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
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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.
Method and device for multi-stage feed water preheating by means of bleeding steam taken from different stages of the steam turbine of a steam power plant The patent relates to a method and a device for multi-stage feed water preheating by means of tap steam taken from different stages of the steam turbine of a steam power plant,
The superheated tap steam gives off its superheating heat to a portion of the feed water introduced into the steam generator in a pre-cooler before it enters the respective feed water preheater and all portions of the feed water are combined to form the feed water flow after the tap steam has been cooled.
The invention is based on the object of performing the multi-stage feed water preheating in such a way that the overheating of the bleed steam is used for heating the feed water with the best possible thermal efficiency.
To solve this problem, it is based on the knowledge that it is necessary to achieve the best efficiency of the steam power plant, the increase in entropy in the pre-coolers of the superheated steam to a minimum, which means that the superheated in the The heat contained in steam must be applied to the feed water with the smallest possible temperature difference between the superheated steam to be cooled and the feed water to be heated.
If G is the flow rate of the tapped superheated steam, ts its outlet temperature from the turbine, tsk its condensation temperature at the tap pressure, it its specific heat (mean value between the temperatures ts and tsk), G, the feed water flow rate in the precooler, t w1 its temperature before and t w . its temperature after heating,
c "is its specific heat (mean value between the temperatures twt and tw.), must in order to achieve the optimal efficiency of the precooler for the superheated steam in the equation Gs' <I> applicable for the complete transfer of the superheating heat of the bleed steam to the feed water es </I> (ts-tsk) - Gw 'cw (tw2 twl) (1) with a counterflow cooler for the superheated steam, the following conditions must be met:
1. t5> tw--, tsk> twl?. The final temperature difference in the pre-cooler 4 t2 = ts-tw must be as small as possible.
3. The initial temperature difference in the pre-cooler <I> 4 </I> t1 <I> = </I> tsk-tw must also be as small as possible. This means that feed water at a temperature which has to be 4 tons lower than the condensation temperature of the steam to be cooled at the tapping pressure must enter the pre-cooler for the superheated steam.
With <I> 4 </I> t1-4 t2 ": <I> 0 </I> the fulfillment of the above mentioned conditions is possible if ts-tsk = tw- twl and therefore also Gs' es = Gw,
Cw or
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The optimal flow rate of the feed water entering the pre-cooler of a temperature t w1 = tsk - 4 t1 is determined by this condition and is always significantly lower than the total amount of feed water flowing through the preheater system and fairly close to the amount of steam G. $ at the relevant tap. Roughly it can even be assumed
that the flow rate of the feed water entering the pre-cooler is almost as great as the flow rate of the drawn off steam.
The feed water, which in an amount Gw in the pre-cooler for the superheated steam to a temperature <I> t </I> w3 <I> = </I> t, <I> - A </I> t. has been heated, the rest of the feed water must be added to the point where the temperature difference between the two mixing liquids is smallest, otherwise the thermodynamic advantages of the pre-cooler would not be fully effective for the superheated steam.
If, if the overheating of the drawn off steam was too low, the temperature t, would be lower than the condensation temperature t, k of the steam in the draw-off at the next higher pressure, the pre-cooler would have no value for the superheated steam.
If the temperature tw. is lower than the outlet temperature of the feed water from the pre-heater, which is subjected to the tap steam of the highest pressure, but higher than the condensation temperature t, k of the steam in the tap at the next higher pressure, the amount G ", of the feed water partial flow added at the outlet of such a feedwater preheater in which the temperature of the main feedwater flow is closest to the aforementioned temperature t 1.
If, however, in the case of severely overheated tap steam, the temperature t, is higher than the temperature of the feed water leaving the preheater system, the quantity G must only be added after the last feed water preheater, which has been subjected to the highest tap pressure, because this is where the temperature difference between the two is mixing liquids the least.
The process assumed to be known at the beginning generally does not meet these conditions. The efficiency of a steam turbine system operated in this way is therefore poor.
This also applies to another previously known device for multi-stage feed water preheating, which has a plurality of feed water preheaters, which are each heated from different turbine stages by bleed steam.
With this device, the feed water flow from the condenser successively flows through the feed water preheaters connected one after the other. Behind the last feed water preheater, which is fed with the bleed steam from the first high pressure stage of the turbine, a branch is provided, via which a partial flow of the feed water, which may decrease in stages, flows through a series of pre-coolers that cool the bleed steam coming from the various turbine stages.
The partial flow first flows through the pre-cooler, which is assigned to the last extraction stage of the turbine upstream of the condenser, and then passes through the upstream pre-cooler until it is passed from the pre-cooler belonging to the first high-pressure stage into the boiler.
This system cannot meet the above-mentioned conditions because the partial flow of the feed water that emerges from the preheater belonging to the first high-pressure stage has the highest feed-water temperature, since, against the pre-cooling through which it initially flows, which is assigned to the last low-pressure stage, the bleed steam is included the lowest temperature.
In contrast, according to the method according to the invention, an improved feedwater preheating is sought in that each partial amount of the feedwater is fed to the relevant precooler at that point of the feedwater main stream at which the feedwater temperature is the same or only slightly lower than the condensation temperature of the bleed steam to be cooled , and is fed to the main feed water stream where the temperature difference between the two liquids being mixed is smallest.
In a preferred embodiment of the device according to the invention for carrying out the method according to the invention, the number of precoolers does not exceed the number of taps for the superheated steam. The pre-coolers can be relatively small, since only small amounts of water are passed through and high flow velocities can be achieved in the pre-coolers in order to increase the heat transfers and enable a further reduction in the dimensions of the pre-cooler. ' In the drawing, exemplary embodiments of the subject matter of the invention are shown.
In Fig. 1 flows from a steam generator 1 through a power <'highly heated steam after the high pressure part 3 of a steam turbine. From there, the steam flows through an intermediate superheater, A to the low-pressure part 5 of the steam turbine, which is used to drive a generator 6. A condenser i is connected to the low pressure part of the turbine.
From this the condensate is passed through a series of serpentine coiled pipes Ho, Hl, H @, H3, H, and H ", which are each in a feed water preheater <I> So, </I> .S ',, S3, S3, .S '., And S, are placed under.
Lines To, T1 and T go from the high-pressure part 3 of the turbine and lines T3, T, and T from the low-pressure part 5 of the turbine for tapping steam from the turbine, the state of which is specified in more detail below.
As in a known arrangement, a pre-cooler D is provided which receives superheated steam from the highest pressure via line To. In it, a coiled pipe W is housed, which is ruled out at its one end to the steam generator 1 and at its other end to a pipeline, which comes from the coiled pipe Ho of the food preheater So and all the heated water of the latter after the steam generator 1 leads.
The known arrangement also has a line Co extending from the feed water preheater So to the feed water preheater S1, a line Cl extending from the feed water preheater S1 to the feed water preheater S2, a line C2 extending from the feed water preheater S2 to the feed water preheater S3,
a line C3 extending from the feed water preheater S3 to the feed water preheater S4, a line C9 extending from the feed water preheater S4 to the feed water preheater SS, and a line C5 from the feed water preheater S5 to the condenser 7, where the condensed steam is fed to the condensate, which is conveyed by means of the pump 8 through the coiled pipes of the feedwater preheater.
Since it can be assumed that the steam drawn off from the turbine through line T5 at the point of lowest pressure is wet steam, line T5 is routed directly to the associated feed water preheater S5 in a known manner. Accordingly, it can be assumed that the steam drawn off through line T4 at the point of the next higher pressure is at most slightly overheated, so that line T4 is also directly connected to the assigned feed water heater S4.
However, since the steam drawn off from the turbine through lines T1, 72 and T3 is more overheated, pre-coolers Dl, D2 and D3 are now provided, which are connected to lines T1, T2 and T3 and to the associated feedwater preheaters S1, S2 and S3 are connected so that the drawn off superheated steam flows through these precoolers,
before entering the feed water heater. In the front coolers Dl, D2 and D3 coiled pipes W1, W2 and W3 are housed, through which a subset of the feed water is passed.
The coiled pipes W1, W2 and W3 are connected to the lines between the feed water preheaters <I> So, </I> S1, S2 and S3 via valves R1, R2 and R3, in order to divide the part of the heated feed water, preferably depending on its final temperature to be regulated in the relevant pre-cooler.
The feed water subsets are branched off at those points (valves R1, R2 and R3) where the feed water temperature is the same or only slightly, e.g. B. is at most 50 C lower than the condensation temperature of the bleeding steam to be cooled from the relevant subset. Since the valve R3 is arranged at the outlet of the feed water from the coiled pipe H3,
the water temperature at the inlet of the coiled pipe W3 is lower by an amount d <I> t </I> than the condensation temperature of the steam drawn off through line T3. Since the temperature of the steam withdrawn through line T3 will be higher than the condensation temperature of the high-pressure steam, which is withdrawn through line To and condensed in the feed water preheater So, the feed water from the coiled pipe W3 of the precooler D3 must be added to the other feed water via a line will,
which is connected to the connecting line from the coiled tube Ho to the steam generator 1 at points El, 3. The same applies to the pre-cooler Dl.
It is assumed that the temperature t 1 of the steam drawn off through line T2 is lower than the condensation temperature of the steam drawn off through line To, but higher than the condensation temperature of the steam drawn off through line T1.
Since the final temperature difference in the pre-cooler D2 (d t2 <I><U>-</U> </I> ts- t "2) is very small, it can be assumed that the temperature t, 2 des from the pre-cooler D2 of the outflowing feed water is also determined to be lower than the temperature which prevails in the feed water preheater So (equal to the condensation temperature of the steam from the line To or
slightly lower) and at the same time certainly not higher than the temperature of the feed water exiting the feed water preheater S1 (approximately equal to the condensation temperature of the steam from line T1). Therefore, if the coiled pipe W2 of the pre-cooler D2 is connected at a point L2 to the connecting line between the feed water pre-heaters S1 and So, the feed water partial flow from the pre-cooler D. is added to the feed water main flow there at,
where the temperature difference between the two mixing liquids is smallest. This condition follows from the requirement not to reduce the effect of the thermodynamic advantages of the pre-cooler, but it can only be implemented if the temperature t "of the feed water flowing out of the pre-cooler in question is not much higher than the temperature of the feed water leaving the preheater system. In the case of a highly superheated bleed steam, e.g.
B. from lines T1 and T3, the partial amount of feed water is added to the main stream before entering the steam generator, (point L1, 3), because in this case the temperature difference between the two mixing liquids is the smallest.
What has been said will now be illustrated by giving numerical examples for the pressure and temperature values in the system according to FIG. From the steam generator 1 flows through line 2 steam at 140 atm pressure and 560 C temperature. The reheater 4 heats the steam from 280 ° C. to 560 ° C. at a pressure of 26 atm. From the low-pressure part 5 of the turbine, the steam flows into the condenser 7 at a pressure of 0.025 atmospheres and around 30 ° C.
In the preheater system, the temperature is increased from 30 C to 240 C, with the steam having a temperature of around 245 C after the last pre-cooler Da.
The steam from the tap To has the highest pressure of 64 at and a temperature of 500 C; the condensation temperature is accordingly 248 C, which is 8 C more than the temperature of the main feed water stream exiting from the pre-warmer So. In the tap T5, the tap steam is wet steam of 50 C and 0.15 at, and the steam from the line T, of 1.5 at pressure has only one at a temperature of <B> 120.degree. C. </B> low (9'C) overheating.
Steam from line T has a temperature of 380 C at 32 at pressure. Since the condensation in question is 236 C, the subset of the feed water is branched off from the main stream at point R, where a temperature of 230 C prevails. The feed water outlet temperature from precooler D i will be slightly lower than the temperature of the steam in T i (e.g. 375 C), but much higher than the outlet temperature of the main stream from So (i.
240'C). Therefore the line from the pre-cooler D is connected to the main flow line at point L "" d. H. connected in front of the steam generator 1.
Steam from line T2 has a temperature of 238 ° C. at a pressure of 26 at. Since the condensation temperature in question is 225 C, the partial amount of feed water is branched off from the main flow at point R2, where the temperature 220'C be. The feed water outlet temperature from the pre-cooler D2 is slightly lower than 238 C and is added to the main flow of the feed water at point L2, where the temperature is 230 C.
Steam from line T3 has a temperature of 40 ° C at 5 at pressure. The relevant condensation temperature is 151 ° C. The branching off of the part takes place at the point R3, where the temperature is 145'C, i.e. H. 6'C less than the condensation temperature. The feed water from the pre-cooler D3 is around 400 ° C and is therefore also added to the main power line upstream of the steam generator 1 (i.e. in point L, 3).
The feed water supplied to the coiled pipe W2 is separated from the other feed water through the valve R2 at the outlet of the coiled pipe H2 in the example described. The relevant partial amount could also be taken from a point R'2 in the connecting line between the feed water preheaters S2 and S3 if the temperature of the feed water there would be only a little, i.e. at most about 50 ° C lower than the condensation temperature of the tapped through line T2 of steam.
The embodiment according to FIG. 2 contains feed water preheaters So to S5, which are connected to lines To to T5. As in the first exemplary embodiment, the lines T, and T5, which go from places of relatively low pressure, are directly connected to the associated feed water preheaters S9 and S5, while the lines T, to T3, which start from places of relatively high pressure and Draw off superheated steam to the pre-cooler D,
until D3 are closed.
The pipe coils of the feed water preheater are connected in series one behind the other, so that the feed water from the condenser 7 is pressed one after the other through the pipe coils of the feed water preheater by means of the pump 8. All of the heated feed water coming from the condenser 7 is conducted via the coiled pipe Ho of the feed water preheater So into the coiled pipe Wo of the precooler D, where the feed water is further heated by the steam drawn off via the line To. All of the feed water is routed to the steam generator 1.
The lines Ca to C5 according to FIG. 1, which create a cascade connection between the various feedwater preheaters, are omitted in the arrangement according to FIG. 2, as are the valves R "R2 and R3. However, the embodiment according to FIG. 2 contains pumps Po to P5 , whose inlets are each connected to the feed water preheater So to 55 and absorb the condensate of the drawn off steam.
As will be explained in detail below, the condensate conveyed by all these pumps is added to the main feed water flow and fed to the steam generator 1 with it, which means that the condensate flows from pumps Po to P5 as partial quantities of the feed water introduced into the steam generator 1 are to be designated.
The outputs of the pumps P and P5 are connected to the connecting lines between the feed water preheaters S3, S4 and S ,, S5, whereby the condensate or the partial quantities of the lines T "T5 are added to the feed water main flow immediately after the feed water preheater concerned.
The output of the pump Po, which takes up the condensate or the partial quantity from the feed water preheater So, is directly connected to the line from the coiled pipe Ho to the pre-cooler Do.
Furthermore, the outputs of the pumps P 1, P2 and P3, which also carry partial quantities of the feed water, are each connected to one of the coiled pipes W 1, W2 and W3 of the precooler D 1, D2 and D3.
It is to be assumed that the temperature of the steam withdrawn through line T3 is higher than the condensation temperature of the steam withdrawn through line To and condensing in the feedwater preheater So, so that the partial amount of feedwater formed by the condensate of the withdrawn steam from the coiled pipe W3 des Pre-cooler D3 is fed to the other feed water via a line which is connected to the line from the feed water preheater So to the steam generator 1 at the point L ,, 3.
In the same way, the heated feed water portion from the coiled pipe W, the pre-cooler D, is added to the other feed water.
It can be assumed that the temperature of the steam drawn off through line T2 is lower than the condensation temperature of the steam drawn off through line To, but higher than the condensation temperature of the steam drawn off through line T, so that the coiled pipe W2 des Pre-cooler D .. leaving feed water subset is mixed with the other feed water at a point L2, which is located between the coils of the feed water preheater S "and S.
With the arrangement shown in Fig. 2, an increase in the pressure at the outlet of the Pum pen P ,, P, and P3 can easily be achieved in order to increase the flow rate of the feed water through the coiled pipes W, W2 and W3. This allows the dimensions of the precooler to be reduced, while the heat transfer between the condensate and the superheated steam flowing through the precooler is increased.