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Einrichtung zum Abfangen von Belastungsstößen einer Dampfturbine mit
ungesteuerter Entnahme Die Schwierigkeit, einen steilen Belastungsstoß einer Dampfturbine
mit hinreichender Geschwindigkeit abzufangen, entsteht aus den Zeitkonstanten der
an der Energieerzeugung beteiligten Anlagenteile. Der Kessel ist, selbst in der
Form des hochelastischen Zwangsdurchlaufkessels, immer noch zu träge, um in Auswirkung
der Kesselregelung sofort die der plötzlich gestiegenen Belastung entsprechende
Dampfmenge abzugeben. Außerdem ist beim neuzeitlichen Trommelkessel und beim Zwangdurchlaufkessel
die Speicherfähigkeit nicht sehr groß, so daß eine plötzliche Verstärkung der Dampfentnahme
nur unter starker Absenkung des Kesseldruckes möglich wäre. Das soll jedoch nach
Möglichkeit vermieden werden. Auch die Turbine selbst arbeitet nicht trägheitsfrei,
vor allem bei Zwischenüberhitzung, da eine am Einlaßventil zur Verfügung gestellte
größere Dampfmenge eine gewisse Zeit braucht, um bis zu dem hauptsächlich an der
Leistungserzeugung beteiligten Mittel-und Niederdruckteil zu gelangen. Die Einschaltung
des Dampfspeichers verbietet sich im allgemeinen schon aus wirtschaftlichen Überlegungen.
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Die Erfindung geht von der Überlegung aus, daß die neuzeitliche Turbine
eine Möglichkeit in sich selbst enthält, Laststöße so weit abzufangen, daß eine
unerwünscht starke Rückwirkung auf den Kessel nicht eintritt. Jede Turbine arbeitet
heute mit dem sogenannten Regenerativverfahren. Es wird nicht der gesamte am Einlaßventil
zugeführte Dampf durch die Maschine hindurch in den Kondensator geschickt, sondern
es wird eine nicht unerhebliche Dampfmenge über ungesteuerte Entnahmestellen abgeführt
und zur Speisewasservorwärmung verwendet. Hier setzt die Erfindung ein, und zwar
zieht sie zum Ausgleich die Entnahme in mindestens einer der oberen Regenerativstufen
heran. Das Regenerativverfahren soll der Erhöhung der Wirtschaftlichkeit dienen.
Ein steiler Lastanstieg ist nun im allgemeinen ein außergewöhnlicher Betriebsfall.
Es ist also vertretbar, hier wirtschaftliche Überlegungen zurückzustellen, wenn
es gelingt, die Aufgabe der plötzlichen Lastdeckung befriedigend zu lösen. Zu diesem
Zweck wird in mindestens eine der Entnahmeleitungen des oberen Druckbereiches ein
Steuerventil eingebaut, das bei einem Belastungsstoß durch einen Lastimpuls, insbesondere
abhängig vom Frischdampfdruck, vorübergehend ganz oder teilweise geschlossen wird.
Auf diese Weise gelingt es, die durch die Maschine zum Kondensator strömende Dampfmenge
sehr schnell zu vergrößern. Klingt der Laststoß wieder ab, so braucht die Kesselregelung
unter Umständen gar nicht erst einzugreifen. Bei länger dauernder erhöhter Last
kommt der Kessel inzwischen nach. In beiden Fällen schließt das Steuerventil in
der Entnahmeleitung nur vorübergehend. Betrachtet man sich das Verhalten der Kraftanlage
im ganzen, so sieht man, -daß im übrigen die Speisewasservorwärmung gar nicht in
dem Maße geändert wird, wie es bei Ausfall einer Stufe des oberen Bereiches zunächst
erscheinen möchte; denn infolge der Absperrung der einen Entnahmeleitung nimmt die
in der Turbine arbeitende Dampfmenge zu, und es steigen jetzt die Zwischendrücke
in den folgenden Stufen an. Es wird also'je$zt in den hier angeschlossenen Speisewasservorwäfntiern
eine höhere Temperatur als vorher erreicht-' werden, so daß hierdurch ein gewisser
Ausgleich für den Ausfall der oberen Stufe entsteht.
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In der Weiterbildung * der Erfindung kann diese durch folgende Maßnahirie-
ergänzt werden. Es- sei angenommen, der Last stoß. trete bei .einer -Maschinenbelastung
ein, bei der der Kesseldruck einen hinreichend hohen Wert hat: : idtzt kann man
zunächst die Speicherfähigkeit des" =Kessels selbst einsetzen; d. h., man entnimmt
ihm zunächst unter entsprechender Druckabsenkung eine"vergrößerte Dampfmenge und
läßt das Steuerventil-` in der Entnahmeleitung erst eingreifen, wenn nadh"Aüsnutzung
der Kesselspeicherfähigkeit der Drück@entsprechend abgesunken ist. Zu diesem Zweck
wiM. vor das Steuerwerk des Ventils in der Entnahmeleitung eine Sperre eingebaut,
die das Steuerwerk erst riäch entsprechendem Absinken des Kesseldruckes wirksam
werden läßt.
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Der Vorgang'des Abfanrigens eines Belastungsstoßes wird so vor sich
geheri,'dag -zunächst der Kesseldruck absinkt, dann das Stetierw&k für das Ventil
in der Entnahmeleitung freigeget-'wrd, der Kesseldruck
vielleicht
noch etwas weiter absinkt und dann zum Stehen kommt, weil die Kesselleistung entsprechend
ansteigt. Jetzt tritt wieder eine Erhöhung des Frischdampfdruckes bis auf den Ausgangswert
ein. Die Erfindung berücksichtigt diese Vorgänge unter folgender überlegung: Für
das Eingreifen des Steuerventils in der Entnahmeleitung sind nicht so sehr die absoluten
Werte der jeweiligen Drücke bedeutungsvoll als vielmehr die Tendenz der Druckänderung.
Eine langsam verlaufende Druckänderung wird im allgemeinen durch die Kesselregelung
ausgeglichen werden können. In einem solchen Fall mit dem Steuerventil einzugreifen,
hätte kaum Berechtigung. Aber auch bei einem steilen Laststoß, bei dem das Steuerventil
eingegriffen hat, wird wenig erreicht, wenn man es abhängig vom absoluten Druckwert
arbeiten läßt. Denn wenn nach einem ersten schnellen Absinken des Kesseldruckes
sich der Gradient der Druckänderung verflacht, so ist das ein Zeichen dafür, daß
der Kessel immer mehr in der Lage ist, den gestiegenen Bedarf zu decken. Kehrt sich
jetzt die Tendenz der Druckänderung um, d. h. beginnt der Kesseldruck wieder zu
steigen, so ist das gleichzeitig ein Zeichen dafür, daß es der Absperrung der Entnahme
nicht mehr bedarf, um die Belastung zu decken. Es wird also gemäß der Erfindung
die Steuereinrichtung für das Entnahmeventil mit einem Tendenzglied ausgerüstet,
das den Gradienten der Druckänderung und die Änderungsrichtung überwacht.
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Eine Steuer- und Regeleinrichtung mit diesen zusätzlichen Anordnungen
sei an Hand der Figur beschrieben. Es ist dabei von einer Turbine mit einer hydraulischen
Regelung ausgegangen und angenommen, daß die Regelung zusätzlich durch Veränderung
der Spannung einer Steuerdruckfeder d in Abhängigkeit vom Frischdampfdruck einstellbar
sei. Eine solche Einrichtung ist jedoch nicht Voraussetzung für die Erfindung, die
sich auch im Zusammenhang mit anderen Regeleinrichtungen anwenden läßt.
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Als Hauptteile enthält die neue Einrichtung das Steuerventil d in
der Entnahmeleitung mit seinem Kraftkolben K, den abhängig vom Frischdampfdruck
arbeitenden Regler FD, die Vorsteuerung St und den Hilfskolben HK, der mit der Verstelleinrichtung
V für die Steuerdruckfeder a gekuppelt ist. Das Ventil d ist im Normalbetrieb
geöffnet.
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Es sei angenommen, daß, ausgehend von einem Beharrungszustand, ein
Laststoß einsetze und dem= gemäß der Frischdampfdruck absinke. Jetzt kommt es darauf
an, wie stark die Absenkung ist. Es sei der Vorgang im einzelnen betrachtet. Sinkender
Frischdampfdruck bedeutet eine Verringerung der Zusammendrückung der Membran Z,
auf die als Gegenkraft die Feder 2 wirkt. Es wird also das Strahlrohr 3 nach rechts
ausgelenkt und Öldruck auf die Leitung 4 gegeben. Hierdurch wird der beiderseits
durch Federn belastete Steuerkolben c nach links bewegt und eine Verbindung zwischen
den Leitungen 4 und 5 hergestellt, also der Kolben b von rechts her belastet und
nach links verschoben. Daß er hierbei über das Stellwerk h die Steuerdruckfeder
a spannt, ist für die Erfindung nicht erheblich. Es ist dies eine Besonderheit der
Steuerung, die den Zweck hat, die Dampfzufuhr zur Maschine vorübergehend zu verringern,
um einem Absinken des Kesseldruckes entgegenzuarbeiten. Im Zusammenhang mit der
Erfindung interessiert nur die Einwirkung auf das Steuerventil d.
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Das im Raum links des Kolbens b befindliche Öl fließt über die Leitung
6 mit dem einstellbaren Drosselventil i und Leitung 16 ab. Bei der Verschiebung
des Steuerkolbens c nach links war auch die zum Raum oberhalb des Kolbens 8 führende
Ölzulaufleitung 7 freigegeben worden. Diese Leitung ist jedoch zunächst durch das
Ventil e abgesperrt, und zwar folgendermaßen: Mit dem Ventil e ist eine Druckdose
9 verbunden, die mit Drucköl aus der Leitung 10 über den Raum 11, 11' belastet ist.
Der Raum 11 ist außerdem an eine Ablaufleitung 12 mit einem einstellbarenDrosselventil13
angeschlossen. Solange der Öldruck auf die Druckdose 9 wirkt, ist das Ventil e geschlossen,
d. h. die zum Ventil d führende Steuerleitung 7 abgesperrt.
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Sinkt jetzt der Dampfdruck so weit ab, daß bei einer Verschiebung
des Kolbens b die Öffnung 14 zwischen den Räumen 11', 11 durch den Ansatz 15 am
Kolben b abgesperrt wird, so wird der Öldruck in der Druckdose 9 weggenommen, die
über Ventil 13 mit der Ablaufleitung 12 in Verbindung steht, das Ventil e wird freigegeben
und jetzt Drucköl über den Kolben 8 gegeben, so daß das Entnahmeventil d schließt.
Das Einsetzen der Schließbewegung ist also von der Größe der Dampfdruckabsenkung
abhängig gemacht.
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Ehe die weiteren Einzelheiten besprochen werden, sei zunächst noch
der Vorgang des Wiederöffnens erläutert. Der Öffnungsvorgang beginnt, wenn der Steuerkolben
c wieder seine Mittellage erreicht hat. Es ist dann die Ablaufleitung 17 mit dem
einstellbaren Drosselventil h mit dem Ölablauf verbunden, so daß der Kolben 8 unter
der Einwirkung seiner Belastungsfeder wieder in die Ausgangsstellung zurückgeht
und dabei das Ventil d öffnet. Der zeitliche Verlauf der Öffnungsbewegung ist durch
die Einstellung des Drosselventils h bestimmt.
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Es war bereits darauf hingewiesen, daß für die Steuerung des Ventils
d nicht so sehr die absolute Druckhöhe als vielmehr die Tendenz der Druckänderung
von Bedeutung sei. Dies wird in folgender Weise eingeführt: Die Auslenkung des Strahlrohres
3 ist zunächst eine Funktion des auf die Balgmembran 1
wirkenden Druckes,
dem die Kraft der Feder 2 gegengeschaltet ist. Mit dem Stellgestänge h ist nun nicht
nur die Steuerdruckfeder a verbunden, sondern auch die Rückführung 18, und zwar
in der Weise, daß die über sie eingeleitete Bewegung in eine Rückführbewegung des
Strahlrohres 3 umgewandelt wird. War also voraussetzungsgemäß die Membran 1 entspannt
und das Strahlrohr 3 nach rechts ausgeschwenkt worden, so wird bei der Rückführbewegung
die Feder 2 entspannt und dadurch das Strahlrohr 3 wieder in die Mittellage zurückbewegt.
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Bei scharfem Abfall des Dampfdruckes ist die Auslenkung des Strahlrohres
3 entsprechend groß und dementsprechend auch die Verschiebung des Steuerkolbens
c nach links. Es wird also entsprechend lang Drucköl über den Kolben 8 gegeben und
damit das Ventil d geschlossen. Ist die Absenkung des Dampfdruckes unter den Sollwert
dagegen schleichend oder gering, also auch die Auslenkung des Strahlrohres 3 nur
klein, so wird der Steuerkolben c unter Umständen überhaupt nicht verschoben, da
dann der Differenzdruck zu seinen beiden Seiten nicht ausreicht, um die Vorspannung
der Belastungsfedern zu überwinden. Tritt jedoch hierbei eine Verschiebung des Kolbens
ein, so ist sie so- langes wirkungslos, wie die Öffnung 14
offen, also Ventil
e abgesperrt ist. Aber auch bei offenem Ventil e würde eine schleichende Auslenkung
des Strahlrohres nur eine vorübergehende Schließbewegung des Ventils d um einen
geringen Betrag zur Folge haben, da bei Rückgang des Kolbens c
in
die Mittelstellung Leitung 17 freigegeben und die Belastung des Kolbens 8 durch
Druckäl wieder aufgehoben wird.
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Es wird aber auch die Druckumkehr des Frischdampfdruckes, unabhängig
von der absoluten Druckhöhe, in die Steuerung einbezogen. Denn wenn, ausgehend vom
tiefsten erreichten Druckwert, sich jetzt die Tendenz der Druckänderung umkehrt,
also der zunächst gefallene Druck wieder zu steigen beginnt, so wird das Strahlrohr
jetzt nach links ausgelenkt und der Steuerkolben c nach rechts in die Mittelstellung
und gegebenenfalls noch weiter nach rechts verschoben. Das Entnahmeventil d kann
nun nicht mehr beeinflußt werden, da ja jetzt kein C51 über die Leitung 7 in den
Raum oberhalb des Kolbens 8 gelangen könnte. Unabhängig davon, wie tief der Druck
abgesunken war, kann bei steigender Tendenz des Frischdampfdruckes kein Öffnungsbefehl
auf das Ventil d gegeben werden.