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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Anfahren und für den Schwachlastbetrieb
von Zwangdurchlaufdampferzeugem, bei welchen zwischen den Heizflächengruppen des
Überhitzers ein Trennschieber und ein Abscheidegefäß angeordnet sind, aus dem der
Dampf durch die nachgeschaltete überhitzergruppe strömt und das Wasser über einen
vom Speisewasser beaufschlagten Wärmetauscher in den Speisewasserbehälter zurückgeführt
wird.
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Es sind Zwangdurchlaufdampferzeuger bekannt, bei denen zwischen dem
Verdampfer und dem überhitzer ein Abscheider mit geregeltem Wasserstand angeordnet
ist, aus dem das Rücklaufwasser über einen vom Speisewasser beaufschlagten Wärmetauscher
in den Speisewasserbehälter zurückgeführt wird. Dampferzeuger dieser Art vermeiden
zwar Wasser- und Wärmeverluste durch das Rücklaufwasser, haben aber den Nachteil
einer lastabhängigen Charakteristik der Heißdampftemperatur, weil der Wasserstand
den Punkt der Restverdampfung bei allen Betriebszuständen im Abscheider festhält.
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Ferner sind Zwangdurchlaufdampferzeuger mit wanderndem Restverdampfungspunkt
bekannt, bei denen ein Trennschieber hinter dem Verdampfer das Kesselsystem während
des Anfahrens und bei Teillasten in zwei Heizflächengruppen aufteilt, zwischen denen
ein Abscheider mit geregeltem Wasserstand angeordnet ist und bei denen das Rücklaufwasser
dem Kesselsystem durch eine Unilaufpumpe wieder zugeführt wird. Auch diese Dampferzeuger
haben den Nachteil der niedrigen Heißdampftemperatur bei Teillast, der noch dadurch
verstärkt wird, daß Strahlungsüberhitzer zur Kühlung ihrer Heizflächen während des
Anfahrens an das Umwälzsystein angeschlossen sein müssen und deshalb der Abscheider
zwischen dem Strahlungs- und Berührungsilberhitzer angeordnet ist. Außerdem ist
die Umwälzpumpe, die zur Sicherheit zweifach angeordnet sein muß, ein kostspieliges
und empfindliches Maschinenelement.
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Darüber hinaus sind Zwangdurchlaufdampferzeuger mit zwischen den Heizflächengruppen
des überhitzers angeordnetem Trennschieber und einem Abscheidegefäß bekannt, bei
denen zwischen dem Abscheidegefäß und dem Speisewasserbehälter ein als Kondensator
wirkender Wärmetauscher angeordnet ist und die mit einem in der Rücklaufleitung
angeordneten, einen Wasserstand haltenden Gefäß versehen sind. Auch bei diesen Dampferzeugem
sinkt bei Teillast die Heißdampftemperatur, da der Restverdampfungspunkt durch die
Anordnung des einen Wasserstand haltenden Gefäßes in der Rücklaufleitung zwischen
den Heizflächengruppen des Überhitzers festgehalten wird. Der als Kondensator wirkende
Wärmetauscher ist vorgesehen, um während des Anfahrvorganges möglichst frühzeitig
Dampf zum Anstoßen der Turbine, zum Abdichten der Turbinenlager und zum Aufheizen
des Entgasers zu erhalten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum raschen
Anfahren sowie für einen wärmesparenden Schwachlastbetrieb von Zwangdurchlaufdampferzeugern
zu schaffen, die bei einer Vereinfachung der Anlage durch Wegfall der komplizierten
und störanfälligen Umwälzpumpe den Betrieb des Dampferzeugers so gestaltet, daß
die Heißdampftemperatur beim Anfahrvorgang sehr schnell erreicht und beim Schwachlastbetrieb
innerhalb enger Grenzen konstant gehalten werden kann.
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Zu diesem Zweck wird mit der Erfindung vorgeschlagen, das den Wasserstand
haltende Gefäß in der Rücklaufleitung zwischen dem Wärmetauscher und dem Speisewasserbehälter
anzuordnen.
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Die Einrichtung der Erfindung hat zunächst den Vorteil, daß bei guter
Kühlung der Heizflächen während des Anfahrens ohne Verluste an Wasser und Wärme
durch zurückgeführtes Arbeitsmittel ein Wasserstand im Durchlaufsystem des Dampferzeugers
vermieden und ein Anfahrbetrieb mit wanderndem Restverdampfungspunkt,
d. h. ausreichend hohen Heißdampftemperaturen, möglich wird. Da nicht nur
Wasser, sondern auch Dampf aus dem Kesselsystem abgeschieden werden kann, wird der
Anfahrvorgang verkürzt.
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Auch der Schwachlastbetrieb ist mit wanderndem Restverdampfungspunkt
möglich, so daß das unerwünschte Absinken der Heißdampftemperatur vermieden wird.
Obwohl bei Schwachlast nur Dampf aus dem Kesselsystem abströmt, vermeidet die Einrichtung
der Erfindung eine unzulässige Aufwärmung des Speisewasserbehälters auch im Dauerbetrieb,
weil die Wärme des zurückgeführten Dampfes zum größten Teil an das Speisewasser
abgegeben wird und maximal nur siedendes Wasser in den Speisewasserbehälter abläuft.
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Weitere Vorteile der Erfindung sind die schnelle Aufwärmung des Speisewassers,
welche eine frühzeitige Entgasung sicherstellt; der beschleunigte Anstieg der Temperatur
der Verbrennungsluft, weil der Speisewasservorwärmer wegen erhöhter Temperatur weniger
Wärme aufnimmt; die Verbesserung der Stabilität durch erhöhte Eintrittsenthalpie
und die Eignung für hohe Drücke bei Schwachlast, weil der Dampfentzug nicht durch
Abscheidung, sondern durch Kondensation erfolgt.
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Wenn gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung der als Kondensator
wirkende Wärmetauscher zugleich als wasserstandhaltendes Gefäß ausgebildet wird,
ergibt sich weiterhin der Vorteil, daß ein automatischer Anfahrvorgang in einfacher
Weise möglich ist und die Anpassung der Heißdampftemperatur an die Erfordernisse
der Turbine erleichtert wird. Gleichzeitig wird durch den einstellbaren Dampfentzug
vor dem Endüberhitzer in einfacher Weise eine Regelung der Heißdampftemperatur möglich,
wodurch Einspritzregelungen entfallen können.
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Zweckmäßigerweise wird die Wasserstandsregelung als Ablaufregler mit
verstellbarem Sollwert ausgebildet, wodurch die Heißdampftemperatur mittels einer
Veränderung des Sollwertes für den Wasserstand regelbar verstellt werden kann. Um
eine überbelastung des Speisewasserbehälters mit Sicherheit zu verhindern, kann
weiterhin der Sollwert des Wasserstandes in Abhängigkeit von der Temperatur oder
dem Druck im Speisewasserbehälter verstellt werden.
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Der Gegenstand der Erfindung wird an zwei Ausführungsbeispielen näher
erläutert, und zwar zeigt F i g. 1 in schematischer Darstellung den Wärmeschaltplan
eines Kondensationskraftwerkes, bei dem das wasserstandhaltende Gefäß hinter dem
Wärmetauscher angeordnet ist, F i g. 2 den Wärmeschaltplan des gleichen Werkes,
wobei jedoch der Wärmetauscher und das wasserstandhaltende Gefäß in einem Regelvorwärmer
vereinigt sind.
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Während des normalen Betriebes drückt die Speisepumpe 2 das Speisewasser
aus dem Speisewasserbehälter 1 durch das Speisewasserregelventil
3, den
Wärmetauscher 4 a und den Speisewasservorwärmer
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in den Verdampfer 6. Der Dampf strömt durch den Vorüberhitzer
7, das geöffnete Ventil 8, den Nachüberhitzer 9, die Vorschaltturbine
10, den Zwischenüberhitzer 11 und die Kondensationsturbine 12 in den
Kondensator 13. Das Kondensat fließt in den Speisewasserbehälter
1 zurück.
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Beim Anfahren ist das Absperrventil 8 geschlossen. Die Speisepumpe
2 drückt das Speisewasser aus dem Speisewasserbehälter 1 durch das Speisewasserregelventil
3, den Wärmetauscher 4 a, den Speisewasservorwärmer 5, den
Verdampfer 6 und den Vorüberbitzer 7 in den Abscheider 16.
Hier trennt sich das Wasser vom Dampf. Das Wasser fließt durch den Wärmetauscher
4 a, das wasserstandhaltende Ge-fäß 4 b und das Ablaufventil
17 in den Speisewasserbehälter 1 zurück. Der Dampf strömt durch den
Nachüberhitzer 9, das Reduzierventil 14, den Zwischenüberhitzer
11 und das Anfahrventil 15 in den Kondensator 13. Das Kondensat
fließt in den Speisewasserbehälter 1.
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Im Schwachlastbetrieb entspricht die in den Dampferzeuger eingespeiste
Wassermenge nicht der abgegebenen Dampfmenge, weil die Beaufschlagung des Verdampfers
aus Stabilitätsgründen einen Kleinstwert, z. B. 40 1/o der Vollast, nicht unterschreiten
darf. Sollen kleinere Lasten, z.B. 301/o gefahren werden, so ist es notwendig, einen
Teil des im Abscheider 16
anfallenden Dampfes, z.B. 10%, über den Wärmeaustauscher
4a und das wasserstandhaltende Gefäß 4b als siedendes Wasser in den Speisewasserbehälterl
zurückzuführen, wo sich dieses mit dem Kondensat des Kondensators 13 vermischt.
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In F ig. 2 sind der Wärmetauscher 4a und das wasserstandhaltende Gefäß
4 b als sogenannter Regelvorwärmer 4 zusammengefaßt. Er kann beispielsweise
als zylindrischer Druckbehälter mit lotrechter Achse ausgebildet sein, in den die
U-förmigen Kühlschlangen 25 von unten hineinragen. Die Kühlschlangen
25 sind vom Speisewasser durchflossen. Das aus dem Abscheider 16 zurückgeführte
Arbeitsmittel tritt als Wasser oder Dampf von oben in den zylindrischen Hohlraum
des Regelvorwärmers 4 ein. Das abgeschiedene Wasser oder der kondensierte Dampf
bildet einen Wasserstand 19, welcher von dem Regler 18 mit dem Ablaufventil
17 auf seinem Sollwert gehalten wird. über das Ablaufventil 17 fließt
Wasser in den Speisewasserbehälter 1 zurück.
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Der Wasserstand 19 unterteilt den Inhalt des Regelvorwärmers
4 in den Wasserraum 24 und den Dampfraum 26. Hierdurch wird es möglich, den
Rec,elvorwärmer 4 als Wärmetauscher sowie auch als Kondensator zu betreiben. Die
Arbeitsweise wird vom Zustand des zurückgeführten Arbeitsmittels bestimmt. Im Wasserraum
24, in dem die Kühlschlangen 25 innen und außen von Wasser begrenzt sind,
geht Wärme durch Berührung aus dem Rücklaufwasser an das Speisewasser über. Im Dampfraum
26 wird der zurückgeführte Dampf durch die Kühlschlan-en 25 kondensiert.
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Der kleinste Wasserraum 24, der durch den niedrigsten Wasserstand
19 begrenzt wird, muß so bemessen sein, daß die in der größten Rücklaufwassermenge
enthaltene Wärme bis auf einen verbleibenden Rest, der im Speisewasserbehälter
1 durch Mischung an das Speisewasser übergeht, an das Speisewasser übertragen
wird.
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Der größte Dampfraum 26, welcher dem kleinsten Wasserraum 24
entspricht, muß in der Lage sein, die größte bei Schwachlast zurückgeführte Dampfmenge
zu kondensieren.
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Dem Regler 18 sind außer dem Impuls vom Wasserstand
19 noch die Impulse der Heißdampftemperatur 20 und der Temperatur im Speisewasserbehälter
21 aufgeschaltet. Diese Impulse sollen unzulässig hohe Temperaturen verhindern und
werden wirksam, wenn die Heißdampftemperatur 20 oder die Temperatur 21 im Speisewasserbehälter
1 ihre Sollwerte überschreiten. Der Regler 18 verstellt in beiden
Fällen den Sollwert des Wasserstandes 19 nach oben', wodurch der Wasserraum
24 vergrößert und der Dampfraum 26 verkleinert werden.
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überstei-t die Heißdampftemperatur 20 ihren Sollwert, so entzieht
der Regelvorwärmer 4 dem Endüberhitzer 9 durch Kondensation in seinem Dampfraum
26 zuviel Dampf. Der ansteigende Wasserstand 19
verkleinert die Kondensatorfläche,
und die dem Nacherhitzer 9 entzogene Dampfmenge geht so lange zurück, wie
es die Heißdampftemperatur 20 erfordert. Im Grenzfall steigt der Wasserstand
19 über die Kühlschlangen 25, wodurch die Kondensation unterbrochen
und der Dampferzeuger in der üblichen Weise nach dem Verhältnis von Brennstoff und
Wasser gefahren werden muß.
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Steigt die Temperatur 21 im Speisewasserbehälter 1
über ihren
Sollwert, so ist die im Ablaufwasser enthaltene Wärme zu groß. Das Anheben des Wasserstandes
19 vergrößert die Wärmeübertragungsflächen im Wasserraum 24 des Regelvorwärmers
4 und verstärkt die Kühluno, des Ablaufwassers.
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Um bei Störungen ein Überspeisen des Regelvorwärmers 4 zu vermeiden,
ist in der Ablaufleitung ein überströmventil 22 mit einem Impuls vom höchsten Wasserstand
23 angeordnet.
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Zu Beginn des Anfahrvorganges entspricht die dem Regelvorwärmer 4
aus dem Abscheider 16 zufließende Rücklaufwassermenge der Speisewassermenge
des Dampferzeugers. Da Rücklaufwasser und Speisewasser die gleiche Temperatur haben,
findet im Regelvorwärmer 4 keine Wärmeübertragung statt, und der Regler
18 führt bei niedrigstem Wasserstand 19 die gesamte Speisewassermenge
durch das Ab-
laufventil 17 in den Speisewasserbehälter 1 zurück.
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Nach demEinschalten derBeheizung erwärmt sich das Speisewasser in
den Heizflächen des Speisewasservorwärmers 5, des Verdampfers 6 und
des Vorüberhitzers 7. Die im Rücklaufwasser enthaltene Wärme geht im Wasserraum
24 des Regelvorwärmers 4 an das Speisewasser über, und der im Ab-
laufwasser
enthaltene Rest erwärmt das Speisewasser im Speisewasserbehälter 1. Infolge
der zurückerewonnenen Wärme wird der Anfahrvorgang beschleunigt. Die Verdampfung
beginnt, und der Druck im Kesselsystem sowie die Siedetemperatur steigen an. Die
verminderte, aber heißere Rücklaufwassermenge gibt ihre Wärme wie bisher an das
Speisewasser ab.
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Ist die Verdampfung hinter dem Vorübererhitzer 7
beendet, so
geht die Rücklaufwassermenge auf Null zurück, und der Restverdampfungspunkt wandert
vom Ausgang zum Eingang des Vorüberhitzers 7.
Der Regelvorwärmer 4 arbeitet
nun in seinem Dampfraum 26 als Kondensator und schlägt zuerst Sattdampf und
später Heißdampf nieder. Die dem Endüberhitzer 9 hierdurch entzogene Dampfmenge
beschleunigt den Anstieg der Heißdampftemperatur 20.
überschreitet
diese ihren Sollwert, so wirkt ein Impuls auf den Sollwert des Wasserstandes
19 ein und verstellt ihn so lange nach oben, bis die Höhe des Wasserstandes
19 dem Sollwert der Heißdampftemperatur 20 entspricht.
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Beträgt zu diesem Zeitpunkt die Anfahrwassermenge 40% und die Beheizung
30%, so müssen 10% des Dampfes kondensiert werden, und der Dampferzeuger ist nach
Beendigung des Anfahrvorganges im Schwachlastbetrieb. Soll die Schwachlast auf beispielsweise
20% abgesenkt werden, so wird die Beheizung entsprechend verringert. Da hierbei
die Heißdampftemperatur20 fällt, senkt der Regler 18 den Sollwert des Wasserstandes
19 ab, bis 20 % Dampf kondensiert werden. Soll der Dampferzeuger vom Schwachlastbetrieb
in den reinen Teillastbetrieb gefahren werden, so wird die Beheizung auf mindestens
40q)/o eingestellt, und der Regler 18 schaltet die Kondensation im Regelvorwärmer
4 infolge Temperaturanstieg durch Anheben des Wasserstandes 19
bis über die
Kühlschlangen 25 ab.
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Es ist auch möglich, die Heißdampftemperatur 20 mit dem Regelvorwärmer
4 während des normalen Bensonbetriebes konstant zu halten, indem man die Speisewassermenge
gegenüber der gewünschten Dampfmenge um beispielsweise 5% übersteuert. Die hierdurch
absinkende Heißdampftemperatur 20 verstellt den Sollwert des Wasserstandes
19 so lange nach unten, bis 501o des Dampfes kondensiert werden und
hält den Sollwert der Heißdampftemperatur 20 nunmehr mit der Höhe des Wasserstandes
19.