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Regelung einer Dampfturbinenanlage mit Zwischenüberhitzung Es ist
bekannt, beiDampfturbinenanlagen mitZwischenüberhitzung vor dem Eintritt des zwischenüberhitzten
Dampfes in den ND-Teil der Turbine außer Schnellschlußventilen noch sogenannte Abfangventile
anzuordnen, die unter dem Einfluß des normalen oder eines besonderen Drehzahlreglers
stehen. Der Zweck dieser Abfangventile besteht zunächst darin, bei plötzlichen Entlastungen,
bei denen der Frischdampfstrom zum Hochdruckteil der Turbine in den Frischdampfregelventilen
unter dem Einfluß des Drehzahlreglers gedrosselt wird, auch noch den Dampfstrom
zur ND-Turbine, der infolge der Speicherfähigkeit des Zwischenüberhitzers dem Frischdampfstrom
nur stark verzögert nachfolgt, rechtzeitig zu vermindern, um unzulässige Drehzahlerhöhung
und das Auslösen des Schnellschlusses zu vermeiden.
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Alle bekannten Abfangregelungen beeinflussen die Abfangventile nur
mit Hilfe des Hauptdrehzahlreglers oder gegebenenfalls eines Zusatzdrehzahlreglers.
Sie haben den Nachteil, daß die Schließbewegung der Abfangventile bei plötzlicher
Entlastung des Generators nicht gleichzeitig mit der Schließbewegung der Frischdampfventile
einsetzt, sondern erst gestaffelt zu diesen nach Überschreitung einer bestimmten
oberen Grenzdrehzahl oder nachdem ein Teil der Frischdampfventile bereits geschlossen
ist. Im letzteren Fall werden die Abfangventile bei kleinen Lasten auch im Beharrungszustand
gleichzeitig mit den Frischdampfventilen gedrosselt, wodurch zusätzlich Verluste
entstehen.
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Es ist ferner bekannt, zur rascheren Entleerung des Zwischenüberhitzers
bei Lastabschaltung Umgehungsventile um den ND-Teil der Turbine zum Kondensator
zu führen. Sie können auch allein an Stelle der Abfangventile treten, müssen dann
allerdings sehr große Querschnitte haben. Diese Umgehungsventile können entweder
gleichzeitig oder gestaffelt zur Schließbewegung der Abfangventile geöffnet werden,
oder sie werden abhängig vom Druck im Zwischenüberhitzer kurz vor dem Ansprechen
der Sicherheitsventile desselben geöffnet. In beiden Fällen wirkt nach den bekannten
Ausführungen das Öffnen der Umgehungsventile nicht genügend rechtzeitig, um zu starken
Drehzahlanstieg bei Vollentlastung zu verhindern.
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Die erläuterten Nachteile der bekannten Ausführungen werden erfindungsgemäß
durch eine Regelung vermieden, bei welcher die Abfang- und/oder Umgehungsventile
durch einen besonderen Abfangregler gesteuert werden, der die Schließbewegung der
Abfangventile und das Öffnen der Umleitventile bewirkt, sobald das Verhältnis des
Dampfstromes durch die ND-Turbine zum Frischdampfstrom einen Sollwert um einen einstellbaren
Grenzbetrag überschreitet.
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Der Abfangregler gemäß der Erfindung beruht auf dem in der Regeltechnik
an sich bekannten Prinzip, bei Regelstrecken mit zwei Teilströmen einen derselben
so zu regeln, daß das Verhältnis beider Teilströme konstant oder angenähert konstant
bleibt. Der geregelte Teilstrom folgt dabei den Änderungen des anderen, nicht von
diesem Regler beeinflußten Teilstroms, der als Führungsgröße wirkt, in einem bestimmten
Verhältnis. Man nennt solche Regler daher auch Folgeregler oder Verhältnisregler.
Sie enthalten grundsätzlich ein Meßwerk, auf das zwei Meßgrößen einwirken, nämlich
einerseits die Führungsgröße (hier eine dem Frischdampfstrom entsprechende Größe),
andererseits eine dem zu regelnden Dampfstrom des ND-Teils entsprechende Meßgröße,
die sogenannte Folgegröße. Solche Meßgrößen für Gas- oder Dampfströme können allgemein
sein eine Druckdifferenz an Meßdüsen oder ein Hub oder Drehwinkel von Glocken oder
von Schwimmermeßwerken, von Ringrohr- oder anderen Manometern, von Ventilen oder
Drosselklappen usw.
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Die Übertragung der im Meßwerk gemessenen »Regelabweichung« auf das
»Stellglied« kann dabei in bekannter Weise durch hydraulische, pneumatische oder
elektrische Kraftschaltung erfolgen.
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Die Anwendung eines solchen an sich bekannten Reglers als Abfangregler
für die Regelung der Abfang- und/oder Umgehungsventile einer Dampfturbine mit Zwischenüberhitzung,
deren Frischdampfventile in üblicher Weise z. B. durch einen Drehzahlregler gesteuert
werden, ist der Gegenstand der Erfindung. Der Abfangregler wird dabei mit sehr kleiner
Schließzeit der Abfangventile ausgeführt. Im Gegensatz zu der bekannten Regelung
der Abfangventile bewirkt der Abfangregler nach der Erfindung ein rasches und vollständiges
Schließen der Abfangventile schon dann, wenn bei rascher Entlastung der Turbine
der Drehzahlregler bei ansteigender Drehzahl das am weitesten geöffnete Frischdampfregelventil
gerade erst zu schließen beginnt. Andererseits können aber im Beharrungszustand
auch bei kleinsten Lasten die Abfangventile
ganz geöffnet und die
-Umgehungsventile ganz geschlossen sein, sofern die vom Kessel gelieferte Dampfmenge
der von der Turbine verbrauchten Dampfmenge entspricht. Hierdurch werden Drosselverluste
im Teillastbetrieb vermieden. Die Wirkung des Abfangreglers, wenn im Beharrungszustand
der Kessel einen größeren Dampfstrom erzeugt, als die Turbine verarbeitet, wird
später beschrieben.
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Ein Ausführungsbeispiel zeigt Abb. 1.
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Dort ist 1 ein Frischdampfventil für die Hochdruckturbine, 2 ein Abfangventil
vor der Niederdruckturbine, 3 der normale Drehzahlregler, der den Steueröldruck
p1 mit steigender Drehzahl absenkt und dabei das Ventil 1 schließt.
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Die Ölpumpe 4 speist das Ölsystem p1 über eine Drossel 5, außerdem
über eine Drossel 6 ein zweites Steuerölsystem P2. Der Öldruck p2, der die Abfangventile2
anhebt, wird von dem vor der Niederdruckturbine herrschenden Dampfdruck PN über
den Abfangregler 12 mittels eines Kraftschalters 8 (Ölabflußventils) so gesteuert,
daß bei im Verhältnis zu P1 zu großem Dampfdruck PN der Öldruck p2 absinkt und das
Abfangventil 2 geschlossen wird. Der Regler 12 ist dabei als Druckverhältnisregler
ausgeführt, an dem der Druck pN vor der Niederdruckturbine mit dem Öldruck P1 verglichen
wird.
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Jedem Öldruck p1 vor dem Frischdampfventil 1 entspricht ein bestimmter
Frischdampfdurchsatz GF durch das Ventil 1. Der Zusammenhang zwischen dem Öldruck
P1 und der Frischdampfmenge GF kann mit guter Annäherung linear gestaltet werden.
Der Druck pN vor der Niederdruckturbine ist seinerseits proportional dem Niederdruckdampfstrom
GN, also bei Beharrung auch proportional dem Frischdampfstrom GF und dem Öldruck
P1 vor dem Frischdampfventil 1. Am Abfangregler 12 ist eine Ölkolbenfläche FK, die
unter dem Öldruck P1 steht, einer Membran mit dem Querschnitt FN entgegengeschaltet,
die unter dem Einfluß des Druckes pN vor dem Niederdruckteil der Turbine steht.
Die FlächenFN der Membran und FK des Ölkolbens sind so abgeglichen, daß bei Beharrung
FN . pN = FK . P1 ist. Da die Drücke PN und P1 bei Beharrung
bei allen Lasten einander angenähert proportional sind, sind die Kräfte am Abfangregler
12 bei allen Belastungen im Beharrungszustand annähernd ausgeglichen. Durch die
unter dem Ölkolben gezeichnete Feder wird der Abfangregler 12 in Schließstellung
des Ölabflußventils 8 gedrückt, so daß das Abfangventil 2 immer offen ist.
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Bei rascher und genügend starker Entlastung und entsprechendem Drehzahlanstieg
wird der Öldruck p1 vor dem Frischdampfventil 1 und damit die Frischdampfmenge GF
vom Drehzahlregler 3 rasch abgesenkt, während infolge der Speicherwirkung des Zwischenüberhitzers
der Druck PN vor dem Niederdruckteil der Turbine vorübergehend noch konstant bleibt
oder nur langsam absinkt. Am Abfangregler 12 überwiegt also die Kraft auf die Membran
und drückt das Ölabflußventil 8 nach unten in Offenstellung, sobald der Öldruck
P1 vom Drehzahlregler 3 um einen durch die Regelfeder unter dem Kolben einstellbaren
Wert d P1 abgesenkt wird. Dabei wird das Abfangventil 2 so weit geschlossen, bis
auch der Druck pN vor dem Niederdruckteil der Turbine so weit abgesunken ist, daß
wieder FN . PN = FK . p1 wird. Der Abfangregler 12 drosselt also das Abfangventil
2 bei allen Laständerungen praktisch gleichzeitig mit den Bewegungen des Drehzahlreglers
3, und zwar jeweils nur so weit, daß die Dampfmenge Gv vor dem Niederdruckteil der
Turbine in jedem Augenblick den Änderungen der Frischdampfmenge GF folgt. Der Ansprechbeginn
dieser Zusatzregelung hängt von dem durch die Feder unter dem Ölkolben des Abfangreglers
12 eingestellten Wert .A p1 ab. Sobald der neue Beharrungszustand erreicht und auch
der Druck im Zwischenüberhitzer genügend abgesunken ist, öffnet sich das Abfangventil
2 wieder ganz.
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Das Wesentliche der Anordnung nach Abb. 1 besteht vor allem darin,
daß die Steuerbewegung des Abfangventils 2 durch die rückführende Wirkung des Druckes
pN# auf den Abfangregler 12 überwacht und begrenzt wird, so daß hier ein geschlossener
Regelkreis entsteht. Der Abfangregler 12 nach Abb. 1 kann also als ein Druckregler
zur Regelung des Druckes pv vor dem Niederdruckteil der Turbine aufgefaßt werden,
dessen Sollwert durch den jeweiligen Druck ih, vor dem Frischdampfventil 1 vorgeschrieben
wird.
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Man kann den Sollwert des Druckes vor dem Niederdruckteil der Turbine
statt vom Öldruck p I, der den Hub des Frischdampfventils 1 bestimmt, auch von irgendeiner
anderen Größe ableiten, die in einem eindeutigen Zusammenhang mit der Frischdampfmenge
GF steht, z. B. mechanisch aus der Hub- oder Drehbewegung eines vom Drehzahlregler
betätigten Kraftölkolbens bei einer Düsenventilregelung mit Gestängerückführung.
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Man kann auch den Druck in einer Stufe des Hochdruckteils, insbesondere
den Druck in der Regelstufe PR, als Sollwertversteller für den Regler 12 benutzen.
Bei Beharrung ist PR Ta'GF und pN=b#GN also
wenn GN proportional oder gleich GF ist.
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Um bei Beharrung bei allen Lasten Gleichgewicht am Abfangregler 12
zu erhalten, sind die Flächen FN der Membran und FR des Reglers nach Abb. 2 so aufeinander
abgestimmt, daß FN # pN = Fr - PR wird. Sinkt dann der Druck PR in der Regelstufe
bei rascher Lastabsenkung vorübergehend schneller ab als der Druck pN vor dem Niederdruckteil
der Turbine, so wird der Regler nach Abb. 2 durch diesen Druck pN (unter Überwindung
der Gegenfeder) nach unten gedrückt und bewirkt durch Absenkung des Öldruckes p2
ein Schließen des Abfangventils 2, bis das richtige Verhältnis der Drücke PN zu
PR
wieder erreicht ist. Im übrigen wirkt die Anordnung nach Abb. 2 genau gleich
wie die nach Abb. 1.
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Wie erwähnt, ist es bekannt, gemäß Abb. 3 statt des Abfangventils
2 oder zusammen mit diesem ein Umgehungsventil 13 zwischen Zwischenüberhitzer und
Abdampfstutzen des Niederdruckteils (Kondensator) anzuordnen, das den Zweck hat,
den Zwischenüberhitzer rascher zu entleeren. Erfindungsgemäß kann dieses Umgehungsventil
gleichfalls vom Abfangregler 12 aus gesteuert werden, und zwar sinngemäß so, daß
es im normalen Beharrungszustand geschlossen ist, aber bei rascher Entlastung vorübergehend
geöffnet wird.
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Man kann mit dieser Öffnungsbewegung des Umgehungsventils 13 eine
Wassereinspritzung 14 zur Herabminderung der Dampftemperatur verbinden.
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In manchen Fällen genügt das Umgehungsventil 13
allein zur Vermeidung
unzulässigen Drehzahlanstiegs bei Vollastabschaltung; in vielen Fällen, besonders
bei Kondensationsmaschinen, müßte es jedoch zu große Querschnitte erhalten. Es kann
dann zweckmäßig sein, sowohl ein Abfangventil 2 als auch ein Umgehungsventil 13
anzuordnen, wobei dann das Abfangventil 2 nicht unbedingt dicht zu halten braucht,
vielmehr zwecks Verminderung des Druckabfalls im Normalbetrieb als
strömungstechnisch
günstige Drosselklappe ausgeführt werden kann. Wenn sowohl das Abfangventil 2 als
auch das Umgehungsventil 13 angeordnet werden, so kann man sie beide vom Abfangregler
12 aus betätigen, und zwar entweder gleichzeitig oder gestaffelt. In Abb. 3 ist
diese Anordnung schematisch dargestellt, wobei mit fallendem Öldruck P2 das Umgehungsventil
13 geöffnet, dagegen das Abfangventil 2 geschlossen wird. Zur zusätzlichen Sicherung
kann man die Schließbewegung des Abfangventils 2 und das Öffnen des Umgehungsventils
13 noch unter den Einfluß des Schnellschlußreglers 15 stellen. Der gleiche Abfangregler
12 kann aber erfindungsgemäß zur Angleichung des Niederdruckdampfstroms an den Frischdampfstrom
nicht nur bei rascher Entlastung der Turbine, sondern auch im Beharrungszustand
benutzt werden, nämlich dann, wenn die Möglichkeit eines erheblichen Unterschiedes
der beiden Dampfmengen durch die Dampfschaltung des Kraftwerks gegeben ist, z. B.
wenn dem Zwischenüberhitzer Dampf zugeführt wird, der nicht durch die Hochdruckturbine
geströmt ist.
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Wenn z. B. die Turbogruppe mit nur einem zugehörigen Kessel mit Kohlenstaubfeuerung
in Blockschaltung arbeitet, wie dies modernen Ausführungen entspricht, so kann der
Fall eintreten, daß zeitweilig der Dampfverbrauch der Turbine kleiner ist als diejenige
Dampfmenge, die zur Aufrechterhaltung einer stabilen Flamme vom Kessel mindestens
erzeugt werden muß. In diesem Fall ist man, sofern der überschüssige Kesseldampf
nicht in Speichern oder ähnlichem untergebracht werden kann, gezwungen, den Überschußdampf
abzublasen, sei es durch Sicherheitsventile ins Freie, sei es durch ein kesseldruckabhängiges
Überproduktionsventil in den Kondensator. Bei Anlagen mit Zwischenüberhitzung entsteht
dabei die Gefahr, daß bei kleineren Turbinendampfmengen, z. B. im Leerlauf der Gruppe,
der Kessel auf der Hochdruckseite z. B. 35 bis 40 %
der Normaldampfmenge erzeugt,
durch den Zwischenüberhitzer aber nur z. B. 5 % der Normaldampfmenge, entsprechend
dem Dampfbedarf der Turbine, hindurchströmen. Dadurch wird der Zwischenüberhitzer
unter Umständen zu heiß, insbesondere, wenn er im Strahlungsteil des Kessels angeordnet
ist. Es ist dann notwendig, den überschüssigen Dampf entsprechend der Ausführung
nach Abb. 4 nicht direkt zum Kondensator, sondern unter Umgehung der Turbine über
einen Dampfkühler zum Zwischenüberhitzer und hinter dem Zwischenüberhitzer durch
das Umgehungsventil 13 zum Kondensator zu führen. Es besteht dann die Aufgabe,
die Öffnung des Überproduktionsventils 5 und des Umgehungsventils 13 so in Einklang
miteinander zu bringen, daß sie gerade die überschüssigen Dampfmengen um den Hochdruck-
und den Niederdruckteil der Turbine herumführen. Durch eine direkte Kupplung der
Ventile 15 und 13 wird dies schon deswegen nicht erreicht, weil das Überproduktionsventil
15 mit angenähert konstantem Eintrittsdruck, das Umgehungsventil 13 jedoch
mit in sehr weiten Grenzen veränderlichem Eintrittsdruck (je nach Last der Turbine)
arbeiten.
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Erfindungsgemäß wird in weiterer Ausgestaltung entsprechend der Abb.
4 das um den Hochdruckteil herumführende Überproduktionsventil 15 von einem Kesseldruckgrenzregler
16 bei steigendem Kesseldruck p,-,- geöffnet, dagegen das um den Niederdruckteil
herumführende Umgehungsventil 13 vom Abfangregler 12 in der gleichen Weise beeinflußt,
wie bei Abb. 3 beschrieben. Dadurch wird erreicht, daß der Druck P .v vor
dem Niederdruckteil und damit die Niederdruckdampfmenge GN auch in dem hier beschriebenen
Fall etwa gleich oder proportional der Frischdampfmenge Gr eingeregelt wird, während
eine Menge Gut durch das Umgehungsventil 13 strömt, die gleich oder angenähert gleich
der durch das Überproduktionsventil 15 strömenden Menge Gac, ist.
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Man kann in diesem Fall die Öffnungen des Abfangventils 2 und des
Umgehungsventils 13 so staffeln, daß mit abnehmendem Öldruck P2 (wenn nämlich der
Druck PN vor dem Niederdruckteil der Turbine zu groß wird im Verhältnis zum Öldruck
P, am Frischdampfventil 1 und deshalb der Regler 12 sich nach unten bewegt) zuerst
das Umgehungsventil 13 öffnet und erst bei ganz geöffnetem Ventil 13 das
Abfangventil 2 in Schließstellung bewegt wird. Man kann zur zusätzlichen Sicherung
am Zwischenüberhitzer entweder ein besonderes, ins Freie oder zum Kondensator führendes
Sicherheitsventil anbringen, oder man kann das Umgehungsventil 13 durch einen besonderen
Druckbegrenzer 17 mit Blende 18 (Abb. 4) bei zu hohem Druckanstieg im Zwischenüberhitzer
öffnen, auch wenn der Abfangregler 12 und das Ölabflußventil 8 nicht ansprechen.
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Die beschriebene Ausführung dient nur als Beispiel zur Anwendung des
Erfindungsgedankens. Sie kann variiert werden, indem in an sich bekannter Weise
andere Meßgrößen als Maß für den Frischdampfstrom bzw. den ND-Dampfstrom oder andere
Methoden der Übertragung der vom Meßwert festgestellten Regelabweichung auf die
Stellglieder gewählt werden.