CH649606A5 - Control device for a gas turbine plant - Google Patents

Description

  
 

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   9. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturrechner (18) ein digitaler Computer ist.



   Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für eine aus Gasturbine, Kompressor und Brennkammer bestehende Gasturbinenanlage, welche dazu dient, die Temperatur des in die Gasturbine eintretenden Gases zu begrenzen.



   Für jede Gasturbine ist eine obere Grenztemperatur für das aus der zugeordneten Brennkammer in die Turbine eintretende Gas vorgeschrieben. Ein Betrieb der Turbine mit einer Gaseintrittstemperatur über diesem Grenzwert kann zu ernsthaften Schäden oder zum Versagen der Turbine führen. Um eine Überhitzung der eintretenden Gase zu vermeiden, weisen bestehende Gasturbinensteuerungen im allgemeinen eine Temperaturregelschlaufe zur Regelung der Brennstoffzufuhr auf, wobei davon ausgegangen wird, dass die Temperatur des aus der Brennkammer in die Gasturbine eintretenden Gases von der zugeführten Brennstoffmenge abhängt.



   Die USA-Patentschrift 3 520 133 zeigt eine Steuerung für eine dem Antrieb eines Generators dienende Gasturbine, in welcher Steuerung das niedrigste Steuersignal zur Regelung der Brennstoffzufuhr aus einer Mehrzahl von Steuerkanälen ausgewählt wird, insbesondere einem Drehzahl/Last-Steuerkanal, einem Temperatursteuerkanal und einem Anlaufsteuerkanal. und ein Brennstoffregler wird mittels dieses Signals gesteuert. Der erwähnte Temperatursteuerkanal erzeugt ein Brennstoffregelsignal mit dem Ziel, die gemessene Gasaustrittstemperatur einen vorbestimmten Wert nicht übersteigen zu lassen. Dies heisst, dass bei über dem Grenzwert liegender Gasaustrittstemperatur die Brennstoffzufuhr gedrosselt wird, um die Gasaustrittstemperatur aus der Turbine unter dem vorbestimmten Grenzwert zu halten.



   Es besteht eine Beziehung zwischen der Temperatur des aus der Turbine austretenden Gases und der Temperatur des in die Turbine eintretenden Gases. Man kann daher in der oben erwähnten Weise indirekt die Temperatur des in die Turbine eintretenden Gases regeln. Da jedoch die Beziehung zwischen den beiden Temperaturen vom thermischen Wirkungsgrad in der Turbine selbst abhängt, wird es unmöglich bei einem Absinken des thermischen Wirkungsgrades der Turbine die Gaseintrittstemperatur genau auf den gewünschten Wert zu begrenzen, indem die Temperatur am Turbinenaustritt gemessen wird.



   Erfahrungsgemäss fällt der Turbinenwirkungsgrad mit der Zeit um 1 bis 10% ab. Das Absinken des thermischen Wirkungsgrades bewirkt ein entsprechendes Absinken der mechanischen Leistung der Turbine, d.h., das Verhältnis zwischen der als mechanische Ausgangsleistung der Turbine verbrauchten thermischen Energie zu der in die Turbine eintretenden Gasenergie verändert sich. Das führt dazu, dass auch bei Zufuhr von Gas gleicher Temperatur und gleichen Druckes zur Turbine die bekannte Steuerung eine höhere Austrittstemperatur aus der Turbine bewirkt. Das heisst, dass bei einer Einstellung der bekannten Steuerung derart, dass diese erhöhte Austrittstemperatur einen bestimmten Grenzwert nicht übersteige, unweigerlich die Eintrittstemperatur an der Gasturbine aufzu niedrige Werte geregelt wird.

  Anderseits ist der Gesamtwirkungsgrad der Gasturbinenanlage umso niedriger je niedriger die Temperatur des in die Turbine eintretenden Gases ist, was bedeutet, dass bei Regelung der Eintrittstemperatur auf einen zu tiefen Pegel die Ausgangsleistung und der Wirkungsgrad der Gasturbine absinkt. Aus diesen Gründen ist die bekannte Gasturbienensteuerung mit dem Nachteil behaftet, dass zur Erhaltung eines hohen Wirkungsgrades und hoher Leistung der Gasturbine, der Grenzwert, auf welchen die Austrittstemperatur an der Turbine geregelt wird, periodisch nachgestellt werden muss.



   Es wäre allerdings auch möglich, den erwähnten Nachteil dadurch zu beheben, dass man die Gastemperatur am Eintritt der Turbine ermittelt und auf einen Sollwert regelt, aber es bestehen keine praktischen Möglichkeiten, um die Eintrittstemperatur kontinuierlich zu messen, so dass dieses Vorgehen ausser Betracht fällt.



   Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuervorrichtung zu schaffen, welche die Gastemperatur am Turbineneintritt aus anderen Grössen genau ermittelt und damit die Temperaturregelung optimal vornimmt, so dass die Turbinen anlage stets mit hohem Wirkungsgrad und hoher Leistung arbeitet, auch wenn der Wirkungsgrad der Turbine mit der Zeit etwas abfällt. Diese Aufgabe wird durch die Massnahmen gemäss Anspruch 1 gelöst. Dabei wird die Enthalpie des Gases am Austritt der Brennkammer aus dem Zustand der Luft, welche den Kompressor verlässt und aus dem   Brennstofffluss    ermittelt und die Steuerung der Turbine so vorgenommen, dass die berechnete Temperatur der Verbrennungsgase einen vorbestimmten Grenzwert nicht übersteigt.



   Vorzugsweise kann aus der Drehzahl des Kompressors und der Lufttemperatur an seinem Eintritt anhand gespeicherter charakteristischer Werte für den Kompressor für die betreffende Lufteintrittstemperatur und Drehzahl die Temperatur des Verbrennungsgases errechnet werden. Die Steuerung der Turbine erfolgt so, dass diese errechnete Temperatur einen bestimmten Grenzwert nicht übersteigt. Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert, in welcher ein Ausführungsbeispiel der   erfindungsgemässen    Steuervorrichtung dargestellt ist.



   Fig.   list    ein Blockdiagramm der Gasturbineneinheit und ihrer Steuerung,
Fig. 2 ist ein Flussdiagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise des Temperaturrechners 18 gemäss Fig. 1,
Fig. 3 zeigt die Charakteristik des Kompressors 1, welche im Programmblock 56 gemäss Fig. 2 wirksam ist,
Fig. 4 ist ein Diagramm, welches die Beziehungen zwischen der Temperatur und der Enthalpie der Verbrennungsgase und der Luft darstellt, welche Beziehungen in den Programmblöcken 58 und 63 gemäss Fig. 2 zur Wirkung kommen und
Fig. 5 ist ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen dem Verbrennungswirkungsgrad der Verbrennungskammer 4 und dem Verhältnis zwischen Luft und Brennstoff darstellt, welche Beziehung im Programmblock 60 gemäss Fig. 2 wirksam ist.

 

   Fig.   1    zeigt ein Blockdiagramm einer Gasturbinenanlage 100 und der zugeordneten Mess- und Regelorgane sowie der zugeordneten Gasturbinensteuereinheit 200. Gemäss Fig. 1 ist ein Kompressor 1 zur Verdichtung der Luft aus einer Zufuhrleitung 2 vorgesehen, welcher die komprimierte Luft durch eine Leitung 3 einer Brennkammer 4 zuführt. In der Brennkammer 4 wird durch eine Leitung mit Regelventil 5 zugeführter Brennstoff in der verdichteten Luft verbrannt.



  Die Verbrennungsgase treten durch eine Leitung 6 in die Gasturbine 7 ein, wo sie die Turbine antreiben und dann durch einen Auslass 9 in die Atmosphäre austreten. Die Turbine 7 ist mit dem Kompressor 1 und einem Generator 8 mechanisch gekuppelt.



   Zur Regelung der Gasturbine 7 ist ein Brennstoffregler 10 zwischen der Turbine 7 und ihrer Steuereinheit 200  



  angeordnet. Er steuert ein Regelventil 5 in der Brennstoffleitung zur Brennkammer 4. Zwischen der Turbine 7 und ihrer Steuereinheit 200 sind ferner ein Drehzahlgeber 12, ein Druckgeber 13 zur Messung des Luftdruckes am Austritt des Kompressors, ein Druckgeber 21 zur Messung des Luftdruckes am Eintritt des Kompressors, ein Temperaturgeber 22 zur Messung der Lufttemperatur am Eintritt des Kompressors, ein Temperaturgeber 23 zur Messung der Lufttemperatur am Austritt des Kompressors, ein Durchflussmesser 24 zur Ermittlung des Brennstoffdurchflusses und ein Flammenwächter 25 vorgesehen.



   Übersteigt in einem solchen System die Gaseintrittstemperatur an der Turbine einen bestimmten vorgegebenen Grenzwert, muss die Drehzahl oder Last der Turbine derart angepasst werden, dass die Gaseintrittstemperatur wieder unter den Grenzwert sinkt. Da anderseits die Gasturbine zur Erzielung eines möglichst hohen Wirkungsgrades bei möglichst hoher Temperatur arbeiten soll, soll auch nicht unnötig mit zu niedriger Temperatur gearbeitet werden und der oben erwähnte Grenzwert ist bezogen auf einen gewünschten Wirkungsgrad und eine gewünschte Lebensdauer der Turbine passend zu wählen.



   Aufbau und Arbeitsweise der Gasturbinensteuerung wird nun im einzelnen beschrieben. Zur Drehzahlregelung ist ein Drehzahlgeber 12, beispielsweise ein elektromagnetischer Fühler, vorgesehen, welcher die Drehzahl der Turbine 7 misst. Das im Geber 12 erzeugte Drehzahlsignal N sowie ein in einem Sollwertgeber 14 erzeugtes Solldrehzahlsignal Ns werden einem Subtraktor 22 zur Ermittlung der Drehzahldifferenz AN zugeleitet. Ein   Regelmultiplikator    15 multipliziert die Drehzahldifferenz AN mit einem vorbestimmten Regelfaktor, wobei ein Lastbedarfssignal LD erzeugt wird. Ein Proportionalregler 16 wandelt das Lastbedarfssignal LD in ein Brennstoffbedarfssignal um, das zur Drehzahl/Leistungsregelung dient und einem Niedrigstwertwahltor 17 zugeführt wird.

  Ist der Generator 8 mit einem elektrischen Verbrauchernetz verbunden, so arbeitet der Solldrehzahlgeber 14 als Lastgeber.



   Zur Temperaturregelung ist ein Temperaturrechner 18 zur Berechnung der Eintrittstemperatur des Gases an der Turbine vorgesehen. Ein der errechneten Temperatur entsprechendes Signal TF und ein Solltemperatursignal TFS, das einem Solltemperaturgeber 19 entnommen ist, werden einem Subtraktor 21 zugeführt, welcher die Differenz ATF zwischen den beiden Signalen TF und TFS erzeugt und dieses Differenzsignal einem Proportional-Integralregler (P.I.-Regler) 20 zuführt. Der P.I.-Regler 20 erzeugt ein Brennstoffbedarfsignal   G-rF    zur Temperaturregelung in Abhängigkeit vom Signal ATF, und dieses Signal   GTF    wird dem Niedrigstwerttor 17 zugeführt.

  Dieses Niedrigstwerttor 17 vergleicht das   Brennstofr"bedarfsignal      Gel zur    Drehzahl/Leistungs-Regelung mit dem Brennstoffbedarfsignal   GTF    zur Temperaturregelung und leitet das niedrigere dieser Signale als Brennstoffbedarfsignal GFLD an den Brennstoffregler 10 weiter.



   Der Temperaturrechner 18 kann einen digitalen Computer enthalten, welcher periodisch gemäss einem Flussdiagramm gemäss Fig. 2 arbeitet, um die Gastemperatur TF am Eintritt der Turbine zu errechnen.



   Im Programmblock 52 gemäss Fig. 2 werden ein Signal   PI    entsprechend dem Luftdruck am Eintritt des Kompressors, ein Temperatursignal   Ti    am Eintritt des Kompressors, ein Signal P2 entsprechend dem Luftdruck am Austritt des   Kom-    pressors, ein Signal T2 entsprechend der Lufttemperatur am Austritt des Kompressors, ein Brennstofffluss-Signal GFL und ein Drehzahlsignal N entsprechend der Turbinendrehzahl je in digitaler Form in einen Speicher des digitalen Computers eingespeichert. Diese Signale stammen vom Druckgeber 21 am Eintritt des Kompressors, dem Temperaturgeber 22 am Eintritt des Kompressors, dem Druckgeber 13 am Austritt des Kompressors, dem Temperaturgeber 23 am Austritt des Kompressors, dem Brennstoffflussgeber 24 und dem Drehzahlgeber 12.

  Zugleich gelangt ein Signal FL vom Flammenwächter 25 an den Speicher des Computers.



   Im Programmblock 53 erfolgt der Entscheid darüber, ob das Flammenwächtersignal FL  1  oder  0  sei. Ist dieses Signal  0 , d.h. hat die Zündung in der Brennkammer 4 noch nicht stattgefunden, so beendet der Computer sein Programm und wartet auf ein Startkommando für den nächsten Zyklus.



  Ist das Flammenwächtersignal FL  1 , d.h. hat in der Brennkammer 4 die Zündung stattgefunden, so springt der Computer zum nächsten Programmblock 54.



   In diesem Programmteil 54 berechnet der Computer eine auf eine Bezugstemperatur TIR bezogene modifizierte Drehzahl Nc aus dem Drehzahlsignal N und dem Signal   Tl    entsprechend der Temperatur   Tl    am Eintritt des Kompressors und der   Bezugstemperatur Tl R.    Im dargestellten Ausführungsbeispiel, wo die Gasturbine eine einzige Welle aufweist, ist diese modifizierte Drehzahl Nc wie folgt definiert:
EMI3.1     

Die modifizierte Drehzahl NE des Kompressors 1 hängt also von der Drehzahl der Turbine N und der Eintrittstemperatur   Ti    am Kompressor und von einer Referenztemperatur TIR ab. TIR ist ein vorbestimmter Wert und entspricht normalerweise der Solltemperatur am Eintritt des Kompressors 1.



   Der Computer springt dann zum Programmblock 55 und bestimmt in diesem Programmteil das Kompressionsverhältnis Rc des Kompressors 1 gemäss folgender Gleichung (2):   
Po Rc= p, (2)   
In dieser Formel bedeutet   Pl    den Luftdruck am Eintritt des Kompressors und   P    den Luftdruck am Austritt des Kompressors.



   Im Programmteil 56 ermittelt der Computer einen Wert Gc für eine modifizierte Luftmenge am Austritt des   Kompressors    gemäss der Kompressor-Charakteristik in Fig. 3. Tatsächlich sind die entsprechenden Werte Gc für verschiedene mögliche Werte von Nc und Rc im Speicher des Computers in Ubereinstimmung mit der Charakteristik nach Fig. 3 eingespeichert.

 

  Der Computer ermittelt den Wert Gc mit den Werten Nc und Rc, die in den Programmteilen 54 und 55 ermittelt worden sind. Fig. 3 zeigt die Charakteristik, wenn die Temperatur am Kompressoreintritt der oben erwähnten Referenztemperatur TIR entspricht und wenn der Luftdruck am Kompressoreintritt ebenfalls einem bestimmten Referenzdruck PIR entspricht. Die in der beschriebenen Weise ermittelte Grösse Gc entspricht daher nicht der wirklichen Luftmenge am Austritt des Kompressors   I, sondern    einer modifizierten Luftmenge für die Bedingungen, dass Temperatur und Druck am Kompressoreintritt der erwähnten Bezugstemperatur TIR bzw. dem Referenzdruck   PlR    entsprechen.



   Der Computer springt dann auf Programmblock 57, um die wirkliche Luftmenge G am Austritt des Kompressors gemäss folgender Gleichung (3) zu berechnen:
EMI3.2     
  
In dieser Formel bedeutet Gc die modifizierte Luftmenge am Austritt des Kompressors, wie sie im Programmteil 56 berechnet worden war,   Pl    ist das den Luftdruck am Kompressoreintritt wiedergebende Signal und   Tl    ist das die Lufttemperatur am Kompressoreintritt wiedergebende Signal.



   Im Programmblock 58 berechnet der Computer die Enthalpie   H    der aus dem Kompressor austretenden Luft gemäss folgender Formel (4), wonach die Enthalpie auch eine Funktion der Austrittstemperatur   T    am Kompressor ist.



     H2=      gH (T2)    (4)
In dieser Formel bedeutet gH, dass eine bestimmte Beziehung zwischen der Enthalpie und der Lufttemperatur herrscht. In Fig. 4 ist diese Funktion (4) durch die Kurve mit dem Parametern =   oowiedergegeben.    Die Berechnung im Programmteil 58 erfolgt entweder durch Approximation der Kurve mittels einer polynomen Funktion oder durch Auslesen gespeicherter Daten entsprechend der Funktion (4).



   Im Programmblock 59 ermittelt der Computer das Luft/ Brennstoff-Verhältnis RFC der Brennkammer 4 unter Verwendung des Signals G aus Programmteil 57, welches der Luftmenge am Kompressoraustritt entspricht und dem Brennstoffflussignal GFL. Genau genommen beträgt die in die Brennkammer eintretende Luftmenge   G.( 1 -m),    da die aus dem Kompressor austretende Luft teilweise zur Kühlung der zugeordneten Welle verwendet wird, und wobei angenommen wird, das Verhältnis des Teilluftstromes zur Kühlung zur ganzen aus dem Kompressor austretenden Luftmenge betrage  m . Der Computer berechnet somit das Luft/Brennstoff-Verhältnis RFC aus der folgenden Gleichung (5).
EMI4.1     




   Im Programmblock 60 ermittelt der Computer den Verbrennungswirkungsgrad QF in der Brennkammer 4 gemäss Gleichung (6) und unter Verwendung des Wertes RFC aus dem Programmteil 59.



  QF = h(RFC) (6)
In dieser Gleichung bedeutet h, dass eine für die Brennkammer typische Beziehung zwischen QF und RFC herrscht, welche in Fig. 5 wiedergegeben ist. Ähnlich dem Wert   H2    im Programmteil 58 wird QF entweder durch Approximation mit Hilfe einer Polynomfunktion oder durch Auslesen gespeicherter Daten ermittelt.



   Der Computer springt nun in den Programmblock 61 zur Ermittlung der Enthalpie   HF    des Gases am Eintritt der Turbine unter Verwendung der bereits ermittelten Werte G,   H    und   QF    sowie aus dem Brennstoffflussignal GFL. Die der Gasturbine von der Brennkammer 4 zugeführte Energie ist das Total aus der Energie des Brennstoffs und der Brennkammer 4 zugeführten Luft multipliziert mit dem Verbrennungswirkungsgrad der Brennkammer 4. Aus der Bedingung des statischen Energiegleichgewichtes der Brennkammer ergibt sich folgende Gleichung (7) für die Enthalpie   HF.   



     HF-(G-(I-m)+GFL}=      QF-{H2-G(I-m)+HFL-GFL}    (7)
Löst man diese Gleichung (7) nach der Enthalpie HF auf, ergibt sich die folgende Gleichung (8).
EMI4.2     




   Im Programmblock 62 ermittelt der Computer das Luft überschussverhältnis  n  der Brennkammer 4 gemäss folgender Gleichung (9):
EMI4.3     
 worin RFC das Luft-Brennstoffverhältnis ist. Der Computer springt dann auf den Programmteil 63 zur Ermittlung der Gastemperatur   TF    am Eingang der Gasturbine gemäss folgender Gleichung (10): TF =   g(Hr.    n) (10) worin   HF    und  n  die in den Programmteilen 61 und 62 ermittelten Werte sind.   gT    bedeutet, dass eine Beziehung zwischen der Enthalpie, der Temperatur des Verbrennungsgases und dem Luftüberschussverhältnis  n  herrscht. Die Funktion (10) hängt auch von der Art des Brennstoffes ab.   TF    kann somit durch Auslesen von zuvor im Speicher des Computers gespeicherten Daten ermittelt werden.

  Fig. 4 zeigt die   TF-    Kurven für n = 2, n = 4 und n =   oo.      TF    könnte demgemäss auch durch Annäherung der Funktion (10) durch Polynome unter Berücksichtigung verschiedener Werte  n  ermittelt werden.



   Im Programmblock 64 gibt der Computer ein Signal aus, welches die im Block 63 ermittelte Gastemperatur   TF    am Eintritt der Turbine darstellt. Der Computer beendet nun eine Reihe von Rechenoperationen gemäss Flussdiagramm und wartet auf ein Startsignal für den nächsten Zyklus.



   Der Temperaturrechner 18 gemäss Fig. 1 liefert also ständig einen genauen berechneten Wert TF für die Temperatur am Eingang der Turbine. Das Signal   TF    bewirkt über P.I.-Regler (20) die Übermittlung des Brennstoffbedarfsignals   Cit an    das Niedrigstwerttor 17. Die beschriebene Steuervorrichtung gemäss vorliegender Erfindung gestattet damit eine genauere Regelung der Gastemperatur am Turbineneintritt als herkömmliche Turbinensteuerungen, weil direkt die Gastemperatur am Turbineneingang überwacht wird, während bei den herkömmlichen Anlagen die Gastemperatur am Turbineneingang indirekt geregelt und begrenzt wird in Funktion der ermittelten Temperatur am Ausgang der Turbine.

  Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemässen Steuervorrichtung besteht darin, dass mit höherem Wirkungsgrad und entsprechend höherer Leistung gearbeitet werden kann, weil der mit der Zeit eintretende Abfall des thermischen Wirkungsgrades der Turbine nicht dazu führt, dass die Gastemperatur am Turbineneintritt auf einen unerwünscht niedrigen Wert geregelt wird. Die Anordnung von Temperaturgebern am Eingang und Ausgang des Kompressors gemäss dem oben beschriebenen Aufbau erlaubt eine besonders zuverlässige Temperaturregelung mit geringerer Störanfälligkeit der Geber, beispielsweise infolge Leitungsunterbruchs, als bei der Anordnung von Temperaturgebern am Turbinenausgang, wie sie bei herkömmlichen   Sx    stemen erforderlich waren, weil die Temperaturgeber   kleineren    Temperaturen und auch kleineren Temperaturschwankungen ausgesetzt sind.

 

   Gemäss obenstehender Beschreibung eines Ausführungsbeispiels wird die Luftmenge G am Austritt des Kompressors aufgrund der modifizierten Drehzahl Nc des Kompressors bei einer bestimmten Bezugstemperatur am Kompressoreingang ermittelt. Bei diesem Vorgehen braucht die Datentabelle nur Werte einer einzigen Kurvenschar gemäss der Charakteristik in Fig. 3 zu umfassen, welche durch Messung bei ein und derselben Bezugstemperatur bzw. demselben Bezugsdruck am Kompressoreingang gewonnen werden können, was erlaubt, im Computer mit einem verhältnismässig  kleinen Speicher für diese Daten auszukommen. Es wäre jedoch ohne weiteres auch möglich, die Luftmenge G am Kompressoraustritt für andere Eintrittstemperaturen zu ermitteln, indem im Speicher des Computers Daten für weitere, verschiedenen Eintrittstemperaturen entsprechende Kurvenscharen gespeichert wären. 

  Während gemäss vorstehender Beschreibung nur der Temperaturrechner 18 als digitaler Computer ausgebildet ist bzw. einen solchen aufweist, könnte die ganze Turbinensteuereinheit 200 als digitaler Computer ausgebildet sein. 

Claims (9)

1. PATENTANSPRÜCHE 1. . Steuervorrichtung für eine aus Gasturbine, Kompressor und Brennkammer bestehende Gasturbinenanlage, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: A) Eine Gasturbinensteuereinheit (200) zur Erzeugung eines Ausgangssignals (GFLD), welche Gasturbinensteuereinheit umfas:t: I) einen Drehzahl-Last-Regler(14, 15, 16,22) zur Erzeu- gung eines ersten Brennstoffbedarfsignals (GNL) entsprechend der l)ifferenz (AN) zwischen einer gemessenen Drehzahl (N) der Gasturbine (7) und einer vorgegebenen Solldrehzahl (Ns), II) einen Temperaturrechner (18) zum a) Berechnen einer Wärmemenge HFL .

   GFL, die pro Zeiteinheit in der Brennkammer (4) zu erzeugen ist, in Abhängigkeit von einem gemessenen Wert der Menge (GFL) zufliessenden Brennstoffs zur Brennkammer, wobei HFL die Enthalpie des Brennstoffes bedeutet, b) Berechnen der Enthalpie H2 der den Kompressor (l) verlassenden Luft anhand eines gemessenen Wertes der Temperatur (T2 > dieser austretenden Luft, c) Berechnen der Enthalpie HF des aus der Brennkammer austretenden Gases gemäss folgender Gleichung EMI1.1 worin QF der Verbrennungswirkungsgrad der Brennkammer (4) und G( 1 -m) die der Brennkammer zugeführte Luftmenge bedeutet, und d) Umsetzen der genannten Enthalpie HF in ein berechnetes Temperatursignal (TF), III) einen Temperaturregler (19,

   2021) zur Erzeugung eines zweiten Brennstoffbedarfssignals (GrF) in Abhängigkeit von der Differenz (ATF) zwischen dem genannten berechneten Temperatursignal (TF) und einer vorgegebenen Solltemperatur (TFS), und IV) ein Niedrigstwerttor (17) zur Auswahl des niedrigeren unter dem ersten und zweiten Brennstoffbedarfsignal und Weiterleitung desselben als Ausgangssignal (GFLD) und B) Steuermittel zur Steuerung der Brennstoffzufuhr (GFL) zur Brennkammer (4) entsprechend dem am Ausgang des Niedrigstwerttors erscheinenden Brennstoffbedarfsignals.
2. 2. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturrechner (18) Mittel aufweist zur Ermittlung der aus dem Kompressor (1) austretenden Luftmenge (G) aus dem Kompressionsverhältnis (Rc) und der Drehzahl (N) des Kompressors (1) anhand von im Temperaturrechner gespeicherten, jeweils bei verschiedenen Luftzuständen am Kompressoreintritt aufgenommenen Kompressor-Charakteristiken.
3. 3. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturrechner (18) erste Mittel zur Ermittlung (54) einer modififzierten Drehzahl (Nc) des Kompressors aus der gemessenen Lufttemperatur (T1) und einer Luftbezugstemperatur (TIR) am Kompressoreintritt sowie aus der gemessenen Drehzahl (N) der Gasturbine, zweite Mittel zur Umsetzung (56) des vom Temperaturrechner ermittelten (55) Kompressionsverhältnisses (Rc) des Kompressors (1) und der modififzierten Drehzahl (Nc) mit Hilfe einer gespeicherten,

   bei der Luftbezugstemperatur (TIR) und einem Bezugsdruck (PIR) am Kompressoreintritt aufgenommenen Kompressor-Charakteristik in eine modifizierte Luftaustrittsmenge (Gc) aus dem Kompressor und dritte Mittel zur Korrektur (57) der modifizierten Luftaustrittsmenge (Gc) aus dem Kompressor (1) gemäss der gemessenen Lufteintrittstemperatur (T1) und dem gemessenen Luftdruck (Pl) am Kompressoreintritt aufweist, um die effektive Luftaustrittsmenge (G) aus dem Kompressor (1) zu ermitteln.
4. 4. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturrechner (18) vierte Mittel aufweist, um den Verbrennungswirkungsgrad (QF) ZU ermitteln (60), indem das Luft zu Brennstoff-Verhältnis (RFC) bestimmt (59) und anhand von in einem Speicher enthaltenen Werten einer von Luft/Brennstoff-Verhältnis abhängigen Wirkungsgradfunktion der Verbrennungswirkungsgrad entnommen wird.
5. 5. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehzahl-Last-Regler folgende Elemente aufweist: a) einen Solldrehzahlgeber (14) zur Erzeugung eines Solldrehzahlsignals (Ns), b) Mittel (22) zum Empfang des Solldrehzahlsignals und des Drehzahlsignals und zur Bildung der Differenz zwischen den beiden als Drehzahldifferenzsignal (AN), c) einen Multiplikator (15) zur Umwandlung des Drehzahldifferenzsignals in ein Lastbedarfsignal (LD) und d) einen Proportionalregler (16) zum Umsetzen des Lastbedarfsignals in das erste Brennstoffbedarfsignal (GNL).
6. 6. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturregler folgende Elemente aufweist: a) Mittel (21) zum Empfang des Solltemperatursignals und des berechneten Temperatursignals (TF) und zur Erzeugung eines Temperaturdifferenzsignals (ATF), b) einen Proportional-Integralregler (20) zum Empfang des Temperaturdifferenzsignals und zur Erzeugung des zweiten Brennstoffbedarfsignals (GTF) daraus.
7. 7. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, die ferner aufweist: C) einen Druckmesser (13) zur Erfassung des Druckes (P2) am Kompressoraustritt und zur Übermittlung eines entsprechenden Signals an den Temperaturrechner (18), D) einen Druckmesser (21) zur Erfassung des Druckes (Pl) am Kompressoreintritt und zur Übermittlung eines entsprechenden Signals an den Temperaturrechner (18), E) ein Thermometer (22) zur Erfassung der Lufttemperatur (Tl) am Kompressoreintritt und zur Übermittlung eines entsprechenden Signals an den Temperaturrechner (18), F) ein Thermometer (23) zur Erfassung der Lufttemperatur (T2) am Kompressoraustritt und zur Übermittlung eines entsprechenden Signals an den Temperaturrechner, G) einen Durchflussmesser (24) zur Erfassung des Brenn stoffzuflusses zur Brennkammer (4) und zur Übermittlung eines

   entsprechenden Signals (GFL) an den Temperaturrechner (18), H) einen Solltemperaturgeber (19) zur Erzeugung eines Solltemperatursignals (TFS) und I) einen Drehzahlgeber (12) zur Ermittlung der Turbinendrehzahl (N) und zur Erzeugung eines entsprechenden Signales.
8. 8. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuerelement (10) mit einem Brennstoffventil (5) gekoppelt ist zur Steuerung der Brennstoffzufuhr zur Brennkammer (4).
9. 9. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturrechner (18) ein digitaler Computer ist.

   Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für eine aus Gasturbine, Kompressor und Brennkammer bestehende Gasturbinenanlage, welche dazu dient, die Temperatur des in die Gasturbine eintretenden Gases zu begrenzen.

   Für jede Gasturbine ist eine obere Grenztemperatur für das aus der zugeordneten Brennkammer in die Turbine eintretende Gas vorgeschrieben. Ein Betrieb der Turbine mit einer Gaseintrittstemperatur über diesem Grenzwert kann zu ernsthaften Schäden oder zum Versagen der Turbine führen. Um eine Überhitzung der eintretenden Gase zu vermeiden, weisen bestehende Gasturbinensteuerungen im allgemeinen eine Temperaturregelschlaufe zur Regelung der Brennstoffzufuhr auf, wobei davon ausgegangen wird, dass die Temperatur des aus der Brennkammer in die Gasturbine eintretenden Gases von der zugeführten Brennstoffmenge abhängt.

   Die USA-Patentschrift 3 520 133 zeigt eine Steuerung für eine dem Antrieb eines Generators dienende Gasturbine, in welcher Steuerung das niedrigste Steuersignal zur Regelung der Brennstoffzufuhr aus einer Mehrzahl von Steuerkanälen ausgewählt wird, insbesondere einem Drehzahl/Last-Steuerkanal, einem Temperatursteuerkanal und einem Anlaufsteuerkanal. und ein Brennstoffregler wird mittels dieses Signals gesteuert. Der erwähnte Temperatursteuerkanal erzeugt ein Brennstoffregelsignal mit dem Ziel, die gemessene Gasaustrittstemperatur einen vorbestimmten Wert nicht übersteigen zu lassen. Dies heisst, dass bei über dem Grenzwert liegender Gasaustrittstemperatur die Brennstoffzufuhr gedrosselt wird, um die Gasaustrittstemperatur aus der Turbine unter dem vorbestimmten Grenzwert zu halten.

   Es besteht eine Beziehung zwischen der Temperatur des aus der Turbine austretenden Gases und der Temperatur des in die Turbine eintretenden Gases. Man kann daher in der oben erwähnten Weise indirekt die Temperatur des in die Turbine eintretenden Gases regeln. Da jedoch die Beziehung zwischen den beiden Temperaturen vom thermischen Wirkungsgrad in der Turbine selbst abhängt, wird es unmöglich bei einem Absinken des thermischen Wirkungsgrades der Turbine die Gaseintrittstemperatur genau auf den gewünschten Wert zu begrenzen, indem die Temperatur am Turbinenaustritt gemessen wird.

   Erfahrungsgemäss fällt der Turbinenwirkungsgrad mit der Zeit um 1 bis 10% ab. Das Absinken des thermischen Wirkungsgrades bewirkt ein entsprechendes Absinken der mechanischen Leistung der Turbine, d.h., das Verhältnis zwischen der als mechanische Ausgangsleistung der Turbine verbrauchten thermischen Energie zu der in die Turbine eintretenden Gasenergie verändert sich. Das führt dazu, dass auch bei Zufuhr von Gas gleicher Temperatur und gleichen Druckes zur Turbine die bekannte Steuerung eine höhere Austrittstemperatur aus der Turbine bewirkt. Das heisst, dass bei einer Einstellung der bekannten Steuerung derart, dass diese erhöhte Austrittstemperatur einen bestimmten Grenzwert nicht übersteige, unweigerlich die Eintrittstemperatur an der Gasturbine aufzu niedrige Werte geregelt wird.

   Anderseits ist der Gesamtwirkungsgrad der Gasturbinenanlage umso niedriger je niedriger die Temperatur des in die Turbine eintretenden Gases ist, was bedeutet, dass bei Regelung der Eintrittstemperatur auf einen zu tiefen Pegel die Ausgangsleistung und der Wirkungsgrad der Gasturbine absinkt. Aus diesen Gründen ist die bekannte Gasturbienensteuerung mit dem Nachteil behaftet, dass zur Erhaltung eines hohen Wirkungsgrades und hoher Leistung der Gasturbine, der Grenzwert, auf welchen die Austrittstemperatur an der Turbine geregelt wird, periodisch nachgestellt werden muss.

   Es wäre allerdings auch möglich, den erwähnten Nachteil dadurch zu beheben, dass man die Gastemperatur am Eintritt der Turbine ermittelt und auf einen Sollwert regelt, aber es bestehen keine praktischen Möglichkeiten, um die Eintrittstemperatur kontinuierlich zu messen, so dass dieses Vorgehen ausser Betracht fällt.

   Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuervorrichtung zu schaffen, welche die Gastemperatur am Turbineneintritt aus anderen Grössen genau ermittelt und damit die Temperaturregelung optimal vornimmt, so dass die Turbinen anlage stets mit hohem Wirkungsgrad und hoher Leistung arbeitet, auch wenn der Wirkungsgrad der Turbine mit der Zeit etwas abfällt. Diese Aufgabe wird durch die Massnahmen gemäss Anspruch 1 gelöst. Dabei wird die Enthalpie des Gases am Austritt der Brennkammer aus dem Zustand der Luft, welche den Kompressor verlässt und aus dem Brennstofffluss ermittelt und die Steuerung der Turbine so vorgenommen, dass die berechnete Temperatur der Verbrennungsgase einen vorbestimmten Grenzwert nicht übersteigt.

   Vorzugsweise kann aus der Drehzahl des Kompressors und der Lufttemperatur an seinem Eintritt anhand gespeicherter charakteristischer Werte für den Kompressor für die betreffende Lufteintrittstemperatur und Drehzahl die Temperatur des Verbrennungsgases errechnet werden. Die Steuerung der Turbine erfolgt so, dass diese errechnete Temperatur einen bestimmten Grenzwert nicht übersteigt. Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert, in welcher ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Steuervorrichtung dargestellt ist.

   Fig. list ein Blockdiagramm der Gasturbineneinheit und ihrer Steuerung, Fig. 2 ist ein Flussdiagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise des Temperaturrechners 18 gemäss Fig. 1, Fig. 3 zeigt die Charakteristik des Kompressors 1, welche im Programmblock 56 gemäss Fig. 2 wirksam ist, Fig. 4 ist ein Diagramm, welches die Beziehungen zwischen der Temperatur und der Enthalpie der Verbrennungsgase und der Luft darstellt, welche Beziehungen in den Programmblöcken 58 und 63 gemäss Fig. 2 zur Wirkung kommen und Fig. 5 ist ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen dem Verbrennungswirkungsgrad der Verbrennungskammer 4 und dem Verhältnis zwischen Luft und Brennstoff darstellt, welche Beziehung im Programmblock 60 gemäss Fig. 2 wirksam ist.

   Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm einer Gasturbinenanlage 100 und der zugeordneten Mess- und Regelorgane sowie der zugeordneten Gasturbinensteuereinheit 200. Gemäss Fig. 1 ist ein Kompressor 1 zur Verdichtung der Luft aus einer Zufuhrleitung 2 vorgesehen, welcher die komprimierte Luft durch eine Leitung 3 einer Brennkammer 4 zuführt. In der Brennkammer 4 wird durch eine Leitung mit Regelventil 5 zugeführter Brennstoff in der verdichteten Luft verbrannt.

   Die Verbrennungsgase treten durch eine Leitung 6 in die Gasturbine 7 ein, wo sie die Turbine antreiben und dann durch einen Auslass 9 in die Atmosphäre austreten. Die Turbine 7 ist mit dem Kompressor 1 und einem Generator 8 mechanisch gekuppelt.

   Zur Regelung der Gasturbine 7 ist ein Brennstoffregler 10 zwischen der Turbine 7 und ihrer Steuereinheit 200 **WARNUNG** Ende CLMS Feld konnte Anfang DESC uberlappen**.