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Vorrichtung zur Vermeidung des Durchgehens der Turbinen einer Gasturbinenanlage
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Vermeidung des Durchgehens der
Turbinen einer Gasturbinenanlage mit Wärmeaustauscher bei plötzlicher Lastabschaltung,
bei der bei steigender Drehzahl der Nutzleistungsturbine die Brennstoffzufuhr gedrosselt
wird.
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Die großen Druckvolumina, die in Wärmeaustauschern und Gasturbinen
enthalten sind, führen dazu, daß eine Unterbrechung oder starke Drosselung der Brennstoffzufuhr
im Augenblick einer plötzlichen Lastabschaltung nicht in allen Fällen genügt, um
ein Durchgehen der Turbinen zu vermeiden. Dies gilt besonders dann, wenn die Nutzleistungsturbine
von der Verdichterantriebsturbine mechanisch unabhängig ist. Denn in diesem Fall
wird das Ansteigen der Drehzahl der Nutzleistungsturbine durch die Leistungsaufnahme
des Verdichters nicht aufgehalten. Allerdings bezieht sich die erfindungsgemäße
Vorrichtung nicht nur auf solche Anlagen, sondern ist in der gleichen vorteilhaften
Weise auch bei Anlagen zu verwenden, bei denen die Nutzleistungsturbine mit dem
Verdichter gekoppelt bzw. überhaupt nur eine Turbine zum Antrieb des Verdichters
und für die Nutzleistung vorhanden ist.
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Um das Durchgehen der Gasturbinenanlage zu verhindern, sind stets
besondere Eingriffe nötig, z. B. Abblasen oder Drosseln vor der Nutzleistungsturbine
usw. So ist es bekannt, bei plötzlicher Lastabschaltung den Arbeitsmittelstrom zu
der Nutzleistungsturbine zu unterbrechen und durch öffnen eines Ventils zwischen
der Absperrung und der Turbine den darin enthaltenen Arbeitsmittelvorrat ins Freie
abzublasen.
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Bei einer weiteren bekannten Abblasevorrichtung soll bei Überschreitung
der zulässigen Höchstdrehzahl für die Turbine durch Eingriff einer Schnellschlußeinrichtung
das Gasgemisch direkt aus einer Brennerkammer ins Freie abgeblasen werden.
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Weiterhin ist schon vorgeschlagen worden, für den Teillastbetrieb
einer Anlage mit mehreren mechanisch voneinander unabhängigen Turbinen durch öffnen
eines Drosselorgans in einer Umgehungsleitung einen Teil des Arbeitsmittels vor
dem Wärmeaustauscher und vor den Turbinen abzuzweigen und direkt ins Freie zu führen.
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Die Erfindung besteht in einer neuartigen Vorrichtung zur Vermeidung
des Durchgehens der Turbinen. Sie hat den Vorteil, mit relativ einfachen, nicht
allzu großen und nur in mäßiger Temperatur arbeitenden Regelorganen auszukommen.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß durch ein bei Ausfall der Nutzlast
ausgelöstes Störsignal der Weg der Druckluft durch den Wärmeaustauscher durch Ventile
abgesperrt und die Druckluft durch öffnen eines Ventils in einer Umgehungsleitung
direkt in die Brennkammer geführt wird. Dabei können die Ventile auch durch andere
Absperrorgane, z. B. Klappen, ersetzt sein.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung arbeitet die Anlage, als ob
sie keine Wärmeaustauscher hätte, so daß die zur Wirkung gelangenden Druckluftvolumina
sehr viel kleiner sind.
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Dabei kann es zweckmäßig sein, daß als weitere Maßnahme die Druckluft
sowohl aus dem Wärmeaustauscher als auch nach dem Verdichter abgeblasen wird.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, mindestens ein Absperrorgan in der Zu-
und Ableitung des Wärmeaustauschers und eine mit einem Absperrorgan versehene, den
Wärmeaustauscher überbrückende Bypaßleitung vorzusehen. Die Absperrorgane sind dabei
von einem Störsignalgeber gesteuert.
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Ferner können noch Abblaseventile angeordnet sein, die sich beiderseits
des Absperrorgans in der Zuleitung zu dem Wärmeaustauscher befinden.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich an Hand der nachfolgenden
Beschreibung im Zusammenhang mit der Zeichnung.
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Fig. 1 zeigt eine Gasturbinenanlage, bei der die Nutzleistungsturbine
mit dem Verdichter gekoppelt ist;
Fig. 2 zeigt eine Anlage mit mechanisch
unabhängiger Nutzleistungsturbine.
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In Fig. 3 sind der Verlauf der Drehzahl und der Drücke p1 p2 und p3
sowie die Ventilstellungen während des Abschaltvorganges in Abhängigkeit von der
Zeit für eine Anlage nach Fig. 2 dargestellt. Gleiche Teile sind in allen Figuren
mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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Bei der Anlage nach Fig. 1 strömt das vom Verdichter 1, der von einer
Turbine 4 angetrieben wird, angesaugte Gas durch den Wärmeaustauscher 2 und die
Brennkammer 3 in die erwähnte Turbine 4. Dort wird es teilweise entspannt
und gelangt nach weiterer Entspannung in der Turbine 5, die den Nutzleistungsempfänger
6 antreibt, über die Sekundärseite des Wärmeaustauschers 2 ins Freie. Erfindungsgemäß
wird die Primärseite des Wärmeaustauschers 2 durch eine mit dem Absperrorgan 9 versehene
Bypaßleitung 20 überbrückt. In der Zuleitung zu dem Wärmeaustauscher 2 befindet
sich die Rückschlagklappe 8, in der Ableitung das Absperrorgan 7. Die Absperrorgane
7 bzw. 9 werden von einem Stellorgan 21 verstellt, welches durch den Störsignalgeber
22 gesteuert wird, der auf ein Abfallen der im Verbraucher 6 abgenommenen Leistung
anspricht. Ist der Verbraucher 6 z. B. ein Generator, so kann der Störsignalgeber
22 von der Stellung des Netzschalters dieses Generators beeinfiußt werden. In anderen
Fällen kann der Störsignalgeber 22 auch von der Drehzahl der Nutzleistungsturbine
5 zum Ansprechen gebracht werden, was durch die Verbindung 23 angedeutet ist. über
diese kann auch beim Absinken der Drehzahl durch die Wirkung der erfindungsgemäßen
Maßnahme der Störsignalgeber 22 so beeinflußt werden, daß zum Wiederanfahren der
Anlage die ausgelösten Notmaßnahmen rückgängig gemacht werden. Mit 24 ist der Drehzahlregler
für die Drehzahl der Gruppe 5-6 und mit 25 das Stellorgan für die von dieser Drehzahl
abhängige Brennstoffzufuhr zur Brennkammer 3 bezeichnet.
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Die Wirkungsweise der Anlage nach Fig. 1 ist folgende: Im Augenblick
der Lastabschaltung wird das Ventil 7 geschlossen und das Organ 9 geöffnet, während
die Klappe 8 sich automatisch schließt. Wenn das Volumen der Brennkammer 3 und der
Leitungen klein ist und wenn ferner die Rotoren der Maschinen 1 bis 6 mechanisch
gekuppelt und hinreichend schwer sind, so genügt dieser Eingriff allein zusammen
mit der Brennstoffdrosselung, um die Nutzleistungsturbine 5 am Durchgehen zu hindern.
Die Drehzahl der Gruppe 1 bis 6 fällt durch den starken Temperaturrückgang, welcher
durch das Ventil 9 und die Drosselung der Brennstoffzufuhr erreicht wird, sehr rasch
ab, so daß der Druck vor der Turbine 5 sich rasch genug vermindern wird, um eine
Gefährdung zu vermeiden.
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In der Anlage nach Fig.2 ist die Rückschlagklappe 8 (Fig. 1) ersetzt
durch ein ebenfalls gesteuertes Absperrorgan 11. Weiterhin sind beiderseits von
diesem Organ 11 je ein Abblasventil 13 und 14 angeordnet. Dabei
dient das Ventil 13 zum Abblasen der Druckluft aus dem Wärmeaustauscher 2,
während durch das Ventil 14 die Druckluft aus dem Verdichter 1 teilweise ins Freie
gelangen kann. Eine andere Teilmenge strömt ebenso, wie in Fig.1 gezeigt, durch
die Leitung 20 in die Brennkammer 3.
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Diese Anordnung ist besonders dann vorteilhaft, wenn das 13rennkammervolumen
größer und auch die sonstigen Bedingungen nicht so günstig sind wie im Falle der
Anordnung nach Fig. 1, das ist z. B. der Fall, wenn lange Leitungen mit großen Volumina
vorhanden sind und der Maschinensatz 1 bis 4 relativ schwer, der mechanisch unabhängige
Maschinensatz 5-6 relativ leicht ist. Bei einer Lastabschaltung werden die Organe
7 und 11 geschlossen und gleichzeitig die Organe 9,13 und 14 geöffnet und die Brennstoffzufuhr
in bekannter Weise herabgesetzt. Die starke Temperaturverminderung vor der Turbine
und das Abblasen durch das Ventil 14 bewirken jetzt zusammen den genügend raschen
Druckabfall, um das Durchgehen der Turbine 5 zu verhindern. Auch im Wärmeaustauscher
2 fällt der Druck infolge des Öffnens des Ventils 13 allmählich ab. Doch geht diese
Druckabsenkung viel langsamer vor sich, weil der Druckluftinhalt sehr viel größer
ist. An sich könnte die gleiche Wirkung durch Öffnung eines einzigen genügend großen
Abblasventils erreicht werden. Doch zeigt die Rechnung, daß man in vielen Fällen
außerordentlich große Durchfiußquerschnitte benötigt, während bei der vorliegenden
Schaltung mit mäßig großen Querschnitten auszukommen ist. Anschaulich läßt sich
diese Tatsache dadurch erklären, daß infolge der Aufteilung des Abblasens über das
Ventil 14 nur ein- relativ kleines Volumen in kurzer Zeit entleert weden muß, während
das große Volumen des Wärmeaustauschers 2 über das Ventil 13 langsamer entleert
werden kann.
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Für die Anlage nach Fig. 2 ist der zeitliche Verlauf eines Abschaltvorganges
in Fig. 3 rein schematisch aufgezeigt. Der Maßstab der Zeitachse ist dabei so gewählt,
daß die Zeit t1 etwa 10 Sekunden, die Zeit t. also etwa 80 Sekunden beträgt. Im
oberen Teil der Figur sind die Stellungen der Ventile und der Absperrorgane 1.3,
14, 9,11 und 7 dargestellt. Das Niveau O bei jedem Organ zeigt dabei die geschlossene
Stellung an.
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Die Meßstellen für die Drücke p1; p2 und p3 des mittleren Teils sind
in der Fig. 2 eingetragen; p1 ist also der Druck nach dem Verdichter 1, p2 derjenige
vor der Nutzleistungsturbine 5, während p3 den Druck im Wärmeaustauscher 2 wiedergibt.
Mit N ist im unteren Teil der Figur die Normaldrehzahl bezeichnet, wobei allerdings
die Ordinatenachse nicht bei der Drehzahl O beginnt, sondern verkürzt worden ist.
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Der dargestellte Vorgang verläuft dabei folgendermaßen: Zunächst sei
angenommen, daß über die Leitung 23 von dem Drehzahlregler 24 bei
einem bestimmten oberen Grenzwert der Drehzahl der Gruppe 5-6 ein Signal an den
Störsignalgeber 22 übertragen wird. Im Zeitpunkt to soll die Last plötzlich ausbleiben.
Damit steigt die Drehzahl der Gruppe 5-6 sofort stark an, so daß im Zeitpunkt t1
die Steuerung durch den Störsignalgeber 22 ausgelöst wird. Die Ventile 7 und 11
schließen sofort bis auf eine etwaige kleine Umdichtheit, während die Ventile
9,13 und 14
öffnen; der Druck p1 fällt dann, wie gezeigt, rasch ab
und dementsprechend auch der Druck p2 vor der Niederdruckturbine 5. Der Druck p3
im Wärmeaustauscherhingegen=fällt nur langsam ab. ImZeitpunkt t_, ist der Druck
p. so weit abgesunken, daß die Drehzahl der Turbine nicht weiter steigt. Beim weiteren
Abfall des Druckes sinkt die Drehzahl wieder und erreicht im Zeitpunkt t3 wieder
ihren Normalwert. Jetzt schließt das Ventil 14, und der Brennstoff kann so geregelt
werden, daß eine weitere Druckabsenkung
unterbleibt. So könnte die
Anlage grundsätzlich im Leerlauf betrieben werden, bis der Druck p3 auf den Wert
von p1 abgesunken ist und sämtliche Ventile wieder in die normale Betriebslage gestellt
werden können. Es wird nun aber angenommen, daß im Zeitpunkt t,, die Last bereits
wieder einsetzt. Dann sinkt die Drehzahl weiter ab, so daß in einem gewissen Zeitpunkt
t5, ausgehend von dem Drehzahlregler 24
über den Signalgeber 22 und
das Stehorgan 21, das Ventil 13 geschlossen und das Ventil ? wenig geöffnet
wird. Nun steigt der Druck p, wieder verhältnismäßig rasch infolge des Luftübertritts
aus dem Wärmeaustauscher. Deshalb steigt auch der Druck -p., so daß die Leistungsabgabe
wieder beginnt. Im Zeitpunkt t6 haben p1 und p3 denselben Wert erreicht. Nun können
sämtliche Ventile in die normale Betriebslage gebracht werden, und die Gasturbine
wird von jetzt an in üblicher Weise geregelt.