DE676920C

DE676920C - Einrichtung zur raschen Regelung und Inbetriebsetzung von Waermekraftanlagen

Info

Publication number: DE676920C
Application number: DEA82762D
Authority: DE
Original assignee: Aktiengesellschaft fuer Technische Studien
Current assignee: Aktiengesellschaft fuer Technische Studien
Priority date: 1937-01-25
Filing date: 1937-04-27
Publication date: 1939-06-15
Also published as: GB488538A

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur raschen Regelung und Inbetriebsetzung von Wärmekraftanlagen, in welchen ein gasförmiges Arbeitsmittel, vorzugsweise Luft, dauernd einen geschlossenen Kreislauf unter Überdruck beschreibt, wobei sich das durch äußere Wärmezufuhr erhitzte Arbeitsmittel in mindestens zwei Turbinen, wovon die eine ihre Leistung mindestens zum Teil nach außen abgibt und die andere einen Verdichter antreibt, entspannt und hierauf wieder auf höheren Druck gebracht wird, sowie in einem Wärmeaustauscher ein Wärmeaustausch zwischen dem entspannten und dem wieder verdichteten, noch nicht von außen erhitzten Teil des Arbeitsmittelstromes stattfindet.

Zur Regelung von länger andauernden Änderungen in der Belastung von Wärmekraftanlagen dieser Art ist bereits vorgeschlagen worden, ■ bei unveränderter Drehzahl sämtlicher Maschinen die Dichte des umlaufenden Arbeitsmittels angenähert proportional zur jeweiligen äußeren Leistungsabgabe einer oder mehrerer Turbinen zu ändern.

Dies kann beispielsweise bei einer Erniedrigung des Leistungsbedarfes dadurch geschehen, daß Arbeitsmittel, welches ja unter Überdruck steht, dem sonst geschlossenen Kreislauf durch geeignete Auslaßvorrichtungen, ζ. B. gesteuerte Ventile, entzogen wird. Sinkt jedoch der Leistungsbedarf plötzlich, beispielsweise infolge Abschaltens des Generators, so ist es unter Umständen nicht möglich, zu erreichen, daß die Dichte des Arbeitsmittels in dessen Kreislauf genügend rasch zurückgeht, weil das Ausströmen des dem Kreislauf zu entziehenden Arbeitsmittels eine gewisse Zeit erfordert. Zudem bedingt das Ablassen von Arbeitsmittel aus dem sonst geschlossenen Kreislauf, daß bei einer nachfolgenden Zunahme des Leistungsbedarfes neues Arbeitsmittel in den Kreislauf eingeführt werden muß, was auch einige Zeit benötigt.

Zweck vorliegender Erfindung ist, solche Übelstände, welche bei raschen Schwankungen in der Belastung von Anlagen der erwähnten Art auftreten, zu beheben. Zu diesem Behuf e zweigt bei einer solchen Anlage gemäß vorliegender Erfindung von einer Überström-

leitung, die von einer zur anderen Turbine führt, vor dem Eintritt in die Leistung nach außen abgebende Turbine eine Umführungsleitung mit Absperrdrosselorgan und eingebautem Hilfskühler ab. Durch diese Umführungsleitung kann das Arbeitsmittel unter Umgehung der Leistung nach außen abgebenden Turbine strömen, um hinter dieser wieder in den normalen Kreislauf des Arbeitsmittels

ίο zu gelangen. Zweckmäßig kann die Umführungsleitung in die Leitung münden, welche die letztgenannte Turbine mit dem Wärmeaustauscher verbindet, in welchem ein Wärmeaustausch zwischen dem entspannten und dem wieder erhitzten Teil des Arbeitsmittelstromes stattfindet. Das in der Umführungsleitung vorgesehene Absperrdrosselorgan kann in Abhängigkeit von den in der Anlage auftretenden Leistungsschwankungen selbsttätig ver-

2c stellt werden, zum Zwecke, die Durchnußmenge durch die Umführungsleitung selbsttätig der abzugebenden Leistung anzupassen. Auf der Zeichnung ist eine Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes in verein- fachter Darstellungsweise beispielsweise veranschaulicht.

ι bezeichnet einen Erhitzer, in welchem dem Arbeitsmittel, vorzugsweise Luft, von außen Wärme zugeführt wird. Die erhitzte Luft gelangt vorerst in eine Hochdruckturbine 2, welche einen Verdichter 3 antreibt, und über ein Getriebe 4 auch mit der Welle einer zweiten Turbine 5 gekoppelt ist, die ihre Leistung mindestens zum Teil nach außen abgibt. Bei der gezeigten Ausführungsform treibt diese Turbine 5 einen Generator 6 an.

13 bezeichnet eine Überströmleitung, durch die das. Arbeitsmittel von der Hochdruckturbine 2 zur Niederdruckturbine 5 gelangt.

Das aus der Turbine 5 strömende Arbeitsmittel tritt durch eine Leitung 7 in einen Wärmeaustauscher 8, wo es Wärme an den Teil des Arbeitsmittelstromes abgibt, der vom Verdichter 3 durch eine Leitung'O in den Erhitzer 1 gefördert wird. Der von der Turbine 5 kommende und im Wärmeaustauscher 8 abgekühlte Arbeitsstromteil gelangt dann durch eine Leitung 10 in einen Vorkühler 11 und von diesem durch eine Leitung 12 in den Verdichter 3, wo dieser Teil des Arbeitsmittelstromes wieder verdichtet wird. Von der Überströmleitung 13 zweigt vor dem Eintritt in die Leistung nach außen abgebende Turbine, d. h. also vor 'der Turbine S, eine Umführungsleitung 14 ab, die in die Leitung 7 mündet. In diese Umführungsleitung

14 sind ein'Absperrdrosselorgan 15 und eine als Kühler 16 ausgebildete Hilfswärmeaustauschvorrichtung eingebaut. Die Einstellung des Organs 15 in die jeweils erforderliche Lage erfolgt selbsttätig durch einen Drehzahlregler 17 der Turbine 5. Dabei wird die Wirkungsverbindung zwischen den Teilen 15, 17 durch ein Hebelgestänge 18 hergestellt. In die Überströmleitung 13 ist zwischen der Abzweigstelle der Umführungsleitung 14 und dem Eintritt in die Turbine 5 ein Absperrorgan 19 eingebaut, welches ebenfalls selbsttätig in Abhängigkeit von den Leistungsänderungen der Turbine 5 verstellt wird, zu welchem Zwecke es mit dem Drehzahlregler 17 in Wirkungsverbindung steht. 20 ist ein Hilfsmotor, (elektrischer Motor, Verbrennungs-, Druckluftmotor oder Druckluftturbine), welcher zur langsamen Drehung der Maschinengruppe 3, 2, 5, 6 während des Anfahrens dient. Dieser Hilfsmotor 20 wird bei höheren Drehzahlen mittels einer Kupplung ausgeschaltet.

Die Wirkungsweise der beschriebenen Ein,-richtung ist folgende: Solange normale Betriebsverhältnisse bei gleichbleibender Last herrschen, sperrt das Drosselorgan 15 den Durchfluß von Arbeitsmittel durch die Umführungsleitung 14 ab. Sobald jedoch die Turbine 5 aus irgendeinem Grunde plötzlich und voraussichtlich nur für eine derart kurze Zeit entlastet wird, daß ein verringerter Wirkungsgrad der Wärmekraftanlage in Kauf genommen werden kann, so erfolgt selbsttätig eine solche Verstellung des Absper'r drosselorgan 15, daß Arbeitsmittel durch die Umführungsleitung 14 aus der Überströmleitung 13 in die Leitung 7 strömen kann. Gleichzeitig wird das Absperrorgan 19 in schließen- 9S dem Sinne betätigt. Das von der Hochdruckturbine 2 kommende Arbeitsmittel fließt daher unter Umgehung der Niederdrückturbine 5 gleich durch die Umführungsleitung 14 in den Wärmeaustauscher 8. In dieser Umführüngs- 10c leitung 14 erfährt das Arbeitsmittel durch Drosselung eine Druckverminderung und" gleichzeitig wird es durch den Hilfskühler 16 auf ungefähr die Temperatur abgekühlt, auf die es bei normalen Betriebsverhältnissen durch die Entspannung in der Niederdruckturbine S abgekühlt würde. Auf diese Weise wird selbst bei Umgehung der TSTiederdruckturbine S vermieden, daß Arbeitsmittel von gefährlich hoher Temperatur in den Wärmeaustauscher 8 gelangt, der aus wirtschaftlichen Gründen aus Baustoffen hergestellt ist, welche keine zu hohen Temperaturen ertragen. Da für den Durchfluß durch die Umführungsleitung 14 ein Druckgefälle von einigenAtmo-Sphären zur Verfügung steht, so. ergeben sich in dieser Leitung 14 große Geschwindigkeiten, die unter Umständen bis zur Schallgeschwindigkeit und darüber ansteigen können, so daß der Hilfskühler 16 infolge der sich ergebenden hohen Wärmeübergangszahlen auf der Arbeitsmittelseite klein be-

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messen werden kann. Durch zusätzliche Steuerung der Absperrorgane 15, 19 in Abhängigkeit von den Drücken an bestimmten Stellen des normalen Kreislaufes kann erreicht werden, daß die Drücke und Temperaturen nach Öffnen der Umführungsleitung 14 im übrigen Teil der Anlage angenähert gleich bleiben, so daß beispielsweise beim plötzlichen, kurzzeitigen Öffnen der Leitung

ίο 14 am Verdichter 3 oder am Erhitzer 1 sich nichts ändert. Die beim Umgehen der Turbine 5 vorhandene überschüssige Energie wird einfach in der Umführungsleitung 14 und mit Hilfe des Hilfskühlers 16 vernichtet, statt nach außen abgegeben zu werden. Tritt wieder eine Belastungszunahme der Turbine 5 ein, so wird das Absperrorgan 19 im öffnenden Sinne und das Absperrorgan 15 im schließenden Sinne selbsttätig betätigt, so daß der durch die Umführungsleitung 14 strömende Arbeitsmittelteil nach Maßgabe der Belastung der Turbine 5 geregelt wird. Bei langandauernder niedriger Belastung der Anlage wird dagegen dem Kreislauf in an sich bekannter Weise durch eine absperrbare Auslaßvorrichtung 22 Arbeitsmittel entzogen. Dadurch sinken dann der Druck und die Dichte im Kreislauf, was ein entsprechendes Schließen der Umführungsleitung 14 und öffnen der Überströmleitung 13 ermöglicht, so daß beim neuen Dauerbetrieb mit verminderter Last die Anlage zufolge Ausschaltung der Drosselleitung 14 wieder mit gutem Wirkungsgrad arbeitet. Eine spätere Belastungszunähme wird lediglich ermöglicht durch Einführen neuen Arbeitsmittels aus einem Speicher 21.

Der in die Umführungsleitung eingebaute Hilfskühler wird zweckmäßig von so großem Widerstände ausgebildet, daß in ihm mindestens ein Viertel des sonst von der umgangenen Turbine verarbeiteten Druckgefälles durch Reibung und Wirbelung vernichtet wird.

Die beschriebene Einrichtung ermöglicht auch in einfacher Weise die schwierige Aufgabe zu lösen, die ganze Anlage anzufahren. Bei der Inbetriebsetzung ist das Absperrorgan 19 geschlossen und das Absperrorgan 15 geöffnet. Es wird dann durch den Motor 20 bei vorerst verminderter Drehzahl Arbeitsmittel durch die Anlage umgewälzt und im Erhitzer 1 erwärmt. Das Arbeitsmittel durchströmt jetzt lediglich die den Verdichter 3 antreibende Hochdruckturbine 2 und fließt hierauf durch die Umführungsleitung 14 in den Wärmeaustauscher 8, um von diesem durch die Leitungen 10 und 12, den Verdichter 3 und die Leitung 9 wieder in den Erhitzer 1 zu gelangen. Die Turbine 5 wird somit umgangen. Durch allmähliches Einführen neuen Arbeitsmittels, beispielsweise ans dem Behälter 21, in den beschriebenen Kreislauf wird dann die Dichte des umgewälzten Stromes erhöht. Eine allfällige überschüssige Leistung der Turbinen wird nach Maßgabe der Drucksteigerung in der Umführungsleitung 14 durch Drosselung vorläufig vernichtet. Erst wenn die Drücke im Kreislauf von Turbine 2 und Verdichter 3 die nötige Höhe erreicht haben und die gewünschten Temperaturen vorhanden sind, wird das Absperrorgan 15 geschlossen und das Organ 19 geöffnet, so daß nun das aus der Hochdruckturbine 2 kommende Arbeitsmittel auch die Niederdruckturbine 5, welche mindestens zum Teil ihre Leistung nach außen abgibt, durchströmt. Die Belastung der Turbine 5 kann jetzt sehr rasch erfolgen, weil ja die dadurch bedingte Energie bereits im Kreislauf vorhanden ist. Wäre keine Umführungsleitung 14 vorhanden, so würde die Belastung der Niederdruckturbine 5 gleichzeitig und abhängig von der Inbetriebnahme der ganzen Anlage erfolgen. Sobald die Maschinengruppe 3, 2, 5, 6 mit einer bestimmten Drehzahl läuft, wird der Motor 20 abgekuppelt.-

Für das Wesen der Erfindung spielt es -keine Rolle, wie das Absperrdrosselorgan der Umführungsleitung 14 sowie der darin einge- g₀ baute Hilfskühler ausgebildet sind. Als Kühlmittel für den letzteren kann eine Flüssigkeit oder ein Gas verwendet werden, wobei die vom betreffenden Kühlmittel aufgenommene -Wärme allenfalls irgendwie weiter ausgenutzt werden kann. Der Fluß* des Kühlmittels durch den Hilfskühler 16 wird zweckmäßig erst dann auf selbsttätige Weise ausgelöst, wenn Arbeitsmittel durch die Umführungsleitung 14 zu fließen beginnt. Er kann ferner in Abhängigkeit von der durch die Leitung 14 strömenden Arbeitsmittelmenge geregelt werden.

Auch kann die selbsttätige Einstellung des in dieser Umführungsleitung eingebauten Absperrdrosselorgans in Abhängigkeit von der Belastung der Niederdruckturbine in anderer Weise erfolgen als gezeichnet istT

Indem das Absperrdrosselorgan vorzugsweise nach dem in die Umführungsleitung eingebauten Hilfskühler vorgesehen wird, ergeben sich die Vorteile, daß dieses Organ nur von bereits gekühltem Arbeitsmittel durchströmt wird und daß ferner im Kühler ein höherer Arbeitsmitteldruck herrscht, was den Wärmeübergang verbessert.

Ferner läßt sich die Erfindung ohne weiteres auch dann anwenden, wenn hinter' der Stelle der Überströmleitung, von welcher die Umführungsleitung abzweigt, mehr als eine Turbine vorhanden ist. Im weiteren läßt sich vielfach ohne Absperrorgan 19 auskommen.

Die Regelung der verschiedenen Drosselorgane kann auf mechanischem oder hydraulischem Wege erfolgen.

Die Umführungsleitung kann zwischen der oder den Leistung nach außen abgebenden Turbine bzw. Turbinen und dem Verdichter an irgendeiner Stelle des normalen Kreislaufes in diesen münden.

Claims

Patentansprüche:

i. Einrichtung zur raschen Regelung und Inbetriebsetzung von Wärmekraftanlagen, in denen ein gasförmiges Arbeitsmittel, vorzugsweise Luft, dauernd einen geschlossenen Kreislauf unter Überdruck beschreibt, wobei das durch äußere Wärmezufuhr erhitzte Arbeitsmittel sich in mindestens zwei Turbinen, wovon die eine ihre Leistung mindestens zum Teil nach außen abgibt und die andere einen Verdichter antreibt, entspannt und hierauf im Verdichter wieder auf höheren Druck gebracht wird, sowie in einem Wärmeaustauscher ein Wärmeaustausch zwischen dem entspannten und dem wieder verdichteten, noch nicht von außen erhitzten Teil des Arbeitsmittelstromes stattfindet, dadurch gekennzeichnet, daß von einer Überströmleitung von der einen zur anderen Turbine vor dem Eintritt in die Leistung nach außen abgebende Turbine eine Umführungsleitung mit Absperrdrosselorgan und eingebautem Hilfskühler abzweigt, durch die bei „geöffnetem Absperrdrosselorgan das Arbeitsmittel unter Umgehung der letztgenannten Turbine strömt, um hinter dieser Turbine wieder in den normalen Kreislauf zu gelangen.
2. Einrichtung nach Anspruch r, dadurch gekennzeichnet, daß die Umführungsleitung in die Leitung mündet, welche die Leistung nach außen abgebende Turbine mit dem Wärmeaustauscher verbindet.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Absperrdrosselorgan der Umführungsleitung . selbsttätig in Abhängigkeit von den in der Anlage auftretenden Leistungsänderungen eingestellt wird, um die Durchflußmenge durch die Umführungsleitung der nach außen abzugebenden Leistung anzupassen.
4. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß in die Überströmleitung zwischen der Abzweigstelle der Umführungsleitung und dem Eintritt in die Leistung nach außen abgebende Turbine ein Absperrorgan eingebaut ist/welches selbsttätig in Abhängigkeit von den Leistungsänderungen der genannten Turbine verstellt wird.
5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfskühler als Kühler großen Widerstandes ausgebildet ist, derart, daß in ihm mindestens ein Viertel des sonst von der umgangenen Turbine verarbeiteten Druckgefälles durch Reibung und Wirbelung vernichtet wird.
6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschlußdrosselorgan, in der Strömungsrich-* tung des. Arbeitsmittels betrachtet, nach dem Hilfskühler angeordnet ist.
7. Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmittelfluß durch den Hilfskühler in Abhängigkeit vom Arbeitsmitteldurchfluß durch die Umführungsleitung geregelt wird. So

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen