DE2262305A1 - Dampfkraftanlage mit druckgefeuertem dampfkessel - Google Patents
Dampfkraftanlage mit druckgefeuertem dampfkesselInfo
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Description
167/72 W/dh
Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)
Dampfkraftanlage mit druckgefeuertem Dampfkessel
Die Erfindung betrifft: eine Dampfkraftanlage mit druckgefeuertem
Dampfkessel, dessen Brennstoffmenge von einem Frischdampfregler geregelt ist, und welcher eine Aufladegruppe aufweist, die einen
Turboverdichter, eine dem Dampfkessel nachgeschaltete Gasturbine und einen Anwurfmotor umfasst und zur Anpassung der Menge der geförderten
Verbrennungsluft an die eingeregelte Brennstoffmenge drehzahlvariabel regelbar ist.
Druckgefeuerte Dampfkessel für Dampfkraftanlagen sind seit langem unter dem Namen "Veloxkessel" bekannt. Für die Regelung der
Aufladegruppe dient üblicherweise ein Ward-Leonard-Satz, der mit
der Aufladegruppe fest gekuppelt ist. Die Brennstoffmenge wird vom Dampfverbrauch gesteuert, der gleichzeitig in bekannter Weise
auch den Ward-Leonard-Satz beeinflusst und damit die Drehzahl der
Aufladegruppe regelt bzw. die geförderte Luftmenge an die Brennstoffmenge anpasst. Ungefähr bei Dreiviertellast deckt die Leistung
der Gasturbine gerade den Leistungsbedarf des Verdichters. Bei
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kleinerer Teillast nimmt die Aufladegruppe noch zusätzlich elektrische Leistung auf, bei höherer Teillast, bei Vollast und
bei Ueberlast wird Ueberschussleistung an das Netz abgegeben. Die Ward-Leonard-Schaltung erlaubt Drehzahländerungen in weiten
Grenzen, doch ist dabei von Nachteil, dass der Satz ständig mitläuft; auch ist er teuer und aufwendig.
Dampfkessel dieser Art haben üblicherweise bei Vollast nur einen
Aufladedruck von 2-3 bar und hohe Gasgeschwindigkeiten, was zur Folge hat, dass die Abgastemperatur nach der Gasturbine
relativ hoch ist, was eine nachgeschaltete Heizfläche erfordert, die nicht mehr unter dem Verdichterenddruck steht und deshalb
sehr voluminös und teuer wird. Da für die nachgeschaltete Heizfläche praktisch nur ein Ekonomiser in Frage kommt, muss die
Vorwärmung des Speisewassers durch Anzapfdampf reduziert werden,
was den thermischen Wirkungsgrad des Kreisprozesses verschlechtert; äusserdem muss der Kondensator vergrössert werden.
Es ist auch bekannt, der Verschlechterung des Kreisprozesses wegen
der niedrigeren Speisewasservorwärmung durch die Anwendung eines kombinierten Prozesses zu begegnen, indem die Gasturbinengruppe,
die gleichzeitig der Aufladung des Kessels dient, mit der höchst* zulässigen Temperatur vor der Gasturbine betrieben wird. Durch
diese Massnahme wird die Dampfproduktion verkleinert, weil die
heissen Gase im Kessel weniger abgekühlt werden, aber dafür gibt
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die Gasturbine über einen eigenen Generator Nutzleistung nach aussen ab. Mit einem kombinierten Prozess können die Verluste
durch die schlechtere Speisewasservorwärmung gerade aufgehoben werden, doch müssen dafür die folgenden Nachteile in Kauf genommen
werden:
- Die hohe Temperatur vor der Gasturbine erlaubt wegen der Korrosionsgefahr
nur die Verwendung eines sehr reinen, aschenfreien Brennstoffes, was die Brennstoffkosten wesentlich erhöht.
- Der der Gasturbine nachgeschaltete Wärmetauscher ist sehr vo- ,
luminös und entsprechend teuer, einerseits weil durch die Erhöhung der Temperatur vor der Gasturbine auch die Abgastemperat.ur
stark ansteigt, also eine grosse Wärmemenge übertragen werden muss, um die Kaminverluste klein zu halten, andererseits
, weil die Wärmeübergänge wegen des niedrigeren Gasdruckes kleiner
sind und die GasVolumina deshalb gross werden. Die Wärmetauschfläche
dieses drucklosen Wärmetauschers beträgt ein Vielfaches derjenigen des aufgeladenen Dampfkessels. Durch das grosse Bauvolumen
des Wärmetauschers steigen auch der Platzbedarf und die .Kosten der Fundamente stark an.
- Die Leistung muss auf zwei Generatoren - je einen für die Gas-
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und die Dampfturbine - aufgeteilt werden, was die Anlagekosten
verteuert.
- Da die Gasturbinengruppe einen Generator hat, ist ihre Drehzahl
konstant und die Luftmenge kann bei Teillast nicht oder nur mit grossem Aufwand verkleinert werden, was grosse AbgasVerluste
ergibt. Das liesse sich zwar durch eine getrennte Nutzleistungstur bine vermeiden, was aber wieder die Anlage sehr verteuert.
- Um bei Teillast im nachgeschalteten Ekonomiser keine Verdampfung
zu erhalten, muss die Temperatur vor der Gasturbine abgesenkt werden, was den thermischen Wirkungsgrad verschlechtert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine baulich einfache
Dampfkraftanlage der eingangs erwähnten Art mit wirtschaftlich gutem Gesamtwirkungsgrad zu schaffen, bei der gasseitig nach dem
druckgefeuerten Dampfkessel kein weiterer Wärmetauscher notwendig ist und trotzdem die Kaminverluste im üblichen Rahmen solcher Anlagen bleiben.
Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe besteht darin, dass
die Drehzahl der Aufladegruppe durch Aenderung der Durchsatzmenge der Gasturbine und/oder der Temperatur vor der Gasturbine regelbar ist, so dass sie weder Leistung nach aussen abgibt noch Leistung
von aussen benötigt, dass der Anwurfmotor nach dem Start abkuppel-
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bar ist, und dass bei Vollast der Aufladedruck mindestens 9 bar und die Abgastemperatur nach der Gasturbine höchstens 165°C ber
trägt.
Bei dieser einfachen, betriebssicheren und sehr wirtschaftlichen Anlage erfolgt die Drehzahlregelung durch kesseleigene Mittel,
es ist kein äusserer Eingriff notwendig und keine fremde Energie erforderlich. Die Drehzahl und somit auch die Luftmenge wird
laufend der Brennstoffmenge angepasst, so dass weitgehend bei allen Betriebszuständen und sofort wieder nach Laständerungen der
Luftüberschuss im Dampfkessel praktisch konstant ist. Das grosse Druckverhältnis der Aufladegruppe gibt eine hohe Temperatur der
\ Schwierigkeiten verbrannt werden kann, ohne/
verdichteten Verbrennungsluft, wodurch selbst Schweröl ohne/ dass eine zusätzliche Luftvorwärmung notwendig wäre. Das hohe
Druckverhältnis ermöglicht einerseits kleine Abmessungen des Dampferzeugers, so dass er im montierten Zustand (package unit) verschickt
werden kann, andererseits ergibt es - ohne Leistungsabgabe der Aufladegruppe nach aussen - tiefe Abgastemperaturen, so
dass keine Speisewasservorwärmung durch die Abgase nötig ist und der thermische Prozess durch Anzapfdampfvorwärmung des Speisewassers
optimalisiert werden kann.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch
und vereinfacht dargestellt. Die Dampfkaraftanlage besteht im wesentlichen aus der Hochdruck-Dampfturbine 1, der Niederdruck-
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Dampfturbine 2, welche zusammen den elektrischen Generator 3 antreiben,
ferner aus dem Kondensator t, der Kondensatpumpe 32, den
anzapfdampfbeheizten Speisewasservorwärmern 5 und dem Dampfkessel
6· FOr das Aufladen des Dampfkessels, d.h. um ihn gasseitig auf den gewünschten Druck zu bringen, dient die Aufladegruppe, die
sich im wesentlichen aus dem Turboverdichter 7, der Gasturbine 8, dem Anwurfmotor 9 und der hydraulischen Kupplung 10 zusammensetzt.
Alle Bauteile der Aufladegruppe sitzen auf der selben Welle.
FOf die Regelung der Anlage sind folgende Einzelelemente vorgesehen,
soweit sie im vorliegenden Rahmen von Interesse sind: Vom Dampfdruck oder von der Durchströmmenge in der Frischdampfleitung
11 wird der Frischdampfregler 12 beeinflusst, der den Abfluss 13 der Druckölleitung 14 des Primärsystems steuert, die bei 15 über
die Drosselstelle 16 angespeist wird. Mit der Druckölleitung It
steht einerseits der Servomotor 17 in Verbindung, der über die Brennstoffdüsen 18 des Dampfkessels die Brennstoffzufuhr (nicht
eingezeichnet) regelt, andererseits der Servomotor 19, der die Büchse 20 des Fliehkraftreglers 21 der Aufladegruppe verstellt,
wodurch über den Abfluss 22 der Steueröldruck in der Druckölleitung
23 des Sekundärsystems geändert wird. Die Druckölleitung 23 wird bei 24 über die Drosselstelle 25 angespeist und führt zum Ventil
26 in der Bypassleitung 27 um die Gasturbine 8 und zum Servomotor 28, welcher das Ventil 29 betätigt, das den Bypass 30 auf der
Gasseite des Kesselteils 31 beeinflusst. An Stelle der Drucköl-
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Steuerung kann auch eine elektrische Steuerung mit-den gleichen
Funktionen treten.
Das Zusammenwirken der einzelnen Teile sowie die Regelung der
Anlage ist wie folgt:
Der Turboverdichter 1 verdichtet bei Vollast die Verbrennungsluft
auf mindestens 9 bar, die dadurch auf ca. 3300C erwärmt wird,
was die Verbrennung von Schweröl erleichtert. Der Dampfkessel 6 ist so ausgelegt, dass die Gastemperatur am Austritt ca. 430 C
beträgt, was auch die Eintrittstemperatur in die Gasturbine 8
ist. Im Zusammenhang mit dem hohen Druckverhältnis führt dies zu·
einer Abgastemperatur nach der Gasturbine und somit zu einer Kamintemperatur von nur 150 C. Der Abgasverlust kann also sehr klein
gehalten und eine voluminöse Nachschaltheizflache vermieden werden.
Der Turboverdichter hat keinerlei Kühlung, das Speisewasser muss also weder durch die verdichtete Luft noch durch das Abgas er-*
wärmt werden, was die optimale Erwärmung durch Anzapfdampf erlaubt.
Die Temperatur vor der Gasturbine wird durch die weiter unten beschriebene Regelung so tief gehalten, dass die Gasturbine gerade
den Turboverdichter der Aufladegruppe anzutreiben vermag. Dadurch geht mit Ausnahme der Lager- und AbstrahlungsVerluste die
ganze Expansionswärme der Gasturbine an den Verdichter über, so dass
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die Aufladegruppe den Effekt des bei den bekannten Anlagen notwendigen
abgasbeheizten Luftvorwärmers hat. Gleichzeitig erzeugt sie aber noch einen hohen Druck und verkleinert dadurch die Kesselheizfläche
auf einen Bruchteil eines unaufgeladenen Kessels.
Um die Drehzahl der Aufladegruppe bei Teillast reduzieren zu können - was den Vorteil hat, dass die Verbrennungsluftmenge jederzeit
der Last des Dampfkessels bzw. der Brennstoffmenge angepasst werden kann -, wird der Anwurfmotor 9 durch Ausrücken der
Kupplung 10 von der Aufladegruppe getrennt und stillgesetzt, sobald die Aufladegruppe nach dem Zünden der Brennkammer die notwendige
Drehzahl für das Gleichgewicht zwischen Verdichter- und Gasturbinenleistung erreicht hat. Dieselbe ist sich nun selbst
überlassen und unterliegt der installierten Regelung. Durch diese Massnähme kann bei einer Kessellast von ca. 50 % die Verbrennungsluftmenge
auf etwa 55 % verkleinert werden, so dass zwischen Volllast und Halblast der Luftüberschuss im Dampfkessel praktisch
konstant gehalten werden kann, was hinsichtlich einer sauberen Verbrennung und dementsprechend geringer Umweltverschmutzung
sehr wichtig ist.
Sinkt z.B. der Frischdampfdruck ab, weil die Dampfturbinengruppe wegen einer verlangten Leistungszunähme eine grossere Dampfmenge
benötigt, so schliesst der Frischdampfregler 12 den Abfluss 13 der Druckölleitung m. Dadurch steigt der Druck im Primärsystem
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an und öffnet über den Servomotor 17 die Brennstoffdüsen 18
des Dampfkessels; gleichzeitig wird über den Servomotor 19 die Büchse 20 des Fliehkraftreglers 21 so verschoben, dass
der Abfluss 22 geschlossen und dadurch der Steueröldruck in der Druckölleitung 2 3 des unabhängigen Sekundärsystems erhöht
wird. Das hat zur Folge, dass das Ventil 26 in der Bypassleitung 27 um die Gasturbine 8 schliesst und über den Servomotor
28 das Ventil 29 und damit der Bypass 30 auf der Gasseite des Dampfkessels öffnet. Dadurch wird einerseits die Durchflussmenge
durch die Gasturbine vergrössert, andererseits die Temperatur vor der Gasturbine angehoben und damit die Drehzahl
der Aufladegruppe bzw. die Verbrennungsluftmenge der neuen, grösseren Brennstoffmenge angepasst.
Bei vorübergehend steigendem Frischdampfdruck d.h. fallender Last spielt sich der analoge Regelvorgang, aber im umgekehrten
Sinne ab. ·
Es ist wirkungsgradmässig von Vorteil, die Ventile 26 und 29 v
nicht gleichzeitig zu betätigen, sondern bei zunehmendem Bedarf an Verbrennungsluft zuerst den Bypass 27 um die Gasturbine
8 zu schliessen und dann erst den Bypass 30 auf der Gasseite des Dampfkessels zu öffnen, und bei sinkendem Bedarf an
Verbrennungsluft zuerst den Bypass 30 auf der Gasseite des
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Dampfkessels zu schliessen und dann den Bypass 2 7 um die Gasturbine
β zu öffnen. Hierbei können sich die beiden Regelgebiete etwas überdecken, sie können aber auch eine schmale neutrale
Zone zwischen sich frei lassen. Alle diese Möglichkeiten lassen sich auf einfache Weise z.B. durch eine zweckentsprechende Bemessung der Federkräfte des Ventils 26 und des Servomotors 28 verwirklichen, wobei die Feder des Servomotors die
stärkere sein muss.
Bei dieser Ausführung kann es am wirtschaftlichsten sein, die
Federkräfte so zu wählen, dass bei Vollast beide Bypässe geschlossen sind. Ueberschreitet die Betriebslast die Vollast,
dann öffnet mindestens vorübergehend der Bypass 30 auf der Gasseite des Dampfkessels 6, um der grösseren Brennstoffmenge
möglichst rasch die notwendige Verbrennungsluftmenge zuzuführen, und schliesst wieder, wenn die Betriebslast zurückgeht. Unterschreitet
die Betriebslast die Vollast, dann öffnet vorübergehend der Bypass 27 um die Gasturbine 8, um die Drehzahl der
Aufladegruppe möglichst rasch der kleineren Brennstoffmenge anzupassen. Auf diese Heise wird dafür gesorgt, dass die Drehzahl
bzw. die Verbrennungsluftmenge möglichst rasch der Brennstoffaenge
angepasst werden kann.
Diese Vorgänge können dadurch beschleunigt werden, dass man an
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Stelle der gewöhnlichen Regler Gradientenregler benützt, welche
auf die Aenderungsgeschwindigkeit ansprechen.
Es ist auch möglich, dass bei konstanter Stellung des Frischdampfreglers
12, d.h. bei konstanter Last, die Aufladegruppe ihre Drehzahl ändert. Dies geschieht z.B. dann, wenn die Aussenlufttemperatur
stark schwankt. Auch in diesem Falle entspricht die Regelung voll ihrer Aufgabe.
Steigt bei konstanten Verhältnissen die Aussenlufttemperatur
an, so nimmt das vom Turboverdichter 7 geförderte Luftgewicht ab, wodurch das Gleichgewicht der Aufladegruppe gestört wird
und die Drehzahl der Gruppe zu sinken beginnt. Der Steuerölabfluss
22 wird vom Fliehkraftregler 21 geschlossen und der Steueröldruck in der Druckölleitung 2 3 des Sekundärsystems
beginnt zu steigen. Damit wird das Bypassventil 26 geschlossen und/oder das Ventil 29 geöffnet, wodurch die Durchsatzmenge
der Gasturbine und/oder die Temperatur vor der Gasturbine ansteigt, bis die Solldrehzahl wieder hergestellt ist.
Die gesamte Regelung kann auch so ausgelegt sein, dass bei sinkendem
Frischdampfdruck der Druck in den Druckölleitungen 14 und 23 absinkt, die Auswirkungen aber analog die gleichen bleiben.
AO9825/0242
Claims (4)
1. J Dampfkraftanlage mit druckgefeuertem Dampfkessel, dessen Brennstoffmenge von einem Frischdampfregler geregelt ist, und
welcher eine Aufladegruppe aufweist, die einen Turboverdichter, eine dem Dampfkessel nachgeschaltete Gasturbine und einen
Anwurfmotor umfasst und zur Anpassung der Menge der geförderten Verbrennungsluft an die eingeregelte Brennstoffmenge drehzahlvariabel
regelbar ist, dadurch gekennzeichnet /dass die Drehzahl der Aufladegruppe durch Aenderung der Durchsatzmenge
der Gasturbine (8) und/oder der Temperatur vor der Gasturbine regelbar ist, so dass sie weder Leistung nach aussen abgibt
noch Leistung von aussen benötigt, dass der Anwurfmotor (9) nach dem Start abkuppelbar ist, und dass bei Vollast der
Aufladedruck mindestens 9 bar und die Abgastemperatur nach der Gasturbine (8) höchstens 1650C beträgt.
2. Dampfkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Frischdampfregler (12) die Brennstoffmenge über ein
hydraulisches oder elektrisches Primärsystem regelt, welches ein hydraulisches oder elektrisches Sekundärsystem steuert,
das die Drehzahl der Aufladegruppe und somit die Menge der geförderten Verbrennungsluft dadurch an die Brennstoffmenge
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anpasst, dass bei einer Aenderung im Sekundärsystem in der
einen Richtung die Drehzahl der Aufladegruppe steigt durch Schliessen eines Bypasses (27) um die Gasturbine (8) zur Erhöhung
der Durchsatzmenge durch die Gasturbine und/oder durch Oeffnen eines Bypasses (30) auf der Gasseite des Dampfkessels
(6) zur Erhöhung der Temperatur vor der Gasturbine (8), und dass bei einer Aenderung im Sekundärsystem in der anderen
Richtung die Drehzahl der Aufladegruppe sinkt durch vorübergehendes Oeffnen des Bypasses (27) um die Gasturbine (8)
und/oder durch Schliessen des Bypasses (30) auf der Gasseite des Dampfkessels (6). . ■
3. Dampfkraftanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei zunehmendem Bedarf an Verbrennungsluft zuerst der
Bypass (27) um die Gasturbine (8) schliesst und dann der Bypass (30) auf der Gasseite des Dampfkessels-(6) öffnet, und
bei sinkendem Bedarf an Verbrennungsluft zuerst der Bypass (30) auf der Gasseite des Dampfkessels (6) schliesst und dann der
Bypass (27) um die Gasturbine (8) öffnet«,
4. Dampfkraftanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
dass bei Vollast beide Bypässe (27, 30) geschlossen sind.
Aktiengesellschaft BROWN, BOVERI & CIE.
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Leerseite
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CH1748172A CH552770A (de) | 1972-12-01 | 1972-12-01 | Dampfkraftanlage mit druckgefeuertem dampfkessel. |
CH1748172 | 1972-12-01 |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2262305A1 true DE2262305A1 (de) | 1974-06-20 |
DE2262305B2 DE2262305B2 (de) | 1977-05-12 |
DE2262305C3 DE2262305C3 (de) | 1977-12-29 |
Family
ID=
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0158629A2 (de) * | 1984-03-23 | 1985-10-16 | Herbert Dipl.-Ing. Dr. Univ. Prof. Jericha | Dampfkreislauf für Dampfkraftanlagen |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0158629A2 (de) * | 1984-03-23 | 1985-10-16 | Herbert Dipl.-Ing. Dr. Univ. Prof. Jericha | Dampfkreislauf für Dampfkraftanlagen |
EP0158629A3 (en) * | 1984-03-23 | 1986-02-26 | Herbert Dipl Ing Dr Jericha | Steam cycle for a steam power plant |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPS5321456B2 (de) | 1978-07-03 |
NL7316374A (de) | 1974-06-05 |
DK144834B (da) | 1982-06-14 |
DE2262305B2 (de) | 1977-05-12 |
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US3884036A (en) | 1975-05-20 |
ATA791873A (de) | 1975-11-15 |
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DK144834C (da) | 1982-11-29 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 | ||
EF | Willingness to grant licences | ||
8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: BBC BROWN BOVERI AG, BADEN, AARGAU, CH |
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