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Regelverfahren für Verpuffungsdampferzeuger Gegenstand vorliegender
Erfindung betrifft in Regelverfahren für Dampferzeuger, kurz Verpuffungsdampferzeuger
benannt, bei #:@=elchen Brennstoffluftgemische in einem geschlossenen Behälter verpufft
und die durch die Verpuffung entstandene Druckerhöhung zur Erzeugung sehr großer
Strömungsgeschwindigkeiten der Verbrennungsgase zum "Zwecke eines hohen Wärmeüberganges
benutzt wird. Das zur Verpuffung gelangende Brennstoffluftgemisch wird durch ein
Gebläse mit einer gewissen Verdichtung in die Behälter gepreßt. Zuin Antrieb des
Gebläses dient eine Gasturbine, die von den noch genügend hochgespannten Verbrennungsgasen
beaufschlagt wird.
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le nach der zu erzeugenden Dampfmenge (Belastung) ist, wie bei jedem
Danipferzeuger. mehr oder weniger Brennstoff zuzuführen. Während aber beim gewöhnlichen
Dampferzeuger die Regelung der Brennstoffzufuhr irn wesentlichen in Änderung des
Mischungsverhältnisses und, in geringerem Maße, in Änderung der Gemischmenge besteht,
kann beim V erpuffungskessel für die Regelung der Brennstoffzufuhr das 'Mischungsverhältnis,
und. in weitgehendem Ausinaße, die Gemischmenge sowohl durch Än-(lerung der Zahl
der Ladungen als auch durch Änderung der Vorverdichtung der Ladung benutzt werden.
Durch diese Möglichkeit, verschiedene Regelweisen gleichzeitig anwenden zti können,
unterscheidet sich das vorliegende Verpuffungsverfahren bezüglich seiner Regelung
auch von den aufgeladenen Brennkraftmaschinen. bei denen eine Spielzahländerung
nicht möglich ist, und auch von dem bereits vorgeschlagenen Regelungsverfahren für
Erzeuger von Gasdampfgemischen, bei welchen Einrichtungen bisher nur die Regelung
durch Spielzahländerung bekannt war.
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Es hat sich nun gezeigt, daß für den Ladedruck, der durch die Abgase
mittels der Gasturbine und des Gebläses erzeugt werden soll, eine wirtschaftliche
obere und für die Zuverlässigkeit der Zündungen auch eine gewisse untere Grenze
besteht, und ferner die Zahl der Ladungen in der Zeiteinheit durch die Abmessungen
der Verpuffungsbehälter beschränkt wird. Als höchster wirtschaftlicher Ladedruck
kann der Druck angesehen werden, den das von der Abgasturbine getriebene Gebläse
allein aus der restlichen Abgasenergie aufzubringen vermag. Dabei ist unter restlicher
Abgasenergie die Energie verstanden, die die Verbrennungsgase nach Entzug aller
für die DarnpferzEU-gung verwendbaren, fühlbaren Wärme noch besitzen. Die untere
Druckgrenze ist dagegen vornehmlich durch die Forderung einer raschen und gründlichen
Entfernung des Abgasrestes (Spülung) und einer guten Durchwirbelung der frischen
Ladung gegeben. Die Zahl der Ladungen in der Zeiteinheit, auch Spielzahl genannt,
ist bedingt durch die Zeit, die für die Füllung der Behälter, für die vollständige
Verbrennung und für die vollständige Entladung
der Verbrennungsgase
erforderlich ist. Weiterhin ist darauf zu achten, daß stets gut zündfähiges, aber
auch nicht überreiches Gemisch in die Behälter gelangt. Der Betrieb ist dann am
zuverlässigsten, wenn das giinstigste Brennstoffluftverhältnis bei allen Belastungen
möglichst beibehalten wird.
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Der Gegenstand vorliegender Erfindung ist nun ein Regelverfahren für
Dampferzeuger der oben beschriebenen Art, das darin besteht, daß die Brennstoffluftgemischmenge
bei im wesentlichen gleichbleibendem Mischungsverhältnis in Abhängigkeit vom Dampfdruck.
(Dampfbedarf) geregelt wird, und zwar derart, daß bei abnehmendem Dampfdruck (Dampfmangel)
zuerst in bekannter Weise die Spielzahl, also die Zahl der- Behälterfüllungen in
der Zeiteinheit, erhöht wird, bis (lie maimal zulässige Spielzahl erreicht ist und
dann die Drehzahl des Aufladegebläses, also der Druck der Behälterfüllungen, verinehrt
wird, wobei die hierfür erforderliche Mehrleistung des Verdichters durch eine zusätzliche
Kraftquelle geliefert wird.
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Auf Abb. i ist eine Darnpferzeugeranlage, für welche das Regelverfahren
zur Anwendung kommen soll, sinnbildlich dargestellt, während Abb. 2 beispielsweise
Vorrichtungen zur Durchführung des Regelverfahrens sinnbildlich wiedergibt.
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Es sind i bis 3 Verbrennungskammern, in welchen, zeitlich versetzt,
Brennstoffluftgemische zur Verpuffung gebracht werden. Die hochgespannten Verbrennungsgase
ströinen mit hoher Geschwindigkeit durch die Wärineaustauscher .I bis 6 und «erden
durch das Sammelrohr 7 zur Abgasturbine 8 gebracht. Diese Abgasturbine treibt den
Verdichter 9 an, der, z. B. iin Falle von Öl- oder Kohlenstaubfeuerung, die Verbrennungs-
und etwaige Spülluft allein liefert, im Falle von Gasfeuerungen aber noch mit einem
Verdichter für das Gas versehen ist. Die verdichtete Luft gelangt durch die Rohre
io zu den Behältern, ihr Einlaß wird durch die Ventile i i bis 13 gesteuert. Von
der gleichen Abgasturbine kann auch die Z'in@i-<ilzungspumpe 14 angetrieben werden,
die ihr Wasser aus dem Wasser- und Dampfsammelbehälter 15 entnimmt und durch die
Wärmeaustauschkörper 4 bis 6 drückt. Hierbei wird den Verbrennungsgasen die gesamte
fühlbare Wärme entzogen und das Umlaufwasser zum Teil verdampft. Die Abscheidung
der Dampfblasen erfolgt durch das Abscheiderohr 16. Der erzeugte Dampf wird am Dampfdom
i 7 entnommen und kaim nach (nicht gezeigter) Überhitzung den Verbrauchsstellen
zugeführt «-erden. Ein Teil dieses Dampfes wird jedoch bei 18 abgezweigt und dient
im Bedarfsfalle als Betriebsdampf für die Dampfturbine i g. Weiter gehört zur Anlage
die Steuerungseinrichtung 2o zur Betätigung der Einlaßventile ri bis 13. Im vorliegenden
Beispiel ist eine Nockensteuerung, die von dem Elektromotor 21 angetrieben wird.
Dampfturbine i9 und Elektromotor 21 des gezeigten Beispiels sind integrierende Bestandteile
der Regelung gemäß vorliegender Erfindung. Sie haben auf Abb. 2 die gleiche Bezeichnung
erhalten.
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Im Sinnbild der Regelvorrichtung der Abb. 2 wurde beispielsweise zur
Übertragung der Steuerkräfte Drucköl angenommen. Es sind zwei Druckölsysteme vorhanden,
das erste wird von einem Geschwindigkeitsregler, der mit dem Gebläseaggregat gekuppelt
ist, gesteuert, das zweite von einer Membran, die mit dem Dampfsammler 15
in Verbindung steht. Die Wirkungsweise derartiger Druckölsteuerungen kann als bekannt
vorausgesetzt werden. Sie besteht im wesentlichen darin, daß durch Freigabe des
Ölabflusses der Öldruck vermindert und die mit einer Feder versehenen Steuerorgane
in Richtung der Entspannung der Feder bewegt werden, während bei Drosseln des Ölabflusses,
also Erhöhung des Öldruckes, die Bewegung der Steuerorgane in entgegengesetzter
Richtung erfolgt. Die Beschreibung der einzelnen Teile geschieht am besten gleichzeitig
mit der Deschreibung der Regelvorgänge. Diese spielen sich wie folgt ab: Bei den
höheren Belastungen bis Vollast liefern, im Beharrungszustand, die Abgase allein
die Energie, die zum Antrieb des Verdichters 9 bzw. zur Verdichtung des Brennstoffluftgemisches
auf einen genügend hohen Wert erforderlich ist. Die Stellung der den Ölabfluß des
ersten Ölkreislaufes regelnden Büchse 30, die mit dem zum Gebläseaggregat gehörenden
Regler 31 verbunden ist, gibt daher alles Öl, das die Pumpe 3a liefert, frei, so
daß kein Öldruck vorhanden ist und das Zusatzventil 33 der Dampfturbine i9 unter
Einwirkung des Federdruckes geschlossen bleibt. Da angenommen werden soll, daß (im
Beharrungszustand) der vorherrschende Dampfdruck gleich dem verlangten BetriebsdrLick
ist, so nimmt die Membran der Meinbransteuerung 34. eine Mittelstellung ein. Die
mit der Membran verbundene Büchse 35 drosselt den Ölablauf des zweiten Ölkreislaufes,
der durch eine z. B. mittels besonderem @lotor 36 angetriebene Ölpumpe 37 gespeist
wird, bereits so weit, daß ein genügend hoher Öldruck entsteht, der den Kolben des
Spielzahlreglers 38 in einer oberen Lage hält, so daß der elektrische Regelwiderstand
39 zum größten Teil ausgeschaltet ist und der Motor, 2 r , der die Nockenstenerung
ao der Behältereinlaßventile betätigt, mit seiner
nahezu grötiten
Drehzahl arbeitet. Die Spielzahl der Beliälterfu*illungen hat also ganz oder nahezu
ganz ihren höchsten Wert.
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Tritt dagegen eine Belastungsverminderung ein, steigt somit der Dampfdruck
im Behälter 15 an, so wird die 'Membran 34. weiter angehoben und durch die Büchse
3; mehr Öl freigegeben. Der Öldruck sinkt und die Feder der Verstellvorrichtung
38 drückt den Kolben nach abwärts, so daß mehr Widerstand eingeschaltet und die
Drehzahl des Elektroniotors 21 vermindert wird. Damit wird aber auch die Zahl der
Füllungen und die Brennstotizufuhr verringert. Es kann hierbei der Fall eintreten,
daß die Menge der Abgase und der Staudruck derselben von den (nicht gesteuerten)
Düsen der Gasturbine nicht mehr hinreichen, um der Gasturbine und dem Gebläse die
Drehzahl z u geben, die für die Ladung der Kammern, trotz verminderter Fördermenge,
erforderlich ist. Der mit der Gebläsewelle gekuppelte Regler 31 verschiebt
dann die Büchse 3o derart, daß der erste Ölkreislauf gedrosselt und der Öldruck
so weit gesteigert wird, daß nun das Ventil 33 öffnet und so viel Dampf zur Hilfsturbine
i g strömen läßt. als zur Erreichung der erforderlichen llindestdrelizalil des Gebläsesatzes
niitig ist.
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"tritt eine Belastungserhöhung ein, oder wird dauernd eine über die
Normallast hinausgehende Überlast gefordert, so sinkt der Dampfdruck ini Dampfsammler,
die Büchse 33 wird unter dein Einfluß der Feder der Membran 3.I auf Schließen gestellt.
Der Öldruck des zweiten Ölkreislaufes steigt. so claß nicht nur der Kolben der Verstellvorrichtung
38 in seiner obersten Stellung gehalten wird (maximale Spielzahl), sondern auch
die Dampfventile 4o bis _12 der Hilfsturbine i9 der Reihe nach öffnen. Die Drehzahl
des Gebläsesatzes nimmt zu. und damit Ansaugeinenge und Druck des Brennstoffluftgemisches,
(ha das Endvolumen der Ladungen wegen der deichbleibenden Spielzahl (Zahl der Füllungen)
keine Änderung mehr erfährt. Mit der vergrößerten zugeführten Wärmemenge steigt
auch die an das Umlaufwasser übergehende Wärme, so daß der Dampfdruck wieder ansteigt
und, infolge Abnahme des Öldruckes. die nicht mehr erforderlichen Zusatzdampfventile
wieder geschlossen werden. In der Hauptsache dient dieser Hilfsdampf nämlich zur
Erhöhung der Drehzahl des Gebläsesatzes. die zur Lieferung der erforderlichen Gemischinenge
nötig ist. Ist die höhere Drehzahl einmal erreicht, so liefert die Gasturbine infolge
der nun ebenfalls vermehrten Abgasmenge und des erhöhten Staudruckes vor den Düsen
ranz oder beinahe genügend Energie, um das Gel)liiseaggregat in dein jeweiligen
Betriebszustand zu erhalten. Es können also auch bei großen Belastungen, sobald
Beharrungszustand eingetreten ist, die Dampfventile geschlossen sein und kleinere
Belastungsschwankungen lediglich in Spielzahländerungen zur Auswirkung kommen.
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Um ein Durchbrennen des Gebläsesatzes, d.li. ein überregulieren nach
oben, zu vermeiden, kann der Geschwindigkeitsregler 31 noch mit einer zweiten Büchse
43 versehen werden, die bei Überschreitung einer Höchst-,Irelizalil des Gebläses
auch den zweiten Ölkreislauf unterbricht. Auf Abb.2 ist diese Verbindung durch die
strichpunktierte Leitung .L4 angedeutet. Die mit 4.5 und .M6 bezeichneten Ventilchen
oder Blenden sind die Drosselstellen, die man zur Einstellung des Öldruckes anwendet.
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An Stelle der Übertragung der. Regelkräfte durch Drucköl könnte auch
eine solche durch Gestänge erfolgen. Ferner ließe sich das beanspruchte Regelverfahren
auch ganz mittels elektrischer !fader ganz mittels Dampfturbinen getriebener Einrichtungen
durchführen. Im obigen Beispiel war als Zusatzkraft für das Gebläse einer Dampfturbine.
für den Antrieb der Einlaßventilnockensteuerung ein Elektromotor gewählt worden,
es handelte sich also um ein gemischtes Betriebsverfahren. An Stelle der Dampfturbine
kann als Zusatzkraft auch ein Elektromotor in Frage komnien. Seine Regelung ist
dann ähnlich wie diejenige der Einlaßventilsteuerung des beschriebenen Beispiels.
Umgekehrt würde bei einem Dampfturbinenantrieb auch die Ventilsteuerwelle durch
eine Dampfturbine angetrieben und diese geregelt wie die Gebläseantriebsturbine
des Beispiels.
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L in die Anlage in sich abgeschlossen zu haben, wird man gewöhnlich
den Hilfsdampf aus dem eigenen Dampfsammler entnehmen. uni so mehr, als es sich
um verhältnismäßig geringe 'Iengen handelt. Es wäre aber auch möglich, Fremddampf
hierfür zu benutzen. Vorteilhaft ist es auch, den Dampfsammler als Speicher auszubilden
oder finit einem als Speicher verwendbaren. besonderen Behälter zu verbinden, um
für die Inbetriebsetzung stets genügend Dampf zum Anlassen des Gebläse- und Umlaufpumpensatzes
zur Z'erfügung zu haben. Das Speichervermögen dieses Behälters kann verhältnismäßig
klein sein, da die Dampfentwicklung eine unmittelbare ist und bei Vorhandensein
von Umlaufwasser aus dem Speicher, das schon fast die Verdampfternperatur besitzt,
die Belastung des Dampferzeugers fast sofort aufgenoininen werden kann.
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Bei dem beschriebnen Verfahren wurde vorausgesetzt, daß das Brennstoffluftmischung
sverhältnis möglichst konstant bleibt.
Das ist praktisch leicht
durchzuführen, indem die Brennstoffzufuhr z. B. von der Stellung des Regelorgans
33 oder einem ähnlichen, vom Druck im zweiten Ölkreislauf betätigten Regler (Ventil,
Drosselklappe, Pumpe mit veränderlichem Hub o. dgl.) abhängig gemacht wird. Es kann
auch die Ansaugeluftmenge des Gebläses, z. B. über ein Venturi= ineter, zur Brennstoffbemessung
herangezogen werden.