DE2816636A1 - Vorrichtung zur waermegewinnung aus den abgasen von schiffsantriebsmaschinen - Google Patents

Vorrichtung zur waermegewinnung aus den abgasen von schiffsantriebsmaschinen

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Description

Möhlstraße 37 D-8000 München 80
Tel.: 089/982085-87
Tokio, Japan Telex: 0529802 hnkld
.ι Telegramme: ellipsoid
J 7. krlj K)-T0
Vorrichtung zur Wärmegewinnung aus den Abgasen von S chiffs antriebsmas chinen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wärmegewinnung aus den Abgasen von Schiffsantriebsmaschinen, z.B. Dieselmaschinen und Gasturbinen, mit einem sog. Abgasvorwärmer für einen Wärmeaustausch zwischen den von der Antriebsmaschine entlassenen Abgasen und dem von einem Speisewassepbehälter aus zugeführten Speisewasser.
Bei Schiffen mit Dieselmaschinen oder Gasturbinen als Hauptantriebsmaschinen wird im allgemeinen Dampf sowohl für den Antrieb eines Turbogenerators, welcher den elektrischen Strom für das Schiff liefert, als auch für allgemeine Versorgungszwecke, wie das Vorwärmen des Brennöls (Kraftstoff) benötigt.
Dieser Dampf wird in einem Abgasvorwärmer durch Erwärmen von Wasser mit dem als Wärmelieferant dienenden Abgas von einer Wärmekraftmaschine erzeugt. Insbesondere wird bei einer bisherigen Vorrichtung Sattdampf mit gleichHelbendem, d.h. einem einzigen Druck in einem Abgasvorwärmer erzeugt, und ein Teil dieses Dampfes wird für allgemeine Zweck benutzt, während der
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Rest überhitzt und dann für den Antrieb des Turbogenerators benutzt wird. Zur Erhöhung der von einem Turbogenerator erzeugten Menge an elektrischem Strom muß ein großer Wert von
(im Abgasvorwärmer aus dem Abgas gewonnene Wärmemenge) χ (WärmeWirkungsgrad des Kreises)
gewählt werden, und zur Gewinnung derselben Strommenge bei fallendem Dampfdruck muß die rückzugewinnende Wärmemenge erhöht werden, weil bei einer Abnahme des Dampfdrucks auch der thermische bzw. Wärmewirkungsgrad des Kreises abnimmt. Bezüglich des Mehrzweck- oder Nutzdampfes braucht dagegen die Rückgewinnungs-Wärmemenge für die Leistung derselben Arbeit nicht erhöht zu werden, auch wenn der Dampfdruck abfällt. Das bei den bisherigen Vorrichtungen bestehende Problem liegt also darin, daß zwei Arten von Dampf für verschiedene Verwendungszwecke mit gleichem Druck abgenommen werden müssen.
Bei der erwähnten bisherigen Vorrichtung zur Wärmegewinnung aus Abgasen ist es daher unmöglich, die erzeugte Strommenge über einen weiten Bereich hinweg nur durch Regelung des Dampfdrucks zu erhöhen. Aus diesem Grund ist diese Vorrichtung bei Schiffen mit Antriebsmaschinen mittlerer bis niedriger Leistung wirtschaftlich unzufriedenstellend, obgleich sie bei Schiffen mit Hochleistung-Antriebsmaschinen mit wirtschaftlichem Vorteil eingesetzt werden kann.
Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung einer Vorrichtung zur Wärmegewinnung aus den Abgasen von Schiffsantriebsmaschinen, bei welcher die durch einen Turbogenerator erzeugte elektrische Strommenge im Vergleich zur bisherigen Vorrichtung erhöht wird.
Bei dieser Vorrichtung soll außerdem unter denselben Stromerzeugungsbedingungen der Abgasvorwärmer kompakter und kostensparender gebaut sein können als bei der vergleichbaren bisherigen Vorrichtung.
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Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung zur Wärmegewinnung aus den Abgasen einer Schiffsantriebsmaschine, mit einem Abgasvorwärmer für den Wärmeaustausch zwischen den von der Antriebsmaschine entlassenen Abgasen und dem von einem Speisewasserbehälter zugeführten Speisewasser, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Druckregler zur Regelung des Drucks des Speisewassers für die Bildung von Versorgungen für Speisewasser mit vergleichsweise hohem und solchem mit niedrigem Druck vorgesehen ist, daß der Abgasvorwärmer einen Hochdruck-Dampfgeneratorteil für die Aufnahme des Hochdruck-Speisewassers zur Erzeugung von Hochdruckdampf für den Antrieb einer Dampfturbine und einen Niederdruck-Dampfgeneratorteil aufweist, der mit Niederdruck-Speisewasser zur Erzeugung von Nutz- oder Mehrzweckdampf für andere Zwecke als für den Antrieb der Dampfturbine speisbar ist, daß am Auslaß des Niederdruck-Dampf genera torte ils ein Niederdruck-Dampfabscheider zum Abscheiden von Sättigungswasser (saturated water) vom Mehrzweckdampf angeordnet ist und daß in einer den Speisewasserbehälter mit dem Niederdruck-Dampfgeneratorteil verbindenden Leitung ein primärer Speisewasservorwärmer zum Vermischen des vom Niederdruck-Dampfabscheider abgeschiedenen Sättigungswassers mit dem vom Speisewasserbehälter zum Abgasvorwärmer geleiteten Speisewasser unter Vorwärmung desselben vorgesehen ist.
Die Erfindung gewährleistet damit die folgenden Merkmale bzw. Vorteile:
1. Der Druck des in einen Abgasvorwärmer eingeführten Speisewassers wird mittels eines Druckreglers so geregelt, daß Hochdruck- und Niederdruck-Speisewasserversorgungen geboten werden. Das Innere des Abgasvorwärmers ist in einen Hochdruck-Dampfgeneratorteil, in den das Hochdruck-Speisewasser eingeführt wird, und einen Niederdruck-Dampfgenera-
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torteil unterteilt, der mit dem Niederdruck-Speisewasser beschickt wird. Der im entsprechenden Generatorteil erzeugte Hochdruckdampf wird für den Antrieb einer Dampfturbine benutzt, während der im anderen Generatorteil erzeugte Niederdruckdampf als Mehrzweckdampf verwendet wird. In die Leitung für den Niederdruck-Mehrzweckdampf ist ein Niederdruckdampfabscheider eingeschaltet, in welchem Sättigungswasser abgetrennt und dann in einem Primär-Speisewasservorwärmer mit dem dem Abgasvorwärmer bzw. -ekonomiser zugeführten Speisewasser vermischt wird.
2. Zusätzlich ist ein sekundärer Speisewasservorwärmer für einen Wärmeaustausch zwischen dem Speisewasser und dem von der Hochdruckdampfleitung abgenommenen überschüssigen Dampf mit hohem Druck sowie dem niedrigen Druck besitzenden, von der Mehrzweckdampfleitung abgezweigten Überschußdampf vorgesehen, um eine wirksame Ausnutzung beider Dampfarten zu erreichen.
Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bisherigen Vorrichtung zur Rückgewinnung von Wärme aus Abgasen,
Fig. 2 graphische Darstellungen der Leistung der bisherigen Vorrichtung,
Fig. 3 eine Fig. 1 ähnelnde schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 4 eine Fig. 3 ähnelnde schematische Darstellung einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung und
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Fig. 5 bis 8 graphische Darstellungen der Leistung der Vorrichtungen gemäß den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung.
Vor der genauen Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung ist im folgenden anhand der Fig. 1 und 2 ein Beispiel für eine bisherige Vorrichtung zur Wärmegewinnung aus Abgasen erläutert.
Der bisherige Abgasvorwärmer 01 gemäß Fig. 1 besteht aus einem Vorheiz- bzw. Vorwärmteil 011, einem Verdampferteil 012 und einem Überhitzerteil 013. Der vom Vorwärmer 01 gelieferte Dampf wird einer Dampfturbine 02 zugeführt, an die ein Generator 03 unmittelbar angeschlossen ist. Der aus der Dampfturbine 02 austretende Dampf wird dann über einen Kondensator 04, eine Kondensatpumpe 05» eine Speisewasserpumpe
06 und einen Speisewasservorwärmer 07 zu einem Speisewasserbehälter 08 geleitet.
Das von einer Antriebsmaschine, etwa einer nicht dargestellten Dieselmaschine, entlassene Abgas A wird in den Abgasvorwärmer 01 eingeführt und nach dem Wärmeaustausch mit Speisewasser W, das mittels der Speisewasserpumpe 06 vom SpeisewasserbehäUfer 08 über den Speisewasservorwärmer 07 zugeführt wird, nach außen entlassen. Genauer gesagt: das durch den Vorwärmer
07 bis zu einem bestimmten Grad vorgewärmte Speisewasser W tritt in den Vorwärmteil 011 des AbgasVorwärmers 01 ein, um darin durch den Wärmeaustausch mit dem Abgas A erwärmt zu werden; anschließend tritt das Speisewasser W in den Verdampferteil 012 ein, in welchem es einem Wärmeaustausch mit dem Abgas A, das eine höhere Temperatur besitzt als das Abgas im Vorwärmteil 011, unterworfen und dabei in Sattdampf umgewandelt wird. Ein Teil SA des im Verdampferteil 012 erzeugten Sattdampfes wird einer Vorrichtung bzw. einem Gerät zugeführt,
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etwa einem Kraftstoffvorwärmer, der Mehrzweckdampf benutzt, während der Rest des Sattdampfes in den Überhitzer 013 einströmt, um einem Wärmeaustausch mit dem Abgas A das eine noch höhere Temperatur als das Abgas im Verdampferteil 012 besitzt, unterworfen und in überhitzten Dampf SB umgewandelt zu werden, der dann der Dampfturbine 02 für deren Antrieb zugeführt wird. Der aus der Dampfturbine 02 austretende Dampf wird im Kondensator 04 kondensiert, und das Kondensat wird dann mittels der Kondensatpumpe 05 zum Speisewasserbehälter 08 geleitet.
Hierbei ist zu beachten, daß der Mehrzweckdampf, der an der betreffenden, vorgesehenen Stelle benutzt und dann kondensiert worden ist, auch in den Speisewasserbehälter 08 geleitet wird. Mit anderen Worten: bei der bisherigen Vorrichtung wird Sattdampf eines einzigen Drucks durch den AbgasvorwSrmer 01 erzeugt, wobei ein Teil des Sattdampfes als Mehrzweckdampf benutzt wird, während der Rest nach Überhitzung für den Antrieb eines Turbogenerators benutzt wird.
Dabei ist auch darauf hinzuweisen, daß zur Erhöhung der durch den Turbogenerator erzeugten Menge an elektrischem Strom ein großer Wert von
(Menge der in einem Abgasvorwärmer aus dem Abgas gewonnenen Wärmemenge) χ (Wärmewirkungsgrad des Kreises)
gewählt werden muß. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, bestehen jedoch bei der bisherigen Vorrichtung die folgenden Tendenzen:
1. Wenn der Dampfdruck in der Reihenfolge a, b und c abnimmt, verringert sich gemäß Fig. 2(2) der thermische Wirkungsgrad des Kreises (thermal efficiency of cycle), während die durch den Dampf im Abgasvorwärmer 01 gewonnene Wärmemenge gemäß Fig. 2(1) in der Reihenfolge a—>b ->-c zunimmt.
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2. Wenn andererseits der thermische Wirkungsgrad des Kreises gemäß Fig. 2(2) in der Reihenfolge c-^b-^.a durch Erhöhung des Dampfdrucks in der Reihenfolge c -^b -^a erhöht wird, nimmt die gewonnene Wärmemenge gemäß Fig. 2(1) in der Reihenfolge c—^b-^ a ab.
Infolgedessen kann der optimale Dampfdruck, bei dem der Turbogenerator die größte Strommenge liefert, durch Regelung des Dampfdrucks auf die in Fig. 2(3) gezeigte Weise erreicht werden. Bei der bisherigen Vorrichtung ist es jedoch unmöglich, die Stromerzeugung einfach durch Regelung des Dampfdrucks über einen weiten Bereich hinweg zu erhöhen, weshalb sich diese bisherige Wärme(rück)gewinnungsvorrichtung aus wirtschaftlichen Gründen bei Schiffen mit Antriebsmaschinen mittlerer bis niedriger Leistung als ungünstig erweist, obgleich sie bei Schiffen mit Hochleistung-Antriebsmaschinen mit wirtschaftlichem Vorteil angewendet werden kann.
einer
Bei der in Fig. 3 dargestellten Vorrichtung gemäß / Ausführungsform der Erfindung sind eine Dampfturbine 2, mit welcher ein Generator 3 unmittelbar verbunden ist, ein Kondensator 4, eine Kondensatpumpe 5» eine Speisewasserpumpe 6, ein Speisewasserbehälter 8 und eine mit Mehrzweckdampf gespeiste Vorrichtung bzw. ein Gerät 9 vorgesehen, wobei Anordnung und Arbeitsweise dieselben sind wie bei den entsprechenden Teilen der bisherigen Vorrichtung. Bei der dargestellten Ausführungsform ist außerdem eine Kondensator/Ejektor-Einheit 19 vorgesehen, welcher das Kondensat von der Pumpe 5 zugeführt wird.
Ein Abgasvorwärmer 1 besteht aus einem Primärvorwärmer 11, einem Niederdruck-Dampfgenerator 12, einem Sekundärvorwärmer 14, einem Hochdruck-Dampfgenerator 15 und einem Überhitzer 13. In die Speisewasser-Auslaßleitung vom Primärvorwärmer 11
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ist ein Druckregler 10 eingeschaltet, der, wie dargestellt, ein Reduzierventil, eine Förderpumpe o.dgl. sein kann. Im Betrieb wird das von einer Antriebsmaschine, etwa einer nicht dargestellten Dieselmaschine, erzeugte Abgas A in den Abgasvorwärmer 11 eingeleitet, in welchem es der Reihe nach den Überhitzer 13, den Hochdruck-Dampfgenerator 15, den Sekundärvorwärmer 14, den Niederdruck-Dampfgenerator 12 und den Primärvorwärmer 11 durchströmt. Nach dem Wärmeaustausch mit dem durch diese verschiedenen Baueinheiten strömenden Speisewasser oder Dampf wird das Abgas nach außen abgeleitet.
Am Dampfauslaß des Niederdruck-Dampfgenerators 12 ist ein Niederdruck-Dampfabscheider 16 vorgesehen, in welchem Sattdampf bzw. Sättigungswasser W^ vom Mehrzweckdampf B abgetrennt wird. In einer den Hochdruck-Dampfgenerator 15 mit dem Überhitzer 13 verbindenden Hochdruck-Dampfleitung ist ein Hochdruck-Dampfabscheider 17 angeordnet, in welchem (gesättigtes bzw. Sättigungs-)Wasser vom Hochdruckdampf C abgeschieden wird, wobei eine Wasserumwälzpumpe 18 zum Umwälzen des Wassers vom Abscheider durch den Hochdruck-Dampfgenerator 15 vorgesehen ist. In der den Speisewasserbehälter 8 mit dem Abgasvorwärmer 1 verbindenden Speisewasserleitung ist ein primärer Speisewasservorwärmer 7 vorgesehen, in den das vom Niederdruck-Dampf abscheider 16 kommende Wasser W^ eingeleitet wird.
Im folgenden ist die Arbeitsweise der vorstehend beschriebenen Wärmegewinnungsvorrichtung näher erläutert. Das mittels der Speisewasserpumpe 6 vom Speisewasserbehälter 8 über den primären Speisewasservorwärmer 7 unter Druck geförderte Speisewasser W wird in den Primärvorwärmer 11 im Abgasvorwärmer 1 eingeleitet. Im Vorwärmer 11 wird das Speisewasser W sodann bis zu einer Temperatur nahe der Sättigungstemperatur, entsprechend dem am Druckregler 10 voreingestellten Druck, durch den Wärmeaustausch mit dem Abgas A erwärmt, worauf ein Teil des erwärmten Speisawassers Wj1 über den Druckregler 10, in
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welchem sein Druck verringert wird, zum Niederdruck-Dampfgenera tor 12 geleitet wird, während der andere, ungeregelte Teil des Wassers W- dem Sekundärvorwärmer 14 zugeführt wird. (Die vorstehende Beschreibung der Arbeitsweise der Vorrichtung gilt für den Fall, daß als Druckregler 10 ein Reduzierventil verwendet wird; falls dagegen als Druckregler eine Förderpumpe verwendet wird, wird ein Teil des Speisewassers W nach Druckerhöhung durch den Druckregler 10 zum .Sekundärvorwärmer geleitet, während der restliche Teil des Wassers Wu dem emeg-44 zugeführt wird.) Im Niederdruck-Dampf generator 12 wird das Speisewasser W, das selbstverständlich unter einem niedrigen Druck steht, einem Wärmeaustausch mit dem Abgas A unterworfen, das eine höhere Temperatur besitzt als das Abgas im Primärvorwärmer 11, so daß Niederdruckdampf B entsteht. Dieser Niederdruckdampf B wird in den Niederdruck-Dampfabscheider 16 gefördert, in welchem das Sättigungswasser Wv abgeschieden wird, und anschließend zu der mit Mehrzweckdampf arbeitenden Vorrichtung bzw. Gerät 9 geleitet. Sodann wird dieser Dampf zum Speisewasserbehälter 8 zurückgeführt. Das eine hohe Temperatur besitzende Sättigungswasser Wj3 wird zum primären Speisewasservorwärmer 7 geführt, wo es mit dem unmittelbar vom Speisewasserbehälter 8 gelieferten Speisewasser W vermischt wird, wodurch die Temperatur des Speisewassers W erhöht werden kann.
Die Umwälzmenge bzw. -größe im Niederdruck-Dampfsystem, d.h. die Umwälzmenge des Sättigungswassers W^, zur Strömungsmenge des Speisewassers W, im folgenden als Umwälzverhältnis bezeichnet, ist auf spezielle Weise auf die Speisewasseraustritts temperatur des primären Speisewasservorwärmers 7 bezogen. Bei der bevorzugten Ausführungsform gemäß Fig. 3 kann bei einem Umwälzverhältnis von 1:4 - 1:5 eine Speisewassertemperatur im Bereich von 90 - 1100C erzielt werden.
Andererseits wird das Hochdruckspeisewasser Wj1, welches den
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Druckregler 10 umgeht, in den sekundären Vorwärmer 14 eingeleitet, und nachdem dieses Speisewasser auf eine Temperatur dicht an der Sättigungstemperatür, entsprechend dem am Druckregler 10 eingestellten Wert, durch den Wärmeaustausch mit dem Abgas A von höherer Temperatur als derjenigen im Niederdruck-Dampfgenerator 12 erwärmt worden ist, tritt es in den Hochdruck-Dampfgenerator 17 ein, in welchem der Dampf teilweise abgeschieden wird. Danach wird das Hochdruckspeisewasser mittels der Wasserumwälzpumpe 18 in den Hochdruck-Dampfgenerator 15 gefördert. In letzterem wird das Hochdruckspeisewasser ^L einem Wärmeaustausch mit dem Abgas A von noch höherer Temperatur als im Sekundärvorwärmer 14 unterworfen, wobei Hochdruck-Sattdampf C erzeugt wird. Dieser Sattdampf C wird über eine den Hochdruck-Dampfgenerator 15 mit dem Hochdruck-Dampfabsclieider 16 verbindende Umwälzleitung zum Abscheider 17 zurückgeführt. Nachdem im Hochdruck-Dampfabscheider 17 das Sättigungswasser abgeschieden worden ist, wird der Sattdampf dem Überhitzer 13 zugeleitet, in welchem er durch Wärmeaustausch mit dem von der Antriebsmaschine gelieferten, die höchste Temperatur besitzenden Abgas A in überhitzten Dampf D von hoher Temperatur und hohem Druck umgewandelt wird, der dann der Dampfturbine 2 für den Antrieb derselben zugeführt wird. Eine Umgehungs- bzw. Überbrückungsleitung verbindet die Leitung für den überhitzten Dampf D mit dem Ejektor der Einheit 19.
Es ist darauf hinzuweisen, daß im Hochdruck-Dampfabscheider 17 das vom Sattdampf C abgetrennte Sättigungswasser mit dem erwähnten Hochdruckspeisewasser W, vermischt und sodann gemeinsam mit diesem mittels der Wasserumwälzpumpe 18 durch die genannte Umwälzleitung und den Hochdruck-Dampfgenerator 15 erneut umgewälzt wird.
In Fig. 4 ist eine andere Ausf uhrungsform der Erfindung dargestellt, die sich von derjenigen gemäß Fig. 3 dadurch unter-
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scheidet, daß zusätzlich Hochdruck-Dampfdruckregler 21a und 21b zur Regelung des Drucks des der Dampfturbine 2 zugeführten Hochdruckdampfs D, Niederdruck-Dampfdruckregler 22a und 22b zur Regelung des Drucks des Mehrzweckdampfes B, ein sekundärer Speisewasservorwärmer 25 zum Erwärmen des Speisewassers ¥ mit dem durch diese Dampfdruckregler abgenommenen Überschußdampf, Hochdruck/Niederdruck-Dampfabscheider-Wasserpegelregler 23a, 23b, 24a und 24b zur Regelung der Wasserspiegel im Hochdruck-Dampfabscheider 17 bzw. im Niederdruck-Dampf abscheider 16 sowie ein Umgehungs- bzw. Überbrückungsventil 26 vorgesehen sind. Gemäß Fig. 4 wird, genauer gesagt, der Druck des Mehrzweckdampfes B im Niederdruck-Dampfabscheider 16 mittels eines Druckfühlers 22b zur Betätigung des Druckregelventils 22a gemessen, wobei dann, wenn dieser Druck einen vorbestimmten Wert übersteigt, das Druckregelventil 22a automatisch geöffnet wird, um den Überschußdampf E dem sekundären Speisewasservorwärmer 25 zuzuführen. Der Druck des Hochdruckdampfes D kann auf ähnliche Weise durch den Druckfühler 21b und das Druckregelventil 21a geregelt werden, wobei der Überschußdampf F dem sekundären Speisewasservorwärmer 25 zugeführt wird. Darüber hinaus kann der Wasserspiegel bzw. -füllstand im Niederdruck-Dampfabscheider 16 mittels des Wasserpegeldetektors 24b und des Wasserpegel-Regel ventile 24a in einer vorbestimmten Höhe gehalten werden, welches in Abhängigkeit von dem an seinem Eingang angelegten Wasserpegel-Meßsignal automatisch die Leitung für Sättigungswasser Wb öffnet und schließt, während weiterhin der Wasserpegel bzw. -füllstand im Hochdruck-Dampfabscheider 17, eben» falls mittels eines Wasserpegeldetektors 23b und eines entsprechenden Regelventils 23a, auf einer vorbestimmten Höhe gehalten wird. Der sekundäre Speisewasservorwärmer 25 ist ein herkömmlicher Wärmetauscher, in welchem das Speisewasser W durch Wärmeaustausch zwischen ihm und dem Überschußdampf E und F von der Leitung für Mehrzweckdampf B bzw. der Leitung für Hochdruckdampf D erwärmt werden kann. Das Überbrückungs-
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ventil 26 kann geöffnet werden, um die Umgehungs- bzw. Überbrückungsleitung G für die Lieferung von Hochdruckdampf D mit der Seite bzw. Leitung für Mehrzweckdampf B zu verbinden, falls ein großer Bedarf an Mehrzweckdampf B aufgetreten ist.
Bei dieser zweiten Ausführungsform der Erfindung kann nicht nur das vorher genannte Umwälzverhältnis mittels des Druckregelventils 24a eingestellt werden, vielmehr können auch der Druck des Hochdruckdampfes D und des Mehrzweckdampfes B, die Umwälzmenge des Sättigungswassers im Hochdruck-Dampfgenerator 15 und die Umleitungsmenge des Hochdruckdampfes zur Seite des Mehrzweckdampfes hin frei geregelt werden.
Bei der vorstehend beschrjß benen Vorrichtung gemäß der Erfindung kann die gesamte Zufuhr und Ableitung des Wassers in den und aus dem Abgasvorwärmer, beispielsweise die Zufuhr von Wasser vom Speisev/aaserbeliälter zum Abgasvorwärmer, die Umwälzung des Niederdruckspeisewassers durch den Niederdruck-Dampfgeneratorteil, die Umwälzung des Hochdruckwassers durch den Hochdruck-Dampfgeneratorteil usw., mit Hilfe von zwei Speisewasserpumpen, nämlich der Niederdruck-Speisewasserpumpe !6 und der Hochdruck-Speisewasserpumpe 18 erfolgen.
Der Druck des Hochdruckdampfes D liegt im allgemeinen im Be-
reich von 5-10 kg/cm , während
dampfes B bei 2-3 kg/cm liegt.
reich von 5-10 kg/cm , während der Druck des Niederdruck-
Nach der genauen Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sind im folgenden die Vorteile der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik näher erläutert.
Die Anforderungen an den Dampf für den Antrieb eines Turbogenerators und an den Mehrsweck- bzw. Nutzdampf sind in Fig. veranschaulicht. Wenn der Dampfdruck Pp gemäß Fig. 5(1) im Fall von Dampf für den Antrieb eines Turbogenerators abnimmt,
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muß zur Erzeugung derselben elektrischen Strommenge die zu gewinnende Wärmemenge Q^ vergrößert werden. Dies ist darauf zurückzuführen, daß der Wärmewirkungsgrad des Kreises entsprechend der Abnahme des Dampfdrucks sinkt, was ein charakteristisches Merkmal des Rankineschen Kreises darstellt. Wenn dagegen mit dem Mehrzweckdampf gemäß Fig. 5(2) dieselbe Arbeit geleistet werden soll, braucht selbst bei abnehmendem Dampfdruck Pp die zu gewinnende Wärmemenge Qp nicht vergrößert zu werden. Das Problem bei der bisherigen Vorrichtung liegt also darin, daß zwei Dampfanteile, an die unterschiedliche Anforderungen gestellt werden, bei gleichem Druck abgenommen werden müssen.
Wenn die für die Erzeugung des Mehrzweckdampfes (Fig. 5(2)) benötigte Wärmemenge Q2 wesentlich kleiner ist als die Wärmemenge Q^, die für die Erzeugung des Dampfes D für den Antrieb eines Turbogenerators nötig ist (Fig. 5(1))» kann das genannte Problem vernachlässigt werden; im Fall von Q1/Q2=2'v4 läßt sich das vorstehend angeschnittene Problem jedoch nicht vernachlässigen.
Zur Vergrößerung der dem Abgas zu entziehenden Wärmemenge ist es daher nötig, die Sättigungstemperatur durch Wahl eines niedrigeren Dampfdrucks zu senken. Wenn jedoch der Dampfdruck ohne Rücksicht auf weitere Umstände bzw. Gegebenheiten einfach gesenkt wird, ergeben sich hieraus die Notwendigkeit für eine Vergrößerung der Dampfturbine 2 sowie eine weitere Verringerung der Stromerzeugung.
Die Fig. 6 und 7 veranschaulichen einen Vergleich zwischen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und der bisherigen Vorrichtung bezüglichder Art und Weise der Wärme gewinnung aus den heißen Abgasen. Dabei beziehen sich die Buchstaben a auf die erfindungsgemäße Vorrichtung und b auf die bisherige Vorrichtung. Die angehängte Ziffer 1 gibt außerdem die in Form
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von Dampf für den Antrieb eines Turbogenerators eingesetzte Wärmemenge an, während die Ziffer 2 die in Form von Mehrzweckdampf benutzte Wärmemenge bezeichnet.
Fig. 6 veranschaulicht einen Vergleich zwischen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und der bisherigen Vorrichtung bezüglicher maximalen Rückgewinnungs-Wärmemenge. Wie aus dieser Figur ohne weiteres hervorgeht, ist die gewonnene Wärmemenge bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Vergleich zur bisherigen Vorrichtung um 20 - 5O?6 größer. Da hierbei die in Form von Mehrzweckdampf zu gewinnende Wärmemenge bei beiden Vorrichtungen im wesentlichen gleich ist (ap=bp)» bedeutet die genannte Erhöhung der aus dem Abgas gewonnenen Gesamtwämemenge für sich eine Vergrößerung der Menge des erzeugten elektrischen Stroms.
Fig. 7 veranschaulicht den Temperaturunterschied zwischen dem Abgas -und dem erzeugten Dampf bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung (ausgezogene Linie a) und der bisherigen Vorrichtung (gestrichelte Linie b) unter der Voraussetzung, daß die aus dsa Abgas gewonnene Gesamtwärmemenge dieselbe ist (Staaiae aus Wärme des Dampfes für den Antrieb des Turbogenerators und Wärme des Mehrzweckdampfes jeweils gleich). Da bei der ©rfladingsgemäßen Vorrichtung (a) der Temperaturunterschied zwischen dem Abgas und dem erzeugten Dampf auf einen größeren Wert eingestellt werden kann als bei der bisherigen Vorrichtung (b), kann die Wärmeübertragungsfläche im Abgasvorwärmer 1, wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, kleiner gehalten werden.
Figo 8 veranschaulicht für die erfindungsgemäße Vorrichtung (a) und die bisherige Vorrichtung (b) die Beziehung zwischen der Stromerzeugung und der Wärmeübertragungsfläche im Abgasvorwärmer, die auf der Grundlage von Versuchen mit einer Zwei-
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takt-Dieselmaschine mit einer Nennleistung von 17 400 PS (SHP) als Antriebsmaschine berechnet wurde. Aus dieser Figur geht beispielsweise hervor, daß bei einem Stromerzeugungsfaktor von 1,0 die Wärmeübertragungsfläche bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung (a) gegenüber der bisherigen Vorrichtung (b) um etwa 30% verkleinert sein kann.
Die vorstehend offenbarte Erfindung bietet also im Vergleich zum Stand der Technik die folgenden Vorteile:
1. Da der Dampfgeneratorteil eines Abgasvorwärmers in einen Hochdruck-Dampfgeneratorteil zur Lieferung von Hochdruckdampf für den Antrieb der Dampfturbine eines Turbogenerators und einen Niederdruck-Dampfgeneratorteil zur Erzeugung von Niederdruckdampf für allgemeine Zwecke unterteilt ist und der Druck des in diese beiden Dampfgeneratorteile eingeführten Speisewassers mittels Druckregelvorrichtungen regulierbar ist, können einmal Dampf mit vergleichsweise hohem Druck und zum anderen Dampf mit niedrigem Druck, entsprechend den an den Druckreglern eingestellten Drücken, in einem gut ausgewogenen Verhältnis zueinander erzeugt werden, wobei der Hochdruckdampf für den Antrieb der Dampfturbine des Turbogenerators benutzt wird, während der Niederdruckdampf als Mehrzweckdampf verwendet wird. Auf diese Weise kann die aus dem Abgas gewonnene Gesamtwärmemenge erhöht werden.
2. Da weiterhin in die Niederdruck-Mehrzweckdampfleitung ein Niederdruck-Dampfabscheider zum Abtrennen von Sättigungswasser vom Niederdruckdampf eingeschaltet ist und dieses Sättigungswasser in einem primären Speisewasservorwärmer mit dem einem Abgasvorwärmer zugeführten Speisewasser vermischt wird, kann das Speisewasser - im Gegensatz zum bisherigen Wärmetauscher - durch einfaches Zumischen des heißen Sättigungswassers zum Speisewasser vorgewärmt werden. Infolge-
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dessen können bis zu 100?6 der Wärme des Sättigungswassers auf das Speisewasser übertragen werden, und der primäre Speisewasservorwärmer kann seinerseits kostensparend hergestellt werden.
3. Da darüber hinaus neben dem primären Speisewasservorwärmer ein sekundärer Speisewasservorwärmer vorgesehen ist, in welchem das Speisewasser durch den Überschußdampf erwärmt wird, der von den Dampfdruckreglern aus einer Hochdruckdampfleitung bzw. einer Niederdruck-Mehrzweckdampfleitung abgezweigt wird, kann neben der Wärme des Sättigungswassers an der Niederdruckseite auch die Wärme des Überschußdampfes sowohl an Hochdruck- als auch an Niederdruckseite wirksam ausgenutzt werden, und die Drücke in den Hochdruck- und Niederdruckdampfleitungen können mittels der Dampfdruckregler stets auf die richtigen Werte eingestellt sein. Hierdurch läßt sich eine weitere Erhöhung der gewonnenen Wärmemenge erreichen.
Infolgedessen kann bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Vergleich zur bisherigen Vorrichtung die vom Turbogenerator erzeugte Strommenge erhöht werden. Da weiterhin die Wärmeübertragungsfläche im Abgasvorwärmer kleiner sein kann als bei der bisherigen Vorrichtung, kann der Abgasvorwärmer - unter der Voraussetzung, daß die erzeugte Strommenge bei beiden Vorrichtungen gleich ist - bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung leichter und kleiner sein, so daß auch die Herstellungskosten für die Vorrichtung gesenkt werden können.
3098 ty 3/0852
Leerseite

Claims (3)

  1. Henkel, Kern, Feiler & Hänzel Patentanwälte
    Möhlstraße 37 Mitsubishi Jukogyo Kabushiki Kaisha D-8000 München 80
    Tokio, Japan Tel.: 089/982085-87
    —-——-—-———^——-—-------—--—-----—. Telex: 0529802 hnkld
    Telegramme: ellipsoid
    • J 7. April 1978 Patentansprüche
    {\j Vorrichtung zur Wärme gewinnung aus den Abgasen einer Schiffsantriebsmaschine, mit einem Abgasvorwärmer für den Wärmeaustausch zwischen den von der Antriebsmaschine entlassenen Abgasen und dem von einem Speisewasserbehälter zugeführten Speisewasser,dadurch gekennzeichnet, daß ein Druckregler zur Regelung des Drucks des Speisewassers für die Bildung von Versorgungen für Speisewasser mit vergleichsweise hohem und solchem mit niedrigem Druck vorgesehen ist, daß der Abgasvorwärmer einen Hochdruck-Dampfgeneratorteil für die Aufnahme des Hochdruck-Speisewassers zur Erzeugung von Hochdruckdampf für den Antrieb einer Dampfturbine und einen Niederdruck-Dampfgeneratorteil aufweist, der mit Niederdruck-Speisewasser zur Erzeugung von Nutz- oder Mehrzweckdampf für andere Zwecke als für den Antrieb der Dampfturbine speisbar ist,daß am Auslaß des Niederdruck-Dampfgeneratorteils, ein Niederdruck-Dampfabscheider zum Abscheiden von Sättigungswasser (saturated water) vom Mehrzweckdampf angeordnet ist und daß in einer den Speisewasserbehälter mit dem Niederdruck-Dampfgeneratorteil verbindenden Leitung ein primärer Speisewasservorwärmer zum Vermischen des vom Niederdruck-Dampfabscheider abgeschiedenen Sättigungswassers mit dem vom Speisewasserbehälter zum Abgasvorwärmer geleiteten Speisewasser unter Vorwärmung desselben vorgesehen ist. 803843/0852
    Ke/Bl/ro
    ORIGINAL INSPECTED
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Niederdruck-Dampfdruckregler für die Druckregelung in der Mehrzweckdampfleitung, ein Hochdruck-Dampfdruckregler für die Druckregelung in der zur Dampfturbine führenden Hochdruck-Dampfleitung und ein sekundärer Speisewasservorwärmer vorgesehen sind, in welchem ein Wärmeaustausch zwischen dem über den primären Speisewasservorwärmer eingeführten Speisewasser einerseits sowie dem vom Niederdruck-Dampfdruckregler abgezweigten Niederdruck-Überschußdampf und dem vom Hochdruck-Dampfdruckregler abgezweigten Hochdruck-Überschußdampf andererseits stattfindet.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einer den primären Speisewasservorwärmer mit dem Niederdruck-Dampfgeneratorteil im Abgasvorwärmer verbindenden Speisewasserleitung eine Niederdruck-Speisewasserförderpumpe vorgesehen ist, um das Speisewasser unter Druck vom primären Speisewasservorwärmer zum Niederdruck-Dampfgeneratorteil im Abgasvorwärmer zu fördern und es dabei durch diesen Generatorteil, den Niederdruck-Dampfabscheider und den primären Speisewasservorwärmer umzuwälzen, und daß eine Hochdruck-Speisewasserpumpe in der Hochdruckspeis ewasser-Einlaßleitung für den Hochdruck-Dampfgeneratorteil zum Umwälzen des Speisewassers durch letzteren vorgesehen ist, wobei die Zufuhr von Speisewasser vom Speisewasserbehälter zum Abgasvorwärmer, die Umwälzung des Niederdruck-Speisewassers durch den Niederdruck-Dampfgeneratorteil und die Umwälzung des Hochdruck-Speisewassers durch den Hochdruck-Dampfgeneratorteil durch die beiden genannten Speisewasserpumpen erfolgen.
    8Q98U/0852
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