-
Regel- und Überwachungseinrichtung für eine Kraftanlage mit Quecksilber
als Erststoff und einem anderen Stoff (z. B. Wasser) als Zweitstoff Gegenstand des
Hauptpatents ist eine Wärmekraftanlage, die mit Ouecksilber als Erststoff und einem
anderen Stoff (z. B. Wasser) als Zweitstoff betrieben wird und bei der das Quecksilber
zuerst in einem Erhitzer unter Druck ohne Dampfbildung erhitzt und dann in einem
oder mehreren nachgeschalteten Dampfentwicklern unter Entspannung teilweise verdampft
wird.
-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Pegel- und Überwachungseinrichtung
für eine solche Anlage. Dabei ist von der Erkenntnis ausgegangen, daß in dem Erhitzer
einer solchen Anlage, insbesondere im Höchstlastbereich, keine Verdampfung des flüssigen
Ouecksilbers eintreten darf,. weil hierdurch clie W ärmeübertragung ' auf die Heizelemente
des Erhitzers und somit die Kesselleistung vermindert werden. Zu diesem Zweck ist
nach der Erfindung in die Verbindungsleitung zwischen dem Quecksilbererhitzer und
dem diesem nachgeschalteten Quecksilberdampfentwickler eine auf Druck- und Temperaturänderungen
der' zum Quecksilberdampfentwickler strömenden Flüssigkeit ansprechende Vorrichtung
eingeschaltet, die das Brennstoffzuführungsventil des Ouecksilbererhitzers bei Über-
bzw. Unterschreitung bestimmter Temperaturwerte bzw. Druckwerte selbsttätig schließt.
Infolgedessen wird die Wärmezufuhr zum Erhitzer selbsttätig unterbrochen, wenn das
flüssige Ouecksilber mit zu hoher Temperatur bzw. zu niedrigem Druck den Erhitzer
veriäßt. Auf diese Weise ist also
dafür gesorgt, .daß die Werte
von Druck und Temperatur des flüssigen Quecksilbers im Erhitzer stets so aufeinander
abgestimmt sind, däß die Verdampfungsgrenze nicht erreicht oder überschritten wird.
-
Dabei kann die Steuerung des Brennstoffventils entweder unmittelbar
oder mittelbar in Abhängigkeit von den Druck- und Temperaturänderungen des den Erhitzer
verlassenden flüssigen Quecksilbers oder auch in Abhängigkeit von dem in der Frischdampfeinlaßleitung
herrschenden Dampfdruck erfolgen, dessen Höhe naturgemäß wiederum von den erwähnten
Zustandsgrößen des flüssigen Quecksilbers in der Verbindungsleitung zwischen dem
Erhitzer und dem Dampfentwickler abhängt. Es ist auch möglich, eine von diesen Zustandsgrößen
abhängige Betriebsgröße, z. B. die Drehzahl der Quecksilberdampfturbine, zu benutzen.
-
Eine beispielsweise Ausführungsform der Anlage nach der Erfindung
ist auf der Zeichnung in einer schematischen Gesamtansicht dargestellt.
-
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine
Dampfkraftanlage mit Quecksilber und Wasser als Betriebsstoff. Der Quecksilberdampfkessel
io wird mit flüssigem Brennstoff beheizt. Zu diesem Zweck ist ein Brennstoffzuführungsventil
i i vorgesehen. Dem Heizelement 12 wird unten flüssiges Quecksilber mittels einer
Pumpe 14 durch eine Rohrleitung 16 zugeführt. Der Saugstutzen 15 dieser Pumpe ist
an einen Quecksilberverdampfer 13 angeschlossen. Die durch .die Heizschlange 12
hindurchgedrückte Flüssigkeit strömt durch, eine Leitung 17 in den Verdampfer und
aus diesem in die Heizschlange zurück. Der im. Verdampfer erzeugte Dampf gelangt
durch eine Leitung 18 zur Quecksilberdampfturbine i9, deren Abdampf in einem Kondensator
2o niedergeschlagen wird. Das Kondensat wird mittels einer Pumpe Zia durch eine
Leitung 21 zum Saugstutzen der Umwälzpumpe 14. gefördert.
-
Die -beschriebenen Teile bilden zusammen die Quecksilberdampfkraftanlage.
-
Der Kühlschlange 22 des Kondensators 2o wird mittels einer Pumpe 24
durch eine Leitung 23 ein Kühlmittel zugeführt. Bei der dargestellten Ausführungsform
wird das Kühlmittel einem Dampfkondensator 25 entnommen. In der Kühlschlange 22
wird das Wasser verdampft. Mit dem erzeugten Dampf wird eine Dampfturbine 26 gespeist,
deren Abdampf in den Kondensator 25 strömt. Dem Kondensator wird sein Kühlmittel
durch eine Leitung 27 zugeführt.
-
Die Kühlschlange 22, die Turbine 26 und der Kondensator 25 bilden
zusammen die Wasserdampfkraftanlage. Der Kondensator 2o, der also den Quecksilberdampf
der Turbine i9 niederschlägt und das durch seine Kühlschlange 22 strömende Wasser
erhitzt und verdampft, bildet den Dampfkessel dieser Kraftanlage. Gleichzeitig stellt
er ein therinisches Kupplungsglied zwischen den beiden T reibmittelstromkreisen
dar.
-
Um eine gute Wärmeübertragung auf die Heizschlange 12 zu erreichen,
muß bei einem mit unter Druck stehendem Quecksilber gespeisten Kessel insbesondere
im Höehstlastbereich verhindert werden, daß das Quecksilber in der Heizschlange
verdampft. Das Eintreten einer Verdampfung hängt von einem bestimmten Umstand oder
von dem Zusammenwirken zweier Umstände ab. Bekanntlich findet eine Verdampfung statt,
wenn eine Flüssigkeit entweder bei konstantem Druck über eine bestimmte Temperatur
hinaus erwärmt oder bei konstanter Temperatur der Druck der Flüssigkeit unter einem
bestimmten Wert herab vermindert wird. Die diesen bestimmten Wert aufweisenden Temperaturen
und Drücke werden bekanntlich als Sättigungstemperaturen und Sättigungsdrücke bezeichnet.
Beispielsweise ist bei einer T etnperatur von 6o8° C der Sättigungsdruck von Quecksilber
25,2 kg/cm=. Bei diesem Druck und dieser Temperatur wird flüssiges Quecksilber ig
Dampf verwandelt. Um daher bei 6o8° C eine Verdampfung des Quecksilbers zu verhindern,
muß das Quecksilber unter elnem etwas höheren Druck stehen, zweckmäßig z. B. 26,7
kg/cm2, d. h. es muß ein Druckunterschied von 1,5 kgicm= aufrechterhalten werden.
Dieser Druckunterschied von 1,5 kg/cm' entspricht einem Temperaturunterschied von
rund 7° C, weil ein Druck von 26,7 kg/cm2 zu einer Sättigungstemperatur von 615'
C gehört, die den Wert von 6o8° C um 7° C übersteigt. Wenn daher Quecksilber auf
eine Temperatur von 6o8° C bei einem absoluten Druck von 26,7 kg/cm' erhitzt wird,
befindet sich das Quecksilber noch in flüssiger Form; eine Verdampfung tritt erst
ein, wenn der Druck um mindestens 1,5 kg/cm@ herabgesetzt oder die Temperatur um
7° C erhöht wird oder wenn sowohl der Druck als auch die Temperatur entsprechend
geändert werden.
-
Bei der Anlage nach der Erfindung ist eine Vorrichtung vorgesehen,
mit deren Hilfe der Druck und die Temperatur des die Heizelemente des Kessels durchströmenden
Quecksilbers so geregelt werden, daß eine Verdampfung des Quecksilbers innerhalb
der Heizelemente verhindert ist. Zu diesem Zweck ist in die Verbindungsleitung zwischen
dem Kessel und dem Verdampfer ein die Brennstoffzuführung zum Kessel regelndes Steuerglied
eingeschaltet, das auf Druck-und
Temperaturänderung innerhalb dieser
Leitung anspricht und die Stellung des Brennstoffventils selbsttätig entsprechend
ändert. Die Steuerung dieses Ventils kann auch in mittelbarer Abhängigkeit von den
Druck-und Temperaturwerten erfolgen, indem der Regelimpuls von Betriebsgrößen geliefert
wird, welche für die Größe der Druck- und Temperaturwerte bestimmend sind. Eine
solche Betriebsgröße kann beispielsweise die Drehzahl einer von dem Kessel gespeisten
Quecksilberdampfturbine sein. Eine andere Betriebsgröße ist der Frischdampfdruck
im Einlaßventil der Turbine.
-
Die Regelvorrichtung nach der Erfindung soll nachstehend an Hand des
dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Während des normalen
Betriehszustandes der Anlage wird das Brennstoffzuführungsventil i i mittels eines
Elektromagneten offengehalteii, dessen Kern an einen Hebelarm 31 des Ventilkörpers
angeschlossen ist. Die Spule 32 des Elektromagneten ist einerseits über einen Leitungsdraht
33 und einen Schalter 34, andererseits über einen Leitungsdraht 36 an eine Stromquelle
35 angeschlossen. Innerhalb dieses Stromkreises liegen mehrere Kontakte, die sich
bei bestimmten Änderungen des Betriebszustandes der Anlage selbsttätig öffnen und
schließen. Der Quecksilberschalter 37 wird von einem nur schematisch dargestellten
Druck- und Temperaturanzeiger gesteuert, der ein durch ein Bourdon-Rohr gebildetes
druckabhängiges Glied 38 und ein temperaturabhängiges Glied 3g besitzt, das ebenfalls
ein Bourdon-Rohr ist. Das druckabhängige Glied 38 steht mit dem Auslaßrohr 17 des
Heizelementes 12 in Verbindung. Die freien Enden beider Bourdon-Rohre sind an die
Enden eines Hebels angeschlossen, der gelenkig mit dem Quecksilberschalter 37 gekuppelt
ist. Der Schalterhebel selbst ruht auf einem festen Schwinglager 4oa.
-
Während des normalen Betriebes der Anlage ist der Schalter 37 geschlossen.
Steigt bei konstantem Druck die Temperatur des in der Leitung 17 strömenden flüssigen
Quecksilbers, so bewegt sich das linke Ende des Hebels 4o nach oben, so daß der
Schalter 37 den Kontakt unterbricht. Bei einer Abnahme des Druckes und unveränderter
Temperatur wird dagegen das rechte Ende des Hebels 4o nach oben bewegt, so daß der
Kontakt wiederum unterbrochen wird. Eine gleichzeitige Abnahme von Druck und Temperatur
hat ein Schwenken des Hebels 4o entgegen dem Uhrzeigersinn um den gelenkigen Angriffspunkt
am Schalterhebel zur Folge, ohne daß dabei dessen Stellung verändert wird. Das temperaturabhängige
Glied 39 ragt mit seinem geschlossenen Ende in die Leitung 17 hinein. Das Bourdon-Rohr
39 enthält die gleiche Flüssigkeit wie der Kessel, also Quecksilber. Die beschriebene
Regelvorrichtung ist so ausgebildet, daß bei einem Druckabfall von 1,5 kg/cm' und
unveränderter Temperatur der Schalter 37 geöffnet ist; dies ist auch der Fall, wenn
die Temperatur bei konstantem Druck um 7° C sinkt. Sobald der Schalter 37 den Kontakt
unterbrochen hat, wird das Brennstoffzuführungsventil i i unter der Wirkung der
Feder 41 geschlossen, die an den Hebelarm 31- angreift. Mit dem Schalter 37 liegt
ein Kontaktpaar 42 in Reihe, das in Abhängigkeit vom Frischdampfdruck vor der Turbine
gesteuert wird. Die Kontakte 42 sind normalerweise durch eine Kontaktbrücke 4.3
überbrückt, die an eine Stange 44 der Membran 45 eines Druckmessers 46 angeschlossen
ist. Auf die Unterseite der Membran 45 wirkt der in der Einlaßleitung 18 der Turbine
herrschende Druck, während die Oberseite der Membran unter dem Einfluß einer Druckfeder
47 steht. Die Brücke 43 wird entgegen der Wirkung der Feder 47 angehoben und unterbricht
dadurch den Stromkreis, sobald der Druck im Einlaßrohr 18 der Turbine einen bestimmten
Höchstwert überschreitet. Infolgedessen wird die Spule 32 stromlos, so daß sich
das Brennstoffzuführungsventil schließt.
-
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei Turbinen i9 und
26 vorhanden, die beide mit Vorrichtungen versehen sind, die das Ventil i i schließen,
sobald die Turbinen eine bestimmte Drehzahl überschreiten. Die Turbine ig ist mit
einem Drehzahlregler 48 ausgerüstet, der von der Turbinenwelle angetrieben wird
und mittels eines Ansatzes 49 einen Schalter 5o, 51 steuert, der von einer Feder
52 normalerweise geschlossen gehalten wird. Wenn die Drehzahl der Turbine einen
bestimmten Wert überschreitet, wird der Ansatz 49 des Fliehkraftreglers nach unten
bewegt, bis er den Schalter 5o, 51 öffnet. Die gleiche Einrichtung ist auch bei
der Turbine 26 vorhanden; sie besteht aus den gleichartigen Teilen 53, 54, 55, 56,
57, deren Wirkung mit den entsprechenden Teilen 48, 49, 50, 51, 52 der Turbine ig
übereinstimmt. Beim öffnen der Kontakte 5o, 51 und 55, 56 wird die Spule 32 stromlos,
so daß sich das Brennstoffzuführungsventil i i des Kessels io schließt.
-
Im Stromkreis, in dem die beschriebenen Kontakte angeordnet sind,
liegt ein weiterer Elektromagnet 64, 65 in Reihe mit den Kontakten, so daß die Spule
65, sobald einer dieser Kontakte geöffnet ist, keinen Strom erhält, In diesem Fall
wird ein von dem Anker 64 gesteuertes Ventil 63 mittels einer Feder 66 geöffnet
gehalten. Dieses Ventil 63,
das also nur bei stillgesetzter Turbine
geöffnet ist, liegt in einer Rohrleitung 6o, der aus einem nicht dargestellten Behälter
Stickstoff oder ein anderes nicht oxydierendes Gas mit geringem Überdruck zugeführt
wird; das Gas strömt über das Ventil durch Leitungen 61, 62 zu Dichtungskammern
58, 59, die verhindern, daß Außenluft durch die Wellenstopfbuchsen der Turbine hindurch
in das Gehäuse eindringt. Dies ist bei Quecksilberdampfturbinen deshalb erforderlich,
weil sonst das Quecksilber oxydieren würde.
-
Es wird also bei der Anlage nach der Erfindung das Brennstoffzuführungsventil
ii geschlossen und gleichzeitig das Zuführungsventil 63 für das Dichtungsgas geöffnet,
wenn i. die Temperatur des flüssigen Quecksilbers vor dem Verdampfer 13 einen bestimmten
Wert übersteigt, 2. der Druck des flüssigen Quecksilbers vor dem Verdampfer 13 einen
bestimmten Wert unterschreitet, 3. beide Umstände gleichzeitig in einem bestimmten
Verhältnis zueinander auftreten, 4. der Frischdampfdruck in der Einlaßleitung 18
der Turbine i9 einen bestimmten Wert übersteigt, 5. die Drehzahl einer der beiden
Turbinen einen bestimmten Wert übersteigt.
-
In manchen Fällen besteht kein Anlaß zur Verhinderung der Verdampfung
innerhalb der Heizelemente, beispielsweise bei geringer Belastung. Daher ist die
Einrichtung getroffen, daß der druck- und temperaturabhängig gesteuerte Schalter
37 außer Wirkung gesetzt wird, wenn die Turbine unterhalb einer bestimmten Mindestlast,
beispielsweise ein Drittel der Vollast, betrieben wird. Zu diesem Zweck ist eine
in Abhängigkeit von der Belastung auf den Druck ansprechende Vorrichtung angeordnet,
die aus einem Gehäuse 67 besteht, das durch eine Membran 68 in zwei Hälften unterteilt
ist. Der unterhalb der Membran befindliche Teil steht durch ein Rohr 69 mit einer
Hochdruckstufe, zweckmäßig der ersten Druckstufe der Turbine, in Verbindung. Dieser
Druck ist proportional der Belastung der Turbine. An der Membran ist eine Stange
7o befestigt, die durch eine Feder 71 nach unten gedrückt wird. Am oberen Ende der
Stange ist eine Kontaktbrücke 72 befestigt, die mit zwei Kontakten 73 zusammenwirkt.
Diese Kontakte sind mit Leitungsdrähten 74, 75 derart an den Stromkreis des Druck-
und Temperaturanzeigers 38 bis 4o angeschlossen, daß der Schalter 37 bei geschlossenem
Kontakt 73 überbrückt ist. Fällt die Belastung der Turbine i9, so daß also der Druck
in der ersten Stufe sinkt, so drückt die Feder 71 die Membran. 68 nach unten, bis
bei einem bestimmten Druck- bzw. Belastungsabfall der Kontakt 73 geschlossen wird
und der Schalter 37 kurzgeschlossen ist. Wenn sich nun in diesem Fall der Schalter
37 öffnet, wird der Stromkreis keineswegs unterbrochen, so daß der druck- und temperaturabhängige
Schalter unwirksam gemacht ist und der Kessel weiter in Betrieb bleibt.
-
Nach der Erfindung ist ferner eine Einrichtung zur Regelung der die
Heizelemente 12 durchströmenden Flüssigkeitsmenge vorgesehen. Diese Flüssigkeitsmenge
wird durch Vergrößerung der Strömungsgeschwindigkeit erhöht, wenn die Temperatur
bei konstantem Druck ansteigt oder der Druck bei konstanter Temperatur abnimmt,
d. h. also in Abhängigkeit von der Verdampfung innerhalb der Heizelemente. Zu diesem
Zweck wird die Umwälzpumpe 14, welche die Flüssigkeit in die Heizelemente ia drückt,
vom Motor 76 angetrieben, dessen Drehzahl regelbar ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
ist die Antriebsmaschine ein Gleichstrommotor. In Reihe mit dem Motorfeld 77 liegt
ein Widerstand 78, der normalerweise mittels eines Relais 79, 8o kurzgeschlossen
ist. Die Spule 8o dieses Relais liegt in Reihe mit den Schalter 37. Wenn bei geöffnetem
Schalter 37 der Stromkreis unterbrochen ist, ist auch die Spule 8o stromlos, so
daß das Relais unter dem Einfluß einer Feder 81 den Kurzschluß des Widerstandes
78 aufhebt und der Stromdurchfluß durch die Feldwicklung 77 vermindert wird. Infolgedessen
steigt die Drehzahl des Motors 76 und daher diejenige der Pumpe 14, so daß sie eine
größere Flüssigkeitsmenge in die Heizelemente fördert.