Verfahren und Einrichtung zur mehrstufigen Speisewasservorwärmung mittels aus verschiedenen Stufen der Dampfturbine einer Dampfkraftanlage entnommenen Anzapfdampfes Das Patent bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zur mehrstufigen Speisewasservorwär- mung mittels aus verschiedenen Stufen der Dampf turbine einer Dampfkraftanlage entnommenen An zapfdampfes,
wobei der überhitzte Anzapfdampf seine Überhitzungswärme vor seinem Eintritt in den je weiligen Speisewasservorwärmer an eine Teilmenge des in den Dampferzeuger eingeführten Speisewassers in einem Vorkühler abgibt und alle Teilmengen des Speisewassers nach der Kühlung des Anzapfdampfes zum Speisewasserstrom vereinigt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die mehrstufige Speisewasservorwärmung so durchzu führen, dass die Überhitzung des Anzapfdampfes für die Erwärmung des Speisewassers mit dem best möglichen thermischen Wirkungsgrad ausgenutzt wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe geht sie von der Erkennt nis aus, dass es zur Erzielung des günstigsten Wir kungsgrades der Dampfkraftanlage erforderlich ist, den Zuwachs an Entropie in den Vorkühlern des über hitzten Dampfes auf ein Minimum zu beschränken, was bedeutet, dass die in dem überhitzten Dampf enthaltene Wärme auf das Speisewasser mit dem geringstmöglichen Temperaturunterschied zwischen dem zu kühlenden überhitzten Dampf und dem zu erhitzenden Speisewasser erfolgen muss.
Wenn Gdie Durchflussmenge des abgezapften überhitzten Dampfes, ts seine Auslasstemperatur aus der Turbine, tsk seine Kondensationstemperatur bei Anzapfdruck, es seine spezifische Wärme (Mittelwert zwischen den Temperaturen ts und tsk), G, die Speisewasserdurchflussmenge im Vorkühler, t w1 seine Temperatur vor und t w. seine Temperatur nach der Erwärmung,
c" seine spezifische Wärme (Mittelwert zwischen den Temperaturen twt und tw.) ist, müssen zur Erzielung des optimalen Nutzeffektes des Vorkühlers für den überhitzten Dampf in der für die restlose Übertragung der Überhitzungswärme des Anzapfdampfes an das Speisewasser geltenden Glei chung Gs' <I>es</I> (ts-tsk) - Gw' cw (tw2 twl) (1) bei einem Gegenstromkühler für den überhitzten Dampf die folgenden Bedingungen erfüllt sein:
1. t5 > tw--, tsk > twl ?. Der Endtemperaturunterschied im Vorkühler 4 t2 = ts-tw, muss möglichst klein sein.
3. Der Anfangstemperaturunterschied im Vorkühler <I>4</I> t1 <I>=</I> tsk-tw, muss ebenfalls möglichst klein sein. Dies bedeutet, dass Speisewasser von einer Tem peratur, die um 4 t,_ niedriger sein muss als die Kon densationstemperatur des zu kühlenden Dampfes beim Abzapfdruck, in den Vorkühler für den überhitzten Dampf eintreten muss.
Bei<I>4</I> t1-4 t2 ": <I>0</I> ist die Erfüllung der oben er wähnten Bedingungen möglich, wenn ts-tsk = tw- twl und deshalb auch Gs ' es = Gw,
Cw oder
EMI0001.0069
Die optimale Durchflussmenge des in den Vor kühler eintretenden Speisewassers von einer Tempe ratur t w1 = tsk - 4 t1 ist durch diese Bedingung be stimmt und immer wesentlich niedriger als die Ge samtmenge des durch das Vorwärmersystem fliessen- den Speisewassers und ziemlich nahe der Dampf menge G$ an der betreffenden Anzapfung. Grob kann sogar angenommen werden,
dass die Durchflussmenge des in den Vorkühler eintretenden Speisewassers fast so gross ist wie die Durchflussmenge des abgezapften Dampfes.
Das Speisewasser, welches in einer Menge Gw in dem Vorkühler für den überhitzten Dampf auf eine Temperatur<I>t</I> w3 <I>=</I> t, <I>- A</I> t. erhitzt wurde, muss dem übrigen Speisewasser dort zugeführt werden, wo der Temperaturunterschied der beiden sich mischenden Flüssigkeiten am geringsten ist, da sonst die thermo dynamischen Vorteile des Vorkühlers für den über hitzten Dampf nicht völlig wirksam sein würden.
Wenn bei zu geringer Überhitzung des abgezapften Dampfes die Temperatur t, niedriger sein würde als die Kondensationstemperatur t,k des Dampfes in der Abzapfung beim nächsthöheren Druck, würde der Vorkühler für den überhitzten Dampf keinen Wert haben.
Wenn die Temperatur tw. niedriger ist als die Austrittstemperatur des Speisewassers aus dem Vor wärmer, welcher mit dem Anzapfdampf des höchsten Druckes beaufschlagt wird, aber höher als die Kon densationstemperatur t,k des Dampfes in der An- zapfung beim nächsthöheren Druck, wird die Menge G", des Speisewasserteilstroms an dem Austritt eines solchen Speisewasservorwärmers zugefügt, in welchem die Temperatur des Speisewasserhauptstromes der vorerwähnten Temperatur t,. am nächsten ist.
Wenn jedoch im Falle von stark überhitztem Anzapfdampf die Temperatur t, höher ist als die Temperatur des das Vorwärmersystem verlassenden Speisewassers, ist die Menge G, erst hinter dem durch den höchsten Anzapfdruck beaufschlagten letzten Speisewasser vorwärmer zuzusetzen, denn eben dort ist der Tem peraturunterschied der beiden sich mischenden Flüssig keiten am geringsten.
Das eingangs als bekannt vorausgesetzte Verfahren erfüllt diese Bedingungen im allgemeinen nicht. Der Wirkungsgrad einer in dieser Weise betriebenen Dampf turbinenanlage ist daher schlecht.
Das trifft auch auf eine weitere vorbekannte Ein richtung zur mehrstufigen Speisewasservorwärmung zu, die eine Mehrzahl von Speisewasservorwärmern aufweist, welche je von verschiedenen Turbinenstufen aus durch Anzapfdampf geheizt werden.
Bei dieser Einrichtung durchfliesst der Speisewasserstrom nach einander vom Kondensator aus die hintereinander geschalteten Speisewasservorwärmer. Hinter dem letz ten, mit dem Anzapfdampf aus der ersten Hochdruck stufe der Turbine gespeisten Speisewasservorwärmer ist eine Abzweigung vorgesehen, über die ein ge gebenenfalls stufenartig sinkender Teilstrom des Speisewassers durch eine Reihe von Vorkühlern strömt, die den aus den verschiedenen Turbinenstufen kommenden Anzapfdampf abkühlen.
Dabei fliesst der Teilstrom zunächst durch den Vorkühler, der der letzten vor dem Kondensator liegenden Anzapfstufe der Turbine zugeordnet ist, und durchläuft dann die vorgeordneten Vorkühler, bis er aus dem der ersten Hochdruckstufe zugehörenden Vorkühler in den Kessel geleitet wird.
Diese Anlage kann den oben genannten Bedingungen deswegen nicht genügen, weil der Teilstrom des Speisewassers, welches aus dem der ersten Hochdruckstufe angehörenden Vorwärmer austritt, die höchste Speisewassertemperatur hat, da gegen der von ihm zunächst durchflossene Vorkühlen welcher der letzten Niederdruckstufe zugeordnet ist, den Anzapfdampf mit der geringsten Temperatur führt.
Demgegenüber wird gemäss dem Verfahren nach der Erfindung eine verbesserte Speisewasservorwär- mung dadurch angestrebt, dass jede Teilmenge des Speisewassers an derjenigen Stelle des Speisewasser hauptstromes dem betreffenden Vorkühler zugeführt wird, an der die Speisewassertemperatur gleich oder nur wenig niedriger ist als die Kondensationstempera tur des abzukühlenden Anzapfdampfes, und dem Speisewasserhauptstrom dort zugeführt wird, wo der Temperaturunterschied der beiden sich mischenden Flüssigkeiten am geringsten ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfin dungsgemässen Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens überschreitet die Zahl der Vorkühler nicht die Zahl der Anzapfungen für den überhitzten Dampf. Die Vorkühler können verhältnis mässig klein sein, da nur geringe Mengen von Wasser hindurchgeführt werden und hohe Fliessgeschwindig keiten in den Vorkühlern erreichbar sind, um die Wärmeübertragungen zu vergrössern und eine weitere Verkleinerung in den Abmessungen der Vorkühler zu ermöglichen.' In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung dargestellt.
In Fig. 1 strömt aus einem Dampferzeuger 1 durch eine Leistung < ' hocherhitzter Dampf nach dem Hoch druckteil 3 einer Dampfturbine. Von dort strömt der Dampf durch einen Zwischenliberhitzer ,A zum Nieder druckteil 5 der Dampfturbine, welche zum Antrieb eines Generators 6 verwendet wird. An den Nieder druckteil der Turbine ist ein Kondensator i ange schlossen.
Aus diesem wird das Kondensat durch eine Reihe hintereinander geschalteter Schlangenrohre Ho, Hl, H@, H3, H, und H" geleitet, die jeweils in einem Speisewasservorwärmer <I>So,</I> .S',, S3, S3, .S'., und S, unter gebracht sind.
Vom Hochdruckteil 3 der Turbine gehen Lei tungen To, T1 und T und vom Niederdruckteil 5 der Turbine Leitungen T3, T, und T, aus zum Anzapfen von Dampf aus der Turbine, dessen Zustand weiter hinten näher angegeben ist.
Wie bei einer bekannten Anordnung ist ein Vor kühler D, vorgesehen, welcher über die Leitung To überhitzten Dampf vom höchsten Druck erhält. In ihm ist ein Schlangenrohr W, untergebracht, welches mit seinem einen Ende an den Dampferzeuger 1 und mit seinem anderen Ende an eine Rohrleitung angeschlos sen ist, welche vom Schlangenrohr Ho des Speise wasservorwärmers So kommt und das gesamte erhitzte Wasser des letzteren nach dem Dampferzeuger 1 führt.
Die bekannte Anordnung weist ebenfalls eine sich vom Speisewasservorwärmer So zum Speisewasser vorwärmer S1 erstreckende Leitung Co, eine sich vom Speisewasservorwärmer S1 zum Speisewasservorwär- wärmer S2 erstreckende Leitung Cl, eine sich vom Speisewasservorwärmer S2 zum Speisewasservorwär- mer S3 erstreckende Leitung C2,
eine sich vom Speise wasservorwärmer S3 zum Speisewasservorwärmer S4 erstreckende Leitung C3, eine sich vom Speisewasser vorwärmer S4 zum Speisewasservorwärmer SS er streckende Leitung C9, und eine Leitung C5 vom Speisewasservorwärmer S5 zu dem Kondensator 7 auf, wo der kondensierte Dampf dem Kondensat zuge führt wird, welches mittels der Pumpe 8 durch die Schlangenrohre der Speisewasservorwärmer gefördert wird.
Da angenommen werden kann, dass der aus der Turbine durch die Leitung T5 an dem Punkte des niedrigsten Druckes abgezapfte Dampf Nassdampf ist, wird die Leitung T5 direkt zum zugeordneten Speise wasservorwärmer S5 in bekannter Weise geführt. Entsprechend kann angenommen werden, dass der durch die Leitung T4 an der Stelle des nächsthöheren Druckes abgezapfte Dampf höchstens leicht überhitzt ist, so dass die Leitung T4 auch direkt mit dem zuge ordneten Speisewassererhitzer S4 verbunden ist.
Da aber der aus der Turbine durch die Leitungen T1, 72 und T3 abgezapfte Dampf höher überhitzt ist, werden nun Vorkühler Dl, D2 und D3 vorgesehen, welche einmal an die Leitungen T1, T2 und T3 und zum anderen an die zugeordneten Speisewasservorwärmer S1, S2 und S3 angeschlossen sind, so dass der abgezapfte überhitzte Dampf durch diese Vorkühler strömt,
bevor er in die Speisewasservorwärmer eintritt. In den Vor kühlern Dl, D2 und D3 sind Schlangenrohre W1, W2 und W3 untergebracht, durch welche je eine Teilmenge des Speisewassers geführt wird.
Die Schlangenrohre W1, W2 und W3 sind an die Leitungen zwischen den Speisewasservorwärmern <I>So,</I> S1, S2 und S3 über Ventile R1, R2 und R3 angeschlossen, um den Teil des erwärmten Speisewassers vorzugsweise in Abhängig keit von seiner Endtemperatur im betreffenden Vor kühler zu regeln.
Die Speisewasser-Teilmengen werden dabei an denjenigen Stellen (Ventile R1, R2 und R3) abgezweigt, wo die Speisewassertemperatur gleich oder nur wenig, z. B. höchstens um 50 C niedriger ist als die Kondensationstemperatur des von der be treffenden Teilmenge abzukühlenden Anzapfdampfes. Da das Ventil R3 am Auslass des Speisewassers aus dem Schlangenrohr H3 angeordnet ist,
ist die Wasser temperatur am Einlass des Schlangenrohres W3 um einen Betrag d <I>t</I> kleiner als die Kondensations temperatur des durch die Leitung T3 abgezapften Dampfes. Da die Temperatur des durch die Leitung T3 abgezogenen Dampfes höher sein wird als die Kon densationstemperatur des Hochdruckdampfes, welcher durch die Leitung To abgezogen und im Speisewasser vorwärmer So kondensiert wird, muss das Speisewasser vom Schlangenrohr W3 des Vorkühlers D3 dem anderen Speisewasser über eine Leitung zugefügt werden,
welche angeschlossen ist an die Verbindungs leitung vom Schlangenrohr Ho zum Dampferzeuger 1 am Punkte El, 3. Das gleiche gilt für den Vorkühler Dl.
Es ist anzunehmen, dass die Temperatur t, des durch die Leitung T2 abgezapften Dampfes niedriger ist als die Kondensationstemperatur des durch die Leitung To abgezapften Dampfes, aber höher als die Kondensationstemperatur des durch die Leitung T1 abgezapften Dampfes.
Da der Endtemperaturunter- schied im Vorkühler D2 (d t2 <I><U>-</U></I> ts- t"2) sehr klein ist, kann angenommen werden, dass die Temperatur t,2 des aus dem Vorkühler D2 ausfliessenden Speisewassers bestimmt auch niedriger ist als die Temperatur, welche im Speisewasservorwärmer So herrscht (gleich der Kondensationstemperatur des Dampfes aus der Lei tung To bzw.
etwas niedriger) und zugleich sicher nicht höher als die Temperatur des aus dem Speise wasservorwärmer S1 austretenden Speisewassers (an nähernd gleich der Kondensationstemperatur des Dampfes aus der Leitung T1). Wenn daher das Schlangenrohr W2 des Vorkühlers D2 an einem Punkt L2 an die Verbindungsleitung zwischen den Speise wasservorwärmern S1 und So angeschlossen ist, so wird demnach der Speisewasserteilstrom aus dem Vorkühler D. dem Speisewasserhauptstrom dort bei gefügt,
wo der Temperaturunterschied der beiden sich mischenden Flüssigkeiten am kleinsten ist. Diese Bedingung folgt aus der Forderung, die thermo dynamischen Vorteile des Vorkühlers in ihrer Wirkung nicht herabzusetzen, ist aber nur dann durchführbar, wenn die Temperatur t" des aus dem betreffenden Vorkühler ausfliessenden Speisewassers nicht viel höher ist als die Temperatur des das Vorwärmersystem verlassenden Speisewassers. Im Falle eines hoch überhitzten Anzapfdampfes, z.
B. aus den Leitungen T1 und T3, wird die Teilmenge des Speisewassers dem Hauptstrom erst vor dem Eintritt in dem Dampf erzeuger beigefügt, (Punkt L1, 3), denn in diesem Falle ist dort der Temperaturunterschied der beiden sich mischenden Flüssigkeiten am geringsten.
Das Gesagte soll nun noch durch Angabe von Zahlenbeispielen für die Druck- und Temperaturwerte in der Anlage nach Fig. 1 veranschaulicht werden. Aus dem Dampferzeuger 1 strömt durch die Leitung 2 Dampf von 140 at Druck und 560 C Temperatur. Der Zwischenüberhitzer 4 erhitzt den Dampf von<B>280'C</B> auf 560 C bei 26 at Druck. Vom Niederdruckteil 5 der Turbine strömt der Dampf bei 0,025 at Druck und etwa 30 C in den Kondensator 7.
In dem Vorwärmer- system wird die Temperatur vorn 30 C auf 240 C er höht, wobei nach dem letzten Vorkühler Da der Dampf eine Temperatur von etwa 245 C aufweist.
Der Dampf aus der Anzapfung To weist den höchsten Druck von 64 at und eine Temperatur von 500 C auf; die Kon densationstemperatur beträgt entsprechend 248 C, was 8 C mehr ist als die Temperatur des aus dem Vor wärmer So austretenden Hauptspeisewasserstroms. In der Anzapfung T5 ist der Anzapfdampf Nassdampf von 50 C und 0,15 at, und der Dampf aus der Lei- tung T, von 1,5 at Druck weist bei der Temperatur von<B>120'C</B> nur eine geringe (9'C) Überhitzung auf.
Dampf aus der Leitung T, hat bei 32 at Druck eine Temperatur von 380 C. Da die betreffende Konden sationstemperatur 236 C ist, wird die Teilmenge des Speisewassers vom Hauptstrom an der Stelle R, ab gezweigt, wo eine Temperatur von 230 C herrscht. Die Speisewasseraustrittstemperatur vom Vorkühler D, wird etwas niedriger sein als die Temperatur des Dampfes in T, (z. B. 375 C), jedoch viel höher als die Austrittstemperatur des Hauptstroms aus So (d. h.
240'C). Deshalb wird die Leitung aus dem Vorkühler D, an die Hauptstromleitung an der Stelle L"" d. h. vor dem Dampferzeuger 1 angeschlossen.
Dampf aus der Leitung T2 hat bei 26 at Druck eine Temperatur von 238'C. Da die betreffende Kondensationstemperatur 225 C ist, wird die Teil menge des Speisewassers vom Hauptstrom an der Stelle R2 abgezweigt, wo die Temperatur 220'C be trägt. Die Speisewasseraustrittstemperatur vom Vor kühler D2 ist etwas niedriger als 238 C und wird dem nach zum Hauptstrom des Speisewassers an der Stelle L2 zugefügt, wo die Temperatur 230 C ist.
Dampf aus der Leitung T3 hat bei 5 at Druck eine Temperatur von 4l0' C. Die betreffende Kondensa tionstemperatur ist 151'C. Die Abzweigung der Teil menge erfolgt an der Stelle R3, wo die Temperatur 145'C beträgt, d. h. 6'C weniger als die Kondensa tionstemperatur. Das Speisewasser aus dem Vorkühler D3 hat rund 400'C und wird deshalb der Haupt stromleitung ebenfalls vor dem Dampferzeuger 1 (d. h. im Punkt L,. 3) beigefügt.
Das dem Schlangenrohr W2 zugeführte Speisewas ser wird im beschriebenen Beispiel von dem anderen Speisewasser durch das Ventil R2 am Ausgang des Schlangenrohres H2 abgetrennt. Die betreffende Teil menge könnte aber auch an einem Punkte R'2 in der Verbindungsleitung zwischen den Speisewasservor- wärmern S2 und S3 entnommen werden, falls dort die Temperatur des Speisewassers nur wenig, also höch stens etwa 50'C niedriger wäre als die Kondensations temperatur des durch die Leitung T2 abgezapften Dampfes.
Die Ausführungsform nach Fig. 2 enthält Speise wasservorwärmer So bis S5, welche an die Leitungen To bis T5 angeschlossen sind. Wie im ersten Ausfüh rungsbeispiel sind die Leitungen T, und T5, welche von Stellen verhältnismässig niederen Druckes aus gehen, direkt mit den zugeordneten Speisewasser vorwärmern S9 und S5 verbunden, während die Leitungen T, bis T3, welche von Stellen verhältnis mässig hohen Druckes ausgehen und überhitzten Dampf abzapfen, an die Vorkühler D,
bis D3 an geschlossen sind.
Die Rohrschlangen der Speisewasservorwärmer sind in Reihe hintereinander verbunden, so dass das Speisewasser von dem Kondensator 7 nacheinander durch die Rohrschlangen der Speisewasservorwärmer mittels der Pumpe 8 gedrückt wird. Das gesamte vom Kondensator 7 kommende, erhitzte Speisewasser wird über das Schlangenrohr Ho des Speisewasservorwär- mers So in das Schlangenrohr Wo des Vorkühlers D, geführt, wo das Speisewasser weiter erhitzt wird durch den über die Leitung To abgezapften Dampf. Das ge samte Speisewasser wird zum Dampferzeuger 1 geleitet.
Die eine Kaskadenverbindung zwischen den ver schiedenen Speisewasservorwärmern schaffenden Lei tungen Ca bis C5 nach Fig. 1 sind bei der Anordnung nach Fig. 2 weggelassen, ebenso die Ventile R" R2 und R3. Dafür aber enthält das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 Pumpen Po bis P5, deren Einlässe jeweils an die Speisewasservorwärmer So bis 55 angeschlossen sind und das Kondensat des abgezapften Dampfes aufnehmen.
Wie nachstehend noch im einzelnen er läutert, wird das von allen diesen Pumpen geförderte Kondensat dem Speisewasser-Hauptstrom beigemischt und mit diesem dem Dampferzeuger 1 zugeleitet, wes halb die von den Pumpen Po bis P5 abgehenden Kondensatmengen als Teilmengen des in den Dampf erzeuger 1 eingeführten Speisewassers zu bezeichnen sind.
Die Ausgänge der Pumpen P, und P5 sind an die Verbindungsleitungen zwischen den Speisewasser vorwärmern S3, S4 bzw. S,, S5 angeschlossen, wodurch das Kondensat bzw. die Teilmengen der Leitungen T" T5 unmittelbar nach den betreffenden Speisewasser vorwärmern dem Speisewasserhauptstrom beigefügt werden.
Der Ausgang der Pumpe Po, welche das Kondensat bzw. die Teilmenge aus dem Speisewasser vorwärmer So aufnimmt, ist direkt angeschlossen an die Leitung vom Schlangenrohr Ho zum Vorkühler Do.
Ferner sind die Ausgänge der Pumpen P,, P2 und P3, welche ebenfalls Teilmengen des Speisewassers führen, an jeweils eines der Schlangenrohre W,, W2 und W3 der Vorkühler D,, D2 und D3 angeschlossen.
Es ist anzunehmen, dass die Temperatur des durch die Leitung T3 abgezogenen Dampfes höher ist als die Kondensationstemperatur des durch die Leitung To abgezogenen und im Speisewasservorwärmer So kon densierenden Dampfes, so dass die vom Kondensat des abgezogenen Dampfes gebildete Speisewasser- Teilmenge aus dem Schlangenrohr W3 des Vorkühlers D3 zum anderen Speisewasser über eine Leitung zu geführt wird, welche an die Leitung vom Speisewasser vorwärmer So zum Dampferzeuger 1 an dem Punkte L,, 3 angeschlossen ist.
In gleicher Weise wird die erhitzte Speisewasser-Teilmenge aus dem Schlangen rohr W, des Vorkühlers D, dem anderen Speisewasser zugefügt.
Es kann angenommen werden, dass die Temperatur des durch die Leitung T2 abgezapften Dampfes nied riger ist als die Kondensationstemperatur des durch die Leitung To abgezapften Dampfes, jedoch höher als die Kondensationstemperatur des durch die Leitung T, abgezapften Dampfes, so dass die das Schlangenrohr W2 des Vorkühlers D.. verlassende Speisewasser-Teilmenge mit dem anderen Speisewasser an einem Punkte L2 gemischt wird, der zwischen den Rohrschlangen der Speisewasservorwärmer S" und S, gelegen ist.
Mit der in Fig. 2 dargestellten Anordnung ist eine Vergrösserung des Druckes an dem Auslass der Pum pen P,, P., und P3 leicht zu erzielen, um die Fliess geschwindigkeit des Speisewassers durch die Schlangen rohre W, W2 und W3 zu vergrössern. Das erlaubt eine Verkleinerung der Abmessungen der Vorkühler, wäh rend die Wärmeübertragung zwischen dem Kondensat und dem durch die Vorkühler strömenden überhitzten Dampf erhöht wird.