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Anlage zur Speicherung von Energie in Dampfkraftwerken Es ist bekannt,
thermische Energiespeicheranlagen für Kraftwerke zur Deckung relativ kurzzeitiger
Lastspitzen oder zur Störungsreserve zu bauen, in denen Wasser in. Zeiten relativ
schwacher Belastung durch kondensierenden Dampf, oder durch elektrische Heizung,
oder durch Wärmepumpen auf höhere Temperatur geheizt (geladen) und bei Lastspitzen
zur Erzeugung zusätzlicher elektrischer Leistung herangezogen (entladen) wird. Man.
unterscheidet dabei im allgemeinen Gefällespeicher (auch Druckspeicher oder Ruths-Speicher)
und Gleichdruckspeicher (Verdrängungs- oder Marguerre-Speicher).
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In Gefällespeichern wird Heißwasser unter relativ hohem Druck von
z. B. 20 Atmosphären (etwa 210° C) gespeichert, während bei der Entladung unter
allmählicher Druckabsenkung in dem Speicher bis etwa 3 bis 5 ata, entsprechend etwa.
130 bis 150° C, das Speicherwasser ausdampft, der entwickelte Dampf in besonderen
Speicherturbinen auf Kondensatordruck entspannt wird und Arbeit leistet. Wesentlich
für diese Speicherart ist also die starke Veränderlichkeit des Speicherdruckes und
der Temperatur des gesamten Behälterinhalts bei der Ladung und beider Entladung,
ferner die Notwendigkeit druckfester Speicher sowie besonderer Speicherturbinen
in Spezialausführung. Diese Speicherturbinen müssen wegen des während der Entladung
allmählich immer mehr absinkenden Speicherdruckes mit einer großen Anzahl von Regelventilen
und komplizierter Regelung ausgeführt werden, damit bei abnehmendem Eintrittsdruck
und gleichbleibender Last, z. B. Vollast, dem Dampf immer größere Querschnitte geöffnet
werden., z. B. durch Einführung in spätere Turbinenstufen. Dies bedeutet nicht nur
einen großen Bauaufwand, sondern auch eine starke Verschlechterung des Turbinenwirkungsgrades,
der im übrigen auch durch die hohen Wasserbremsverluste in den letzten Stufen sehr
vermindert wird, da ja die Endnässe des Dampfes sehr hoch ist, welcher der Turbine
als Sattda,mpf von. rela.-tiv hohem Druck zuströmt. Auch der Bauaufwand für die
druckfesten Speicher ist sehr hoch und der thermische Wirkungsgrad der Speicherung
schlecht, insbesondere, wenn man beispielsweise den, stark entladenen Speicher (z.
B. von 3 ata) durch Dampf erheblich höheren Druckes (von z. B. 20 bis 25 a,ta) aufladen.
muß. Speicher dieser Bauart werden, daher kaum noch angewendet.
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Der thermische Wirkungsgrad der Gleichdruck-Verdrängungsspeicher (Marguerre-Speicher)
ist im allgemeinen besser. In diesen wird das Heißwasser bei gleichbleibendem, aber
im allgemeinen ebenfalls hohem Druck von z. B. 20 Atmosphären so gespeichert, daß
die Trennungsschicht zwischen unterem Kaltwasser und oberem Heißwasser beim Laden
von oben nach unten, beim Entladen von unten nach oben wandert. Das Speicherwasser
wird bei der Entladung, z. B. während einer Lastspitze, als vorgewärmtes Kesselspeisewasser
eingesetzt, wodurch der sonst zur Vorwärmung des Speisewassers benötigte Anzapfdampf
aus der Hauptturbine zur zusätzlichen Energieerzeugung dort frei wird. Die damit
erzielbare Zusatzleistung ist aber beschränkt und liegt nur in der Größenordnungvon
etwa 151% der jeweiligenLeistung der Hauptturbine. Hierdurch wird die Anwendbarkeit
des Gleichdruckspeichers sehr stark eingeschränkt, da z. B. eine Leistungsabgabe
des Speichers von 20 MW eine gleichzeitige Grundleistung der Kondensationsturbinen
von etwa 120 bis 150 MW voraussetzt. Wenn nun z. B. in einem Kraftwerk ein Kessel
ausfällt, so vermindert sich dadurch nicht nur die Kondensationsleistung, sondern
etwa im selben Verhältnis auch die mögliche Speicherleistung, obwohl diese doch
gerade in einem solchen Störungsfalle voll zur Verfügung stehen sollte. Auch. das
Laden des Gleichdruckspeichers ist mit Rücksicht auf die stufenweise Vorwärmung
an eine relativ hohe Leistung der Kondensationsturbinen gebunden.
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Ferner wird durch die starken Änderungen der Anzapfmengen der Hauptturbinen
zwischen dem Lade- und dem Entladebetrieb der Verlauf von Druck, Volumen und Geschwindigkeiten
in den. Hauptturbinen gestört und ihr Wirkungsgrad entsprechend beeinträchtigt.
Der Kapitalaufwand ist bei Gleichdruckspeichern der genannten Bauart zwar relativ
geringer als bei Druckgefällespeichern, aber immer noch ziemlich hoch, da einerseits
die Speicher druckfest gebaut sein müssen, andererseits die starken
Temperaturdifferenzen
an der Trennebene zwischen Warm- und Kaltwasser erhebliche zusätzliche Beanspruchungen
der Speicherwandungen. verursachen. Auch müssen die Oberflächen der Anzapfvorwärmer
erheblich größer gehalten werden als für reinen Kondensationsbetrieb, da ja beim
Laden des Speichers außer dem vorzuwärmenden Speicherwasser acuh das Hauptkondensat
immer noch mit vorgewärmt werden muß. . _ Dieser Nachteil hat dazu geführt, daß
auch der Gleichdruck-Verdrängungsspeicher in der beschriebenen Form nur sehr selten
angewendet wird. Bekannt ist ferner ein Grenzfall zwischen Gleichdruck- und Gefällespeicher,
nämlich ein mit gleichbleibendem Überdruck betriebener Speicher, der durch direktes
Einleiten von Hochdruckdampf in den Wasserraum z. B. angenähert auf Kesseldruck
aufgeladen wird. Dieser Speicher wird zwecks Vermeidung von wechselnden Druckbeanspruchungen
und von Regelschwierigkeiten mit Hilfe eines Dampfpolsters über dem Wasserspiegel,
das durch ein Druckhalteventil gespeist wird, auf gleichbleibenden Druck geregelt.
Der Speicher wird dabei nicht durch Entspannen des gesamten Wasserinhaltes entladen,
wie sonst bei Gefällespeichern üblich, sondern durch Einführen eines Teilstromes
des Speicherwassers in einen Entspannungsbehälter über ein Drosselventil. Durch
Entspannung des Heißwassers entstandener Dampf wird dem unter erheblich niedrigerem
Druck stehenden Niederdrucknetz zugeführt, das abgekühlte Wasser dagegen durch eine
Umwälzpumpe dem Inhalt des Hochdruckspeichers wieder beigemischt. Bei diesem Verfahren
wird zwar der Speicherdruck durch das Dampfpolster konstant gehalten, die Temperatur
des gesamten Speicherwassers jedoch wie in einem Gefällespeicher mit zunehmender
Entladung allmählich bis auf die Sattdampftemperatur des Niederdrucknetzes abgekühlt.
Dabei muß die Menge des zu entspannenden Speicherwassers je kg abgegebenen Speicherdampfes
um so größer sein, je niedriger die Speicherwassertemperatur ist, d. h. je weiter
der Speicher entladen ist. Auch diese Anordnung hat keine praktische Anwendung gefunden,
zumal sie einen schlechten thermischen Wirkungsgrad hat.
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Ferner sind auch z. B. in Bergwerksanlagen Heißwasserspeicher zur
Aufnahme der kurzzeitigen Abdampfstöße vorgeschalteter Dampfkolbenmaschinen (z.
B. Fördermaschinen) bekannt, die mit wechselndern Überdruck von z. B. 0,1 bis 0,4
at gegenüber der Atmosphäre arbeiten. Diese Speicher sind grundsätzlich Druckgefällespeicher
nach Art der oben beschriebenen Ruths-Speicher und geben bei sinkendem Druck durch
Ausdampfen des gesamten Speicherinhalts Dampf an nachgeschaltete Abdampf- oder Zweidruckturbinen
ab, während bei steigendem Ab-
dampf druck das Speicherwasser durch. Einblasen
von Dampf aufgewärmt wird. Diese Speicher müssen gleichfalls grundsätzlich druckfest,
wenn auch nur für geringen Überdruck gebaut sein und haben daher nur relativ geringe
Speicherfähigkeit. Sie können daher auch nur zum Ausgleich kurzzeitiger Dampfspitzen
von wenigen Minuten Dauer benutzt werden, nicht aber zum Ausgleich von Tagesspitzen.
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Es sind weiterhin zahlreiche Vorschläge für thermische Speicheranlagen
bekanntgeworden, die aber im allgemeinen praktisch nicht ausgeführt werden, weil
entweder ihr Bauaufwand zu groß oder ihr Wirkungsgrad zu schlecht ist.
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Beides gilt - insbesondere für die bekanntgewordenen Vorschläge für
thermische Speicheranlagen mit Hilfe von Wärmepumpen; denn bei diesen ist einerseits
der Bauaufwand, besonders für zusätzliche Maschinen und Wärmetauscher, zu groß,
andererseits der Wirkungsgrad der dreifachen Energieumsetzung zu schlecht. Tagesspeicher
für Kraftwerke werden daher heute überwiegend als hydraulische Speicher gebaut,
obwohl auch bei diesen der Bauaufwand für Speicher, Rohrleitungen., Pumpen, Turbinen
und Generatoren im allgemeinen nur dann genügend gering, z. B. gegenüber einem thermischen
Spitzenkraftwerk, ist, wenn ein Hochspeicher vorhanden ist, z. B. als Jahresspeicher
des Wasserkraftwerks. Muß dagegen für eine Tagesspeicheranlage ein besonderer Hochspeicher
gebaut oder ausgebaut werden, so ist die Wirtschaftlichkeit meist ungenügend, zumal
der gesamte Umsetzungswirkungsgrad einer hydraulischen Pump-Speicheranlage nur selten
über etwa, 60%., meist aber erheblich darunter liegt.
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Die geschilderten Nachteile der bekannten Ausführungen thermischer
Speicheranlagen vermeidet oder vermindert in entscheidendem Umfange die Erfindung,
durch die einerseits der Kapitalaufwand für Speicheranlagen und Wärmetauscher auf
ein bisher nicht bekanntes Minimum herabgesetzt wird, während gleichzeitig der gesamte
Speicher-Umsetzungswirkungsgrad auf etwa 70% und darüber gehalten werden kann. Dies
wird durch folgende Anordnung, Schaltung und besondere Kombination von an sich teilweise
bekannten Bauelementen erreicht.
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In einem Kondensations- oder Heizdampfkraftwerk mit einem wärmeisolierten
Heißwasserspeicher, dessen Wasser bei der Ladung durch kondensierenden Wasserdampf
aufgewärmt wird und, mit einer Entspannungsvorrichtung, in. der das beim Entladen,
aus dem Speicher entnommene Heißwasser verdampft, während das nicht verdampfte abgekühlte
Wasser dem Speicher wieder zugeführt wird, ist erfindungsgemäß der Heißwasserspeicher
als ein etwa unter Atmosphärendruck. stehender Speicher ausgebildet, dessen Speicherwasser
beim Laden durch Umwälzpumpen aus dem Speicherunterteil abgesaugt, in Oberflächenkondensatoren
oder -vorwärmern durch kondensierenden Abdampf mit einem Druck von etwa 1,1 bis
1,5 ata., der aus vorgeschalteten Turbinen stammt, aufgewärmt und nach Aufwärmung
dem Oberteil des Speichers unter Einhaltung einer Trennschicht zwischen Heißwasser
und Kaltwasser wieder zugeführt wird. Die Energie des in der Entspannungsvorrichtung
entstandenen Dampfes ist in einer Kondensations-Speicherturbine ausnutzbar, deren
Eintrittsdruck bei Vollast vorzugsweise zwischen etwa 0,6 und 0,3 ata liegt.
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Besonders zweckmäßig wird die Anlage so gestaltet, daß Teile des Dampfkraftwerks,
die in den den. Normalbetrieb darstellenden, Betriebsabschnitten, in denen der Heißwasserspeicher
weder geladen noch entladen wird, als Teile einer Kondensationsdampfkraftanlage
arbeiten, bei Teillastbetrieb während der Ladung des Heißwasserspeichers ganz oder
teilweise auf Gegendruckbetrieb mit etwa 1,1 bis 1,3 ata Gegendruck und entsprechend
verminderter Leistung umschaltbar sind. Dabei kann der Läufer des Niederdruckteils
der mehrgehäusigen Hauptkondensationsturbine entweder so ausgeführt sein, daß er
im Ladebetrieb abkuppelbar ist, oder er kann im Ladebetrieb gekuppelt bleiben und
mit erhöhtem Gegendruck oder - zwecks Herabsetzung der Ventilationsverluste - auf
Eintritts- und Austrittsseite vom
Hauptdampf strom getrennt im Vakuumschleppbetrieb,
d. h. mit Kühldampf und/oder Wassereinspritzung mitlaufen.
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Bei allen diesen Ausführungen dient der Ha:uptoberflächenkondensator
der normalen Kondensationsturbine während der Speicherladung als Vorwärmer zur Erwärmung
des umgewälzten Speicherwassers mittels Gegendruckdampf aus dem Hochdruck- bzw.
Mitteldruckteil der Kondensationsturbine.
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An sich ist es auch möglich, zur Ladung des Speichers Heißdampf aus
Gegendruck- oder Entnahmeturbinen zu benutzen, soweit deren Schluckfähigkeit durch
das normale Heiz- oder Gegendruckdampfnetz nicht voll in Anspruch genommen wird.
In diesem Falle können zur Ladung des Heißwasserspeichers vorhandene, mit dem Entnahme-
oder Gegendruckdampf gespeiste Wärmeaustauscher benutzt werden.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung, die alsdann, in den Patentansprüchen
noch näher gekennzeichnet werden, sollen nachstehend an Hand der Zeichnung noch
erläutert werden.
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Bild 1 zeigt eine Ausführung, bei welcher der Kondensator der Hauptkondensationsturbin;e
beim Laden als Vorwärmer für das Speicherwasser dient. Es ist 1 der Hochdruckkessel
für die Kondensationsturbine 2 und 3, die zweckmäßig als Zwei- oder Mehrgehäuseturbine
ausgeführt wird, und die aus dem Hoch- und Mitteldruckteil2 und dem Niederdruckteil3
besteht, dessen Eintrittsdruck bei Vollast zweckmäßig auf etwa 1,0 bis 2,0 ata gelegt
wird. Der Abdampf der Turbine 3 wird im Normalbetrieb, d. h. wenn der Speicher weder
geladen noch entladen wird., im Kondensator 4 kondensiert. Das Kühlwasser wird dabei
dem Kondensator durch Pumpe 12 von einem Fluß-oder Kaminkühler her zugedrückt. Dieses
Kühlwasser ist durch Schieber c und d abschaltbar. Ebenso ist die ND-Turbine 3 dampfseitig
über Schieber oder Klappen a. und eventuell b abschaltbar, während der Umgehungsschieber
e bei abgeschalteter ND-Turbine den Abdampf von Turbine 2 direkt zum. Kondensator
4 zu leiten erlaubt. Beide Turbinen 2 und 3 treiben den Generator 5, der am freien
Ende mit der Speicherturbine 6 gekuppelt ist, und zwar wahlweise über eine im Betrieb
aus- und einrückbare mechanische oder hydraulische Kupplung. Der Generator wird
bei der Anordnung nach Bild 1 für die Summenleistung der Turbinen 2, 3 und 6 ausgelegt,
wodurch die Kosten für den elektrischen Teil der Speicheranlage vermindert werden.
Man kann die Speicherturbine 6 aber auch mit einem eigenen, oder aber den Hochdruckteil
2 mit einem ersten und die Turbinen. 3 und 6 zusammen mit einem zweiten Generator
kuppeln. Die letztere Lösung kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn bei großen
Abdampfmengen die ND-Turbinen 3 und 6 mit Rücksicht auf die erforderlichen Abdampfquerschnitte
für niedrigere Drehzahlen, insbesondere für 1000, 1500 oder 1800 U/min, ausgelegt
sind. Die Speicherturbine 6 wird im Entladebetrieb, währenddessen die Ha:uptkondensa:tionsturbine
2 und 3 in der Regel wie im Normalbetrieb arbeitet, mit Sattdampf von vorzugsweise
0,3 bis 0,6 ata betrieben, der im Entspannungsausdampfer 8 dadurch entsteht, daß
gespeichertes Heißwasser aus dem Oberteil des Speichers 9 über Ventil n. von z.
B. etwa 1 ata 100° C auf z. B. 0,6 a:ta. 85,5° C entspannt und abgekühlt wird, wobei
ein Teildampfstrom von etwa 2,6'% des entspannten Wasserstroms ausdampft. Dieser
Sa.ttdampf wird in der Turbine 6 auf den Druck im Mischkondensator 7 von etwa 0,03
bis 0,04 ata je nach Kühlwassertemperatur entspannt. Die Endnässe des Da:rnpfes
in den. letzten Turbinenstufen liegt dabei in der Größenordnung von 10°/o und darunter,
so daß die Wasserbremsverluste in den Laufschaufeln - im Gegensatz zur Speicherturbine
einer Gefällespeichera,n.lage - in mäßigen Grenzen bleiben. Betrieblich ergibt sich
der genannte Druck von z. B. etwa 0,6 ata: im Ausdampfer 8 einerseits durch die
Schluckfähigkeit bzw. die Öffnungsquerschnitte der Turbine 6, andererseits aus der
Höhe des Heißwasseirstroms je nach Öffnung des Heißwasserventils n. Das entspannte
und abgekühlte Wasser wird dann aus dem Au.sdampfer 8 durch die Umwälzpumpe 1.5
über das Absperrorgan k dem Speicher 9 von unten wieder zugeführt, so daß es sich,
in ähnlicher Weise wie beim Verdrängungsspeicher, unter die heißen oberen Schichten
lagert. Um dabei eine gute Trennung von Kalt- und Heißwasser im Speicher 9 zu erreichen,
muß das abgekühlte Wasser im Speicherunterteil gleichmäßig verteilt werden und mit
geringer Geschwindigkeit einströmen, wofür gemäß Bild 2 diffusorartige Verteilungswände
D eingebaut werden können, die z. B. bei kreisrunden Speichern als kegelstumpfförmige
Ringe ausgebildet werden können.
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Der Kondensator 7, in welchen der Arbeitsdampf aus der Speicherturbine
6 strömt, kann zur Herabsetzung der Baukosten als Einspritz- oder Mischkondensator
ausgeführt werden, in welchem das eintretende Kühlwasser durch Brausen oder andere
Zersprühvorrichtungen fein verteilt wird zwecks Bildung großer Kondensationsflächen.
Wenn, es die Höhenlage des Flusses oder Kühlturms erlaubt, kann das Kühlwasser nach
Bild 1 in dem Kondensator 7 über Ventil i direkt angesaugt werden; andernfalls muß
es durch eine besondere (nicht gezeichnete) Pumpe, die mit der Absa.ugepumpe 13
zusammengebaut sein kann, dem Kondensator zugedrückt werden. Zur Absaugung von etwa
eintretenden geringen Luft- oder Gasmengen dient in. üblicher Weise ein Strahlapparat.
Die Ausbildung des Kondensators 7 als Mischkondensator, die sonst in modernen Dampfkraftanlagen
nicht üblich ist, die aber erheblich billiger als ein Oberflächenkondensator ist,
ist hier zulässig, da, wegen der relativ niedrigen Heißwassertemperatur von 100°
C eine einfache chemische Vorbehandlung des Zusatzwassers zum Speicher genügt, um
Kesselsteinbildung bei der Erwärmung zu verhindern und weil daher das Kondensat
der Speicherturbine unbedenklich verlorengegeben werden kann. Die Ersatzwassermenge
hierfür kann während des Entladebetriebes aus dem warmen Kühlwasserstrom hinter
Pumpe 13 abgezweigt und nach chemischer Vorreinigung dem Speicher 9 von unten zugeführt
werden.
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Natürlich kann dieses relativ kalte Ersatzwasser vor dem Einspeisen
in den: Speicher 9 noch durch Anzapfdampf aus der ND-Turbine 3 während des Normalbetriebs
vorgewärmt werden, jedoch lohnt der erzielbare thermodynamische Gewinn den Aufwand
meistens nicht. Ebenso kann das notwendige Abschlämmwasser des Speichers, dessen
Menge wegen des Kondensatverlustes verhältnismäßig hoch sein muß, in üblicher Weise
über Wärmetauscher abgeleitet und durch chemisch behandeltes Zusatzwasser ersetzt
werden.
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Geladen wird der Speicher 9 in, der Regel während der Zeiten schwacher
Last, z. B. zwischen etwa 21 und 6 Uhr. Hierbei wird die HD-Turbine 2 als Gegendruckturbine
und der Oberflächenkondensator ,4 als Wärmetauscher zur Vorwärmung des Speicherwassers
von
z. B. 80 bis 85 auf 100° C benutzt, so daß durch diesen Teil der Einrichtung nur
sehr geringe Mehrkosten für die Speicheranlage entstehen. Zu diesem Zweck wird die
ND-Turbine 3 durch Schließen der Schieber (oder Klappen) a und b abgeschaltet und
der Abdampf der Turbine 2 über Schieber e dem Kondensator 4 direkt zugeleitet, wo
er bei etwa 1,1 bis 1,2 ata kondensiert. Die Kondensationsturbine gibt dabei entsprechend
der verminderten Nachlast nur noch im Turbinenteil 2 Leistung ab, wobei in dem erforderlichen
Umfange auch der Dampfstrom aus Kessel 1 durch Turbine 2 gegenüber dem Vollaststrom
vermindert werden kann. Durch geeignete Wahl des Stufendrucks hinter Turbine 2 für
Vollast kann erreicht werden, da,ß die Strömungsverhältnisse in den Hauptstufen
der Turbine 2 bei dem verminderten Dampfstrom während des Ladens und bei einem Gegendruck
von. 1,1 bis 1,2 ata etwa den normalen Strömungsgeschwindigkeiten entsprechen, so
daß der Wirkungsgrad der Turbine 2 ein bestmöglicher bleibt. Für den Ladebetrieb
werden die Kühlwasserschieber c und d geschlossen, die Schieber f und g für das
Speicherwasser geöffnet und die Umwälzpumpe 14 angestellt. Die ND-Turbine- 3 wird
dabei entweder über die ausrückbare Kupplung 10 abgeschaltet und stillgesetzt, wobei
der Schieber b dann nicht erforderlich ist, oder sie läuft bei geschlossenem Schieber
b im Schleppbetrieb, d. h. bei hohem Vakuum, und mit geringer Kühldampfmenge, nötigenfalls
mit Einspritzung kleiner Kühlkondensatmengen, leer mit. Im letzteren Fall kann z.
B. der normale Wasserstrahlapparat des Kondensators 4, der dort jetzt nicht benötigt
wird, mit seiner Absaugung auf den Austrittsstutzen der Turbine 3 geschaltet werden,
wo er gleichzeitig zur Evakuierung und, als Mischkondensator für die geringe Kühldampfmenge
dient. Wenn dagegen, wie oben erwähnt, Turbine 3 und 6 einen besonderen, gemeinsamen
Generator erhalten, so wird diese Gruppe beim Ladebetrieb ganz abgestellt. Durch
diese Schaltung und Verwendung des Kondensators 4 als Wärmetauscher für die Speicherladung
wird nicht nur ein besonders niedriger Bauaufwand erreicht, sondern auch der betriebliche
Vorteil erzielt, daß der Kessel 1 und der Hochdruck- und Hochtemperaturteil 2 der
Turbine nachts mit Vollast oder mit genügend hoher Teillast durchlaufen können.
Dagegen ist das Abstellen, das zeitweilige Stillsetzen und das schnelle Wiederhochfahren
des ND-Teils 3, der auch im Normalbetrieb mit Temperaturen von höchstens 100 bis
150° C betrieben wird, im allgemeinen betrieblich völlig unbedenklich.
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Während des Ladevorgangs wird also das kältere Wasser aus dem unteren
Teil des Speichers 9 über Pumpe 14 durch den als Vorwärmen wirkenden Kondensator
4 gepumpt und dem Speicher 9 an der Oberfläche des Wasserspiegels wieder zugeführt.
Auch hierbei ist es wichtig, durch geeignete Verteilungsvorrichtungen eine gleichmäßige
Verteilung des heißen Wassers mit geringer Geschwindigkeit über der ganzen Oberfläche
zu erreichen, um eine gute Trennung des heißen. Wassers von dem unteren kälteren
Wasser zu erreichen. Hierzu kann z. B. nach Bild 2 ein äußerer Ringkanal an der
Oberfläche des Speichers dienen, dem das heiße Wasser zugepumpt wird und über dessen
Rand es gleichmäßig am ganzen Umfang überläuft. Zur gleichmäßigen Verteilung über
die Oberfläche können, ferner noch sternartige Wände S nach Bild 2 dienen, während
die Leitwände D im Unterteil des Speichers für gleichmäßiges Absaugen des kalten
Wassers sorgen. Beim Entladen bewirken sinngemäß die Verteilungswände S ein, gleichmäßiges
Absaugen des heißen Wassers an der Oberfläche.
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Man kann natürlich auch umgekehrt das Kaltwasser im Unterteil über
eine Ringleitung und das Heißwasser im Oberteil über eine zentraleAbsaugung zu-
bzw. abführen.
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Der Ladezustand des Speichers 9 wird analog wie bei einem Verdrängungsspeicher
üblicher Bauart durch Thermometer, die gleichmäßig über die Höhe des Speichers verteilt
sind, angezeigt. Nach beendetem Ladevorgang werden die Speicherwasserschieber g
und f geschlossen, die Kühlwasserschieber c und d
geöffnet, und durch
Öffnen der Schieber a und b bzw. Schließen des Schiebers e wird die ND-Turbine
3 wieder hochgefahren oder, wenn sie im Schleppbetrieb mitgelaufen war, wieder für
den normalen Kondensationsbetrieb zugeschaltet. Das Öffnen und Schließen dieser
Schieber muß dabei sinngemäß langsam erfolgen, so daß einerseits der Kondensator
4 nicht -zu schnell abgekühlt, die Turbine 3 nicht zu schnell hochgefahren und der
Gegendruck der Turbine 2 nicht zu stark abgesenkt wird. Dies kann. durch geeignete
Regeleinrichtungen überwacht werden..
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In der gleichen Weise wie die ND-Turbine 3 kann auch die Speicherturbine
6 entweder dauernd im Schleppbetrieb mitlaufen, oder aber nur während der Lastspitze
hochgefahren und über die aus- und einrückbare Kupplung 11 auf den Generator 5 zugeschaltet
werden..
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Wie erwähnt, wird der Speicher 9 mit Rücksicht auf möglichst niedrige
Baukosten mit einer Heißwassertemperatur, die nur wenig über oder unter 100,° C
liegt, und dementsprechend mit einem Druck, der nur wenig Tiber oder unter Atmosphärendruck
liegt, betrieben, wodurch gleichzeitig in der erläuterten Weise eine besonders günstige
Einordnung der Speicheranlage in das System der Hauptkondensationsturbinenanlage
ermöglicht wird. Der Speicher kann dabei entweder aus Stahlbeton oder aus relativ
dünnem Blech mit leichtem Dach bestehen, und die Einhaltung der Speichertemperaturen
in den vorgeschriebenen Grenzen kann durch geeignete Druck-oder Temperaturregler
überwacht werden, die beim Laden des Speichers z. B. durch Einwirkung auf die Ventile
f oder g, den Umwälzwasserstrom entsprechend der anfallenden Dampfmenge der Turbine
2 regeln. Diese Regler können auch auf die Frischdatnpfventile der Turbine 2 bei
konstantem Heißwasserumwälzstrom so einwirken, daß jeweils nur die erforderliche
Dampfmenge zur Aufwärmung des Wassers auf z. B. 100° C durch die Turbine 2 strömt.
Man kann die Einhaltung des Druckes im Speicher 9 auch in bekannter Weise durch
ein druckabhängig geregeltes kleines Dampfzusatzventil erreichen, durch das ein
Dampfpolster über dem Wasserspiegel @ des Speichers 9 eingehalten wird. Statt dieses
Dampfpolsters kann ein umgekehrt U-förmig ausgebildetes Rohr R nach Bild 2 vom Dach
des Speichers in die Atmosphäre geleitet werden, in dessen oberem Krümmer ein Dampf-Luft-Gemisch
von etwa 100° C stehenbleibt und dadurch der Luft den Zutritt zum Raum über dem
Wasserspiegel versperrt. Dieses Rohr wird zweckmäßig vom Speicherdach bis zum oberen
Krümmer isoliert, um Kondensation des Dampfschwadens hierin zu vermeiden. Durch
dieses Rohr wird zwar ein Druckausgleich mit der Atmosphäre bei zu hoher oder zu
niedriger Temperatur im Speicher ermöglicht, jedoch eine dauernde Zirkulation der
Luft,
die erhebliche Wärmeverluste verursachen würde, über dem Wasserspiegel verhindert.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung bestehen für die Ausführung der
Speicherturbine 6 und für ihre Regelung folgende Möglichkeiten: Am einfachsten ist
es, die Turbine 6 als - in der Regel mehrstufige - Turbine für einen oder mehrere
parallel geschaltete Dampfströme (je nach Größe des Abdampfvolumens und der Drehzahl)
ohne besondere Regelstufe auszuführen, wobei Teillasten durch Drosselung der Dampfmenge
und entsprechend verringerten Dampfdruck vor der Turbine geregelt werden. L äßt
man dabei auch eine Absenkung des Druckes im Entspanner 8 zu, so kann es genügen,
zur Regelung der Teillast bis herunter auf Leerlauf sowie zum Hochfahren der Speicherturbine
nur das Heißwasserdrosselventil ra zu verstellen, z. B. automatisch unter dem Einfluß
eines eigenen Drehzahlreglers für die Turbine 6 mit eigener Sollwertverstellung.
Dabei ändert sich dann auch der Druck im Ausdampfer 8 etwa verhältnisgleich mit
dem Dampfstrom, gleichzeitig aber auch die Temperatur des entspannten Wassers und
die im Drosselventil n entstehenden Teildampfmengen je m3 Wasser. Bei häufiger und
stärker wechselnden Lasten der Speicherturbine würde durch die wechselnden Kaltwassertemperaturen
im Ausdampfer 8 möglicherweise die Schichtung des Wassers im Speicher 9 gestört.
Man wird daher diese Schaltung überwiegend dann anwenden, wenn die Turbine 6 bei
der Entladung meist etwa voll belastet wird. Man kann auch in die Dampfleitung zwischen
Ausdampfer 8 und Turbine 6 ein Drosselventil m setzen, das in der Regel abhängig
vom Drehzahlregler der Turbine 6 betätigt wird. Man, kann übrigens auch die Drehzahlregler
der Hauptturbine 2 zur Regelung und Lasteinstellung der Turbine 6 benutzen,, wenn
man z. B. den Öffnungsbeginn des Ventils m (oder n) hinter die Öffnung der
Regelventile der Hauptturbine staffelt, wodurch sie gewissermaßen, deren Überlastventile
werden. Bei Anordnung eines besonderen Dampfdrosselventils m wird man. im allgemeinen
das Heißwasserventid ii auf konstanten, aber einstellbaren Druck im Ausdampfer 8
regeln. Hierbei wird auch das Kaltwasser mit konstanter Temperatur unabhängig von
der Last zum Speicher 9 zurückgepumpt. Man kann umgekehrt auch Ventil n abhängig
vom Drehzahlregler und m abhängig vom Druckregler oder beide Ventile kombiniert
durch beide Regler betätigen. Die gleichzeitige Anwendung der Ventile n und m hat
noch den Vorteil, daß bei plötzlicher Entlastung z. B. durch Abschaltung des Generators
das im Ausdampfer 8 befindliche Wasser nicht über die Turbine ausdampft, so daß
unnötige Drehzahlüberhöhung vermieden wird. Man kann, auf die Ventile m und zz auch
noch weitere Regelimpulse wirken lassen, sei es als Grenzimpulse oder als Sollwertversteller.
Solche Regelgrößen können sein der Druck oder die Temperatur im Ausdampfer, der
Wasserstand im Ausdampfer, die Temperatur im Speicher, die Übergabeleistung an ein
anderes Netz USW.
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Natürlich bedeutet die Drosselung des Dampfes im Ventil in bei Teillasten
einen Energieverlust, der besonders im Hinblick auf das an sich kleine Gefälle bis
zum Kondensator ungünstigen Einfluß auf die Wirtschaftlichkeit bei Teillast der
Turbine 6 hat. Man kann den Teillastwirkungsgrad der Anlage in an sich bekannter
Weise durch Einbau einer Gleichdruckregelstufe am Anfang von Turbine 6 mit Düsengruppenregelung
und oder durch Umgehungsventile mit Umgehung vorgeschalteter Teillaststufen und
Dampfzufuhr in spätere Stufen bei höherer Last verbessern. In weiterer Ausbildung
der Erfindung kann man bei mehrflutigen Turbinen 6, wie, sie bei höheren Leistungen
die Regel sein dürften, guten Teillastwirkungsgrad dadurch erreichen, daß man jeden
der einzelnen Dampfflüsse über ein eigenes Ventil ml, rn2 usw. mit gestaffelter
Öffnungsfolge beaufschlagt. Hierdurch wird mindestens bei jeweils ausgesteuerten
Ventilen bei den zugehörigen Teillasten fast der Volllastwirkungsgrad erreicht,
da die nicht beaufschlagten Turbinenteile im Schleppbetrieb mit kleinster Kühldampfmenge
im vollen Vakuum mit sehr geringen. Verlusten mitlaufen. Diese Maßnahme ist baulich
sehr einfach und ohne besonderen. Mehraufwand zu erreichen, wobei auch der Vollastwirkungsgrad
seinen höchstmöglichen Wert erreicht, wie dies bei Düsengruppenregelung mit Regelstufe
und noch mehr bei Umgehungsregelung nicht erreichbar ist.
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Die Turbine 6 erhält, wenn sie abkuppelbar ist, einen eigenen Sicherheitsregler,
der entweder auf die Heißwasserventile i. oder auf die Dampfventile m oder auf beide
gleichzeitig oder auf ein eigenes Schnellschlußventil zwischen Speicher 9 und Entspanner
8 oder in den Dampfleitungen zur Turbine 6 einwirkt.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung kann. nun der Dampf den Düsengruppen,
Umgehungsstufen oder den einzelnen parallelen, Flüssen der Turbine, die bei zunehmender
Belastung mit gestaffelter Öffnungsfolge beaufschlagt werden, aus mehreren, kaskadenartig
hi.ntereinandergeschalteten Ausdampfern 8a, 8b, 8 c
usw. über die gestaffelt
öffnenden Ventile ml, m2, m3 z. B. gemäß Bild 3 zugeführt werden.. Bei dieser
Schaltung kann zweckmäßig das Heißwassereinlaßventil ra auf konstanten Druck im
letzten Ausdampfer 8 c geregelt werden.. Das Wasser kann vom Ausdampfer 8 a nach
8 b zweckmäßig ohne eigenes Drosselventil, sondern nur über eine Wasserschleife
(Siphon) übertreten, ebenso von 8 b nach 8 c. Solange die Ventile m, und m3 geschlossen
sind, herrscht in allen drei Ausdampfern der gleiche Druck. Wird nun zwecks Steigerung
der Last zunächst Ventil m2 geöffnet, so fällt der Druck am Ausdampfer 8 b, das
von 8a zufließende Wasser dampft aus und leistet in der Teilturbine 6 b Arbeit.
Dabei ist der Druck im Ausdampfer 8c, der noch keinen Dampf abgibt, noch ebenso
hoch wie im Ausdampfer 8 b. Wird nun, wie erwähnt, das Heißwasserventil n auf konstanten
Druck im Ausdampfer 8 c geregelt, so bedeutet dies, daß beim Öffnungsbeginn von
Ventil m2 der Druck im Ausdampfer 8a gesteigert werden muß, wodurch gleichzeitig
auch die Leistung der Teilturbine 8a noch mit ansteigt. Beim Öffnen des Ventils
m3 spielt sich der analoge Vorgang zwischen 8 b und 8 c ab. Bei Vollast können dann
z. B. in den drei Ausdampf ern 8 a, 8 b und 8 c Sattdampftemperaturen von 90, 80
und 70° C herrschen, was erreicht wird, durch entsprechende Dimensionierung der
Querschnitte in den drei Teilturbinen 6a, 6 b und 6c. Es ist aber auch jede beliebige
andere Druck- und Temperaturstaffelung möglich. Der Vorteil dieser Anordnung besteht
darin, daß mit den Werten des genannten Zahlenbeispieles der Speicherwirkungsgrad
etwa der mittleren Temperatur von 80° C entspricht, die Kapazität des Speichers
9 in kWh jedoch der unteren Temperatur von 70° C. Man kann also durch diese Anordnung
nicht nur den Teillastwirkungsgrad der Anlage wirksam verbessern, sondern auch bei
gleicher Kapazitätsausnutzung des Speichers den Vollastwirkungsgrad,
oder
umgekehrt, bei gleichem Volla.stwirkungsgrad die Kapazitätsausnutzung. Vergleicht
man z. B. die Schaltung nach Bild 3 mit den Ausdampftemperaturen 90, 80 und 70°
C mit der Schaltung nach Bild 1, so würde in Bild 1 der gleiche Wirkungsgrad bei
einer Ausdampftemperatur von 80° C erreicht werden. Dabei müßte aber der Speicher
9 nach Bild 1 um etwa 50-% größer werden als nach Bild 3. Die Speicheranlage nach
der Erfindung hat ganz allgemein den Vorteil, daß man in einer vorhandenen Anlage,
je nach Einstellung des Druckes in den Ausdampfern 8, entweder relativ kurzzeitig
hohe Leistungen bei hohem Wirkungsgrad oder über längere Zeiten kleiner Leistungen
bei vermindertem Wirkungsgrad, aber erhöhter Gesamtenergieausbeute in kWh, erreichen
kann. Man kann sogar denselben Speicher notfalls mehrmals hintereinander entladen,
nämlich beispielsweise zuerst von 100 auf 85° C, im zweiten. Entladungsabschnitt
von 85 auf 70° C und im dritten von 70 auf 55° C. Die höchstmögliche Leistung wird
dann -zwar bei gleichen. Turbinenquerschnitten im zweiten und dritten Entladungsabschnitt
geringer, dafür die Zeitdauer der Entlastungsperiode aber entsprechend länger. Hierdurch
eignet sich die Speicheranlage in besonders vorteilhafter Weise nicht nur zur kurzfristigen
Leistungsabgabe zur Spitzendeckung (z. $. täglich 2 bis 3 Stunden), sondern auch
zur langdauernden Abgabe von an sich geringerer Leistung, aber erhöhter Arbeitsmenge
zum Zweck der Überbrückung länger dauernder Schadensfälle an anderen Anlagen, wobei
dann ein geringerer Wir-1:ungsgrad der Anlage infolge der tieferen Entladung in
Kauf genommen werden kann.
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Bild 4 zeigt für einstufige Entspannung des Speicherwassers von 100°
C, abhängig von der Sattdampftemperatur ts, im Ausdampfer 8, in. Kurve a' den spezifischen
Dampfverbrauch d in kg/kWh der Turbogruppe 6 -I- 5, bezogen auf die Klemmen des
Generators 5 bei 80°/o Wirkungsgrad der Turbine 6 mit Generator, und in Kurve a2
dasselbe, bezogen auf die Nutzbarkeit, d. h. nach Abzug der aufzuwendenden Arbeit
für die Pumpe 13, 14 und 15 beim Laden bzw. Entladen des Speichers unter plausiblen
Annahmen. Kurve b1 zeigt den Speicherwirkungsgrad rjsn der Anlage, definiert durch
das Verhältnis der ausnutzbaren Energiemenge des Speicherdampfes beim Entladen zu
derjenigen Energiemenge des Dampfes der Hauptturbine, die beim Laden in der ND-Turbine
3 nicht ausgenutzt wird.
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Kurve b2 zeigt dasselbe unter Berücksichtigung der Pumparbeit. Dabei
ist angenommen, daß Turbine 3 und 6 gleiche Wirkungsgrade haben.
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Kurve c, zeigt den erforderlichen Speicherraum je erzeugte kWh in
m3 /kWh, bezogen auf die Klemmen des Generators, Kurve c., dasselbe unter Berücksichtigung
der Pumparbeit. Alle Kurven gelten unter der Annahme von 0.03 ata Abdampfdruck.
Der Druck im Ausdampfer 8 soll bei Vollast der Turbine 6 vorzugsweise zwischen etwa
0,3 und 0,6 ata liegen, entsprechend einem Bereich der Temperatur tsg zwischen etwa
68 und 85° C, da bei tieferem Druck der Wirkungsgrad zu schlecht wird, ohne d.aß
dem eine genügende Verkleinerung des Speichers gegenübersteht, während bei höherem
Druck im Entspanner der Bauaufwand für den Speicher erheblich zunimmt.
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Für mehrstufige Entspannung gelten ähnliche Beziehungen. _ Der Warmwasserspeicher
der Erfindung eignet sich zusätzlich auch sehr gut zur Aufnahme und wirtschaftlichen
Ausnutzung größerer Dampf- oder Heißwassermengen, wie sie insbesondere beim Anfahren
und Abstellen von Kesseln und Turbinen., sowie bei plötzlichem Abschalten der Last,
z. B. infolge von Störungen im elektrischen Netz, anfallen.
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Insbesondere kommen hierfür in Frage: Wassermengen, mit denen die
Überhitzer eines N aturumlaufkessels beim Anheizen gefüllt sein und die ausgeblasen
werden müssen, bevor die Dampflieferung einsetzt; Wasser- und Dampfmengen aus Zwangsdurchlaufkesseln,
die gleichfalls vorBegimi derDampflieferung ausgeblasen werden; Überproduktions-Dampfmengen
bei plötzlichem Abschalten der Last oder wenn die Turbinenbelastung zu klein ist
im Verhältnis zur Mindestlast des Kessels; Abdampf von Speisepumpen mit Dampfturbinen,
die bei Ausfall der Elektrospeisepumpe kurzzeitig einspringen müssen; Abdampf von
Dampfhilfsölpumpen und anderen Hilfsmaschinen, der im normalen Wärmekreislauf schlecht
unterzubringen ist.
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Diese Dampf- und Heißwassermengen werden dabei zweckmäßig in einem
besonderen Entspannungsgefäß mit Kaltwasser aus dem unteren Teil des Speichers bei
etwa Atmosphärendruck kondensiert oder gemischt; das entstehende Heißwasser von
etwa 100° C wird in die obere Heißwasserzone des Speichers 9 gepumpt. Dies kann
nötigenfalls automatisch geschehen.
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Auf diese Weise wird erreicht, daß die oben genannten, meist kurzzeitig
anfallenden Überschlußwärmemengen wirtschaftlich nutzbar gemacht werden,, die beim
häufigen An- und Abstellen von Kessel- und Turbinenanlagen, die elektrische Netze
mit relativ niedriger Na.cb.tlast zu versorgen haben, sonst verlorengehen würden.