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Die Erfindung betrifft ein Wassereinspritzsystem für Kraftwerke zum Einspritzen von Wasser in ein Dampfsystem und ein Steuergerät.
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Aus der
W02018/117957A1 ist eine Attemperator bekannt, umfassend ein Rohr, eine Rohrummantelung und ein Einspritzsystem zum Einbringen von Wasser in das Rohr zur Kühlung von Dampf.
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Das erfindungsgemäße Wassereinspritzsystem für Kraftwerke zum Einspritzen von Wasser in ein Dampfsystem umfasst eine Versorgungseinheit, eine Dosierungseinheit und eine Einspritzeinheit. Die Versorgungseinheit ist ausgebildet, der Dosierungseinheit Wasser zur Verfügung zu stellen. Die Dosierungseinheit ist als elektrisch aktuierbares System ausgeführt und ausgebildet, die einzuspritzende Wassermenge zu dosieren und der Einspritzeinheit zur Verfügung zu stellen. Die Einspritzeinheit ist ausgebildet, das Wasser in das Dampfsystem einzubringen.
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In Gas- und/oder Dampfkraftwerken wird Wasser in ein Dampfsystem eingespritzt, wenn beim Anfahren der Turbine der Dampf noch nicht heiß genug ist oder wenn der Dampf beim Herunterfahren der Turbine abgekühlt werden muss. Die Wassermenge wird über ein vorgeschaltetes Ventil dosiert. Dieses Dosierventil ist üblicherweise als Spindelventil ausgeführt und wird über einen Schrittmotor geöffnet und/oder geschlossen. Die Erfindung sieht eine elektrisch aktuierbare Dosierungseinheit vor. Mögliche Vorteile der Erfindung sind aufgrund der elektrischen Aktuierung der Dosierungseinheit eine vorteilhafte Dynamik und genaue Dosierung der in den Dampf einzuspritzenden Wassermenge. Die elektrische Aktuierung erfolgt vorzugsweise elektromagnetisch oder piezoelektrisch.
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Der Einspritzdruck ist größer als der Dampfdruck im Dampfsystem, bevorzugt um 50 bar größer als der Dampfdruck im Dampfsystem. Der Dampfdruck im Dampfsystem beträgt zumindest 50 bar, bevorzugt zumindest 100 bar.
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Vorzugsweise umfasst die Dosierungseinheit des Wassereinspritzsystems zumindest ein Zumessventil und ein Servoventil, sodass das Zumessventil die einzuspritzende Wassermenge dosiert und durch das Servoventil aktuiert wird. Dadurch wird eine flexible Steuerung der erforderlichen Einspritzmengen ermöglicht. Bevorzugt wird das Zumessventil servo-hydraulisch gesteuert. Das Servoventil kann mit elektromagnetischen oder piezoelektrischen Aktuatoren ausgeführt sein.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Wassereinspritzsystems umfasst die Einspritzeinheit ein Wassereinspritzventil und eine Einspritzleitung. Über die Einspritzleitung ist die Einspritzeinheit mit der Dosierungseinheit verbunden. Dadurch wird ermöglicht, dass die durch die Dosierungseinheit dosierte Wassermenge durch das Wassereinspritzventil in das Dampfsystem eingebracht werden kann.
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Vorzugsweise ist die Einspritzleitung des Wassereinspritzsystems so ausgeführt, dass das Wassereinspritzventil von dem Zumessventil und dem Servoventil genügend beabstandet ist, so dass eine Überhitzung des Zumessventils und/oder des Servoventils verhindert wird. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass ein Versagen des Zumessventils und/oder des Servoventils aufgrund zu hoher Temperaturen vermieden oder zumindest weniger wahrscheinlich wird. Der Abstand zwischen Wassereinspritzventil und Zumessventil sowie Servoventil sollte mindestens 10 cm, bevorzugt mindestens 30 cm und besonders bevorzugt mindestens 50 cm betragen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Wassereinspritzsystem ein Steuergerät, das eingerichtet ist, die folgenden Schritte durchzuführen:
- - Bereitstellung des Wassers über die Versorgungseinheit,
- - Initiierung der Wassereinspritzung durch Aktuierung der Dosierungseinheit und
- - Beenden der Wassereinspritzung durch Deaktivieren der Dosierungseinheit.
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Dadurch wird der Vorteil einer dynamischen und genauen Dosierung der in den Dampf einzuspritzenden Wassermenge erreicht.
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Die abhängigen Ansprüche beschreiben weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigt
- 1 ein erfindungsgemäßes Wassereinspritzsystem,
- 2 eine Ausführungsform einer Einspritzeinheit eines erfindungsgemäßen Wassereinspritzsystems,
- 3 eine Konstruktionszeichnung einer Dosierungseinheit und einer Einspritzeinheit eines erfindungsgemäßen Wassereinspritzsystems,
- 4 Verfahrensschritte, die von einem Steuergerät eines erfindungsgemäßen Wassereinspritzsystems ausgeführt werden.
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Wassereinspritzsystem für Kraftwerke zum Einspritzen von Wasser in ein Dampfsystem. Das Wassereinspritzsystem umfasst eine Versorgungseinheit 1, eine Dosierungseinheit 6 und eine Einspritzeinheit 10. Die Versorgungseinheit 1 ist ausgebildet, der Dosierungseinheit 6 Wasser zur Verfügung zu stellen. Die Dosierungseinheit 6 ist als elektrisch aktuierbares System ausgeführt und ausgebildet, die einzuspritzende Wassermenge zu dosieren und der Einspritzeinheit 10 zur Verfügung zu stellen. Die Einspritzeinheit 10 ist ausgebildet, das Wasser in das Dampfsystem 25 (2) einzubringen.
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Die Dosierungseinheit 6 umfasst zumindest ein Zumessventil 8 und ein Servoventil 17. Über eine Drossel 15 gelangt eine Hydraulikflüssigkeit, hier Wasser, in einen Steuerraum 14 an der Stirnseite eines Ventilschiebers 24 (3) und hält diesen in der geschlossenen Position, so dass das Zumessventil 8 verschlossen ist. Dieser Zustand bleibt so lange aufrecht erhalten, wie das Servoventil 17, das elektromagnetisch betätigbar ist, nicht aktuiert wird. Wird das Servoventil 17 aktuiert, öffnet es sich und der Druck im Steuerraum 14 sinkt ab, da das Wasser über eine Drossel 16 aus dem Steuerraum 14 entweichen kann. Dadurch kann der Ventilschieber 24 gegen die Feder 13 aus der geschlossenen Position bewegt werden, so dass das Zumessventil 8 öffnet. Durch das Zumessventil 8 gelangt das Wasser in eine Einspritzleitung 9. Wird die elektrische Bestromung abgeschaltet, so wird zunächst das Servoventil 17 über eine Schließfeder 18 geschlossen. Danach baut sich im Steuerraum 14 wieder ein höherer Druck auf, so dass das Zumessventil 8 ebenfalls schließt. Damit sinkt der Druck in der Einspritzleitung 9.
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In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Einspritzeinheit 10 ein Wassereinspritzventil 12. Über die Einspritzleitung 9 ist die Einspritzeinheit 10 mit der Dosierungseinheit 6 verbunden. Zweckmäßigerweise ist das Wassereinspritzventil 12 so ausgeführt, dass es nach außen öffnet. Es wird im Ruhezustand durch den Dampfdruck und zusätzlich durch eine Feder 11 in der geschlossenen Position gehalten. Wenn sich das Zumessventil 8 öffnet, steigt der Druck in der Einspritzleitung 9 und in der Einspritzeinheit 10 an. Das Wassereinspritzventil 12 öffnet und die Einspritzung beginnt. Wenn das Zumessventil 8 schließt, sinkt der Druck in der Einspritzleitung 9 und auch das Wassereinspritzventil 12 schließt.
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Die Einspritzleitung 9 ist so ausgeführt, dass die Einspritzeinheit 10 von dem Zumessventil 8 und dem Servoventil 17 genügend beabstandet angeordnet ist. So wird vorteilhaft erreicht, dass keine Überhitzung des Zumessventils 8 und/oder des Servoventils 17 erfolgt. Denn die zur Steuerung der Einspritzung erforderlichen elektromagnetischen Aktuatoren (2) oder auch piezoelektrische Aktuatoren, können nicht in unmittelbarer Nähe des Einspritzventils 12 angebracht werden, da sowohl elektromagnetische 22 als auch piezoelektrische Aktuatoren bei Temperaturen oberhalb von 200 °C versagen. Es ist daher eine räumliche Trennung der Wasserzumessung und des druckgesteuerten Wassereinspritzventils 12 erforderlich.
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Das Wassereinspritzventil 12 ist über dem Zumessventil 8 und dem Servoventil 17 angeordnet, so dass das Wassereinspritzventil 12 eine höhere geodätische Höhe aufweist als das Zumessventil 8 und das Servoventil 17. So wird das Entstehen eines sogenannten Wärmerohrs (englisch Heat Pipe) vermieden oder zumindest sehr unwahrscheinlich, da am Wassereinspritzventil 12 entstehende Dampfblasen aufgrund von Auftrieb nicht an das Zumessventil 8 und/oder das Servoventil 17 gelangen können.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, in dem die Einspritzleitung 9 direkt am Wassereinspritzventil 12 bogenförmig ausgeführt ist. Dadurch wird vermieden oder zumindest sehr unwahrscheinlich, dass die Einspritzleitung als Wärmerohr wirkt und dadurch das Zumessventil 8 und/oder das Servoventil 17 möglicherweise beschädigt wird.
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In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Einspritzeinheit 10 eine Drossel 7, über die die Einspritzleitung 9 entlastet werden kann. Durch die Entlastung werden unkontrollierte Einspritzungen aufgrund von Dampfblasenbildung in der Einspritzleitung 9 durch ungewollten Druckaufbau nach dem Schließen des Zumessventils 8 vermieden.
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Die Versorgungseinheit 1 umfasst hier einen Vorratsbehälter 21, einen Filter 3, ein geeignetes Speichervolumen 5 und eine Pumpe 2. Die Versorgungseinheit 1 ist ausgebildet, das Wasser in dem Speichervolumen 5 bei einem für das Wassereinspritzsystem vorteilhaften Druck zu speichern und der Dosierungseinheit 6 zur Verfügung zu stellen. Die Pumpe 2 saugt aus dem Vorratsbehälter 21 über den Filter 3 Wasser an und fördert dieses in das Speichervolumen 5. Der Druck im Speichervolumen 5 ist höher als der Druck im Dampfsystem 25. Die Druckdifferenz wird über einen Druckregler 4 eingestellt. Die Druckregelung kann durch eine geeignete Steuerung der Pumpe 2 erfolgen. Die durch den höheren Druck erzielten kleineren Tröpfchen rmöglichen eine größere Oberfläche und ermöglichen eine schnellere Verdampfung des Wassers und somit eine schnellere Durchmischung und Kühlung des Dampfes. Für eine vorteilhafte Reduzierung der Tröpfchendurchmesser beträgt der Differenzdruck zwischen dem Druck im Speichervolumen 5 und dem Druck im Dampfsystem 25 mindestens 10 bar, liegt bevorzugt im Bereich 20 - 80 bar, besonders bevorzugt im Bereich 40 - 60 bar.
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3 zeigt eine Ausführungsform der Dosierungseinheit 6 und der Einspritzeinheit 10. Über das Speichervolumen 5 wird das komprimierte Wasser bereitgestellt. Über die Drossel 15 gelangt das Wasser in den Steuerraum 14 an der Stirnseite des Ventilschiebers 24 und hält diesen in der geschlossenen Position. Über die Drossel 16 gelangt das Wasser zum Servoventil 17, das im Ruhezustand geschlossen ist, so dass der Druck im Steuerraum 14 aufrechterhalten wird und das Zumessventil 8 geschlossen bleibt. Wird das Servoventil 17 geöffnet, indem die Spule 22 aktuiert wird, kann das Wasser aus dem Steuerraum 14 über eine Rückleitung 20 zum Vorratsbehälter 21 entweichen. Dadurch fällt der Druck im Steuerraum 14 ab, sodass der Ventilschieber 24 gegen die Feder 13 in eine zumindest teilweise geöffnete Position gebracht wird und das Wasser über die Einspritzleitung 9 zum Wassereinspritzventil 12 strömen kann. Wird die elektrische Bestromung der Spule 22 abgeschaltet, so wird zunächst das Servoventil 17 über die Schließfeder 18 geschlossen. Danach baut sich im Steuerraum 14 wieder ein höherer Druck auf, so dass das Zumessventil 8 durch die Feder 13 geschlossen werden kann. Damit sinkt der Druck in der Einspritzleitung 9, wodurch auch das Wassereinspritzventil 12 schließt. Um unkontrollierte Einspritzungen durch Dampfblasenbildung in der Einspritzleitung 9 aufgrund ungewollten Druckaufbaus nach dem Abschalten zu vermeiden, wird die Einspritzleitung 9 über die Drossel 7 entlastet. Über die Drossel 7 gelangt das Wasser durch die Leitung 19 zurück zum Vorratsbehälter 21. In der gezeigten Ausführungsform umfasst das Wassereinspritzsystem ein Kühlsystem 23 zur Kühlung des Servoventils 17.
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In diesem Ausführungsbeispiel umfasst das Wassereinspritzsystem ein Steuergerät, das eingerichtet ist, die folgenden Schritte durchzuführen: Bereitstellung des Wassers S1 über die Versorgungseinheit 1, Initiierung der Wassereinspritzung S2 durch Aktuierung der Dosierungseinheit 6 und Beenden der Wassereinspritzung S3 durch Deaktivierung der Dosierungseinheit 6. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass die Wassereinspritzung automatisiert und iterativ erfolgen kann.
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Das Steuergerät führt hier die Initiierung der Wassereinspritzung S2 und das Beenden der Wassereinspritzung S3 anhand des Zustands des Dampfes im Dampfsystem 25 durch. Dies ermöglicht einen adaptiven Betrieb des Wassereinspritzsystems, so dass passend zum vorliegenden Zustand des Dampfes eine Einspritzung mit einer entsprechend dosierten Wassermenge durchgeführt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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