DE394589C

DE394589C - Dampfturbinenanlage zum Antrieb von elektrischen Generatoren

Info

Publication number: DE394589C
Application number: DEA40017D
Authority: DE
Inventors: Friedrich Nettel
Original assignee: AEG AG
Current assignee: AEG AG
Priority date: 1923-05-27
Filing date: 1923-05-27
Publication date: 1924-04-23

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN Al 23. APRIL 1924

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

- JVi 394589 KLASSE 14c GRUPPE 12 -

(A 4001η I/i4cJ

Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft in Berlin").

Dampfturbinenanlage zum Antrieb von elektrischen Generatoren.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 27. Mai 1923 ab.

Bei Fördermaschinen, Reversierwalzenstraßen und ähnlichen Kraftmaschinen mit stark schwankender oder wechselnder Belastung ergeben sich

neratoren Schwierigkeiten, die schädliche Einflüsse der Belastungsschwankungen dieser Generatoren von dem von der Hauptbetriebs-

beim Antrieb der diese Kraftmaschinen spei- maschine angetriebenen Generator fernzuhalten, S senden und daher veränderlich belasteten Ge- der gleichzeitig zur Speisung eines Wechsel-

*) Von dem Patentsitcher ist als Erfinder angegeben worden:

Friedrich Nettel in Oiarlotlenburg.

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Stromnetzes unveränderlicher Frequenz dient, d. h. mit gleichbleibender Drehzahl laufen muß. Es ist ferner oft erwünscht, einen möglichst guten Belastungsausgleich durchzuführen; zugleich muß dafür Sorge getragen sein, daß auch die Drehzahlschwankungen der stark veränderlich belasteten Generatoren nicht auf den von der Hauptbetriebsmaschine angetriebenen Generator übertragen werden, um störende ίο Frequenzschwankungen hintanzuhalten. Als weitere Anforderungen, die an Anlagen dieser Art zu stellen sind, kommen in Betracht eine vollkommene Manövrierfähigkeit der Antriebsmotoren für die Anlagen mit stark veränderlichem Kraftbedarf, ihre größtmögliche Unabhängigkeit von dem allgemeinen Kraft- und Lichtnetz und bei alledem selbstverständlich eine hohe Wirtschaftlichkeit in bezug auf die gesamte Anlage.

Es sind verschiedene Lösungen für die fragliche Aufgabe bekannt. Die gebräuchlichste ist die, daß die Gleichstromsteuermaschine des Fördermotors von einem Drehstrommotor angetrieben wird, der seinen Strom von dem Drehstromnetz, also mittelbar von einem von der Hauptbetriebsmaschine angetriebenen Generator erhält. Der Belastungsausgleich erfolgt dabei mit Hilfe eines auf der Welle des Drehstrommotors sitzenden Schwungrades. Mit einer solchen Anordnung wird aber den angegebenen Anforderungen nicht vollkommen genügt; es bestehen vielmehr unter anderem folgende Nachteile: Es erfolgt eine mehrfache Umformung der für die Kraftmaschine mit veränderlicher Belastung erforderlichen Energie, indem zunächst Drehstrom erzeugt wird und dieser in Gleichstrom umgeformt werden muß, so daß zufolge der Mehrverluste in zwei elektrischen Maschinen eine Verschlechterung des Wirkungsgrades der Gesamtanlage eintritt. Ferner muß der mit dem Schwungrad gekuppelte Drehstrommotor mit einem vernickelten und weitere Verluste verursachenden Schlupfregler ausgerüstet sein, um überhaupt eine Veränderung der Drehzahl und damit einen Belastungsausgleich durch die kreisenden Massen zu ermöglichen.

Es ist ferner eine Anordnung vorgeschlagen worden, bei welcher die Steuerdynamo unmittelbar von der Hauptbetriebsmaschine (Dampfturbine) unter Vermeidung des Umformeraggregates und der damit verbundenen Verluste angetrieben wird. Die Steuerdynamo sitzt also auf der Welle wie die übrigen Stromerzeuger, die ständig mehr oder weniger gleichmäßig belastet und mit gleichbleibender Drehzahl zu betreiben sind. Wegen der letzteren Bedingung kann nun ein Belastungsausgleich mittels Schwungrades nicht angewandt werden; die Belastungsstöße werden hier, um sie vom Netz fernzuhalten, durch entsprechende Rege- , lung Von der Turbine aufgenommen und letzten Endes auf den Kessel übertragen. Dies ist in vielen Fällen ein fühlbarer Nachteil. Abgesehen davon, verlangt die Anordnung die Anwendung eines empfindlichen Geschwindigkeitsreglers und die Ausbildung einer verwickelten Regelungs-' vorrichtung für die Beaufschlagung der Turbine, die auf beständig starke Belastungischwankungen sofort ansprechen muß. Nichtsdestoweniger wird es nicht möglich sein, Drehzahlschwankungen von der Turbine vollkommen fernzuhalten, so daß auch im Drehstromnetz '. Frequenzschwankungen entstehen. Der schädliche Einfluß wird übrigens um so größer, je kleiner die ständige Belastung der Hauptbetriebsmaschine im Verhältnis zur Belastung durch die Fördermaschinen und Walzenstraßen ist. Schließlich ergibt sich aber auch eine verschlechterte Wirtschaftlichkeit in bezug auf die gesamte Anlage, weil die Dampfturbine auf jeden Fall stark schwankende Dampf mengen zu verarbeiten hat und nur für eine bestimmte «. Dampfmenge mit dem besten Wirkungsgrad arbeiten kann.

Eine andere bekannte Anordnung ist schließlich die, daß der Antrieb der Steuermaschine nicht durch die Hauptturbine des Kraftwerks, sondern durch eine besondere kleine, das volle Wärmegefälle verarbeitende Turbine in oder außerhalb des Kraftwerkes erfolgt, wobei zum Belastungsausgleich eine besondere, mit Schwungrad versehene Puffermaschine dient, die mit der Steuermaschine parallel geschaltet ist. Bei dieser Anlage ergeben sich aber einerseits infolge der geringen Größe der Dampfturbine ein schlechter Wirkungsgrad in bezug auf die Antriebsmaschine, andererseits große ; Verluste zufolge der beim Belastungsausgleich mitwirkenden elektrischen Maschinen. Auch wird die Anlage verhältnismäßig teuer.

Gegenstand vorliegender Erfindung ist nun eine Dampfturbinenanlage, bei welcher die Mangel der bekannten Systemebeseitigt sind. DieAnlage kennzeichnet sich dadurch, daß der oder die Generatoren für veränderlichen Kraftbedarf mit in an sich bekannter Weise zum Belastungsausgleich dienenden Schwungmassen mechanisch gekuppelt sind und durch eine besondere, innerhalb eines bestimmten Drehzahlbereiches ungeregelte Turbine angetrieben werden, die mit der Hauptturbine des Kraftwerks derart verbunden ist, daß ihre Dampfströme teilweise parallel, teilweise gemeinsam in einer beliebigen der beiden Turbinen verlaufen.

Es kommen dabei hauptsächlich zwei Schaltungen in Betracht. Entweder wird der Dampf der Antriebsmaschine der Generatoren für veränderlichen Kraftbedarf in eine beliebige Stufe der Hauptbetriebsturbine geleitet oder die Hauptbetriebsturbine als Anzapfturbine ausgebildet, die die Antriebsturbine der Genera-

toren für veränderlichen Kraftbedarf mit Dampf speist. In beiden Fällen können an die Abdampfleitung der kleinen Antriebsturbine gegebenenfalls Abdampfverbraucher angeschlossen sein.

Die Zeichnung veranschaulicht in schematischer Darstellung zwei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes in Anwendung auf eine Förderanlage. In Abb. ι ist a, b eine

ίο Frischdampfturbine, die durch einen Regler r₁ auf unveränderlicher Drehzahl gehalten wird und durch einen Stromerzeuger c, der auf ein Netz konstanter Spannung und Frequenz arbeitet, seine Belastung erhält. Die Steuerdynamo & wird von einer besonderen Frischdampfturbine d angetrieben, die mit einem Regler r₂ ausgerüstet ist, der innerhalb eines bestimmten Drehzahlbereiches nicht anspricht, d. h. Drehzahlschwankungen innerhalb dieses Bereiches ohne Änderung des Dampfzufiusses zuläßt. Der Dampf strömt teilweise parallel, teilweise gemeinsam in beiden Turbinen, wobei die Förderturbine d in eine Niederdruckstufe der Hauptturbine arbeitet. Die Förderturbine d ist gegebenenfalls über Zahnräder mit der Steuermaschine e gekuppelt, so daß sie mit wesentlich höherer Drehzahl als diese laufen kann. Auf der Welle der Steuermaschine sitzt das in an sich bekannter Weise zum Belastungsausgleich j

dienende Schwungrad g. Dieses ist abkuppelbar i angeordnet, um im Falle eines geringen Kraft- ι bedarfs des Förderbetriebes vollkommen abge- < schaltet werden zu können. Zu diesem Zwecke ist eine lösbare Kupplung f vorgesehen.

Innerhalb des Drehzahlbereiches, für welchen j der Regler r₂ nicht anspricht, erhält also die | Turbine d stets nahezu die gleiche Dampf menge j unabhängig von der jeweiligen Belastung der j Steuermaschine. Bei kleiner Belastung wird j dabei die überschüssige Energie auf das Schwung- j rad g übertragen, indem dessen Drehzahl und somit die Drehzahl des ganzen Aggregates erhöht wird; bei großer Belastung wird umgekehrt dem Schwungrad Energie entnommen, i wobei sich die Drehzahl des Aggregates entsprechend verringert. Eine Beeinflussung des Dampfzuflusses findet erst statt, wenn ausnahmsweise die höchste oder niedrigste für den _; Belastungsausgleich in Frage kommende Dreh- ;

zahl über- oder unterschritten wird. :

In Abweichung von der Ausführungsform nach Abb. 1 kann die Anordnung auch so getroffen sein, daß die Hauptturbine, wie Abb. 2 zeigt, als Änzapfturbine ausgebildet ist, die die Förderturbine mit Niederdruckdampf speist. Der Abdampf der Förderturbine kann zur Ab- : dampfverwertung herangezogen werden, in eine Kondensation arbeiten oder auch in eine Stufe der Hauptturbine zurückgeführt werden.

Auch bei der Anordnung nach Abb. 1 kann an die Turbine eine z. B. zu Heißdampfverbrauchern führende Abdampfleitung ange_: schlossen sein, wobei zweckmäßig in die Verbindungsleitung beider Turbinen ein Organ eingeschaltet wird, welches bei starker Belastung 65· der Hauptturbine den Abfluß des Dampfes nach der Turbine d verhindert.

Die beiden Turbinen, welche in Abb. 1 und 2 auf parallelen Wellen sitzend dargestellt sindj können bei Anwendung einer Zahnradturbine für den Antrieb des Förderaggregates gleichachsig zueinander angeordnet sein, so daß auf der parallelen Welle nur die Steuermaschine und das Schwungrad sitzen. Zugleich kann zwischen der Turbine des Förderaggregates und dem übrigen Maschinenaggregat eine lösbare Kupplung vorgesehen sein. Diese Anordnung ermöglicht in Fällen, bei denen mit starken Belastungsschwankungen in der Förderanlage nicht gerechnet zu werden braucht und zugleich auch die Hauptturbine wenig belastet ist (Sonntagsbetrieb), beide Maschinengruppen lediglich von der Hauptturbine anzutreiben, wobei die kleine Förderturbine leer laufen würde und das Schwungrad g gegebenenfalls abgekuppelt ist.

Wie sich aus Vorstehendem ergibt, weist das neue System gegenüber den bekannten Anordnungen Vorteile auf. Zunächst kann die meist kleine Förderturbine als eine wirtschaftlich arbeitende Maschine ausgebildet sein, weil sie nur ein kleines Wärmegefälle zu verarbeiten hat. Sie kann als einstufige Turbine z. B. mit einem Curtisrad gebaut sein und fällt besonders klein und billig aus, wenn sie die Welle der Steuermaschine über ein Vorgelege antreibt. Sodann arbeitet die ganze Turbinenanlage stets mit einem guten Wirkungsgrad, weil der Dampfzufluß in die Hauptturbine innerhalb der normalen Drehzahlschwankungen des Förderaggregates von diesem praktisch nicht beeinflußt wird. Die Drehzahlschwankungen der Förderturbine wirken nur in einer Stufe und nur auf einen Teil des Dampfes, so daß die 'sich hieraus ergebende Verschlechterung des Wirkungsgrades für den gesamten Dampfverbrauch nicht ins Gewicht fällt. Überdies kann die den Reibungsverlusten in der Förderturbine entsprechende Erhöhung des Wärmeinhaltes des Dampfes bei der Schaltung nach Abb. ι in der Hauptturbine wieder nutzbar gemacht werden.

Was den Belastungsausgleich betrifft, so erfolgt gegenüber den bekannten Anordnungen, bei denen beim Belastungsausgleich große Verluste durch die Schlupfregler oder Puffermaschinen entstehen, hier der Energiefluß des Belastungsausgleiches ausschließlich durch die Welle des Steueraggregates, also praktisch ohne Verluste. Da die Drehzahl· der Förderturbine eine hohe sein kann, unabhängig von derjenigen der Hauptturbine, so kann man mit einem

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verhältnismäßig kleinen Schwungrad g auskommen. Dieses Schwungradgewicht kann noch weiter herabgesetzt werden, weil in vorliegendem Falle die Drehzahlveränderung herbeigeführt •5 werden kann, ohne daß, wie bei Drehstrom- i motoren, Schlupfverluste entstehen, und weil I infolgedessen wesentlich größere Geschwindigkeitsschwankxmgen zugelassen werden können. Schließlich braucht aber auch der Belastungs- j ίο ausgleich kein vollkommener zu sein; es kann vielmehr durch Regelung der Förderturbine derart, daß sie während der Förderperiode eine der natürlichen Speicherfähigkeit der Kesselanlage entsprechend größere Dampfmenge verarbeitet, noch ein Teil der Belastungsschwankungen ohne Schaden für die gesamte Anlage auf die Kesselanlage zwecks weiterer Verrin- i gerung des Schwungradgewichtes übertragen ; werden. Beim Antrieb der Steuerdynamo über ein Zahnradvorgelege trägt auch die Masse dieses Vorgeleges zur Herabsetzung des Schwungradgewichtes bei. Man erhält also einen wirksamen BelastungsausgleichmitkleinemSchwungradgewicht, was wiederum günstig für den Wirkungsgrad ist, weil die Luft- und Lagerreibungsverluste entsprechend geringer werden. Trotzdem die Energieumformung unmittelbar erfolgt, ist das von der Hauptturbine angetriebene Drehstromnetz frei von Spannungs- und Frequenzänderungen, die durch Rückwirkung der Förderanlage entstehen könnten, ganz gleichgültig, ob die ständige Belastung des allgemeinen Netzes hoch oder niedrig ist. Bei Störungen im Drehstromnetz kann die Förderung, soweit erforderlich, ganz unabhängig fortgesetzt werden, wenn auch mit verringertem Wirkungsgrad, Da es ferner möglich ist, dem Betrieb entsprechend abgestufte Zentraleneinheiten zu wählen, von denen jede einzelne im Dampfteil mit der Förderturbine zusammenarbeiten kann, ohne schädliche Belastungsschwankungen in den Zentralenbetrieb zu bringen, so kann die Förderturbine auch beim Umschalten des Zentralenbetriebes auf eine andere Einheit ohne jede Störung weiter betrieben werden.

Aus diesen Vorzügen und dem Umstände, daß der Energiebedarf einer Anlage nach der Erfindung besonders durch Wegfall aller überflüssigen Umformungsverluste sowie der Schlupf- | Verluste des Förderaggregates als auch des ! günstigsten Arbeitens des Dampfes in den ^! beiden der Drehzahl nach voneinander unab- | hängigen Turbinen besonders günstig ist, ergibt [

sich ein guter Wirkungsgrad der Anlage. Zu- 55 gleich sind aber auch die Anschaffungskosten gering; denn sowohl der mechanische Teil (kleine Antriebsturbine für die Steuermaschine, insbesondere bei Ausführung als Zahnradturbine) als auch der elektrische Teil (und zwar 60 dieser insbesondere wegen des Wegfalls der verwickelten und teuren Schlupfregler und Puffermaschinen mit deren Reglervorrichtungen) werden einfach und daher billig. Aus beiden Gründen wird eine hohe Wirtschaftlichkeit der 65 Anlage erzielt.

Claims

Patent-Ansprüche:

i. Dampfturbinenanlage zum Antrieb von elektrischen Generatoren, von denen einer oder mehrere zur Speisung von Wechselstromnetzen konstanter Frequenz dienen, während ein anderer oder mehrere andere Generatoren Kraftmaschinen mit stark schwankender oder intermittierender Belastung speisen, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Generatoren (e) für veränderlichen Kraftbedarf mit in an sich bekannter W^Teise zum Belastungsausgleich dienenden Schwungmassen (g) mechanisch gekuppelt sind und durch eine besondere, innerhalb eines bestimmten Drehzahlbereiches ungeregelte Turbine (d) angetrieben werden, die mit der Hauptturbine (a, b) des Kraftwerks derart verbunden ist, daß ihre Dampfströme teilweise parallel, teilweise gemeinsam in einer beliebigen der beiden Turbinen verlaufen.
2. Dampfturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampf der Antriebsmaschine (d) der Generatoren für veränderlichen Kraftbedarf in eine beliebige Stufe der Hauptbetriebsturbine (a, b) geleitet wird.
3. Dampfturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptbetriebsturbine («, b) als Anzapfturbine ausgebildet ist und die Antriebsturbine (d) der Generatoren für veränderlichen Kraftbedarf mit Dampf speist.
4. Dampfturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Generator für veränderlichen Kraftbedarf über ein Vorgelege antreibende Turbine (d) mit der Hauptturbine (a, b) gleichachsig angeordnet und mit dieser durch eine lösbare Kupplung verbunden ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.