Hochdruck-Dampfkraftanlage
Gegenstand der Erfindung ist eine Hochdruck Dampfkraftanlage mit einem Dampfgenerator, der einen Speisewassereinlass, einen tZberhitzerdampfaus- lass und einen Dampfgenerator aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein eine Pumpe aufweisendes Rückführsystem vorgesehen ist, um Arbeitsmedium in wenigstens einen Teil des Dampfgenerators zurückzuführen bzw.
wieder umlaufen zu lassen, welcher Teil eine Mehrzahl paralleler Rohre enthält, die mit ihrem Einlassende an den Auslass des Rückführsystems und an einen stromaufwärtigen Teil von Speiseleitungen angeschlosssen sind, wobei in diesem letztgenannten Teil Drosselöffnungen vorhanden sind, die dazu dienen, die Aufteilung des Arbeitsmediums vom Speisewassereinlass auf Gruppen der parallelen Rohre in gezielter Weise zu besorgen, separat von der Arbeitsmediummenge, die durch das Rückführsystem fliesst, mit dem Zweck, durch ausgewählte Dimensionierung der genannten Drosselöffnungen eine entsprechende Aufteilung der Arbeitsmediummenge vom Speisewassereinlass auf die besagten Gruppen von parallelen Rohren herbeizuführen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen beispielsweise beschrieben:
Fig. 1 ist ein Schema des Wasser- und Dampfkreis Umlaufes eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemässen Hochdruck-Dampfkraftanlage,
Fig. 2A zeigt eine Einzelheit im Schnitt nach Linie IIA-IIA der Fig. 2B durch einen Abschnitt des Einlass-Verteilers zur Speisung der Rohre, die einen Teil der Wandung einer Brennkammer bilden, und
Fig. 2B ist ein Schnitt nach Linie IIB-IIB in Fig. 2A.
Gemäss Fig. 1 ist der Dampfgenerator zwischen einem Speisewassereinlass 1 und einem Überhitzer- Dampfauslass 2 angeordnet. Speisewasser fliesst vom Einlass 1 durch einen Wärmeaustauscher 3 in die Speiseleitungen 4, welche die Abschnitte A, B und C und D eines zusammengesetzten Verteilers 5 speisen.
Eine Vielzahl von parallelen Rohren 6 sind in Gruppen aufgeteilt und die unteren Enden der Rohre 6 jeder Gruppe an entsprechende Abschnitte des Verteilers 5 angeschlossen, wie Fig. 1 zeigt. Vom Verteiler 5 strömt das Wasser, das anschliessend verdampft, durch die Rohre 6 aufwärts zu einem Sammler 7. Die Rohre 6 bilden zusammen die Wände wenigstens eines Teils einer nicht dargestellten Kesselbrennkammer.
Vom Sammler 7 strömt der Dampf durch Leitungen in einen vielröhrigen Begrenzungsteil 8 für den Dampfstrom, welcher in der Brennkammer entsteht.
Vom Teil 8 passiert der Dampf ein Absperr- und Drosselventil 9 und strömt durch einen ersten tZberhit- zer 10, durch einen zweiten Überhitzer 11 und zum Uberhitzer-Dampfauslass 2. Die Hitze absorbierendbn Oberflächen des Austauschers 3, der Rohre 6, des Teils 8 und der überhitzer 10 und 11 können alle Wärme aus der Brennkammer aufnehmen.
Eine Leitung 12, die am Auslass 2 angeschlossen ist, führt den Dampf durch das Zufuhrventil 13 nach der Turbine 14. Eine Aufheizleitung 15 und ein Ventil 16 dienen zur Aufheizung der Leitung 12 während des Anlassens, bevor der Dampf der Turbine 14 zugeführt wird. An letztere ist ein elektrischer Generator 17 über die Welle 18 angeschlossen. Der Abdampf der Turbine 14 wird durch eine Leitung 19 einem Kondensator 20 zugeführt. Eine Kühlwasserleitung 21 dient zur Kondensierung des Abdampfes, welcher im Fallwasserkasten 22 gesammelt wird.
Aus dem Fallwasserkasten 22 führt eine Leitung 23 zu einer Pumpe 24, welche das Wasser in den Wasserreiniger 26 fördert, dann durch in Serie geschaltete Niederdruck-Speisewasservorwärmer 27 und 28 in einen Entlüfter 29, der sich durch eine Leitung 30 in einen Vorratstank 31 entleert. Die Dampfseiten des Entlüfters 29 und des Tanks 31 sind auch über eine Leitung 32 verbunden. Ein Ventil 33 steuert die Fördermenge der Pumpe 24, um im Tank 31 einen konstanten Wasserstand aufrechtzuerhalten.
Eine Leitung 34 führt Wasser aus dem Tank 31 in die Speisepumpe 35, welche durch eine Antriebs Dampfturbine 36 für variable Drehzahl angetriebcn wird. Die Speisepumpe 35 erhöht den Flüssigkeitsdruck auf den Arbeitsdruck im Dampfgenerator. Die variable Drehzahl der Turbine 36 reguliert das Flüssig keitsquantum am Speisewassereinlass 1.
An die Speisepumpe 35 sind über eine Leitung 37 zwei Hochdruck-Speisewasservorwärmer 38 und 39 angeschlossen, die in Serie geschaltet sind. Ein Rück schlagventil 76 verhindert den Rückfluss zur Pumpe 35. Die Speisewasservorwärmer 27, 28, 38 und 39 erhalten Anzapfdampf aus der Turbine 14 mit sukzessive zunehmendem Druck (nicht dargestellt).
Es können ein oder mehrere Zwischen-Uberhitzer- Dampfkreisläufe (nicht dargestellt) vorgesehen sein.
Es sind Mittel vorgesehen, um Rückführwasser wieder in die Rohre 6 zurückzuführen. Vom Begrenzungsteil 8 führt eine Abflussleitung 40, 41, 42 in eine Mischkammer 43. Eine Rückführpumpe 44, welche durch einen Motor 45 angetrieben ist, saugt aus der Kammer 43 über eine Leitung 46 Rückführwasser an, welches über ein Rückschlagventil 47 und eine Leitung 48 in die Abschnitte A, B, C und D des Verteilers 5 gefördert wird. Die Pumpe 44 liefert den Flüssigkeitsdruck, welcher zur Überwindung des Strömungswiderstandes, der Unterschiede in der Strömungsdichte und des statischen Druckes in dem ganzen Rückführsystem erforderlich ist.
Wenn während des Anlassvorganges die Temperatur des Wassers auf die normale Arbeitstemperatur steigt, bleibt das Ventil 9 geschlossen. Die Speisewasserpumpe 35 liefert Wasser unter Arbeitsdruck in das Rückführsystem. Die Pumpe 44 hält einen minimalen Strom durch die Röhren 6 aufrecht. Um die Menge dieses Wassers zu vergrössern, kann Wasser aus der Leitung 40 über eine Leitung 49 und durch ein Rohr 50 in eine Wärmeaustauschschale 51 geleitet werden, und danach über eine Leitung 52, eine Leitung 53 und ein Steuerventil 54 zum Entlüftungsvorratstank 31 oder statt dessen durch eine Leitung 55 und ein Steuerventil 56 in den Kondensator 20 geführt werden.
Das erhitzte Wasser, das durch den Tank 31 läuft, kann in die Leitung 53 geführt werden zur Gewinnung von Hilfsdampf, zur Erhitzung des Speisewassers und für andere nicht dargestellte Hilfsbetriebe. Der Dampf, welcher durch die Leitung 55 in den Kondensator 20 geführt wird, wird dort kondensiert und gekühlt, und das Kondensat wird nachher im Fallwasserkasten gesammelt und läuft durch den Reiniger 26 und gereinigt in den Dampfgenerator-Kreislauf zurück.
Wenn die Temperatur des Wassers bzw. Wasser Dampfgemisches, hernach Gemisch oder Arbeitsmedium genannt, und die Enthalpie in den Leitungen 40 und 49 zunimmt, kann Dampf aus der Leitung 41 durch eine Leitung 57 und ein Reduzierventil 58 in den Wärmeaustauscher 51 geführt werden, danach über die Leitung 59 zu den Überhitzern 10 und 11 und durch die Leitung 12 und die Heizleitung 15 zum Ventil 16. Vom Ventil 16 kann der Dampf nach aussen abgeführt oder für weitere Zwecke im Zyklus verwendet werden.
Im Rohr 50 besitzt das Gemisch den hohen Arbeitsdruck des Rückführsystems. Das Gemisch im Austauscher 51 stromabwärts vom Ventil 58 hat niedrigen Druck. Als Folge der Druckreduktion durch das Ventil 58 findet eine wesentliche Temperaturreduktion des Gemisches statt, das in den Austauscher 51 eintritt, verglichen mit der Temperatur des Gemisches im Rohr 50. Daher wird vom Rohr 50 Wärme an das durch den Austauscher 51 strömende Gemisch abgege heu. Es findet also eine Temperatur- und Enthalpie Abnahme zwischen den Leitungen 49 und 52 und eine Enthalpie-Zunahme zwischen der Leitung 57 unterhalb des Ventils 58 und der Leitung 59 statt.
Durch geeignete Dimensionierung des Rohres 50 und Steuerung des Druckabfalls durch das Ventil 58 wird im wesentlichen trockener gesättigter Dampf durch die Leitung 59 dem Überhitzer 10 zugeführt, während derjenigen Periode, in welcher anfänglich Dampf der Turbine 14 durch das Ventil 13 zugeführt wird.
In den Rohren 6 wird eine anfängliche Durchströmung mit einem Druck in Gang gesetzt, der genügt, um eine Trennung von Dampf und Wasser zu unterdrücken. Das Gemisch wird im Rückführsystem erhitzt und durch die Leitung 52 zum Heizen des Speisewassers abgezogen; das Wasser aus dem Fallwasserkasten 22 wird bei 26 gereinigt und in den Verdampferkreis über den Einlass 1 zurückgeführt. Wenn die Temperatur des Dampfes in der Leitung 41 sich ca. 3000 C nähert, kann ein Teil des Dampfstromes durch das Ventil 58 den Überhitzern 10 und 11 und der Frischdampfleitung 12 zugeführt werden, wobei dieser Teil danach durch das Ventil 16 strömt. Nachdem in der Leitung 12 überhitzter Dampf oberhalb des Ventils 13 vorhanden ist, kann dieser der Turbine 14 zugeführt werden.
Die Enthalpie in der Leitung 40 ist in der Grössenordnung von 500 kcal/kg oder höher, zur Zeit, wenn der Generator 17 bereit ist, mit dem angeschlossenen elektrischen System (nicht dargestellt) synchronisiert zu werden. Nach der Synchronisierung wird die Feuerung in der Brennkammer verstärkt, wodurch auch die Strömung zu den Überhitzern 10 und 11 durch das Ventil 58 sowie der Druck in den tÇberhit- zern 10 und 11 vergrössert werden.
Die Dampfströmung durch das Ventil 58 wird fortgesetzt, bis die Enthalpie des Dampfes in der Leitung 40 einen Wert von 610-670 kcal/kg erreicht, wonach Dampf aus dem Begrenzungsteil 8 durch das Ventil 9 den Überhitzern 10 und 11 zugeführt werden kann.
Der Druck in den Überhitzern 10 und 11 wird bis auf den Arbeitsdruck des Systems erhöht, und zwar durch die koordinierte Öffnung der Ventile 9 und 58. Die Strömung durch die Leitungen 53 und 55 wird unterbrochen, indem die Steuerventile 54 und 56 geschlossen werden. Dagegen wird die Strömung des Rückführsystems durch die Leitungen 40, 41, 42 und 46, durch die Pumpe 44 und die Leitung 48 fortgesetzt, soweit notwendig, um eine minimale Durchströmung der Kesselrohre 6 aufrechtzuerhalten.
Die bis daher verwendeten Dampfgeneratoren mit einer aktiv umgewälzten Rückzirkulation waren nicht mit einer Einrichtung zum gezielten Eindosieren rückgeführten Arbeitsmediums mit niedriger Enthalpie direkt aus dem Speisewassereinlass in bezug auf verschiedene Gruppen der Parallelrohre 6 des Kessels ausgerüstet, sondern allen Rohren 6 wurde Arbeitsmedium von einheitlicher Qualität zugeführt. Die Grösse des Einlasses der einzelnen Rohre regulierte die Durchströmmenge jedes Rohres derart, dass diese Durchströrnmenge sich nur im Verhältnis zur totalen Wärmeaufnahme in diesem Teil des Dampfgenerators änderte und Differenzen in der Wärmeaufnahme unter den einzelnen Parallelrohren 6 auftreten konnten.
Ein derartiges System hatte feste Betriebscharakteristika, die nicht leicht verändert werden konnten, um wechselnde Wärmeaufnahmeverläufe zwischen Teilen der Rohre 6 auszugleichen, wenn Schlackenbildungen die Wärmeaufnahme in gewissen Rohren herabsetzt und in andern vergrössert. Eine Ungleichmässigkeit hatte jedoch die Neigung sich noch zu verstärken: Wenn die Wärmeaufnahme in einem Rohr über den normalen Wert zunimmt, expandiert der Dampf im Rohr stärker, wobei die vergrösserte volumenmässige Durchflussmenge den Strömungswiderstand in diesem Rohr vergrössert mit dem Resultat, dass der Massendurchfluss abnimmt, woraus eine Erhöhung der Temperatur des Rohrmetalls resultiert. Um das Ausmass der thermischen Unterschiede bzw. des Ungleichgewichts zwischen den Rohren 6 zu begrenzen, war ein hohes Druckgefälle für die Rohre 6 erforderlich.
Dies vergrösserte die erforderliche Leistung der Pumpe 44, so dass die benötigten PS des Motors 45 entsprechend grösser waren.
Die Erfindung überwindet die früheren Schwierigkeiten dadurch, dass Drosselorgane (in Form von Drosselöffnungen 66) zur Regulierung des Durchflusses aus dem Speisewassereinlass 1 zu den Rohren 6 stromaufwärts des Rückführsystems für die Rohre 6 vorgesehen sind. Die Enthalpie des Arbeitsmediums in den Abschnitten A, B, C und D des Verteilers 5 wird in gezielter Weise beeinflusst, um Anderungen in der Wärmeaufnahme unter den Gruppen von Rohren 6 bestmöglich Rechnung zu tragen.
Wenn also die Wärmeaufnahme in einer einzelnen Gruppe von Rohren 6 bei konstanter Durchflussmenge beim Speisewassereinlass 1 zunimmt, bleibt die Menge des aus dem Einlass 1 dieser Gruppe pro Zeiteinheit zufliessenden Arbeitsmediums annähernd konstant und bewirkt eine zunehmende Expansion des Arbeitsmittels in einem oder mehreren Rohren 6 dieser Gruppe nur eine Abnahme der Menge des Arbeitsmediums, die von der Pumpe 44 in diese Rohrgruppe rückgeführt wird.
Damit ergibt sich eine entsprechende Verminderung der Enthalpie der rückgeführten Arbeitsmediummenge, also teilweise Kompensation der eben erwähnten Mengenabnahme, damit aber auch eine weitgehende Vermeidung von Rohrtemperaturanstiegen wegen zu grosser Wärmeaufnahme. Änderungen in der Wärmeaufnahme einer bestimmten Gruppe von Rohren 6 bewirken also eine gegensinnige Änderung der, der Gruppe zugeführten Wärmemenge im Sinne der Konstanthaltung der Rohrwandungstemperatur.
Die Anordnung der Drosselöffnungen 66 in den Speiseleitungen 4 vermindert das erforderliche Druckgefälle der Pumpe 44, da normalerweise am Einlass der Rohre 6 keine solchen Organe erforderlich wären.
Die Konstruktion ist wirtschaftlich und gestattet die Ausbildung und Dimensionierung einer Brennkammerwandung nach bekannten Regeln. Als Ergebnis der oben geschilderten Massnahmen und ihrer ausgleichenden Wirkung kann eine grössere Enthalpiezunahme vom Einlassverteiler 5 zum Auslassammler 7 toleriert werden, wodurch auf den Einbau von zwischengeschalteten Mischsammlern oft abgesehen werden kann.
Die Fig.2A und 2B zeigen in grösserem Masstab Einzelheiten aus Fig. 1 zur weiteren Erläuterung der vorerwähnten Massnahmen. Der Abschnitt A ist zur Veranschaulichung ausgewählt worden. Andere Abschnitte könnten eine ähnliche Konstruktion aufweisen.
Die Position der Leitungen 4 und 48 in bezug auf den Verteilerabschnitt 5A sind in Fig. 2A und 2B gegen über der Ausführung nach Fig. 1 modifiziert.
Die Leitung 4 ist in den Verteilerabschnitt 5A hinein durch ein Rohr 61 verlängert, das mit einem Verteilrohr 62 verbunden ist. Das Rohr 61 ist am Körper des Abschnittes 5A und am Verteilrohr 62 wie ersichtlich angeschweisst. Tragstege 63 sind ebenfalls am Rohr 62 angeschweisst und zentrieren dasselbe in axialer Richtung im Abschnitt 5A.
Am Rohr 62 werden die Endplatten 64 angeschweisst. Die ganze Baugruppe wird in den Abschnitt 5A bei entfernter Abschlussplatte 65 eingesetzt. Das Rohr 61 wird in die Öffnung eingeführt, deren Umgebung im Abschnitt 5A zur Verbindung mit der Leitung 4 vorbereitet ist. Das Rohr 62 wird mit dem Abschnitt 5A so ausgerichtet, dass die Stege 63 es fest abstützen.
Dann wird das Rohrstück 61 eingeschweisst. Die unteren Rohranschlüsse 6a werden an dem Abschnitt 5A angeschweisst. Die Drosselöffnungen 66 werden durch die Stutzen 6a hindurch ins Rohr 62 gebohrt. Die Rohre 6 könnten nach dem Bohren der öffnungen 66 zusammengesetzt werden, sofern die Verbindungsdurchgänge 67 zuerst in den Abschnitt 5A gebohrt wären. Die Drosselöffnungen 66 werden selektiv dimensioniert in Anpassung an die erwarteten Wärme übergangsmengen in den einzelnen Rohrleitungen 6.
Die Endplatte 65 wird eingeschweisst. Die Leitungen 4 und 48 oder Teile derselben werden an den Abschnitt 5A angeschweisst.
Aus dem Speisewassereinlass 1 tritt das Wasser durch die entsprechende Leitung 4 und das entsprehcende Rohr 61 in das Verteilerrohr 62. Die Öffnungen 66 leiten das Arbeitsmedium durch die Kammer 68 gegen die Rohre 6. Die Öffnungen 66, welche das Speisewasser nach den Rohren verteilen, bewirken einen Druckabfall. Die Öffnungen 66 dienen auch als Düsen zum Richtungsteuern des Arbeitsmediumsstromes. Auf diese Weise strömt den Rohren 6 in erster Linie Arbeitsmedium aus den Öffnungen 66 und weniger aus dem Rückführsystem aus der betreffenden Abzweigung der Leitung 48 in den Verteilerabschnitt 5A zu.
Sollte eines der Rohre 6, die mit dem Verteilerabschnitt 5A verbunden sind, mehr Wärme erhalten als die anderen, würde die Expansion des Arbeitsmediums in diesem Rohr daraufhin wirken, die Durchflussmenge durch dieses Rohr zu reduzieren. Da vorzugsweise Arbeitsmedium ins Rohr 6 eintritt, das direkt vom Speisewassereinlass 1 kommt, reduziert jede Verminderung der Durchflussmenge in einem Rohr, verglichen mit den anderen Rohren, die Quantität des Rückflusses in dieses Rohr aus der Leitung 48. Die Reduktion der Durchflussmenge in diesem Rohr wird vernachlässigbar klein, dank der Reduktion der durchschnittlichen lEnthalpie des in dieses Rohr eintretenden Arbeitsmediums.
In Fig. 1 wird der Austauscher 50, 51 während jenen Zeiten benützt, wenn erstmals Dampf der Turbine 14 zugeführt wird, um sie auf Touren zu bringen, wenn der Generator synchronisiert und anfänglich bis zu einem vorbestimmten Wert belastet wird, welcher wesentlich unterhalb des Wertes liegen kann, für den der Generator ausgelegt ist. Der ganze Durchfluss durch die Leitung 40 könnte durch das Rohr 50, die Leitung 52, die Leitung 69 und das Rückschlagventil 70 der Pumpe 44 zugeführt werden. Die Reduktion der Arbeitsmediumtemperatur und der Enthalpie im Rohr 50 reduziert das spezifische Volumen des Arbeitsmediums. Wo der Austauscher 50, 51 wesentlich höher als die Pumpe 44 angeordnet ist, verursacht das kleinere spezifische Volumen des Arbeitsmediums in der Leitung 52 ein zusätzliches Druckgefälle, um den Widerstand durch das Rohr 50 zu überwinden.
Wo dieses Druckgefälle gleich oder grösser ist als dieser Widerstand (Reibungsverlust) wird das Arbeitsmedium bevorzugt durch die Leitungen 52 und 69 und das Rückschlagventil 70 in die Mischkammer 43 strömen, und der Durchfluss durch die Leitung 42 wird aufhören. In anderen Fällen wird die Strömung zwischen der Leitung 42 und der Leitung 69 aufgeteilt sein. Der Durchfluss durch die Ventile 54 und 56 wird diese Aufteilung ebenfalls beeinflussen, da der Druckabfall durch die respektiven Leitungen dadurch variiert wird.
Der Durchfluss durch die Leitung 69 und die Mischkammer 43 zur Pumpe 44 reduziert das spezifische Volumen des in die Pumpe eintretenden Arbeitsmediums, und für eine gegebene Pumpencharakteristik wird die Durchflussmenge durch die Rohre 6 vergrössert, insbesondere während des Anlaufens, wodurch ein besserer Schutz der Rohre 6 gegen die Entwicklung von Hitzeschädigung gewährleistet wird.
Wenn die durchschnittliche Temperatur und Enthalpie des aus den Rohren 6 austretenden Arbeitsmediums einen gewünschten Wert übersteigt (an einem stromabwärts in dem Rückführsystem liegenden Punkt gemessen) kann die Kühlwirkung in den Rohren 6 durch Vergrösserung der Durchflussmenge durch dieselben gehoben werden. Dies wird durch Zuführung von Arbeitsmedium von einem Punkt strom aufwärts der Stelle, wo die Leitungen 4 mit dem Verteiler 5 und mit der Saugseite der Pumpe 44 verbunden sind, bewerkstelligt. In Fig. 1 ist zu diesem Zweck die Leitung 71 mit der Leitung 37 am Auslass des Hochdruckvorwärmers 39 verbunden. Das Steuerventil 72, das von der Arbeitsmediumtemperatur in der Leitung 48 abhängig ist, steuert den Zufluss zur Mischkammer 43.
Wenn die Temperatur in der Leitung 48 einen vorbestimmten Wert übersteigt, wird dies durch die Temperaturfühler 73 festgestellt, welche durch Leitungsmittel mit der Steuerungsvorrichtung 74 verbunden sind, die ihrerseits das Ventil 72 verstellen, um die Temperatur des Arbeitsmediums in der Leitung 48 auf einem vorbestimmten Wert zu halten, welcher im Einstellorgan 75 eingestellt worden ist.
Für eine gegebene Pumpencharakteristik wird die Fördermenge (in gr/h) vergrössert, in dem Mass wie das spezifische Volumen des Arbeitsmediums abnimmt.
Wenn daher das Arbeitsmedium in den Leitungen 42 und 71 bei 266 at (kg/cm2) eine jeweilige Enthalpie von 640 resp. 283 kcal/kg und ein Durchflussverhältnis von 3:1 aufweist, wird das Verhältnis des spezifischen Volumens 12:7 betragen, woraus ein Zuwachs von 71 0/0 der Fördermenge der Pumpe resultiert. Dies bewirkt eine Zunahme des Durchflusses im Rückführsystem von 28 0/0.
Die Kühlwirkung kann entweder permanent angewendet werden oder während eines vorübergehenden Kontroll- oder Steuervorganges, bei welchem der Spei sewasser-Zufluss und/oder die Heizleistung justiert werden, um den Betriebsgleichgewichtszustand zu erreichen.
Die Erfindung schafft also wirksame Mittel, um die Zirkulation in einem Dampfgenerator zu verbessern durch selektive Aufteilung oder Proportionierung zwischen der Arbeitsmediummenge, welche direkt aus dem Speisewassereinlass strömt, und der rückgeführten Arbeitsmediummenge unter den parallel geschalteten Gruppen der Verdampfungsrohre 6, wobei das erforderliche Druckgefälle für die Rückführpumpe herabgesetzt und die Enthalpie des Arbeitsmediums gesteuert wird, welches in die Rohre 6 strömungsabwärts der Drosselöffnungen 66 eintritt. Es werden zusätzlich Mittel zur Kühlung des Rückführstromes geschaffen, bevor letzterer in die Pumpe 44 eintritt. Eine Nebenschlussleitung 71 für die Kühlmittel ist vorgesehen, mit selektiver Aufteilung des Arbeitsmediums auf die Nebenschlussleitung 71 und die Kühlmittel.
Es sind auch Massnahmen getroffen, die eine Vergrösserung der Rückflussmenge ermöglichen durch Einführen von Arbeitsmedium von einer Stelle (Mischkammer 43) des Rückführungssystems in die Pumpe 44.
High pressure steam power plant
The subject of the invention is a high pressure steam power plant with a steam generator, which has a feed water inlet, a superheater steam outlet and a steam generator, characterized in that a return system with a pump is provided to return or feed working medium into at least part of the steam generator.
to circulate again, which part contains a plurality of parallel pipes, which are connected with their inlet end to the outlet of the return system and to an upstream part of feed lines, in this latter part throttle openings are present which serve to divide the working medium from To get the feed water inlet to groups of parallel pipes in a targeted manner, separately from the amount of working medium that flows through the recirculation system, with the purpose of distributing the amount of working medium from the feed water inlet to the said groups of parallel pipes through selected dimensioning of the throttle openings mentioned.
The invention is described below with reference to the drawings, for example:
1 is a diagram of the water and steam circuit of an exemplary embodiment of a high-pressure steam power plant according to the invention,
2A shows a detail in section along line IIA-IIA of FIG. 2B through a section of the inlet manifold for feeding the tubes which form part of the wall of a combustion chamber, and
Fig. 2B is a section along line IIB-IIB in Fig. 2A.
According to FIG. 1, the steam generator is arranged between a feed water inlet 1 and a superheater steam outlet 2. Feed water flows from inlet 1 through a heat exchanger 3 into feed lines 4, which feed sections A, B and C and D of a composite distributor 5.
A plurality of parallel pipes 6 are divided into groups, and the lower ends of the pipes 6 in each group are connected to corresponding portions of the manifold 5, as shown in FIG. From the distributor 5 the water, which then evaporates, flows up through the tubes 6 to a collector 7. The tubes 6 together form the walls of at least part of a boiler combustion chamber, not shown.
From the collector 7 the steam flows through lines into a multi-tube delimiting part 8 for the steam flow which is created in the combustion chamber.
From the part 8 the steam passes a shut-off and throttle valve 9 and flows through a first superheater 10, through a second superheater 11 and to the superheater steam outlet 2. The heat-absorbing surfaces of the exchanger 3, the tubes 6, the part 8 and the superheaters 10 and 11 can absorb all the heat from the combustion chamber.
A line 12, which is connected to the outlet 2, leads the steam through the supply valve 13 after the turbine 14. A heating line 15 and a valve 16 are used to heat the line 12 during starting before the steam is fed to the turbine 14. An electric generator 17 is connected to the latter via the shaft 18. The exhaust steam from the turbine 14 is fed through a line 19 to a condenser 20. A cooling water line 21 serves to condense the exhaust steam which is collected in the fall water tank 22.
A line 23 leads from the fall water tank 22 to a pump 24 which conveys the water into the water purifier 26, then through series-connected low-pressure feedwater preheaters 27 and 28 into a vent 29, which empties through a line 30 into a storage tank 31. The steam sides of the vent 29 and the tank 31 are also connected via a line 32. A valve 33 controls the delivery rate of the pump 24 in order to maintain a constant water level in the tank 31.
A line 34 leads water from the tank 31 into the feed pump 35, which is driven by a steam turbine 36 for variable speed. The feed pump 35 increases the liquid pressure to the working pressure in the steam generator. The variable speed of the turbine 36 regulates the liquid quantum at the feed water inlet 1.
Two high-pressure feedwater preheaters 38 and 39, which are connected in series, are connected to the feed pump 35 via a line 37. A check valve 76 prevents the backflow to the pump 35. The feedwater preheaters 27, 28, 38 and 39 receive bleed steam from the turbine 14 with successively increasing pressure (not shown).
One or more intermediate superheater steam circuits (not shown) can be provided.
Means are provided for returning return water to the pipes 6. A drain line 40, 41, 42 leads from the delimitation part 8 into a mixing chamber 43. A return pump 44, which is driven by a motor 45, sucks in return water from the chamber 43 via a line 46, which returns via a check valve 47 and a line 48 in the sections A, B, C and D of the distributor 5 is promoted. The pump 44 supplies the liquid pressure which is required to overcome the flow resistance, the differences in the flow density and the static pressure in the entire recirculation system.
If the temperature of the water rises to the normal working temperature during the starting process, the valve 9 remains closed. The feed water pump 35 supplies water under working pressure to the recirculation system. The pump 44 maintains a minimal flow through the tubes 6. In order to increase the amount of this water, water can be directed from line 40 via line 49 and through pipe 50 into a heat exchange tray 51, and thereafter via line 52, line 53 and control valve 54 to or instead of vent storage tank 31 through a line 55 and a control valve 56 into the condenser 20.
The heated water that runs through the tank 31 can be fed into the line 53 for the extraction of auxiliary steam, for heating the feed water and for other auxiliary operations, not shown. The steam, which is conducted through line 55 into condenser 20, is condensed and cooled there, and the condensate is subsequently collected in the fall water tank and runs through the cleaner 26 and cleaned back into the steam generator circuit.
If the temperature of the water or water vapor mixture, hereinafter referred to as mixture or working medium, and the enthalpy in lines 40 and 49 increases, steam can be conducted from line 41 through line 57 and a reducing valve 58 into heat exchanger 51, then via the line 59 to the superheaters 10 and 11 and through the line 12 and the heating line 15 to the valve 16. From the valve 16, the steam can be discharged to the outside or used for other purposes in the cycle.
In the pipe 50, the mixture has the high working pressure of the recirculation system. The mixture in exchanger 51 downstream of valve 58 is at low pressure. As a result of the pressure reduction through valve 58, there is a substantial temperature reduction of the mixture entering exchanger 51 compared to the temperature of the mixture in pipe 50. Therefore, heat is transferred from pipe 50 to the mixture flowing through exchanger 51. There is therefore a decrease in temperature and enthalpy between lines 49 and 52 and an increase in enthalpy between line 57 below valve 58 and line 59.
By appropriately sizing pipe 50 and controlling the pressure drop through valve 58, substantially dry saturated steam is fed through line 59 to superheater 10 during the period in which steam is initially fed to turbine 14 through valve 13.
In the tubes 6, an initial flow is set in motion with a pressure which is sufficient to suppress a separation of steam and water. The mixture is heated in the recycle system and withdrawn through line 52 for heating the feed water; the water from the fall water tank 22 is cleaned at 26 and returned to the evaporator circuit via inlet 1. When the temperature of the steam in the line 41 approaches approx. 3000 C, part of the steam flow through the valve 58 can be fed to the superheaters 10 and 11 and the main steam line 12, this part then flowing through the valve 16. After superheated steam is present in the line 12 above the valve 13, this can be fed to the turbine 14.
The enthalpy in the line 40 is of the order of magnitude of 500 kcal / kg or higher at the time when the generator 17 is ready to be synchronized with the connected electrical system (not shown). After the synchronization, the firing in the combustion chamber is increased, whereby the flow to the superheaters 10 and 11 through the valve 58 and the pressure in the superheaters 10 and 11 are also increased.
The steam flow through the valve 58 is continued until the enthalpy of the steam in the line 40 reaches a value of 610-670 kcal / kg, after which steam from the restriction part 8 can be fed through the valve 9 to the superheaters 10 and 11.
The pressure in the superheaters 10 and 11 is increased up to the working pressure of the system by the coordinated opening of the valves 9 and 58. The flow through the lines 53 and 55 is interrupted by the control valves 54 and 56 are closed. In contrast, the flow of the recirculation system through the lines 40, 41, 42 and 46, through the pump 44 and the line 48 is continued, as far as necessary in order to maintain a minimal flow through the boiler tubes 6.
The steam generators used up to now with an actively recirculated back circulation were not equipped with a device for the targeted metering of returned working medium with low enthalpy directly from the feed water inlet with regard to different groups of parallel pipes 6 of the boiler, but working medium of uniform quality was fed to all pipes 6. The size of the inlet of the individual tubes regulated the flow rate of each tube in such a way that this flow rate only changed in relation to the total heat absorption in this part of the steam generator and differences in the heat absorption under the individual parallel tubes 6 could occur.
Such a system had fixed operating characteristics which could not easily be changed in order to compensate for changing courses of heat absorption between parts of the tubes 6 when slag formation reduces the heat absorption in certain tubes and increases it in others. However, one irregularity tended to increase: If the heat absorption in a pipe increases above the normal value, the steam in the pipe expands more strongly, whereby the increased volumetric flow rate increases the flow resistance in this pipe with the result that the mass flow rate decreases, which results in an increase in the temperature of the tube metal. In order to limit the extent of the thermal differences or the imbalance between the tubes 6, a high pressure gradient was required for the tubes 6.
This increased the required power of the pump 44, so that the required horsepower of the motor 45 was correspondingly greater.
The invention overcomes the previous difficulties in that throttling devices (in the form of throttle openings 66) for regulating the flow from the feedwater inlet 1 to the pipes 6 are provided upstream of the return system for the pipes 6. The enthalpy of the working medium in sections A, B, C and D of the distributor 5 is influenced in a targeted manner in order to take account of changes in the heat absorption among the groups of tubes 6 as well as possible.
If the heat absorption in a single group of pipes 6 increases with a constant flow rate at the feedwater inlet 1, the amount of working medium flowing in from the inlet 1 of this group per unit of time remains approximately constant and causes an increasing expansion of the working medium in one or more pipes 6 of this group only a decrease in the amount of working medium that is returned by the pump 44 in this pipe group.
This results in a corresponding reduction in the enthalpy of the returned amount of working medium, thus partially compensating for the decrease in volume just mentioned, but also largely avoiding increases in pipe temperature due to excessive heat absorption. Changes in the heat absorption of a certain group of tubes 6 thus cause an opposite change in the amount of heat supplied to the group in the sense of keeping the tube wall temperature constant.
The arrangement of the throttle openings 66 in the feed lines 4 reduces the required pressure drop of the pump 44, since normally no such elements would be required at the inlet of the tubes 6.
The construction is economical and allows the construction and dimensioning of a combustion chamber wall according to known rules. As a result of the measures outlined above and their compensating effect, a greater increase in enthalpy from the inlet manifold 5 to the outlet manifold 7 can be tolerated, which means that the installation of interconnected mixing manifolds can often be avoided.
FIGS. 2A and 2B show, on a larger scale, details from FIG. 1 to further explain the aforementioned measures. Section A has been selected for illustration. Other sections could be of similar construction.
The position of the lines 4 and 48 with respect to the distributor section 5A are modified in FIGS. 2A and 2B compared to the embodiment according to FIG.
The line 4 is extended into the distributor section 5A by a pipe 61 which is connected to a distributor pipe 62. The pipe 61 is welded to the body of the section 5A and to the distribution pipe 62, as can be seen. Support webs 63 are also welded to the tube 62 and center the same in the axial direction in section 5A.
The end plates 64 are welded to the tube 62. The entire assembly is inserted into section 5A with the end plate 65 removed. The tube 61 is inserted into the opening, the vicinity of which is prepared in section 5A for connection to the line 4. The tube 62 is aligned with the section 5A so that the webs 63 firmly support it.
Then the pipe section 61 is welded in. The lower pipe connections 6a are welded to the section 5A. The throttle openings 66 are drilled into the pipe 62 through the nozzle 6a. The tubes 6 could be put together after drilling the openings 66, provided that the connecting passages 67 were first drilled into the section 5A. The throttle openings 66 are selectively dimensioned in adaptation to the expected heat transfer quantities in the individual pipelines 6.
The end plate 65 is welded in. The lines 4 and 48 or parts thereof are welded to the section 5A.
From the feed water inlet 1 the water passes through the corresponding line 4 and the corresponding pipe 61 into the distributor pipe 62. The openings 66 guide the working medium through the chamber 68 towards the pipes 6. The openings 66, which distribute the feed water to the pipes, effect a pressure drop. The openings 66 also serve as nozzles for controlling the direction of the working medium flow. In this way, working medium flows primarily to the pipes 6 from the openings 66 and less from the return system from the relevant branch of the line 48 into the distributor section 5A.
Should one of the pipes 6 connected to the manifold section 5A receive more heat than the others, the expansion of the working medium in this pipe would act to reduce the flow rate through this pipe. Since working medium preferably enters the pipe 6, which comes directly from the feedwater inlet 1, any reduction in the flow rate in a pipe compared to the other pipes reduces the quantity of the return flow into this pipe from the line 48. The reduction in the flow rate in this pipe is negligibly small thanks to the reduction in the average enthalpy of the working medium entering this pipe.
In Fig. 1, the exchanger 50, 51 is used during those times when steam is first fed to the turbine 14 in order to bring it up to speed, when the generator is synchronized and initially loaded to a predetermined value which is substantially below the value for which the generator is designed. All of the flow through line 40 could be supplied to pump 44 through tube 50, line 52, line 69, and check valve 70. The reduction in the working medium temperature and the enthalpy in the pipe 50 reduces the specific volume of the working medium. Where the exchanger 50, 51 is arranged significantly higher than the pump 44, the smaller specific volume of the working medium in the line 52 causes an additional pressure gradient in order to overcome the resistance through the pipe 50.
Where this pressure gradient is equal to or greater than this resistance (friction loss), the working medium will preferentially flow through lines 52 and 69 and check valve 70 into mixing chamber 43, and the flow through line 42 will cease. In other cases the flow between line 42 and line 69 will be split. The flow through the valves 54 and 56 will also influence this division, since the pressure drop through the respective lines is thereby varied.
The flow through the line 69 and the mixing chamber 43 to the pump 44 reduces the specific volume of the working medium entering the pump, and for a given pump characteristic, the flow rate through the pipes 6 is increased, in particular during start-up, which provides better protection for the pipes 6 against the development of heat damage is guaranteed.
When the average temperature and enthalpy of the working medium emerging from the pipes 6 exceeds a desired value (measured at a point downstream in the return system), the cooling effect in the pipes 6 can be increased by increasing the flow rate through them. This is accomplished by supplying working medium from a point upstream of the point where the lines 4 are connected to the distributor 5 and to the suction side of the pump 44. For this purpose, in FIG. 1 the line 71 is connected to the line 37 at the outlet of the high pressure preheater 39. The control valve 72, which is dependent on the working medium temperature in the line 48, controls the inflow to the mixing chamber 43.
If the temperature in the line 48 exceeds a predetermined value, this is detected by the temperature sensors 73 which are connected by line means to the control device 74, which in turn adjust the valve 72 to keep the temperature of the working medium in the line 48 at a predetermined value to hold which has been set in the setting member 75.
For a given pump characteristic, the delivery rate (in g / h) is increased as the specific volume of the working medium decreases.
Therefore, if the working medium in lines 42 and 71 at 266 at (kg / cm2) has a respective enthalpy of 640, respectively. 283 kcal / kg and a flow ratio of 3: 1, the ratio of the specific volume will be 12: 7, resulting in an increase of 71% in the delivery rate of the pump. This causes the flow in the recirculation system to increase from 28 0/0.
The cooling effect can either be applied permanently or during a temporary monitoring or control process in which the feed water inflow and / or the heating power are adjusted in order to achieve the operational equilibrium state.
The invention thus creates effective means to improve the circulation in a steam generator by selective division or proportioning between the amount of working medium flowing directly from the feedwater inlet, and the amount of working medium returned under the parallel-connected groups of evaporation tubes 6, the required pressure gradient for the Return pump is reduced and the enthalpy of the working medium is controlled, which enters the tubes 6 downstream of the throttle openings 66. Means are also provided for cooling the recycle stream before the latter enters the pump 44. A shunt line 71 for the coolant is provided, with selective distribution of the working medium between the shunt line 71 and the coolant.
Measures are also taken to enable the return flow rate to be increased by introducing working medium from one point (mixing chamber 43) of the return system into the pump 44.