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Dampfturbinenkraftwerk mit Speisewasservorwärmung Die Erfindung bezieht
sich auf ein Dampfturbinenkraftwerk, bei dem der Wasserdampfdruck im Kessel entsprechend
der Belastung der Dampfturbine selbsttätig geregelt wird.
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Bei Dampf turbinenkraftwerken wird im allgemeinen von Hand oder automatisch
(entsprechend der Frequenzvor- bzw. -nacheilung) der Regelimpuls für das Drosselventil
und zugleich für den Kessel zugeführt und dadurch die Beaufschlagung der Turbine
geändert. Es wird also durch den Regelimpuls der Dampfstrom (das durch die Turbine
strömende Dampfvolumen) gedrosselt, ohne daß der Kesseldruck unmittelbar beeinflußt
wird. In einem solchen Kraftwerk muß die Speisepumpe stets einen überschüssigen
Druck erzeugen und aufrechterhalten, wobei dieser überschüssige Druck anschließend
durch das Turbinenregelventilweggedrosselt und vernichtet wird, so daß Energie unproduktiv
verbraucht wird.
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Es ist bekannt, die Speisewasservorwärmung in der Speisewasserpumpe
vorzunehmen. Bei Anlagen dieser Art ist es erforderlich, daß mit konstantem Wasser-und
Dampfdruck gearbeitet wird. Denn wenn der Dampfdruck zu hoch wäre, so ergäbe sich
eine höhere Wassertemperatur, und die ist in diesem Falle unerwünscht; außerdem
besteht die Gefahr eines Wasserschlages durch Dampfblasenbildung. Demgegenüber besteht
bei einem zu niedrigen Dampfdruck die Gefahr, daß Wasser in den Dampfkreislauf eintritt,
so daß ein Wasserschlag in der Turbine auftreten kann.
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Diese Nachteile der bekannten Anlage sind durch physikalische Gegebenheiten
bedingt und treten durch die spezielle Konstruktion der Pumpen, insbesondere der
verwendeten Kreiselpumpen, auf. Ähnliche Einrichtungen, die nach dem gleichen Prinzip
aufgebaut sind, würden sich in gleicher Weise verhalten.
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Die Erfindung geht voll einem Dampfturbinenkraftwerk aus, bei dem
der Wasserdampfdruck im Kessel entsprechend der Belastung der Dampfturbine selbsttätig
geregelt wird, und besteht darin, daß das Kesselspeisewasser in an sich bekannter
Weise durch Zumischen von Dampf vorgewärmt wird. Vorzugsweise erfolgt dabei das
Zumischen des Dampfes in an sich bekannter Weise innerhalb der Speisewasserpumpe.
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Der Erfindung liegt dabei der Gedanke zugrunde, daß eine Vorwärmung
des Speisewassers durch Zumischen von Dampf innerhalb der Speisepumpe nur dann mit
Vorteil anwendbar ist, wenn der gesamte Kraftwerksblock so gefahren wird, daß der
Dampfdruck im Kessel entsprechend der Belastung der Turbine geregelt wird.
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Als Beispiel sei ein Kraftwerksblock üblicher Art mit 180 atü Kesseldruck
betrachtet. Hier hat die Speisepumpe stet, bei jeder Belastung, einen Enddruck von
etwa 185 atü und der im Speisewasserkreislauf eingeschaltete Hochdruckvorwärmer
stets einen konstanten Wasserdruck von z. B. etwa 80 atü. Der Druck des entsprechenden
Anzapfdampfes ist bei Vollast z. B. 85 atü, bei Dreiv iertellast dagegen etwa 75
atü und bei Halblast 62 atü. Es ist also bei bestimmten Betriebszuständen nicht
möglich, den Anzapfdampf in einen Mischvorwärmer oder z. B. in eine Vorwärlnkreiselpumpe
der erwähnten bekannten Art einzuspeisen. Eine Mischvorwärmung jeglicher Art ist
also nur zweckmäßig oder überhaupt möglich, wenn der Wasserdampfdruck im Kessel
entsprechend der Belastung der Dampfturbine selbsttätig geregelt wird, weil dann
das Verhältnis des Anzapfdruckes zum Druck der zugehörigen Speisewasserstufe annähernd
konstant bleibt.
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Vorzugsweise ist die Kesselspeisepumpe über eine Kupplung mit regelbarem
Schlupf, z. B. eine Flüssigkeitskupplung, unmittelbar mit der Turbine gekuppelt.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besitzt die Kesselspeisepumpe mehrere
Stufen und zwischen mehreren Stufen Vorrichtungen zum Zumischen von Dampf, die mit
mehreren entsprechenden Anzapfungen der Turbine verbunden sind. Es ist ferner zweckmäßig,
dabei die Flüssigkeitskupplung entsprechend der Belastung der Turbine zu steuern,
und die Menge des zum Kesselspeisewasser zugemischten Dampfes kann so geregelt werden,
daß die Siedetemperatur des Wassers nicht überschritten wird, Wenn also beispielsweise
der Eintrittsdruck entsprechend der Belastung der Turbine oder des Blocks 200, 160
oder 120 atü ist, so wird der Speisewasserdruck auf 210 bzw. 170 oder 130 atü gehalten.
Eine
solche Differenz muß vorgesehen sein, um ein Rückströmen von
Wasser in den Dampfkreislauf zu vermeiden.
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Abgesehen von den Druckverhältnissen soll aber eine genau dosierte
Menge Dampf in das Speisewasser eintreten. Eine solche Anweisung widerspricht den
obigen Merkmalen nicht, sondern verschärft lediglich die bisher gestellten Bedingungen.
Wie erwähnt, wird also durch eine geeignete Dosierung zweckmäßig dafür gesorgt werden,
daß die Menge des zugeführten Dampfes so gering bleibt, daß die Speisewassertemperatur
unterhalb der Siedetemperatur bleibt.
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Es kann ferner zweckmäßig sein, daß im Wasserkreislauf hinter dem
Kondensator hintereinander eine Pumpe, mehrere Oberflächenvorwärmer und eine weitere,
entsprechend der Belastung der Turbine gesteuerte mehrstufige Pumpe liegen.
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Aus physikalischen Gründen erfordert eine Beimengung von Dampf niedrigeren
Druckes zum Speisewasser entsprechender Stufe zu große Gefäße; auch tritt eine unerwünschte
Geräuschbildung auf, und damit kann die Überhitzung des Abdampfes nicht ausgenutzt
werden (Entropieverluste bei Niederdruck). Bei einem Druck von etwa 10 bis 25 atü
ist es aber vorteilhaft, Wasser und Dampf auf engem Raum in einem kurzen Pumpenstutzen
zu mischen. Wie erwähnt, ist es daher zweckmäßig, bei niedrigeren Drücken zusätzlich
weitere technische Maßnahmen anzuwenden, um den erzielten technischen Gewinn noch
zu verstärken. Vorzugsweise ist dabei die vor dem Oberflächenvorwärmer liegende
Pumpe für im wesentlichen denjenigen Druck ausgelegt, den der dem Speisewasser hinter
den Oberflächenvorwärmern zugemischte Dampf, gegebenenfalls in der ersten Zu-.nischungsstufe,
besitzt.
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Es kann dabei zweckmäßig sein, die vor den Oberflächenvorwär.nern
liegende Pumpe so groß zu bemessen, daß sie erforderlichenfalls die Turbine und
alle im Wasserkreislauf liegenden Vorrichtungen anfahren kann.
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Der durch die Erfindung erzielte technische Fortschritt ist vor allem
darin zu sehen, daß durch Entfallen unnötiger Pumpenarbeit bei Erzielung gleichmäßiger
Überhitzung in allen Lastbereichen eine Wirkungsgradverbesserung von mindestens
1/2% erwartet werden kann, wobei zusätzlich durch Einsparung kostspieliger Oberflächenvorwärmer
mit einer erheblichen Ersparnis an Anlagekosten gerechnet werden kann. Die Mittel
zur Regelung des Dampfdruckes sind an sich bereits aus der Technik des Gleitdruckverfahrens
bekannt. Bei diesem Verfahren wird der Wasserdampfdruck im Kessel entsprechend der
Belastung der Turbine selbsttätig geregelt.
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Ein besonderer Vorteil ist auch durch die Maßnahme erreichbar, die
Regelung über eine Kupplung mit regelbarem Schlupf, also durch Änderung des Förderdruckes
der Speicherpumpe, vorzunehmen. Üblicherweise sind die Sicherheitseinrichtungen
so ausgelegt, daß bei einer Überschreitung von etwa 110°/o der Nenndrehzahl der
Schnellschluß anspricht. Bei Anwendung der Erfindung kann die Steuerung so vorgenommen
werden, daß im Falle der Überschreitung der zulässigen Drehzahl der Schlupf der
Kupplung aufgehoben wird und die volle Drehzahl auf die Pumpe übertragen wird. Die
Pumpe wirkt dann als Flü ssigkeits-Wirbelstrompumpe, wobei die Leistungsaufnahme
mit der Potenz der Drehzahl steigt. Da zugleich dem Kesselhaus das Kommando »Feuer
aus« gegeben wird, erschöpft sich die im Kessel gespeicherte Wärme in kurzer Zeit.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand der Zeichnung näher beschrieben.
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Fig. 1 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig.2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung in ausführlicher
Darstellung. Wie aus Fig. 1 hervorgeht, wird der im Kessel D erzeugte Dampf, welcher
in einem Überhitzer L; überhitzt worden ist, einer Turbine T zugeführt. Die Turbine
treibt einen Generator G. Der Abdampf der Turbine wird in einem Kondensator K kondensiert.
Das Wasser fließt vom Kondensator zu einer mehrstufigen Pumpe P und wird von ihr
dem Dampfkessel D wieder zugeführt. Die Turbine T besitzt vier Anzapfu.igen a1,
a., a3, a4, von denen Leitungen zu Stellen bi, bz, b3, b4 der Pumpe P führen. Dieser
Abdampf der einzelnen Stufen der Turbine T wird entsprechenden Stufen der Pumpe
P an den genannten Stellen zugeführt und dadurch das Kesselspeisewasser vorgewärmt.
Die Pumpe P ist durch eine Flüssigkeitskupplung F unmittelbar mit der Turbine T
gekuppelt. Der Schlupf der Flüssigkeitskupplung F wird in an sich bekannter Weise
von der Belastung der Turbine, also von der Seite des Generators G aus, automatisch
geregelt. Infolgedessen wird die Pumpe P bei einer konstanten Tourenzahl der Turbine
T mit einer Umdrehungsgeschwindigkeit angetrieben, die der Belastung des Generators
G entspricht, und der Dampfkessel D erhält auf diese Weise einen Druck, der ebenfalls
dieser Belastung entspricht. Der Motor @IT kann über eine abschaltbare Kupplung
O die Pumpe P und damit über die Kupplung F auch die Turbine T antreiben. Dieser
Motor M ist lediglich vorhanden, um bei Stillstand der ganzen Anlage die Maschinen
anzufahren.
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Fig.2 zeigt ein ausführlicheres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung.
Von der Turbine sind hier die vier Stufen, nämlich die Höchstdruckstufe Th_ die
Hochdruckstufe Th, die Mitteldruckstufe Tin und die Niederdruckstufe Tia, dargestellt.
Im übrigen enthält die Zeichnung die gleichen Bezugszeichen wie die Fig.1. Zusätzlich
ist zwischen dem Kondensator K und der mehrstufigen Pumpe P eine in den Wasserkreislauf
zusätzliche Pumpe F1 eingezeichnet, die über eine Kupplung 01 von einem Motor M1
angetrieben wird, ferner vier Oberflächenvorwärmer V1, TVz, T13, T14, deren Heizdampf
bei c05, a. und a7 in der Niederdruckstufe Tn angezapft wird.
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Der Dampf auslaß der Höchstdruckstufe Tlz. ist mit dem Dampfeinlaß
der Hochdruckstufe Th verbunden. Von dieser Verbindung geht bei a1 aber überdies
eine Leitung zu einer Stelle bi der Pumpe P, an der dieser Dampf dem von der Pumpe
P auf einen entsprechenden Druck gebrachten Speisewasser zugemischt wird. Die Hochdruckstufe
Th besitzt eine besondere Anzapfung a", die zu einer anderen Stelle b., der Pumpe
P führt; an der Stelle b2 wird somit dieser Dampf dem auf den entsprechenden Druck
gebrachten Kesselspeisewasser zugemischt. Zwischen der Hochdruckstufe Tla und der
Mitteldruckstufe Ten passiert der Dampf einen Zwischenüberhitzer Ui. Vorher wird
wiederum Dampf bei a3 abgezapft für eine Stelle b3 der Pumpe P. In entsprechender
Weise wird der zwischen der Mitteldruckstufe Tm und der Niederdruckstufe Taa liegenden
Leitung Dampf bei a4 abgezapft für eine Stelle b4, an welcher dieser Dampf dem Kesselspeisewasser
zugemischt wird, das durch die Pumpe P auf entsprechenden Druck gebracht ist.
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Bei einem Blockkraftwerk der in Fig. 2 dargestellten Art für eine
Leistung von 100 mW arbeitet der
Kessel D beispielsweise mit 360
atü und 6000 C. Es fließen dann etwa
| von L' nach Thz 370 t/Std. Dampf von |
| 320 atü und 600° C |
| von a.l(Tla2) nach b1 38 t/Std. Dampf von |
| 160 atü und 452° C |
| von a.., nach b., 31 t/Std. Dampf von |
| 100 atü und 410-- C |
| von a3(Th) nach b., 30 t/Std. Dampf von |
| 55 atü und 350° C |
| von a4(Traa) nach b4 21 t/Std. Dampf von |
| 25 atü und 520° C |
| von a.. nach I'1 16 t/Std. Dampf von |
| 7 atü und 390° C |
| von a" nach V4 10 t/Std. Dampf von |
| 2 atü. und 290° C |
| von a7 nach L"3 7 t/Std. Dampf von |
| 0,7 atü und 240° C |
Die Pumpe P1 muß so ausgelegt sein, daß sie das Speisewasser durch die Oberflächenvorwärmer
TV4 bis l'1 zur Pumpe P liefert, entgegen dem 25-atü-Druck, der der Pumpe P im Punkte
b4 zugeführt wird.
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Die ganze Anordnung kann somit als eine einzige Maschine betrachtet
und geregelt werden und kann gegenüber heutigen Blockkraftwerken wesentlich raumsparender
ausgeführt werden. Der Schnellschluß kann entfallen, weil bei Überdrehzahl sofort
die Speisepumpe als Flüssigkeitsbremse wirkt; die restliche Energie kann dann auf
einen elektrischen Widerstand geschaltet werden, der auch bei zu schneller Lastabnahme
eingreifen kann.
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Besonders einfach und raumsparender wird die Anordnung, wenn der Abdampf
der Turbine nicht einem Kondensator, sondern einem Verbraucher zugeführt wird. In
der Zuleitung der Pumpe P wird dann vorzugsweise ein Entgaser eingebaut.
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Bei der Anordnung nach Fig. 2 kann die Pumpe P1 dazu dienen, die ganze
Anlage anzufahren. Dann sind der Motor .b7 und die Kupplung O überflüssig.