DE2262305C3 - Regelung einer Dampfkraftanlage mit druckgefeuertem Dampferzeuger - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Regelung einer Dampfkraftanlage mit druckgefeuertem Dampferzeuger, weleher eine Aufladegruppe aufweist, die im wesentlichen einen Turboverdichter und eine dem Dampferzeuger gasseitig nachgeschaltete Gasturbine umfaßt, wobei die Drehzahl der Aufladegruppe gleichzeitig mit der Brennstoffmenge in Abhängigkeit vom Druck oder der Menge des im Dampferzeuger erzeugten Frischdampfes geregelt ist.

Druckgefeuerte Dampferzeuger 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 bteinflußt 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 kleinerer Teillast nimmt die Aufladegruppe noch zusätzlich elektrische Leistung auf, bei höherer Teillast, bei Vollast (worunter die Normalleistung im Auslegungspunkt zu verstehen ist, die unterhalb der Maximalleistung liegt) und bei Überlast wird Überschußleistung 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.

Dampferzeuger 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 dushalb sehr voluminör und teuer wird. Da für die nachgeschaltetc Heizfläche praktisch nur ein Economiser in Frage kommt, muß die Vorwärmung des Speisewassers durch Anzapfdampf reduziert werden, was den !hermischen Wirkungsgrad des Kreisprozesses verschlechtert; außerdem 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 Dampferzeugers dient, mit der hochstzulässigen Temperatur vor der Gasturbine betrieben wird. Durch diese Maßnahme wird die Dampfproduktion verkleinert, weil die heißen Gase im Dampferzeuger weniger abgekühlt werden, aber dafür gibt 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 voluminös und entsprechend teuer, einerseits weil durch die Erhöhung der Temperatur vor der Gasturbine auch die Abgastemperatur 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 Dampferzeugers. 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- 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 Abgasverlusle ergibt. Das ließe sich zwar durch eine getrennte Nutzleistungsturbine vermeiden, was aber wieder die Anlage sehr verteuert.

— Um bei Teillast im nachgeschalteten Economiser keine Verdampfung zu erhalten, muß die Temperatur vor der Gasturbine abgesenkt werden, was den

,hermischen Wirkungsgrad verschlechtert. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine _lich einfache Dampfkraftanlage der eingangs erh ten Art mit wirtschaftlich gutem Gesamtwirkungsd zu schaffen, bei der g:\sseitig nach dem 5 !f⁸ kgefeuerten Dampferzeug-r kein weiterer Wärmcher notwendig ist und trotzdem die Kaminverluste ""üblichen Rahmen solcher Anlagen bleiben. Die erfindungsgemäße Lösung diest; Aufgabe

ht darin, daß unter ständiger Aufrechterhallung 10

^Gleichgewichts zwischen Turboverdichterleistung

d Gasturbinenleistung bei einer Änderung der

η müfmenge oder des Dampfdruckes der Drehzahl-

c llwert der Aufladegruppe verstellt wird und bei einer

rieichgewichtsstörung bei konstanter Dampfmenge 15

Her konstantem Dampfdruck über den Drehzahlregler

H> Drehzahl der Ladegruppe in beiden Fällen durch

Bypass um die Gasturbine sowie durch einen die

T^mDeratur vor der Gasturbine -erändernden Bypass

Γ der Gasseite eines unter dem vollen Gasdruck gehenden Economise« regelbar ist

Bei dieser einfachen, betriebssicheren und sehr wirtschaftlichen Anlage erfolgt die Drehzahlregelung α ch kesseleigene Mittel, es ist kein äußerer Eingriff ntwendig und keine fremde Energie erforderlich. Die Drehzahl und somit auch die Luftmenge wird laufend der Brennstoffmenge angepaßt, so daß weitgehend bei Ilen Betricbszuständen und sofort wieder nach , ' änderungen der Luftüberschuß im Dampferzeuger nraktisch konstant ist. Das große Druckverhältnis der Aufladegruppe gibt eine hohe Temperatur der verdichten Verbrennungsluft, wodurch selbst Schweröl ohne Schwierigkeiten verbrannt werden kann, ohne daß eine ätzlirhe Luftvorwärmung notwendig wäre. Das hohe Druckverhältnis ermöglicht einerseits kleine Abmessun- »en de: Dampferzeugers, so daß er im montierten Zustand (package unit) verschickt werden kann, andererseits ergibt es - ohne Leistungsabgabe der Auflagegruppe nach außen - tiefe Abgastemperaluren. Γη daß keine Speisewasservorwärmung durch die Abease nötig ist und der thermische Prozeß durch Anzapfdampfvorwärmung des Speisewassers optimali-

siert werden kann. . · , 1

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Frfindung schematisch und vereinfacht dargestellt. Die Dampfkraftanlage besteht im wesentlichen aus der Hochdruck-Dampfturbine 1. der Niederdruck-Dampfmrbine 2 welche zusammen den elektrischen Generator 3 antreiben, ferner aus dem Kondensator 4, der Kondensatpumpe 32. den anzapfdampfbeheizten Speisewasservorwärmern 5 und dem Dampferzeuger 6. Fur das Aufladen des Dampfkessels, d. h. um ihn gasse.tig auf den gewünschten Druck zu bringen, dient die Aufladegruppe, die sich im wesentlichen aus dem Tu ^verdichter 7, der Gasturbine 8, dem Anwurfmotor 9 und der hydraulischen Kupplung 10 zusammensetzt. Alle Bauteile der Aufladegruppe sitzen auf derselben

^WFur 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 wird der Frischdampfregler 12 beeinflußt, der den Abfluß 13 der Druckölleitung 14 des Pr.marsystems neuen die bei 15 über die Drosselstelle 16 angespeist wird Mit der Druckölleitung 14 steht einerseits der Servomotor 17 in Verbindung, der über die Brennstoffdüsen 18 des Dampferzeugers die Brennstoffzufuhr (nicht eingezeichnet) regelt, andererseits der Servomotor 19, der die Büchse 20 des Drehzahlreglers 21 der Aufladegruppe verstellt, wodurch über den Abfluß 22 der Steueröldruck in der Druckölleitung 23 des Sekundärsystems geändert wird. Die Druckleitung 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 der Bypass 30 auf der Gasseile des Economises 31 beeinflußt. An Stelle der Druckol 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 aut etwa 330' C erwärmt wird, was die Verbrennung von Schweröl erleichtert. Der Dampferzeuger 6 ist so ausgelegt, daß die Gastemperatur am Austritt etwa 430^cC beträgt, was auch die Eintrittstemperatur in die Gasturbine 8 ist. Im Zusammenhang mit dem hohen Druckverhältnis führt dies zu einer Abgastemperatur nach der Gastemperatur und somit zu einer Kamnuemperatur von nur 150⁰C. Der Abgasverlust kann also sehr k'ein gehalten und eine voluminöse NachschaltheizHache vermieden werden. Der Turboverdichter hat keinerlei Kühlung, das Speisewasser muß also weder durch die verdichtete Luft noch durch das Abgas erwärmt 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 Abstrahlungsverlusle die ganze Expansionswärme der Gasturbine an den Verdichter über, so daß 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 Heizfläche auf einen Bruchteil eines unaufgeladencn Dampferzeugers. . ...

Um die Drehzahl der Aufladegruppe bei Teillast reduzieren zu können - was den Vorteil hat. daß die Verbrennungsluftmenge jederzeit der Last des Dampferzeugers bzw. der Brennstoffmenge angepaßt werden kann -. wird der Anwurfmotor 9 durch Ausrücken der Kupplung 10 von der Aufladegruppe Bjrennt und stillgesetzt, sobald die Aufladegruppe nach dem Zünden der Brennkammer die notwendige Drehza fur da Gleichgewicht zwischen Verdichter- und Gasturbinen lristuni erreicht hat. Dieselbe ist sich nun selbst SÄ und unterliegt der installierten Regelung Durch diese Maßnahme kann be. einer Kessellast von etwa 500/0 die Verbrennungsluftmenge auf etwa 55 /0 verkleinert werden, so daß zwischen Vollast und Halblast der Luftüberschuß im Dampferzeuger prak^ tisch konstant gehalten werden kannwas h nsichthch einer sauberen Verbrennung und dementsprechend geringer Umweltverschmutzung sehr wichtig ist.

Sinkt ζ B. der Frischdampfdruck ab. weil die Dampfturbinengruppe wegen einer verlangten Ix^ stungszunahme eine größere Dampfmenge benot.gt so schließt der Frischdampfreg.er den Abfluß 3 der

Drehzahlreglers 21 so verschoben, daß der Abfluß 22 geschlossen und dadurch der Steueröldruck in der Druckölleitung 23 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 Economisers 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 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 Economisers zu öffnen, und bei sinkendem Bedarf an Verbrennungsluft zuerst den Bypass 30 auf der Gasseite des Economisers zu schließen und dann den Bypass 27 um die Gasturbine 8 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. Überschreitet die Betriebslast die Vollast, dann öffnet mindestens vorübergehend der Bypass 30 auf der Gasseite des Economisers 31, um der größeren Brennstoffmenge möglichst rasch die notwendige Verbrennungsluftmenge zuzuführen, und schließt wieder, wenn die Betriebslast zurückgeht. Unterschreitet die Belriebslast 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 Weise wird dafür gesorgt, daß die Drehzahl bzw. die Verbrennungsluftmenge möglichst rasch der Brennstoffmenge angepaßt werden kann.

ίο Diese Vorgänge können dadurch beschleunigt werden, daß man an Stelle der gewöhnlichen Regler Gradientenregler benützt, welche auf die Änderungsgeschwindigkeit 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.

»o 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 Drehzahlregler 21 geschlossen und der Steueröldruck in der Druckölleitung 23 des Sekundärsystems beginnt zu steigen. Damit wird das Bypassventil 2(5 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 dei Druckölleitungen 14 und 23 absinkt, die Auswirkungei

aber analog die gleichen bleiben.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Palentansprüche:

1. Regelung einer Dampfkraftanlage mit druckgefeuertem Dampferzeuger, welcher eine Aufladegruppe aufweist, die im wesentlichen einen Turboverdichter und eine dem Dampferzeuger gasseitig nachgeschaltete Gasturbine umfaßt, wobei die Drehzahl der Aufladegruppe gleichzeitig mit der Brennstoffmenge in Abhängigkeit vom Druck oder der Menge des im Dampferzeuger erzeugten Frischdampfes geregelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß unter ständiger Aufrechterhaltung des Gleichgewichts zwischen Turboverdichterleisiung und Gasturbinenleistung bei einer Änderung der Dampfmenge oder des Dampfdruckes der Drehzahl-Sollwert der Aufladegruppe (7,8) versteilt wird und bei einer Gleichgewichtsstörung bei konstanter Dampfmenge oder konstantem Dampfdruck über den Drehzahlregler (21) die Drehzahl der Aufladegruppe in beiden Fällen durch einen Bypass (27) um die Gasturbine (8) sowie durch einen die Temperatur vor der Gasturbine verändernden Bypass (30) auf der Gasseite eines unter dem vollen Gasdruck stehenden Economisers (31) regelbar ist.

2. Regelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampfdruck oder die Dampfmenge über ein Primär-Regelsystem die Brennstoffmenge und den Drehzahl-Sollwert und ein vom Drehzahlregler (21) beeinflußtes Sekundärsystem die beiden Bypässe (27, 30) steuert.

3. Regelung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Änderung im Sekundär-Regelsystem in der einen Richtung zuerst der Bypass (27) um die Gasturbine (8) schließt und dann dei Bypass (30) auf der Gasseitc des Economisers (3li) öffnet, und bei einer Änderung im Sekundär-Regelsystem in der anderen Richtung zuerst der Bypass (30) auf der Gasseite des Economisers (31) schließt und dann der Bypass (27) um die Gasturbine (8) öffnet.

4. Regelung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Normallast beide Bypässe (27, 30) geschlossen sind.

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