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Dampfkraftanlage Die Erfindung betrifft eine Dampfkraftanlage mit
druckbeheiztem Kessel, dessen Abgase in einer Turbine ausgenutzt werden.
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Der im Kessel erzeugte Dampf wird bei solchen Anlagen beispielsweise
zum Erzeugen elektrischer Energie benutzt, während die Abgasturbine etwa den Kompressor
antreibt, der die Verbrennungsluft für den Kessel liefert. Die Gasturbine kann auch
zusätzlich noch zum Erzeugen elektrischer Energie dienen.
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Bei diesen Anlagen besteht eine Schwierigkeit darin, die Temperatur
der Abgase vor der Gasturbine auf einem vorgeschriebenen Wert zu halten, damit immer
die optimale Turbinenleistung gewährleistet ist. Der Kessel muß nämlich mit verschiedener
Dampfleistung arbeiten, denn diese ist davon abhängig, welche elektrische Leistung
von dem mittels Dampfturbine angetriebenen Generator verlangt wird. Ist der Kessel
nicht voll belastet, so sinkt die Temperatur der Abgase vor der Turbine, und die
Turbinenleistung fällt ab.
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Es ist daher bereits bekannt, außer der Kesselfeuerung parallel zu
ihr eine sekundäre Feuerung vorzusehen. Diese sekundäre Feuerung wird so geregelt,
daß die Temperatur der Abgase vor der Gasturbine immer konstant bleibt.
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Gemäß der Erfindung ist die sekundäre Feuerung zwischen dem Gasauslaß
des Kessels und dem Einlaß der Turbine vorgesehen, d. h., Kesselfeuerung und sekundäre
Feuerung sind hintereinandergeschaltet.
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Dies hat gegenüber einer parallelen Einschaltung der sekundären Feuerung
zur Kesselfeuerung den Vorteil, daß die zusätzliche Feuerung bzw. deren Brenner
mit einer erheblich geringeren Temperatur arbeiten kann, denn diese Feuerung braucht
nur die aus der Kesselfeuerung kommenden, bereits heißen Abgase auf die für die
Abgasturbine erforderliche Temperatur zu bringen. Wenn dagegen die sekundäre Feuerung
parallel zur Kesselfeuerung geschaltet ist, so muß sie so eingerichtet sein, daß
sie Abgase von einer Temperatur erzeugt, die wesentlich höher ist als die Temperatur
der aus der Kesselfeuerung kommenden Abgase, damit durch das Mischen der Abgase
aus beiden Feuerungen die für die Turbine gewünschte Temperatur erreicht wird.
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Bei der Hintereinanderschaltung gemäß der Erfindung können daher die
Brenner und sonstigen Teile der sekundären Feuerung aus Werkstoffen hergestellt
werden, die keine allzu hohen Temperaturen aushalten, bzw. wird durch die geringste
Hitzebeanspruchung eine längere Lebensdauer der sekundären Feuerung erreicht.
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Hinzu kommt, daß durch die Hintereinander-Schaltung, wobei die sekundäre
Feuerung praktisch in die Abgasleitung vom Kessel eingebaut wird, auch eine bauliche
Vereinfachung und ein geringerer Platzbedarf entsteht.
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Die Zeichnung veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Es zeigt Fig. 1 eine Aufsicht auf den Kessel, die sekundäre Feuerung, die Gasturbine,
den Luftkompressor und den zweiten Wechselstromgenerator der Anlage, Fig. 2 eine
Seitenansicht zu Fig. 1, Fig. 3 eine sekundäre Feuerung, Fig. 4 ein Schema der Gesamtanlage.
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Die in Fig. 1, 2 und 4 dargestellte Anlage enthält einen Dampferzeuger
11, der aus dem eigentlichen Kessel 12 und einer äußeren Dampf-Wasser-Trommel 13
mit Fallrohren 14 und Steigrohren 15 besteht. Der Kessel 12 hat einen senkrechten
zylindrischen Mantel 16 und oben einen Dom 17, von dem aus die durch Brenner erzeugten
Flammen nach unten in die Verbrennungskammer gehen. Die Brenner werden durch eine
Brennstoffleitung 18 gespeist. Die Verbrennungsluft wird mit überdruck durch Leitungen
19 und 20 in den Kessel 12 eingeführt, die mit dem Auslaß eines Axialkompressors
22 verbunden sind. Zum Starten der Anlage kann mit dem Kompressor 22 ein Elektromotor
gekuppelt werden.
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Der aus der Trommel 13 kommende Dampf wird innerhalb des Kessels
12 überhitzt und dient zum Antrieb einer Turbine mit Wechselstromgenerator (nicht
dargestellt).
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Ein Paar Abgasleitungen 24 und 25 führen die Verbrennungsgase vom
Mantel 16 zu den Einlässen einer Gasturbine 27. Die Enden der Leitungen 24
und
25 an der Turbine 27 haben je drei Zweige 24A bzw.
25A, so daß eine Verteilung der Gase über den Umfang der Gasturbine gegeben
ist. Die Turbine 27 hat zwei Stufen 27A und 27B, die durch eine Leitung
28 verbunden sind (Fig. 4). Die Abgase der Turbine 27 strömen durch eine Leitung
29 ab und gelangen in einen Speisewasservorwärmer oder eine andere Vorrichtung zur
Ausnutzung ihres Wärmeinhalts.
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Die Turbinenstufe 27A treibt über eine Welle 30 den Luftkompressor
22 an, während die Stufe 27B über eine Welle 32 einen Wechselstromgenerator 31 (Fig.
4) antreibt. Der von diesem Generator 31 erzeugte Strom bildet einen Teil der elektrischen
Gesamtleistung der Anlage, deren größerer Teil von dem durch die Dampfturbine angetriebenen
Wechselstromgenerator geliefert wird.
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Arbeitet der Kessel mit voller Leistung, so ist die Stärke der Feuerung
ausreichend, um die der Gasturbine 27 zugeführten Gase auf der bestimmten Temperatur
zu halten, die für das Arbeiten mit bestem Nutzeffekt erforderlich ist. Fällt die
Belastung der Dampfturbine, so vermindert sich die Stärke der Feuerung, und demgemäß
erniedrigt sich die Temperatur der aus dem Kessel 12 kommenden Abgase. Dies verursacht
eine Verminderung des Wirkungsgrads der Gasturbine 27 und damit der Gesamtanlage.
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Um die bestimmte, für den besten Wirkungsgrad der Gasturbine 27 erforderliche
Gastemperatur zu halten, sind gemäß der Erfindung in den Gasleitungen 24 und 25
ein Paar sekundäre Brenner 34 bzw. 35 vorgesehen. Diese Brenner 34 und 35 bilden
Teile der Abgasleitungen 24 und 25 und sind mit Luftzweig-Leitungen 36 bzw. 37 sowie
mit Brennstoffleitungen 38 bzw. 39 verbunden. Der Brennstoff gelangt aus den Brennstoffleitungen
durch eine Düse 40 (Fig. 3) in eine Verbrennungskammer 41, die durch eine
Anzahl zylindrischer, koaxialer Einsätze 42 gebildet wird. Infolge stufenförmig
steigender Größe der Einsätze 42 sind ringförmige Einlässe 43 vorhanden, durch die
Verbrennungsgase und Luft in die Verbrennungskammer gelangen. Die Luftleitungen
36 und 37 sind je an einen Luftverteiler 44 angeschlossen, der konzentrische Verteilerbleche
45 und ein sich erweiterndes Mundstück 46 hat. Die Verbrennungsgase aus dem Kessel
12 und etwas Luft aus dem Verteiler 44 treten in die Verbrennungskammer 41 durch
die Einlässe 43 ein und dienen beim Arbeiten der Brenner zur Kühlung der Einsätze
42, da sie eine verhältnismäßig niedrige Temperatur haben. Die ganzen Verbrennungsgase
verlassen dann die Verbrennungskammer 41 und strömen zur Turbine.
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Die Steuerung des Arbeitens der Brenner bei verschiedener Belastung
des Kessels 12 ist in Fig. 4 dargestellt. Temperaturfühler 50 und
51 messen die Temperatur der Verbrennungsgase in den Leitungen 24 bzw. 25
und sind mit den Brennstoffsteuerventilen 52 und 53 in den Brennnstoffleitungen
38 und 39 verbunden. Meßblenden 54 und 55 sind in den Brennstoffleitungen 38 und
39 vorgesehen und wirken mit Fernsteuergeräten 56 und 57 zusammen, um die Stärke
des Brennstoffstroms durch die Leitungen zu messen und entsprechend dieser Stärke
einen Steuerimpuls auf die Steuerventile 58 und 59 in den Zweig-Luftleitungen 36
und 37 zu übertragen. Die Steuerventile 58 und 59 steuern also die Stärke der Luftzufuhr
entsprechend der Stärke des Brennstoffstroms in den Brennstoffleitungen 38 und 39.
Arbeitet der Kessel 12 unter Vollast, so hat die Temperatur der Verbrennungsgase
bei ihrem Eintritt in die Turbine den erforderlichen Wert, und die Temperaturfühler
50 und 51 befinden sich in ihrer Nullage. Die Steuerventile 52, 53 und 58, 59 sind
geschlossen, und die Brenner 34 und 35 arbeiten nicht. Im praktischen
Betrieb kann es jedoch erwünscht sein, die den Kessel verlassenden Gase auf einer
etwas niedrigeren Temperatur als der bestimmten optimalen Temperatur zu halten,
so daß die Brenner 34 und 35 auch bei Vollast des Kessels arbeiten, um die kleine
besondere Wärmemenge zu liefern, die dann erforderlich ist, um die in die Turbine
27 eintretenden Gase auf die vorgeschriebene Temperatur zu bringen. Dies kann erwünscht
sein, um den Zeitverlust beim Anfeuern der Brenner 34 und 35 zu vermeiden.
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Wird die Belastung des Kessels 12 geringer, so vermindert sich die
Feuerstärke der Kesselbrenner, und damit fällt die Temperatur der zur Turbine 27
strömenden Abgase. Dadurch kommen die Temperaturfühler 50 und 51 zum Ansprechen,
die somit die Brennstoffsteuerventile 52 und 53 öffnen. In entsprechender Weise
geben die auf den Brennstoffstrom ansprechenden Fernsteuergeräte 56 und 57 einen
Steuerimpuls ab, durch den die zugehörigen Steuerventile 58 und 59 in den Zweigleitungen
36 und 37 betätigt werden, um den Brennern Luft zuzuführen. Die Steuerung ist so
eingestellt, daß den Brennern 34 und 35 das Brenngemisch im richtigen Mischungsverhältnis
von Brennstoff zu Luft zugeführt wird und die in den Brennern 34 und 35 gebildeten
Verbrennungsgase die Temperatur der ganzen, in die Turbine 27 einströmenden Gase
gegebenenfalls auf den bestimmten optimalen Wert erhöhen und diesen Wert aufrechterhalten.
Weitere Änderungen der Kesselbelastung bewirken ein entsprechendes Arbeiten der
Steuerung, um die bestimmte Temperatur der Verbrennungsgase zu halten.
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Die Gasturbine 27 kann gemäß der vorliegenden Erfindung auch unabhängig
vom Kessel betrieben werden, wenn dieser angefahren wird oder eine Störung hat.
Beim Anfahren des Kessels wird der Motor 23 mit dem Luftkompressor 22 gekuppelt,
und es strömt damit Luft zum Kessel 12, selbst wenn die Kesselbrenner zu diesem
Zeitpunkt noch nicht gezündet sind. Brennstoff und Luft strömen durch die Brennstoffleitungen
38 und 39 bzw. durch die Luftzweigleitungen 36 und 37 zu und gelangen dann in die
Brenner 34 und 35 zusammen mit der aus dem Kessel durch die Abgasleitungen
24 und 25 kommenden Luft. Das Brennstoff-Luft-Gemisch wird in den Brennern 34 und
35 gezündet, und die entstehenden Verbrennungsgase strömen zur Turbine 27. Erreicht
die Temperatur der Gase den vorgeschriebenen Wert und kommt die Turbine auf die
vorgeschriebene Drehzahl, so wird der Motor 23 vom Luftkompressor 22 abgekuppelt.
Die Brenner im Kessel 12 werden gezündet, und die normale Betriebsweise der Anlage
beginnt.
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Damit die Gasturbine 27 so laufen kann, daß die Leistung des Generators
31 bei Ausfall des Kessels benutzt werden kann, ist ein Paar Luftnebenleitungen
60 und 61 vorgesehen, um die Luftleitungen 19 bzw. 20 mit den Abgasleitungen 24
und 25 zu verbinden. In den Leitungen 60 und 61 befinden sich Steuerventile 62 bzw.
63 Sperrmittel in Form von Blindflanschen oder Absperrventilen (nicht dargestellt)
werden in den Luftleitungen 19 und 20 in Kesselnähe
vorgesehen,
um zu verhindern, daß Druckluft aus den Leitungen 19 und 20 zum Kessel
strömt.
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Arbeitet der Kessel 12 nicht, so wird der Motor 23 zum Antrieb des
Luftkompressors 22 benutzt, und die Ventile 62 und 63 werden geöffnet, um die normalerweise
durch die Leitungen 19 und 20 zum Kessel strömende Luft in die Gasleitungen 24 und
25 umzuleiten. Brennstoff und Luft strömen dann durch die Brennstoffleitungen 38
und 39 bzw. die Luftzweigleitungen 36 und 37 und gelangen in die Brenner 34 und
35 zusammen mit der durch die Nebenleitungen 60 und 61 umgeleiteten Luft. Sobald
die Temperatur der die Brenner 34 und 35 verlassenden Gase den festgelegten Wert
erreicht hat, wird der Motor 23 abgekuppelt, und die Gasturbine 27 übernimmt
den Antrieb des Kompressors.