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Einrichtung zur Regelung von Dampfkraftanlagen Zur Erzeugung einer
bestimmten Leistung in einer Dampfturbine ist eine bestimmte Dampfmenge von gegebenem
Anfangsdruck und gegebener Anfangstemperatur erforderlich. Steigt die Turbinenbelastung
an, so muß die Dampfmenge vergrößert werden, sinkt sie ab, so ist eine Verkleinerung
notwendig. Die Dampfturbine stellt, als Ganzes betrachtet, einen konstanten Drosselquerschnitt
dar. Will man durch diesen eine größere Dampfmenge hindurchleiten, so muß man, da
der Entspannungsenddruck durch den Kondensatordruck im wesentlichen festliegt, den
Anfangsdruck erhöhen und muß ihn bei verkleinerter Dampfmenge entsprechend. verkleinern.
In der Maschine selbst ist die Veränderung des Drosselquerschnittes nicht möglich,
vielmehr muß sie vor die Maschine in ein Ventil verlegt werden. Das Ventil hat daher
die Aufgabe, von dem für die höchste Last zur Verfügung stehenden Druck bei geringerer
Last jeweils so viel wegzudrosseln, daß das verbleibende Druckgefälle gerade ausreicht,
um die benötigte Dampfmenge durch die Maschine hindurchzudrücken. Die Folge davon
ist der bekannte verhältnismäßig hohe Verlust.
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Es sei zunächst an Hand der Fig. i der Grundaufbau der üblichen Anlagenschaltungen
mit Zweiwellenmaschinen besprochen, da man sich zunächst über die hier herrschenden
Verhältnisse klar werden muß, ,,nenn man die Erfindung richtig verstehen will.
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Die Kesselanlage i versorgt ein Netz a mit der Hochdruckmaschine 3,
der die Niederdruckmaschine
q. nachgeschaltet ist. Das Zwischendrucknetz
5 kann mit dem Netz 6 über einen Dampfkühler 7 und einen Zwischenüberhitzer 8 in
Verbindung stehen. Wesentlich für die Erfindung sind diese Teile jedoch nicht. Es
ist nur eine Voraussetzung gemacht, nämlich daß die Möglichkeit eines kurzzeitigen
Schwankungsausgleiches besteht. Hierfür kann entweder ein Mitteldruckkessel 9 am
Netz 6 oder ein Pufferspeicher io dienen, d. h. ein Speicher, der nur in dem kleinen
Druckbereich arbeitet, um den der Druck im Netz 6 schwanken kann. Die Art der Regelung
der Dampfzufuhr zur Maschine 3 ist unerheblich. Es kann ihr ein überstromventil
vorgeschaltet sein, sie kann auch mit einem Drehzahlregler ausgerüstet sein, sofern
nur die Bedingung erfüllt ist, daß aller von der Kesselanlage i gelieferte Dampf
durch die Maschine 3 hindurch in das Netz 6 bzw. 5 gelangt. Die Ausregelung von
Lastschwankungen ist in den Geschwindigkeitsregler i i der Maschine ¢ verlegt, der
zugleich auf das Überlastventil 12 einwirken kann. Eine solche Anlage hat man bisher
auf konstanten Druck im Netz 5 geregelt. Man hat kurzzeitige Schwankungen aus dem
Kessel 9 bzw. Speicher io gedeckt, hat aber im übrigen den Druck im Netz 5 überwacht,
wie es durch das Meßinstrument 13 angedeutet ist, und hat den Kessel i so geregelt,
daß die Druckschwankungen im Netz 5 innerhalb des Bereiches blieben, der vom Kessel
9 bzw. Speicher io aus geregelt werden konnte. Es steht also im Netz 5, d. h. vor
der Maschine q., immer ein bestimmter Druck zur Verfügung, und von diesem muß mit
fallender Last entsprechend den eingangs gemachten Ausführungen jeweils der Teil
weggedrosselt werden, der für die durch die Maschine zu schickende Dampfmenge zu
groß ist. Wenn man das Lastbild einigermaßen vorausschauen kann, kann man auch im
Netz 5 mit Stufendruck arbeiten, d. h. man fährt gewissermaßen ein treppenartiges
Druckdiagramm aus. Hierbei sind die Verhältnisse zwar günstiger, da das Turbinenventil
immer nur den Betrag Wegdrosseln muß, der unterhalb des jeweiligen Stufendruckes
liegt, doch ist auch hier der Drosselverlust noch hoch.
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Ähnliche Verhältnisse liegen vor, wenn man den Speicher io nicht nur
als Pufferspeicher, sondern auch als Gefällespeicher betreibt, wie es in Fig. 2
dargestellt ist. Man puftert zunächst wieder innerhalb eines bestimmten Schwankungsbereiches
die kurzfristigen Schwankungen aus und steuert dann durch einen Druckminderimpuls
14 oder einen Überstromimpuls 15 Speicherentladung und -ladung, wobei man wieder
in Abhängigkeit vom Druck im Netz 5 entsprechend den Angaben eines Meßgerätes 13
die Kesselanlage i auf einen Festdruck oder Stufendruck einregelt. Ob man dabei
eine Handregelung wählt oder eine selbsttätige Kesselregelung, ist für die Eifindung
unerheblich.
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Im Schaubild der Fig. 3,a ist der Drosselbereich dargestellt. Der
Kondensator druck soll bei allen Belastungen als konstant angenommen werden (Druck
Pk). Damit ergibt sich für Vollast ein Druck P 4/4, für Dreiviertellast ein Druck
P 3/4 usw. Betrachtet man einmal den Lastwert P1/4, so sieht inan, daß, da der Druck
im Netz 5 so groß sein muß, daß die größte Last gedeckt wird, bei Rückgang der Belastung
auf P1/4 ein Druckgefälle von d P weggedrosselt werden kann. Das Diagramm ist nicht
maßstabgerecht gezeichnet, sondern soll die Art der Vorgänge veranschaulichen. Wenn
man den Wirkungsgrad einer Kraftanlage erhöhen will, so wird man insbesondere darauf
zu sehen haben, diesen Drosselverlust wesentlich zu verringern, ohne dabei allerdings
die Aufgabe der Kraftmaschine zu beeinträchtigen. Dies gelingt nun gemäß der Erfindung
dadurch, daß die Dampfzufuhr zum Dampfnetz der Maschine, also nicht zur Maschine
selbst, im Sinne einer im wesentlichen gleichbleibenden kleinsten Drosselung am
Regelventil geregelt wird. Man könnte natürlich die Frage aufwerfen, ob man, nicht
auf eine solche Regelung der Dampfzufuhr hinarbeiten sollte, daß überhaupt keine
Drosselung mehr auftritt. Das ist jedoch nicht nur schwierig, sondern in vielen
Fällen sogar unerwünscht. Eine gewisse Drosselung stellt immer eine Reserve dar,
die bei schnellen Lastschwankungen eingesetzt werden kann. Wenn man nämlich das
Ventil im jeweiligen Beharrungszustand nicht voll geöffnet hat, so reicht bei richtig
bemessenem Drosselspiel die noch verbleibende Öffnungsmöglichkeit aus, um eine steile
Lastspitze zu decken, bis die Dampflieferung in das Netz der aMaschine sich dem
neuen Lastwert angepaßt hat.
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Im Schaubild der Fig. 3 a stellt sich die Erfindung folgendermaßen
dar: Es wird ein Drosselspiel 4P" zugelassen, das aber wesentlich kleiner ist als
das d P der bisherigen Anordnung. Dieses J P, wird nun gewissermaßen innerhalb
des ganzen Lastbereiches verschoben. Im Punkt P=/4 zum Beispiel überdeckt das Drosselspiel
d Pö den Lastwert um einen gewissen Betrag nach oben oder unten: Wird die Grenze
dieses Drosselspiels erreicht, so wird die Dampfzufuhr zum Netz der Maschine entsprechend
geändert, so daß sich das Drosselspiel d Pö etwa auf d Pi verschiebt. Der
Drosselverlust kann also nie größer werden als dieses zugelassene Drosselspiel.
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Die praktische Ausführung der Erfindung wird nun außerordentlich einfach,
wenn man die Dampferzeugung in Abhängigkeit vom Druckunterschied beiderseits des
dem Netz mittleren Druckes zugeordneten Einlaßventils der Kraftmaschine, sei es
selbsttätig oder von Hand, regelt. Man erfaßt nämlich hierdurch unmittelbar dieses
Drosselgefälle und kann es als Regelgrundlage messen und auswerten.
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Das Schaubild hierfür ist in der Fig.3 dargestellt, die in ihrer Schaltung
mit Fig. i übereinstimmt. Das Meßinstrument 16 ist vor und hinter dem Regelventil
i i der Turbine q. angeschlossen und bildet den Maßstab für die Feuerführung des
Kessels i. Der Druck im Netz 5 ist jetzt kein gleichbleibender Druck mehr und auch
kein
Stufendruck, sondern eine Art -Gleitdruck. Er wird jeweils so hoch eingestellt,
daß das Drosselspiel nicht überschritten zu werden braucht. Ein gewisser Schwankungsbereich
um dieses Drosselspiel ist nach wie vor aufrechterhalten, um den Einsatz der für
schnelle Lastschwankungen vorgesehenen Mittel (Kessel 9 bzw. Speicher io) zu ermöglichen.
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In Fig. 4 ist die neue Schaltung bei einer .Anlage dargestellt, die
der Fig.2 entspricht. Dem Druckunterschied beiderseits des Ventils i i wird jetzt
nicht nur die Kesselregelung über das Meßinstrument 16 unterstellt, sondern gleichzeitig
ist, wie die Impulsleitung 17 andeutet, die Speicherladung diesem Befehl unterstellt.
Die Speicherentladung wird jetzt nicht durch einen Druckimpuls geregelt, sondern
dadurch, daß der Regler auf ein Ventil 18 in der zu einer - Zwischenstufe der Turbine
4 angeordneten Leitung i9 einwirkt. Die bisherige Betrachtung wurde an Hand von
Zweiwellenmaschinen angestellt. Der Zweiwellenmaschine wird vielfach entgegengehalten,
daß sie deshalb ungünstiger sei als die Einwellenmaschine, weil vor dem Niederdruckteil
der .Druck aufgestaut werden müßte. Das fällt natürlich bei der Einwellenmaschine
(Fig. 5) fort. Bei ihr wird die Dampfzufuhr zum Hochdruckteil 2o durch den Regler
21 gesteuert, der auf das Einlaßventil 22 und das Überlastventi123 einwirkt, ohne
daß im übrigen Entspannungsverlauf etwa vor dem Niederdruck-teil 24 der Maschine
noch ein Eingriff erforderlich wäre. Der Kesseldruck wird über ein Instrument 13
auf gleichbleibenden Wert überwacht, während sich in der Überstromleitung 25 entsprechend
der wechselnden Last auch ein wechselnder Druck einstellt. Mit dieser Schaltung
ist allerdings ein kurzzeitiger Schwankungsausgleich, wie er bei den zuerst beschriebenen
Maschinenschaltungen vorgesehen war, nicht möglich, es sei denn, daß man einen Pufferspeicher
an das Hochdrucknetz anhängt. Das wird man jedoch im allgemeinen vermeiden müssen,
denn derartige als Pufferspeicher geschaltete Hochdruckspeicher sind zu teuer, da
sie ja nur in einem sehr kleinen Druckbereich arbeiten können, so daß man auf diesen
fVeg üblicherweise verzichten muß. Schaltet man daher bei der Einwellenmaschine
den Pufferspeicher ein, so muß man eine andere Steuerung der Maschine wählen, nämlich
die der Fig. 6. Jetzt liegt ein Regler 26 vor dem Niederdruckteil 24 und wirkt auf
ein Einlaßventi127 und ein Überlastventil28, während die Dampfzufuhr zum Hochdruckteil
entweder durch einen Überströmimpuls 29 oder durch den Regler 26 (Impulslinie 30)
geregelt wird. Der Pufferspeicher io liegt jetzt parallel zur Überstromleitung zwischen
Hochdruckteil 20 und N iederdruckteil 24. Solche Anlagen regelt man analog zur Fig.
i nach dem Druck in der Überstromleitung 25 in der Weise, daß dieser Druck entweder
Festdruck oder Stufendruck ist. Damit kommt man aber wieder zu dem notwendigen Druckaufstau
entsprechend Fig. 3 a und damit zu den Verlusten. Die gleichen Überlegungen gelten
für eine Einwellenmaschine mit Gefällespeicher nach Fig. 7, die im Grundaufbau der
Schaltung nach Fig.2 entspricht. Speicherladung und -entlädung werden wieder durch
Druckimpulse gesteuert, und der Druck im Netz 25 wird gleichgehalten, indem man
bei sinkender-Belastung auf kleinere Dampferzeugung einregelt. Ein gewisser Schwankungsbereich
ist auch hier zuzulassen, um die für kürze Spitzen vorgesehenen Puffermöglichkeiten
einzusetzen.
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Führt man in die Einwellenmaschine die Anordnung gemäß der Erfindung
ein, so ergibt sich der Grundaufbau nach Fig. B. Es wird jetzt der .Druckunterschied
beiderseits des Ventils 27 überwacht und abhängig hiervon die Dampferzeugung so
eingeregelt, daß ein gewisses Drosselspiel am Ventil 27 nicht überschritten wird.
Auch hier ergibt sich wieder die Folge, daß der Druck in der Leitung 25 zum Gleitdruck
wird, d. h. er steigt mit wachsender Last an und fällt mit fallender Last ab.
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Führt man in die Einwellenmaschine auch noch den Gefällespeicher ein,
so kommt man zu der Schaltung nach Fig. 9, bei der das Meßinstrument 16 nicht nur
der Befehlsgeber für die Kesselregelung, sondern entsprechend der Impulsleitung
17 auch Befehlsgeber des Speicherladeventils ist. Die Speicherentladung wird entsprechend
Fig.6 vom Geschwindigkeitsregler 26 gesteuert.
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Die vorstehenden Ausführungen und die Schaltbilder lassen erkennen,
daß durch die Erfindung das angestrebte Ziel tatsächlich erreicht wird, nämlich
eine wesentliche Verringerung der Drosselverluste zwischen großer und kleiner Belastung
der Kraftmaschine bei Verwendung- eines Speichers (Kessel oder Ruths-Speicher) im
Mitteldruckgebiet. Dabei ist es, wie die Ausführungen weiter gezeigt haben, ohne
weiteres möglich, die Erfindung sowohl bei Einwellenmaschinen wie bei Mehrwellenmaschinen
vorzusehen.