Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mehrdruckkondensationsanlage gemäss
dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs, sowie ein Verfahren zur Abfuhr
nichtkondensierbarer gasförmiger Medien aus der Mehrdruckkondensations
anlage.
Stand der Technik
In der Dampfturbinentechnik ist der Einsatz von Mehrdruckkondensationsanla
gen bekannt. Dabei wird Dampf in mehreren Druckstufen jeweils in einem Kon
densator kondensiert, wobei die Drücke der verschiedenen Kondensatoren
meist um 25 bis 40 mbar auseinanderliegen. Aus den Kondensatoren müssen
nicht kondensierbare Anteile, insbesondere Luft und Radiolysegase, entfernt
werden. Hierzu werden Entgasungssauger eingesetzt, die so an den Konden
satoren angeschlossen sind, dass sie eine Gas/Dampfmischung an einer Stelle
möglichst geringen Dampfdruckes und einer möglichst hohen Gaskonzentrati
on, aus den Kondensatoren absaugen. Bei Mehrdruckkondensatoren wird übli
cherweise nicht ein Entgasungssauger für jede Druckstufe eingesetzt, sondern
ein gemeinsamer Entgasungssauger für alle Druckstufen. Dabei wird der Ent
gasungssauger entweder am Kondensator der niedrigsten Druckstufe ange
schlossen, und die Entgasungsleitungen aus den höheren Druckstufen werden
jeweils in den Dampfraum des Kondensators einer niedrigeren Druckstufe ge
leitet. In den Verbindungsleitungen zwischen den Druckstufen sind Drossel
stellen eingebaut, die bei der vorgegebenen Druckdifferenz die Massenströme
begrenzen und das überströmende Medium jeweils auf den niedrigeren Druck
drosseln. Weiterhin ist bekannt, die Entgasungsleitungen der Kondensatoren
der einzelnen Druckstufen in eine Sammelleitung zu führen, welche zum Ent
gasungssauger führt. Auch hier ist bekannt, die strömenden Medien aus den
Kondensatoren hoher Druckstufen mittels Blenden bei limitiertem Massenstrom
auf ein gemeinsames Druckniveau abzusenken, welches kleiner oder gleich
dem Druck der niedrigsten Druckstufe ist.
Der Entgasungssauger muss also hinreichend gross dimensioniert sein, um
den maximal notwendigen Entgasungsmassenstrom ausgehend von einem
Druck, der kleiner ist als der Druck der niedrigsten Druckstufe, gegen die At
mosphäre zu fördern. Damit muss einerseits ein teurer leistungsfähiger Sauger
installiert werden. Andererseits wird auch während des Betriebes die Antriebs
leistung für den Sauger benötigt, die natürlich nicht mehr zur Netto-
Leistungsabgabe eines Kraftwerkes beiträgt. Bei den heutigen strikten Vorga
ben für Leistung und Wirkungsgrad von Kraftwerken sind solche internen Ener
gieverbraucher grundsätzlich unerwünscht.
Darstellung der Erfindung
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprü
chen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Mehrdruckkon
densationsanlage der eingangs genannten Art eine Möglichkeit zu schaffen, die
Antriebsleistung des Entgasungssaugers bei gleich hoher Entgasungskapazität
zu senken. Erfindungsgemäss wird dies durch das kennzeichnende Merkmal
des Anspruchs 1 und die Anwendung des in Anspruch 14 beschriebenen Ver
fahrens erreicht.
Kern der Erfindung ist es also, die Leistung der Fluidströme nutzbar zu ma
chen, die aus den Kondensatoren höherer Druckstufen in das Entgasungssy
stem strömen. Bei den im Stand der Technik bekannten Lösungen werden
nämlich durch die Drosselstellen erhebliche Mengen an Energie dissipiert. Die
Totaldruckverluste betragen zwar, wie beschrieben, jeweils nur wenige mbar;
das Arbeitsvermögen jedoch ergibt sich als Integral der Volumenströme über
der Druckänderung. Bei den herrschenden niedrigen statischen Drücken aber
werden die überströmenden Volumina schon bei kleinen Entgasungsmassen
strömen gross, wodurch sich letztlich ein erhebliches Arbeitsvermögen ergibt,
das nach dem Stand der Technik ungenutzt bleibt. Andererseits muss natürlich
der statische Druck der strömenden Fluide auf einen Wert abgesenkt werden,
der kleiner ist, als der statische Druck der niedrigsten an einer Sammelleitung
angeschlossenen Druckstufe, wobei auch die Entgasungsmassenströme durch
diese Druckverminderungsvorrichtung zu limitieren sind.
Zur Minderung des statischen Druckes eines Mediums, das auf einer höheren
Druckstufe vorliegt, vorgängig der Vermischung mit einem Medium aus einer
niedrigeren Druckstufe, werden erfindungsgemäss statt Drosselblenden Düsen
eingesetzt. In einem Sammler, an dem Leitungen zweier Druckstufen zusam
menlaufen, wird die Leitung der höheren Druckstufe mit einer Strecke mit sich
stetig verringerndem Strömungsquerschnitt, im wesentlichen also einer Unter
schalldüse, versehen. Dieser Düsenabschnitt wird vorzugsweise an der Mün
dung der Leitung angeordnet. Die Leitung wird mit Vorteil so angeordnet, dass
ein aus der Mündung austretender Freistrahl eine Strömungsrichtung aufweist,
die parallel zum Verlauf eines unmittelbar stromab des Sammlers sich an
schliessenden Teils eines Sammelrohres verläuft. Die in einem Sammler zu
sammengeführten Leitungen können dabei prinzipiell eine beliebige Kombinati
on von Entgasungs- und Sammelleitungen sein, innerhalb derer sich die Medi
en auf unterschiedlichem Vordruck befinden. Durch den konvergenten Quer
schnittsverlauf der Mündung der Leitung der höheren Druckstufe wird das auf
dem höheren Druck befindliche Medium beschleunigt, und der statische Druck
verringert, während der Totaldruck weitgehend konstant bleibt. Prinzipiell ge
sehen bildet der Sammler somit einen Ejektor, bei dem der aus der Mündung
austretende Freistrahl eine Sogwirkung auf das in den Sammler mündende
Medium der niedrigeren Druckstufe ausübt. Damit wird das Expansionspotenti
al des Mediums der höheren Druckstufe zur Steigerung der Entgasungskapa
zität genutzt.
Der Erfindungsgedanke kann nochmals so zusammengefasst werden, dass
das Arbeitsvermögen eines Mediums höheren Druckes, welches ohnehin ent
spannt werden muss, damit eine Vermischung mit einem Medium niedrigeren
Druckes und eine Förderung über eine gemeinsame Absaugevorrichtung mög
lich ist, als Treibenergie für einen Ejektor an sich bekannter Bauart verwendet
wird. Erfindungsgemäss werden also Sammler für Medien unterschiedlicher
Drücke so aufgebaut, dass sie als Ejektoren wirken. Ein Medium höheren
Druckes wird erfindungsgemäss als Treibmedium genutzt, das in einer Düse
entspannt wird, und als Fördermedium für Medien niedrigeren Druckes wirkt.
In einer ersten Vorzugsvariante bildet der Sammler das Kopfstück einer Sam
melleitung. In axialer Richtung und bevorzugt koaxial zu der Sammelleitung ist
die Leitung der höheren Druckstufe eine Strecke in die Sammelleitung hinein
geführt und mündet eine Strecke stromab des Kopfes der Sammelleitung als
Düse. Stromauf der Mündung der Leitung der höheren Druckstufe mündet die
Leitung oder münden die Leitungen einer oder mehrerer niedrigerer Druckstu
fen in den Sammler. Dabei münden sie in einen Raum, der die Leitung der hö
heren Druckstufe umgibt, und der zu einem stromabwärtigen Ende offen ist. Im
Betrieb strömt aus der Mündung der Leitung der höheren Druckstufe ein
Freistrahl aus, der durch seine Sogwirkung das ihn umgebende Medium der
niedrigeren Druckstufen mitreisst.
In einer zweiten Vorzugsvariante bildet der Sammler ebenfalls das Kopfstück
einer Sammelleitung. Bei dieser Variante ist allerdings die Leitung der niedrige
ren Druckstufe eine Strecke in die Sammelleitung hineingeführt und mündet
stromab des Kopfes der Sammelleitung. Stromauf dieser Mündung mündet
wenigstens eine Leitung einer höheren Druckstufe in einen Raum des Samm
lers, der die Leitung der niedrigeren Druckstufe umgibt. Dieser beispielsweise
ringförmige Raum weist in der Umgebung der Mündung der Leitung der niedri
geren Druckstufe eine Verengung seines Durchströmquerschnitts auf. Dies
kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Leitung der niedrigeren
Druckstufe ein zylindrisches Rohr ist, das von einem stromauf der Mündung
sich verjüngenden Rohr umgeben ist. Beim Durchströmen des Teils des ent
stehenden Ringraumes, in dem der Strömungsquerschnitt sich verringert, wird
das Medium der höheren Druckstufe beschleunigt, und somit der statische
Druck verringert. Die resultierende ringförmige Strömung hoher Geschwindig
keit übt wiederum eine Sogwirkung auf das Medium in der zentralen Leitung
aus.
Bedingung für die bestmögliche Funktion der Erfindung ist eine Expansion der
Mediums der höheren Druckstufe, die so weit als realisierbar isentrop vor sich
geht. Ebenso sollte auch eine gegebenenfalls notwendige Verzögerung der
Strömung so verlustfrei wie möglich vor sich gehen, anstatt, wie nach dem
Stand der Technik mit Drosselblenden üblich, das Arbeitsvermögen des Medi
ums der höheren Druckstufe zu dissipieren. Ersteres wird entscheidend durch
die Ausgestaltung der Düse beeinflusst. Hier kann eine Kontur gewählt werden,
bei der die Düse im Längsschnitt von zwei Kreissegmenten gebildet wird, die
mit Vorteil so dimensioniert werden, dass das Verhältnis des Krümmungsradius
der Kreissegmente zur lichten Weite der stromauf gelegenen Leitung grösser
als 0.6 ist. Dies vermeidet unnötig krasse Umlenkungen der Strömung in
Wandnähe. Idealerweise laufen die Kreissegmente unmittelbar an der Mün
dung exakt axial aus, um so einen parallelen axialen Freistrahl zu erzeugen.
Der Austrittsquerschnitt der Düse, in welcher das Medium der höheren Druck
stufe expandiert wird, wird so gewählt, dass sich bei einem Auslegungs
massenstrom eine Machzahl am Düsenaustritt von 0.90 bis 0.92 ergibt, falls ein
hinreichendes Druckverhältnis über die Düse zur Verfügung steht. Eine Expan
sion in den Überschall sollte hingegen vermieden werden. Eine weitere wichti
ge Randbedingung bei der Auswahl der Düsenkontur und des engsten Quer
schnitts ist selbstverständlich der bei einem gegebenen Druckverhältnis ange
strebte Massenstrom. Für den zweiten Punkt wird es sich als vorteilhaft erwei
sen, stromab des Sammlers einen Diffusor mit einem Diffusor-Vollwinkelwinkel
zwischen 8° und 10° anzuordnen. Anzustreben ist eine Strömungsgeschwin
digkeit von 50 bis 60 mls am Diffusorende. Der Diffusor kann weiterhin zu ei
nem konvergent-divergenten Abschnitt erweitert werden, um die Ejektorwirkung
des Sammlers weiter zu unterstützen. Im Düsenhals dieser konvergent
divergenten Strecke sind lokale Machzahlen zwischen 0.85 und 0.90 anzustre
ben.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Im ein
zelnen zeigen
Fig. 1 ein erstes Beispiel für eine Mehrdruckkondensationsanlage mit einem
erfindungsgemäss ausgeführten Entgasungssystem;
Fig. 2 ein weiteres Beispiel für eine Mehrdruckkondensationsanlage mit ei
nem erfindungsgemäss ausgeführten Entgasungssystem;
Fig. 3 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäss zu verwenden
den Sammlers für zwei gasförmige Phasen unterschiedlicher Drücke, mit
einer Entspannungsdüse für ein Medium einer höheren Druckstufe;
Fig. 4 eine alternative Ausführungsform des Sammlers;
Fig. 5 einen erfindungsgemäss zu verwendenden Sammler für Medien un
terschiedlicher Druckstufen in Kombination mit einer nachgeschalteten kon
vergent-divergenten Strecke.
Die Zeichnung dient nur der näheren Erläuterung des Erfindungsgedanken,
und soll nicht den in den Ansprüchen definierten Schutzumfang einschränken.
Weg zur Ausführung der Erfindung
In Fig. 1 ist ein erstes Beispiel für eine erfindungsgemässe Mehrdruckkonden
sationsanlage gezeigt. In diesem Beispiel sind vier Kondensatoren 11, 12, 13
und 14 unterschiedlicher Druckstufen mit einem gemeinsamen Entgasungs
sauger 2 verbunden, welcher nicht kondensierbare Medien, im allgemeinen
den Lufteinfall einer Dampfturbogruppe und beispielsweise durch Radiolyse
endogen erzeugte Gase, aus den Kondensatoren absaugt. In diesem Beispiel
ist 11 der Kondensator der niedrigsten Druckstufe, 12 der nächsthöheren, 13
einer wiederum höheren, und 14 ein Kondensator einer höchsten Druckstufe.
Dabei soll die Darstellung mit 4 Druckstufen keineswegs einschränkend sein; in
der Mehrzahl der Fälle wird man mit nur drei oder gar nur 2 Druckstufen arbei
ten. Ein Beispiel mit vier Kondensatoren unterschiedlicher Druckstufen zeigt
sich jedoch geeignet, die Potentiale der Erfindung so umfassend wie sinnvoll
darzustellen. Der Kondensator 14 ist im Schnitt dargestellt. Es sind zwei Rohr
bündel 141 und 142 zu erkennen, die im Betrieb vom kalten Kühlwasser durch
strömt werden, welches in den Kondensator einströmenden Dampf kühlt und
kondensiert. Jedes der Rohrbündel 141 und 142 ist mit einer an den Luftkühler
angeschlossenen Entgasungsvorrichtung 143, 144 versehen. Diese saugt
gasförmiges Medium an einer Stelle möglichst niedriger Temperatur und somit
geringstmöglicher Dampfkonzentration ab. Das abgesaugte Medium wird in ei
ne Entgasungsleitung 114 geführt. Die Entgasungsleitung 114 der höchsten
Druckstufe wird in einem Sammler 31 mit der Entgasungsleitung 113 einer
niedrigeren Druckstufe zusammengeführt, und eine Mischung der bei den un
terschiedlichen Drücken entnommenen Medien wird durch die Sammelleitung
21 geführt. Vorgängig der Vermischung muss das Medium auf der höheren
Druckstufe in der Leitung 114 auf einen statischen Druck entspannt werden,
der kleiner ist als der statische Druck in der Leitung 113 der niedrigeren Druck
stufe. Dies geschieht in einer Düse, die innerhalb des Sammlers das Medium
der hohen Druckstufe beschleunigt, und somit einen Teil des statischen Druc
kes in der Leitung 114 in dynamischen Druck umsetzt. Das Medium der höhe
ren Druckstufe strömt also mit einer hohen Geschwindigkeit in den Sammler 31
und das Sammelrohr 21 ein. Die Sogwirkung dieser Strömung unterstützt nach
dem Ejektorprinzip die Abfuhr des nichtkondensierbaren Mediums aus dem
Kondensator 13 der niedrigeren Druckstufe. Auf analoge Weise wird die Sam
melleitung 21 einer bestimmten Druckstufe mit der Entgasungsleitung 112 ei
ner nächstniedrigeren Druckstufe in einem Sammler 32 in eine Sammelleitung
22 zusammengeführt, die wiederum in einem Sammler 33 mit der Entga
sungsleitung 111 der niedrigsten Druckstufe zusammengeführt wird. Die Sam
melleitung 23 ist schliesslich mit der Absaugevorrichtung 2 verbunden, welche
das abgesaugte Medium aus dem Vakuum gegen die Atmosphäre fördert. Auf
grund der möglichst verlustfreien Umsetzung des Arbeitsvermögens des Medi
um aus den höheren Druckstufen liegt der Totaldruck in der Sammelleitung 23
über dem Druck der niedrigsten Druckstufe, weshalb die notwendige Drucker
höhung in der Absaugevorrichtung 2 geringer ausfällt, als wenn die Medien aus
den höheren Druckstufen abgedrosselt und deren Arbeitsvermögen dissipiert
worden wäre. Dies spart einerseits Investitionskosten, da eine Absaugevor
richtung mit geringerer Leistung installiert werden kann; zum anderen sinkt
selbstverständlich auch der Leistungsbedarf beim Betrieb der Absaugevorrich
tung.
In einem weiteren in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Entga
sungsleitungen 111 und 112 in einem Sammler in eine Sammelleitung 21 zu
sammengeführt, und die Entgasungsleitungen 113 und 114 über einen Samm
ler 32 in eine Sammelleitung 22. Im Beispiel befindet sich die Sammelleitung
22 auf einer höheren Druckstufe als die Sammelleitung 21. Beide werden über
einen Sammler 33 in eine gemeinsame Sammelleitung 23 zusammengeführt,
welche mit der Absaugevorrichtung 2 verbunden ist.
Wie die Leitungen der unterschiedlichen Druckstufen letztendlich zusammen
geführt werden, hängt von den im Einzelfall gegebenen Druckverhältnissen und
den realisierbaren Druckabstufungen zusammen.
In den Ausführungsbeispielen unter Fig. 1 und Fig. 2 wurde impliziert, dass die
Sammler 31, 32, 33 als Ejektoren ausgeführt sind, die wiederum in unter
schiedlichen Bauarten ausgeführt sein können. Eine erste bevorzugte Ausfüh
rungsform eines solchen Ejektor-Sammlers ist in Fig. 3 dargestellt. In den ei
gentlichen Sammler 3 münden eine Leitung einer höheren Druckstufe 4 und
eine Leitung einer niedrigeren Druckstufe 5. Die Leitung der höheren Druck
stufe ist an ihrer Mündung mit einer Düse 6 versehen. Die Düse 6 ist im Längs
schnitt von den beiden konvexen Kreissegmenten 61 gebildet, wobei der
Krümmungsradius eines solchen Kreissegmentes bevorzugt mindestens das
0.6fache der lichten Weite Di der Leitung am Düseneintritt beträgt, damit am
Rand der Düse keine zu starken Strömungsumlenkungen mit begleitender Dis
sipation auftreten, die wiederum zu Totaldruckverlusten führen würden. Unmit
telbar an der Mündung verlaufen diese Kreissegmente mit einer axialen Tan
gente, damit die aus der Düse austretende Strömung auch tatsächlich rein
axial ist. Ein in den Sammler 3 einströmendes Medium 41 einer höheren
Druckstufe wird in dieser Düse beschleunigt, und dabei auf einen Druck ent
spannt, der kleiner ist als der statische Druck des Mediums der niedrigeren
Druckstufe 51. Das Medium, das mit hoher Geschwindigkeit aus der Düse 6
ausströmt, reisst aufgrund seiner Sogwirkung Medium einer niedrigeren Druck
stufe 51 mit sich in die Sammelleitung 7.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist in Fig. 4 dargestellt. Diese setzt
zwar den Druck des Mediums der höheren Druckstufe nicht so effizient um, wie
die vorangehend gezeigte Bauform eines Ejektor-Sammlers, jedoch kann es
aus Anordnungsgründen notwendig sein diese Bauform zu wählen. Hier ist die
Leitung 5 der niedrigeren Druckstufe axial in den Ejektor-Sammler hineinge
führt. Die Leitung 4 der höheren Druckstufe mündet in den die Leitung 4 umge
benden Ringraum. Stromauf der Mündung der Leitung 5 im Sammler weist die
Aussenwand des Sammlers eine Verjüngung auf. Dadurch wird zwischen der
Leitung 5 und der Aussenwand des Sammlers eine Querschnittsverengung des
Ringraumes in Durchströmungsrichtung gebildet. Durchströmendes Medium
der höheren Druckstufe 41 wird in der Ringdüse 6 beschleunigt, und der stati
sche Druck auf einen Wert gesenkt, der niedriger ist als der Druck des Medi
ums der niedrigeren Druckstufe 51. Durch die hohe Ausströmgeschwindigkeit
des entspannten Mediums wird Medium 51 aus der Leitung 5 mit in die Sam
melleitung 7 gerissen, und somit die Abfuhr des Mediums 51 aus einem an die
Leitung 5 angeschlossenen Volumens einer niedrigen Druckstufe unterstützt.
Erfindungsgemäss werden also Sammler für Medien unterschiedlicher Drücke
so aufgebaut, dass sie als Ejektoren wirken. Ein Medium höheren Druckes wird
erfindungsgemäss als Treibmedium genutzt, das in einer Düse entspannt wird,
und als Fördermedium für Medien niedrigeren Druckes wirkt.
Die Ejektorwirkung wird unterstützt, wenn wie in Fig. 5 stromab des Sammlers
3 eine Strecke 8 mit konvergentdivergentem Querschnittsverlauf angeordnet
ist.
Bezugszeichenliste
2
Absaugevorrichtung
3
Ejektor-Sammler
4
Leitung einer höheren Druckstufe
5
Leitung einer niedrigeren Druckstufe
6
Düse zur Entspannung eines Mediums einer höheren Druckstufe
7
Sammelleitung
8
konvergent-divergente Strecke
11
Kondensator der niedrigsten Druckstufe
12
Kondensator
13
Kondensator
14
Kondensator der höchsten Druckstufe
21
Sammelleitung
22
Sammelleitung
23
Sammelleitung
31
Sammler
32
Sammler
33
Sammler
41
Medium einer höheren Druckstufe
51
Medium einer niedrigeren Druckstufe
61
Kreissegment
111
Entgasungsleitung
112
Entgasungsleitung
113
Entgasungsleitung
114
Entgasungsleitung der höchsten Druckstufe
141
Wärmetauscher-Rohrbündel
142
Wärmetauscher-Rohrbündel
143
Entgasungseinrichtung
144
Entgasungseinrichtung
Di
Lichte Weite einer Leitung
R Krümmungsradius eines Kreissegmentes
6