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Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer Hochdruckdampfkraftanlage
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben
einer Hochdruckdampfkraftanlage mit mindestens einem Hochdruckdürchlaufröhrendampferzeuger,
dessen Arbeitsmittel zeitweise, z. B. beim Anheizen, über einen Niederdruckbehälter
umgewälzt wird. Das Verfahren nach der Erfindung besteht .darin, d,aß im Niederdruckbehälter
aus dem Arbeitsmittel abgeschiedener Dampf zum Anfahren der Dampfkraftmaschine benutzt
wird.
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Mindestens während eines Teils des Umwälzens kann dabei das Arbeitsmittel
im Dampferzeuger einen gegenüber dem Druck im Niederdruckbehälter erhöhten Druck
aufweisen. Wenn im Dampferzeuger ein für die Kraftmaschine zulässiger Zustand des
Arbeitsmittels erreicht ist, kann die Dampfzufuhr aus dem Niederdruckbehälter zur
Kraftmaschine selbsttätig unterbrochen und die Dampfzufuhr aus dem Dampferzeuger
zur Kraftmaschine selbsttätig geöffnet werden. Es empfiehlt sich jedoch, die Dampfzufuhr
aus dem Niederdruckbehälter zur Kraftmaschine nur allmählich zu unterbrechen, während
die Dampfzufuhr aus dem Dampferzeuger zur Kraftmaschine nur allmählich geöffnet
wird, um durch Mischen von Dampf verschiedener Temperatur die Temperatur in der
Kraftmaschine nur allmählich ansteigen zu lassen.
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Eine Dampfkraftanlage, die zur Ausführung des Verfahrens dienen soll,
muß außer einem Hochdruckdurchlaufröhrendampferzeuger, einem Nie.derdruckbehälter
und einer Dampfkraftmaschine auch noch eine mittels eines Organs abschließbare,
Dampf aus dem Niederdruckbehälter in eine Hochdruckstufe der Kraftmaschine führende
Dampfleitung besitzen. Das Organ, welches in der vom Niederdruckbehälter in die
Hochdruckstufe der Kraftmaschine führenden Leitung angeordnet ist, kann in Abhängigkeit
von einem durch den Frischdampf des Röhrendampferzeugers beeinflußten Thermostat
gesteuert werden. Dieser Thermostat kann auch ein in der vom Dampferzeuger zur Kraftmaschine
führenden Leitung angeordnetes Organ steuern. Der Niederdruckbehälter kann beispielsweise
als Verdrängungs- oder Gleichdruckspeicher oder als Gefällespeicher ausgebildet
sein.
Die Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeichnung näher
erläutert.
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F ig. i zeigt schematisch eine Dampfkraftanlage, deren Niederdruckbehälter
als Speisewasserspeicher ausgebildet ist; Fig. 2 erläutert eine Anlage, deren Nieder=
druckbehälter als Gefällespeicher durchgebildet ist; Fig.3 zeigt ein Schaubild des
Wärmeflusses beim Anfahren und Fig.4 ein Schaubild der beim Anfahren entstehenden
Temperaturen.
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Dem Hochdruckdampferzeuger i (Fig. i und 2), dessen Heizfläche aus
einem Durchlaufrohrsystem 2 besteht, wird an der Stelle 3 das Arbeitsmittel als
Speiseflüssigkeit zugeführt. Nach dem Durchlaufen des Rohrsystems 2 wird das Arbeitsmittel
an der Stelle 4 als überhitzter Gebrauchsdampf entnommen. Ein erster Teil des Rohrsystems
dient zur Erwärmung und teilweisen Verdampfung des Arbeitsmittels. Der Naßdampf
gelangt dann in den Flüssigkeitsabscheider 5, in welchem ein Bruchteil der Flüssigkeit
abgetrennt und durch die Leitung 6 fortgeführt wird. Ein anderer Teil der Flüssigkeit
strömt zusammen mit dem Dampf in eine anschließende Nachverdampferzone des Rohrsystems.
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Der letzte Teil dieser Zone wirkt als Vorüberhitzerzone und überhitzt
den Sattdampf des Nachverdampfers so weit, daß der Thermostat 7 zur Regelung der
Speiseflüssigkeitsmenge und der aus dem Abscheider 5 abgeschlämmten Teilmenge des
Wassers herangezogen werden kann. In der sich an den Thermostat 7 anschließenden
Überhitzungszone des Rohrsystems erreicht die Dampftemperatur die gewünschte Betriebshöhe.
Der nun vom Gebrauchsdampf beeinflußte Thermostat 8 stellt zur Feinregelung der
Temperatur die Menge des durch die Leitung 9 zusätzlich dem Rohrsystem :2 zugeführten
Arbeitsmittels ein.
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Der Dampf strömt durch die Leitung io in die aus einem Hochdruckteil
i i und einem Niederdruckteil 12 bestehende Kraftmaschine: Im Kondensator 13 wird
der bis ins Vakuum entspannte Dampf niedergeschlagen. Die Pumpe 14 fördert das Kondensat
in einen Niederdruckbehälter 15, aus welchem die Speisepumpe 16 das zum Betrieb
.des Dampferzeugers notwendige Speisewasser wieder entnimmt und dem Dampferzeuger
i zuführt.
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Während des Anfahrens der Kraftanlage wird die zur Dampfkraftmaschine
führende Leitung io mit Hilfe des Durchlauforgans 17 geschlossen. Das Arbeitsmittel
wird dann durch eine Umgehungsleitung 18, deren Durchlauforgan i9 geöffnet ist,
unmittelbar in den Niederdruckbehälter 15 geleitet. Die Speisepumpe 16 hält
dabei einen Kreislauf des Arbeitsmittels durch den Dampferzeuger und den. Niederdruckbehälter
aufrecht. Die im Kreislauf aufgenommene Wärme wird dem im Niederdruckbehälter 15
enthaltenen Wasser in Form von Dampf entnommen und durch die Anfahrleitung 2o in
die Hochdruckstufe der Kraftmaschine i i, 12 geleitet.
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Bei Aufnahme .der Last wird die Leitung 2o durch das Organ 2i geschlossen,
dafür aber das Organ 17 in der Dampfleitung io ge--öffnet, so daß der Dampf des
Dampferzeugers i unmittelbar in die Kraftmaschine i i, 12 gelangt.
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Der Niederdruckbehälter 15 in Fig. i ist als Speicher für Speisewasser
ausgebildet, in welchem vorgewärmtes Wasser über kaltem Wasser gespeichert wird.
Kaltes Speisewasser wird am Grund des Behälters mit Hilfe der Pumpe 22 nach Maßgabe
des zur Verfügung stehenden Dampfes entnommen und in den Vorwärmernn 23 und 24 durch
Entnahmedampf mittels Wärmeübertragung stufenweise vorgewärmt. Eine .letzte Vorwärmestufe
ist unmittelbar in den Speicher verlegt, in dessen oberem Teil Entnahmedampf durch
das Speisewasser kondensiert wird. Die Menge der umzuwälzenden Flüssigkeit wird
durch das Regelorgan 26 bestimmt, das z. B. nach Maßgabe des Druckes, der Temperatur,
eines Mittelwertes der Temperatur oder einer anderen den Wärmeinhalt des Speichers
anzeigenden Größe eingestellt werden kann.
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Der Niederdruckbehälter 15 nach Fig. 2 ist als Gefällespeicher ausgebildet,
dessen Dampf nach Maßgabe .der Belastung der Kraftmaschine i i, 12 durch die Leitung
27 in die vom Hochdruckteil i i zum Niederdruckteil 12 der Kraftmaschine führende
Leitung 28 gelangt. Zur Ladung des Dampfspeichers (Niederdruckbebälter 15) wird
nach Maßgabe der Maschinenbelastung aüs einer Entnahmestufe der Kraftmaschine durch
die Leitung 29 Dampf in den Wasserinhalt des Speichers eingeblasen.
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Die Organe 17, i9 und 21, welche zur Umstellung des Anfahrbetriebs
auf Dauerbetrieb vorgesehen sind, können gemäß Fig.2 nach Maßgabe der den Thermostaten
8 beeinflussenden Temperatur gesteuert werden. So wird vor Erreichung des Dauerbetriebszustands
das Organ 17 in der Frischdampfleitung mit Hilfe des Servomotors 30 geschlossen
gehalten. Dafür öffnen aber die Servomotoren 31 und 32 die Organe i9 bzw. 21 derart,
daß das Arbeitsmittel aus dem Dampferzeuger i un, mittelbar in den Niederdruckbehälter
15 gelangt und der abgeschiedene Dampf aus dem Niederdruckbehälter 15 durch die
Leitung 2o in eine Hochdruckstufe der Kraftmaschine i 1, 12 geleitet wird.
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Sobald die Temperaturen im Dampferzeuger i einen für die Kraftmaschine
11, 12 zulässigen
Wert erreicht haben, werden mit Hilfe der Servomotoren
3 1 und 32 die Organe z9 und 2r allmählich geschlossen, während mit
Hilfe des Servomotors 3o das Organ 17 allmählich geöffnet wird. Dadurch gelangt
zunächst noch Dampf aus dem Niederdruckbehälter 15 in die Hochdruckstufe
r r, während gleichzeitig auch aus dem Hochdruckdampferzeuger Dampf diesem Niederdruckdampf
beigemischt wird. Durch die allmähliche Verminderung des aus dem Niederdruckbehälter
in die Kraftmaschine strömenden Dampfanteils und die allmähliche Vergrößerung des
.aus dem Dampferzeuger in die Kraftmaschine strömenden Teils wird die Temperatur
des die Kraftmaschine beaufschlagenden Dampfes allmählich gesteigert und die Maschine
auf einen Temperaturzustand gebracht, der es erlaubt, den Dauerbetrieb aufzunehmen.
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In Fig. 3 ist die Leitung L, d. h. die Wärmemenge pro Zeiteinheit,
die an verschiedenen Stellen der Dampfkraftanlage gemessen werden kann, über der
Zeit Z und in Fig. 4 die Temperatur T, die an verschiedenen Stellen der Dampfkraftanlage
gemessen werden kann, über dem gleichen Zeitverlauf Z als Funktion aufgetragen.
Die Kurve F in Fig. 3 stellt die Leistung des den Dampferzeuger beheizenden Feuers
dar. Die Kurve R veranschaulicht die .aus dem Dampferzeuger in Form von Heißwässer
oder Dampf pro Zeiteinheit vorausströmende Wärmeleistung. Schließlich gibt die Kurve
K ein Bild der von der Kraftmaschine pro Zeiteinheit geschluckten Energie wieder.
In Fig. 4 stellt U die Kurve der Dampftemperatur am Austritt aus dem Dampferzeuger
dar. Die Kurve V versinnbildlicht den Temperaturverlauf des Dampfes am Eintritt
in die Kraftmaschine. Die Schaulinie S läßt den Verlauf der Temperatur der Hochdruckstufe
in der Kraftmaschine erkennen.
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Im Zeitpunkt Null wird der Dampferzeuger angefeuert. Dabei ist angenommen,
daß sowohl der Dampferzeuger als auch der Speicher kalt sind. Dem durch die Schaubilder
der Fig. 3 und. 4 versinnbildlichten Anfahrbetrieb ist ferner eine Feuerung zugrunde
gelegt, die mit Magerkohle betrieben wird und infolgedessen gleich nach der Zündung
mit ihrer normalen Leistung wegen des geringen Gasgehalts auf volle Leistung gebracht
werden muß. Die Feuerleistung F (Fig. 3) springt daher kurz nach der Inbetriebsetzung
gleich auf ihren Dauerwert. Die Kurve F und die die Heißwasser- bzw. Dampfleistung
darstellende Kurve R schließen die Fläche c ein, die ein Bild der von der Kesselmauerung
und der Eisenmasse des Rohrsystems und endlich von der als Verlust abstrahlenden
Wärmemenge gibt. Die Kurve K der von der Kraft;n aschine geschluckten Leistung schließt
mit detKurveR die durch die Fläche a dargestellte Menge ein, die im Niederdruckbehälter
aufgespeichert werden muß.
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Im Zeitpunkt z, in welchem gemäß Fig. 4 im Dampferzeuger die Sattdampftemperatur
des Niederdruckbehälters bereits überschritten ist und deshalb im Niederdruckbehälter
Dampf von dem Arbeitsmittel abgeschieden wird, kann, wie aus der Kurve K in der
Fig. 3 ersichtlich ist, die Kraftmaschine mit so viel Dampf beaufschlagt werden,
bis sie, die Haftreibung überwindend, anfängt, sich zu bewegen. Dann muß die Dampfleistung
sofort wieder auf die Leerlaufmenge vermindert werden, so daß die Kraftmaschine
mit einer verminderten Drehzahl (ungefähr aoo T/min) weiterlaufen kann.
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In dem folgenden Zeitabschnitt von; z bis z' nähert sich gemäß Fig.
4 der Temperaturzustand der Kraftmaschine (Kurve S) der Temperatur V im N iederdruckbehälter.
In der gleichen Zeit ist auch die Temperatur des aus dem Dampferzeuger austretenden,
nun schon dampfförmigen Arbeitsmittels (Kurve U) so hoch angestiegen, daß zu dem
aus dem Niederdruckbehälter nach der Kraftmaschine strömenden Dampf noch Dampf aus
dem Dampferzeuger beigemengt werden kann. Bis zum Zeitpunkt z" wird nun die vom
Niederdruckbehälter zur Kraftmaschine strömende Dampfmenge allmählich bis auf Null
vermindert und umgekehrt die aus dem Dampferzeuger in die Kraftmaschine strömende
Dampfmenge allmählich vergrößert. Die Temperatur des die Hochdruckstufe der Kraftmaschine
beaufschlagenden Dampfes hat somit im Zeitpunkt z" nahezu die Höhe der Temperatur
U des aus- dem Hochdruckdampferzeuger austretenden Dampfes erreicht.
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Vom Zeitpunkt z' kann auch eine allmählich sich steigernde Belastung
der Kraftmaschine aufgenommen werden, die bis zum Zeitpunkt z"' auf die Normallast
(Kurve K, Fig.3) anwachsen kann. Der Temperaturzustand wird dann gemäß der Kurve
S (Fig. 4) langsam ebenfalls allmählich seine Dauerbetriebshöhe erreichen. Vom Zeitpunkt
z"' an ist im Niederdruckbehälter bzw. Anfahrgefäß keine Energie mehr zu speichern.
Es ist somit durch die beschriebene Ausbildung möglich, den für das Anfahren notwendigen
Speicherraum zu verkleinern. Zudem könnte die Vollast der Kraftmaschine erst entsprechend
später einsetzen.
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Könnte der Kraftmaschine nicht schon frühzeitig aus dem Anfahrkreislauf
Dampf zum Anfahren zugeführt werden, so müßte entsprechend der zwischen den Kurven
K1 und R gelegenen Fläche (Fig. 3) eine viel größere
Wärmemenge
durch den Niederdruckbehälter gespeichert werden. Außerdem würde die Aufnahme der
Vollast auf den Zeitpunkt z; " verschoben.
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Ist der N iederdruckbehälter beim Anfahren schon mit Energie geladen,
so kann das Anfahren der Kraftmaschine gemäß der Kurve K.., (Fig. 3) schon in einem
Zeitpunkt z2 vor dem Anfeuern des Dampferzeugers erfolgen. Die Lastaufnahme der
Maschine kann dann schon in den Zeitpunkt der Dampflieferung verlegt werden. Damit
wird der Zeitpunkt z2"' der Aufnahme der Vollast noch weiter vorverschoben.
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Um ein allzu rasches Steigen der Maschinentemperatur beim Anwärmen
zu verhüten, stehen zwei Mittel zur Verfügung. Es kann, wie beschrieben, Dampf aus
dem Dampferzeuger mit Dampf aus dem Niederdruckbehälter derart gemischt werden,
daß die Mischtemperatur der für die Kraftmaschine zuträglichen Anwärmung entspricht.
Darüber hinaus können aber die Thermostate bzw. Servomotoren zur Regelung der Dampftemperatur
im Dampferzeuger so eingestellt werden, daß der Dampf .anfänglich nicht mit normaler
Überhitzungstemperatur, sondern mit einer verminderten Temperatur aus dein Dampferzeuger
austritt. Unter Umständen können beide Mittel gleichzeitig angewendet werden.
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Die Ladung im Niederdruckbehälter (d. h. die Zuführung bzw. Abführung
von Wärme) kann in Abhängigkeit von der Last der Kraftmaschine oder in Abhängigkeit
vom Lastzustand oder einer sonstigen Betriebsgröße der ganzen Anlage so geregelt
werden, daß beispielsweise bei hoher Belastung ein geringerer Wärmeinhalt vorhanden
ist als bei geringer Belastung. Der Niederdrückbehälter kann verschiedenen Zwecken
dienen, so beispielsweise zur Dampfspeicherung oder für beide Zwecke. Dabei kann
der Speicher als Gegendruck- oder als Gefällespeicher ausgebildet sein, er kann
auch als Schichtspeicher bzw. als Verdrängungsspeicher ausgebildet sein. Der Speicher
kann schließlich von einer fremden Energiequelle, z. B. einem Niederdruckkess-el,
aus gespeist bzw. geladen werden. Dadurch kann die Kraftmaschine auch dann vor dem
Anfeuern des Hochdruckdampferzeugers vorgewärmt werden, wenn der Speicher von einem
früheren Betrieb her keine oder zu wenig Wärme besitzt.