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Die Erfindung betrifft ein Hochdruck-Pumpsystem zur Förderung heißer Medien mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.
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Ein derartiges Hochdruck-Pumpsystem, wie es im Anlagen- und Kraftwerkbau zum Einsatz kommt, umfasst als Grundkomponenten einen Vorlagebehälter zur Bevorratung eines heißen Mediums, wie beispielsweise Heißwasser, sowie eine Hochdruckpumpe für dieses heiße Medium, die in einer Hauptleitung zwischen dem Vorlagebehälter und einem mit dem heißen Medium zu versorgenden Prozess angeordnet ist.
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Zum Hintergrund der Erfindung ist festzuhalten, dass Hochdruckpumpen, die z. B. im Wasser-Dampf-Kreislauf von Kraftwerken zum Einsatz kommen, meist aus dickwandigen Bauteilen gefertigt sind. Insbesondere zur Wirkungsgradoptimierung und aufgrund der gesteigerten Anlagengrößen sind in den letzten Jahren die üblichen Prozessparameter, nämlich Druck und Temperatur angehoben worden. Dies führt zu größeren Wanddicken der Pumpenbauteile.
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Diese Bauteile erfordern nun häufig eine schonendes Anwärmen und Abkühlen, sodass ein Versagen des Pumpenaggregates beispielsweise durch das Festlaufen seines Läufers in Folge von Verformungen innerhalb des Aggregates oder Ermüdungserscheinungen durch Spannungsüberschreitungen vermieden wird. Auch wirkt sich ein solches schonendes Temperieren des Pumpenaggregates vorteilhaft auf dessen Lebensdauer aus.
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Kritische Anlagenzustände, die demgegenüber für eine übermäßige Verkürzung der Standzeit sorgen können, treten insbesondere dann auf, wenn die Pumpe vor dem Anfahren kalt ist und mit heißem Fördermedium beaufschlagt werden soll. Ein anderer Fall ist der Abfahrprozess der Pumpe, die noch mit heißem Medium gefüllt ist. Dabei erfolgt eine Druckabsenkung im Vorlagebehälter, was zum spontanen Sieden des Pumpeninhaltes führen kann.
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Zur Lösung der vorstehenden Problematik sind für Großkraftwerke Warm- und Kaltfahreinrichtungen bekannt, die durch Öffnen einer Armatur auf der Druckseite der Pumpe Medium in einen Entspanner abführen. Dabei entsteht eine Durchströmung der Pumpe in Richtung des Entspanners. Die Durchströmung ist jedoch vom Druck im Vorlagebehälter abhängig. Es wird nun kaltes Kondensat zur Temperaturregelung direkt in die Hauptleitung der Pumpe aufgegeben. Eine definierte Mischung des kalten Kondensates in der Hauptleitung ist dabei jedoch nicht gegeben, da die Dimensionen der Hauptleitung groß gegenüber dem zugeführten Massenstrom an Medium zum Temperieren sind.
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Aus der
DE 198 54 383 A1 ist ein Hochdruck-Pumpsystem zur Förderung heißer Medien bekannt, das einen Vorlagebehälter zur Bevorratung eines heißen Mediums und eine Hochdruckpumpe umfasst. Diese Pumpe ist in einer Hauptleitung zwischen dem Vorlagebehälter und einen mit dem heißen Medium zu versorgenden Prozess angeordnet. Das Pumpensystem weist ein gesondertes Temperierpumpsystem mit einer Warm- und Kaltfahrpumpe in einem Temperierleitungszweig vor der Hochdruckpumpe auf, mit welchem System die Hochdruckpumpe mit einem Temperiermedium zum Warm- und Kaltfahren beaufschlagt werden kann.
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Die
DE 1 815 969 A offenbart einen überkritischen Druckdampferzeuger mit einer Rezirkulationsschleife, wobei zur Vermeidung eines zu großen Druckunterschieds bei geringer Dichte des zu pumpenden Fluids – was zur Kavitation führen würde – Pumpen aus dem singulären Betrieb oder wahlweise parallelen Betrieb in Serie geschaltet werden.
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Das Gebrauchsmuster
DE 296 07 301 U1 zeigt ebenfalls ein Hochdruck-Pumpsystem, wie es im Wesentlichen anhand der eingangs genannten
DE 198 54 383 A1 bereits erörtert wurde.
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Ausgehend von der oben geschilderten Problematik des Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Hochdruck-Pumpsystem bestehend aus einer Hochdruckpumpe und einer davor in die Hauptleitung gesetzten Vorpumpe zur Förderung heißer Medien so zu verbessern, dass die Pumpen vor kritischen Anlagenzuständen wirkungsvoll geschützt werden.
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Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegeben Merkmale gelöst, wonach ein gesondertes Temperierpumpsystem mit mindestens einer Warm- und Kaltfahrpumpe in einem Temperierleitungszweig zwischen dem Vorlagebehälter und der Hochdruckpumpe vorgesehen ist. Mit diesem Temperierpumpsystem kann die Hochdruckpumpe mit einem Temperiermedium zum Warm- oder Kaltfahren der Hochdruckpumpe beaufschlagt werden.
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Die als separate Warm- und Kaltfahrpumpe fungierende Pumpe erzeugt eine Zwangsdurchströmung der warm- bzw. kaltzufahrenden Pumpe mit einem entsprechend temperierten Medium. Dabei kann das Temperiermedium definiert durch eine Mischung von kaltem und heißem Medium entsprechend temperiert werden. Dabei bleibt das Medium zum Kalt- und Warmfahren der Pumpe im System erhalten und muss nicht abgeführt werden.
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Die Erfindung ist dadurch charakterisiert, dass durch die beiden ferner vorgesehenen Leitungsäste, die im Temperierleitungszweig strömungsabwärts der mindestens einen Warm- und Kaltfahrpumpe strömungsaufwärts und strömungsabwärts der Hochdruckpumpe mit der Hauptleitung in Verbindung stehen, eine Durchströmung der Hochdruckpumpe in Vorwärts- und Rückwärts-Richtung realisiert werden kann. Damit ist der Kalt- und Warmfahrprozess der Pumpe wiederum optimal an die herrschenden Bedingungen im Hochdruck-Pumpsystem anpassbar.
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Bei Hochdruck-Pumpsystemen, bei denen vor die Hochdruckpumpe in der Hauptleitung eine Vorpumpe gesetzt ist, mündet erfindungsgemäß ein Temperierleitungsast vorzugsweise zwischen Vor- und Hauptpumpe. Dadurch können Verzögerungen bei der Beaufschlagung der kritischeren Hochdruckpumpe mit Temperiermedium vermieden werden
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In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Hochdruck-Pumpsystems angegeben. So kann eine Zuflussleitung für ein kaltes Medium im Temperierleitungszweig vorgesehen sein, die vorzugsweise mit einer Zuflussregelung zum definierten Zumischen von kaltem Medium in das heiße Medium im Temperierleitungszweig versehen ist. Damit kann das Temperiermedium in seiner Temperatur optimal an den Warm- bzw. Kaltfahrprozess angepasst werden.
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Bei der vorzugsweise vorgesehenen Verwendung zweier parallel geschalteter Warm- und Kaltfahrpumpen im Temperierleitungszweig ist eine Redundanz geschaffen, die für eine besondere Zuverlässigkeit des Temperierpumpsystems sorgt.
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Zusammenfassend ergeben sich durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Hochdruck-Pumpsystems vielerlei Vorteile:
- – Es ist eine definierte Umwälzung und genauere Regelung des Temperiermediums zum Warm- und Kaltfahren der Hochdruckpumpe erreichbar.
- – Die definierte Mischung des Mediums zum Warm- und Kaltfahren erfolgt durch eine externe Mischung außerhalb der Hauptleitungen des Systems.
- – Es wird ein konstanter und großer Volumenstrom an Temperiermedien ohne Wasserverlust im System erzeugt.
- – Der große Volumenstrom am Temperiermedium vermeidet eine Schichtungsbildung innerhalb des Pumpengehäuses.
- – Die Verfügbarkeit der Hochdruckpumpe wird insgesamt verbessert.
- – Desgleichen erhöht sich die Lebensdauer dieser Pumpe erheblich.
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Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:
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1 ein Prinzipdiagramm eines Hochdruck-Pumpsystems mit ge sondertem Temperierdrucksystem in einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform, und
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2 ein Prinzipdiagramm eines solchen Systems in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform.
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Das in 1 gezeigte Hochdruck-Pumpsystem zur Förderung heißer Medien, wie beispielsweise Wasser mit einer Temperatur von 130°C und einem Druck von 2,7 bar umfasst einen Vorlagebehälter 1, in dem das heiße Medium beispielsweise für den Wasser-Dampf-Kreislauf von Kraftwerken bevorratet wird. Als Prozess läuft in diesem Falle die Dampferzeugung durch die thermische Energiequelle des Kraftwerks und die Beschickung einer Dampfturbine zum Antreiben eines Generators. Von diesem Prozess ist in 1 die Rückführleitung 2 gezeigt, über die der von der Dampfturbine herangeführte Dampf über eine Dampfeinspeisung 3 in den Vorlagebehälter 1 eingebracht wird.
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Vom Vorlagebehälter 1 führt eine als ganzes mit 4 bezeichnete, in der Zeichnung verstärkt dargestellte Hauptleitung über eine Absperrarmatur 5, eine Hochdruckpumpe 6 zur Förderung des heißen Mediums und eine weitere Absperrarmatur 7 wieder zum Prozess.
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Zwischen dem Vorlagebehälter 1 und der Hauptleitung 4 ist ein als Ganzes mit 8 bezeichnetes, gesondertes Temperierpumpsystem vorgesehen, das mit einem Temperierleitungszweig 9 den Vorlagebehälter 1 mit der Hauptleitung 4 beiderseits der Hochdruckpumpe 6 verbindet. Dazu führt eine Medienleitung 10 vom Vorlagebehälter 1 zu zwei parallel geschalteten Warm- und Kaltfahrpumpen 11.1, 11.2, deren Ausgang wieder zu einer gemeinsamen Medienleitung 12 vereinigt wird. In dieser Medienleitung 12 ist ein Volumenstrom-Messgerät 13 zur Bestimmung des Volumenstroms im Temperierleitungszweig 9 eingesetzt. Danach verzweigt sich die Medienleitung 12 in einen ersten Leitungsast 14, der in Förderrichtung der Hochdruckpumpe 6 vor dieser in die Hauptleitung 4 mündet. Der zweite Leitungsast 15 mündet nach der Hochdruckpumpe 6 in die Hauptleitung 4. Im ersten Leitungsast 14 ist eine elektromotorisch betriebene Absperrschieber-Einheit 16 zum Öffnen und Schließen des Leitungsastes 14 eingesetzt. Im zweiten Leitungsast 15 sitzt eine Schnellschluss-Einheit 17.
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Zur Druckabsicherung ist an die Medienleitung 12 zwischen dem Volumenstrom-Messgerät 13 und den abgehenden Leitungsästen 14, 15 ein Sicherheitsventil 18 angeschlossen.
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Zur Temperaturregelung des durch das Temperierpumpsystem 8 geförderten Temperiermediums dient eine Temperaturregelung 19, die eine in die Medienleitung 10 zwischen Vorlagebehälter 1 und Warm- und Kaltfahrpumpenanordnung 11.1, 11.2 mündende Zuflussleitung 20 aufweist. Diese führt kaltes Temperiermedium, wie beispielsweise Kaltwasser von einem nicht näher dargestellten Vorratsbehälter zu dem Temperierpumpsystem 8 heran. Zur Regelung der Temperatur des im Temperierpumpsystem 8 zugeführten Temperiermediums ist ein Temperatursensor 21 an die Medienleitung 12 angeschlossen, der über ein Regelventil 22 in der Zuflussleitung 20 den Zustrom an kaltem Medium regelt. Zur Überwachung des Volumenstroms ist dem Regelventil ein Durchflussmesser 23 nachgeschaltet.
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Zu ergänzen sind noch verschiedene Sicherheitsmaßnahmen in Form von Rückschlagarmaturen 24, 25, 26, 27 in der Zuflussleitung 20, den beiden Leitungsästen 14, 15 und der Hauptleitung 4 vor der Absperrarmatur 7. Das Mindestmengenregelventil 28 stellt in Verbindung mit der Mindestmengenleitung 33 zurück zum Vorlagebehälter 1 die Mindestmengeneinrichtung für die Hochdruckpumpe 6 dar. Die Drosselblende 29 verhindert ein Ausdampfen des über die Mindestmengenleitung 33 geförderten Mediums vor dem Eintritt in den Vorlagebehälter 1.
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In funktionstechnischer Hinsicht wird durch das Temperierpumpsystem 8 ein unabhängiger Kreislauf aufgebaut, wobei die Pumpen 11.1, 11.2 als Warm- und Kaltfahrpumpe das Temperiermedium mit einer gleichbleibenden Fördermenge vor und hinter die Hochdruckpumpe fördern. Dadurch kann beispielsweise nach einem Ausfall der Hochdruckpumpe 6 das kalt eingestellte Temperiermedium schnell an alle relevanten Stellen der Hochdruckpumpe 6 gelangen. Die zur Verfügung stehende Zeit wird dabei durch die Fahrweise des Systems nach einem Ausfall der Hochdruckpumpe 6 bestimmt und muss so bemessen sein, dass ein Druckabfall im Vorlagebehälter 1, der im gezeigten Beispiel ein Mischvorwärmer im Siedezustand ist, zu keiner Ausdampfung des Pumpeninhalts führt.
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Durch Zumischen von kaltem Kondensat über die Zuflussleitung 20 wird dabei das Temperiermedium auf eine gewünschte Temperatur gebracht. Dies erfolgt durch die Temperaturregelung 19, den Temperatursensor 21 und die Warm- und Kaltfahrpumpen 11.1, 11.2, die gleichzeitig als Fördereinrichtung und als Mischer wirken. Dadurch wird die gewünschte Temperatur des Temperiermediums bereits vor einer Zuführung in die Hauptleitung 4 der Hochdruckpumpe 6 zuverlässig eingestellt.
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Da das Temperierpumpsystem 8 hinter der Hochdruckpumpe 6 in Normalbetrieb mit dem vollen Enddruck der Hochdruckpumpe 6 beaufschlagt wird, wird das Temperierpumpsystem 8 mittels der über einen Druckschalter angesteuerten Schnellschluss-Einheit 17 und dem Restsicherheitsventil 18 gegen den Berechnungsdruck des Systems hinter der Hochdruckpumpe 6 abgesichert.
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Die in 2 dargestellte Ausführungsform des Hochdruck-Pumpsystems unterscheidet sich von der anhand von 1 erläuterten Konfiguration lediglich darin, dass die als Hauptpumpe fungierende Hochdruckpumpe 6 durch eine in der Hauptleitung 4 strömungsaufwärts davor angeordnete Vorpumpe 30 ergänzt ist. Hochdruckpumpe 6 und Vorpumpe 30 werden dabei durch einen gemeinsamen Antrieb 31 betätigt, wobei zwischen dem Antrieb 31 und der Vorpumpe 30 ein Reduktionsgetriebe 32 eingeschaltet ist.
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Der erste Leitungsast 14 mündet in dieser Ausführungsform in die Hauptleitung 4 zwischen Vorpumpe 30 und Hochdruckpumpe 6. Alle verbleibenden Komponenten des Systems entsprechen denen der Ausführungsform nach 1 und sind mit identischen Bezugszeichen versehen. Zur Beschreibung kann daher auf die entsprechenden Ausführungen im Zusammenhang mit der 1 verwiesen werden.
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Die Einspeisung des Temperiermediums zwischen Vorpumpe 30 und Hochdruckpumpe 6 dient zum wirksamen Schutz der Hochdruckpumpe 6, da das Temperiermedium dadurch ohne Verzögerung schnell zur Hochdruckpumpe gelangen kann.
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Für das Warmfahren der Hochdruckpumpe 6 wird zuerst kühles Temperiermedium über das Temperierpumpsystem 8 rückwärts durch die Hochdruckpumpe 6 gefördert und die Temperatur des Temperiermediums durch entsprechende Einstellung der Temperaturregelung 19 unter Veränderung des Mischungsverhältnisses des heißen Mediums aus dem Vorlagebehälter 1 und des kalten Mediums aus der Zuflussleitung 20 hochgefahren, bis eine Gehäusetemperatur von etwa 95 bis 100°C erreicht ist. Anschließend kann die Hochdruckpumpe 6 in ihren normalen Betriebszustand versetzt werden.
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Beim Kaltfahren der Hochdruckpumpe 6 wird über das Temperierpumpsystem 8 zuerst heißes Medium aus dem Vorlagebehälter 1 in Vorwärts-Richtung durch die Hochdruckpumpe 6 geleitet und dabei durch allmählich stärkeres Zumischen von kühlem Medium über die Zuflussleitung 20 die Temperatur des Temperiermediums von anfänglich schätzungsweise 200°C und 18 bar auf Kaltfahrbedingungen von beispielsweise 100°C abgesenkt.
