DE3146354A1

DE3146354A1 - Automatisches anlauf-system fuer eine geschlossene clausius-rankine-prozess-kraftanlage

Info

Publication number: DE3146354A1
Application number: DE19813146354
Authority: DE
Inventors: Abraham Holon Dahan; Aviv Rehovot Raviv
Original assignee: Ormat Turbines Ltd
Current assignee: Ormat Industries Ltd
Priority date: 1980-11-24
Filing date: 1981-11-23
Publication date: 1982-09-16
Also published as: DE3146354C2; JPS6026108A; US4386499A; FR2494765B1; SE448641B; SE8106955L; BR8107545A; FR2494765A1; JPS6358244B2

Description

3H6354

Beschreibung

Automatisches Anlauf-System für eine geschlossene Clausius-Rankine-Prozeß-Kraftanlage

Die Erfindung betrifft ein automatisches Anlaufsystem für eine geschlossene Kraftanlage, die nach dem Clausius-Rankine-Prozeß arbeitet und ein organisches Arbeitsfluid benutzt, das auch die Lager der Antriebsmaschine der Kraftanlage schmiert. Eine solche Kraftanlage wird nachfolgend "eine Kraftanlage der beschriebenen Art" genannt.

Eine Kraftanlage der beschriebenen Art ist in der US 3 393 515 gezeigt. Ein flüssiges Arbeitsfluid im Kessel einer solchen Kraftanlage wird in Antwort auf das Heizen des Kessels verdampft und über eine Versorgungsleitung einer Antriebsmaschine, wie einer Turbine, die Arbeit erzeugt, zugeführt. Dampf von der Antriebsmaschine fließt über eine Ableitung in einen Kondensator, wo die Kondensation stattfindet. Ein Kondensatleitungsystem, das mit dem Kondensator verbunden ist, leitet einen Teil des Kondensats zu den Lagern der Antriebsmaschine ab und dann zum Einlaß einer Kondensatpumpe, die durch die Antriebsmaschine angetrieben wird, während der Rest des Kondensats über Rohre direkt zur Pumpe geführtwird, die das Kondensat zum Kessel zurückführt.

Die Zuverlässigkeit einer Kraftanlage der beschriebenen Art

3U6354

hängt wesentlich von der Lagerlebensdauer ab, insofern als das einzige sich bewegende Teil in dem System der Turbinenrotor ist. Durch Verwendung einer Form von hydrostatischen Lagern, in denen das Arbeitsfluid der Kraftanlage das Schmiermittel ist, und durch hermetisches Abdichten der Antriebsmaschine, einschließlich dreier Lager, in einem Behältnis, das im wesentlichen unter Kondensatordruck gehalten, wird, ist die Lebensdauer der Lager praktisch unbegrenzt lang und die erforderliche Zuverlässigkeit wird erreicht. Als Folge ist eine Kraftanlage der beschriebenen Art gut geeignet, und wird gegenwärtig mit Erfolg benutzt^ als ein Generator für elektrische Leistung für unbemannte Mikrowellenrelaisstationen, die in entfernten Gegenden der Welt stehen, wobei die einzig erforderliche Wartung das Nachfüllen des Brennstoffs für den Kessel ist.

Beim Kaltstarten einer Kraftanlage der beschriebenen Art muß eine Vorgehensweise eingehalten werden, die dazu führt, daß flüssiges Arbeitsfluid den Lagern zugeführt wird, bevor die Turbine sich zu drehen beginnt. Im Ruhezustand der Kraftanlage ist der Kessel kalt, und das ganze Arbeitsfluid befindet sich in flüssigem Zustand innerhalb des Kessels. Die Lager sind trocken mit der.Folge, daß ein Drehen der Turbine auch nur für einen kurzen Zeitraum die Lager beschädigt und zum Abschalten der Kraftanlage für die Wartung führt. In der oben genannten Patentschrift ist die Anfangsdrehung der Turbine eine Funktion des Kesseldrucks. D.h., durch langsames Heizen des Kessels und Halten des Druckes darin unterhalb des Betriebspegels, bei dem eine Anfangsdrehung der Turbine stattfindet, fließt Arbeitsfluid durch die Turbine und tritt in den Kondensator aus, ohne, das Turbinenrad zu drehen. Im Kondensator kondensiert das verdampfte Arbeitsfluid und ein Teil fließt in die Lager bevor

3H6354

die Turbinendrehung beginnt. Sobald eine stetige Kondensatversorgung den Lagern zugeführt wird, kann die dem Kessel zugeführte Hitzemenge erhöht werden und dadurch der Kesseldruck auf seinen Nennwert erhöht und die Turbinendrehung zu beginnen veranlaßt werden.

Eine solche Vorgehensweise für den Anlauf arbeitet angemessen, solange eine vorgeschriebene Kaltstart-Vorgehensweise durch das mit dem Anwerfen des Systems beauftragte Personal eingehalten wird. Jedoch kann, wie oft der Fall ist, die vorgeschriebene Anlauf-Vorgehensweise umgangen werden, und in einem solchen Falle kann der Kesseldruck zu schnell den Nennwert erreichen, was der Turbine ermöglicht, sich zu drehen zu beginnen, bevor die Lager angemessen geschmiert sind. Eine Methode, um diese Lage auszuschließen, ist, eine automatische, programmierte Anlauf-Vorgehensweise zu haben, die, wenn sie einmal in Gang gesetzt ist, automatisch Schritt für Schritt mit vorbestimmter Geschwindigkeit vorgeht. Das ist eine angemessene Lösung des Problems, aber das erforderliche Steuersystem ist kompliziert und teuer und zerstört die Einfachheit des Grundsystems. Darüber hinaus besteht, wenn eine Umgehung von Hand verfügbar ist, die Möglichkeit, den Kessel schnell auf seinen Nenndruck zu feuern, immer noch, mit der begleitenden Gefahr, die Kraftanlage zu beschädigen.

Eine zuverlässigere und weniger komplizierte Lösung zum Kaltstarten einer Kraftanlage der beschriebenen Art, um eine angemessene Lagerschmierung sicherzustellen, bevor die Turbinendrehung beginnt, ist in der US 2 961 550 offenbart, worin eine Quecksilberdampf-Clausius-Rankine-Prozeß-Kraftanlage offenbart ist. Bei dieser Kraftanlage

wird Dampf vom Kessel direkt dem Kondensator und auch der Turbine durch getrennte auf Druck ansprechende Ventile zugeführt. Das Ventil, das den Kondensator mit dem Kessel verbindet, arbeitet bei einem niedrigeren Druck als das Ventil, das die Turbine mit dem Kessel verbindet, mit der Folge, daß der anfängliche Dampf, der durch den Kessel erzeugt wird, wenn er kaltgestartet wird, direkt zum Kondensator fließt, wo er kondensiert und zu den Lagern der Antriebsmaschine fließt. Anfänglich ist derKesseldruck zu niedrig, um das Ventil zu betätigen, das den Kessel mit der Turbine verbindet, mit der Folge, daß, wenn die Geschwindigkeit, mit der Hitze dem Kessel zugeführt wird, niedrig genug ist, eine angemessene Schmierung der Lager erzielt wird, während die Turbine stillsteht.

Sobald der Kesseldruck seinen Arbeitspegel erreicht, öffnet sich das druckbetätigte Ventil, das den Kessel mit der Turbine verbindet, und liefert dadurch verdampftes Arbeitsfluid zur Turbine, die sich zu drehen beginnt. Auf diese Weise sind die Lager stets geschmiert, bevor die Turbine sich zu drehen beginnt. Damit dieses System richtig arbeitet, muß jedoch die Geschwindigkeit bzw. das Ausmaß, in dem Hitze dem Kessel zugeführt wird, geringer sein als ein vorbestimmter Wert, um einen jähen Druckaufbau im Kessel bis zu einem Punkt, bei dem die Turbine Dämpfe erhält, bevor eine angemessene Menge der Kondensation die Lager erreicht, zu verhindern. Zusätzlich beruhen die Einfachheit des Systems und seine Zuverlässigkeit darauf, kontinuierlich einen Teil des durch den Kessel erzeugten Dampfes direkt dem Kondensator zuzuführen. Das bedeutet, daß ein Teil der dem Kessel zugegebenen Hitze nur verwendet wird, um Kondensat zu erzeugen, das die Lager schmiert, und nicht zum Arbeitsausstoß des Systems beiträgt. Wo der Wirkungs-

- 10 -

ΛΛ

grad der Kraftanlage kritisch ist, ist die Anordnung, die in dem zuletzt erwähnten Patent gezeigt ist, nicht befriedigend.

Die Erfindung schafft daher ein neues und verbessertes automatisches Anlauf-System für eine Kraftanlage der beschriebenen Art, das vollkommener als die herkömmlichen Vorrichtungen beim wirkungsvollen Schmieren der Lager, bevor die Turbinendrehung beginnen kann, ist.

Gemäß der Erfindung wird verdampftes Arbeitsfluid nur dem Kondensator einer Kraftanlage der beschriebenen Art zugeführt, wenn die Kraftanlage kaltgestartet wird, und nur zur Antriebsmaschine, wenn sich die Kraftanlage im Dauerzustandsbetrieb befindet. Insbesondere und bevorzugt hängt die Zuführung verdampften Arbeitsfluids vom Kessel zum Kondensator und zur Antriebsmaschine vom Pegel der Flüssigkeit im Kessel ab. Wenn eine Kraftanlage gemäß der Erfindung kaltgestartet wird, wird das gesamte Arbeitsfluid im Kessel sein, der bis zum Kaltpegel gefüllt sein wird. Nachdem eine vorbestimmte Wärmemenge dem Kessel zugeführt worden ist, fällt der Flüssigkeitspegel vom Kaltpegel bis zu einem vorbestimmten Zwischenpegel, der zwischen dem Kaltpegel und einem Betriebspegel, bei dem die Kraftanlage unter Dauerzustandsbedingungen arbeitet, angesiedelt ist. Während sich die Flüssigkeit im Kessel zwischen dem Kaltpegel und dem vorbestimmten Zwischenpegel befindet, wird verdampftes Arbeitsfluid nur zum Kondensator zugeführt, mit der Folge, daß sich die Turbine nicht drehen kann. In diesem Anfangs-Durchgangsstadium des Betriebes während des Anlaufs fließt durch den Kondensator erzeugtes Kondensat in die Lager der Turbine. Nachdem mehr Wärme an den Kessel angelegt worden ist, fällt der Pegel der Flüssigkeit im Kessel zum und unter den vorbestimmten Pegel, aber bleibt oberhalb des Betriebspegels. Unter dieser

- 11 -

:- : I -r- Ί 3Η6354

Al

Bedingung wird verdampfes Arbeitsfluid sowohl dem Kondensator als auch der Turbine, die sich langsam zu drehen beginnt, zugeführt. Nachdem noch mehr Wärme an den Kessel angelegt worden ist, erreicht der Flüssigkeitspegel darin den Betriebspegel; und unter dieser Bedingung wird verdampftes Arbeitsfluid nur der Antriebsmaschine zugeführt, mit der Folge, daß sich die Turbine bei ihrer Betriebsgeschwindigkeit dreht und die Schmierung der Lager unter Verwendung von Kondensat des verdampften Arbeitsfluids, das durch die Turbine hindurchgegangen ist, erreicht wird. Anders gesagt, unter Dauerbetriebsbedingungen wird nichts vom Arbeitsfluid unter Umgehung dem Kondensator zugeführt, wie im Falle der US 2 961 550.

Gemäß der Erfindung ist ein automatisches Startsystem ge- . schaffen, das eine Verbindungssteuereinrichtung aufweist, die auf den Flüssigkeitspegel im Kessel anspricht, um eine Verbindung zwischen dem Kondensator und der Dampfseite des Kessels herzustellen und um eine Verbindung zwischen der Antriebsmaschine und der Dampfseite des Kessels herzustellen, wenn der Flüssigkeitspegel im Kessel einen vorbestimmten Pegel unterhalb des Kaltpegels überschreitet. Die Verbindungssteuereinrichtung bewirkt eine Verbindung zwischen dem Kondensator und der Dampfseite des Kessels und zwischen der Antriebsmaschine und der Dampfseite des Kessels, wenn der Flüssigkeitspegel im Kessel zwischen dem vorbestimmten Pegel und dem Betriebspegel, bei dem die Kraftanlage unter Dauerzustandsbedingungen arbeitet, liegt.

Die Verbindungssteuereinrichtung weist eine Umgehungsleitung, die den Kessel mit dem Kondensator verbindet, auf, wobei

- 12 -

der Einlaß der Umgehungsleitung sich oberhalb des Kaltpegels der Flüssigkeit im Kessel befindet. Der Einlaß der Zuführleitung, die den Kessel mit der Antriebsmaschine verbindet, befindet sich unterhalb des Kaltpegels der Flüssigkeit im Kessel. Eine Verbindung zwischen dem Einlaß der Zuführleitung und der Dampfseite des Kessels wird solange verhindert, wie der Pegel der Flüssigkeit im Kessel einen vorbestimmten Zwischenpegel überschreitet, der zwischen dem Kaltpegel und dem Betriebspegel liegt. Somit wird Kondensat den Lagern zugeführt, bevor die Antriebsmaschine verdampftes Arbeitsfluid erhält.

Wenn der Flüssigkeitspegel im Kessel unter den vorbestimmten Zwischenpegel fällt, wird die Verbindung des Kessels zum Kondensator über die Umgehungsleitung aufrechterhalten, und darüber hinaus wird eine Verbindung zwischen dem Einlaß der Zuführleitung und der Dampfseite des Kessels bewirkt, wodurch die Antriebsmaschine mit verdampftem Arbeitsfluid versorgt wird und zu arbeiten beginnt. Eine Ventileinrichtung, die zur Umgehungsleitung gehört, bewirkt eine Verbindung zwischen dem Einlaß der Umgehungsleitung und der Dampfseite des Kessels, wenn der Kessel den vorbestimmten Pegel übersteigt. · Diese Ventileinrichtung blockiert den Einlaß der Umgehungsleitung, wenn der Pegel der Flüssigkeit im Kessel auf den Betriebspegel fällt.

- 13 -

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels noch näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht einer Kraftanlage gemäß der Erfindung, bei der Teile weggebrochen sind, um die Erläuterung der Erfindung zu erleichtern;

Fig. 2 eine Schnittansicht der in Fig. 1 gezeigten Antriebsmaschine;

Fig. 3 bis 5 schematische Darstellungen der Kraftanlage der Fig. 1 zum Zweck der Erläuterung der verschiedenen Zustände, die die Kraftanlage während eines Kaltstarts durchläuft.

In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 10 eine geschlossene," unter Benutzung des Clausius-Rankine-Prozesses arbeitende Kraftanlage gemäß der Erfindung, die einen Kessel 11, eine Antriebsmaschine 12, die in einem Behältnis 13 enthalten ist, und einen Kondensator 14 aufweist. Der Kessel 11 ist von herkömmlicher Art und weist ein geschlossenes Druckgefäß 15 auf, das ein organisches Arbeitsfluid 16, dessen Pegel von der Größe des Wärmeflusses zum Kessel abhängt, enthält. Der Raum über dem Flüssigkeitspegel ist mit verdampftem Arbeitsfluid gefüllt und wird als die "Dampfseite" des Kessels bezeichnet. Der Teil des Kessels unter der Oberfläche der Flüssigkeit wird als die "Flüssigkeitsseite" des Kessels bezeichnet.

Durch den Brenner 17 am Boden des Kessels erzeugte Verbrennungsgase strömen nach oben durch in die Flüssigkeit im Kessel eingetauchte Wärmetauscherrohre (nicht gezeigt) und

- 14 -

- ■:" - .:. 3U6354

is

treten durch einen geeigneten Auslaß nach außen. Der Brenner 17 wird durch das Steuerventil 19, das vom Pegel der Ausgangsspannung aus der Antriebsmaschine betätigt wird, mit Brennstoff, der schematisch durch das Bezugszeichen 18 angedeutet ist, versorgt. Wenn die Spannung geringer als die Nennausgangsspannung ist, läßt die Steuerung 19 Brennstoff in den Brenner ein, und wenn die Spannung größer als der Nennausgang ist ,unterbricht die Steuerung die Brennstoffzufuhr zum Brenner.

Die Antriebsmaschine 12 weist ein an der Welle 21, die drehbar in einem Paar von hydrostatischen Lagern 22, 23 angebracht ist, befestigtes Turbinenrad 20 auf. Zwischen den Lagern und auf der Welle 21 ist ein Generatoriaufer 24 angebracht. Die Ständerwicklungen 24Ä sind mit dem Läufer verbunden, um Strom zu erzeugen, wenn das Turbinenrad 20 sich in Antwort auf das durch den Kessel über ein Zuführrohr 25 zu den Düsen 26, die das verdampfte Arbeitsfluid in Eingriff mit einer Mehrzahl von Schaufeln 27 auf dem Turbinenrad richten, zugeführte verdampfte Arbeitsfluid dreht. Die Turbine gewinnt Arbeit aus dem verdampften Arbeitsfluid, das aus der Turbine bei im wesentlichen Kondensatortemperatur und -druck ausgestoßen wird. Der Auslaßdampf fließt durch eine Auslaßleitung 28 in einen unteren Sammler 29 des Kondensators 14, der einen mit einer Mehrzahl von Wärmetauscherrohren 31, die zum Zweck des Erhöhens der Wärmeübertragungseigenschaften des Kondensators gerippt sind, verbundenenoberenSammler 30 aufweist.

Mit dem Sammler ist ein Kondensatleitungssystem 32 verbunden, das einen Flüssigkeitsspeichertank 33, eine Primär-Flüssigkeitsrückführleitung 34 und eine Sekundär-Flüssig-

- 15 -

-- I ^:- ·.:": \. 3H6354 AU

keitsrückführleitung 35 aufweist. Der Tank 33 ist durch Rohre 36, 37 mit den Sammlern 29 bzw. 30 des Kondensators 14 verbunden.

Der Einlaß 38 der Sekundär-Flüssigkeitsrückführleitung 35 ist mit dem Boden des Tanks 33 verbunden, während sich das obere Ende der Primär-Flüssigkeitsrückführleitung 34 in den Tank so erstreckt, daß der Einlaß 40 der Leitung 34 auf einer höheren Höhe als der Einlaß 38 der Leitung 35 angeordnet ist. Als Folge dieser Anordnung wird das Vorhandensein des Kondensats bei jeglichem Pegel im Tank 33 zum Fluß von Kondensat durch die Leitung 35 führen. Andererseits wird das Kondensat nur dann durch die Leitung 34 fließen, wenn der Flüssigkeitspegel im Tank 33 den Einlaß 40 desLeitung 34 erreicht.

Wie in Fig. 2 gezeigt, ist die Leitung 35 mit den hydrosta- · tischen Lagern 22 und 23 durch eine Leitung 41A verbunden. Der Abfluß aus diesen Lagern wird durch ein Rohr 41B gesammelt, das mit einem Rohr 42 verbunden ist, das die LagerrückfuhrIeitung bildet, deren Abflußende 43 nahe dem Boden des Kessels 11 angeordnet ist. Der Aufbau der hydrostatischen Lager 22 und 23 und die Drehgeschwindigkeit der Turbine bestimmen die Geschwindigkeit, mit der flüssiges Kondensat in der Leitung 35 und der Leitung 42 fließt. Im allgemeinen wird der Fluß durch die Leitung 34 unter Dauerzustandbedingungen 30- bis 40mal so groß sein wie der Fluß durch die Leitung 35. Folglich wird die Primär-Flüssigkeitsrückführleitung 34 das meiste der zum Kessel rückgeführten Flüssigkeit im Tank 33 befördern. Der Auslaß 44 der Leitung 34 ist mit dem Boden 45 einer geschlossenen Kamer 46 verbunden, die ihrerseits durch eine Leitung 47 mit

- 16 -

314635Λ

der Dampfseite des Kessels 11 verbunden ist. Der Boden der Kanuner 46 ist auch mit dem Kessel durch eine Leckoder Tropfleitung 48, die eine Ausflußöffnung 49 enthält, deren Zweck unten beschrieben wird, verbunden. Unter Dauerzustands-Arbeitsbedingungen füllt durch die Leitung 34 fließendes Kondensat die Kammer 46 bis zur Höhe der Leitung 47, wobei der Überschuß sich durch die Leitung 47 in die Dampfseite des Kessels zur Rückführung zu der Flüssigkeit am Boden des Kessels ergießt. Die aus der körperlichen Erhöhung des Tanks 33 relativ zum Kessel entstehende Flüssigkeitshöheschafft einen Druck auf das Kondensat bei seiner Übergangsstelle zum Kessel, der ausreicht, das Rückkehren von Kondensat zum Kessel ohne die Verwendung einer Pumpe zu bewirken.

Die Kammer 46 ist mit dem Sammler 30 des Kondensators durch eine Umgehungsleitung 50 verbunden, deren unterer. Einlaß 51 nahe dem Boden 45 der Kammer 46 ist. Das obere offene Ende 62 der Leitung 50 schließt an den oberen Sammler 30 des Kondensators an.

Wenn die Kraftanlage 10 in ihrem Ruhezustand (d.h. der Kessel ist kalt) ist, ist die gesamte Flüssigkeit in dem System in dem Kessel enthalten. Folglich wird die Flüssigkeit im Kessel an ihrem höchsten Pegel sein, der durch das Bezugszeichen 52 angezeigt ist. Dies wird der "Kaltpegel" der Betriebsflüssigkeit im Kessel genannt. Das Einlaßende 53 der Zuführleitung 25 ist unter dem Kaltpegel 52, während der Einlaß 51 der Umgehungsleitung 50 oberhalb des Kältpegels ist. Das Einlaßende der Zuführleitung 25 ist innerhalb der becherförmigen Hülse 54 enthalten, die im Kessel gehalten ist und ein an den Boden der Hülse angeschlos-

- 17 -

3H6354

-η-⁴*

senes Abflußrohr 55 hat. Somit ist, wenn die Flüssigkeit an ihrem Kaltpegel im Kessel ist, die Dampfseite des Kessels nur mit dem Kondensator verbunden. Der Tank 33 ist vollständig leer und das Turbinenrad steht still.

Wenn dem Brenner 17 Brennstoff zugeführt wird und dem Kessel Wärme zum Kaltstarten der Kraftanlage zugeführt wird, verdampft flüssiges Arbeitsfluid im Kessel und setzt die Dampfseite des Kessels unter inneren überdruck. Verdampftes Arbeitsfluid wird am Eintreten in den Einlaß 53 der Zuführung 25 zur Antriebsmaschine gehindert, bis der Flüssigkeitspegel im Kessel einen durch das Bezugszeichen 56 gekennzeichneten Zwischenpegel erreicht, der im wesentlichen durch den Pegel des Einlasses 53 gebildet wird. Während der Zeit, während der die Flüssigkeit vom Pegel 52 auf den Pegel 56 abfällt, arbeitet die Kraftanlage in einem, einem Kaltstart folgenden, sog. Anfangsübergangszustand, wo verdampftes Arbeitsfluid nur dem Kondensator zugeführt wird. D.h., während der Einlaß 53 blockiert ist, tritt verdampftes Arbeitsfluid über die Leitung 47 in die geschlossene Kammer 46 ein und fließt durch den Einlaß 51 der Umgehungsleitung 50, bevor es in den Sammler des Kondensators 14 eintritt. Die Dämpfe im Kondensator werden kondensiert und das Kondensat tritt in den Tank 33 durch die Rohre 36 und 37 ein. Während des Anfangsübergangszuständes erzeugtes Kondensat fließt in den Tank 33, erreicht jedoch nicht den Pegel des Einlasses 40. Weil der Einlaß 38 am Boden des Tanks 33 angeordnet ist, fließt Kondensat durch die Leitung 35 in die Lager 22, 23 der Antriebsmaschine, bevor der Einlaß 53 unbedeckt ist. Somit wird den Lagern flüssiges Arbeitsfluid zugeführt, bevor verdampftes Arbeitsfluid der Antriebsmaschine zugeführt wird. Diese Situation ist in Fig. 3 erläu-

- 18 -

.';■ ' .1 ... ' O j. 3U6354 If

tert, worin die Pfeile mit unterbrochenen Linien den Fluß des Dampfs anzeigen, während die Pfeile mit durchgehenden Linien den Kondensatfluß anzeigen. Wenn der Pegel der Flüssigkeit im Kessel 11 den Zwischenpegel 56 erreicht, ist der Kondensatpegel im Tank 33 immer noch etwas unter dem Einlaß 40 der Leitung 34, wie schematisch durch das Bezugszeichen 57 erläutert. D.h., kein Kondensat fließt beim Anfangsdampffluß in der Leitung 25 in der Leitung 34.

Wenn der Pegel im Kessel unter den Zwischenpegel 56 abfällt, ist der Einlaß 53 oberhalb des Flüssigkeitspegels, mit dem Ergebnis, daß verdampftes Arbeitsfluid in die Leitung 25 eintritt und durch die Turbinenschaufeln fließt und dadurch die Drehung der Turbine in Gang setzt. Diese Situation ist in Fig. 4 erläutert, die verdampftes Arbeitsfluid beim Eintreten in die Leitung 25 zeigt, während verdampftes Arbeitsfluid fortfährt, über die Leitung 50 in den Kondensator 14 zu fließen. Die becherförmige Hülse 54 wirkt als Gas/Flüssigkeitstrenner.

Wenn dem Kessel zusätzliche Wärme zugeführt wird, fällt der Flüssigkeitspegel vom Zwischenpegel 56 zu dem Arbeitspegel 58 ab. Der Rauminhalt des Kessels zwischen den Pegeln 52 und 58 (der in gestrichelten Linien in Fig. 3 gezeigt ist) ist im wesentlichen gleich dem zwischen dem Einlaß 38 der Leitung 35 und dem Einlaß 40 der Leitung 34 gemessenen Rauminhalt des Tanks 33. Folglich arbeitet die Kraftanlage in einem sog. Endübergangszustand des Anlaufs, worin verdampftes Arbeitfluid durch den Kessel sowohl der Antriebsmaschine als auch dem Kondensator zugeführt wird.

Wenn der Flüssigkeitspegel im Kessel den Arbeitspegel 58 er-

- 19 -

-':*' 11 "O 1 3H6354

reicht, hat sich der Pegel im Tank 33 vom Pegel 57 auf den Pegel 59 (Fig! 4), der durch die Höhe des Einlasses 40 der Leitung 34 gegeben ist, erhöht. Wenn dies eintritt, beginnt Kondensat durch die Primär-Flüssigkeitsrückführleitung 34, wie in Fig. 5 dargestellt, zu fließen, und veranlaßt dadurch die Kammer 46, zu beginnen, sich mit Kondensat zu füllen. Sobald der Kondensatpegel in der Kammer 46 den Einlaß 51 der Umgehungsleitung 50 erreicht, trennt das Kondensat die Dampfseite des Kessels vom Kondensator ab. Wegen der relativ kleinen Größe der geschlossenen Kammer füllt das Kondensat die Kammer schnell bis zum Pegel der Leitung 47 und fließt dann, wie mit einem Pfeil 61 dargestellt, zurück in den Kessel. Die Kammer 46 bildet im Zusammenwirken mit der Umgehungsleitung 50 und der Primär-Flüssigkeitsrückführleitung 34 eine Ventileinrichtung 60, die den Einlaß der Umgehungsleitung blockiert, wenn der Flüssigkeitspegel im Kessel den Betriebspegel erreicht. Weil der Dampfdruck im Kessel den Dampfdruck ira Kondensator weit übersteigt, steigt das flüssige Kondensat in der Umgehungsleitung 50 auf einen Pegel kurz unter dem Behälter 13, wie in Fig. 5 gezeigt. Die Kraftanlage fährt fort in ihrem Dauerzustand zu arbeiten, so lange ausreichend Wärme an den Kessel zum Halten der Flüssigkeit darin auf dem Betriebspegel 58 zugeführt wird.

Die Erfindung steuert die Anwendung von verdampftem Arbeitsfluid auf die Antriebsmaschine und auf den Kondensator gemäß dem Pegel der Flüssigkeit im Kessel wegen einer Verbindungssteuereinrichtung, die das Kondensatleitungssystem 32, die relativen Höhen der Einlasse 51 und 53 in Bezug auf den Kaltpegel der Flüssigkeit im Kessel und das Vorhandensein der Ventileinrichtung 60 aufweist. Wenn die Flüssigkeit im Kessel zwischen dem Kaltpegel 52 und dem Zwischenpegel 56 liegt, wird verdampftes Arbeitsfluid nur dem Kondensator

- 20 -

3H6354

a© -

zugeführt. Demzufolge wird flüssiges Arbeitsfluid den Lagern zugeführt, bevor verdampftes Arbeitsfluid der Antriebsmaschine zugeführt wird. Somit werden die Lager mit Schmierung versehen bevor sich die Turbine bewegt. Wenn der Pegel der Flüssigkeit im Kessel zwischen dem vorbestimmten Pegel 56 und dem Betriebspegel 58 ist, wird verdampftes Arbeitsfluid sowohl dem Kondensator als auch der Antriebsmaschine zugeführt, wie in Fig. 4 gezeigt. In diesem Fall dreht sich die Turbine und die Lager sind mit Arbeitsflüssigkeit versorgt. Wenn dem Kessel ausreichend Wärme zum Erniedrigen des Pegels der Flüssigkeit darin auf den Arbeitspegel wie in Fig. 5 gezeigt" zugeführt wird, wird lediglich der Antriebsmaschine verdampftes Arbeitsfluid zugeführt und wird vom Kondensator abgeschnitten. Folglich kann die Erfindung als Zuführen verdampften Arbeitsfluids lediglich zum Kondensator, wenn die Kraftanlage kaltgestartet wird, und Zuführen von verdampftem Arbeitsfluid lediglich zur Antriebsmaschine, wenn die Kraftanlage sich im Dauerzustandsbetrieb befindet, beschrieben werden.

Wenn der Betrieb der Kraftanlage beendet werden soll, wird die Steuerung 19 betätigt, um dem Brenner 17 den Brennstoff zu nehmen, mit dem Ergebnis, daß sich der Kessel abkühlt und der Pegel der Flüssigkeit im Kessel ansteigt, da das Kondensat in den Kessel hinein abläuft. Zuerst fällt der Kondensatpegel im Tank 33 unter den Einlaß 40 der Leitung 34, mit dem Ergebnis, daß kein weiteres Kondensat der Kammer 46 zugeführt wird, die durch die Leckleitung 48 in den Kessel leerläuft. Der verminderte Druck im Kessel erlaubt dem in der Umgehungsleitung 50. enthaltenen Kondensat, in die Kammer 46 abzulaufen. Die öffnung 49 in der Leckleitung steuert die Geschwindigkeit, mit der die Kammer 46 leerläuft.

- 21 -

Durch geeignete Bemessung läuft die in der Umgehungsleitung enthaltene Flüssigkeit schnell (in z.B. 1O min) nach dem Abstellen des Brenners ab. Die Flüssigkeit im Tank 33 bleibt während dieser Zeit im wesentlichen konstant, da die Lager eine Einschnürung in der Leitung 35 bilden, die ein schnelles Leerlaufen des Tanks 33 verhindert. Somit wird kurz nach dem Abstellen des Brenners und bevor der Flüssigkeitspegel im Kessel zum Zwischenpegel 56 zurückgekehrt ist, der Einlaß 51 der Umgehung 50 wieder mit der Dampfseite des Kessels verbunden. Der Tank 33 entleert sich durch die Lager der Antriebsmaschine über einen verhältnismäßig langen Zeitraum (z.B. 4 Tage). Während dieses Zeitraums kann ein Warmanlauf der Kraftanlage durch die Wiederanwendung von Hitze auf den Kessel bewirkt werden. Ein solcher Anlauf findet den Einlaß 53 der Zuführleitung und den Einlaß 51 der Umgehungsleitung zur Dampfseite des Kessels offen und die Lager schon mit flüssigem Arbeitsfluid versorgt. Die Turbine ist somit in einem Zustand für, und beginnt sofort, die Drehung unter Beseitigung jedes programmierten Anlaufvorgangs außer dem Heizen des Kessels. Daher kann ein Warmanlaufen zu jeder Zeit innerhalb ungefähr zwei Tagen nach dem Abschalten stattfinden, mit der Sicherheit, daß die Lager geschmiert sind, wenn die Turbinendrehung beginnt und eine volle Krafterzeugung kann schnell erreicht werden.

Nach ungefähr zwei Tagen nach dem Abstellen erreicht der Flüssigkeitspegel im Kessel den Zwischenpegel und blockiert oder trennt die Dampfseite des Kessels von der Antriebsmaschine. Ein Versuch, die Kraftanlage in Betrieb zu setzen, wenn dies auftritt, führt zur Anwendung verdampften Arbeitsfluids auf den Kondensator und zum Füllen des Tanks 33, bevor die Turbine sich zu bewegen beginnt.

Leerseite

Claims

3U6354

PATENTANWÄLTE DR. KADOR & DR. KLUNKER

K 13820

ORMAT TURBINES, LTD.
Szydlowski Road

Yavne, Israel

Automatisches Anlauf-System für eine geschlossene Clausius-Rankine-Prozeß-Kraftanlage

Patentansprüche

( 1.)Automatisches Anlauf-System für eine Kraftanlage der Art mit einem Kessel, der flüssiges Arbeitsfluid mit einem Kaltpegel, wenn die Kraftanlage nicht in Betrieb ist, und einem Betriebspegel unterhalb des Kaltpegels, wenn sich die , Kraftanlage im Dauerzustandsbetrieb befindet, enthält, wobei das Arbeitsfluid in Antwort auf das Heizen des Kessels verdampft wird, einer Antriebsmaschine, die mit dem Kessel durch eine Zuführleitung verbunden ist, um Arbeit in Antwort auf den Fluß verdampften Arbeitsfluids in der Zuführleitung zu erzeugen, einem Kondensator, der mit der Antriebsmaschine durch eine Ableitung verbunden ist, um verdampftes Arbeitsfluid zu einer Flüssigkeit zu kondensieren, in Antwort auf den Fluß verdampften Arbeitsfluids in der Ableitung, und einem Kondensatleitungssystem, das mit dem Kondensator verbunden ist, um einen Teil des Konden-

— 2 —

sats zum Kessel durch die Lager der Antriebsmaschine und den Rest direkt zum Kessel zurückzuführen, gekennzeichnet durch eine Verbindungssteuereinrichtung (50, 60; 53, 54), die auf den Flüssigkeitspegel (52, 56, 58) im Kessel anspricht, um eine Verbindung zwischen dem Kondensator (14) und der Dampfseite des Kessels (11) zu bewirken und um eine Verbindung zwischen der Antriebsmaschine (12) und der Dampfseite des Kessels zu verhindern, wenn der Flüssigkeitspegel im Kessel einen vorbestimmten Pegel (56) überschreitet, wodurch flüssiges Arbeitsfluid (16) den Lagern (22, 23) zugeführt wird, bevor verdampftes Arbeitsfluid der Antriebsmaschine (12) zugeführt wird.
2. Automatisches Anlauf-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Verbindungssteuereinrichtung (50, 60; 53, 54) eine Verbindung zwischen dem Kondensator (14) und der Dampfseite des Kessels (11) und zwischen der Antriebsmaschine (12) und der Dampfseite des Kessels bewirkt, wenn der Flüssigkeitspegel im Kessel zwischen dem vorbestimmten Pegel (56) und dem Betriebs pe gel (58), bei dem die Kraftanlage (10) in einer Dauerzustandsbedingung arbeitet, liegt.
3. Automatisches Anlauf-System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungssteuereinrichtung eine Umgehungsleitung (50), die den Kessel (11) mit dem Kondensator verbindet, aufweist, wobei der Einlaß (51) der Umgehungsleitung sich oberhalb des Kaltpegels (52) der Flüssigkeit im Kessel befindet, wobei der Einlaß der Zuführleitung (25) sich unterhalb des Kaltpegels der Flüssigkeit im Kessel befindet.
4. Automatisches Anlauf-System nach einem der Ansprüche 1

bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung mit der Zuführleitung (25) verbunden ist, um eine Verbindung zwischen dem Einlaß der Zuführleitung (25) und der Dampfseite des Kessels (11) zu verhindern, während der Pegel der Flüssigkeit im Kessel einen vorbestimmten Zwischenpegel (56) zwischen dem Kalt- (52) und dem Betriebs- (.58)-Pegel überschreitet.
5. Automatisches Anlauf-System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung, die mit der Zuführleitung (25) verbunden ist, eine Verbindung zwischen dem Einlaß (53) der Zuführleitung und der Dampfseite des Kessels (11) bewirkt, wenn der Pegel der Flüssigkeit im Kessel geringer ist als der vorbestimmte Zwischenpegel (56).
6. Automatisches Anlauf-System nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ventileinrichtung

(60) mit der Umgehungsleitung (50) verbunden ist, um eine Verbindung zwischen dem Einlaß (51) der Umgehungsleitung und der Dampfseite des Kessels (11) zu bewirken, wenn die Flüssigkeit (16) im Kessel den vorbestimmten Zwischenpegel

(56) überschreitet.
7. Automatisches Anlauf-System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventileinrichtung (60) den Einlaß (51) der Umgehungsleitung (50) blockiert, wenn der Pegel der Flüssigkeit (16) im Kessel (11) geringer ist als der vorbestimmte Zwischenpegel (56).
8. Automatisches Anlauf-System nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaß (51) der Umgehungsleitung (50) durch Kondensat blockiert wird, das aus dem Kondensator (14) direkt zum Kessel (11) zurückgeführt (40, 34) wird.

-A-
9. Automatisches Anlauf-System nach einem der Ansprüche 6

bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Kondensatleitungs-

(321
system/exnen Flüssigkeitsspeichertank (33) , der zwischen dem Kondensator (14) und der Antriebsmaschine (12) angeordnet ist, um durch den Kondensator erzeugtes Kondensat aufzunehmen, eine Primär-Flüssigkeitsrückführleitung (34), die den Flüssigkeitsspeichertank mit der Ventileinrichtung (60) verbindet, eine Sekundär-Flüssigkeitsrückführleitung (35) , die den Flüssigkeitsspeichertank mit den Lagern (22, 23) der Antriebsmaschine (12) verbindet, und eine Lager-Rückführleitung (42), die den Ausfluß der Lager mit dem Kessel (11) verbindet, aufweist.
10. Automatisches Anlauf-System nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventileinrichtung (60) eine geschlossene Kammer (46) aufweist, in die die Umgehungsleitung (50) derart hineingeht, daß der Einlaß (51) nahe dem Boden (45) der Kammer ist, und der Auslaß (44) der Primär-Flüssigkeitsrückführleitung (34) mit dem Boden (45) der Kammer verbunden ist, wobei die Kammer eine Verbindung (47) nahe ihrem oberen Ende zur Dampfseite des Kessels hat.
11. Automatisches Anlauf-System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Leck- bzw. Tropfleitung (48) den Boden (45) der Kammer (46) mit der Flüssigkeitsseite des Kessels (11) verbindet, wobei die Leckleitung eine Verengung (49) aufweist, um den Ablaß von Kondensat aus der Kammer zu begrenzen, wenn das Heizen des Kessels (11) beendet ist.
12. Automatisches Anlauf-System nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaß (40) der

Primär-Flüssigkeitsrückführleitung (34) in Bezug auf den Einlaß (38) der Sekundär-Flüssigkeitsrückiührleitung (35) höher gelegen ist.
13. Automatisches Anlauf-System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen der Flüssigkeitsspeicherung zwischen den Einlassen (40; 38) der Primär (34)- und der Sekundär (35)-Flüssigkeitsrückführleitung im wesentlichen gleich dem Volumen des Kessels (11) zwischen dem Kaltpegel (52) und dem vorbestimmten Pegel (56) ist.
14. Automatisches Anlauf-System nach einem der Ansprüche bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Zuführleitung (25) verbundene Einrichtung eine becherförmige Hülse (54), in die sich das Einlaßende (53) der Zuführleitung erstreckt, und ein Rohr (55) , das das Innere der Hülse mit der Flüssigkeitsseite des Kessels verbindet, wobei das obere Ende der Hülse zur Dampfseite des Kessels offen ist, aufweist.
15. Automatisches Anlauf-System nach einem der Ansprüche bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator(14) ein Paar Sammler (29, 30) aufweist, die durch eine Mehrzahl von geneigten Wärmetauscherrohren (31) derart verbunden sind, daß ein (30) Sammler höher liegt als der andere (29), wobei der Ausgang der Umgehungsleitung (50) mit dem oberen (30) der zwei Sammler verbunden ist und der Ausgang der Ableitung (28) mit dem unteren (29) der zwei Sammler verbunden ist.

_ 5a_
16. Automatisches Anlauf-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventileinrichtung (60) den Einlaß (51) der Umgehungsleitung (50) blockiert, wenn der Pegel der Flüssigkeit im Kessel (11) auf einen vorbestimmten Pegel (58) gesunken ist, der geringer ist als der vorbestimmte Zwischenpegel (56).
17. Automatisches Anlauf-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen der Flüssigkeitsspeicherung zwischen den Einlassen (40; 38) der Primär (34)- und der Sekundär (35)-Flüssigkeitsrückführleitung im wesentlichen gleich dem Volumen des Kessels (11) zwischen dem Kaltpegel (52) und dem Betriebspegel (58) ist.