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Dampferzeuger mit Luvoturbinenanlage Eine Luvoturbinenanlage stellt
eine mit Luft betriebene Gasturbine dar, die ihre Abluft als Verbrennungsluft an
einen Dampfkessel liefert. Als Gasturbine mit vollständiger Ausnutzung der Abwärme
hat sie bei geeigneter Ausbildung einen besseren Wirkungsgrad als eine Dampfkraftanlage
und ist mithin in der Lage, den spezifischen Wärmeverbrauch der kombinierten Dampfkraft-Luvoanlage
gegenüber einer bekannten Dampfkraftanlage günstiger zu gestalten.
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Bereits vorgeschlagene Luvoanlagen arbeiten mit etwa folgendem Kreislauf:
Ein Verdichter saugt Luft aus dem Freien an, verdichtet diese und drückt sie durch
einen rauchgasbeheizten Luftvorwärmer einer Kesselanlage. Ein Teil der Luvoheizfläche
liegt im letzten Zug des Kessels (niedrige Rauchgastemperatur), die Enderhitzung
der Luft erfolgt in Rohrbündeln, die im Bereich höherer Rauchgastemperaturen liegen,
vorzugsweise hinter dem Dampfüberhitzer. Die unter Druck stehende Luft wird einer
Luftturbine zugeführt, in der sie unter Arbeitsleistung entspannt wird. Die entspannte
Luft wird der Kesselfeuerung als Verbrennungsluft zugeführt.
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Bei den so ausgebildeten Luvoanlagen bereitet die Regelung der Lufttemperatur
Schwierigkeiten. Eine Einspritzkühlung, wie sie bei Dampfüberhitzern üblich ist,
kommt für den Lufterhitzer nicht in Frage. Es wird daher eine Kaltluftzuführung
direkt aus dem Verdichter unter Umgehung der im Bereich niedriger Temperaturen liegenden
Lufterhitzerpakete in den Eintritt des Enderhitzers vorgesehen, oder aber es werden
Oberflächenkühler eingeschaltet. Dies bedingt umfangreiche Anlagen und Wärmeverluste.
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Andererseits sind Anlagen bekanntgeworden, bei denen die Regelung
dadurch erfolgt, daß der Rauchgasquerschnitt durch Klappen in der Weise abgeändert
werden kann, daß die Erhitzerheizflächen nur teilweise vom Rauchgasstrom beaufschlagt
werden. Durch diese Maßnahme ist es aber nicht möglich, die Erhitzerheizflächen
selbst der Einwirkung der heißen Rauchgase zu entziehen. Hingegen muß damit gerechnet
werden, daß bei unveränderter Rauchgasmenge verschärfte Arbeitsbedingungen durch
das örtliche Auftreten höherer Geschwindigkeiten und höherer Überhitzungen der Heizflächen
entstehen. Eine andere bekannte Regelung erfolgt dadurch, daß mit Hilfe von Rauchgasklappen
teilweise gekühlte Rauchgase an Stelle höherer Temperaturen in den Rauchgasstrom
zurückgeführt werden, wobei an dieser Stelle dann heißere und kältere Rauchgase
gemischt werden. In diesem Fall findet also keine Umgehung einer Lufterhitzerheizfläche
statt, sondern es wird ein Weg beschritten, um wenigstens teilweise einen wirksamen
Schutz der Lufterhitzerheizflächen zu erreichen, wobei diese Möglichkeit durch einen
unverhältnismäßig großen Aufwand erkauft werden muß. Ein weiterer Weg ist der, mit
Hilfe von Rauchgasklappen den ganzen Lufterhitzer zu umgehen. Durch diese Maßnahme
ergibt sich aber keineswegs ein wirksamer Schutz vor Rauchgasübertemperaturen, außer
bei völligem Absperren der Rauchgaszufuhr zum Lufterhitzer. Hierbei muß infolge
geringerer Rauchgasgeschwindigkeit und geringerer Luftgeschwindigkeit in den Rohren
bei Teillast trotzdem die gesamte Heizfläche zur Wärmeübertragung herangezogen werden.
Sofern die Heizfläche in bezug auf die Auslegungslast nicht wesentlich überdimensioniert
ist, wird bei Teillasten bei der notwendigerweise geringeren Rauchgasmenge die Behandlungstemperatur
des Lufterhitzers sogar höher sein als bei der Auslegungslast.
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Ein weiterer Nachteil bekannter Dampfluvoanlagen besteht darin, daß
bei Ausfall der Luvoanlage auch der Dampferzeuger außer Betrieb genommen werden
muß, da sonst der nun nicht gekühlte Lufterhitzer gefährdet ist. Um den Betrieb
des Dampferzeugers auch bei Ausfall der Luvoanlage zu ermöglichen, wird daher ein
Reserveverbrennungsluftgebläse aufgestellt, das einerseits die erforderliche Verbrennungsluft
für den Dampferzeuger liefert und andererseits eine Kühlung, insbesondere der im
Gebiet hoher Rauchgastemperatur liegenden Lufterhitzerteile gewährleistet. Dies
bedingt zusätzliche Anlagekosten und sonstige Nachteile.
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Um diese Mängel zu beheben, wird ein Dampferzeuger mit L uvoturbinenanlage
mit in mehrere Pakete unterteilter Luvoheizfläche vorgeschlagen, zu dem erfindungsgemäß
die im niedrigen Rauchgastemperaturgebiet liegenden Pakete mit durch Klappen regelbaren
Umgehungskanälen für das Rauchgas zur Regelung der Luftaustrittstemperatur aus dem
verbrennungsluftseitig letzten Paket versehen sind.
Dabei können
z. B. die ersten zwei Pakete im letzten Kesselzug liegen, während der Enderhitzer
im Bereich höherer Rauchgastemperaturen untergebracht ist. Zwischen den beiden ersten
Paketen kann der Speisewasservorwär mer untergebracht werden. Der Rauchgasstrom
zum ersten Lufterhitzer ist durch Rauchgasklappen in Verbindung mit einem Rauchgasumgehungskanal
(um das erste Lufterhitzerpaket) regelbar. Steigt z. B. die Luftaustrittstemperatur
aus dem Enderhitzer, so wird der Rauchgasstrom zum ersten Paket des Lufterhitzers
gedrosselt, ein Teil der Rauchgase wird durch den Umgehungskanal geleitet, dementsprechend
sinkt die Lufteintrittstemperatur in die weiteren Luvoheizflächen. Der Enderhitzer
wird ausreichend gekühlt, am Austritt aus, dem Enderhitzer stellt sich wieder die
gewünschte Temperatur ein.
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Dabei ist es zweckmäßig, daß der Verdichter der Luvoanlage in bekannter
Weise mindestens in zwei Gehäuse aufgeteilt und mit einer ausrückbaren Kupplung
zwischen dem Niederdruckteil und den übrigen Teilen der Luvoturbinenanlage versehen
ist und daß die Betriebscharakteristiken der beiden Verdichterstufen und der Strömungspfade
Lufterhitzerpakete, Luftturbine. Kessel einerseits und Lufterhitzerpakete-Kessel
andererseits in der Weise aufeinander abgestimmt sind, daß beide Verdichterstufen
in Reihenschaltung auf die drei erstgenannten hintereinander geschalteten Strömungspfade
und die erste Stufe des Verdichters allein auf den Strömungspfad Lufterhitzerpakete-Kessel
jeweils im Dauerbetrieb so arbeiten, daß sie den für den Dampferzeuger benötigten
Druck und Luftmenge liefern.
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Um den Dampferzeuger auch bei Ausfall der Luvoanlage ordnungsgemäß
betreiben zu können, wird erfindungsgemäß eine derartige Aufteilung der Lufterhitzerpakete
und eine derartige rauchgasmengenmäßige Umführung der im- niedrigen Rauchgastemperaturgebiet
liegenden Pakete vorgeschlagen, daß durch den Betrieb nur mit dem ersten Verdichter
die Luftaustrittstemperatur aus dem verbrennungsluftseitig letzten Paket die für
die Feuerung benötigte Temperatur nicht überschritten wird. Die Aufteilung der Lufterhitzerpakete
im Kessel muß mit Rücksicht auf diesen Betriebsfall so vorgenommen werden, daß bei
einer weitgehenden rauchgasseitigen Umgehung des im niedrigsten Rauchgastemperaturgebiet
liegenden L ufterhitzerpakets (etwa 80°/o des Rauchgasstromes gehen durch den Umgehungskanal)
die Austrittstemperatur der Luft aus dem Enderhitzer bei Betrieb ohne Luvoanlage
die gewünschte Verbrennungslufttemperatur für den Dampferzeuger (z. B. bei 400°
C) nicht überschreitet, während die noch darüber hinaus mögliche Rauchgasstromdrosselung
für Regelungszwecke übrigbleibt. Für den Antrieb dieses Verdichters wird zweckmäßigerweise
der für das Anfahren der Luvoanlage ohnehin erforderliche Anwurfmotor benutzt, was
jedoch andere Antriebsmöglichkeiten nicht ausschließt.
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Außer der Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades einer Dampfanlage durch
eine Luvoanlage, kann eine Luvoanlage insbesondere bei Verwendung in Zusammenarbeit
mit Schmelzfeuerungen bei geeigneter Ausbildung wichtige betriebliche Vorteile bieten.
Es ist bekannt, daß mit Schmelzfeuerungen ein Betrieb bei Teillasten des Dampferzeugers
nur möglich ist, wenn die erforderliche Höhe der Verbrennungstemperatur auch bei
Teillasten gehalten wird, da sonst die Schmelzfeuerung einfriert. Bei normalen Dampferzeugern
sinkt jedoch die Verbrennungslufttemperatur mit der Last des Dampferzeugers, so
daß bei Teillasten mit trockenem Ascheabzug gearbeitet werden muß, was zusätzliche
Einrichtungen und Vorkehrungen für den Betrieb nach sich zieht. Bei Verwendung einer
Luvoanlage besteht nun die Möglichkeit, die Luvoanlage auf eine konstante Verbrennungslufttemperatur
für den Kessel zu regeln. Um diese Regelung auf konstante Temperatur für den Kessel
zu erreichen, werden folgende Möglichkeiten in Vorschlag gebracht: Die einfachste,
aber auch unwirtschaftlichste Methode besteht darin, daß bei sinkenden Dampferzeugerlasten,
also auch sinkender Temperatur, vor der Luvoturbine der Gegendruck der Luvoturbine
durch ein Drosselorgan erhöht wird. Hierdurch wird das Gefälle der Turbine verkleinert,
die Verbrennungsluft für den Dampferzeuger steht mit der gewünschten Temperatur
zur Verfügung. Hierbei wird jedoch der Wirkungsgrad der Luvoanlage bei Teillasten
wesentlich verschlechtert, und zwar einerseits durch die entsprechend dem Verhalten
des Dampferzeugers sinkende Temperatur vor der Turbine, andererseits aber durch
Verkürzen des Gefälles durch Gegendruckdrosselung.
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Eine zweite Möglichkeit besteht darin, daß der Luvoturbinenabluft
bei Teillasten vor Eintritt in die Dampferzeugerfeuerung Luvoturbinenfrischluft
über eine Reduzierstation zugemischt wird. Als Hauptnachteil dieser Ausführung ist
die Reduzierstation im Heißluftgebiet anzusehen.
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Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß der Verdichter der Luvoanlage
mit Zwischenkühlung ausgeführt wird. Bei Teillasten wird nun die Zufuhr des Kühlmittels
je nach Bedarf verkleinert, so daß der zweite Verdichter bei höheren Temperaturen
arbeiten wird. Die Lufteintrittstemperatur am Eintritt in den Lufterhitzer steigt
an, dementsprechend wird auch die Lufteintrittstemperatur in die Luvoturbine höher,
zumindest aber nicht so stark abfallen wie bei Teillastbetrieb ohne diese Maßnahme.
Hierdurch ergibt sich aber auch am Austritt aus der Luvoturbine, also auch am Eintritt
in die Kesselfeuerung die gewünschte Temperatur.
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In einzelnen Fällen wird wohl auch eine Kombination der genannten
Maßnahmen zweckmäßig sein. Dabei sind die Ansprüche 4 bis 8 echte Unteransprüche.
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In der Zeichnung ist ein Beispiel der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Anlage in Verbindung mit einer Zyklonschmelzfeuerung dargestellt.
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Mit 1 ist der Dampferzeuger-Lufterhitzer bezeichnet. 2 ist die Luvoturbine,
3 und 4 sind Verdichter der Luvoanlage, 5 ist ein Zwischenkühler, 6 ist eine Verbrennungsluftleitung
zur Feuerung, 7 ein Schmelzzyklon, 8, 9, 10 sind Lufterhitzerpakete, 11 und 12 Luftumgehungsleitungen,
13 ist eine Kesselspeisepumpe, die von der Luvoturbine angetrieben wird.
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Die Wirkungsweise der Anlage ist aus der vorstehenden Beschreibung
ersichtlich. Die von der Luvoturbine gelieferte Leistung kann zum Antrieb irgendeiner
Arbeitsmaschine, z. B. einer Kesselspeisepumpe, verwendet oder über einen Generator
auf ein Netz gespeist werden.