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Dampfkraftanlage mit zweifacher Zwischenüberhitzung Die Erfindung
bezieht sich auf eine Dampfkraftanlage, deren Kesselsystem mit zweifacher Zwischenüberhitzung
ausgestattet ist und dem ein Kraftmaschinensystem in Blockschaltung zugeordnet ist.
Die Erfindung hat besondere Bedeutung für Kesselsysteme, die im Zwangstrom betrieben
werden.
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Um bei Dampfkraftanlagen großer Leistung in Blockschaltung einen wirtschaftlichen
Schwachlastbetrieb zu ermöglichen, ist es bekannt, eine Aufteilung des Dampferzeugers
in zwei Teillastkessel vorzunehmen und gegebenenfalls einen der beiden Einzelkessel
stillzusetzen (Zeitschrift »Energie«, 1956, Nr. 6, S. 197, insbesondere Bild 16
mit zugehörigem Text). Bei großen Dampfkraftanlagen sinkt der spezifische Wärmeverbrauch
merklich, wenn von einer mehrmaligen Zwischenüberhitzung Gebrauch gemacht wird.
Man ist daher bestrebt, bei derartig großen Anlagen im Gegensatz zu kleineren Anlagen,
bei denen mit einmaliger Zwischenüberhitzung gearbeitet wird, durch doppelte Zwischenüberhitzung
die Wirtschaftlichkeit zu erhöhen. Es ist demgemäß bekannt, bei Aufteilung des Kessels
in Einzelkessel jedem Einzelkessel zwei Zwischenüberhitzer zuzuordnen. Dies ist
beispielsweise bei einem bekannten Hochdruckkessel mit mehrfacher, zum Teil mit
Rauchgasen, zum Teil mit Dampf beheizter Zwischenüberhitzung bekannt, bei dem der
Kessel in Hälften aufgeteilt und jede Hälfte für sich allein betriebsfähig ist (deutsche
Auslegeschrift 1102 760). Von einer ähnlichen Zuordnung von überhitzerheizflächen
zu Teilsystemen des Kessels macht auch ein bekanntes Verfahren zum Betrieb einer
Dampfkraftanlage bei vorübergehender Abschaltung des Generators vom Netz Gebrauch
(deutsche Patentschrift 971815). Bei Dampfkraftanlagen dieser Art sind auch schon
Maßnahmen bekanntgeworden, um bei Parallelbetrieb der Teilkessel Korrekturen von
Schwankungen der Frischdampfleistung und Zwischendampfmengen herbeizuführen (deutsche
Auslegeschrift 1029 389). Besondere Maßnahmen dienen dabei der Verteilung der Dampfmengen
auf die den beiden Einzelkesseln angehörenden Zwischenüberhitzer.
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Wenn man, wie dies bei bekannten Anlagen der Fall ist, nun aber den
Dampferzeuger in zwei Einzelkessel aufteilt, so werden die Vorteile eines Gewinnes
an Wirtschaftlichkeit teilweise wieder dadurch zunichte gemacht, daß ein erhöhter
Aufwand an Rohrleitungen und Regeleinrichtungen benötigt wird, die die beiden Zwischenüberhitzersysteme
verbinden. Die erforderliche große Anzahl an zusätzlichen Absperrorganen in diesem
Rohrleitungssystem macht die Anlage unübersichtlich und gestaltet das Zuschalten
und Abschalten eines Kessels mit seinen beiden Zwischenüberhitzern schwierig.
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Diese Schwierigkeiten sind auch zum Teil bei einer der eingangs erwähnten
bekannten Dampfkraftanlagen vorhanden, bei der es darum geht, einer vorübergehenden
Abschaltung des Generators vom Netz Rechnung zu tragen (deutsche Patentschrift 971815).
Das Kesselsystem dieser bekannten Dampfkraftanlage ist mit einer zweifachen Zwischenüberhitzung
ausgerüstet, wobei unter Aufteilung des Dampferzeugers in zwei parallel zu betreibende
Einzelkessel jedem Einzelkessel einer der beiden Zwischenüberhitzer zugeordnet und
jeder der beiden Zwischenüberhitzer für die volle Dampfmenge beider Einzelkessel
zusammen ausgelegt ist. Bei Übergang auf Schwachlastbetrieb wird bei dieser bekannten
Anlage die Feuerleistung in einem der beiden Teilkessel herabgesetzt, muß aber noch
bis zu einem gewissen Prozentsatz von beispielsweise 15 bis 40 % der Stärke, die
der maximalen Feuerleistung entspricht, aufrechterhalten werden. Die Heizflächen,
die in diesem mit abgesenkter Feuerleistung betriebenen Kesselteil angebracht sind,
werden stets von Arbeitsmittel durchflossen, wobei besondere Maßnahmen getroffen
werden, um im wesentlichen die im Vollastbetrieb vorhandenen Temperaturwerte aufrechtzuerhalten.
Dadurch wird eine Vielzahl von Rohrleitungen, Ventilen und anderen Armaturen sowie
Regeleinrichtungen erforderlich, die die Anlage komplizieren und störanfällig gestalten.
Überdies werden Teilmengen des Arbeitsmittels im Kreislauf geführt, ohne in der
Dampfturbine mechanische Arbeit zu leisten, so daß damit Wärmeverluste verbunden
sind.
Bei einer anderen, ebenfalls eingangs bereits erwähnten bekannten
Dampfkraftanlage, bei der mindestens zwei Kessel mit Zwischenüberhitzern auf gemeinsame
Verbraucher arbeiten (deutsche Auslegeschrift 1029 389) und bei der eine besondere
Regelung für die anteilmäßige Speisung der beiden parallel arbeitenden Kessel sorgt,
wird für die Betriebsfähigkeit des Kessels ebenfalls vorausgesetzt, daß die beiden
Kesselteile ständig beheizt und vom Arbeitsmittel durchsetzt werden.
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Demgegenüber geht aber die Erfindung davon aus, einen der im Vollastbetrieb
parallel nebeneinander betriebenen Einzelkessel überhaupt ganz stillzusetzen. Dies
bedeutet, daß sowohl die Beheizung entfällt als auch der Arbeitsmitteldurchsatz
unterbleibt. Auf diese Weise werden die geschilderten Schwierigkeiten umgangen und
ein wirtschaftlicher Schwachlastbetrieb ermöglicht, bei dem nur die Arbeitsmittelmengen
das Rohrsystem durchsetzen, die in der Dampfkraftmaschine zur Arbeitsleistung ausgenutzt
,werden, nicht aber Arbeitsmittelmengen umgewälzt werden müssen, um irgendwelche
Heizflächen vor übermäßiger Erwärmung zu schützen. Wenn man aber jetzt das in der
eingangs geschilderten Literaturstelle (»Energie«, 1956) für eine Dtrmpfkraftanlage
mit einfacher Zwischenüberhitzung geschilderte Prinzip auf eine Anlage mit mehrfacher
Zwischenüberhitzung ausdehnen wollte, würden die zur Umschaltung der zahlreichen
arbeitsmittelführenden Leitungen erforderlichen Maßnahmen Schwierigkeiten bereiten,
die die Anlage verteuern und durch ihre komplizierte und unübersichtliche Schaltung
die Bedienung erschweren würden. Wenn bereits bei einfacher Zwischenüberhitzung
für eine Unterteilung der Kesselanlage mit Rohrleitungen, Armaturen und baulichem
Teil eine Kostenerhöhung um etwa 10% gegenüber einer Anlage mit nur einem Kessel
an-Jegeben ist, so müßte bei zweifacher Zwischenüberhitzung bereits mit einem wirtschaftlich
nicht mehr vertretbaren Mehrkostenbetrag gerechnet werden. Demgegenüber zeigt die
Erfindung jetzt einen Weg, wie man trotzdem eine solche Unterteilung der Kesselanlage
auf mehrfache Zwischenüberhitzung ausdehnen kann, ohne dabei diese Nachteile in
Kauf nehmen zu müssen.
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Demgemäß besteht die Erfindung darin, daß bei einer Dampfkraftanlage
der geschilderten Art bedarfsweise einer der beiden Einzelkessel stillzusetzen und
jeder der beiden Zwischenüberhitzer mittels wahlweise einschaltbarer Bypaßleitungen
überbrückbar ist, wobei die Dampfkraftanlage bei Stillsetzung eii_es Einzelkessels
und damit eines Zwischenüberhitzers nunmehr mit einfacher Zwischenüberhitzung betreibbar
ist.
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Jeder der beiden Einzelkessel besitzt also nur einen einzigen Zwischenüberhitzer,
wobei sich im Vollastbetrieb die Zwischenüberhitzer lediglich in ihrem Druckniveau
unterscheiden. Auf diese Weise läßt sich erreichen, daß eine doppelte Zwischenüberhitzung
nicht nur ohne betriebliche Erschwerung angewendet werden kann, sondern auch beim
Zuschalten des zweiten Kessels zu dem vorher im Schwachlastbetrieb für sich allein
arbeitenden Einzelkessel darüber hinaus noch für das Bedienungspersonal Erleichterungen
entstehen.
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Für einen Dampferzeuger mit einfacher Zwischenüberhitzung ist es ohne
Bedeutung, bei welchem Druckniveau die einfache Zwischenüberhitzung stattfindet.
Bei den bisher erstellten Anlagen liegt dieses Niveau im Vollastbetrieb bei etwa
50 ata und bei Schwachlast bei etwa 12 ata. Dies gilt auch für große sowie mittlere
Kesselleistungen, also auch für Einzelkessel, die mit gleich großen oder verschieden
großen anderen Einzelkesseln parallel zu betreiben sind.
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Für eine Dampfturbine oder für eine andere Dampfkraftmaschine bedeutet
die Höhe des Druckniveaus, in welchem die einfache Zwischenüberhitzung vorgenommen
wird, keine Schwierigkeiten. Diese kann also durchaus in einem Bereich von 100 bis
50 ata oder von 20 bis 10 aua liegen. Entscheidend für die Wahl des Zwischenüberhitzerdruckes
ist die Erzielung des optimalen Wärmeverbrauches.
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Für das Bedienungspersonal dürfte es schließlich von geringer Bedeutung
sein, ob der eine oder der 2ndere Druckbereich für eine einfache Zwischenüberhitzung
gewählt wird. Wichtig für das Bedienungspersonal ist, da ß es gegenüber den
herkömmlichen Ausführungen keine Besonderheiten zu beachten hat.
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Wenn die Erfindung diese Bedingung auch für eine doppelte Zwischenüberhitzung
erfüllt, indem jeder Halblastkessel nur einen Zwischenüberhitzer, der für die volle
Dampfmenge beider Kessel ausgelegt ist, enthält, unterscheiden sich die Einzelkessel,
wie gesagt, also nur hinsichtlich des Druckniveaus, auf welchem sich die Zwischenüberhitzung
abspielt und das durch den Dampfkreislauf vorgegeben ist. Durch die eindeutige Trennung
der beiden Zwischenüberhitzungssysterne wird es nicht mehr notwendig, besondere
Verteilungsleitungen und Armaturen vorzusehen. Der Maschinist braucht bei einer
solchen Anlage mit doppelter Zwischenüberhitzung die Einzelkessel nicht anders zu
bedienen, als wenn mit einfacher Zwischenüberhitzung gearbeitet wird. Wenn der zweite
Einzelkessel zugeschaltet wird, so braucht nicht besonders darauf geachtet zu werden,
daß wegen unterschiedlicher Belastung der beiden Einzelkessel ihre Zwischen@rtlerhitzertemperaturen
gleich oder verschieden sind oder unerwünschte Temperatursprünge eintreten könnten.
Dagegen lassen sich bei den bekannten Anlagen, bei denen jeder der beiden Teilkessel
sowohl einen ersten als auch einen zweiten Zwischenüberhitzeranteil oder auch nur
einen Zwischenüberhitzeranteil besitzt, Temperatursprünge nur schwer verhindern.
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Die durch die zweifache Zwischenüberhitzung notwendige nochmalige
Zuführung von zwischenüberhitztem Dampf macht eine Unterteilung der Beschaufel_ung
im Mitteldruckteil einer Dampfturbine auf zwei Turbinengehäuse erforderlich. Dies
bedingt die Anordnung von Absperrorganen vor und hinter der zweiten Zwischenüberhitzung,
ähnlich wie bei der einfachen Zwischenüberhitzung. Für den Normalbetrieb mit zwei
Kesseln wie auch für den Schwachlastbetrieb mit einem Kessel werden gegenüber der
Schaltung mit einfacher Zwischenüberhitzung aber sonst keine weiteren Rohrleitungen
und Armaturen benötigt. Die Erfindung kann im übrigen von bekannten Umführungsleitungen
Gebrauch machen, wie sie als Bypaßleitungen mit einzelnen Turbinenstufen beispielsweise
zum An- und Abfahren der Anlage allgemein gebräuchlich sind. Während bei den bekannten
Anlagen derartige Bypaßleitungen aber nur zeitweise betrieben werden und dementsprechend
nur als An- und Abfahrleitungen anzusprechen sind, so kommt bei der Erfindung
einer
solchen Umführungsleitung die Bedeutung zu, im Dauerbetrieb mit Teillast den entsprechenden
Turbinenteil vom Energieumsatz zu befreien, wenn im Schwachlastbetrieb die Kraftmaschine
nur mit einfacher Zwischenüberhitzung arbeitet. Die Umgehungsleitungen für die Turbinengehäuse
werden vielfach auch bei Anlagen nach der Erfindung ohnehin vorgesehen, um das An-
und Abfahren der Anlage zu erleichtern.
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Bei plötzlichem Ausfall eines Einzelkessels können die beiden Hochdruckgehäuse
der Dampfturbinen durch eine der ohnehin zum Anfahren der Turbinen notwendigen Umgehungsleitungen
entlastet werden, so daß ein zu schneller Temperaturabfall in diesen Gehäusen vermieden
wird. Die Kraftmaschine arbeitet dann im wesentlichen nur mit den Turbinenstufen
im Mittel- und Niederdruckteil. An deren Einströmung bleiben die Temperaturen auch
bei einem derartigen Störfall nahezu unverändert. Da ohnehin zwei Anfahrsysteme
vorhanden sind, ist also auch für einen solchen Störfall ohne Mehraufwand eine doppelte
Sicherheit gegeben.
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An Hand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden.
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Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel seinen für die Erfindung
wesentlichen Teilen in stark vereinfachter schematischer Darstellung.
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Die Kraftmaschine ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel als
ein Einwellen-Turbinensatz 1 ausgebildet, wobei zwei Hochdruckgehäuse 2 und 3, ein
Mitteldruckteil 4 und zwei Niederdruckteile 5 und 6 einen Generator 7 antreiben.
Der Dampferzeuger ist in die beiden Einzelkessel 8 und 9 aufgeteilt. wobei diese
Kessel vielfach als Halblastkessel gleich groß bemessen zu werden pflegen. Es ist
naturgemäß aber auch möglich und bringt in manchen Fällen gewisse Vorteile, einen
der beiden Einzelkessel größer und dementsprechend den anderen Kessel kleiner auszubilden.
Dies hat den Vorf°:1, da!? man unter Umständen noch eine bessere AnpassunG1 an bestimmte
Belastungsverhältnisse erreichen kann. Dies hängt vor allem davon ab, wie das Arbeitsprogramm
der Dampfkraftanlage in seinem zeitlichen Ablauf nestaltet werden soll. Wenn beispielsweise
ein großer Prozentsatz der Betriebsstunden bei einer Leistung von etwa zwei Dritteln
Vollast gefahren werden soll, so wird man den einen Kessel etwas größer als den
anderen Einzelkessel bemessen und den kleineren Kessel während des Teillastbetriebes
stillsetzen. Man hat dann bei etwa einem Drittel des Vol_lastwertes abermals optimale
Betriebsbedingungen, wenn dann der größere Kessel stillgesetzt wird und nur der
kleinere Teilkessel arbeitet.
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Der Einzelkessel 8 ist mit einem Erberhitzer 10.
der Einzelkessel
9 dementsprechend mit einem überhitzer 11 versehen. Im Kreislauf des Arbeitsmittels
sind den beiden Einzelkesseln getrennte Turbinenkondensatoren 12 und 13, Kondensatpumpen
14 und 15, Speisewasserbehälter 16 und 17 sovrie Kesselspeisepumpen 18 und
19 zugeordnet. Dem Einzelkessel 8 ist der Zwischenüberhitzer 20, dem Einzelkessel
9 der Zwischenüberhitzer 21 zugeteilt, wobei im normalen Betriebsfall, bei dem die
beiden Einzelkessel 8 und 9 gemeinsam an der Dampferzeugung beteiligt sind, der
Zwischenüberhitzer 20 als erster Zwischenüberhitzer und der Zwischenüberhitzer 21
als zweiter Zwischenüberhitzer wirksam ist. Bei Stillsetzung eines der beiden Einzelsysteme
wird der jeweils in Betrieb befindliche Zwischenüberhitzer als einziger Zwischenüberhitzer
zur einfachen Zwischenüberhitzung herangezogen.
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Im normalen Betriebsfall, bei dem die beiden Einzelkessel 8 und 9
gemeinsam an der Dampferzeugung beteiligt sind, sind sämtliche Ventile 23, 24, 25
und 26 in der Frischdampf Leitung 22 geöffnet. Der im Hochdruckteil 2 der Kraftmaschine
entspannte Dampf strömt über die geöffneten Ventile 27, 28 zum Zwischenüberhitzer
20. Das Ventil 29 ist dabei geschlossen. Über die geöffneten Ventile 30 und 31 gelangt
der zwischenüberhitzte Dampf zum zweiten Gehäuse 3 der Hochdruckturbine.
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Um nun eine zweite Zwischenüberhitzung im Zwischenüberhitzer 21, der
dem Kesselteil 9 zugeordne: ist, zu bewirken, sind die Ventile 32 und 33 geschlossen
und dafür die Ventile 34, 35 sowie 36 und 37 geöffnet. Der Dampf strömt nunmehr
zum Mitteldruckteil 4 des Turbinensatzes 1.
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Bei Stillsetzung eines der beiden Einzelsystem:: kann beispielsweise
der Einzelkessel 8 in der Weise herangezogen werden, daß eine einfache Zwischenüberhitzung
stattfindet. In der Frischdampfleitung 22 bhiben die Ventile 24 und 26 offen, wählend
die Ventile 23 und 25 geschlossen werden. Da der Zwischenüberhitzer 20 betrieben
wird, bleiben die Ventile 27, 28, 30 und 31 offen und das Ventil 29 geschlossen.
Wenn vom Hochdruckteil der Dampfturbine nicht die beiden Gehäuse 2 und 3 zusammen
betrieben werden sollen, kann durch Öffnen des Ventils 32 Dampf über die entsprechende
Bypaßleitun g parallel zum Gehäuseteil 3 fließen. Mit der Stillsetzun:- des Einzelkessels
9 fällt auch die Beheizun#z des zwischenüberhitzers 21 weg, so daß dementsprechend
die Ventile 34, 35, 36 und 37 geschlossen werden und dafür das Bypaßventil 33 geöffnet
wird.
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Soll nur der Einzelkessel 9 für sich allein arbeiten. so sind bei
geöffneten Ventilen 23 und 25 in der Frischdampfleitung 22 die Ventile 24 und
26 zu
schließen. Ebenso sind auch die vor und hinter dem Zwischenüberhitzer
20 liegenden Ventile 27, 28, 30 und 31 geschlossen, so daß der vorn ersten Hochdruckgehäuse
2 der Turbine 1 kommende Dampf über das geöffnete Ventil 29 strömt. Das zweite Hochdruckgehäuse
3 kann wiederum entweder zur Arbeitleistung herangezogen werden. oder es wird durch
öffnen des Ventils 32 Dampf über den Turbinenbypaß geführt. Da jetzt der Zwischenüberhitzer
21 beheizt ist. sind die Ventile 34, 35, 36 und 37 (Yeöffnet, während das Ventil
33 geschlossen ist.