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Verfahren zur Deckung von Belastungsschwankungen in Dampfkraftanlagen und Einrichtungen zu seiner Durchführung.
Nach neueren Untersuchungen (Dr. Melan, Archiv für Wärmewirtschaft 1927, S. 309 ; SiemensZeitschrift 1928, S. 186) ist der Wirkungsgrad einer Dampfturbine von der sogenannten Volumen- ziffer" # abhängig :
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Hierin bedeutet #o den theoretischen Wirkungsgrad einer Dampfturbine mit unendlich grossem Durchflussgewicht D kg/sek.
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in 7cgjse7c.
Bei Entspannung des Dampfes auf Vakuum ist p2 gegenüber Pl sehr klein, so dass die Gleiehung (2) in vereinfachter Form geschrieben werden kann :
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Es ist also :
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in so geringen Grenzen, dass er praktisch als konstant angesehen werden kann.
Die Gleichung (4) besagt also, dass der Wirkungsgrad einer Turbine von drei Grössen abhängt, nämlich vom Anfangsdruck, vom Durchflussgewicht und vom adiabatischen Wärmegefälle oder, wenn man zwei Maschinen mit gleichbleibendem Wärmegefälle vergleicht, vom Anfangsdruck und vom Durchflussgewicht.
Die allgemeine Dampfgleichung lautet : (5) p. v = R. T, worin v = spezifisches Volumen in m3/kg ; R = Gaskonstante und T absolute Temperatur.
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über in
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und bei T = const in
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trittstemperatur und gleichbleibendem Wärmegefälle lediglich eine Funktion der sekundliehen Dampfmenge V m3/sek ist.
Normale Kraftanlagen, bestehend aus Kessel und Turbine, betreibt man in der Weise, dass man den Dampfdruck und die Dampftemperatur und damit das Wärmegefälle bei allen Belastungen praktisch konstant hält. Änderungen in der Belastung können daher bei idealer Füllungsregelung nur durch Änderung der sekundlichen Dampfmenge V ausgeglichen werden, und es ergibt sich dann die bekannte Tatsache, dass der Wirkungsgrad der Turbine sich mit der Belastung ändert, wie es aus der Gleichung (10) hervorgeht.
Diesem bekannten Verfahren zur Deckung von Belastungsschwan1.'l. mgen in Dampfkraftanlagen gegenüber besteht die Erfindung darin, dass der Druck des Dampfes und sein spezifisches Volumen in Abhängigkeit von den Belastungsschwankungen der Kraftmaschine so eingeregelt werden, dass die set-rundliche Dampfmenge V im wesentlichen konstant bleibt. Wird das Verfahren in dieser Weise durch-
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der Turbine bei allen Belastungen im wesentlichen konstant zu halten, so dass damit auch die Turbine bei allen Belastungen mit im wesentlichen konstantem Wirkungsgrad arbeitet. Da die Turbine beim Entwurf für den günstigsten Wirkungsgrad berechnet wird, so bleibt dieser günstigste Wirkungsgrad über den Lastbereich im wesentlichen erhalten.
Wie man den Dampfdruck bei Laständerungen der Turbine zu ändern hat, um das konstante sekundliche Volumen zu erhalten, ergibt sich aus folgender Überlegung: V.p
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Aus der Formel für die Leistung einer Turbine
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folgt
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Setzt man in Gleichung (15) die Gleichung (13) ein, so erhält man unter Berücksichigung der Gleichung (12) - (16) p = const. L.
Aus dieser Gleichung folgt also, dass bei gleichbleibender Temperatur der Druck des Dampfes direkt proportional den Laständerungen der Maschine geändert werden muss, damit V konstant bleibt.
Wenn man dagegen nicht mit gleichbleibender Temperatur arbeiten will, so kann man aus Gleichung (6) in Verbindung mit Gleichung (15) ohne weiteres die Änderungen des Dampfdruckes entnehmen, die bei Laständerungen der Maschine erforderlich werden, um die Konstanz des sekundlichen Volumens sicherzustellen.
Es leuchtet ein, dass das neue Verfahren zur Deckung von Belastungssehwankungen für die Wirtschaftlichkeit des Betriebes von ausserordentlich grosser Bedeutung ist, denn während bei allen bis-
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Leistungsbereiches vorhanden war und beiderseits dieses Leistungsbereiches eine wesentliche Erhöhung des Dampfverbrauches in Kauf genommen werden musste, nähert sich bei dem neuen Verfahren die Wirkungsgradkurve einer geraden Linie, so dass auch Teillasten und Überlasten mit im wesentlichen gleich günstigem Dampfverbrauch erzeugt werden.
Aber nicht nur für den Betrieb der Anlage, sondern auch für ihre Regelung ergeben sich grundsätzlich neuartige Verhältnisse.
Es sei angenommen, die Turbine sei so ausgelegt, dass sie bei 35 Atm. und 450 C mit bestem Vakuum und bestem Wirkungsgrad arbeitet. Sie ergibt dann bei einem bestimmten Dampfgewicht eine bestimmte Leistung. Jetzt steige die Leistung in einer Spitze auf den vierfachen Wert an. Die Spitze kann nur
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dann gedeckt werden, wenn der Kessel eine entsprechend grosse Menge Dampfenergie zur Verfügung stellen kann. Geht man unter Anwendung des Verfahrens gemäss der Erfindung mit dem Kesseldruck bis auf 160 Atm. bei gleichbleibender Temperatur von 450 C. so nimmt das spezifische Volumen des Dampfes von 0-095 auf 0. 018 ab. Das bedeutet aber, dass die den Kessel durchströmende Dampfmenge auf das Fünffache gesteigert werden kann, ohne dass die Dampfgeschwindigkeit im Kessel und-bis auf eine noch zu erörternde Ausnahme-in der Turbine wesentlich zunimmt.
Voraussetzung ist naturgemäss, dass die der erhöhten Dampfmenge entsprechende Wärmemenge in der Feuerung entwickelt und an das Kesselsystem abgegeben werden kann. Das ist aber eine ohne weiteres zu beherrschende Massnahme. Demnach führt die Anpassung von Druck und spezifischem Volumen an die Belastung der Maschine dazu, dass durch die Turbine infolge des mit ansteigendem Druck absinkenden spezifischen Volumens des Dampfes ein um so grösseres Dampfgewicht hindurchgepresst wird, je höher der Druck im Kessel wird. Hieraus ergibt sich nun wieder eine neuartige Art der Regelung der an den Kessel angeschlossenen Kraftmaschine insofern, als der Kraftmasehinenregler, sofern die Maschine mit einem solchen ausgerüstet ist, nur die durch den Dampferzeuger nicht ausgeglichenen Schwankungen der Kraftmaschinenleistung auszugleichen hat.
Trägt man in einem Diagramm die Last über der Zeit als ansteigende Gerade auf und zeichnet man die den einzelnen Lasten zugehörigen Stellungen des Regelorgans der Kraftmaschine ein, so ergibt sich im Gegensatz zu den Verhältnissen bei den bisherigen Maschinenregelungen eine konstante Ventilöffnung über dem ganzen Lastbereich. Während also bei den bisher üblichen Betriebsverfahren die Treibmittelzufuhr zur Kraftmaschine durch die Stellung des Einlassventils bestimmt ist, hat die Ventilstellung bei dem neuen Verfahren auf die Treibmittelzufuhr keinen Einfluss oder höchstens insoweit, als sie zum Ausgleich der kleinen Leistungssehwankungen dient, die infolge der Trägheit des Kesselsystems durch dieses nicht ausgeglichen werden können.
Das Regelorgan pendelt also gewissermassen nur um kleinere Beträge um die Mittellage und beherrscht nicht wie bisher den ganzen Lastbereich.
Das Schaubild der Zeichnung soll ein Betriebsverfahren andeuten, das sich in vielen Fällen als besonders zweckmässig erweisen wird, nämlich die Verwendung des Verfahrens gemäss der Erfindung nur oberhalb einer bestimmten Grundlast, die durch die waagrechte Gerade G angedeutet ist. Kessel und Kraftmaschine werden so bemessen, dass sie bei dieser Grundlast den besten Wirkungsgrad ergeben, u. zw. wird man insbesondere bei der Festlegung der Daten darauf achten, dass bei dem der Grundlast zugrunde zu legenden Dampfzustand die Feuchtigkeit in den letzten Turbinenstufen ohne Anwendung einer Zwisehenüberhitzung das zulässige Mass nicht überschreitet.
Das Schluckvermögen der Turbine bei diesem Eintrittdampfzustand ist so zu bemessen, dass die Einlassventile bei Düsensteuerung oder das Drosselventil noch nicht ganz geöffnet sind, um die erwähnte Ausregelung kleiner Leistungsanstiege zu ermöglichen. Wenn dann die Belastung der Kraftmaschine unter die Grundlast sinkt, so wird der Kessel weiterhin, selbstverständlich unter entsprechender Verringerung der Wasser- und Wärmezufuhr, so gefahren, dass der Dampfzustand auf den Werten der Grundlast bleibt, während die Turbine durch Ausnutzung ihrer Regelorgane in der üblichen Weise geregelt wird. Diese Regelbereiche sind in dem Schaubild durch Kreuzschraffur angedeutet.
Die Regelung der Anlage kann unter verschiedenen Gesichtspunkten aufgebaut werden. Wenn es sich bei der zu regelnden Kraftmaschine z. B. um einen selbsttätig arbeitenden Maschinensatz oder einen Maschinensatz zur Frequenzhaltung handelt, so kann man den primären Regelimpuls von der Drehzahl der Maschine oder von der Frequenz des elektrischen Stromes abnehmen. Der Drehzahl-oder Frequenzimpuls wird aber in vielen Fällen zu spät oder zu ungenau arbeiten. Es erscheint daher zweckmässiger, den Regelimpuls von der erzeugten Energie der elektrischen Kraftmaschine bzw. von einem andern Belastungswert abzuleiten.
Die Folge einer solchen Regelung ist in jedem Falle, da, wie bereits dargelegt, das spezifische Volumen sich sehr stark ändert, dass die Dampfgeschwindigkeit im Dampfteil des Kessels, im Überhitzer, in den Rohrleitungen und in der Turbine annähernd konstant bleibt, während die Wassergeschwindigkeit im Kessel und die Dampfgeschwindigkeit im Kondensator zunimmt. Ausserdem nimmt auch, was bereits oben angedeutet wurde, die Dampfgeschwindigkeit in den letzten Stufen der Turbine zu.
Im folgenden seien zwei Regelungsmöglichkeiten beschrieben, die besonders zweckmässig erscheinen.
Es wurde bereits ausgeführt, dass das Regelventil der Turbine die Aufgabe hat, die kleinen Belastungsschwankungen, die nicht sofort durch den Kessel ausgeglichen werden, auszuregeln. Das Regelventil ist also normalerweise nicht vollkommen geöffnet, sondern lässt die Möglichkeit einer kleinen Vergrösserung des Einlassquerschnittes der Maschine zu. Die Folge davon ist, dass sich normalerweise vor dem Ventil ein höherer Druck als hinter ihm einstellt. Dieser erhöhte Druck vor dem Ventil stellt eine gewisse Energiereserve dar, so dass bei einem auftretenden Belastungsstoss durch Öffnung des Regelventils kurzzeitig eine gewisse vergrösserte Energiemenge zur Verfügung steht. Diese reicht aber naturgemäss nicht aus, um die erhöhte Leistung zu decken. Es wirkt deshalb unmittelbar abhängig von der Änderung der Leistung ein Leistungsimpuls, den man z.
B. vom Leistungsmesser des Generators abnehmen kann, auf Brennstoff, Luft und Wasser ein. Ob man die Luft gleichzeitig mit verstellt oder die Luftregelung der Feuerregelung als Feinregulierung nachsehaltet, z. B. gesteuert von der Dampftemperatur aus oder
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durch einen COs-Messer, hängt von den Betriebsbedingungen des Kessels ab. Die Wirkung der Feuerungsregelung wird durch die Wärmekapazität des Kessels beeinflusst, u. zw. wirkt die Wärmekapazität bei steigender Belastung verzögernd insofern, als die Bauteile des Kessels ebenfalls auf ein höheres Temperatur- niveau gebracht werden müssen. Diesen Einfluss kann man jedoch ausgleichen, wenn man die Wärmezufuhr überregelt, d. h. mehr Brennstoff und Luft zuführt, als es dem zu dieser erhöhten Belastung gehörenden Beharrungszustand entspricht.
Die über den Beharrungszustand hinaus vergrösserte Wärmezufuhr wird sich nach Erreichen des Beharrungszustandes in einem Anstieg der Dampftemperatur bemerkbar machen. Sie kann auf ihren Sollwert dadurch zurückgeführt werden, dass man durch einen Temperaturimpuls als Korrekturimpuls auf Brennstoff und Luft einwirkt. Zu dem Verfahren der Deckung von Belastungsschwankungen gehört nun auch die Anpassung des Druckes an den neuen Beharrungszustand. Wenn es möglich wäre, die Idealverhältnisse zu erreichen, würde jeder Belastung der Turbine der zugehörige Kesseldruck ohne weiteres entsprechen. Praktisch ist es naturgemäss unmöglich, von vornherein die genaue Übereinstimmung von Last und Kesseldruck zu schaffen.
Wenn man jedoch einen Druckregler einbaut, dessen Sollwert in Abhängigkeit von der Belastung eingeregelt wird, so ist es mit einem solchen Korrekturregler möglich, den der Belastung entsprechenden Druckwert jeweils nachträglich einzustellen, falls Abweichungen aufgetreten sind. Der Druckregler kann dabei auf die Wasserzufuhr einwirken, während die hiedurch hervorgerufenen Temperaturschwankungen durch den bereits erwähnten Temperaturregler ausgeglichen werden. Man könnte allerdings den Druckregler auch gleichzeitig auf die Wasserzufuhr einwirken lassen.
Wenn es Schwierigkeiten bereiten sollte, die Regelimpulse für Brennstoff, Wasser und Luft vom Leistungsregler abzunehmen, kann man auch in der Weise vorgehen, dass man die gesamte Regelung dem Druckregler zuweist, indem man von der Leistung aus lediglich den Sollwert des Druckreglers verstellt und die Impulse dann von diesem aus auf Wasser, Brennstoff und Luft gibt. Fm zu vermeiden dass geringfügige Leistungssehwankungen unmittelbar auf die Kesselregelung übertragen werden, d. h.
Schwankungen, die entweder durch die erwähnte Druckreserve an sich schon ausgeglichen werden könnten, oder Schwankungen, die nur kurzzeitig sind, ist es zweckmässig, den Regler, sei es den Leistungsregler oder den Druckregler, innerhalb eines bestimmten Schwankungsbereiehes unwirksam zu machen, ihm z. B. einen toten Gang zu geben, so dass nur Leistungsschwankungen, die über eine bestimmte Grösse hinausgehen, erst einen Regelvorgang hervorbringen können.
Wie oben erläutert wurde, stellt sich vor dem Regelorgan normalerweise ein höherer Druck ein als hinter ihm, solange es im Beharrungszustand nicht vollkommen geöffnet ist. Dieser Differenzdruek wird bei allen Belastungen annähernd konstant bleiben, wenn man voraussetzt, dass die Dampftemperatur durch einen besonderen Temperaturregler konstant gehalten wird. Steigt die Belastung der Turbine. so wird das Ventil weiter geöffnet und der Differenzdruck fällt. Jetzt kann man diese Änderung des Differenzdruckes als Regelimpuls für Speisewasser, Brennstoff und Verbrennungsluft verwenden. Der Differenzdruck kann auch vor oder hinter einer Stauscheibe, die in die Dampfleitung eingebaut ist, abgenommen werden. In diesem Falle steigt der Differenzdruck bei steigender Belastung der Turbine.
Die Impulswirkung ist aber die gleiche, als wenn man den Differenzdruck am Regelorgan der Turbine abnimmt.
Leistungserzeugende Kraftmaschine müssen normalerweise als Kondensationsmaschinen gebaut
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schaltet werden, die dann mit variabler Charakteristik betrieben werden, ebenso wie man am einzelnen Kessel die Zahl der Hilfsmaschinen vergrössern kann, wenn eine einzige Maschine zur Deckung des Leistungsbedarfes bzw. zur Förderung der betreffenden Medien nicht ausreichen sollte.
Hinsichtlich der elektrischen Kraftmaschine, die durch die Turbine angetrieben wird, könnte der Einwand gemacht werden, dass ein solcher Generator doch sehr schlecht arbeiten müsse, da er für die Normallast viel zu gross sei und damit sein Wirkungsgrad schlecht würde. Einem solchen Betriebszustand kann man jedoch dadurch vorbeugen, dass man die Kühlung des Generators in Abhängigkeit von seiner Belastung verändert. Der Generator wird so ausgelegt, dass er bei der Bestlast der Turbine mit seinem besten Wirkungsgrad arbeitet. Wird der Maschinensatz jetzt höher belastet, so wird eine zusätzliche Kühlung zugeschaltet, die auf verschiedene Weise herbeigeführt werden kann. Man kann z.
B. einen besonderen Lüfter aufstellen, der nur bei hoher Last in Betrieb genommen wird und durch Vergrösserung der Wärmeabfuhr aus dem Generator dessen Belastungsfähigkeit erhöht oder der so mit
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z. B. Salzlösungen (Sole). Man würde dann in folgender Weise vorzugehen haben : Durch eine kleine Kältemaschine wird in der Zeit der schwachen Belastung Sole gekühlt und gespeichert.
Die Solespeieherung ist einfach und billig, da sie bei Atmosphärendruck vorgenommen werden kann, u. zw. zweckmässig in der Form des Schichtenspeichers, indem man aus dem unteren Teil des Speichers kalte Sole abführt und oben die erwärmte Sole zuführt, die durch ein Rohrsystem im oberen Teil des Speichers gekühlt. wird. Die Kühlung erfolgt normalerweise mit Wasser im bekannten Ringlaufkühler, dessen Leistung unter Umständen bei erhöhten Belastungen durch Erhöhung der Luftgeschwindigkeit und Wassergesehwindigkeit gesteigert werden kann. Wenn diese Erhöhung nicht mehr ausreicht, dann tritt die Kühlung durch Sole in Tätigkeit.
Sie ist deshalb wirtschaftlich, weil sie nur innerhalb eines Bruchteiles der Gesamtbetriebszeit angewendet wird und infolgedessen nur eine kleine und daher billige Kühlanlage benötigt wird, so dass sich die Verhältnisse ganz anders gestalten, als wenn man die Solekühlung als Dauerkühlung verwendet. Im übrigen wäre es auch möglich, den Generator in zwei Maschinen aufzuteilen, von denen die eine bis zu einem bestimmten Lastbereich allein in Tätigkeit ist, während die zweite erst zugeschaltet wird, wenn dieser Leistungsbereich überschritten wird. Zur Verringerung der Ventilations-und Reibungs- verluste kann die zweite Maschine, so lange sie nicht benötigt wird, im Vakuum laufen.
Die Ausbildung der Feuerung macht keine grundsätzlichen Schwierigkeiten ; es wird wahrscheinlich zweckmässig sein, als normale Feuerung eine Rostfeuerung zu verwenden und die Steigerung der Brennleistung in eine Kohlenstaubfeuerung zu verlegen. Hiefür wäre nur eine kleine Mühle aufzustellen, welche den ganzen Tag läuft und den Staub für die Spitzen mahlt, der aufgespeichert werden könnte.
Die Erfindung wurde in den vorstehenden Ausführungen im Zusammenhang mit dem Zwangsstromdampferzeuger beschrieben, da dieser die Verwirklichung des neuen Verfahrens am besten und ein- faehsten gestattet. Man kann aber naturgemäss auch andre Bauformen des Dampferzeugers für das neue Verfahren verwenden, sofern man bei der Berechnung dieser Kessel auf die stark schwankenden Beanspruchungen Rücksicht nimmt. Der reine Zwangsstromkessel ohne Trommel ist deshalb überlegen, weil Festigkeitsfragen bei ihm viel besser beherrscht werden können als bei Trommel-oder Walzenkesseln.
PATENT-ANSPRÜCHE :
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