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Einer Hauptdampfkraftanlage zugeordnete Dampfkraftanlage mit einem
über Wärmeaustauschflächen aufgeladenen Gefällespeicher Die Erzeugung von Spitzenenergie
wird voraussichtlich stets ein Problem der öffentlichen Stromversorgung bleiben.
Diese Spitzen wurden früher vielfach von alten thermischen Kraftwerken mit ihren
niedrigen Dampfzuständen ohne technische Sch-,vierigkeiten gedeckt und, weil die
Werke abgeschrieben waren, trotz hohen Wärmeverbrauches in wirtschaftlich befriedigender
Weise; die »alten« Werke werden aber zunehmend zu solchen mit hohen Dampfdrücken
und hohen Dampftemperaturen, die ihrem Wesen nach für Spitzendeckung wenig geeignet
sind. Das Hinzukommen von reine Grundlast erheischenden Atomwerken verschärft das
Spitzenproblem. Es treten daher besonders Speicherwerke, insbesondere auch solche
thermischer Art, sofern sie billig genug sind, wiederum in den Vordergrund, und
es wird in Verfolgung dieses Gedankens im folgenden eine Kombination von verschiedenen
Maßnahmen angegeben, die in ihrer Endwirkung wesentliche wirtschaftliche Verbesserungen
gegenüber bisher bekannten Anordnungen bieten, insbesondere in den Anlagekosten,
die für die Spitzendeckung besonders wichtig sind.
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Die hier dargelegten Gedanken bilden ein zusammenhängendes, auf den
dargelegten Zweck hinwirkendes gedankliches Ganzes, was aber nicht ausschließt,
daß man je nach den Verhältnissen einen oder den anderen Teil der Kombination weglassen
kann, ohne das Gebiet der Erfindung zu verlassen. Das Ganze ist als Ergänzung zu
einem thermischen Kraftwerk mit fossilen oder nuklearen Brennstoffen gedacht. Die
Erfindung bezieht sich auf eine einer Hauptdampfkraftanlage zugeordnete Dampfkraftanlage
mit einem über Wärmeaustauschflächen aufgeladenen Gefällespeicher, vorwiegend zur
Spitzendeckung in Verbindung mit einer von fossilen oder atomaren Brennstoffen gespeisten
Dampfkraftanlage. Die Erfindung ist gekennzeichnet durch eine mehrstufige Speicheraufladung
durch Dampf - vorzugsweise Anzapfdampf - aus der oder den Kraftmaschinen der Hauptdampfkraftanlage
unter Verwendung von im Kondensator der Hauptdampfkraftanlage erwärmtem Kühlwasser
zum Niederschlagen des Abdampfes der vom Gefällespeicher gespeisten Kraftmaschine,
wobei, falls mehrere, vorzugsweise als Einspritzkondensatoren ausgebildete Kondensatoren
Verwendung finden, diese in an sich bekannter Weise kühlwasserseitig hintereinandergeschaltet
sind.
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Die für diesen Zweck benötigten Dampfturbinen werden wegen der zu
verarbeitenden großen Dampfvolumina und vor allen Dingen wegen der erforderlichen
- auf das kW bezogen - sehr großen Kondensationsanlagen und Kühlwassermengen sehr
kostspielig: es geht spezifisch das Mehrfache an Wärme, verglichen mit modernen
Dampfwerken, in den Kon-Es wird nun zunächst vorgeschlagen, das erwärmte Kühlwasser
von den Hauptmaschinen des Kraftwerkes für die Spitzendeckungsmaschine zu verwenden.
Man spart dabei jegliche zusätzliche Wasserbeschaffungsanlage, was sich hier größenordnungsmäßig
auf 25 bis 50 DM/kW belaufen kann. Das schlechtere Vakuumvielleicht 2()/o - stellt
größtenteils nur einen scheinbaren Verlust - Wirkungsgrad und Speicheranlagekosten
- dar, da die hohen Kosten der Endschaufeln und der Kondensationseinrichtungen -
auf das kW bezogen - die Ausnutzung sonst erreichbarer Vakua wirtschaftlich sowieso
verbieten, vor allem bei der geringen Benutzungsdauer der Spitzen. Die Verschlechterung
kann übrigens in bekannter Weise zum Teil durch Kühlwasserhintereinanderschaltung
der -wegen der mehrfachen Auslässe der Turbinen -leicht aufzuspaltenden Kondensatoren
verkleinert werden; diese Maßnahme in vorliegender Kombination bietet gegenüber
Normalanlagen, wo die Hintereinanderschaltung wegen der Nähe des Grenzvakuums, welches
die Turbine nicht mehr ausnutzen kann, im allgemeinen sehr wenig bringt, erhebliche
Vorteile.
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Man könnte daran denken, die Kondensation durch die übliche Regenerativvorwärmung
des Kondensators der Speicherturbine wenigstens etwas zu verkleinern; dem stünde
aber die durch die vergrößerte Dampfmenge je kWh bedingte Verteuerung des Speichers
entgegen. Die wärmewirtschaftlichen Vorteile kann man erreichen, wenn man die stufenweise
Wiedererwärmung des Speicherturbinenkondensates auf die Ladezeit verlegt und sie
im Anschluß an eine während
der Ladezeit laufende Turbine vornimmt.
Hierbei gewinnt man noch den - im Zusammenhang mit den hier zugrunde liegenden Fragen
des Belastungsausgleiches zwischen Tag und Nacht - wichtigen Vorteil, die Energieausbeute
bei gegebener Wärmeausbeute von Kessel oder Reaktor zu vermindern. Da außerdem die
Ladezeit wesentlich länger als die Entladezeit sein wird, werden die Heizflächen
viel kleiner. Zur Durchführung müßte allerdings das kalte Kondensat bis zur Ladezeit
gespeichert werden; dies kann nach dem Verdrängungsprinzip im Hauptspeicher, ohne
ihn zu vergrößern, oder in einem nicht kostspieligen drucklosen Behälter erfolgen.
Wenn man, im Sinne der weiteren Darlegungen, eine wasserseitige Trennung der Speicheranlage
von der Hauptkraftwerksanlage durchführt, kann man auch erwärmtes, nachts anfallendes
Kühlwasser verwenden, indem man den kleinen Nachteil in Kauf nimmt, daß der Ausgangspunkt
der Erwärmung statt z. B. bei 30 bis 35 bei 20° C liegt.
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Zu einer weiteren wesentlichen Verbilligung der Anlagekosten kommt
man, wenn man die Oberflächenkondensatoren durch Einspritzkondensatoren ersetzt.
Diese werden dadurch anwendbar, daß die hier vorgeschlagene Ladungsart eine völlige
Trennung von den wasserempfindlichen Kreisläufen des Hauptwerkes gestattet. Bei
guter Entlüftung geben die Einspritzapparate ein höheres Vakuum als Oberflächenapparate,
und es wird dadurch der Nachteil des wärmeren Kühlwassers wettgemacht. Bei kühlwasserseitiger
Hintereinanderschaltung von zwei oder mehreren Kondensatoren, die hier besondere
Vorteile bietet, dient der erste als Entlüftung für die folgenden, die infolgedessen
das theoretische Vakuum erreichen. Man kann aber zur weiteren Verbesserung einen
besonderen Entlüfter vor dem ersten Kondensator anbringen. Den Kondensatoren und
dem Entlüfter wird man zur Verminderung der Pumparbeit barometrische Abfallrohre
geben. Man wird hierbei, falls man eine Turbine mit mehreren abschaltbaren Zylindern
verwendet, den nur bei der Höchstspitzenbelastung eingeschalteten Zylinder dem am
schlechtesten entlüfteten, d. h. in der Richtung des Kühlwasserstromes ersten Kondensator
zuordnen.
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Die Verwendung von Kondensat aus den Einspritzkondensatoren macht
wegen der Wärmeübertragungsflächen eine Wasserreinigung erwünscht, die allerdings
wesentlich primitiver und billiger sein kann, als dies z. B. für Hochdruckkessel
notwendig ist. Trotzdem würde sie eine Belastung darstellen, wenn man das in den
Speicher zurückzupumpende Kondensat während der Entladeperiode reinigen würde. Durch
Einschaltung in die Ladeleitung - wobei das oben über Zwischenspeicherung Gesagte
zu beachten ist - läßt sich die Größe der Reinigungsanlage reduzieren, z. B. bei
2 Stunden Entladung und 8 Stunden Ladung auf ein Viertel. Noch weiter lassen sich
die Kosten vermindern, wenn man die Reinigungsanlage an die Zwischenspeicherung
anschließt und hier das Wasser 24stündig enthärtet.
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Die Speicherspitzenturbine wird ihrem Wesen nach nur wenige 100 Stunden
im Jahre gebraucht und steht daher - theoretisch - etwa 8000 Stunden als Reserve
für das Hauptwerk zur Verfügung. Da sie als Speicherturbine noch bei einem Speicherdruck
der Hälfte oder eines Drittels des maximalen die volle Leistung abgeben muß, kann
sie bei vollem Druck erheblich mehr leisten, wobei nur der Generator und eventuell
Pumpen der erhöhten Leistung anzupassen sind. Bei der bevorzugten Verwendnug von
Einspritzkondensatoren sind Wärmeübertragungsflächen zwischen dem wärmeabgebenden
Dampf der Hauptanlage und dem Speicherdampf einzuschalten; hierzu werden die normal
verwendeten Regenerativflächen nicht ausreichen, und es wären zusätzliche - mit
Dampf, der Arbeit geleistet hat, gespeiste - anzuordnen, z. B. in bekannter Weise
als Schlange im unteren Speicherteil oder im Entspannungsgefäß. Es fände dann Ladung
und Entladung gleichzeitig statt. Man kommt durch diese Kombination zu einer sehr
billigen Reserve.
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Wie eingangs gesagt, können die hier beschriebenen Anordnungen zur
Verbesserung des Belastungsausgleichs mit Speisewasserspeicherung im Hauptwerk kombiniert
werden. Es kann aber sein, daß insbesondere bei 1\Tuklearanlagen in der Nacht noch
eine über die Leistungsfähigkeit der genannten Speicherungen nicht absetzbare Energie
vorhanden ist. Man kann dann noch damit kombinieren die an sich bekannte thermodynamische
Speicherung, bestehend aus Unter- und Oberspeicher, zwischen welchen energieaufnehmend
ein Dampfkompressor für die Ladeperiode, energieabgebend eine Dampfturbine geschaltet
ist. Oberspeicher und Turbine fallen mit den hier beschriebenen zusammen, und nur
Unterspeicher und Kompressor kommen als Nebeneinrichtungen dazu.
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Eine Möglichkeit, die Speicherkosten pro Kilowattstunde zu vermindern,
besteht darin, daß man bekannterweise den Speicherdampf vor Eintritt in die Turbine
überhitzt; hierfür dürfte Ölfeuerung, die leicht eine Regulierung an eine konstante
Temperatur des Dampfes ermöglicht, geeignet sein. Diese zusätzliche Überhitzung
erhöht den wirtschaftlichen Wert der Anordnung sowohl für den Speicherbetrieb wie
für den zuletzt genannten Reservebetrieb.
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Die Abbildung stellt schematisch eine Realisierungsmöglichkeit der
Erfindung dar.
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1 stellt eine Hauptturbine des Dampfwerks dar, an dem die Speicheranlage
angeschlossen ist; sie treibt den Generator 2 an, gibt den Dampf an den Kondensator
3 ab, der aus einer Kühlwasserquelle 3 a gespeist wird. Das Kondensat geht durch
eine Kondensatpumpe 4 über Regenerativvorwärmer 4 a in normalem Kreislauf zum Kessel
zurück. Parallel zu dem eben genannten Regenerativvorwärmr gibt es ein zweites Vorwärmersystem
5, welches über Leitung 5 a und eine Pumpe 5 b das unten dem Speicher entnommene
Wasser erwärmt und oben in den Speicher 6 zurückführt. Dem Speicher 6 ist hier beispielsweise
ein Umwälzentladesvstem über das Entspannungsgefäß 7 und die Pumpe 7 a zugeordnet.
Aus dem Entspannungsgefäß 7 geht der Dampf zu der zweiendig dargestellten Speicherturbine
8, welche den Generator 9 antreibt; die zweiendige Turbine gibt ihren Dampf in die
hintereinandergeschalteten Einspritzkondensatoren 10a und 10b. Diese erhalten ihr
im Hauptkondensator 3 erwärmtes Kühlwasser über die Leitungen 11 mit Hilfe der Pumpe
11 a. Von dem Ablauf der Einspritzkondensatoren 10a und 10b wird ein kleiner Teil
- der eventuell z. B. in dem Zwischengefäß 12 gespeichert wird - entnommen, um den
Speicher wieder aufzufüllen; hierzu dient die Pumpe 15, welche beispielsweise das
Wasser über eine eventuell notwendige Wasserreinigung 19 durch eine Leitung 14 zurückführt,
wo es nach Durchlaufen der an die Hauptturbine angeschlossenen Regenerativvorwärmung
5 in den oberen Teil des Speichers zurückkehrt.
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Gestrichelt ist der eventuelle Anschluß der thermodynamischen Speicherung
angedeutet. Die Leitung 20 führt Abdampf dem Unterspeicher 21 zu. Der Speicherinhalt
wird über ein Ausdampfgefäß 22 geleitet,
von wo aus der Kompressor
23 ansaugt und den Dampf zum Oberspeicher 6 fördert.
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Für die beschriebene Verwendung der Speicherturbine als Reserve kann
die Wärmezufuhr durch Frischdampf oder vorentspannten Dampf z. B. in 6 oder 7 erfolgen.