DE1426895C3 - Nach einem Clausius-Rankine-KreisprozeB arbeitende Dampfkraftanlage - Google Patents

Description

reich liegenden Kesseltemperaturen mindestens 0,8 Mach beträgt.

änderlich ist, dadurch gekennzeichnet, 15 hen. Solche Druckschwankungen im Kondensator daß zwischen Turbine (117) und Kondensator verursachen häufig Druckwellen in den Turbinen-(118) mindestens eine Unterschall-Drosseldüse düsen, die eine Verminderung des Düsenwirkungs-(129) angeordnet ist, die so ausgelegt ist, daß die grades zur Folge haben.

Dampfgeschwindigkeit im Düsenhals bei allen Allgemein gesprochen beruht die Leistung einer

im normalen Betriebsbereich liegenden Kessel- 20 Dampfturbine auf dem Impuls des Dampfes auf die temperaturen mindestens 0,8 Mach beträgt. Turbinenschaufeln. Dieser Impuls wächst mit wach-

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn- sender Dampfströmung oder —bei gegebenem VoIuzeichnet, daß im Dampf weg zwischen Kessel mendurchfluß — mit der Dichte des strömenden (111) und Turbine (117) mindestens eine Unter- Mediums. Bei Schall- oder Überschalldüsen ist der schall-Drosseldüse (130) angeordnet ist, die so 25 Volumendurchfluß im wesentlichen konstant, auch ausgelegt ist, daß die Dampfgeschwindigkeit im wenn die Dichte des der Turbine zugeführten Damp-Düsenhals bei allen im normalen Betriebsbe- fes geändert wird, so daß die Turbinenleistung unmittelbar abhängig von der Eingangsdichte des Dampfes ist. Änderungen des Dampfdruckes gegenüber 30 dem Nennwert verursachen im allgemeinen Druckwellen in den Turbinendüsen, wodurch der Düsenwirkungsgrad erheblich sinkt.

Die Einlaßdichte des vom Kessel der Düse zuge-

führten Dampfes kann entweder durch Änderung der

Sättigungstemperatur des Kessels oder bei konstanter Temperatur durch Drosselung verändert werden. Änderungen der Einlaßdichte durch Änderung der Sättigungstemperatur wird einfach durch Änderung der Kesseltemperatur erreicht. In diesem Falle ist es

Die Erfindung betrifft eine nach einem Clausius- 40 möglich, sowohl die Leistung unter den Nennwert Rankine-Kreisprozeß arbeitende Dampfkraftanlage zu senken als auch über diesen Wert anzuheben, mit einem Kessel zur Verdampfung des Treibmedi- Wenn man zur Drosselung greift, kann diese beiums, einer mit dem Kesseldampf betriebenen Tür- spielsweise erreicht werden durch eine Drosseldüse bine mit Düsen zum Antrieb einer Last, einem Kon- -in- der Dampfleitung vom Kessel zur Düsenkammer, densator zur Kondensation des gesamten Turbinen- 45 In der Regel erreicht man durch Drosselung nur abdampfes und Einrichtungen zur Rückführung des Senkung der Leistung unter den Nennwert, kondensierten Treibmediums zum Kessel, wobei die Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine

Dichte des der Turbine zuströmenden Dampfes in Dampfkraftanlage zu schaffen, bei der trotz unver-Abhängigkeit von Kesseltemperaturschwankungen meidlicher oder willkürlicher Änderungen der Dampf- und/oder durch willkürlichen Steuereingriff veränder- 50 dichte des Einlaßd'ampfes ein Abfall des Turbinenlich ist. Wirkungsgrades möglichst vermieden wird.

Bei einer bekannten Krafterzeugungsanlage dieser Diese Aufgabe wird bei einer Dampfkraftanlage

Art (US-PS 22 66 654) ist der Turbine ein Doppel- der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß dakondensator nachgeschaltet, dessen primäre Kühl- durch gelöst, daß zwischen Turbine und Kondenleitungen ständig mit dem Turbinenauslaß verbun- 55 sator mindestens eine Unterschall-Drosseldüse angeden sind, während die sekundären Kühlleitungen von ordnet ist, die so ausgelegt ist, daß die Dampfgebewegbaren Klappen abgedeckt werden, welche sich
automatisch dann öffnen, wenn die Dampfzufuhr zur
Turbine erhöht wird.

Insbesondere bei mit Lavaldüsen arbeitenden Türbinen hängt der Düsenwirkungsgrad und damit auch der Turbinenwirkungsgrad in hohem Maße von der Dichte des Einlaßdampfes ab. Derartige Dichteänderungen sind jedoch unvermeidbar, und zwar nicht

nur aufgrund der erforderlichen Steuereingriffe, son- 65 daß die Dampfströmung durch die Turbinendüsen dem auch aufgrund unvermeidlicher Schwankungen weich, kontinuierlich und im wesentlichen stoßfrei der Kesseltemperatur. Letzteres vor allem auch dann, vor sich geht, unabhängig von Änderungen der Einwenn der Kesse! mit Sonnenenergie beheizt wird. laßdichte. Diese selbsttätige Regelung beruht auf der

schwindigkeit im Düsenhals bei allen im normalen Betriebsbereich liegenden Kesseltemperaturen mindestens 0,8 Mach beträgt.

Es wurde gefunden, daß die Anordnung der Unterschall-Drosseldüse zwischen der Turbine und dem Kondensator den Druck des Turbinendampfes in Anpassung an die Dichte des Dampfes auf der Einlaßseite der Turbine in solcher Weise selbsttätig regelt,

Tatsache, daß die Dampfdichteänderungen auf der Einlaßseite, d. h. vor den Turbinendüsen, durch die Turbine der Unterschall-Drosseldüse mitgeteilt werden, wodurch eine Druckänderung auf der Einlaßseite der letzteren stattfindet, die bei Schallgeschwindigkeit einen konstanten, von Druckänderungen unabhängigen Volumendurchfluß besitzt.

Durch diese Unterschall-Drosseldüse wird auch ein weiterer zusätzlicher Vorteil erreicht, nämlich die Turbine abzuschirmen gegenüber Druckstößen, die von Änderungen der Kondensatortemperatur herrühren. Es ist wohl bekannt, daß dann, wenn eine Drosseldüse nahezu bei Schallgeschwindigkeit oder mit Überschallgeschwindigkeit durchströmt wird und auf der Niederdruckseite Druckschwankungen stattfinden, diese Druckschwankungen Druckwellen am Düsenauslaß hervorrufen und damit einen erheblichen Abfall des Düsenwirkungsgrades verursachen. Durch die Anordnung der Unterschall-Drosseldüse wird die Druckschranke von den normalen Turbinendüsen auf die Auslaßseite der Unterschall-Drosseldüse verlegt, so daß alle von Änderungen der Kondensatortemperatur (Kondensatordruck) herrührenden Druckstöße in oder nahe bei dieser Unterschall-Drosseldüse auftreten.

Die Unterschall-Drosseldüse hat auf diese Weise einen Abschirmeffekt, der einen erheblichen Beitrag leistet zur Beibehaltung des Turbinenwirkungsgrades bei verschiedenen Kondensatortemperaturen.

In jedem Abvveichungsfalle von den Normalbedingungen wird bei den Düsen und dem Turbinenrad aufgrund der vorliegenden Erfindung ein größerer Teil ihres Nennwirkungsgrades aufrechterhalten.

Wenn in einer Dampfkraftanlage gemäß der Erfindung die Leistung geregelt wird durch Regelung der Kesseltemperatur, ergeben sich aus den Änderungen der Kesseltemperatur Durchsatzänderungen in der Anlage. Diese Änderungen werden von den Bedingungen in der Anlage beeinflußt, beispielsweise von der Kondensatortemperatur. Das bedeutet, daß diese Bedingungen auf den Kessel zurückwirken und die Turbinenleistung nicht ausschließlich abhängig ist von der Kesseltemperatur. Diese Wirkung wird insbesondere verstärkt, wenn die Turbinendüsen unter Schallgeschwindigkeit arbeiten, da in diesem Fall Durchsatzänderungen auf der Abdampfseite der Turbine in den Kessel zurückwirken.

Aus diesem Grunde ist es erforderlich, daß die Einrichtungen zur Verstellung der Einlaßdichte aus einer Vorrichtung zur Regelung der Kesseltemperatur bestehen.

Durch eine zweite Unterschall-Drosseldüse zwischen Kessel und Turbine ist der gesamte Raum auf der Einlaßseite dieser Unterschall-Drosseldüse einschließlich Kessel von irgendwelchen Bedingungsänderungen in der Anlage auf der Auslaßseite dieser Unterschall-Drosseldüse abgeschirmt. Dadurch hängt der vorn Kessel kommende Massendurchfluß lediglich von der Kesseltemperatur ab, und es ist die Leistungsabgabe der Anlage bei der gegebenen Temperatur gleich der Nennleistung. Wenn die zweite Un-. terschall-Drosseldüse nicht vorhanden wäre, würde die vom Kessel kommende Dampfmenge und damit auch die Leistungsabgabe der Turbine bei der gegebenen Temperatur vom Nennwert abweichen.

Die erfindungsgemäße erste Unterschall-Drosseldüse verursacht eine gewisse Verminderung des thermischen Wirkungsgrades der Anlage, da die von dem Kreisprozeß durchlaufene Temperaturdifferen.i sich um einige wenige Grade verringert. Im Betrieb einer Dampfkraftanlage der vorliegenden Art ist der thermische Wirkungsgrad jedoch nur ein Gesichtspunkt, während der andere Gesichtspunkt der Wirkungsgrad der Turbine ist, weiterhin ist vorteilhaft die Einfachheit der Konstruktion, die Betriebsverläßlichkeit, die Höhe des investierten Kapitals und die Betriebskosten. Unter Beachtung aller dieser Gesichtspunkte

ίο kann gezeigt werden, daß eine Verringerung des thermischen Wirkungsgrades der Anlage, die durch die erste Unterschall-Drosseldüse gemäß der Erfindung verursacht wird, ein durchaus billiger Preis für eine einfache und stoßfreie Leistungsregelung mittels Regelung der Kesseltemperatur ist. Beim Einbau der ersten Unterschall-Drosseldüse in eine Dampfkraftanlage gemäß der Erfindung wird der geringe Abfall des thermischen Wirkungsgrades der Anlage außerdem kompensiert durch die völlige und verläßliche Abschirmung der Turbinendüsen von irgendwelchen schädlichen Effekten, die sonst durch Änderungen der Kondensatortemperatur verursacht würden.

Ähnliche Überlegungen gelten für die zweite Unterschall-Drosseldüse.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand der Zeichnung erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Schnittansicht einer Dampfkraftanlage nach der Erfindung mit einer ersten Unterschall-Drosseldüse,

F i g. 2 eine schematische Schnittansicht einer Abwandlung der Ausführungsform gemäß Fig. 1, die mit einer zweiten Unterschall-Drosseldüse ausgerüstet ist.

Die Dampfkraftanlage gemäß der Erfindung, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, enthält einen Kessel 111 mit einem Brenner 112, dessen Brennstoffversorgungsleitung 113 von einem Ventil 114 unter der Wirkung eines Thermostaten 115 gesteuert wird, der an den Kessel 111 angeschlossen ist. Der Thermostat 115 ist einstellbar, so daß auf diese Weise die Leistung der Anlage über die Regelung der Kesseltemperatur geregelt werden kann. Die Anlage enthält ferner ein Gehäuse 116, in welchem sich eine Turbine befindet, die allgemein mit 11.7 bezeichnet wird.

Schließlich enthält sie einen Kondensator 118, dessen Sumpf 119 über eine Leitung 120 an den Kessel 111 angeschlossen ist.

Die Turbine 117 enthält eine Vielzahl· von Turbinendüsen 122, ein Turbinenrad 123 und einen Läufer 124 des Elektrogenerators. Das Turbinenrad 123 und der Läufer 124 sind auf eine Welle 125 aufgekeilt, die in Lagern 126 und 127 gelagert ist, die beide an dem Gehäuse 116 angebracht sind. Der Stator 128 des Elektrogenerators sitzt in dem Gehäuse 116.

Zwischen der Turbine 117 und dem Kondensator 118 ist eine Unterschall-Drosseldüse 129 vorgesehen, die so ausgelegt ist, daß der gesamte Abdampf von der Turbine zu dem Kondensator 118 diese Drosseldüse passieren muß und daß die Geschwindigkeit im engsten Düsenquerschnitt mindestens 0,8 Mach beträgt.

Durch die Drosseldüse 129 wird der Druck des von der Turbine 117 kommenden Dampfes automatisch entsprechend der Dichte des vom Kessel 111 der Turbine zugeführten Dampfes eingestellt, so daß die Turbinendüsen unabhängig von irgendwelchen Dichteänderungen auf der Einlaßseite stoßfrei, gleich-

mäßig und mit im wesentlichen gleichbleibenden Wirkungsgrad arbeiten.

Gleichzeitig schirmt die Drosseldüsc 129 die Turbinendüsen 122 von irgendwelchen unerwünschten Wirkungen ab, die von Schwankungen der Temperatur im Kondensator 118 herrühren könnten.

Die Dampfkraftanlage gemäß Fig. 2 ist analog der in Fig. 1 gezeigten, so daß gleiche Bestandteile mit denselben Bezugsziffern bezeichnet wurden. Wie ersichtlich, schließt diese Anlage zwischen dem Kessel 111 und den Turbinendüsen 122 eine zweite Unterschall-Drosseldüse 130 ein, die eine Geschwindigkeit im engsten Querschnitt von mindestens 0,8 Mach besitzt und die so eingesetzt ist, daß der gesamte vom Kessel erzeugte Dampf auf seinem Weg zu den Turbinendüsen 122 diese zweite Unterschall-Drosseldüse passieren muß.

Durch die Anordnung dieser zweiten Drosseldüse 130 wird der Kessel 111 abgeschirmt von irgendwelchen veränderlichen Bedingungen in der Anlage, so daß der von der Temperatur bestimmte, vom Kessel kommende Massenfluß unbeeinflußt bleibt. Folglich entspricht die Leistung der Dampfkraftanlage dem Nennwert bei einer bestimmten Kesseltemperatur und kann durch Änderung dieser Temperatur geregelt werden.

Die beschriebenen Anlagen sind umstellbar auf einen Betrieb mit Sonnenenergie, sofern man den Brenner 112, die Leitung 113, das Ventil 114 und den Thermostat 115 durch eine entsprechende Anordnung zum Auffangen und Umwandeln, kombiniert mit einem geeigneten Wärmetauscher, ersetzt.

Es wurden Versuche durchgeführt mit einer Laval-Turbine, die für 10, 14PS bei 30⁰C Umgebungstemperatur und bei einem Brennstoffverbrauch von 7 kg/h ausgelegt war. Zum Vergleich wurde sowohl mit als auch ohne Unterschall-Drosseldüse gearbeitet. Die in Abhängigkeit von Veränderungen der Umgebungstemperatur ermittelten Werte sind in den folgenden Tabellen I und II aufgetragen, und zwar zeigt Tabelle I die Abhängigkeit der Leistung und Tabelle II die Abhängigkeit des Brennstoffverbrauches.

Tabelle I Tabelle II

Umgebungstemperatur

r ei

Brennstoffverbrauch Unterschall- Drosseldüse: nein	Unterschall Drossel düse: ja
(kg/h)	(kg/h)
11,8	7,0
9,3	7,0
7,3	7,0
7,0	7,1
7,7	8,1
9,7	9,0
12,0	9,7

15

20
25
30
35
40
45

Weiterhin wurden Versuche durchgeführt mit einer Laval-Düse die für einen Einlaßdruck von 91,6 mm Hg absolut und einen Auslaßdruck von 4,5 mm Hg ausgelegt war.

	Tabelle III	110	95	85
25	Kesseltemperatur, ° C	91,6	51	33,6
	Entspr. Kesseldruck,
	mm Hg	0,55	0,32	0,215
	Entspr. Dichte, Kg/m:j	45	37,5	32,5
30	Kondensations
	temperatur, ° C
	(für Maximalleistung)	4,5	2,9	2,1
	Entspr. Kondensator
O C	druck, mm Hg	0,032	0,021	0,015
OO	Entspr. Dichte im
	Kondensator, kg/m3	37,4	21,6	13,0
	Düsendurchsatz, g/sec	1,0	0,57	0,27
	Ausgangsleistung, kW	10	8,7	7,9
40	Turbinenwirkungs
	grad, %>

Umgebungstemperatur

15
20
25
30
35
40
45

Leistung ohne	Leistung mit
Unterschall-	Unterschall-
Drosseldüse	Drosseldüse
(PS)	(PS)
6,69	10,14
8,01	10,14
9,84	10,14
10,14	9,84
9,53	9,02
7,71	8,21
6,29	7,61

Aus dieser Tabelle ergibt sich, daß man die Nennleistung der Turbine herabsetzen kanu, und zwar durch Veränderung der Kesseltemperatur und der Kondensatortemperatur, ohne dabei den thermischen Gesamtwirkungsgrad wesentlich zu beeinträchtigen. Ferner geht aus dieser Tabelle klar hervor, daß die Verminderung der Ausgangsleistung nicht auf die geringe Verminderung des Wirkungsgrades zurückgeht, die nur eine sekundäre ist.

Wie erwähnt, wurden bei den Versuchen entsprechend der Tabelle III die Kondensatortemperatur und die Kesseltemperatur verändert. Insoweit handelt es sich also um Modellversuche. Ähnliche Ergebnisse erzielt man, wenn man die Abdampfdichte mittels der erfindungsgemäßen Unterschall-Drosseldüse regelt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Nach einem Clausius-Rankine-Kreisprozeß arbeitende Dampfkraftanlage mit einem Kessel zur Verdampfung des Treibmediums, einer mit dem Kesseldampf betriebenen Turbine mit Düsen zum Antrieb einer Last, einem Kondensator zur Kondensation des gesamten Turbinenabdampfs

Obwohl die Temperatur, bei der der Wärmeaustausch im Kondensator stattfindet, konstant sein sollte, treten Schwankungen der Temperatur und folglich auch Schwankungen des Kondensatordrucks auf. Wenn beispielsweise eine Dampfkraftanlage der bezeichneten Art durchgehend während einer längeren Zeitperiode arbeitet, verursachen die jahreszeitlichen und tageszeitlichen Schwankungen der Kühlwassertemperatur oder der Umgehungstemperatur

und Einrichtungen zur Rückführung des konden- io Schwankungen im Kondensatordruck. Jedoch kön-

sierten Treibmediums zum Kessel, wobei die Dichte des der Turbine zuströmenden Dampfes in Abhängigkeit von Kesseltemperaturschwankungen und/oder durch willkürlichen Steuereingriff ver-

nen auch in kürzeren Zeitabständen unvorhersehbare, plötzliche Temperaturanstiege oder Temperaturabsenkungen stattfinden, die entsprechende Schwankungen im Kondensatordruck nach sich zie