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Verfahren und Einrichtung zur Verbesserung der Zwischenüberhitzung
und der Speisewasservorwärmung in Dampfkraftanlagen, insbesondere solchen mit Heizdampf-
bzw.
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Fabrikationsdampfabgabe Bekanntlich ist bei dem Entwurf einer Dampfkraftanlage
eine Reihe von Faktoren, die sich zum größten Teil gegenseitig beeinflussen, so
abzustimmen, daß die an die Anlage gestellten Forderungen technisch und wirtschaftlich
möglichst günstig erfüllt werden können. Bei einem reinen Kondensationskraftwerk
können die Drücke und die Temperaturen insbesondere auch für die Zwischenüberhitzung
relativ frei bestimmt werden. Die Wahl hängt von der Größe der Anlage, ihrer betrieblichen
Ausnutzung, dem zulässigen Kostenaufwand usw. ab.
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Wird jedoch neben der Stromerzeugung gleichzeitig Heizdampf oder Fabrikationsdampf
abgegeben, wie es bei Heiz- und Industriekraftwerken der Fall ist, so wird die Freiheit
in der Auslegung der Anlage stark eingeschränkt. Dieses betrifft in besoderem Maße
die Zwischenüberhitzung. Bei gegebenem günstigsten Zwischenüberhitzungsdruck soll
nach einer gewissen Expansion in der Kraftmaschine der Heiz- bzw. der Fabrikationsdampf
mit einem bestimmten Druck entnommen werden. Die geforderte Temperatur dieses Dampfes
ist abhängig von der Zwischenüberhitzungstemperatur. Die letztere ist also fest
bestimmt und kann nicht frei gewählt werden. Darüber hinaus geschieht die Regelung
der Temperatur des Entnahmedampfes durch eine entsprechende Einstellung der Zwischenüberhitzung,
was beispielsweise von der Rauchgasseite her geschehen kann.
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Bei solchen Anlagen liegt nun die Zwischenüberhitzungstemperatur meist
weit unter der Grenze, die an sich mit Rücksicht auf das Material zulässig wäre.
Die Möglichkeit einer Kreisprozeßverbesserung wird mithin schlecht ausgenutzt. Die
Zwischenüberhitzung dient in den vorliegenden Fällen fast nur zur Aufrechterhaltung
und Regelung der Temperatur des Entnahmedampfes.
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Diese sehr häufig bestehende Einengung in der Auslegung des Kreisprozesses
hat verschiedenerseits zu Bemühungen geführt, die Grenzen zu beseitigen. So ist
beispielsweise vorgeschlagen worden, die Temperatur der Zwischenüberhitzung bis
an die vorn Material her gegebene Grenze zu treiben und nach einer gewissen Expansion
einen Wärmetauscher einzuschalten, der nach der Kessselseite hin so viel Wärme rück-führt,
daß nach der anschließenden weiteren Expansion bis auf den Entnahmedruck gerade
die für den Entnahmedampf geforderte Temperatur erreicht wird.
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Bei dieser Maßnahme muß die ganze Dampfmenge aus der Kraftmaschine
heraus, über den Wärmetauscher und wieder zurück in die Maschine geleitet werden.
Druckverluste sind hierbei in Kauf zu nehmen. Weiter erfordern der Wärmetauscher,
die Rohrleitungen usw. einen zusätzlichen Kostenaufwand für die Erstellung der Anlage,
abgesehen von dem größeren Raumbedarf. Um den Nutzeffekt der stets vorhandenen Regenerativspeisewasservorwärmung
zu erhalten, muß der Wärmetauscher in einen Temperaturbereich gelegt werden, der
oberhalb desjenigen der Vorwärmung liegt. Die hierdurch bedingte Verkleinerung der
Nachschaltheizflächen des Kessels muß durch eine entsprechende Vergrößerung der
Luftvorwärmung ausgeglichen werden, was den Kesselpreis beeinflußt. Denn Vorteil,
die Zwischenüberhitzung hoch legen zu können, steht also auch eine Reihe von Nachteilen
gegenüber, die die als Beispiel gegebene Maßnahme nur sehr bedingt anzuwenden gestatten.
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Zur näheren Erläuterung werden an Hand der Skizzen die Prinzipien
der bisherigen und der neuen Anordnung einander gegenübergestellt. Fig. 1 zeigt
im is-Diagramm den Verlauf des bisherigen Prozesses. Von a bis b erfolgt
Expansion in der Hochdruckmaschine TH. Von b bis c geschieht die Zwischenüberhitzung
bei dem Druck p2 auf die Temperatur tZ"_ii, von c bis d Expansion bis auf den Entnahmedruck
p3 in der Mitteldruckmaschine TAT. Hier zeigt sich die bereits angegebene Begrenzung
der alten Anordnung. Offenbar muß bei dem Druck p2 die Temperatur tZ"_ty so gewählt
werden, daß nach der Expansion von c bis d bei dem Entnahmedruck p3 die Entnahmetemperatur
tE erreicht wird. Die Temperatur tzw_i,
liegt wesentlich unter der
Temperatur tfl. Von d bis c wird in der Niederdruckmaschine expandiert bis
auf den Kondensatordruck P4.
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Von 1 bis 7 sind die Anzapfüngen für die Regenerativvorwärmung des
Speisewassers angegeben. Außer dem aus dem Kondensator anfallenden Kondensat wird
von den Stufen 4 bis 7 zusätzlich das rücklaufende Kondensat des Heiz- bzw. Fabrikationsdampfes
vorgewärmt.
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Die Fig. 2 zeigt die Schaltskizze einer Anlage nach Fig.l. Aus den
Bezeichnungen, die zum Teil mit denen der Fig. 1 korrespondieren, und den Richtungspfeilen
geht die Funktion eindeutig hervor. Es bedeuten: K=Kessel, Ü=Überhitzer, TH=Hochdruckmaschine,
Zw-Ü = ZwischenübHhitzer, TM = Mitteldruckmaschine, TV= Niederdruckmaschine,
G = Generator, Kond = Kondensator, SP-P = Speisepumpe, SP-V1 bis SP-V7
= siebenstufige Speisewasserversorgung, E"= Vorlauf des Entnahmedampfes,
E,.= Rücklauf des Entnahmedampfkondensates. Die Buchstaben a bis e geben die dem
is-Diagramm entsprechenden Punkte an.
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Es sind nun zwar Anlagen bekanntgeworden, bei denen nach der Entspannung
der Hochdruckmaschine der Dampf in zwei Teildampfmengen geteilt wird, von denen
nur der eine Teil durch einen Zwischenüberhitzer geleitet wird. Der zwischenüberhitzte
Dampf gelangt dabei in den Niederdruckteil der Anlage, während der Dampf, der vor
dem Zwischenüberhitzer abgezweigt wurde, als reiner Entnahmedampf der Speisewasservorwärmung
-dient, wobei gegebenenfalls in den Entnahmedampfsirom Hilfsturbinen eingeschaltet
sind, die ein verschiedenes Expansionsverhältnis besitzen. Derartige Anlagen sind
als reine Zwischenüberhitzeranlagen mit Regenerativspeisewasservorw ärmung anzusehen
und damit nicht geeignet, für eine Dampfkraftanlage mit Heiz- bzw. Fabrikationsdampfabgabe
eine Temperaturregelung des Entnahmedampfes zu ermöglichen.
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Das neue Verfahren der Erfindung vermeidet diese Nachteile und ermöglicht
mit geringen bzw. ganz ohne Mehrkosten und Mehraufwand eine Dampfkraftanlage mit
Heiz- oder Fabrikationsdampfabgabe genauso frei, also ohne jegliche Einschränkungen,
auszulegen wie jede reine Kondensationsanlage. Zudem wird der Prozeßwirkungsgrad
gegenüber den bekannten Kraftanlagenanordnungen mit Dampfabgabe wesentlich verbessert.
Ferner ist die Temperaturregelung des Entnahmedampfes sehr einfach und viel präziser
als die sonst übliche Regelung vom Zwischenüberhitzer her.
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Es kommt daher ein Verfahren zur Verbesserung der Zwischenüberhitzung
und der Speisewasservorwärmung in Dampfkraftanlagen, insbesondere solchen mit Heiz-
bzw. Fabrikationsdampfabgabe, wobei nach der Entspannung in der Hochdruckmaschine
der Dampf in zwei Teildampfmengen geteilt wird, von denen nur der eine Teil durch
einen Zwischenüberhitzer geleitet wird, zur Anwendung, bei dem erfindungsgemäß beide
Teilmengen getrennt voneinander in einer zweiflutigen Mitteldruckmaschine auf gleichen
Austrittsdruck expandieren und danach hinter der 'Maschine wieder vereinigt werden,
wobei sich entsprechend dem Mengenverhältnis und den Temperaturen der Teildampfmengen
eine bestimmte Mischungs-Lemperatur einstellt.
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Das neue Verfahren ist in den Fig. 3 und 4 dargestellt. Das is-Diagramm
Fig. 3 zeigt von a bis b die Expansion von dem Druck p1 auf den Druck P2
in der I7ocli(Iruclzrmaschine TH. Im Gegensatz zu Fig. 1 wird im Punkt b die Dampfmenge
in zwei Teilmengen aufgeteilt, von denen die eine Teilmenge in der zweiflutig ausgebildeten
Mitteldruckmaschine (Turbine) T"1 im Teil TMi derselben von b bis
d bis auf den Entnahmedruck P3 expandiert. Die andere Teilmenge des Dampfes
wird im Zwischenüberhitzer von b bis c auf t,1, d. h. im Gegensatz zur alten Anordnung
nach Fig. 1 bis auf die Frischdampftemperatur, überhitzt. Hiernach erfolgt von c
bis e im Teil Ths, der Maschine TM die Expansion vom Druck P2 auf ebenfalls
den Entnahmedruck P3. Im Punkt f der Isobaren P3 herrscht die geforderte Entnahmetemperatur
tE. Die Temperaturen der beiden Teildampfmengen liegen in den Punkten
d und e darunter bzw. darüber. Die beiden Teildampfmengen werden nun
hinter der Maschine TM zusammengeführt. Es ergibt sich dann bei dem Entnahmedruck
P.. eine Mischungstemperatur, die die gewünschte Entnahmetemperatur tE ist, wenn
im Punkt b, d. h. vor der Maschine TM, die Aufteilung der Gesamtdampfmenge
auf die beiden Teilmengen in einem entsprechenden Verhältnis erfolgt. Die Entropiezunahme
bei der Mischung ist so gering, daß sie im Rahmen des Prozesses ohne Bedeutung ist.
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Hieraus wird bei dem neuen Verfahren die Regelung der Entnahmetemperatur
abgeleitet. Durch Änderung des Verhältnisses der Teildampfmengen kann die Entnahmetemperatur
tE eingestellt werden. Andererseits erfolgt die Konstanthaltung der Temperatur tE,
indem in Abhängigkeit von dieser die Aufteilung in die beiden Teildampfmengen im
Verzweigungspunkt b gesteuert wird. Es ist leicht einzusehen, daß dieses einfacher,
schneller und mit einer weit kleineren Toleranz durchgeführt werden kann als die
Beeinflussung der Entnahmetemperatur tE.wie-bisher durch die sehr träge und ungenaue
Änderung der Zwischenüberhitzung.
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Vom Punkt f ab bis nach g expandiert nach Abzug des Entnaihmedampfes
die Restdampfmenge in der Niederdruckmaschine TN bis auf den Kondensatordruck P4-Von
1 bis 7 sind die Anzapfungen für die Regenerativvorwärmung des Speisewassers angegeben.
Außer dem aus dem Kondensator anfallenden Kondensat wird von den Stufen 4 bis 7
zusätzlich' das rücklaufende Kondensat des Heiz- bzw. Fabrikationsdampfes vorgewärmt.
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Die Fig.4 zeigt das Schaltschema einer Anlage nach dem Diagramm der
Fig.3. Die Bezeichnungen und die Richtungspfeile lassen den Aufbau und die Funktion
erkennen. Die Buchstaben ca bis ä geben die mit dem is-Diagramm korrespondierenden
Punkte des Kreisprozesses an. Es bedeuten: K= Kessel, Ü=1_Jberhitzer, TH=Hochdruckmaschine,
Zw-Ü=Zwischenüberhitzer, Tml und Thz2=zweiflutige Teilung der Mitteldruckmaschine
Tm, TN=1\Tiederdruckmaschine, G=Generator, K0nd=KOndensator, Sp-P=Speisepumpe, SP-hl
bis SP-h7=siebenstufige Speisewasservorwärmung, E" =Vorlauf des Entnahmedampfes,
E,,=Rücklauf des Entnahmedampfkondensates.
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Das neue Verfahren gemäß der Erfindung gestattet die Zwischenüberhitzungstemperatur
ganz frei von den übrigen Abschnitten des Kreisprozesses zu wählen. Es besteht keinerlei
Abhängigkeit mehr zwischen der Regenerativvorwärmung und der Zwischenüberhitzung,
wie es sonst stets der Fall ist. Mithin fällt auch die bekannte gegenseitige Beeinflussung
fort, die negativ auf den Kreisprozeßwirkungsgrad wirkt. Die Regenerativvorwärmung
und die Zwischenüberhitzung kommen beide je für sich in vollem Umfang
in
bezug auf die Verbesserung des Kreisprozesses ganz zur Geltung.
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Im Prinzip des neuen Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung liegt
es, daß die Zwischenüberhitzung im Vergleich zu herkömmlichen Anordnungen eine relativ
geringere Dampfmenge führt. Bei gleichen Endtemperaturen wäre damit der Effekt entsprechend
kleiner. Die trotzdem zu verzeichnende Wirkungssteigerung des ganzen Kreisprozesses
ist unter anderem bedingt durch die wesentliche Erhöhung der Temperatur und die
große Verbesserung der Regenerativvorwärmung.
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Da nur der Teil TM1 der Mitteldruckmaschine TM und die Niederdruckmaschine
TN Vorwärmanzapfungen haben, wird die Regenerativvorwärmung gegenüber der üblichen
Anordnung verbessert, indem gerade die großen Vorwärmdampfmengen der oberen Stufen
eine geringere Überhitzungswärme aufweisen. Dieses geht auch aus dem Vergleich der
Anzapfstufen 4 bis 7 in den Fig. 1 und 3 hervor. Es werden also in den entsprechenden
Vorwärmern bei gleicher Vorwärmendtemperatur größere Anzapfdampfmengen kondensiert,
was zu einer Erhöhung des Verhältnisses Frischdampfmenge zu Kondensatmenge und damit
zu einer Verbesserung des Wirkungsgrades führt.
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Eine weitere Verbesserung des Prozeßwirkungsgrades liegt darin, daß
das neue Verfahren gestattet, nun ohne Rücksicht auf die Vorwärmung und, was besonders
hervorzuheben ist, ohne Einengung durch den geforderten Zustand des Fabrikationsdampfes
die Zwischenüberhitzungstemperatur bis an die durch das Material gegebene Grenze
zu treiben. Es können mithin alle Möglichkeiten, die eine freie Gestaltung des Kreisprozesses
und das zur Verwendung kommende Material bieten, voll ausgenutzt werden.
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Als Maschinen, in denen sich die Expansion des Dampfes vollzieht,
werden bevorzugt Turbinen zu wählen sein. Die zweiflutige Mitteldruckturbine TM
wird möglichst mit einem Gehäuse und einem Rotor ausgeführt. In der Mitte wird die
Turbine durch eine Trennwand geteilt, die eine Stopfbuchse für eine niedrige Druckdifferenz
besitzt. Diese Druckdifferenz ist durch die Druckverluste der Zwischenüberhitzung
usw. bedingt. Jede Hälfte der Turbine verarbeitet eine der beiden Teildampfmengen,
wobei die eine Menge überhitzt und die andere nicht überhitzt ist. Die Strömungsrichtungen
sind von der Mitte der Turbine nach den Enden hin. Hinter den beiden Turbinenenden
werden die Teildampfmengen wie beschrieben vereinigt. Diese Anordnung hat den Vorteil,
daß nur Stopfbuchsen für niedere Drücke benötigt werden und die Hochdruckstopfbuchsen
fortfallen. Selbstverständlich kann, falls besondere Umstände vorliegen, die Strömungsrichtung
auch von den Enden zur Mitte hin gewählt werden. Dieses hat aber Nachteile, da Hochdruckstopfbuehsen
an den Enden vorgesehen werden müssen, usw. Besonders zu beachten ist, daß nur die
Turbinenhälfte, die die nicht überhitzte Teildampfmenge verarbeitet, Anzapfungen
für die Speisewasservorwärmung besitzt.
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Ein Vorteil des neuen Verfahrens liegt nicht zuletzt darin, daß nur
bekannte und bewährte Anlagenelemente zum Aufbau dienen und gegenüber den herkömmlichen
Anlagen kein zusätzlicher Aufwand erforderlich ist.
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Zur allgemeinen Erläuterung des Verfahrens wurde im vorliegenden Fall
als Beispiel eine Entnahme-Kondensations-Anlage gewählt. Das Verfahren kann mit
gleichem Erfolg auch bei einer reinen Gegendruckanlage, also bei Fortfall der Niederdruckmaschine
und des Kondensators angewandt werden. Bei Anlagen ohne Dampfentnahme für Heiz-
oder Fabrikationszwecke, die also als reine Kondensationsanlagen nur der Stromerzeugung
oder anderen Zwecken, wie beispielsweise zum Schiffsantrieb usw., dienen, kann das
neue Verfahren Vorteile bieten, wenn z. B. bei sehr hoch getriebener Zwischenüberhitzung
oder zweifacher Zwischenüberhitzung der Abdampf aus der letzten Turbinenstufe noch
Überhitzungswärme besitzt. In diesem Fall besteht die Möglichkeit, durch Regelung
des Mengenverhältnisses der Teildampfmengen, von denen die eine überhitzt wird,
vor einer im Zuge der Expansion eingeschalteten zweiflutigen Turbine hinter dieser
die Dampftemperatur zu regeln und damit in den letzten Expansionsstufen der Anlage
den Dampfzustand bzw. damit die Dampffeuchte unabhängig von der Höhe der Zwischenüberhitzung
zweckentsprechend festzulegen oder zu korrigieren.
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Dieses Regulierverfahren durch Wahl der Teildampfmengen verschiedener
Temperatur und Vereinigung dieser nach getrennter Expansion läßt sich auch unabhängig
von speziellen Kraftanlagen bei verschiedensten anderen Gelegenheiten allein anwenden,
wenn z. B. Temperaturen usw. genau einzuhalten sind.
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Das Verfahren ist nicht nur auf Dampf beschränkt. Es läßt sich bei
jedem, auch rein gasförmigen Medium anwenden.