DE2542097C2 - Steam power plant with pressure-fired steam boiler - Google Patents
Steam power plant with pressure-fired steam boilerInfo
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Description
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Die Erfindung betrifft eine Dampfkraftanlage mit druckgefeuertem Dampfkessel, der eine Aufladegruppe aufweist, welche einen Turboverdichter zur Förderung der Verbrennungsluft und eine dem Dampfkessel gasseitig nachgeschaltete Gasturbine umfaßt, bei hohen Druckverhältnissen arbeitet und weder Leistung nach außen abgibt noch Leistung von außen aufnimmt, und der Frischdampfregler über ein hydraulisches oder elektrisches System sowohl die Brennstoffmenge regelt als auch durch Regelung der Aufladegruppe die notwendige Luftmenge der eingeregelten Brennstoffmenge zuordnet, wobei der Frischdampfregler bei abnehmender Last die Drehzahl der Aufladegruppe bis zu einem vorbestimmten Wert absenkt und bei zunehmender Last die Drehzahl der Aufladegruppe erhöht.The invention relates to a steam power plant with a pressure-fired steam boiler, which has a charging group has, which has a turbo compressor for promoting the combustion air and a steam boiler Includes gas turbine downstream on the gas side, works at high pressure ratios and neither performance after supplies outside nor absorbs power from outside, and the main steam regulator via a hydraulic or electrical system both regulates the amount of fuel and regulates the charging group the required amount of air is assigned to the regulated amount of fuel, with the live steam regulator at decreasing load, the speed of the charging group is reduced to a predetermined value and at the speed of the charging group increases with increasing load.
Druckgefeuerte Dampfkessel für Dampfkraftanlagen sind seit langem unter dem Namen »Velox« bekannt und in der Praxis angewendet. Der aufgeladene Dampfkessel weist eine Aufladegruppe auf, in welcher die Verbrennungsluft in einem Turboverdichter, üblicherweise ein Axialverdichter, auf den Brennkammerdruck verdichtet wird und die den Dampfkessel verlassenden Feuerungsgase in einer Gasturbine, welche den Verdichter antreibt, entspannt werden. Solche Anlagen sind besonders dann interessant, wenn der Brennkammerdruck, wie aus der CH-PS 5 52 770 bekannt ist, über 9 bar beträgt und die Turbine nur den Verdichter antreibt. Es werden in diesem Falle einerseits die Kesseldimensionen klein, weil das Gasvolumen wegen des hohen Druckes klein ist und die Wärmeübergänge hoch sind, andererseits die Abgastemperaturen nach der Gasturbine tief sind, weil die Eintrittstemperatur in die Gasturbine niedrig und das Expansionsgefälle hoch ist, so daß keine Heizflächen nachgeschaltet werden müssen.Pressure-fired steam boilers for steam power plants have long been known under the name "Velox" applied in practice. The supercharged steam boiler has a charging group in which the Combustion air in a turbo compressor, usually an axial compressor, to the combustion chamber pressure is compressed and the furnace gases leaving the steam boiler in a gas turbine, which the Compressor drives, be relaxed. Such systems are particularly interesting when the combustion chamber pressure, as is known from CH-PS 5 52 770, is over 9 bar and the turbine only the compressor drives. In this case, on the one hand, the boiler dimensions are small because of the gas volume the high pressure is small and the heat transfers are high, on the other hand the exhaust gas temperatures after the Gas turbine are deep because the inlet temperature into the gas turbine is low and the expansion gradient is high, so that no heating surfaces have to be connected downstream.
Die Anwendungsmöglichkeit dieser Auslegung ist aber beschränkt, denn der Turboverdichter hat nur ein enges Arbeitsgebiet und geratet bei sinkender Drehzüil rasch in das unstabile Gebiet Die Pumpgrenze wird bereits erreicht, wenn die Drehzahl auf 90% der Nenndrehzahl abgesunken ist Diese Unzulänglichkeit kann zwar durch Ausblaseschlitze zwischen den Leitschaufeln verbessert werden, dies genügt jedoch bei hohem Druckverhältnis bei weitem nicht, um gute Teillast-Wirkungsgrade zu erhalten.The possible application of this design is limited because the turbo compressor only has one narrow working area and rated with decreasing speed quickly into the unstable area The surge limit is already reached when the speed drops to 90% of the Rated speed has dropped This inadequacy can be caused by blow-out slots between the Guide vanes are improved, but at a high pressure ratio this is by no means sufficient to produce good ones To maintain partial load efficiencies.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einer Dampfkraftanlage der genannten Art auch bei hohen Druckverhältnissen in der Aufladegruppe einen guten Teillast-Wirkungsgrad zu erzielen.The invention is therefore based on the object in a steam power plant of the type mentioned high pressure ratios in the charging group to achieve a good partial load efficiency.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Turboverdichter mit Verstellschaufeln versehen ist, die bei einer weiteren Lastabsenkung bei konstanter Drehzahl im Sinne einer Verminderung der Luftförderung verstellt und bei Lastanstieg zunächst zurückverstellt werden.According to the invention, the object is achieved in that the turbo compressor is provided with adjustable blades is that in the event of a further load reduction at constant speed in the sense of a reduction in air flow adjusted and initially adjusted back when the load increases.
Die Verminderung der Drehzahl hat zur Folge, daß die Gefällkennziffer der Gasturbine weniger vom Optimalwert abweicht und deshalb auch bei der nachfolgenden Verstellung der Verdichterschaufeln weniger stark sinkt. Durch die dadurch erzielte Reduzierung der Verbrennungsluftmenge wird die Anlage bei Teillast wirtschaftlicher.The reduction in speed has the consequence that the gradient index of the gas turbine is less of the Optimal value deviates and therefore also with the subsequent adjustment of the compressor blades sinks less. Due to the reduction in the amount of combustion air achieved in this way, the System more economical at partial load.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch und vereinfacht dargestellt.In the drawing, an embodiment of the invention is shown schematically and in a simplified manner.
Die Dampfkraftanlage besteht im wesentlichen aus der Hochdruck-Dampfturbine 1, der Niederdruck-Dampfturbine 2, welche zusammen den elektrischen Generator 3 antreiben, ferner aus dem Kondensator 4, der Kondensatpumpe 5 und dem Dampfkessel 6. Für 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.The steam power plant essentially consists of the high-pressure steam turbine 1, the low-pressure steam turbine 2, which together drive the electric generator 3, furthermore from the capacitor 4, the condensate pump 5 and the steam boiler 6. For charging the steam boiler, d. H. around him on the gas side The supercharging group, which essentially consists of the turbo compressor, is used to bring the desired pressure 7, the gas turbine 8, the starter motor 9 and the hydraulic clutch 10. All components the charging group sit on the same shaft.
Für die Regelung der Anlage sind folgende Einzelelemente vorgesehen, soweit sie im vorliegenden Rahmen von Interesse sind:The following individual elements are provided for regulating the system, as far as they are in the present Frames of interest are:
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 14 steht der Servomotor 17 in Verbindung, der über die Brennstoffdüsen 18 des Dampfkessels die Brennstoffzufuhr (nicht eingezeichnet) regelt, ferner der Servomotor 26, welcher die Leitschaufeln 27 des Turboverdichters 7 verstellt, endlich 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 Servomotor 28, welcher das Ventil 29 betätigt, das den Bypass 30 auf der Gasseite des Kesselteils 31 beeinflußt. An Stelle der Druckölsteuerung kann auch eine elektrische Steuerung mit den gleichen Funktionen treten.The live steam regulator is controlled by the steam pressure or the flow rate in the live steam line 11 12 influences, which controls the outflow 13 of the pressure oil line 14 of the primary system, which at 15 on the Throttle point 16 is fed. With the pressure oil line 14, the servomotor 17 is in connection, which via the Fuel nozzles 18 of the steam boiler regulate the fuel supply (not shown), as does the servomotor 26, which adjusts the guide vanes 27 of the turbocompressor 7, and finally the servomotor 19, which adjusts the bushing 20 of the governor 21 of the supercharging group adjusted, whereby the control oil pressure in the outflow 22 Pressure oil line 23 of the secondary system is changed. The pressure oil line 23 is at 24 via the throttle point 25 and leads to the servomotor 28, which actuates the valve 29, the bypass 30 on the gas side of the boiler part 31 influenced. Instead of the pressure oil control, an electrical control can also be used with the the same functions.
Das Zusammenwirken der einzelnen Teile sowie die Regelung der Anlage geschieht wie folgt:The interaction of the individual parts and the control of the system takes place as follows:
Der Turboverdichter 1 verdichtet bei Vollast dieThe turbo compressor 1 compresses the
Verbrennungsluft auf mindestens 9 bar, die dadurch auf ca. 33O0C 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 Nachschaltheizfläche 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 erlaubtCombustion air to at least 9 bar, which is thereby heated to approximately 33O 0 C, which facilitates combustion of heavy oil, the boiler 6 is designed so that the gas temperature about is 430 ° C at the outlet, which is also the inlet temperature to the gas turbine 8 In connection with the high pressure ratio, this leads to an exhaust gas temperature after the gas turbine and thus to a chimney temperature of only 150 ° C. The exhaust gas loss can therefore be kept very small and a voluminous secondary heating surface can be avoided. The turbo compressor has no cooling whatsoever, so the feed water does not have to be heated either by the compressed air or by the exhaust gas, which allows optimal heating by bleeding steam
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 Abstrahlungsx irluste 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 Kesselheizfläche auf einen Bruchteil eines unaufgeladenen Kessels.The temperature in front of the gas turbine is kept so low by the control described below that that the gas turbine is just able to drive the turbocompressor of the charging group. This goes with With the exception of the storage and radiation losses, the entire heat of expansion of the gas turbine is transferred to the Compressor over, so that the charging group has the effect of the exhaust gas heated necessary in the known systems Has air preheater. At the same time, however, it still creates a high pressure and thus reduces the size the boiler heating surface to a fraction of an uncharged boiler.
Der Fliehkraftregler 21 hält die Drehzahl innerhalb seiner Ungleichförmigkeitsgrenze konstant, indem z. B. bei sinkender Drehzahl der Aufladegruppe der Steuerkolben der Büchse 20 deren Abfluß schließt und damit über die Druckölleitung 23 des Sekundärsystems und den Servomotor 28 das Bypassventil 29 öffnet. Dadurch steigt die Temperatur vor der Gasturbine 8 an und die Drehzahl der Aufladegruppe wird innerhalb der Ungleichförmigkeit des Reglers gehalten.The centrifugal governor 21 keeps the speed constant within its non-uniformity limit by z. B. When the speed of the charging group drops, the control piston of the sleeve 20 closes the outlet and thus closes it The bypass valve 29 opens via the pressure oil line 23 of the secondary system and the servomotor 28. Through this the temperature rises in front of the gas turbine 8 and the speed of the supercharging group is within the Regulator irregularity held.
Um die Drehzahl der Aufladegruppe bei Teillast reduzieren zu können — was den Vorteil hat, daß die Verbrennungsluftmenge jederzeit der Last des Dampfkessels bzw. dei 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 die anschließende Verstellung der Leitschaufeln des Verdichters kann die Verbrennungsluftmenge auf etwa 55% abgesenkt werden, so daß zwischen Vollast und Halblast der Luftüberschuß im Dampfkessel praktisch konstant gehalten werden kann, was hinsichtlich einer sauberen Verbrennung und dementsprechend geringer Umweltverschmutzung sehr wichtig ist.In order to be able to reduce the speed of the charging group at part load - which has the advantage that the The amount of combustion air can be adapted to the load of the steam boiler or the amount of fuel at any time can - the starting motor 9 is separated from the charging group by disengaging the clutch 10 and shut down as soon as the charging group has reached the required speed for the Has reached equilibrium between compressor and gas turbine performance. It is now itself and is subject to the installed regulation. By subsequently adjusting the guide vanes of the compressor, the amount of combustion air can be reduced to about 55%, so that between full load and half load the excess air in the steam boiler can be kept practically constant, which in terms of clean combustion and accordingly low environmental pollution is very important.
Steigt z. B. nahe der Vollast der Frischdarppfdruck, weil die Dampfturbinengruppe wegen einer Leistungsabnahme eine kleinere Dampfmenge benötigt, so öffnet der Frischdampfregler 12 den Abfluß 13 der Druckolleitung 14. Dadurch sinkt der Druck im Primäfsystem und schließt 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 geöffnet und dadurch der Steueröldruck in der Druckölieitung 23 des unabhängigen Sekundärsystems gesenkt wird. Das hat zur Folge, daß über den Servomotor 28 das Ventil 2? und damit der ίο Bypass 30 auf der Gasseite des Dampfkessels schließt. Dadurch wird die Temperatur vor der Gasturbine gesenkt und damit die Drehzahl der Aufladegruppe bzw. die Menge der geförderten Verbrennungsluft der neuen, kleineren Brennstoffmenge angepaßt ,5 Nimmt die Leistung und dadurch der Druck im Primärsystem noch weiter ab, so kann sich der Steuerkolben des Servomotors 19 nur bis zum Anschlag 32 bewegen. Damit ist die unterste Stellung der Büchse 20 erreicht und die Drehzahl der Aufladegruppe kann nicht mehr weiter absinken.Increases z. B. close to full load the Frischdarppfdruck because the steam turbine group because of a decrease in performance If a smaller amount of steam is required, the main steam regulator 12 opens the outlet 13 of the pressure line 14. As a result, the pressure in the primary system drops and closes the fuel nozzles 18 via the servomotor 17 of the steam boiler. At the same time, the sleeve 20 of the governor 21 is via the servo motor 19 moved that the drain 22 opened and thereby the Control oil pressure in the pressure oil line 23 of the independent secondary system is lowered. This has the consequence that the valve 2? and thus the ίο bypass 30 on the gas side of the steam boiler closes. This lowers the temperature in front of the gas turbine and thus the speed of the supercharger group or the amount of the conveyed combustion air adapted to the new, smaller amount of fuel , 5 If the power and thereby the pressure in the primary system decrease even further, the Only move the control piston of the servomotor 19 as far as the stop 32. This is the lowest position of the sleeve 20 is reached and the speed of the charging group can no longer decrease any further.
Durch eine entsprechende Bemessung der Federkräfte wird erreicht, daß der Servomotor 26 erst dann betätigt wird, wenn der Kolben des Servomotors 19 seine Endlage erreicht hat. Sinkt nun der Druck in der Leitung 14 weiter ab, so bleibt, wie eben gesagt, die Stellung des Kolbens des Servomotors 19 unverändert, dagegen bewegt sich nun der Kolben 15 und verstellt die Leitschaufeln 27 des Verdichters 7, bis auch hier durch den Anschlag 33 die Verstellgrenze erreicht ist. Bei vorübergehend fallendem Frischdampfdruck, d. h. bei steigender Last spielt sich der analoge Regelvorgang, aber im umgekehrten Sinne ab. Es werden zunächst die Leitschaufeln des Verdichters verstellt und erst nachher wird die Drehzahl erhöht. Durch den beschriebenen Regelvorgang erreicht die Drehzahl der Aufladegruppe bei etwa 90% der Nennlast die unterste Grenze. Von diesem Berriebspunkte an bleibt sie konstant und die Winkelverstellung der Schaufeln des Turboverdichters beginnt. Bei ca. 50% der Nennlast ist auch die Verstellung der Schaufeln an ihrer Grenze angelangt Von hier an bleibt die Luftmenge konstant und entsprechend einer weiteren Abnahme der Brennstoffmenge nimmt der Luftüberschuß zu.By appropriately dimensioning the spring forces, it is achieved that the servomotor 26 only then is actuated when the piston of the servo motor 19 has reached its end position. If the pressure in the Line 14 continues, so, as just said, the position of the piston of the servo motor 19 remains unchanged, on the other hand, the piston 15 now moves and adjusts the Guide vanes 27 of the compressor 7 until the adjustment limit is also reached here by the stop 33. If the live steam pressure drops temporarily, i. H. when the load increases, the analog control process takes place, but in the opposite sense from. First the guide vanes of the compressor are adjusted and the speed is only increased afterwards. Through the control process described, the The speed of the charging group is the lowest limit at around 90% of the nominal load. From this point of view on it remains constant and the angle adjustment of the blades of the turbo compressor begins. At approx. 50% of the nominal load, the adjustment of the blades has also reached its limit. From here on, the adjustment remains The amount of air is constant and the excess air increases in accordance with a further decrease in the amount of fuel to.
Es wäre falsch, bei abnehmender Last zuerst die Schaufeln des Verdichters zu verstellen und erst dann die Drehzahl abzusenken, weil man dadurch von Anfang an in das Gebiet der geringen Gefällskennziffer der Gasturbine gelangen würde. Auch gleichzeitiges Verstellen der Schaufeln und Drehzahlabsenkung ist schlechter als die beschriebene Regelung. Hingegen würde es noch einen gewissen Vorteil bringen, außer den Leitschaufeln 27 auch die Laufschaufeln 34 des Verdichters 7, eventuell sogar noch die Schaufeln der Turbine zu verstellen, was jedoch mit einer komplizierteren Mechanik erkauft werden müßte.It would be wrong to adjust the blades of the compressor first and only then when the load decreases Reduce the speed, because this means you are in the area of the low gradient from the start Gas turbine would arrive. It is also possible to adjust the blades and lower the speed at the same time worse than the regulation described. On the other hand, it would still bring some benefit, except the guide blades 27 and the rotor blades 34 of the compressor 7, possibly even the blades of the To adjust the turbine, which, however, would have to be bought with a more complicated mechanism.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
Claims (3)
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