DE1046067B

DE1046067B - Method for improving the cycle in steam power plants with multi-stage engines

Info

Publication number: DE1046067B
Application number: DES48632A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Georg Sonnefeld
Original assignee: GEORG SONNEFELD DR ING
Current assignee: GEORG SONNEFELD DR ING
Priority date: 1956-05-07
Filing date: 1956-05-07
Publication date: 1958-12-11

Description

Verfahren zur Verbesserung des Kreisprozesses in Dampfkraftanlagen mit mehrstufigen Kraftmaschinen Beim normalen Dampfkreisprozeß wird das Gesamtgefälle meistens in etwa drei Druckstufen (Hoch-, Mittel- und Niederdruckturbine) verarbeitet. Von diesen Teilturbinen setzt die Hochdruckturbine das ihr zufallende Gefälle am ungünstigsten um. Dieses macht sich um so bemerkbarer, je höher der Anfangsdruck ist. Die Gründe zu diesem Verhalten sind allgemein bekannt: kleine Anfangsvolumen, relativ hohe Spaltverluste, größere Stopfbüchsenverluste usw. Zudem sind die Herstellungskosten dieses Turbinenteiles sehr hoch.Process for improving the cycle in steam power plants with multi-stage engines In the normal steam cycle, the overall gradient mostly processed in about three pressure stages (high, medium and low pressure turbine). The high-pressure turbine sets the gradient that falls on it from these sub-turbines most unfavorable order. This becomes more noticeable the higher the initial pressure is. The reasons for this behavior are well known: small initial volumes, relatively high gap losses, larger gland losses, etc. In addition, the manufacturing costs this part of the turbine is very high.

Um diese Schwierigkeiten zu umgehen, ist es bereits bekanntgeworden, parallel zur Mitteldruckturbine bzw. zu einem Teil dieser eine Verdichtung vorzusehen, so daß ein zusätzlicher Kreislauf entsteht aus Expansion, Verdichtung und Überhitzung. Die Hochdruckturbine entfällt. Dafür wird der für diese vorgesehene Wärmegefälleanteil dazu benutzt, die Verdichtung im vorstehend angegebenen zusätzlichen Kreislauf durchzuführen. Dabei verhält sich die expandierende Dampfmenge zur verdichteten umgekehrt wie das Expansions- zum Verdichtungs.gefäl:le.In order to circumvent these difficulties, it has already become known to provide compression parallel to the medium-pressure turbine or part of it, so that an additional cycle arises from expansion, compression and overheating. The high pressure turbine is omitted. The heat gradient provided for this is used for this used to perform the compression in the additional circuit specified above. The amount of expanding steam is the opposite of the amount of steam that is compressed Expansion to compression gradient: le.

Hierbei sei darauf verwiesen, daß vor längerer Zeit Hochdruckversuche durchgeführt wurden, bei denen Dampf von etwa 60 atü einen Teil des Zwischenrlampfes einer Verbundmaschine auf deren Eintrittsdruck von etwa 6 atü in einer Düse rückverdickten sollte. Das Ergebnis war negativ, weil eine Düse nach dein Injektorprinzip verwandt wurde.It should be pointed out that a long time ago high pressure tests were carried out in which steam of about 60 atmospheres a part of the intermediate steam a compound machine to the inlet pressure of about 6 atü in a nozzle should. The result was negative because a nozzle based on your injector principle was used became.

Für untergeordnete Zwecke sind diese Strahlverdichter wegen ihrer Einfachheit und Betriebssicherheit, z. B. als Luftpumpe, in der Kondensation us,w. sehr praktisch. Ganz abwegig wäre es jedoch., einen solchen Strahlv erdich.ter üblicher Bauart in dem Hauptkreislauf eines Wärmekraftmaschinenprozesses verwenden zu wollen. Durch die hohen Verluste bei der Energieumsetzung in diesen Düsen würde der Wirkungsgrad der Kraftanlage sehr ungünstig beeinflußt werden.For subordinate purposes, these jet compressors are because of their Simplicity and operational reliability, e.g. B. as an air pump, in the condensation us, w. very convenient. It would be completely absurd, however, to make such a jet condenser more common Want to use type in the main circuit of a heat engine process. The high losses in energy conversion in these nozzles would reduce the efficiency the power plant are influenced very unfavorably.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die technische Durchführung eines Verfahrens zur Verbesserung des Kreisprozesses unter Einhaltung einer hohen Wirtschaftlichkeit zu ermöglichen. In einem \"-erfahren zur Verbesserung des Kreisprozesses in Dampfkraftanlagen mit mehrstufigen Kraftmaschinen, bei denen die Hochdruckstufe der Kraftmaschine ersetzt ist durch eine Düseneinrichtung, in der Anzapfdampf aus einer Mitteldruckstufe der Kraftmaschine mittels des auf die Hochdruckstufe entfallenden Wärmegefälles verdichtet wird und wobei der der Düseneinrichtung zugeführte, der Verdichtung dienende Hochdruckdampf nach Expansion zusammen mit dem auf den Anfangsdruck der Mitteldruckstufe verdichteten Anzapfdampf in die Mitteldruckstufe der Kraftmaschine eintritt, erfolgt erfindungsgemäß die Verdichtung des Anzapfdampfes in einer Ausgleichsdüse, die aus mehreren unmittelbar nebeneinander angeordneten Einzeldüsen für den der \Terdichtung dienenden Hochdruckdampf und den zu verdichtenden Anzapfdampf besteht, in denen die Dampfmengen auf gleiche überkritische Geschwindigkeit expandieren, um sodann gemeinsam in Parallelströmung in einen Ausgleiehraum einzutreten, dessen Querschnitt sich in Strömungsrichtung derartig stetig verringert, daß die axiale Geschwindigkeit der beiden Dampfmengen im gesamten Ausgleichraum konstant bleibt und durch Druckausgleich eine Druckerhöhung des zu verdichtenden Anzapfdampfes erreicht wird, wobei in einem dein Ausgleichraum nachgeschalteten Diffusor der Druck des zu verdichtenden Anzapfdampfes auf den Endwert erhöht wird.The invention is based on the technical implementation a method to improve the cycle process while maintaining a high Enable profitability. In a \ "- experienced to improve the cycle process in steam power plants with multi-stage engines in which the high pressure stage The engine is replaced by a nozzle device in which bleed steam is released a medium pressure stage of the engine by means of the allotted to the high pressure stage Heat gradient is compressed and wherein the nozzle device supplied, the Compression serving high pressure steam after expansion together with that of the initial pressure the medium pressure stage compressed bleed steam into the medium pressure stage of the engine occurs, according to the invention, the extraction steam is compressed in a compensating nozzle, which consists of several individual nozzles arranged directly next to one another for the \ The high-pressure steam serving as a seal and the bleed steam to be compressed exists, in which the steam volumes expand to the same supercritical speed, in order to then enter together in parallel flow into a compensation space, its Cross-section decreases so steadily in the flow direction that the axial The speed of the two steam volumes remains constant throughout the equalization space and through pressure equalization, the pressure of the bleed steam to be compressed is increased the pressure of the bleed steam to be compressed is increased to the final value.

Der erzielte mittlere Druck p", ist der Eintrittsdruck der Mitteldruckturbine. Diese wird nun beaufschlagt mit der Hauptdampfmenge, die aus dem Kessel stammt, und der Dampfmenge, die in dem zusätzlichen Kreislauf umläuft.The achieved mean pressure p ″ is the inlet pressure of the medium-pressure turbine. This is now charged with the main amount of steam that comes from the boiler, and the amount of steam circulating in the additional circuit.

In der Zeichnung wird ein Schaltschema gezeigt. Der Hauptkreislauf wird gebildet vom Kessel Verd., Überhitzer Überh., Düse D, Überhitzer Ü berh., Turbine T-T", Kondensator K, Speisepumpe Sp-P und der Vorwärmung Vorw. Der zusätzliche Kreislauf, in dem der Dampf seinen Aggregatzustand nicht ändert, läuft durch die Turbine T, die Düse D und den Überhitzer Überh.A circuit diagram is shown in the drawing. The main circuit is formed by the boiler Comp., Superheater EVER., Nozzle D, superheaters Ü BERh., Turbine TT "capacitor K, feed pump Sp-P and the preheating Vorw. The additional circuit, in which the steam does not change its state of aggregation, runs through the turbine T, the nozzle D and the superheater superh.

Es kann der Überhitzer nach der Düse D auch ganz entfallen und gegebenenfalls dafür eine Zwischenüberhitzung in einem niedrigeren Druckgebiet zur Anwendun - kommen. Dieses ist in dem Schaltschema durch gestrichelte Linien angedeutet worden.The superheater after the nozzle D can also be dispensed with entirely and if necessary for this purpose, reheating in a lower pressure area can be used - come. This has been indicated in the circuit diagram by dashed lines.

Die Regenerativvorwärmung ist in einfachster Form dargestellt. Selbstverständlich können auch zusätzlich Enthitzer und andere den Wirkungsgrad verbessernde @;lannahmen zur Anwendung kommen.The regenerative preheating is shown in its simplest form. Of course can also use additional desuperheaters and other assumptions that improve efficiency come into use.

Die Steuerung der Anlage ist so einzurichten, daß zur Vermeidung von Druckverlusten zwischen der Düse D und der Turbine T möglichst keine Regelorgane liegen.The control of the system is to be set up in such a way that there are as few control elements as possible between the nozzle D and the turbine T in order to avoid pressure losses.

Eine Ausgleichdüse, die ein Gegenstand des geschilderten Verfahrens ist, bezweckt den Ausgleich des unterschiedlichen Zustandes zweier Gasmengen auf einen gemeinsamen mittleren Zustand, beispielsweise verschiedener Drücke auf einen mittleren Druck, ohne eine Änderung der Entropie der Gesamtgasmengen. Dieses geschieht wie folgt: In der Düse werden beide Gasmengen, beispielsweise konzentrisch geführt, in Düsen bei Drucksenkung von p1 auf p1 und p2 auf p., auf eine gleiche überkritische Geschwindigkeit gebracht. Danach erfolgt ein Druckausgleich in radialer Richtung in dem an die Düsen anschließenden Raum, dessen Querschnitt sich in Strömungsrichtung stetig nach einer Sinusfunktion verringert. Hierbei entsteht eine Drucksteigerung auf dem Druck p",', wobei die Verdichtungsarbeit aus der radialen Druckausgleichsarbeit gedeckt wird. Die während dieses Vorganges konstant bleibende axiale Geschwindigkeit der Gasmengen wird erst in den auf den Druckausgleichsraum folgenden Diffusoren zur Verdichtung der Gasmenge auf den gewünschten Druck p," verbraucht.A compensation nozzle, which is an object of the method described is intended to compensate for the different state of two gas quantities a common mean state, for example different pressures on one mean pressure without changing the entropy of the total gas quantities. This happens as follows: Both quantities of gas are fed into the nozzle, for example concentrically, in nozzles when the pressure drops from p1 to p1 and p2 to p., to an equal supercritical Brought speed. Then pressure equalization takes place in the radial direction in the space adjoining the nozzles, the cross section of which extends in the direction of flow steadily decreased according to a sine function. This creates an increase in pressure on the pressure p ", ', where the compression work from the radial pressure compensation work is covered. The axial speed that remains constant during this process of the gas volume is only in the diffusers following the pressure equalization space to compress the amount of gas to the desired pressure p, "consumed.

Die Vorteile einer Anlage nach dem der Erfindung zugrunde liegenden Verfahren beruhen darin, daß die günstigen Eigenschaften hoher Drücke und hoher Temperaturen in bezug auf den Prozeßwirkungsgrad voll erhalten bleiben. während an der Kraftmaschine nur ein mittlerer Eintrittsdruck bei wesentlich vergrößertem Eintrittsvolumen herrsdht. Der Aufbau ist erheblich einfacher.The advantages of a system according to the invention Processes are based on the fact that the favorable properties of high pressures and high Temperatures are fully maintained in relation to the process efficiency. while at the engine only an average inlet pressure with a significantly increased Entry volume arises. The structure is much simpler.

Hoch- und Mitteldruckturbinewerden ersetzt durch eine 'Mitteldruckturbine mit parallel geschalteter Ausgleichdüse (bzw. Düsengruppe), wobei die Mitteldruckturbine ein größeres Volumen verarbeitet und die gleiche Leistung abgibt wie Hoch- und Mitteldruckturbine zusammen. Trotz verminderten Eintrittsdruckes wird in der Kombination Turbine-Düse dasselbe Wärmegefälle verarbeitet.High and medium pressure turbines are replaced by a 'medium pressure turbine with compensating nozzle (or nozzle group) connected in parallel, with the medium-pressure turbine Processes a larger volume and delivers the same power as high and medium pressure turbines together. Despite the reduced inlet pressure, the turbine-nozzle combination processed the same heat gradient.

Besonders einfach wird der Aufbau, wenn, wie in der Zeichnung durch gestrichelte Linien angedeutet, zwischen der Düse und der Turbine keine Überhitzung erfolgt. Die Leitungen werden sehr kurz und die Druckabfälle in dem Nebenkreislauf sehr klein. Düse und Turbine werden räumlich dicht beieinander angeordnet. Eine Zwischenüberhitzung kann, wie bereits angegeben, hinter der Mitteldruckturbin.e vorgesehen werden.The structure is particularly simple if, as shown in the drawing, by dashed lines indicated, no overheating between the nozzle and the turbine he follows. The lines become very short and the pressure drops in the secondary circuit tiny. The nozzle and turbine are arranged close to one another. One As already stated, reheating can take place downstream of the medium-pressure turbine are provided.

Die vergrößerte Mitteldruckturbine hat bei gleicher Leistung einen wesentlich besseren Wirkungsgrad, als ihn die Hochdruckturbine und die Mitteldruckturbine bei der üblichen Anordnung aufweisen. Selbst wenn die Ausgleichdüse die Wirkungsgraddifferenz zwischen Hoch - und Mitteldruclturbine aufzehren würde, käme demnach noch ein Wirkungsgradgewinn heraus. Bei richtiger und guter Ausführung der Ausgleichdüse ist ein relativ hoher Wirkungsgrad zu erwarten, so daß trotz des einfachen und kostensparenden Aufbaues der Anlage eine günstige Verbesserung des Nutzeffektes erzielt wird.The enlarged medium-pressure turbine has one with the same output much better efficiency than the high-pressure turbine and the medium-pressure turbine have in the usual arrangement. Even if the compensation nozzle the difference in efficiency between high - and medium - pressure turbine would consume, there would therefore still be a gain in efficiency out. If the compensation nozzle is correctly and well executed, a relatively high one Efficiency to be expected, so that despite the simple and cost-saving structure the system a favorable improvement in the efficiency is achieved.

Da sVerfabren eignet sich für höchste und niedrigste Drt#ckgebiete, so daß alle Leistungsbereiche einbezogen sind. Es ist also ebenfalls möglich, Dampfkraftanlagen geringer Leistung mit relativ hohem Nutzeffekt bei einfachem und preisgünstigem Aufbau für jeden Verwendungszweck, beispielsweise auch Schiffsantriebe usw., zu bauen.The process is suitable for the highest and lowest pressure areas, so that all service areas are included. So it is also possible to use steam power plants low power with relatively high efficiency with simple and inexpensive Construction for every purpose, for example also ship propulsion, etc., too build.

Das Anlassen der Düse geschieht, indem erst die Dampfmenge mit dem niedrigen Druck p2 auf Sperrgeschwindigkeit gebracht wird. Erst dann wird die Dampfmenge mit dem hohen Druck p1 zugelassen und auf gleiche Geschwindigkeit eingestellt. Die hierzu nötigen Hilfs- und Steuereinrichtungen ergeben sich aus der jeweiligen Anwendungsart der Düse und ihrer Einordnung in die Kraftanlage.The nozzle is started by first increasing the amount of steam with the low pressure p2 is brought to locking speed. Only then will the amount of steam allowed with the high pressure p1 and adjusted to the same speed. the The auxiliary and control devices required for this result from the respective type of application the nozzle and its placement in the power plant.

Diese Ausgleichdüse stellt ein neues Verfahren dar in der Anwendung überkritischer Strömungen zur Durchführung eines stoß- und schwingungsfreien Druckausgleiches zweier Gasmengen, im vorliegenden Fall Dampfmengen, verschiedenen Zustande. Es darf also kein Vergleich gezogen werden mit den bekannten Strahlverdichtern usw., die alle auf dem Injektorprinzip beruhen, also stets zwei Medien sehr verschiedener Geschwindigkeit zusammenbringen. Hier sind deshalb die zu erwartenden Wirkungsgrade in jedem Fall gering.This compensation nozzle represents a new process in use supercritical flows to carry out shock and vibration-free pressure equalization two quantities of gas, in the present case quantities of steam, different states. It may so no comparison can be made with the known jet compressors, etc., which all based on the injector principle, so always two media very different Bringing together speed. Therefore, here are the expected efficiencies in any case low.

Ein besonderer Vorteil des neuen Verfahrens liegt auch darin, daß bei Anwendung höchster Temperaturen und der einfachen Parallelsdhaltung der Ausgleichdüse zur Mitteldruckturbine ohne weitere Überhitzung zwischen diesen die Höchsttemperatur nur im ersten Teil der Düse auftritt, während die Eintrittstemperatur an der Turbine ebenso wie der Druck niedriger liegen als die Höchstwerte. Für die Turbine werden also keine Sonderbaustoffe benötigt, obgleich der Effekt der Höchsttemperaturen und der Höchstdrücke voll zur Geltung kommt. Das Sondermaterial für den ersten Teil der Ausgleichdüse fällt nicht ins Gewicht.A particular advantage of the new method is that when using the highest temperatures and simply keeping the compensation nozzle parallel to the medium pressure turbine without further overheating between these the maximum temperature occurs only in the first part of the nozzle, while the inlet temperature at the turbine as well as the pressure are lower than the maximum values. Be for the turbine So no special building materials are required, although the effect of the maximum temperatures and the maximum pressures come into their own. The special material for the first part the compensation nozzle is irrelevant.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Method for improving the cycle process in steam power plants with multi-stage engines, in which the high-pressure stage of the engine is replaced by a nozzle device in which bleed steam from a medium-pressure stage of the engine is compressed by means of the heat gradient attributable to the high-pressure stage, and where that supplied to the nozzle device , the compression serving high pressure steam after expansion together with the bleed steam compressed to the initial pressure of the medium pressure stage enters the medium pressure stage of the engine, characterized by the fact that the compression of the bleed steam takes place in a compensating nozzle, which consists of several individual nozzles arranged directly next to each other for the high pressure steam used for the compression and the bleed steam to be compressed consists in which the steam quantities expand to the same supercritical speed, in order then to enter a compensation chamber together in parallel flow, the cross-section of which decreases steadily in the direction of flow in such a way that the axial speed of the two quantities of steam remains constant throughout the equalization space and pressure equalization of the bleed steam to be compressed is achieved, with the pressure of the bleed steam to be compressed in a diffuser downstream of the equalization chamber the final value is increased.

2. The method according to claim 1, characterized in that after the medium pressure stage, intermediate superheating of the steam takes place and preferably the steam after the compensation nozzle se is additionally superheated before it enters the medium pressure stage. Considered publications: German Patent Specifications Nos. 575 404, 699 889, 884802.