Verfahren zur Leistungsregelung von Wärmekraftanlagen und Einrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Leistungsregelung von Wärmekraftanlagen, in denen mindestens der grössere Teil eines gasförmigen Arbeitsmittels, vorzugsweise Luft, einen Kreislauf beschreibt und ferner bei einer Leistungssteigerung der Druck pegel im Kreislauf durch Einlassen von Ar beitsmittel aus einem Speicher höheren Druk- kes in den Kreislauf erhöht, bei einer Lei stungsabnahme dagegen durch Entnahme von Arbeitsmittel aus dem Kreislauf gesenkt wird. Die Erfindung betrifft ferner eine Ein richtung zur Ausführung dieses Verfahrens.
Die Nutzleistungsabgabe von Anlagen der erwähnten Art lässt sich bekanntlich durch heben oder Senken des Druckpegels im Kreislauf, ferner durch entsprechende Dros selung des Arbeitsmittels im Kreislauf, oder auch durch entsprechende Veränderung eines zwei Stellen verschiedenen Druckes des Kreislaufes verbindenden Kurzschlussstromes regeln.
Zur Hebung des Druckpegels im Kreislauf wird zweckmässig Arbeitsmittel aus einem Speicher höheren Druckes in den Kreislauf eingelassen, wobei, um eine rasche Steigerung der Leistungsabgabe der Anlage zu erzielen, die einzulassende Arbeitsmittel- menge vorteilhafterweise an einer Stelle möglichst hohen Druckes des Kreislaufes letz terem zugeführt wird.
Bei einer Senkung der von der Anlage zu erzeugenden Nutzleistung wird dagegen eine Druckpegelsenkung durch Auslassen von Arbeitsmittel aus dem Kreis lauf in die Atmosphäre bezw. in einen Spei cher niederen Druckes bewirkt. Zur Ruf ladung des Speichers höheren Druckes, der bei Belastungssteigerung die dem Kreislauf zuzuführende Arbeitsmittelmenge abzugeben hat, wird, falls als Arbeitsmittel Luft ver wendet wird,
die benötigte Aufladeluft der Atmosphäre oder dem Speicher niederen Druckes entnommen und unter entsprechen der Verdichtung in den Speicher höheren Druckes gefördert.
Zweck der Erfindung ist ein Verfahren und eine Einrichtung zu dessen Ausführung zu schaffen, welche eine Entnahme von Ar beitsmittel aus dem Kreislauf bei möglichst kleinen Energieverlusten ermöglichen. Zu diesem Behufe wird gemäss der Erfindung bei einem gegenüber dem augenblicklichen Nutz leistungsbedarf zu hohen Druckpegel im Kreislauf Arbeitsmittel an einer Stelle mög lichst hohen Druckes dem Kreislauf entnom men und unter Verdichtung in den Speicher höheren Druckes gefördert.
Falls in diesem Speicher höheren Druckes der darin herr schende Druck nicht ausreicht, um den Kreis lauf für die abzugebende Höchstleistung aufladen zu können, so kann an der erwähn ten Stelle möglichst hohen Druckes des Kreis laufes dem letzteren so lange Arbeitsmittel entnommen und unter Verdichtung dem ge nannten Speicher zugeführt werden, bis in diesem der erforderliche Druck erreicht ist. Dabei kann dann das dem Kreislauf entnom mene Arbeitsmittel durch Zufuhr von Arbeits mittel von aussen an eine Stelle möglichst niedrigeren Druckes des Kreislaufes ersetzt werden.
Die Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach der Erfindung weist einen vom Druck im Kreislauf und von der Dreh zahl der Anlage beeinflussten Hilfsverdich ter auf, der das Arbeitsmittel aus dem Kreis lauf in den Speicher höheren Druckes fördert. Dieser Hilfsverdichter kann auch das Ar beitsmittel fördern, welches gebraucht wird, um im Speicher höheren Druckes den erfor derlichen Druck aufrecht zu erhalten.
Auf den beiliegenden Zeichnungen sind drei beispielsweise Ausführungsformen von Anlagen zur Ausführung des neuen Verfah rens in vereinfachter Darstellungsweise ver- anschaulicht, und zwar zeigt:
Fig. 1 eine Anlage, in welcher sich die Nutzleistungserzeugung einmal durch Ände rung des Druckpegels im Arbeitsmittelkreis- lauf und sodann auch mit Hilfe eines zwei Stellen verschiedenen Druckes dieses Kreis laufes verbindenden Kurzschlussstromes regeln lä.sst und Fig. 2 eine Anlage, in welcher ein Zu satzverdichter Luft aus der Atmosphäre nach einer Stelle niederen Druckes des Arbeits- mittellreislaufes der Anlage fördert.
Fig. 3 eine Abänderung einer Einzelheit. In der in der Fig. 1 gezeigten Anlage durchströmt das Arbeitsmittel einen Ver dichter 1, eine Leitung ?, ferner einen \Wärmeaustauscher 3, eine Leitm#_a 4. einen Erhitzer 5. in welchem dem Arbeitsmittel von aussen her Wärme zugeführt wird, eine Leitung 6, eine die erforderliche Leistung er zeugende Turbine 7, eine Leitung 8, zum zweiten Mal den "#Ä'ärmeaustauscher 3, dann eine Leitung 9 und einen Vorkühler 1.0, um hierauf wieder in den Verdichter 1 zu ge langen. Die von der auch den Verdichter 1 antreibenden Turbine 7 erzeugte Nutzleistung wird an einen Generator 11 abgegeben.
Ein Ventil 12 beherrscht den Übertritt von Ar beitsmittel aus einem Speicher 13 höheren Druelies dureli Leitunzen 1-1 und 15 in die dem Kreislauf<B>des</B> Arbeitsmittels der Anlage angehörende Leiteng ?. Ein Ventil 16 be herrscht dagegen einen von einer Stelle höheren Druckes des Kreislaufes (Leitung 21 zu einer Stelle niedrigeren Druckes des Kreislaufes (Leitung 9) durch Leitungen 15 und 17 gehenden Kurzschlussstrom. 18 be zeichnet einen.
Hilfsverdichter, der Arbeits mittel ans der mit dem IHochdruckteil des Kreislaufes der Anlage in Verbindung ste henden Leitung 15 ansaugen und in den Spei cher 13 höheren Druckes fördern kann, wobei eine Rückschlagklappe 19 ein Zurückströmen von Arbeitsmittel aus dem Speicher 13 in den Hilfsverdichter 18 verhindert. Letzterer wird durch einen Elektromotor 19' angetrie ben. der den Betriebsstrom über einen Schal ter 20 erhält, der von einem Relais 21 mit Spule ??, Teller 23 und Kontakten ?4 und 25 betätit: wird.
Der Steuerstrom für das Relais<I>21,</I> wird durch Kontaktfedern 26, 27 und 28 beherrscht. deren gegenseitige Lage wiederum durch die Stellung eines Servo- motorkolbens 29 bezw. einer mit diesem ein Stück bildenden Stange 30 bestimmt wird. Der Servomotor 29 dient gleichzeitig zur Be tätigung der Ventile 12 und 16, indem er mit einem Balken 31 verbunden ist, der um einen Punkt 32 drehbar ist und zwei Nocken 33, 34 trägt. Dem Nocken 33 ist ein Stellring 35 der Stange des Ventils 12 und dem Nocken 34 ein Stellring 36 der Stange des Ventils 16 zugeordnet.
Der Nocken 33 kann beim Anschlagen gegen den Stellring 35 das Ventil 12 entgegen der Wirkung einer Feder 37 und der Nocken 34 beim Anschlagen gegen den Stellring 36 das Ventil 16 entgegen der Wir kung einer Feder 38 anheben. Der Servo- motorkolben 29 wird durch Drucköl in Be wegung gesetzt, dessen Zufluss durch eine Leitung 39 erfolgt, wobei der Übertritt in die Räume zu beiden Seiten des Kolbens 29 von einem Steuerschieber 40 beherrscht wird.
Letzterer wird gleichzeitig sowohl von der Stellung eines Fliehkraftpendels 41, welcher den Maschinen 7, 1 zugeordnet ist, als auch vom Druck in der dem Kreislauf des Arbeits mittels angehörenden Leitung 6 beeinflusst.
Dieser Druck wirkt nämlich auf einen Messkolben 43 ein, der durch eine Stange 44 mit einem Balken 46 verbunden ist, mit dem über eine Stange 42 auch das Fliehkraft- pendel in Wirkungsverbindung steht. 47 be zeichnet eine Lasche, welche sowohl an den Balken 46 als auch an einen Balken 48 an gelenkt ist; letzterer steht noch mit dem Steuerschieber 40 und durch eine Stange 49 mit dem Kolben 29 in Verbindung.
Die Wirkungsweise der beschriebenen Einrichtung ist folgende: Bei einer Laststeigerung des Generators 11 sinkt die Drehzahl der Anlage, so dass das Fliehkraftpendel 41 die Stange 42 nach abwärts bewegt, wobei auch der Steuerschie ber 40 in entsprechendem Sinne bewegt wird, so dass nun Drucköl auf die Unterseite des Kolbens 29 gelangen kann, der sich infolge dessen anhebt. Das Ventil 12 wird ange hoben, so dass Arbeitsmittel aus dem Speicher 13 höheren Druckes durch die Leitungen 14 und 15 in den Kreislauf überströmt, was zur Folge hat, dass sich der Druckpegel im Kreis lauf hebt und zusammenhängend damit die abgegebene Nutzleistung steigt.
Der Steuer schieber 40 wird durch den steigenden Druck in der Leitung 6 des Kreislaufes rückgeführt, indem der Messkolben 43 nach unten und da durch der Balken 46 im Uhrzeigerdrehsinn um den Angriffspunkt der Stange 42 an diesem Balken geschwenkt wird. Es stellt sich somit ein neuer Gleichgewichtszustand ein, mit einer der höheren Last entsprechenden tie feren Drehzahl.
Eine Belastungssenkung des Generators 11 und damit ein Steigen der Drehzahl der Maschinen 7, 1 hat dagegen eine umgekehrte Bewegung der Steuergestänge zur Folge, so dass der Servomotorkolben 29 sich nach unten bewegt. Das untere Ende der Kolben stange 30 drückt nach Zurücklegung eines Weges von wählbarer Grösse die Kontakt feder 26 gegen die Kontaktfeder 27, wobei zunächst noch keine Wirkung ausgelöst wird,' und dann nach Zurücklegung eines weiteren Weges die Feder 2 7 gegen die Kontaktfeder 28, wobei ein Stromkreis vom Netz N durch die Federn 26, 28 und Spule 22 geschlossen wird.
Das hat ein Anziehen des Relais 21 und ein Schliessen des Schalters 20 zur Folge, so dass der Hilfsverdichter 18 in Betrieb ge setzt wird und Arbeitsmittel durch Leitung 15 aus dem Kreislauf entnommen und in den Speicher 13 höheren Druckes gefördert wird. Der Druckpegel im Kreislauf wird infolge dessen gesenkt, so dass auch die in der An lage erzeugte Leistung sinkt. Der sinkende Druck in der Leitung 6 hat eine Bewegung des Druckmesskolbens 43 nach oben und damit eine Rückführung der Steuerung zur Folge.
Bei der Rückwärts- also Aufwärtsbewe gung der Stange 30 wird die Stromzufuhr zu dem den Hilfsverdichter 18 antreibenden Motor 191 wieder unterbrochen, dies jedoch in bekannter Weise erst nachdem die Kontakt feder 26 auch die Kontaktfeder 27 nicht mehr berührt, da vorher das angezogene Re lais 21 durch den Teller 23 den Stromkreis durch die Spule 22 über die Kontakte 24, 25 noch geschlossen hält. Verlä,sst dagegen Feder 26 die Feder 27, so ist auch dieser Strom kreis unterbrochen, wobei das Relais 21 zu rückgeht und den Schalter 20 öffnet.
Da. ein in mässigen Ausmassen gestalteter Hilfsverdichter 1.8 raschen Delastungs- sehwankungen der Anlage nicht gewachsen wäre, so ist zur raschen Leistungsanpassung noch das einen Kurzschlussstrom des Kreis laufes beherrschende Ventil 16 vorgesehen. Bei einer Entlastung des Generators 11, wo bei sich, wie oben beschrieben, der Servo- motorkolben 29 und die Stange 30 nach unten bewegen, wird neben der Betätigung der Kontaktfedern 26,<B>27,</B> 28 durch den Balken 31 und den Nocken 34 noch ein Anheben des Ventils 16 bewirkt,
so dass ein Kurzschluss- strom von Arbeitsmittel durch die Leitun gen 15 und 17 freigegeben wird und so eine Verminderung der Nutzleistung der Anlage bewirkt wird. Diese Kurzschlussströmung dauert so lange an, bis der Hilfsverdichter 18 eine so grosse Arbeitsmittelmenge aus dem Kreislauf entnommen hat, dass die dem ver minderten @Tutzleistungsbedarf entsprechende Druckpegelsenkung im Kreislauf sich einge stellt hat.
Es besteht im übrigen die llög@ich- keit, durch entsprechende Spiele zwischen Stange 30 und den Kontaktfedern 26, 27, 28 bezw. zwischen Nocken 34 und Stellring 36 zu erreichen, dass der Hilfsverdichter 18 und das Ventil 16 in bestimmter zeitlicher Auf einanderfolge betätigt werden.
Durch die Anordnung des Hilfsverdich ters 18 zwischen einer Stelle möglichst hohen Druckes des Kreislaufes und dem Speicher 13 höheren Druckes wird erreicht, dass aus dem Kreislauf zu entnehmendes Arbeitsmit tel unter kleinstem Aufwand an Verdiehter- leistung in den Speicher 13 zurückgelangt.
Auch wenn man berücksichtigt, dass Teile des geförderten Arbeitsmittels aus dem Nie derdruckteil des Kreislaufes stammen und daher vorerst noch durch den Hauptverdich ter 1 verdichtet werden müssen, bevor sie aus der Leitung 15 vom Hilfsverdichter 18 ange saugt werden, so ergeben sich bei der be schriebenen Anordnung des Hilfsverdichters 18 gleichwohl geringste Energieverluste, da der Hauptverdichter 1 diese Teilverdichtung stets mit besserem Wirkungsgrad besorgen wird als ein nur für die Förderung einer verhältnismässig geringen Arbeitsmittelmenge ausgelegter Hilfsverdichter.
Ausserdem wird der so angeordnete Hilfsverdichler 18 infolge kleinsten zu überwindenden Druckverhält nisses mit kleinster Stufenzahl und so auch mit geringstem Baustoffezufwand hergestellt werden können.
Was die Verluste an Arbeitsmittel anbe trifft, welche im Kreislauf und in den mit demselben in Verbindung stehenden Leitun gen und Regelorganen durch L ndichtheit auftreten können. so lässt sich durch Vor sehen einer von Hand oder selbsttätig zL regelnden Hilfseinrichtuug erreichen. da.ss der Speicher 13 höheren Druckes ohne unmittel bare Förderung aus der Atmosphäre auf geladen und auch im Falle auftretender Un- dichtheitsverluste in ständiger Betriebsbereit schaft gehalten wird.
Fig. ? zeigt eine Anlage, in welcher <B>T</B> nveelks rascher Senkung der Nutzleistung an Stelle der Regelung eines Kurzschlussstromes von Arbeitsmittel ein Drosselorgan betätigt wird, dass sieh grundsätzlich an irgendeiner Stelle des Kreislaufes anordnen lässt.
Die Regelorgane zur Betätigung des Ventils, wel ches Arbeitsmittel aus dem Behälter höheren Druckes in den Kreislauf überströmen lässt, und zur Inbetriebsetzung des Hilfsverdich ters 18 sind bei dieser Einrichtung weit gehend gleich aasgebildet wie in der Einrich tung nach Fig. 1, weshalb sie in Fig. ? mit den gleichen Bezugszahlen wie in Fig. 1 belegt sind.
An Stelle eines Ventils betätigt dagegen der Nocken 34 der Einrichtung nach Fig. 2 gegen den Druck einer Feder 50 eine Stange 51, die mit. einer Drosselklappe 52 verbunden ist, welche in der dem Kreislauf des Arbeitsmittels angehörenden Leitung 4 angeordnet ist und beim Heben der Stange 51 in schliessendem Sinne bewegt wird.
Der Speicher 13 höheren Druckes hat, wie bereits oben angedeutet, der Bedingung zu genügen, dass er ständig so viel Arbeitsmittel enthält als nötig ist, um den Kreislauf bis ztz der abzugebenden höchsten Leistung auf zuladen. Die Summe des Arbeitsmittelinhal- tes von Kreislauf und Speicher muss daher stets einen gewissen Mindestbetrag darstellen. Dies kann dadurch erreicht werden, dass in der in Fig. 2 gezeigten Weise noch ein Zu satzverdichter 53 vorgesehen ist, falls als Arbeitsmittel Luft verwendet wird.
Dieser Zusatzverdichter 53 saugt durch eine Leitung 54 Luft aus der Atmosphäre an und fördert sie durch Leitung 55 mit Rückschlagklappe 56 hindurch an der Stelle 57 in den Arbeits- mittelkreislauf. Der Zusatzverdichter 53 wird von einem Elektromotor 58 angetrieben. Ist der Speicher 13 höheren Druckes nicht hin reichend aufgeladen, so kann ein die Strom zuführung zum Motor 58 beherrschender Schalter 59 von Hand geschlossen werden, so dass dann der Zusatzverdichter 53 Arbeits mittel in den Kreislauf fördert, in welchem nun der Druck steigt.
Der mit Leitung 6 des Kreislaufes verbundene Druckmesskolben 43 wird daher nach abwärts bewegt, was ein Anheben des Steuerschiebers 40 bedingt, so dass der Servomotorkolben 29 mit Stange 30 durch Oldruck nach unten bewegt wird und dadurch in bereits beschriebener Weise der Hilfsverdichter 18 in Betrieb gesetzt wird, der nun so lange arbeitet, bis die an der Stelle 57 dem Kreislauf zugeführte Arbeits- mittelmenge, vermindert um allfällige Un- dichtheitsverluste im Kreislauf selbst, den Druck im Speicher 13 auf die erforderliche Höhe gebracht hat.
Falls die Einrichtung nicht an einem Netz arbeitet, in dem die Frequenz durch parallelgeschaltete Maschinen festgehalten wird, so wird eine aus der Arbeitsmittelzu- fuhr von aussen sich ergebende Erhöhung des Druckpegels in der Anlage eine Leistungs steigerung und somit auch eine Drehzahl erhöhung zur Folge haben, weshalb sich auch Stange 42 hebt, was, wie man leicht fest stellt, letztlich ebenfalls zu einer Inbetrieb setzung des Hilfsverdichters 18 führt.
Das vom Zusatzverdichter 53 geförderte Arbeitsmittel wird, wie gezeigt, zweckmässig an. einer Stelle möglichst niedrigen Druckes des Kreislaufes in diesen eingeführt, um einen möglichst grossen Teil der Verdichtung dem Hauptverdichter 1 zuzuweisen und so mit möglichst geringen Ausmassen für diesen Zusatzverdichter auszukommen.
In Fig. 2 ist im weiteren eine Einrichtung zur selbsttätigen Regelung der Fördermenge des Zusatzverdichters 53 dargestellt, welche es ermöglicht, die Drehzahl dieses Verdich ters in Abhängigkeit vom Druck an einer Stelle des Kreislaufes und vom Druck im Speicher 13 zu regeln, das heisst von Drük- ken, die im wesentlichen den entsprechenden Arbeitsmittelinhalten unmittelbar verhältnis gleich sind. Diese Einrichtung weist einen Kolben 60 auf. Der Raum über diesem Kol ben steht durch eine Leitung 61 mit einer Stelle 62 des Arbeitsmittelkreislaufes in Ver bindung, während der Raum über einem Kol ben 63 durch eine Leitung 64 an den Speicher 13 angeschlossen ist.
Den Kolben 60 und 63 zugeordnete Stangen 65 bezw. 66 sind mit einem Balken 67 gelenkig verbunden, an den bei 68 noch ein Drosselkegel 69 angelenkt ist. Letzterer beherrscht den Abfluss von durch eine Drosselstelle 70 in eine Kammer 71 gelangendem Drucköl. Der Druck in der Kammer 71 pflanzt sich durch eine Leitung 72 auf die Oberseite eines Kolbens 73 fort, wobei ihm durch eine ebenfalls auf diesen Kolben 73 wirkende Feder 74 Gleichgewicht gehalten wird. Die Bewegungen des Kolbens 73 werden auf ein als Regulierwiderstand 75 ausgebildeten Mittel zur Drehzahländerung des Zusatzverdichters 53 übertragen, wobei dieser Widerstand 75 den Rotorstrom des Elektromotors 58 beeinflusst.
Findet nun. ein Regelvorgang statt, bei dem kein Undichtheitsverlust oder zumindest keine Änderung des Undichtheitsverlustes auftritt, also beispielsweise nur ein Übergang von Arbeitsmittel aus dem Speicher 13 in den Kreislauf oder umgekehrt, so wird sich der eine der beiden Drücke über den Kolben 60 und 63 heben, der andere senken, und es werden sich entsprechende Verschiebungen der beiden Kolben ergeben. Bei geeigneter Lage des Gelenkpunktes 68 wird sich dieser in einem solchen Falle nicht verschieben.
Erhöhung der Undichtheitsverluste in der Einrichtung oder im Speicher hat dagegen ein Sinken des entsprechenden Druckes und daher ein Anheben des einen der beiden Kol ben 60 und 63 zur Folge, ohne dass sich der andere in entsprechendem -Masse senken würde. Der Gelenkpunkt 68 wird daher angehoben, und der Drosselkegel 69 gibt nun dem<B>01</B> einen grösseren Abflussquerschnitt frei, so dass der Druck in der Kammer 71 und damit auch über dem Kolben 73 sinkt.
Dieser wird daher durch die Feder 74 nach oben bewegt und beeinflusst das Drehzahlregelorgan 7 5 in der Weise, dass die Drehzahl des Zusatzverdich ters 53 steigt und somit die von ihm dem Kreislauf zugeführte Arbeitsmittelmenge er höht wird.
Im übrigen besteht noch die -Möglichkeit, statt elektrische Energie zum Antrieb des Hilfsverdichters 18 zu verwenden, einen durch gasförmiges oder flüssiges Arbeits mittel betriebenen Motor für den Antrieb dieses Verdichters vorzusehen. Es kann auch unmittelbar im Kreislauf verdichtetes Ar beitsmittel, das nach Entspannung zcveck- mä.ssig dem Kreislauf an einer Stelle niedri geren Druckes wieder zugeführt wird, zum Antrieb des Hilfsverdichters verwendet wer den. Insbesondere kann der vom Ventil 16 in Fig. 1 beherrschte Kurzschlussstrom hierzu verwendet werden.
Eine solche Ausführung ist in Fig. 3 gezeigt, in welcher 13 wiederum den Speicher höheren Druckes, 15 und 17 die Leitungen für einen Kurzschlussstrom, 16 das diesen Strom beherrschende Ventil und 18 den Hilfsverdichter bezeichnet. Die Leitung 17 ist bei dieser Ausführungsform an den Eintrittsstutzen einer Hilfsluftturbine 76 an geschlossen, welche den Hilfsverdichter 18 antreibt. Die aus der Hilfsturbine 76 aus strömende, entspannte Luft gelangt. durch eine Leitung 7 7 in die. Leitung 9 des Haupt kreislaufes des Arbeitsmittels der Anlage; diese Leitung 9 bildet bekanntlich eine Stelle niedrigen Druckes des Kreislaufes.