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Beschreibung zu der Patentanmeldung betreffend Dampfkraftanlage zur
Bewältigung von Spitzenbelastungen Die Erfindung ist bei Turbinen anwendbar, die
mit Regenerativ-Speisewasservorwärmung arbeiten, wobei zu diesein Zweck an einer
oder mehreren Zwischendruckstufen der Turbine Dampf entnommen und in einem oder
mehreren Speisewasservorwärmern kondensiert wird, um das Turbinenkondensat auf seinem
Rückweg zu dem Dampferzeuger zu erhitzen. In den vorliegenden Unterlagen umfaßt
der Ausdruck "Dampferzeuger" Kesseldampfmaschinen beliebiger Art, die in der Erde
vorkommende
Brennstoffe beliebiger Art verbrennen, wie auch modierte
oder unmodierte Kernreaktoren, insbesondere auch schnelle Brutreaktoren ohne Rücksicht
auf du verwendete Kühlmittel.
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Bekannte Einrichtungen zum Betrieb von Kraftanlagen bei Überlastung
arbeiten mit einem UnSehen der ersten (Regler-) Turbinenstufe, wobei zusätzlich
oder stattdessen Spitzenleistungseinheiten, wie Diesel. oder Gasturbinen-oder sehr
einfache Kesseldampfturbinen-Sätze vorgesehen und in Bereitschaftszustand gehalten
werden.
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Überlastkapazitäten sind bei modernen Hochdruck.
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Kesseldampfmaschinen (die meistens mit einem Dampfkessel arbeiten)
sowie bei von diesen gespeisten großen Turbinen -8 sehr begrenzt, was gleichzeitig
auch die Anwendung einer Umgehung der Reglerstufe einschränkt. Andere bekennte Mittel
sind sehr aufwendig und nicht leistungsfähig. Ihre Anwendung war früher gelegen
tuch gerechtfertigt, als die Ausgangsleistungen der Anlagen im Vergleich zu heutigen
Grßenordnungen klein und die Zahl der in einem System (Netz) parallel betriebenen
Generatoren begrenzt waren. Bei den heutigen Leistungen von 200 bis 1000 MW für
die einzelne Turbine bzw. von 2000 MW und darüber für das Netz muß die Spitzenleistung
prozentual zur Netzleistung, vorzugsweise
zu 10 % oder mehr, bemessen
werden und, um praktisch durchführbar zu sein, nur mäßige zusätzliche Investitionen
erfordern, dabei gleichzeitig Spitzenleistungen autom@-tisch und augenblicklich
nur Verfügung stellen.
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Grundsätzlich ist es Zweck dieser Erfindung, das Problem der Bewältigung
von Spitzenbelastungen in neuer und einfacher Weise zu lösen. Wie diese und andere
Ziele erreicht werden, ergibt sich aus der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnungen,
in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt sind. In den
Zeichnungen zeigen Fig. 1 eine Anlage mit drei Speisewasservorwärmern und Ventilen
zur automatischen Regelung des Dampfstroms bei über der Nennleistung liegenden Ausgangsleistungen;
Fig. 2 eine gegenüber Fig. 1 modifizierte Anlage; und Fig. 3 einen modifizierten
Teil der Anlage nach Fig.
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1 oder 2.
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Es ist bekannt, bei bestehenden Turbinendampfkraftwerken Spitzenleistungen
zu erzeugen, indem die Dampfentnahme
an Turbinenzwischenstufen
v zumeist von Hand - reduziert und der somit nicht mehr entnommene Dampf durch die
Niederdruckstufen der Turbine geleitet wird.
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Bei Kondensationsturbinen kann sich dies auf ein'e Steigerung der
Ausgangsleistung um bis zu etwa 5 % auswirken.
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Die Anordnung erfordert dabei einen erheblichen Anstieg des Dampfstromes
durch den Niederdruckteil der Turbine. Bei sehr großen, in Hochvakuum arbeitenden
Turbinen nimmt das tpesifische Dampfvolumen in den Stufen mit dem niedrigsten Druck
sehr rasch su, was erfordert, daß sich die Länge der Turbinenschaufeln der mechanisch
möglichen Grenze nähert.
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Die Erfindung löst diese. Problem ohne Veränderungen am Dampferzeuger
(Kessel oder Reaktor) und ohne irgendeine Veränderung an der Hauptdampfturbine durch
Hinzufügen einer zweiten einfachen Mitteldruck-Kondensationsturbine, die die über
der Nennleistung der Eaiiptturbine liegende Ausgangsleistung erzeugt. Diese Zweitturbine,
die mit der Hauptturbine gekoppelt sein kann, erhält ia regulierbarer Form Dampf,
der von der Verbindungsleitung zwischen der Hanptturbine und vorzugsweise einem
oder mehreren der Höchstdruck-Seisewasservorwärmer abgezweigt wird. Übersteigt die
Gesamtleistung der Anlage die Nennleistung, so wird Dampf in die zweite Turbine
umgeleitet. Dies geschieht derart, daß die zusätzlich erforderliche Leistung von
der zweiten Turbine aufgebraucht wird.
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Wie leicht einzusehen ist, bedingt eine derartige Umleitung keine
Änderung an der Dampfabgabe des Dampferzeugers noch an dem Dampfstrom durch die
Hauptturbine. Die einzige Auswirkung ist die, daß die Speis@wasser-Endtemperatur
an der Stelle des eintritts in den Dampferzeuger vormindert wird. Diese Verminderung
tritt infolge der großen Wärmekapazität der Stahlmassen des Dampferzeugers nur langsam
auf und hat daher keinen Einfluß auf die Kapazität der Anlage, um die gewünschte
kurzzeitige Sptizenleistung zu liefern. Länger andauernde Spitzenleistungen können
dadurch bewältigt werden, daß der Wärmeeingang in den Dampferzeuger über eine herkömmliche,
langsamer reagierende Verbrennungssteuerung oder sonstige Mittel langsam erhöht
wird oder daß ein Sammelbehälter für heißes Speisewasser vorgesehen wird, wie dies
im folgenden beschrieben ist. Die Wärmewirtschaft der Anlage wird nur leicht beeinflußt,
da der Dampferzeuger und die Hauptturbine ihre hohe Leistungsfähigkeit beibehalten.
die zweite Turbine bewältigt nur die über der Nennleistung der Anlage liegende KW-Leistung
während der Spitzen und kann daher von einfacher und billiger Bauweise (mit wenigen
Stufen) sein. Die vorübergehende Abschaltung einer oder zweier Speisewasservorwärmer
erhöht bei modernen Anlagen, die meistens mit fünf bis acht Vorwärmern arbeiten1
den Wärmeverbrauch pro Kilowattstunde um nicht mehr als ein oder zwei Prozent.
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In Wirklichkeit stellt die zweite Turbine eine "umlaufende" Kraftreserve
d@r, deren Ausgangsleistung all-@ählich auf Null abfällt, wenn sich die Gesamtausgangsleistung
der Anlage der Nennleistung der Hauptturbine nähert. In diesem Zustand, bei dem
kein Dampf bezüglich der Hauptturbine umgeleitet wird, lassen sich die Leerlaufverluste
in der zweiten Turbine dadurch reduzieren, daß diese mit dem Kondensor, den sie
mit der Hauptturbine gemeinsam haben kann, verbunden gehalten wird. Da sich dann
ihre sämtlichen Stufen in Hochvakuum drehen, sind die Verluste minimal, und ein
Überhitzen der Schaufeln wird vermieden. Bei Spitzenleistungen der Anlage fließt
mehr Dampf in den Kondensor und reduziert dadurch dessen Vakuum leicht, was in wirtschaftlicher
Hinsicht bedeutungslos ist.
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Die elektrischen Generatoreinrichtungen, die von den beiden Turbinen
getrennt sein können, müssen entsprechend der geforderten Ausgangsleistung ausgelegt
sein. Treiben beide Turbinen einen einzelnen Generator, so kann ein Leistungsanstieg
in billiger Weise dadurch erreicht werden, daß der Druck des normalerweise vorgesehenen
Kühlwasser-Stoffs vorübergehend erhöht wird.
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Die Erfindung ist auch bei Anlagen anwendbar, bei denen die Hauptturbine
mit Dampf-Wiedererhitzung arbeitet,
wobei in dieses Fall die Dampfableitung
vorzugsweise auf oder nahezu auf dem Wiedererhitzungsdruck stattfindet.
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In den Bereich der Erfindung fällt auch die Verwendung der Zweitturbine
zum Starten der Hauptturbine aus de@ Stillstand, wobei Dampf mit geeignete@ Druck
aus einer verfügbaren Quelle, beispielsweise einer anderen Hauptturbine, in die
Zweitturbine eingespeist wird. Sie kann auch zum Antrieb von Hilfspumpen wie Speisewasserpumpen
und dergl. Verwendung finden.
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Im folgenden wird im einzelnen auf Fig. 1 Bezug genommen, in der
ein einfaches Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt ist. In
Fig. 1 bedeuten 1 den Dampferzeuger, nämlich einen Dampfkessel oder Reaktor, 2 die
Dampfturbine, 2" den elektrischen Generator oder einen sonstigen Energieverbraucher,
3 den Kondensor, 4 die Kondensatpumpe und 5 die Speisepumpe für den Kessel. In die
Leitung zwischen der Kondensatpumpe 4 und der Speisepumpe 5 sind Speisewasservorwärmer
6, 7 und 8 eingebaut, die mit aus der Turbine über die Leitungen 6', 7' bzw. 8'
abgezogenem Dampf gespeist werden. Mit 9 sind die Ventile zur Steuerung des Dampfvolumens
am Turbineneinlaß bezeichnet; 10 ist der von der Turbinenwelle angetriebene Regler,
11 eine
Impulsleitung zwischen den Ventilen 9 und dem Regler 10,
die beim Betrieb der Turbine zwischen Leerlauf und last wirksam ist, und 12 ein
Drehventil in der Leitung 8', dessen Arbeitsweise in der nachstehenden Beschreibung
erläutert werden soll.
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2' bedeutet eine Zweitturbine, die mit der Hauptturbine 2 auf der
gleichen Welle angeordnet ist. Der Einlaß der zweiten Turbine 2' ist, wie gezeigt,
über die Leitung 13 an das Ventil 12 angeschlossen, während ihr Auslaß Ueber die
Leitung 14 in den Kondensor 3 führt. In der gezeigten Stellung verbindet du Ventil
12 die Leitung 8' mit dem V'orwärmer 8, während es den Dampfauslaß durch die Leitung
13 versperrt. Zur Drehung erhält das Ventil 12 Impulse übsr die Impulsleitung 11'
und den Servomotor 11". Diese Impulsleitung ist in der Zeichnung durch den Schalter
15 unterbrochen gezeigt Der Schalter 15 wird durch den an die Lei.
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tung 8' angeschlossenen elastischen Balg 16 automatisch geschlossen,
wenn der Druck der Stufe an der Entnahmestelle 8' einen Wert anstrebt oder erreicht,
der der Nennleistung der Turbine 2 entspricht.
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Das Ventil 12 wirkt tatsächlich als zweiter Regler für die Turbine
2', arbeitet Jedoch nur in dem über der Nennleistung der Turbine 2 gelegenen Bereich
der Gesamtausgangsleistung
der Anlage, und zwar auf folgende Weise:
3.i Ausgangsleistungen bis nur Nennleistung der Turbine 2 öffnet oder schließt der
Regler 10 über die Impul@leitung 11 die Dampfeinlaßventile 9 auf die gleiche Art
und Weise, wie es bei herkömmlichen Anlagen üblich ist. Überschreitet der Gesamtleistungsbedarf
der Anlage die besagte Nennleistung, so bleiben die Ventile 9 vollständig offen,
wiihrend der Schalter 15 schließt. Der nun in Tätigkeit tretende Servomotor bewegt
das Ventil 12 bei steigendem Leistungsbedarf im Uhrzeigersinn, drosselt dabei den
Daipfetrom in den Vorwärmer 8 und öffnet die Umgehungsleitung 13, so daß Dampf in
die Turbine 2' eintreten und diese zusätzliche Leistung erzeugen kann. Sinkt der
Energiebedarf, so bewegt sich das Ventil 12 in entgegengesetztem Sinn, schließt
dabei die Umgehungsleitung 13 um einen bestimmten Betrag und öffnet gleichzeitig
den Einlaß in den Vorwärmer 8 weiter.
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Wie ersichtlich, ist der Betrieb hinsichtlich der Ausgangsleistung
der Anlage auch im Bereich bis zu höchsten Spitzenleistungen, von denen ein Teil
durch die Turbine 2' erzeugt wird, vollständig gesteuert.
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Wesentlich ist, daß erfindungsgemäß ein Betrieb oberhalb der Nennleistung
der Turbine 2 möglich ist, obwohl der Ausgang des Dampferzeugers 1 konstant und,
was ebenso wichtig ist, auch der Dampfstrom durch sämtliche Stufen der Turbine 2
unverändert bleibt.
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In den Fällen, in denen Kraftwerksanlagen ein Netz (eine Gruppe von
Kraftwerken) bedienen, ist es in wirtschaftlicher Hinsicht wichtig, hinsichtlich
des Zeitpunktes und der Größe der zusätzlichen Spitzenkapazität richtige Entscheidungen
zu treffen, um mit dem Ausbau des Netzes Schritt halten ou können.
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Die Erfindung vereinfacht dieses Problem insofern, als die bereits
in Betrieb befindlichen Kesselturbinen-Generatoren - abgesehen von dem zusätzlichen
Einbau von Drehventilen 12 und einigen Mitteldruck#Leitungsverbindungen - keiner
baulichen Veränderung bedürfen. Die Hauptanlage kann also installiert und ohne die
jeweilige Turbine 2' betrieben werden, die zu einem späteren Zeitpunkt hinzugefügt
werden kann. Allerdings wirft auch das spätere Hinzufügen von Turbinen 2' bei einer
Anlage nach Fig. 1, wenn es nicht vorher geplant ist, einige bauliche Probleme auf.
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Diese Probleme lassen sich verringern, wenn eine Anordnung nach Fig.
2 gewählt wird, wobei sich gleichzeitig weitere Vorteile ergeben. In Pis. 2 sind
die der Pig. 1 entsprechenden Teile mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet.
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Die Hauptunterschiede ii Vergleich mit Fig. 1 sind folgende: Es sind
zwei Generatoren 2a und 2b vorhanden, von denen der erste mit der Hauptturbine 2
und der zweite mit der Turbine 2' gemäß der Darstellung über getrennte Wellen gekoppelt
ist, und deren Auslässe über Leitungen 14 bzw.
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14' in Kondensoren 3 bzw. 3' führen. Die Generatoren arbeiten synchron
auf ein gemeinsames Netz, das hier durch die Sammelschienen 2@ dargestellt ist.
Es sind zwei Dreh-Reglerventile 12 und 12a vorgesehen, die an die Entnahmeleitungen
8' bzw. 7' angeschlossen sind und beide von den Servomotor11"betrieben werden, wobei
zwei Umgehungsleitungen 13 und 13a zur Einführung von Dampf in die Turbine 2' anverschiedenen
Druckpunkten vorgesehen sind.
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Wie oben erwähnt, kann die Spitzenleistung auch bei disser Anlage
einige Zeit andauern, bevor die Speisewassertemperatur am Einlaß des Dampferzeugers
abzufallen beginnt. Hält jedoch der Spitzenleistungsbedarf üher einen längeren Zeitabschnitt
an, so kann dies durch die in Fig 3 gezeigte modifizierte Ausführungsform der Anlagen
nach Fig. 1 oder 2 erreicht werden.
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Gemäß Fig. 3 ist ein gemischter Speisewasser-Vorwärmer und -Sammelbehälter
17 zwischen des Auslaß au den
Vorwärmer 8 und der Kessel-Speisewasserpumpe
5 eingebaut.
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Dieser eine bestimmte Kapazität aufweisende Sammelbehälter ist normalerweise
mit Kondensat gefüllt und wird aus dem Dampferzeuger 1 über die Leitung 18 mit dem
Ventil 18' versorgt. Das Ventil 18' wird von dem in die Turbine 2 führenden Dampfstrom
und der Kondensattemperatur am oberen Ende des Behälters 17 gesteuert. Der Kondensateintritt
in den Behälter 17 wird von einem Dreiwege-Ventil 19 gesteuert, das, vi. gezeigt,
du Kondensat entweder in oberen Teil des Behälters 17 durch die Leitung 20 einführen
oder den Behälter 17 über die leitung 21 umgehen kann, Das Ventil 19 wird durch
Impulse gesteuert, die von einem Thermostat 22 am Auslaß des Vorwärmers 8 abgegeben
werden. Das Ventil 18' ißt nur dann in Tätigkeit, wenn die Ausgangsleistung der
Turbine 2 unter ihrer Nennleistung liegt, d. h. wenn nicht alle Ventile 9 geöffnet
sind.
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Die Anlage arbeitet wie folgt Wenn sich die Ausgangsleistung der
Anlage der Nennleistung der Turbine 2 nähert, sich Jedoch noch unter dieser befindet,
ist die leitung 13 geschlossen. Der Sammelbehälter ist mit Kondensat gefüllt, dessen
Temperatur unter derjenigen liegt, die bei Nennleistung der Turbine 2 am Auslaß
des Vorwärmers 8 herrscht. In diesem Zustand tritt Dampf
durch
die Leitung 18 über das Drosselventil 18' in den Bebester 17 ein. Die leitung 18
ist an ihrem unteren Ende lit Mischdüsen 18" ausgerüstet und beginnt das Kondensat
von unten her zu heizen. Dieser Heizvorgang wird von dem Thermostaten 18" beendet,
wenn das ganze Kondensat in dem Behälter 17 aufgeheizt ist. Während des Haizens
bildet das Ventil 19 eine Umgehung um den Behälter 17, die durch die Leitung 21
über die Speisewasserpumpe 5 in den Dampferzeuger 1 führt.
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Tritt nun ein über der Nennleistung der Turbine 2 liegender Gesamtleistungsbedarf
der 1age auf, so öffnet das Ventil 12 die Leitung 13, wobei Jedoch der Betrieb ohne
den Sammelbehälter 17 eine Zeitlang fortgesetzt werden kann' bis die Temperatur
am Ventil 19 abaufallen beginnt. Dies bewirkt, daß der Thermostat 22 das Ventil
19 in ein neue Stellung bewegt, die Leitung 20 öffnet und die Leitung 21 sperrt.
In die Pumpe .5 strömt nun heißes Kondensat, was so lange andauern kann, bis die
Zufuhr aus dem Behälter 17 erschöpft ist. Bei diesem Zustand sollte der Spitzenleistungsbetrieb
beendet sein, was zur Folge hat, daß die Leitung 13 schließt. Ein Rückschlagventil
23 verhindert, daß kälteres Kondensat unten in den Behälter 17 gelangt.
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während des gesamten Spitzenleistungsbetriebs arbeitet
die
Turbine 2 bei Nennleistung, der Ausgang des Dampferzeugers ändert sich nicht, und
Dampfmenge, Dampfdruck und Temperatur bleiben normal.
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Aus der vorstehenden Abhandlung dürfte deutlich geworden sein, daß
die Dauer der zulässigen Spitzenleistung von der Kapazität des beschriebenen Kondensat-Sammelbehältors
bestimmt wird; es liegt im Bereich dieser Erfindung, mehr als einen solchen Sammelbehälter
su verwenden.
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Es ist offensichtlich, daß die Kosten für die Ausrüstung, die erforderlich
ist, um einen bestehenden Kessel-Turbinengenerator erfindungsgemäß zur Bewältigung
von Spitzenleistungen umzubauen, selbst für die größten Anlagen im Vergleich mit
anderen bekannten Maßnahmen verhältnismäßig niedrig sind. Die Erfindung ist auch
bei beweglichen Anlagen, beispielsweise bei Schiffsantrieben, anwendbar.