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Einrichtung zum Schutz von Kesselspeisepumpen gegen Hohlsog bei plötzlichem
Druckabfall im Speisewasserbehälter Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum
Schutz von Kesselspeisepumpen bei plötzlichem Druckabfall im Speisewasserbehälter,
wie er bei Kraftwerksanlagen, die mit Gleitdruckbetrieb arbeiten, bei Absinken der
Turbinenbelastung auftritt. Unter Gleitdruckbetrieb versteht man dabei, daß in Abhängigkeit
von der Turbinenbelastung entweder der Druck der gesamten Anlage variiert wird,
oder, bei Drossel- oder Mengenregelung der Turbine (bei konstantem Kesseldruck),
der Druck des zur Beheizung der Vorwärmer und des Entgasers dienenden, verschiedenen
Turbinenstufen entnommenen Dampfes schwankt. Bei Lastabsenkung an der Turbine, von
Vollast auf z. B. Halblast, sinkt dabei der Druck des Anzapfdampfes etwa auf die
Hälfte ab. Dieser Druckabfall im Entgaser bzw. Speisewasserbehälter sowie in der
anschließenden Zulaufleitung zur Speisepumpe hat zur Folge, daß - je nach Größe
der Absenkgeschwindigkeit - die über der für die Pumpe notwendigen Zulaufhöhe vorhandene
Sicherheitshöhe dadurch teilweise oder ganz aufgebraucht werden kann, daß infolge
der endlichen Laufzeit eines Wasserteilchens zwischen Speisewasserbehälter und Pumpe
im Falle einer solchen Druckabsenkung die Temperatur hinter dem Druck hereilt. Die
Ausdampfung oder Entspannung bleibt nicht mehr auf den Behälter beschränkt, sondern
erfaßt nunmehr auch die Zulaufleitung zur Pumpe. Die Folge ist ungenügende Zulaufhöhe
und damit Kavitation, die zu schweren Schäden und unter Umständen zu plötzlichem
Ausfall der Pumpen führen kann.
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Diese Gefahr kann dadurch behoben werden, daß bei plötzlich auftretendem
Druckabfall im Speisewasserbehälter, kurz vor dem Zulaufstutzen der Speisepumpe,
Wasser von niedrigerer Temperatur als der des im Speisewasserbehälter vorhandenen
eingespeist wird.
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Es wurde bereits vorgeschlagen, bei Heißwasserumw!älzpumpen das einzuspeisende
kalte Wasser durch ein Ventil zu regeln, das auf die bei der Verdampfung auftretende
Dichteänderung des der Pumpe zufließenden Wassers anspricht. Ferner ist eine Einrichtung
bekannt, die aus einem Dampfkessel, aus dem das Wasser einer Umwälzpumpe zufließt,
und einem Kaltwasserbehälter, der durch ein Rohr mit dem Saugstutzen der Pumpe verbunden
ist, besteht. Auch hier soll durch Dichteänderung des der Pumpe zufließenden Wassers
aus dem Kaltwasserbehälter kaltes Wasser in die Saug- bzw. Zuflußleitung der Pumpe
eingespeist werden.
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Nachteilig ist im ersten Fall, daß das Ventil erst dann in Tätigkeit
tritt, wenn der Förderdruck der Pumpe*fällt, die Pumpe also bereits im Kavitationsbereich
arbeitet. Im zweiten Fäll wird das Gleichgewicht der Wassersäulen im Kessel infölge
der bei der Ausdampfung gleichzeitig auftretenden Volumenvergrößerung des Wassers
durch die im Wasser enthaltenen Dampfblasen nicht gestört, so daß eine Kaltwassereinspeisung
in die Zulaufleitung der Pumpe überhaupt nicht stattfinden kann.
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Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung zum Schutz von Kesselspeisepumpen
gegen Hohlsog bei plötzlichem Druckabfall im Speisewasserbehälter mit einem die
Einspeisung von Kaltwasser in den Zulaufstutzen der Pumpe regelnden Ventil wird
die gestellte Aufgabe dadurch gelöst und die den bekannten Anordnungen anhaftenden
Nachteile dadurch überwunden, daß das Ventil derart angeordnet ist, daß seine Regelung
durch den Differenzdruck zw=ischen den in einer mit einer Drosselstelle in der Nähe
des Speisewasserbehälters und einer windkesselartigen Erweiterung in der Nähe des
Ventils versehenen Verbindungsleitung zum Speisewasserbehälter und den in einer
der Pumpe vorgeschalteten Mischkammer bestehenden Drücken erfolgt.
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Zwischen der Kaltwasserzulaufleitung und einer vor dem Zulaufstutzen
der Pumpe angeordneten Mischkammer wird ein Ventil angeordnet, auf dessen verlängerter
Spindel ein Kolben oder eine Membran angeordnet ist, der oder die auf der einen
Seite vom Druck des Speisewassers beaufschlagt wird und auf dessen oder deren andere
Seite der Dampfdruck einwirkt, der vor der Druckabsenkung im Speisewasserbehälter
herrschte. Zur Aufrechterhaltung dieses Druckes über die Zeit der Druckabsenkung
hinweg ist erfindungsgemäß in die Leitung zwischen Speisewasserbehälter und Steuerzylinder
für das Regelventil in der Nähe des Ventils ein windkesselartiger Behälter eingeschaltet,
der den Zweck hat, ein größeres Dampfvolumen für die Steuerung bereitzuhalten. Am
anderen Ende der Leitung, also am Speisewasserbehälter, ist eine Drossel in die
Leitung
eingeschaltet, die so bemessen ist, daß die Rückströmung
des Steuerdampfes in den Speisewasserbehälter nur so langsam erfolgen kann, daß
der auf der einen Kolbenseite herrschende Dampfdruck den auf der anderen Kolbenseite-herrschenden
Speisewasserdruck überwinden kann. Durch diesen Druckunterschied auf den Kolben
führt dieser eine Hubbewegung aus, die entweder direkt oder über andere Steuermittel
zur Betätigung des Regelventils dienen kann. Im einfachsten Falle kann auf dem einen
Ende der Kolbenstange der Ventilkörper befestigt sein, der bei Druckgleichheit auf
beiden Kolbenseiten durch eine Feder auf seinen Sitz gepreßt wird. Die Bemessung
der Federkraft ist dabei so vorzunehmen, daß sie von der Kraft, die durch die zu
erwartenden Druckunterschiede auftritt, überwunden werden kann.
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Eine andere Möglichkeit zur Betätigung des Regelventils ist dadurch
gegeben, daß man die Kolbenstange des Steuerkolbens derart auf einen elektrischen
Schalter einwirken läßt, daß dadurch bei ungleichem Druck auf beiden Kolbenseiten
die Einschaltung eines Elektromotors, dessen Welle direkt mit der Spindel eines
Absperrventils gekuppelt ist, so erfolgt, daß das Ventil geöffnet wird. Bei wiederhergestellter
Druckgleichheit auf beiden Kolbenseiten wird nach der Erfindung der Schalter so
betätigt, daß dadurch eine Umschaltung des Elektromotors erfolgt, die ein Schließen
des Regelventils zur Folge hat. Zur Hubbegrenzung kann der Elektromotor mit Endausschaltern
ausgerüstet sein.
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In den Zeichnungen ist die Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigt
Abb. 1 den Schaltplan einer Kraftwerksanlage, Abb. 2 das Diagramm des Druckes in
den einzelnen Stufen einer Dampfturbine bei Mengenregelung, Abb. 3 eine schematische
Darstellung der Zulaufverhältnisse bei Kesselspeisepumpen, Abb. 4 eine Schnittskizze
durch die erfindungsgemäße Steuer- und Regeleinrichtung und Abb. 5 eine Schnittskizze
durch eine andere Ausführungsart derselben Einrichtung.
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In Abb. 1 wird der den Kessel l verlassende Dampf durch den Überhitzer
2 geleitet und erreicht über die Frischdampfleitung 3 die Dampfturbine
4, die beispielsweise mit einem Drehstromgenerator 5 gekuppelt sein
soll. Der die Turbine verlassende Dampf wird in dem Kondensator 6 kondensiert
und das anfallende Kondensat über die Kondensatpumpe 7 den Niederdruckvorwärmern
8 und 9 zugeleitet. Von hier gelangt das Kondensat in den Entgaser
und Speisewasserbehälter 10, aus dem es der Speisepumpe 11 zuläuft.
Von der Speisepumpe wird. das Speisewasser über die Hochdruckvorwärmer
12 und 13 schließlich dem Kessel 1 zugeführt. Die Leitungen
14
sind an einzelnen Turbinenstufen angezapft und dienen zur Beheizung der
Vorwärmer. Über die Leitung 15 steht der Speisewasserbehälter ebenfalls mit
einer Turbinenstufe in Verbindung. Bei Kraftwerksanlagen mit Festdruckbetrieb wird
der Entgaser unter Zwischenschaltung eines gesteuerten Reduzierventils aus der Frischdampfleitung
3 beheizt, wie es durch die gestrichelte Linie 15'
dargestellt ist.
Dadurch war einerseits gewährleistet, daß der Druck im Speisewasserbehälter konstant
blieb, andererseits wurde der Dampf nicht zur Arbeitsleistung herangezogen und bedeutete
einen Wirkungsgradverlust für die Anlage. Dies führte dazu, daß man teilweise neuerdings
den Entgaser, wie beschrieben, mit Turbinenanzapfdampf beheizt, so daß der Dampf
vorher schon eine gewisse Arbeit geleistet hat und nicht gedrosselt werden muß.
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Wie aus Abb. 2 ersichtlich ist, fällt der Dampfdruck bei Vollastbetrieb
in den Turbinenstufen nach der Kurve 16 ab. Bei Teillast der Turbine ist
der Stufendruck entsprechend geringer und erreicht eine Kurve entsprechend
17 in Abb. 2. In der Stufe, die die Anzapfleitung für den Speisewasserbehälter
enthält, sinkt also der Druck von einem Wert p bei Vollastbetrieb auf einen Wert
p' bei z. B. Halblastbetrieb.
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In Abb. 3 sind die Zulaufverhältnisse für die Speisepumpe dargestellt.
Aus dem Speisewasserbehälter 18
läuft das Speisewasser der Pumpe
19 zu, die mit dem Elektromotor 20 gekuppelt ist. Für den Betrieb
der Pumpe ist eine errechnete Zulaufhöhe HZerf. notwendig. Die bauseitig vorhandene
Zulaufhöhe sei HZ9orn., so daß sich eine Sicherheitshöhe von S = HZyorh.
- H"" ,. ergibt, die - wie zuvor beschrieben - infolge Druckabsenkung ganz
oder teilweise aufgebracht werden kann.
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In Abb. 4 ist die erfindungsgemäße Einrichtung dargestellt, die zum
Schutz der Kesselspeisepumpe bei derartigen Druckabsenkungen dient. Die Zulaufleitung
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zwischen Speisewasserbehälter 18 und Speisepumpe 19
ist kurz
vor dem Zulaufstutzen der Pumpe unterbrochen und von einer Mischkammer 22 umgeben.
An diese Mischkammer ist das Gehäuse 23 des Regelventils angeflanscht. Dieses Ventil
enthält in seinem unteren Teil den Zulaufstutzen 24 für das Mischwasser,
der durch den Ventilkörper 25 abgeschlossen werden kann. Auf der Verlängerung
der mit dem Ventilkörper verbundenen Ventilspindel 26 ist ein Kolben
27 angeordnet, der in einem Zylinder 28 gleitet. Am entgegengesetzten Ende
29 der Ventilspindel ist eine Schraubenfeder 30 angeordnet, die im
Ruhezustand das Ventil geschlossen hält. Der Zylinderraum 31 auf der einen
Kolbenseite wird vom Druck des Speisewassers beaufschlagt, der Zylinderraum 32 auf
der anderen Kolbenseite von dem Dampfdruck, der vor der Druckabsenkung im Speisewasserbehälter
herrschte. Damit dieser - Dampfdruck auf der einen Zylinderseite aufrechterhalten
werden kann, ist in die Leitung 33
zwischen Speisewasserbehälter
18 und Regelventil 23 kurz hinter dem Speisewasserbehälter eine Drossel 34
und kurz vor dem Regelventil ein windkesselartiger Behälter 35 eingeschaltet. Bei
plötzlichem Druckabfall im Speisewasserbehälter wird sich auf der Seite
31 des Steuerkolbens der nach dem Druckabfall im Speisewasserbehälter vorhandene
Druck einstellen, wogegen auf der anderen Kolbenseite 32 noch der Dampfdruck
herrscht, der vor dem Druckabfall im Speisewasserbehälter herrschte. Diese Druckdifferenz
überwindet die Kraft der Feder 30 und hebt den Ventilkörper 25 von
seinem Sitz ab, so daß Mischwasser über den Stutzen 24 in die Mischkammer
22 eintreten kann. Die Absenkung des Dampfdruckes auf der Seite 32 des Steuerkolbens
kann nur langsam erfolgen, da dem die Drossel 34 entgegenwirkt. Nach vollkommenem
Druckausgleich zwischen beiden Kolbenseiten geht der Ventilkörper des Regelventils
unter Wirkung der Kraft der Feder 30 wieder in die Schlußstellung zurück.
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In Abb.5 ist eine andere Ausführungsart der erfindungsgemäßen Einrichtung
dargestellt. An die Mischkammer 22 ist hier ein T-förmiges Rohrstück angeflanscht,
an das andererseits der Regelzylinder sowie das Absperrventi137 angeflanscht sind.
Der Aufbau des Regelzylinders 36 ist im Prinzip der gleiche wie der bei der oben
beschriebenen Anordnung. Auf der einen Seite 38 wird der Steuerkolben vom Druck
des Speisewassers beaüfschlagt, während auf der anderen Seite der Dampfdruck, der
vor der Druckabsenkung herrschte, über die Leitung 33 einwirkt. Die Kolbenstange
des Steuerkolbens 27 wirkt auf den Schalter 39 ein und bewirkt damit
die Einschaltung des Elektromotors 40, dessen Welle mit der Spindel des Absperrventils
37 direkt gekuppelt ist. Nach vollendetem Druckausgleich zwischen
beiden
Seiten des Steuerkolbens geht der Schalter 27 in die entgegengesetzte Lage,
wodurch die Einschaltung des Elektromotors in umgekehrter Drehrichtung erfolgt.
Der Elektromotor kann mit Endausschaltern ausgerüstet sein.