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Dampfkraftanlage mit Heizdampfverwertung und Einrichtung für den Ausgleich
der Schwankungen von Kraftleistung und Heizdampfverbrauch Die Erfindung betrifft
eine Dampfkraftanlage mit Heizdampfverwertung und Einrichtung für den Ausgleich
der Schwankungen von Kraftleistung und Heizdampfverbrauch. Gegenüber bekannten Anlagen
dieser Art ist die gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß
der Dampfbedarf der Heizanlage selbsttätig durch den in ihr jeweilig herrschenden
Druck aufeinanderfolgend geregelt werden kann. Dies geschieht erfindungsgemäß durch
Zu- oder Abschaltung eines Hilfskessels, welcher durch den Dampf eines den Betriebskessel
bildenden HochdruckkesseIs beheizt wird, ferner durch Zu-oder Abschaltung eines
mit Anzapfdampf aufgeladenen Speichers sowie durch Zu- oder Abschaltung eines durch
elektrische Beheizung aufgeladenen Hilfskessels. Während für einfachere Betriebe
zum Ausgleich der Schwankungen die Aufstellung von Anzapfmaschinen, von Dampfspeichern,
die Einschaltung von Druckminderungsventilen oder anderen Regelungsvorrichtungen
genügt, genügen diese Einrichtungen nicht mehr bzw. werden zu unwirtschaftlich bei
größeren Anlagen mit sehr starken Schwankungen, wie z. B. Stadtfernheizung. Für
diese Fälle führt ein Zusammenarbeiten der vorerwähnten drei Hilfseinrichtungen
gemäß der Erfindung zum Ziel, indem aufeinanderfolgend zunächst bei sinkender Kraftleistung
und Abdampfmenge der durch den Hochdruckdampf mittelbar beheizte Hilfskessel selbsttätig
eingeschaltet wird, um sich bei steigendem Kraftbedarf und Heizdampfdruck wieder
auszuschalten, worauf bei einem geringen weiteren Steigen des Druckes in der Fernheizleitung
der Dampfspeicher mit dein höher gespannten Anzapfdampf der Kraftmaschine aufgeladen
wird, um dann bei einer bestimmten Druckabnahme in der Fernheizleitung die vorher
bei einem höheren Druck eingetretene Dampflieferung aus dem Hilfskessel entsprechend
zu ergänzen. Zur Deckung des größten Heizdampfbedarfes, der frühmorgens während
der Anheizperiode der Gebäude benötigt wird, erfolgt die Zuschaltung des elektrisch
beheizten Hilfskessels, der während der schwächsten Belastung (Nachtbetrieb der
Kraftanlage) unabhängig vom Druck in der Fernheizleitung aufgeladen wurde.
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Die Zeichnung zeigt in den Abb. i bis 3 Ausführungsbeispiele von Dampfkraftanlagen
gemäß der Erfindung schematisch, während
die Abb. q. eine solche
Kraftmascbinenanlage zeigt, welche hinsichtlich der Belastung in eine als reine
Kraftmaschine arbeitende Kondensationsmaschine und eine als Heizkraftmaschine betriebene
Gegendruckmaschine unterteilt ist. In diesem Sonderfall wird unter Fortfall des
Dampfspeichers zur Regelung des Heizdampfbedarfes die Gegendruckmaschine in der
Weise herangezogen, daß sie bei zunehmendem Heizdampfbedarf bis zur Höchstleistung
belastet und der weitere Kraftbedarf sowie die Regelung seiner Schwankungen von
der Kondensationsmaschine übernommen wird.
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In Abb. i sind a die Hochdruckkessel von beispielsweise 35 bis q.o
Atm. Dampfspannung. b ist der mittelbar mit Hochdruckdampf beheizte Hilfskessel,
c der Anzapfdampfspeicher, d der elektrisch beheizte Hilfskessel, e die Kraftmaschine
(Dampfturbine) und f der mit dieser gekuppelte elektrische Generator.
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Zunächst sei angenommen, daß die Dampfkraftmaschinee bei normaler
Belastung gerade so viel Abdampf liefert, als die Heizungsanlage erfordert.
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'Nimmt: die Turbinenleistung ab, so ver-
ringert sich die Abdampfmenge,
und infolgedessen sinkt bei unverändertem Heizdampfbedarf der normale Druck in der
Heizleitung i. Die Heizleitung i steht durch Rohrleitung z mit dem Hilfskessel-b
in Verbindung und bewi,xkt auch in diesem eine Abnähme des Dampfdruckes. Die Frischdampfleitung
3 der Hochdruckkesselanlage a ist teilweise als Heizschlange durch den. Hilfskessel
b- geführt, und der Hochdruckdampf gibt hier seine Verdampfungswärme an das im Hilfskesselb
befindliche Wasser zur Dampfbildung ab, während das Kondensat des niedergeschlagenen
Dampfes aus der Heizschlange durch eigenes Druckgefälle mit voller Flüssigkeitswärme
in den Hochdruckkessel zurückfließt. Hierfür befindet sich in der Hochdruckdampfleitung
3 ein Regelungsventillt, das unter dem Einfuß des Dampfdruckes in der Heizleitung
i steht. Sinkt, wie vorher ausgeführt, durch Abnahme der Turbinenleistung der Dampfdruck
in der Heizleitung i und im Hilfskessel b, so wird das Regelungsventillt entsprechend
.geöffnet. Der jetzt infolge Entlastung der Turbine nicht mehr benötigte Hochdruckdampf
strömt außer in die Turbine e durch das geöffnete Regelungsventil in die Heizschlange
des Hilfskessels b und erzeugt hier den für die Heizung fehlenden Niederdruckdampf..
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Erhöht sich die Belastung der Turbine wieder, so steigt der Dampfdruck
in der Heizleitung i und im Hilfskessel bl und bewirkt durch Schließen des Regelungsventils
h die Abschaltung des Hilfskessels. Es geht dm, in der gesamte Dampf für
die Heizleitung i wieder durch die Gegendruckturbine e, und die Kesselbelastung
ist trotz der Schwankungen in der Kraftmaschine praktisch konstant !geblieben.
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Für den Fall, daß die Turbinenleistung jetzt weiter steigt und ihre
Abdampfmenge größer wird, als die Fernheizung benötigt, so tritt eine Erhöhung des
Heizdampfdruckes ein. Um diese Erhöhung eng zu begrenzen, ist die Turbine vor den
letzten Stufen mit einer Anzapfvorrichtung versehen, mittels der jeweilig Dampf
von höherer Spannung als die Heizspannung in den Anzapfdampfspei eher c abgeführt
wird. In der Verbindungsleitung q. der Anzapfstelle mit dem Dampfspeicher c ist
zu diesem Zweck ein Regelungsventil i vorgesehen, das bei Erreichung eines Dampfdruckes,
der nur wenig höher ist als der normale Heizdruck, geöffnet wird und die Entnahme
von Anzapfdampf für den Dampfspeicher bewirkt. Mit dem Augenblick, wo die höhere
Belastung der Kraftmaschine und der Heizdampfdruck wieder abnimmt, schließt das
Regelventil i, verringert die Dampfentnahme und beendet sie, sobald der normale
Heizdruck wieder erreicht ist. Es wird also in diesem Fall nicht wie sonst bei derartigen
Speichern der Abdampfdruck erhöht und der überschüssige Dampf durch diese zunehmende
Drucksteigerung dem Speicher zugeführt, sondern der Abdampfdruck bleibt nahezu konstant,
er ändert sich nur um so kleine Bruchteile einer Atmosphäre, daß das Regelungsventili
steuernd beeinfiußt wird. Die zur Speicherung des Dampfes benötigte Drucksteigerung,
einige Atmosphären, wird durch die zusätzliche Anzapfung der Turbine an einer Stelle,
wo die Spannung dem höchsten Speicherdruck entspricht, bewirkt. Der Druck im geladenen
,Speicher ist gemäß der Erfindung also stets mehrere Atmosphären höd_-#r als der
Druck in der Fernheizung, der möglichst konstant _gehalten wird.
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Der im Anzapfspeicher c gesammelte überschußdampf dient zur Ergänzung
des Hilfsdampfes aus dem Hilfskessel b, der nur für eine bestimmte Leistung bemessen
ist, die mit voller Eröffnung des Regelungsventils h erreicht wird. Genügt diese
Hilfsdampfmenge zum Ersatz der fehlenden Heizdampfmenge nicht mehr, was z. B. der
Fall sein wird, wenn bei Abnahme der Kraftleistung gleichzeitig eine Zunahme der
normalen Heizdampfmenge eintritt, so nimmt der Heizdruck in der Fernleitung
weiter ab. Dadurch öffnet sich ein Regelungsventil k, das in der Verbindungsleitung
5 zwischen Fernheizung und Speicher c angeordnet ist, und ermöglicht den Austritt
des höher gespannten
Speicherdampfes in die Fernheizleitung. Nimmt
dann der Dampfverbrauch wieder ab bzw. die Belastung der Turbine wieder zu und steigt
der Dampfdruck in der Fernheizung, so schließt das Regelventil k und danach unter
den angegebenen Bedingungen auch das Regelventilg. Die Vereinigung des mit Abzapfdampf
;aufzuladenden Dampfspeichers c mit dem Hilfskessel b' ermöglicht es, einmal die
mittlere Heizdampfmenge höher zu halten, als der mittleren Belastung der Kraftmaschine
entspricht, ferner die Speicherung des hberschußdampfes ohne nennenswerte Erhöhung
des Heizdampfdruckes durchzuführen, und gestattet eine wesentliche Verringerung
der Speicherabmessungen, da dieser nur die Spitzen der normalen Schwankungen und
nicht mehr die ganzen Schwankungen aufzunehmen hat.
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Trotz dieser zweistufigen Regelung des Heizdampfdruckes können Fälle
eintreten, wo sie noch nicht ausreicht. Das ist besonders nach längeren Betriebspausen
in der Nacht, z. B. frühmorgens, bei dem Anheizen der Gebäude vor Aufnahme der normalen
Belastung in der Kraftmaschine der Fall. Bei den meisten Werken ist die Nachtleistung
der Maschine sehr schwach und beträgt häufig kaum --i o Prozent der normalen. Auch
die Belastung der Fernheizung ist sehr gering und häufig nur so stark, daß eine
zu große Abkühlung der Fernleitung, ihrer Isoliermasse und der Rohrkanäle vermieden
wird.
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Andererseits ist frühmorgens beim Anheizen der in der Nacht abgekühlten
Gebäude der Heizdampfbedarf außerordentlich groß und beträgt unter Umständen ein
Mehrfaches der normalen Menge. Dieser Dampf steht aus den Kraftmaschinen als Abdampf
auch nicht annähernd zur Verfügung. Auch wäre es unwirtschaftlich, die Hochdruckkes,
sel, die Hilfskessel und-den Dampfspeicher für diese fehlenden Heizdampfmengen zu
bemessen.
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Zur Beschaffung dieses Dampfes dient zunächst vorteilhafterweise ein
elektrisch beheizter Niederdruckdampfkessel üblicher Bauart, der dann an irgendeiner
anderen Stelle der Fernheizung, vorteilhaft am Ende derselben, eingebaut sein kann,
um gleichzeitig dort zu starke Druckabnahme zu vermeiden.
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Das Laden des elektrisch geheizten Niederdruckkessels erfolgt sehr
wirtschaftlich zu Zeiten der oben erwähnten geringsten Belastung der Kraftmaschine
oder gegebenenfalls auch aus äußeren Ener&iequellen, wie angeschlossenen Industrie-
oder Wasserkraftwerken. Die Aüfladung erfolgt vom Druck in der Fernheizung und kann
daher bis zu einem Druck ' erfolgen, der wie der Speicherdruck erheblich höher ist
als der Heizdruck. Während bisher frühmorgens beim Anheizen in der Regel zu einer
zeitlidli hinter.-einanderli:egenden Anheizung der eänzelüen Gebäude oder Gebäudegruppen
geschritten wird, was bei den Abnehrnerp. auf Schwierigkeiten stößt und auch wirtschaftlich
teuer ist, erfolgt gemäß der Erfindung das Anheizen des Fernheiznetzes in der Weise,
daß zunächst der elektrisch geladene Niederdruckkessel angeschlossen wird und dieser
seine Wärme durch Verdampfung des Heißwasseri;nba.lts in die Fernheizleitung abgibt.
Dann werden der Dampfspeicher und der Niederdruckhilfskessel angeschlossen.
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Während des Betriebes dient ein in die Dampfleitung 6 zwischen elektrisch
beheiztem Kessel. d und Fernheizung i eingeschaltetes Regelungsventil 1,
das unter dem Heizdampfdruck steht, zum Ein- und Abschalten dieses Hilfskessels.
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Die vorstehende Regelung ist auch anwendbar, wenn die Fernheizanlage
neben der Dampfheizung noch eine Warmwasserheizung bzw. -versorgung speist, wie
in Abb. z dargestellt. Die Dampfkraftmaschinee' ist dann mit einer zweiten Anzapfstelle
für die Heizdampfentnahme durch eine Leitung 7 ausgerüstet, und der durch eine Leitung
,8 abgeführte Abdampf der letzten Stufe wird in en.-in Kondensator m mit hohem Gegendruck
von etwa o,8 bis i ata entsprechend der gewünschten Heißwassertemperatur niedergeschlagen.
Der Dampfraum des Kondensators wird dann zur zeitweisen Regelung des Heißwassers
aus der Heizdampfleitung i durch eine besondere Leitung 9 mit der ]Efeizdampffernleitung
i verbunden. Diese Leitung 9 erhält ebenfalls ein Regelungsventil n, das unter dem
Einfluß des Kondeasa.tordruckes steht und bei Sinken desselben den Eintritt von
Heizdampf in den Kondensator ermöglicht. Nimmt der Warmwasserbedarf zeitweise stark
ab, so steigt der Druck im Kondensator. Um eine zu starke Steigerung dieses Druckes
zu vermeiden, ist in der Abdampfleitung 8 der Kraftmaschine zum Kondensator rn ein
Regelungsventil o eingeschaltet, das unter Einfluß des Kondensatordruckes steht.
Bei Erreichung einer bestimmten Druckhöhe beginnt dieses Regelorgan die Abdampfleitung
zu verengen und die Abdampfmeuge zum Kondensator dem verringerten Bedarf .entsprechend
zu verkleinern. Der jetzt nicht mehr in den Kondensator gelangende Dampf wird für
die Dampfheizung verfügbar.
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Die neue Anordnung ist aber nicht nur bei Heizkraftanlagen -mit Abdampfverwertung
für Fernhe7Zanlagen zu verwenden,.- sondern, auch für Anlagen mit Abdampfverwertung
für. Heizung und mit Anzapfdampfverwertung für
industrielle Zwecke,
z. B. Kochzwecke mit entsprechend höheren Drücken.
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Eine derartige Anlage ist schematisch in Abb.3 dargestellt. Darin
sind die Einzelteile der Anlage wieder die gleichen wie in Abb. i und 2 mit folgenden
Änderungen: Die Dampfkraftmaschine e" ist für Entnahme von Dampf für industrielle
Zwecke (Kochdampf) eingerichtet. Der Hilfsdampfkessel b und der Dampfspeicher c
werden auf die Kochdampfleitung i2 geschaltet, sofern die Dampfmenge für Industriezwecke
im Verhältnis zu derjenigen für Heilzwecke nicht zu klein. ist. Der Dampfspeicher-
kann gemäß Abb. i und 2 mit besonderem Anschluß an die Dampfkraftmaschine angeschaltet
sein, er kann aber auch, wie Abb.3 zeigt, unmittelbar an die Kochdampfleitung angeschlossen
sein, sofern :eine entsprechende Steigerung des Dampfdruckes in dieser Dampfleitung
zulässig ist. Zwischen Koch- und Heizdainpfleitung ist die überströmleitung 13 mit
Reglerventilp vorgesehen, das unter dem Heizdampfdruck steht und eine Vergrößerung
der Heizdampfmenge beim Sinken des Hieizdampfdruckes bewirkt. Ein übermäßiges Steigen
des Heizdampfdruckes verhindert das Regelorgan.r in der Abdampfleitung von der Gegendruckturbine
e" zur Fernheizleitung, i, das bei Zunahme des Dampfdruckes sich schließt und den
Abdampfzutritt verringert. Dadurch vermehrt 'sich die Anzapfdampfmenge für die Kochdampfleitung
12 bzw. für die Ladung des Dampfspeichers c. Die Regelung der Dampfrnenge für die
Kochdampfleitung bewirkt das unter dem Einfluß des Dampfdruckes in dieser Leitung
stehende Regelventils in der Anzapfdampfleitung 14.
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Besteht die Kraftmaschinenanlage, wie z. B. bei größerem Kraft- als
Heizdampfb.edarf, aus mehreren Einzelaggregaten, von denen einige nur reinen Kraftzwecken
dienen, also mit hohem Vakuum von etwa o, o 5 ata arbeiten, und die anderen. mit
Gegendruck bzw. sehr niedrigem Vakuum für Dampf- oder Heißwasserheizung betrieben
werden, so kann die Aufstellung des Anzapfdampfspelchers für das neue Regelverfahren
erspart werden. Es ist für diesen Fall äse Verteilung der elektrischen Lepistung
und die elektrische Schaltung so epnzurichten, daß die Belastung der Heizkraftmaschine
nie größer wird, als es die Verwendung des Abdampfes in der Heizanlage gestattet.
Bei Steigerung des Kraftbedarfs hierüber hinaus ist die entsprechende überlastung
auf diejenigen Kraftmaschinen zu legen, die mit hohem Vakuum arbeiten, was von Hand
oder automatisch unter Benutzung des Steigens des Heizdampfdruckes in bekannter
Wise geschehen kann. In diesem Fall wird außer dem Dampfspeicher auch die Anzapfvorrichtung
an der Kraftmaschine zur Entnahme des Speicherdampfes gespart. Die Regelung der
Heizdampfmenge erfolgt in diesem Fall durch Hintereinaiiderschalten der beiden Hilfskessel
b und d unter Übertragung erforderlicher oder elektrischer Mehrleistungen
auf die Generatoren der Kondensationsmaschinen. Eine derartige Anlage zeigt beispielsweise
Abb. q.. Angenonunen die Heizanlag ist mit dem üblichen Heizdampf belastet und dementsprechend
die Leistung der Gegendruckmaschine eingestellt. Steigt der Heizdampfbedarf, so
wird durch eine unter dem Einfuß des Druckes in der Heizdampfleitung i stehende
Druckregelungsvorrichtung bekannter Art das Einlaßventil tv der Gegendruckmaschine
e so beeinflußt, daß deren Füllung vergrößert wird, während gleichzeitig die Leistung
der mit Kondeisatorni' versehenen Kondensationsmaschine e' in gleichfalls bekannter
Weise verringert wird, indem beispielsweise das Einlaßventil w' unter den Einfuß
des Geschwindigkeitsreglers gesetzt ist. Diese Änderung der Füllungen bleibt bei.
weiterer Zunahme des H*dampfbedarfs so lange in Tätigkeit, bis die Vollbelastung
der Gegendruckmaschine e erreicht ist. Bei weiterer Zunahme .des, Heizdampfbiedarfs
und entsprechender Abnahme des Heizdampfdruckes schaltet sich in der gleichen Weise
wie bei. den anderen Ausführungsformen mittels des Regelungsventiles h der Hilfskesselb
ein, und die fehlende Abdampfmenge wird, ohne Druck- und - Wärmeverluste im Hochdruckkessel
a, 'vom Hilfskessel b igeliefert. Tritt wieder eine Abnahme des Heizdampfbedarfs
ein, so schaltet sich zunächst der Hifskessel b aus, und bei weiterer Abnahme verringert
sich die Belastung der Gegendruckmaschine e unter Steigerung der Belastung der Kondensationsmaschine
e'.
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Es wird also bei dieser Regelungsweisse von der durch die Sonderart
der Kraftanlage gegebenen Möglichkeit Gebrauch ;macht, de Abdampfwärme der Kraftmaschineßanlage
bei größerem Heizdampfbedarf in gesteigertem Maße für die Heizdampfanlage nutzbar
zu machen.
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Nimmt bei gleichbleibendem Heizdampfbedarf der Kraftbedarf zu, so
iübernimmt diesen die Kondensationsmaschinee', während die Belastung der Gegendruckmaschine
e und der Heizdampfdruck in der Heizleitung i unverändert bleiben. Zur Deckung des
vOrübergehend größten Dampfbedarfs in deal. Anheizstunden frühmorgens tritt, wie
bei den anderen Ausführungsformen., der elektrisch beheizte Hilfskesseld in der
vorbeschriebenen Weise in Tätigkeit. Nach oder vor völliger Entladung des elektrisch
beheizten Hilfskessels wird der weitere Heizdampfbeäarf
aus der
Gegendruckmaschine e, gedeckt, welche zu diesem Zweck bis zur Höchstleistung belastet
wird.
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Die Wasserspeisung der Hochdruckkessel erfolgt wie die des Hilfs-
und elektrisch beheizten Kessels vorteilhaft mit Kondensat, dem wegen der unvermeidlichen
Kondensatverluste entsprechend Zusatzwasser zugesetzt wird. Um letzteres nicht dem
Hochdruckkessel, sondern nur den beiden Hilfskesseln zuzuführen, ist der in Abb:
i dargestellte Kondensatsammelbehälter so eingerichtet, daß er aus zwei oder mehreren
Abteilen besteht. In das letzte Abteil u ergießt sich das gesamte Kondensat, und
aus diesem saugt die Speisepumpe v für die Hochdruckkessel a.
In das erste
Abteilt mündet die Zusatzwasserleitung 15, und ein Regelorgän (z. B. Schwimmer
x) sorgt in diesem für eine Mindesthöhe des Wasserstandes. Aus diesem ersten Abteilt
erfolgt die gemeinsame oder getrennte Entnahme des Speisewassers für den hochdruckdampfbeheizten
Hilfskessel b und den elektrisch beheizten Hilfskesseld durch die Speisepumpey.
Solange die Kondensatmenge größer ist als der Speisewasserbedarf der Hochdruckkessel,
findet ständig ein Überfließen von Kondensat nach den ersten Ab-
teilen t
statt, und es wird so verhindert, daß Zusatzwasser in die letzten Abteile und damit
in die Hochdruckkessel gelangt. Dieses wird nur den beiden Hilfskesseln. zusammen
mit dem überfließenden Kondensat zugeführt, wo ein etwaiger Kesselsteinansatz weniger
störend und leichter zu beseitigen ist. Die mittlere Wand z zwischen den hinteren
und vorderen Abteilen reicht nahezu bis zum höchsten Wasserstand im ersten Abteil,
den der Schwimmer einstellt.
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In Abb. 2 ist für das Kondensat aus dem Kondensator ma ebenfalls ein
geteilter Sammelbehälter t, u und für dasjenige aus der Kondensatrückleitung
16 der Fernheizung ein einfacher Sammelbehälter i vorgesehen.
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In Abb.3 gelangt das nach Abgabe der Heizwärme aus dem Entnahmedampf
der Kochdampfleitung i: gebildete Kondensat durch eine Leitung i 2a in den Sammelbehälter
j.