels einer zusätzlichen
Impulsgabevorrichtung kann
das die Brennstoffmenge regelnde Organ zusätzlich in Abhängigkeit vom Druck der
Verbrennungsluft beeinflußt werden.
-
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert.
-
Fig. i zeigt einen Gaserhitzer zur Ausführung des Verfahrens nach
der Erfindung; Fig. 2 stellt die Brennstoffregeleinrichtung und Fig.3 die Regeleinrichtung
für die umgeführte Gasmenge dar.
-
Dem in Fig. i dargestellten Gaserhitzer wird durch die Leitung i Brennstoff
und durch die Leitung 2 Verbrennungsluft zugeführt; das Verbrennungsgas strömt durch
die Leitung 3 zu nicht gezeichneten Verbrauchsstellen. Das. zu erhitzende Gas wird
dem Gaserhitzer durch eine Leitung 4 zugeführt, während das erhitzte Gas durch die
Leitung 5 zu nicht dargestellten Verbrauchsstellen gelangt.
-
Der Brennstoff wird durch den Brenner ia zerstäubt und mit der Verbrennungsluft
gemischt in den Brennraum 6 eingeführt, in welchem .die Verbrennung vor sich geht.
Das Verbrennungsgas strömt aus dem Brennraum durch die Wärmeaustatisc'hrohre 7 in
die Sammelkammer 8 und wird aus dieser in die Leitung 3 abgeleitet. .
-
Die Hauptteilmenge des zu erhitzenden Gases wird aus der Leitung 4
durch die Leitung 9 dem einen Ende des die Wärmeaustauschrohre 7 umgebenden Raumes
io zugeführt, und eine andere, regelbare Teilmenge durch die Umgehungsleitung
11
an einer Stelle 12 in den Raum io eingeführt, an welcher die durch die.
Leitung .9 zugeführte Hauptmenge zum Teil schon erhitzt ist. Das erhitzte Gas wird
am anderen Ende des Raumes io entnommen und in die Leitung 5 abgeführt.
-
Zur Regelung der Brennstoffmenge ist ein Regelorgan 13 in die Brennstoffleitung
eingeschaltet, welches durch den Servomotor 14 und zusätzlich durch die Druckmeßdose
15 gesteuert wird. Der Servomotor 14 steht durch Vermittlung der Impulsleitung 16
und des Impulsgebers 17 unter ,dem Einfluß des Temperaturmeßgerätes 18.
-
In den von der Leitung 4 abzweigenden Leitungen 9 und i i sind die
Regelorgane i9 bzw. 20 angeordnet, die durch den Servomotor 21 gesteuert werden.
Dieser Servomotor wird über die Impulsleitung 22 und den Impulsgeber 23 durch das
Temperaturmeßgerät 24 beeinflußt. Durch die beschriebene Regelvorrichtung wird nicht
nur die Wärmezufuhr zum Gaserhitzer durch den Brennstoff in Abhängigkeit von der
Temperatur des Verbrennungsgases, sondern auch die umgeführte Teilmenge des zu erhitzenden
Gases in Abhängigkeit von der Temperatur des erhitzten Gases geregelt.
-
Die Regelvorrichtung für die Brennstoffmenge (Fig. 2) besitzt als
Temperaturmeßgerät 18 eine metallische Stange, welche unter dem Einfluß von Temperaturveränderungen
meßbare Längenänderungen erfährt. Diese Längenänderungen werden über das Hebelwerk
25 auf den Steuerschieber 26 des Impulsgebers übertragen. Dieser Schieber steuert
den,Zufluß vonDruckmitteln aus derLeitung 26a in den Hilfsservomotor 27 und den
Abfluß von Flüssigkeit aus diesem. Servomotor in die Ablaufleitung 28.
-
Der Kolben 29 des Servomotors 27 .steht einerseits über die Stange
30 mix der Schleppvorrich-. tung 31 und andererseits über die Feder 32 mit
dem Steuerschieber 33 in Verbindung. Der Kolben 34 der Schleppvorrichtung trennt
zwei Zylinderräume voneinander, die über eine miteinerDrosselstelle 35 versehene
Leitung 36 verbunden sind. Der Schieber 33 steuert die Zufuhr eines Druckmittels
aus der Leitung 37 in den Steuerrauch 39 des Schiebergehäuses 40 und die Abfuhr
aus diesem Steuerraum in die Leitung 38. Die Steuerimpulse des beschriebenen Impulsgebers
werden durch die Steuerleitung 16 dem Servomotor 14 übermittelt.
-
Der Servomotor 14 besitzt einen Kolben 41, auf den von unten die Kraft
der Feder 42 und von oben der Druck des im Raum 54 befindlichen Steuermittels -
wirkt. Über das Hebelwerk 43 beeinflußt der Kolben 41 das Ventil 14 des Regelorgans
13 in der Brennstoffleitung i. Eine zusätzliche Beeinflussung des Ventils 44 erfolgt
durch die Druckmeßdose 15, welche durch die Leitung 45 mit der die Verbrennungsluft
führenden Leitung verbunden ist.
-
Zur Einstellung des Sollwertes für die einzuregelnde Temperatur des
Verbrennungsgases ist eine Stellvorrichtung 46 vorgesehen, durch welche die Lage
der Feder 47 und des Gelenkpunktes 56 verändert werden kann. ' Weicht die Temperatur
des Verbrennungsgases nach oben vom Sollwert ab, so wird das Gelenk 48 des Temperaturmeßgerätes
in + - Richtung des Pfeiles 49 verschoben. Hierbei wird der Steuerschieber 26 in
--Richtung des Pfeiles 5o verstellt. Dadurch gelangt aus der Leitung 26a Druckflüssigkeit
durch die Leitung 51 in den unter dem Kolben 29 befindlichen Zylinderraum. Die auf
der oberen Seite dieses Kolbens verdrängte Flüssigkeit strömt durch die Leitung
52 in die Ablaufleitung 28. Der Kolben 29 wird hierbei in + -Richtung des Pfeiles
53 verschoben.
-
Durch die Verschiebung des Servomotorkolbens 29 wird die bestehende
Druckspannung der Feder 32 vermindert, worauf der Steuerschieber 33 in +-Richtung
des Pfeiles 53 durch die im Raum 39 befindliche Steuerflüssigkeit verdrängt wird.
Es entsteht eine Verbindung zwischen der Ablaufleitung 38 und dein Steuerraum 39,
so daß durch Abfuhr von Flüssigkeit der Steuerdruck im Raum 39 vermindert wird,
bis die verminderte Druckbelastung auf den Schieber 33 der verminderten Druckspannung
der Feder 32 in der Mittellage des Schiebers wieder Gleichgewicht hält, in welcher
die Steueröffnungen der Leitungen 37 und 38 verschlossen sind.
-
Der im Raum 39, in der Leitung 16 und im Steuerraum 54 des Servomotors
14 verminderte Steuerdruck verursacht eine Verschiebung des Kolbens 41 in - - Richtung
des Pfeiles 55 durch die Feder 42. Der vom Ventil 44 freigegebene Durchflußquerschnitt
des Regelorgans 13 wird dabei verkleinert, dem Brenner strömt eine geringere Brennstoffnienge
zu.
Die anfänglich die Regelbewegung einleitende Abweichung der Temperatur vom Sollwert
wird damit wieder behoben.
-
Ein Überregeln und Pendeln wird mit Hilfe der Schleppkupplung 31 verhindert,
welche als nachgiebige Rückführung zur Wirkung kommt und gleich zu Beginn der Regelverstellung
schon anfängt, eine Rückführbewegung auszulösen. Während der Verschiebung des Servomotorkolbens
29 wird auch der Schleppkolben 34 unter Spannung der Feder 47 in + - Richtung des
Pfeiles 53 verschoben. Die Gelenke 56 und 57 werden somit in der der anfänglichen
Verschiebungsrichtung entgegengesetzten Richtung verschoben, so daß der Steuerschieber
26 wieder gegen seine Mittellage zurückgeschoben wird.
-
Die Regelvorrichtung kommt erstzurRuhe, wenn die Feder 47 spannungslos
ist und der Schieber 26 in Mittellage die Steueröffnungen der Leitungen 51 und 52
verschließt. Diese Ruhelage kann aber erst eintreten, wenn das Meßgerät 18 durch
eineTemperatur beeinflußt wird, die genau dem durch die Stellvorrichtung 46 eingestellten
Sollwert entspricht. Hierbei wird sich der Kolben 34 der Schleppvorrichtung im Zylinder
31 verschieben. Diese Verschiebegeschwindigkeit und damit die Rückführgeschwindigkeit
richten sich nach der Größe des Drosselquerschnittes des Drosselorgans 35. Die nachgiebige
Rückführung arbeitet demnach so, daß keine bleibende Abweichung vom Sollwert und
somit keine bleibende Ungleichförmigkeit entsteht.
-
Ein ähnlicher Regelvorgang jedoch mit umgekehrten Regelbewegungen
stellt sich ein, wenn die Temperatur eine Abweichung vom Sollwert nach unten erfährt.
Hierbei wird der Durchflußquerschnitt des Ventils 44 im Regelorgan 13 vergrößert.
Die hierbei vermehrte Brennstoffmenge vermag die anfänglich die Regelbewegung einleitende
Temperaturverminderung wieder zu beheben.
-
Mittels der Stellvorrichtung 46 kann der von der Regelvorrichtung
einzuhaltende Sollwert den Betriebsbedingungen entsprechend eingestellt werden.
Ein Verschieben der Stellvorrichtung46 in -f- -Richtung des Pfeiles 53 ergibt eine
Erhöhung des Temperatursollwertes. Der Gelenkpunkt 56 wird dann erst in einer höheren
Lage die Feder 47 spannungslos halten. Dieser Lage des Gelenks 56 entspricht eine
tiefere Lage des Gelenks 48, welche (lern erhöhten Temperatursollwert zugeordnet
ist. Eine Verschiebung der Stellvorrichtung 46 in --Richtung des Pfeiles 53 ergibt
eine Verminderung der Sollwerttemperatur.
-
Eine zusätzliche Beeinflussung des Ventils 44 erfolgt durch den Druck
der Verbrennungsluft. Bei erhöhtem Druck dehnt sich die Membrandose 15 aus und gibt
den Durchfluß für eine größere Brennstoffmenge frei als bei niedrigerem Druck der
Verbrennungsluft.
-
Die Regelvorrichtung für die Umführung eines Teiles des zu erhitzenden
Gases (Fig. 3) besitzt die Regelorgane 19 und 20 in den Leitungen 9 und 11, welche
durch das alstemperaturempfindlicheStange ausgebildete Temperaturmeßgerät 24 beeinflußt
werden. Die Längenveränderungen dieses Meßstabes werden durch das Hebelwerk 58 auf
den Steuerschieber 59 des Impulsgebers übertragen. Durch diesen Schieber
wird die Zufuhr eines Druckmittels aus der Leitung 6o zum Hilfsservomotor 61 und
die Abfuhr aus dem Servomotor in die Ablaufleitung 62 gesteuert.
-
Der Kolben 63 des Servomotors steht einerseits über die Stange 64
mit der Schleppvorrichtung 65 und andererseits über die Feder 66 mit dem Steuerschieber
67 in Verbindung. Der Kolben 68 der Schleppvorrichtung trennt zwei Zylinderräume
voneinander, die über eine mit einer Drosselstelle 69 versehene Leitung
70 verbunden sind. Der Steuerschieber 67 steuert die Zufuhr eines Druckmittels
aus der Leitung 71 oder die Abfuhr in die Leitung 72.
-
Der Steuerraum 73 des Schiebergehäuses 74 ist durch die Steuerleitung
22 mit dem Servomotor 21 verbunden. Der Servomotor21 besitzt einen Kolben 75, an
welchem sich die von oben wirkende Kraft der Feder 76 und der vors unten wirkende
Druck des Steuerraumes 77 Gleichgewicht halten. Über das Hebelwerk 87 steuert der
Kolben 75 die Regelorgane 19 und 20 in der Hauptleitung 9 und in der Umgehungsleitung
11.
-
Zur Einstellung des Sollwertes für die einzuregelnde Temperatur des
erhitzten Gases dient die Stellvorrichtung 79, mittels der die Spannung der Feder
78 verändert werden kann.
-
Bei einer Abweichung der Temperatur .des erhitzten Gases vom Sollwert
nach oben entsteht eine Verlängerung des Stabes 24, so daß sich das Gelenk 8o in
+ -Richtung des Pfeiles 81 verschiebt. Hierdurch wird der Steuerschieber 59 in +-Richtung
des Pfeiles 82 verschoben. Es entsteht eine Verbindung zwischen den Leitungen 6o
und 83, so daß in den über dem Kolben 63 befindlichen Zylinderraum Druckflüssigkeit
einströmen kann. Der Kolben 63 wird in + -Richtung des Pfeiles 85 verschoben und
die hierbei im unteren Zylinderraum verdrängte Flüssigkeit durch die Leitung 84
nach der Ablaufleitung 62 abgeführt.
-
Durch die Verschiebung des Servomotorkolbens 63 wird die bestehende
Druckspannung der Feder 66 vermindert und der Schieber 67 dadurch in + -Richtung
des Pfeiles 85 verschoben. Hierbei entsteht eine Verbindung zwischen der Abfu'hrleitung
72 und dem Steuerraum 73. Durch Abfuhr von Steuerflüssigkeit wird der Steuerdruck
im Raum 73 verrnindert, bis die hierdurch verminderte Druckbelastung auf den Schieber
67 der verminderten Druckspannung der Feder 66 in der Mittellage des Schiebers Gleichgewicht
hält, wobei die Steueröffnungen der Leitungen 71 und 72 verschlossen sind.
-
Der verminderte Steuerdruck im Raum 73 wird durch die Leitung 22 in
den Steuerraum 77 des Servomotors 21 übertragen. Der Kolben 75 wird durch die Feder
76 in + -Richtung des Pfeiles 86 verschoben. Hierdurch werden die Regelorgane
20 und 19 so verstellt, daß der durch die Leitung 11
strömenden
Umgehungsmenge ein vergrößerter Durchflußquerschnitt und der durch die Leitung g
strömenden Hauptmenge ctin verkleinerter Durchflußquerschnitt zur Verfügung steht.
Es wird eine größere Menge zu erhitzenden Gases um die Wärmeaustauschfläche des
Gasenhitzers herumgeführt, wobei eine geringere Erhitzung entsteht und damit die
anfänglich die Regelbewegung einleitende Temperaturerhöhung wieder behoben wird.
-
Ein überregeln und Pendeln wird mit Hilfe der Schleppkupplung 65 verhindert,
welche als nachgiebige Rückführung zur Wirkung kommt und gleich zu Beginn der Regelverstellung
schon eine Rückführbewegung einleitet. Während der Verschiebung des Servomotorkolbens
63 wird der Schleppkolben 68 unter Spannung der Feder 78 ebenso in + -Richtung des
Pfeiles 85 verschoben. Das Gelenk 89 wird somit in der der anfänglichen Verschiebungsrichtung
entgegengesetzten Richtung verschoben, so daß der Steuerschieber 59 gegen seine
Mittellage zurückgeschoben wird.
-
Die Regelvorrichtung kommt erst dann zur Ruhe, wenn die Feder 78 spannungslos
ist und der Schieber 59 in Mittellage die Steueröffnungen der Leitungen 83 und 84
verschließt. Diese Ruhelage kann aber erst eintreten, wenn das Meßgerät 24 durch
eine Temperatur beeinflußt wird, die genau dem eingestellten Sollwert entspricht.
Die nachgiebige Rückführung,arbeitet demnach so, daß keine bleibende Abweichung
vom Sollwert und somit keine bleibende Ungleichförmigkeit entsteht.
-
Ein ähnlicher Regelvorgang, jedoch mit umgekehrter Regelbewegung,
stellt sich ein, wenn die Temperatur, welche die Meßvorrichtung 24 beeinflußt, unter
den Sollwert fällt. Der Stab 24 verkürzt sich, so daß das Regelorgan 2o einen kleineren
Durchflußquerschnitt, das Regelorgan i9 aber einen größeren Durchflußquerschnitt
freigibt. Es wird dadurch eine vermehrte Menge des zu erhitzenden Gases über die
Heizflächen des Gaserhitzers .geleitet, so daß die Endtemperatur entsprechend erhöht
wird, bis der Sollwert wieder hergestellt ist.
-
Mittels der Stellvorrichtung 79 kann der von der Regelvorrichtung
einzuhaltende Sollwert den vorliegenden Bedingungen entsprechend angepaßt werden.
Eine Verstellung der als Schraube ausgebildeten Stellvorrichtung 79 in -f- -Richtung
des Pfeiles 85 verursacht eine Steigerung des Sollwertes der Temperatur. Der Gelenkpunkt
88 wird dann erst in einer tieferen Lage den spannungslosen Zustand der Feder 78
vermitteln. Dieser Lage des Gelenkpunktes 88 entspricht eine Lage des Gelenkes 8o,
welche in -h -Richtung des Pfeiles 81 dem gewünschten höheren Temperatursollwert
entspricht. Eine Verschiebung der Stellvorrichtung 79 in --Richtung des Pfeiles
85 senkt den Sollwert für die Temperatur.
-
Mit Hilfe der beschriebenen Regeleinrichtung werden die Temperatur
des aus dem Gaserhitzer abgeführten Verbrennungsgases und des erhitzten Gases getrennt
voneinander, jede nach besonderen Bedingungen, geregelt. Regelungsverzögerungen
infolge der in den Wandungen der Wärmeaustauschflächen gespeicherten Wärme werden
vermieden. Steigt beispielsweise die Temperatur des aus dem Wärmeaustauscher austretenden
Verbrennungsgases über den Sollwert, so bewirkt die Regelvorrichtung eine Verminderung
der Brennstoffzufuhr, wodurch die AustrittstemperaturderVerbrennungsgase augenblicklich
vermindert wird. Durch die Verminderung der Brennstoffzufuhr wird die Temperatur
im Feuerraum vermindert, dadurch folgt aber auch augenblicklich ein Absinken der
Temperatur des Verbrennungsgases, und zwar bevor sich die Temperatur der Wärmeaustauschflächen
geändert hat.
-
Ebenso wird auch bei einem überschreiten des Sollwertes der Temperatur
des zu erhitzenden Gases sofort eine vermehrte Menge durch die Umgehungsleitung
um die Wärmeaustauschflächen herumgeleitet. Dadurch wird die Wärmeaufnahme der gesamten
Gasmenge vermindert, trotzdem die Temperatur der Wärmeaustauschflächen sich noch
nicht' geändert hat.
-
Anstatt die Sollwerte von Hand einzustellen, können sie auch selbsttätig
in Abhängigkeit von Betriebsgrößen einer mit dem Gaserhitzer zusammenhängenden Anlage
eingestellt werden. Muß der Sollwert nicht ohne bleibenden Ungleichförmigkeitsgrad
eingehalten werden, kann vielmehr die Temperatur innerhalb einer Ungleic'hförmigkeitsgrenze
schwanken, so können die Regelvorrichtungen auch mit starren Rückführungsvorrichtungen
ausgerüstet werden.
-
Gaserhitzer der beschriebenen Art eignen sich besonders zur Erhitzung
,der Luft in Gasturbinenanlagen. Es kann dann dem Brenner 1° durch die Leitung 2
und dem Raum io durch die Leitung 4 aus einer gemeinsamen Leitung verdichtete Luft
zugeführt werden. Die erhitzte Luft dient z. B. zur Beaufschlagung der die Verdichter
treibenden Turbine, während das Verbrennungsgas die Nutzleistungsturbinetreibt.
DieTemperatur dererhitzten Luft und die Temperatur des Verbrennungsgases können
dann unabhängig voneinander nach den durch den Betrieb gegebenen Bedingungen eingehalten
werden. Die zusätzliche Beeinflussung des Brennstoffregelorgans 13 durch die Druckmeßdose
15 erfolgt zweckmäßig in Abhängigkeit vom Druck der Verbrennungsluft.