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Verfahren zum Betrieb einer Dampfkraftanlage mit einem nach dem Einrohrsystem
und vorzugsweise mit überkritischem Druck arbeitenden Zwangdurchlauf-Dampferzeuger
und Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Betrieb einer Dampfkraftanlage mit einem nach dem Einrohrsystem und vorzugsweise
mit überkritischem Druck arbeitenden Zwangdurchlauf-Dampferzeuger, mit nachgeschalteter
Turbinenanlage und mit durch Arbeitsmittel beheizten Speisewasservorwämern, die
der Verdampfungsheizfläche des Dampferzeugers, an die sich mindestens eine rauchgasbeheizte
Überhitzerheizfläche anschließt, vorgeschaltet sind, wobei die zur Beheizung der
Speisewasservorwärmer dienenden Arbeitsmittel im Normalbetrieb der Turbinenanlage,
bei Anfahr-und Schwachlastbetrieb dem Dampferzeuger entnommen werden, derart, daß
seine Verdampfungsheizfläche von einem größeren Arbeitsmittelstrom durchflossen
wird als die Überhitzerheizfläche und der aus dieser Differenz bestehende Teilstrom
des Arbeitsmittels aus der Verbindungsleitung beider Heizflächen den Speisewasservorwärmern
im Gegenstrom zugeführt werden.
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Es sind bereits Verfahren zum Betrieb von Dampfkraftanlagen mit nachgeschalteten
Turbinenanlagen bekannt, bei denen das zur Beheizung der Speis wasservorwärmung
notwendige Arbeitsmittel im Normalbetrieb aus der Turbinenanlage und im Falle nicht
Irenügender Vorwärmetemperatur (z. B. Schwachlast) aus der vom Kessel ausgehenden
Frischdampfleitung entnommen wird. Hierbei handelt es sich jedoch nicht um Zwangdurchlauf-Dampferzeuger,
die mit hohem Druck bzw. überkritischem Druck arbeiten. Weiterhin ist eine Vorrichtung
zum Regeln einer Hochdruck-Dampfkesselanlage mit Zwangdurchlauf des `'Wassers durch
ein Röhrensystem bekannt, bei welcher bei abnehmender oder geringer Belastung durch
die Verdampferheizfläche ein größerer Arbeitsmittelstrom läuft, als durch die rauchgasbeheizte
überhitzerheizfläche, wobei man das aus dem in der Verbindungsleitung zwischen den
Heizflächen angeordneten Wasserabscheider abgeführte Überschußwasser dem den Verda,mpfungsheizflächen
vorgeschalteten Speisewasservorwärmer im Gegenstrom zuführt.
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Bekanntlich ist die Temperaturregelung eines derartigen Zwangdurchlauf-Dampferzeuger-Röhrensysteras
mit Schwierigkeiten verbunden. Besonders bei der beschriebenen bekannten Anordnung
muß sichergestellt werden, daß den Speisewasservorwärmern keine größere Arbeitsmittelmenge
zugeführt wird als mit Rücksicht auf die Temperatur des zu erwärmenden Speisewassers
und den Druck im Speisewasservorwärmer kondensieren kann.
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Die Erfindung dient der Behebung dieser Schwierigkeit und ist dadurch
gekennzeichnet, daß man die Menge des aus dem Rohrsystem zwischen den Heizflächen
entnommenen Arbeitsmittels in Abhängigkeit vom Druck in den von diesem Arbeitsmittel
durchströmten Speisewasservorwärmern regelt. Durch das Verfahren und eine entsprechende
Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens wird gewährleistet, daß ein Druckanstieg
im Speisewasserbehälter nicht stattfindet und dadurch eine; Drosselung der der Verdampferheizfläche
entnommenen Arbeitsmittelmenge, die die notwendige Kühlung dieser Heizfläche bei
Schwachlast beeinträchtigen würde, nicht erfolgen kann. Es wird also bei Schwachlast
des Dampferzeugers die Verdampferheizfläc:he einerseits durch Entnahme einer größeren
Arbeitsmittelmenge als es im Verbrauch bei Schwachlast geschieht, geschützt und
andererseits thermisch der Wärmeinhalt dieser Überschußmenge im Speisewa.sservorwärmer
voll ausgenutzt.
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Hierbei kann mit Vorteil die Maßnahme ergriffen sein, daß man die
Menge des aus dem Rohrsystem zwischen den Heizflächen entnommenen Arbeitsmittels
bei Schwachlastbetrieb und beim Anfahren derart regelt, daß in jedem der von diesem
Arbeitsmittel durchströmten Speisewasservorwärmer ein bestimmter Druck konstant
gehalten wird.
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Zweckmäßig wird man beim Anfahren den konstant zu haltenden Druck
jeweils auf den maximal für jeden Speisewasservorwärmer zulässigen Druck einstellen.
Eine
Dampfkraftanlage zur Ausführung des Verfahrens, welche Anzapfdampfleitungen zwischen
der Turbinenanlage und der Primärseite von Speisewasservorwärmern besitzt, ist gekennzeichnet
durch ein Entnahmeleitungssystean für Arbeitsmittel, welches von einer Stelle des
Dampferzeuger-Rohrsystems zwischen der hauptsächlich strahlungsbeheizten Verdampferheizfläche
in der Umgebung der Brennkammer und der rauchgasbeheizten Überhitzerheizfläche abzweigt
und ebenfalls zu der Primärseite von Speisewasservorwärmern führt, sowie durch Regeleinrichtungen
in diesem Entnahmeleitungssystem, welche bewirken, daß bei Unterschreiten eines
bestimmten Druckes in den Speisewasservorwärmern Arbeitsmittel aus dem Dampferzeuger-Rohrsystem
in die Speisewasservorwärmer strömt.
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Bei einer solchen Dampfkraftanlage kann mit Vorteil die Anordnung
getroffen sein, daß ein Durchflußregelorgan in dem Entnahmeleitungssystem in Abhängigkeit
vom Druck in dem in Durchströmrichtung des Arbeitsmittels letzten Vorwärmer eingestellt
ist.
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Weiterhin kann auch die Anordnung getroffen sein, daß in jeder zu
einem Vorwärmer führenden Zweigleitung des Entnahmeleitungssystems ein vom Druck
im zugehörigen Speisewasservorwärmer abhängig einstellbares Durchflußregelorgan
angeordnet ist.
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Und schließlich kann eine zweckmäßige Ausbildung der Dampfkraftanlage
dadurch erreicht werden, daß Leitungen des Entnahmeleitungssystems jeweils mit einer
der Anzapfdampfleitungen verbunden sind, und daß in diese Leitungen Durchflußregelorgane
eingebaut sind, welche die dem Rohrsystem entnommene Arbeitsmittelmenge derart regeln,
daß der Druck in den Wärmeaustauschern konstant auf einem einstellbaren Wert gehalten
wird, und daß ferner in den Anzapfdampfleitungen Absperrorgane - beispielsweise
Rückschlagn-entile - angeordnet sind, die öffnen, sobald der Dampfdruck in den Anzapfdampfleitungen
den eingestellten Wert überschreitet, wobei die entsprechenden Durchflußorgane im
Entnahmeleitungssystem schließen.
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Zwei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes werden an Hand
der Zeichnung näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt eine Dampfkraftanlage, bei der eine Gruppe von Speisewasservorwärmern
durch Anzapfdampf aus der Turbinenanlage und eine zweite Gruppe von Speisewasservorwärmern
durch unmittelbar aus dem Rohrsystem entnommenes Arbeitsmittel beheizt werden können;
in Fig.2 ist eine Dampfkraftanlage dargestellt, bei der eine Gruppe von Speisewasservorwärmern
sowohl durch Anzapfdampf als auch durch Arbeitsmittel aus dem Rohrsystem beheizt
werden kann.
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In der Dampfkraftanlage gemäß Fig. 1 wird das Speisewasser aus dem
Kondensator 1 mittels Kondensatpumpe 2 durch die Leitung 3 und die Speisewasservorwärmer
4, 5 und 6 in den Speisewasserbehälter 7 gefördert. Von dort aus führt eine Leitung
8 über die Speisewasserpumpe 9 und die Speisewasservorwärmer 10, 11, 12 und
13 zu einem rauchgasbeheizten Vorwärmer 14 des Dampferzeugers. Anschließend
strömt das Arbeitsmittel durch einen weiteren Speisewasservorwärmer 15, das Differenzdruckregelventil
16 und das Speiseventil 17 in die Heizfläche 18, in der die Umwandlung von Wasser
in Dampf stattfindet und die zur Auskleidung der Brennkammer verwendet wird. Das
Arbeitsmittel strömt weiter durch eine Meßblende 19 in der Leitung 20 zu der Heizfläche
21 - einen ersten Überhitzer - anschließend durch die Leitung 22 zu der Heizfläche
23 - den Endüberhitzer - und weiter über die Leitung 24, das Dampfventil 25 und
das Schnellschluß- und Regelventil 26 in die Turbine 27, die einen Generator 28
antreibt. Die Turbine 27 kann auch aus mehreren Teilen bestehen, wobei gegebenenfalls
der Dampf zwischenüberhitzt wird. Nach seiner Entspannung strömt das Arbeitsmittel
durch die Leitung 29 zurück in den Kondensator 1, um dort zu kondensieren.
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Die Regelung der Dampfmenge und Dampftemperatur geschieht in bekannter
Weise. Das Speiseventil 17 wird durch die Druckdifferenzmeßstelle 30 an der Blende
19 und durch die Temperaturmeßstelle 31 hinter der Heizfläche 18 beeinflußt. Das
Druckdifferenzventil 16 wird so eingestellt, daß am Speiseventil 17 ein konstanter
Druckabfall auftritt. Zwischen den Ventilen 16 und 17 zweigt eine Leitung 32 ab,
durch die Arbeitsmittel über die Leitung 33 hinter der Heizfläche 18 und durch die
Leitung 34 hinter der Heizfläche 21 unmittelbar in das Rohrsystem des Dampferzeugers
eingespritzt werden kann. Die Einspritzmenge wird in der Leitung 33 durch das Durchflußregelorgan
35, welches von Temperaturmeßstellen 36 und 37 vor bzw. hinter der Heizfläche 21
gesteuert wird, und in der Leitung 34 durch das Durchflußregelorgan 38, welches
von den Temperaturmeßstellen 39 und 40 vor bzw. hinter der Heizfläche 23 gesteuert
wird, eingestellt. Eine Druckmeßstelle 41 regelt das Dampfventil 25. Beim Anfahren,
wenn der Druck am Austritt aus dem Dampferzeuger noch zu gering ist, bleibt das
Dampfventil 25 geschlossen, dafür ist das Umgehungsventil 42 geöffnet, und
das Arbeitsmittel kann über die Umgehungsleitung 43 direkt in den Kondensator 1
fließen.
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Im Normalbetrieb strömt Anzapfdampf aus der Turbine 27 durch die Leitungen
44 in die Speisewasservorwärmer 4, 5 und 6 und kondensiert unter Wärmeabgabe an
das Speisewasser, worauf das Kondensat durch die Leitungen 45 über die Kondenstöpfe
46 und weiter durch die Leitung 47 in den Kondensator 1 fließen kann. In gleicher
Weise wird durch die Leitungen 48 Anzapfdampf aus der Turbine 27 in die Hochdruck-Speisewasservorwärmer
10, 11 und 12 geleitet. Der Dampf kann hier ebenfalls unter Wärmeabgabe an das Speise-,vasser
kondensieren, worauf das Kondensat durch die Leitungen 49 und die Kondenstöpfe 50
und weiter über die Leitung 51 in den Speisewasserbehälter 7 abfließen kann. Schließlich
führt noch eine Anzapfdampfleitung 52, die mit einer Rückschlagklappe 53 versehen
ist, direkt in den Speisewasserbehälter 7.
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Wenn das Speisewasser mit Hilfe der Vorwärmung durch den Anzapfdampf
nicht genügend stark erhitzt wird - also beim Anfahren und beim Schwachlastbetrieb
-, kann über die Entnahmeleitung 54 an einer hinter der am stärksten beheizten Zone
des Dampferzeugers liegenden Stelle unmittelbar aus dem Rohrsystem Arbeitsmittel
zur Vorwärmung des Speisewassers abgeführt werden. Das Durchflußregelorgan 55 in
der Entnahmeleitung 54, welches die entnommene Arbeitsmitteltnenge regelt, wird
von dem Druck im Speisewassen-orwärmer 15 bzw. in der zu diesem Vorwärmer führenden
Leitung 56 beeinflußt. Von der Entnahmeleitung 54 führt eine Zweigleitung 57 zu
dem Speisewasservorwärmer 13. Das Durchflußregelorgan 58, welches die dem Speisewasservorwärmer
13 zugeführte Arbeitsmittelmenge regelt, wird vom Druck in dem Vorwärmer 13 beeinflußt.
Wenn das Arbeitsmittel unter Wärmeabgabe an das zuströmende Speisewasser in den
Vorwärmern 13 und 15 kondensiert ist,
kann es über die Kondenstöpfe
59 und die Leitung 60 in den Vorwärmer 12 und weiter in den Speisewasserbehälter
7 abfließen.
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Die Druckregler der Durchflußregelorgan.e 55 und 58 werden auf einen.
bestimmten Druck eingestellt. Wird vom Normalbetrieb auf den Schwachlastbetrieb
übergegangen, so sinkt der Druck an den Anschlußstellen der Anzapfdampfleitungen
48 und 44 etwa proportional mit der sinkenden Dampfmenge. Der Anzapfdampf kondensiert
also in den Vorwärmern mit einer geringeren, diesem Druck entsprechenden Temperatur.
Infolgedessen wird das Speisewasser weniger stark vorerwärmt und der thermische
`'Wirkungsgrad der gesamten Anlage sinkt. Wenn das Speisewasser eine geringere Temperatur
hat, ist aber die Temperaturdifferenz zwischen dem aus dem Rohrsystem entnommenen
Heizdampf für die Speisewasservorwärmer 13 und 15 und dem Speisewasser größer. Das
Speisewasser kann eine größere Wärmemenge als vorher aufnehmen. Deshalb kondensiert
eine größere Menge des aus dem Rohrsystem entnommenen Arbeitsmittels und der Druck
in den beiden Vorwärmern 13 und 15 sinkt. Sofort öffnen die Durchflußregelorgane
58 und 55 in einem stärkeren -Maße, so daß bei verminderter Vorwärmung durch den
Anzapfdampf automatisch eine vermehrte Vorwärmung durch das aus dem Rohrsystem entnommene
Arbeitsmittel eintritt. Wird die Dampfkraftanlage mit unterkritischem Druck betrieben,
so. kann das Durchflußregelorgan 55 gegebenenfalls in Fortfall kommen, da der zum
Vorwärmer 15 gehörende Kondenstopf 59 eine ähnliche Regelung vornimmt.
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Von der Entnahmeleitung 54 zweigt noch eine weitere Leitung 61 ab,
die sich mit der Anzapfdampfleitung 52 verbindet. Ein Durchflußregelorgan 62, welches
vom Druck im Speisewasserbehälter 7 bzw. in der Zweigleitung 61 beeinflußt wird,
regelt die durch die Zweigleitung 61 hindurchtretende Arbeitsmittelmenge. Weiterhin,
befindet sich eine Rückschlagklappe 63 in dieser Leitung. Der Druckregler für das
Durchflußregelorga.n 62 arbeitet in Verbindung mit den Rückschlagklappen 53 und
63 in der Weise, daß ein einstellbarer Druck in dem Speisewasserbehälter 7 konstant
gehalten. wird, sofern nicht der Anzapfda.mpf in der Leitung 52 einen Druck über
dem eingestellten Wert hat. In diesem Fall ist das Durchflußregelorgan 62 und die
Rückschlagklappe 63 geschlossen. Sinkt der Druck des Anzapfdampfes aber unter den
eingestellten Wert, so schließt die Rückschlagklappe 53 und das Durchflußregelorgan
62 und die Rückschlagklappe 63 öffnet sich derart, daß der Druck im Speisewasserbehälter
7 etwa. konstant bleibt. 11Ian braucht also nicht zu befürchten., daß der Druck
itn Speisewasserbehälter 7 unter den atmosphärischen Druck absinkt, wodurch Luft
in das Rohrsystem eindringen könnte.
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Für Notfälle ist ein Abblasventil 64 an der Entnahmeleitung 54 vorgesehen.
Weiterhin ist eine Abblasleitung 65 zwischen Speisewasserbehälter 7 und Kondensator
1 angeordnet, die durch das Durchflußregelorgan 66 geöffnet wird, sobald der Druck
im Speisewasserbehälter 7 einen zulässigen Wert überschreitet.
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Die in Fig.2 dargestellte Dampfkraftanlage entspricht in ihrem Aufbau
der soeben beschriebenen Dampfkraftanlage. Lediglich die Entnahmeleitung 54 führt
nicht mehr zu eigenen Speisewasservorwärmern, sondern ist mit den Anzapfdampfleitungen
48 v erbunden, so daß die gleichen Speisewasservorwärmer 10, 11 und 12 sowohl vom
Anzapfdampf als auch von dem aus dem Rohrsystem entnommenen Arbeitsmittel beheizt
werden können. Von der Entnahmeleitung 54 zweigen die Zweigleitungen 67, 68 und
69 ab und münden in die drei Anzapfdampfleitungen 48. Die durch die Leitung 68 durchtretende
Arbeitsmittelmenge wird durch das Durchflußregelorgan 70, die durch die Leitung
69 durchtretende Arbeitsmittelmenge durch das Durchflußregelorgan 71 geregelt.
Beide Organe 70 und 71 sind in ähnlicher Weise wie das Durchflußorgan 62 in der
Leitung 61 vom Druck im entsprechenden Speisewasservorwärmer bzw. der zugehörigen
Leitung beeinflußt. Die gesamte aus dem Rohrsystem entnommene Arbeitsmittelmenge
wird durch das Durchflußregelorgan 55 gesteuert, welches vom Druck in dem in Speisewasserdurchflußrichtung
letzten Speisewasservorwärmer 12 beeinflußt ist. Weiterhin sind in den Leitungen
67, 68 und 69 die Rückschlagklappen 72, in den Anzapfdampfleitungen 48 die Rückschlagklappen
73 und in den Anzapfdampfleitungen 44 die Rückschlagklappen 74 eingebaut.
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Das Arbeitsmittel kann der Entnahmeleitung 54 von einer Stelle direkt
hinter der in oder nahe der Brennkammer angeordneten Heizfläche 18 oder auch über
eine am Ende des Dampferzeuger-Rohrsystems abzweigende. Leitung 75 zugeführt werden.
Die Ventile 76 und 77 gestatten die wahlweise Einschaltung einer der beiden Entnahmestellen.
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Im Betrieb wird jeder Druckregler für die Durchflußorgane 55, 62,
70 und 71 auf einen festen Wert eingestellt. Sinkt der Druck des Anzapfdampfes in
den Leitungen 48 und 52, beispielsweise bei Schwachlastbetrieb, unter diesen eingestellten
Wert, so öffnen alle genannten Durchflußregelorgane derart, daß der eingestellte
Druck in den Speisewasservorwärmern 10, 11 und 12 sowie in dem Speisewasserbehälter
7 konstant gehalten wird, während die Rückschlagklappen 73 und 53 schließen.
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Insbesondere beim Anfahren wird der eingestellte Druckwert dem für
die Speisewasservorwärmer zulässigen Höchstwert entsprechen. Auf diese Weise ist
es möglich, die maximale Arbeitsmittelmenge, deren Wärmeinhalt das zuströmende Speisewasser
aufnehmen kann, aus dem Rohrsystem zu entnehmen, während der restliche Teil des
Arbeitsmittels nach Kühlung der Überhitzerheizflächen 21 und 23 über die Umgehungsleitung
43 in den Kondensator 1 abgeleitet werden kann. Um möglichst schnell anfahren zu
können, ist es von Vorteil, zu Beginn des Anfahrens das Arbeitsmittel durch die
Leitung 75 am Ende des Dampferzeuger-Rohrsystems zu entnehmen, da es hier bereits
früher höhere Temperaturen erreicht als unmittelbar hinter der Heizfläche 18.
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Es ist besonders zweckmäßig, wenn die Druckregler nach dem Anfahren
derart eingestellt werden, daß sie nicht gleichzeitig, sondern nacheinander die
zugehörigen Durchflußregelorgane öffnen. Beispielsweise kann das Durchflußregelorgan
55 bei einem Druck öffnen, der etwa 6011/o des Anzapfdampfdruckes in der ersten
Leitung 48 bei Normallast entspricht. Das Durchflußregelorgan 70 könnte bei 50°/o
des Normalwertes des Anzapfdampfdruckes in der zweiten Leitung 48, das Durchflußregelorgan
71 bei 40% des Normalwertes des Anzapfdampfdruckes in der dritten Leitung 48 und
das Durchflußregelorgan 62 bei 30% des Normalwertes des Anzapfdampfdruckes in der
Leitung 52 öffnen. Auf diese Weise ist ein. feinstufiger Übergang vom Normallast-
zum Schwachlastbetrieb möglich, weil verschiedene Speisewasservorwärmer gleichzeitig
sowohl vom Anzapfdampf als auch von
aus dem Rohrsystem entnommenem
Dampf beheizt werden.
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Die beiden dargestellten Dampfkraftanlagen dienen lediglich der Erläuterung
des Erfindungsgegenstandes. Es sind viele Abwandlungen möglich. Insbesondere wird
die Zahl der Speisewasservorwärmer wesentlich größer sein. Es ist beispielsweise
auch nicht immer nötig, bei den zwei Gruppen von Speisewasservorwärmern gemäß Fig.l
einen arbeitsmittelbeheizten Speisewasservorwärmer hinter einem rantchgasbeheizten
Vorwärmer anzuordnen. Ebenso kann das Arbeitsmittel an einer anderen als der dargestellten
Stelle aus denn Rohrsystem abgeführt werden, wenn dort das Arbeitsmittel eine entsprechend
hohe Temperatur besitzt.