Gasturbinenanlage. Es sind Regulierungen von Gasturbinen anlagen bekannt, bei welchen die Leistungs regulierung durch direkte Regulierung der Brennstoffzufuhr erfolgt. Diese Regulierun gen haben den Nachteil, dass die zeitliche Brennstoffzufuhr den raschen Leistungs schwankungen, wie sie zum Beispiel elektri sche Netze verlangen, in direkter Abhängig keit nachfolgen muss, was an die Brennstoff regulierorgane und Brennstoff-Förderapparate hohe Anforderungen stellt, welchen diese in vielen Fällen, besonders beim Verbrennen von festen Brennstoffen, nicht mehr genügen können.
Die vorliegende Erfindung bezweckt, den beschriebenen Nachteil zu beheben, dadurch, dass die Anpassung der Turbinenleistung an den äussern Leistungsbedarf durch strö mungstechnische Massnahmen erfolgt, wäh rend eine Anpassung des Brennstoffverbrau ches wenigstens angenähert in Abhängigkeit einer Leistungs-Mittelwertkurve erfolgt, wel che mindestens die raschen Lastschwankun gen nicht mitmacht.
Die dadurch bedingte Differenz zwischen momentan notwendiger und momentan wirk lich vorhandener Brennstoff- und damit Wärmezufuhr kann Temperaturschwankun- genimKreislauf bedingen, welche unerwünscht und insbesondere an der Turbine schädlich sein können, und zwar sowohl in bezug auf die Materialbeanspruchungen als auch auf die Regulierung selber, welche dadurch zum Pen deln gebracht werden kann.
Diese Tempera turschwankungen können durch Einbau eines Wärmespeichers an irgendeiner Stelle des den Temperaturschwankungen unterworfenen Kreislaufes, vorzugsweise an einer Stelle zwischen Brennraum und Austauscher oder Brennraum und Turbine, auf ein erwünscht kleines Mass vermindert werden; zugleich können diese Anlageteile als Auffangvorrich tung und Ablenkvorrichtung für Flugasche ausgebildet sein.
Durch diese Regulierungs art, in Verbindung mit dem Einbau eines Wärmespeichers und der Ausbildung dessel ben als Flugaschenfänger, ermöglicht die Er findung den Betrieb einer Luft.- oder Cras- turbinenanlage mit festen Brennstoffen, zum Beispiel Kohle, sie kann aber auch bei flüs sigen Brennstoffen Anwendung finden.
Unter strömungstechnischen Massnahmen werden dabei Drosselungen, Stufen- oder Turbinenumführungen, Änderungen von Be aufschlagungsquerschnitten an Turbinen oder Verdichtern, Drehzahländerungen, Zu- und Wegfuhr von Arbeitsmittelteilen aus allfällig vorhandenen, geschlossenen Kreislaufteilen, Winkelveränderungen an Leit- oder Lauf schaufelapparaten verstanden. Alle diese Massnahmen haben zunächst nichts mit der Feuerung zu tun; sie bewirken zum Beispiel, dass die Turbinenaustrittstemperatur sich ändert, und als Folge davon auch die Brenn- luft-, Brenngas-, Austauscher- und schliess lich auch die Turbineneintrittstemperaturen.
So steigt bei der Entlastung bis zum Leer laufbetrieb, beispielsweise durch Umführung der Nutzleistungsturbine, die Turbinenaus trittstemperatur ungefähr um das Tempera turgefälle der Nutzleistung, und es steigt daher, allerdings mit einer gewissen Phasen verschiebung, die Eintrittstemperatur in die Turbine, und damit steigt die Austrittstem peratur aufs neue. Das Spiel würde sich wie derholen, wenn nicht durch eine brennseitige Nachregulierung der Brennstoffverbrauch den neuen Verhältnissen angepasst und ein unzulässiger Temperaturanstieg verhindert würde.
Es kann dies zum Beispiel dadurch geschehen, dass das Verhältnis von Brenn- luft zu Mischluft geändert wird, dass bei spielsweise weniger Brennluft über die Kohle geführt wird oder auch dadurch, dass in der von Dampfkesseln her bekannten Weise ein Teil des Rostes abgeschaltet wird, oder bei flüssigem Brennstoff durch Drosselung des Brennstoffventils.
Da die Schnellregulierung erfindungs gemäss durch rein strömungstechnische Mass nahmen, wie Drosselung oder Umführung etc. von Stufen erfolgt, hat sie zur Folge, dass meist nur bei einer Last, vorzugsweise bei Nennlast, optimale Strömungsverhältnisse vorliegen. Es wird daher zweckmässigerweise eine Rückführung der strömungstechnischen Regulierorgane in die optimale Stellung vor gesehen (z. B. durch mindestens teilweises Wiederöffnen des gedrosselten Ventils).
Da infolge der getrennten Regulierung der Leistungsabgabe an der Turbine und des Brennstoffes fast dauernd eine Differenz zwi schen der für die momentan abgegebene Lei stung notwendigen und der momentan wirk lich zugeführten Brennstoffmenge besteht die Gefahr von zu grossen und zu raschen Tem peraturschwankungen. Diese sind jedoch schädlich, da beispielsweise zu hohe Tem peraturen vor der Turbine für die Festigkeit von Nachteil sind, während umgekehrt mit zu tiefen Temperaturen rasch ein Verschwin den der Nutzleistung eintritt, was wiederum die Regulierung erschweren würde. Zu rasche Temperaturschwankungen dagegen würden sich für die an sich träge Brennstoffver brauch-Beeinflussung ebenso wenig eignen wie die raschen Schwankungen des elektri schen Netzes.
Es wird daher zweckmässiger weise irgendwo im Kreislauf zwischen Tur binenaustritt und Turbineneintritt ein Wärmespeicher eingelegt, welcher diese Nachteile behebt und insbesondere die Regu lierung auf konstante Temperatur erleichtert. Vorzugsweise wird dieser in den Brennraum oder zwischen Brennraum und Austauscher gelegt. Dieser Speicher kann zudem, sofern er zwischen Flamme und Austauseher, das beisst im Brennraum, oder zwischen Brenn- raum und Austauscher liegt, gleichzeitig als Flugaschenfänger und Flugasehenablagerer ausgebildet werden.
Die beiliegende Zeichnung zeigt schema tisch zwei Ausführungsbeispiele des Erfin dungsgegenstandes.
In Fig. 1 stellt 1 den Verdichter, ? den Wärmeaustauscher, 3 und 4 je eine Turbine, 5 den Brennraum mit dem Rost 6 (auf wel chem beispielsweise Kohle verbrannt wird), der Brennluftleitung 7, der llischluftleitung 8 und dem Speicherkörper 9 dar. Letzterer wirkt zugleich als Flugaschenfänger. Die Turbine 3 ist tnit einem Generator 10 gekup pelt, während die Turbine 4 den Verdichter 1 antreibt. 19 ist ein Anlassmotor. Die Ven- tile 17, 15', 16', sowie der Brennraum 5' sind zunächst wegzudenken.
Als strömungstechnisches Schnellregulier organ ist eine die Nutzleistungsturbine um führende Leitung 11 mit dem Ventil 12 vor gesehen. Das Ventil 12 ist abhängig vom Fliehkraftregler 13 der Nutzleistungsturbine 3. Als Impulsgeber für Nachregulierung des Brennstoffes dient ein Thermostat 14, wel cher auf eines oder beide Ventile 15 und 16 wirkt und das Verhältnis der Brennluft (Lei tung 7) zur Mischluft (Leitung 8) reguliert. Es können auch Teile des Rostes 6 in Funk tion der Temperatur am Turbineneintritt zu- und abgeschaltet werden.
Der Reguliervorgang ist im wesentlichen der folgende: Die Lastkurve der vom Gene rator 10 abgegebenen Leistung möge bei spielsweise nach Kurve a (Fix. 2) schwan ken und ebenso die abgegebene Nutzleistung an der Welle zwischen Turbine 3 und Gene rator 10. Mit Hilfe des Fliehkraftreglers 13 wird die Nutzleistung reguliert, und zwar ganz unabhängig von der Brennstoffregelung. Infolge dieser Leistungsregelung an der Tur bine wird die Temperatur am Austritt und als Folge davon auch am Eintritt in die Tur bine 3 schwanken; jedoch wird diese Schwan kung infolge der Wärmeträgheit gedämpft sein, und es werden weniger Spitzen und langsamere Schwankungen in dieser Kurve vorkommen, als in der Leistungskurve.
Mit Hilfe des Thermostaten 14 werden nun die Ventile 15 oder 16 oder beide so reguliert, dass die Brennstoffmenge, welche auf dem Rost 6 verbrannt wird, sich der Kurve b (Fix. 2) und damit den Mittelwerten der ab gegebenen Leistung anpasst.
Wenn man sich beispielsweise im Zeit punkt Z1 befindet, da die Kurve a, das heisst die abgegebene Leistung, in ihren Mittel werten abzunehmen beginnt, wird zunächst das Umführungsventil 12, welches im übri gen die raschen Leistungsschwankungen ge mäss a mitzumachen hat, das heisst bei jeder Lastsenkung öffnen und bei jeder Last steigerung schliessen muss, im Mittel all mählich mehr öffnen als vor der Zeit Z1. Die von der Turbine abgegebene Leistung wird im Mittel abnehmen, und daher wird die Austrittstemperatur der Turbine, und auch die Lufttemperatur in den Leitungen 7 und 8 ansteigen.
Je nach der Grösse der Speicher fähigkeit, insbesondere der Grösse des all fällig eingebauten Speicherkörpers 9, wird auch die Temperatur der Gase vor dem Aus- tauscher 2, und damit die Aufheiztemperatur der Luft, das heisst die Temperatur am Tur bineneintritt, rascher oder langsamer an steigen, und es wird der Thermostat das Brennluftventil 15 schliessen oder das LTm- führungsventil 16 öffnen, oder sowohl 15 schliessen als 16 öffnen,
um die Brennluft- menge, die durch den Rost 6 strömt, zu ver mindern und damit weniger Kohle zu ver brennen und der mittleren abgegebenen Lei stung, zum Beispiel gemäss Kurve b, anzu passen.
Da die Temperatur nur einer die raschen Lastschwankungen nicht mitmachenden Kurve (b) folgt, wird die nur von der Temperatur abhängige Brennstoffregulierung selbsttätig dieser Leistungs-Mittelwertkurve folgen. Im Grenzfall eines unendlich grossen Speichers braucht die Brennstoffmenge überhaupt nicht reguliert zu werden, sondern es müsste die Brennstoffzufuhr einfach auf einen Mittel wert, zum Beispiel entsprechend dem Jahres mittel des Leistungsverbrauches, eingestellt werden.
Bei gewissen Anlagen dürfte ein sol cher Wegfall der Brennstoffregulierung und völliges Auffangen der Schwankungen im Wärmespeicher möglich sein; bei andern An lagen jedoch wird der wärmespeichernde Körper 9 gerade so gross gemacht werden müssen, als es die zulässigen Temperatur schwankungen, insbesondere am Turbinenein tritt verlangen.
Bei mittlerer Lastzunahme wird umge kehrt das Ventil 12 im Mittel schliessen, die Temperaturen werden infolge der gesteiger ten Expansionskühlung in den Turbinen sinken, und es wird infolge Öffnens des Ven tils 15 oder Schliessens des Ventils 16 bezw. bei gleichzeitigem Öffnen des Ventils 15 und Schliessen des Ventils 16) mehr Brennluft über den Rost geschickt und daher mehr Brennstoff verbrannt.
Statt oder neben der Brennluftregulie- rung kann auch eine Rostab- und -zuschal- tung in Abhängigkeit von der Temperatur erfolgen, oder es kann beim Verbrennen von flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen die Zuströmung des Brennstoffes direkt beein flusst werden.
Dadurch, dass dem momentanen Leistungs bedarf unmittelbar durch die strömungstech nische Massnahme der Turbinenumführung entsprochen wird, indem das Turbinenumfüh rungsventil 12 die Lastschwankungen nach Kurve a unmittelbar mitmacht, und dass die Brennstoffregulierung nicht direkt von der Leistungskurve, sondern nur von der Tem peratur abhängig erfolgt, die Ventilbewe gung 15 und 16 also zeitlich in Abhängig keit einer wenigstens die raschen Schwankun gen der Kurve a nicht mitmachenden Kurve, zum Beispiel nach Kurve b, erfolgt, wird es möglich, bei der Brennstoffregulierung mit viel langsameren Bewegungen auszukommen, als bei direktem Zusammenhang zwischen Brennstoff- und Leistungsregulierung.
Da durch wird eine der Hauptschwierigkeiten des Verbrennens von festen Brennstoffen bei Gas- und Luftturbinenanlagen beseitigt.
Durch Einbau eines Speicherorganes von entsprechender Grösse wird die Stärke der Abweichung der Kurve<I>b</I> von der Kurve a festgelegt. Bei unendlich grossem Speicher verschwindet die Abhängigkeit von a voll ständig, beim Wegfallen des Speicherorganes wird dagegen die Kurve b der Kurve a ähn licher als mit Speicherorgan. Würde die An lage überhaupt keine Wärmespeicherfähig- keit aufweisen, so ergäbe sich Übereinstim mung von b und a. Je grösser die Betriebs dauer der Anlage und je besser vorbekannt der mittlere Leistungsbedarf ist, umso grösser darf die Speicherfähigkeit gemacht werden, und umso unabhängiger wird die Brennstoff regulierung von der Leistungsregulierung.
Es wurde bis jetzt angenommen, dass die Brennstoffregulierung nur abhängig von der Temperatur am Turbineneintritt erfolge. Es kann jedoch Fälle geben, wo die aus andern Gründen gewünschten maximalen Schwan kungen der Turbineneintrittstemperatur nicht mit den für die Brennstoffregulierung ge wünschten Schwankungen der Kurve b über einstimmen. In diesem Falle kann auch irgendein anderer Impulsgeber für die Brenn stoffregulierung herangezogen werden, wel cher die Leistungskurve a bis auf die gerade noch gewünschten Schwankungen dämpft.
Es kann auch ein eigens hierfür gebauter Leistungskurvenschwankungsdämpfer vorge sehen werden, zum Beispiel in Form eines Kolbens, welcher die Bewegungen von Ven til 12, welche zum Beispiel identisch mit Kurve cc erfolgen, in durch eine Feder ge dämpfter Form mitmacht.
An Stelle der in Fig. 1 gezeigten Tur- binenumführung könnten auch nur einzelne Stufen umführt werden, oder es kann statt einer Umführung eine Drosselung an irgend einer Stelle des Kreislaufes, zum Beispiel durch das Ventil<B>l i,</B> vorgenommen werden. Ein solches Drosselventil würde bei Last abnahme schliessen und bei Lastzunahme öffnen, im Gegensatz zu Ventil 12, welches bei Lastabnahme öffnet und bei Lastzunahme schliesst.
In Fig. 1 sind zwei Turbinen 3 und 4 eingezeichnet, wovon die eine (3) die Nutz leistung an den Generator 10 abgibt, die an dere (4) den Kompressor 1 antreibt. Es ist auch möglich, die gesamte Expansion nur in einer Turbine zu vollziehen, welche als dann sowohl die Kompressorleistung als auch die Nutzleistung liefert.
Sofern die beiden Turbinen auf verschiedenen Wellen laufen, steht es frei, die Drehzahlen der beiden ver schieden zu wählen und beispielsweise eine davon lastabhängig zu machen, indem zum Beispiel die Nutzleistungswelle mit konstan ter, durch die Netzfrequenz bestimmter Dreh zahl läuft, während die Kompressorwelle mit variabler Drehzahl dreht, und zwar bei kleinerer Last mit kleinerer Drehzahl, bei grösseren Lasten mit grösserer Drehzahl.
In diesem Falle ist es möglich, die strömungs technischen Reguliermittel der Drosselung oder Umführung als Einleitung der Lei stungsregulierung zu wählen, indem jene die Änderung der Drehzahl der Kompressorwelle einleiten, während bei mindestens ange näherter Erreichung der für die abgegebene Leistung passenden Drehzahl die strömungs technischen Massnahmen mindestens teilweise wieder rückgeführt werden, so dass sie zum Beispiel im stationären Betrieb mindestens angenähert stets die optimalen Lagen ein nehmen. Die Brennstoffanpassung an die mittlere Lastkurve b kann dabei in gleicher Weise erfolgen wie oben beschrieben.
Eine derartige Regulierung geht dann beispielsweise wie folgt vor sich: Bei abnehmender Last öffnet beispiels weise Ventil 12' der Umführungsleitung 11', welche mindestens einzelne Stufen der Kom pressorantriebsturbine 4 umführt. Die Tou renzahl des Kompressoraggregates sinkt als dann und damit der vom Kompressor er zeugte Druck und damit auch die Nutz leistung. Statt des Ventils 12' kann auch Ventil 12 oder gleichzeitig 12' und 12 be tätigt werden. Nach Erreichung des tieferen Druckes können die Umführungsventile wenigstens teilweise wieder in die ursprüng liche Lage zurückgeführt werden. Die Lei stungsregulierung geschieht also hier durch die strömungstechnischen Massnahmen der Umführung und Tourensenkung. Die Um führung kann die Drehzahlsenkung auch nur einleiten. An Stelle der Umführung kann auch wieder eine Drosselung treten.
Diese Leistungsregulierung mit Drehzahlsenkung macht beispielsweise wiederum die Schwan kungen der Kurve a mit, während die Brenn stoffregulierung beispielsweise durch die Ventile 15 und 16 wiederum nach einer mitt leren Schwankungskurve b, zum Beispiel ab hängig von der Turbinenaustrittstemperatur, erfolgt.
Bei Belastungszunahme wird das umge kehrte Verfahren eingeschlagen, wobei jedoch im Falle der rückgeführten Ventile 12 und 12' ein Belastungsimpuls notwendig ist, bei spielsweise durch eine aus einem Speicher entnommene oder durch einen Zusatzkom- pressor gelieferte Zusatzdruckluft, oder durch einen Zusatzbrenner, oder durch Öffnung eines Zusatzsektors an einer Turbine, oder durch Kombination zweier oder mehrerer der genannten Mittel.
Die Erfindung kann auch angewandt werden für den Fall, @dass die Verbrennung vor Eintritt in die Turbine erfolgt (Brenn- raum in Lage 5' mit den Ventilen 15' und <B>W),</B> so dass die Abluft der Turbine 4 direkt oder über den Speicherkörper 9 dem Wärme- austauscher 2 zuströmt. Der Speicherkörper 9 kann auch bei 9' oder auch an einer andern Stelle der Leitung untergebracht werden.
Die Trennung der Regulierung des Brenn stoffes von der raschen Lastregelung kann auch bei flüssigen oder gasförmigen Brenn stoffen Anwendung finden. Sie bringt aber für feste Brennstoffe, welche sich schwie riger den raschen Leistungswechseln anpas sen, spezielle Vorteile. Sie kann bei allen Gas- und Luftturbinenanlagen Verwendung finden, zum Beispiel auch bei den bekannten Schaltungen mit ganz oder mindestens teil weise geschlossenem Kreislauf.
Fig. 3 zeigt den bekannten geschlossenen Kreislauf mit Kompressor 1, Wärmeaustau- scher-Niedertemperaturstufe 2, Wärmeaus tauscher-Hochtemperaturstufe 18 (welche mit dem Brennraum 5 zusammengebaut werden kann), Kühler 20 und Turbinen 3 und 4. Im Brennraum 5 mit dem Rost 6 und den Leitungen 7 für die Brennluft und 8 für die Zusatzluft wird gleichfalls ein fester Brenn stoff verbrannt. Die Abgase wärmen im Vorwärmer 19 die Luft vor, 9 bedeutet wie- derum einen Wärmespeicher, welcher gleich zeitig Auffangvorrichtung für die Flugasche sei.
Die Ventile 12, 12', 15, 16, 17 können die gleichen Funktionen ausüben, wie oben dargestellt.
Die rasche Leistungsregelung kann im Falle der Anwendung eines geschlossenen Kreislaufes durch Umführen mindestens eines Teils mindestens einer Turbine, oder durch Drosselung oder durch Drehzahlvariation des allfällig getrennten Kompressoraggregates, oder auch durch Entnahme von Arbeitsmittel aus dem und Zufuhr von solchem in den ge schlossenen Kreislauf, oder durch eine belie bige Kombination aus diesen Verfahren er folgen.
Die Brennstoffregulierung kann auch bei diesem Beispiel einer Mittelwertkurve aus der Leistungskurve folgen, zum Beispiel in Abhängigkeit von der Turbinen-Eintrittstem peratur.
Zusammenfassend ergibt sich, dass die Trennung der Leistungs- und Brennstoff regulierung es ermöglicht, feste Brennstoffe zu verwenden und dabei beliebigen Netz- Lastkurven genügen zu können. Das Mass des Zusammenhanges zwischen Leistungs und Brennstoffregulierkurve ist durch die Grösse des zu diesem Zweck eingebauten Spei chers gegeben. Der Speicher kann zugleich als Auffangvorrichtung für die Flugasche dienen, so dass ein Betrieb mit festem Brenn stoff ebensogut möglich ist wie bei Dampf anlagen. Die Mittelwertkurve, welcher die Brennstoffregulierung folgt, kann nur die ganz raschen Schwankungen der Leistungs kurve nicht mitmachen, oder sie kann Mittel werte der Leistungskurve über eine längere Zeitperiode darstellen.
Als einfachste Mittel wertkurve kann der Schwankungsverlauf einer Temperatur, zum Beispiel der Turbinen Eintrittstemperatur, zur Impulsgebung für die Brennstoffregulierung herangezogen wer den, so dass in diesem Falle die Brennstoff regulierung nur von dieser Temperatur allein abhängig erfolgt. Die Regulierung eignet sich insbesondere für Anlagen, welche mit festen Brennstoffen betrieben werden, hat aber auch bei flüssigen und gasförmigen Brennstoffen ihre Vorteile.
Als Arbeitsmittel kann Luft oder ein be liebiges anderes Gas verwendet werden.