-
Wärmekraftanlage, in welcher mindestens ein Teil des Arbeitsmittels
einen Kreislauf ausführt Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmekraftanlage, in
welcher mindestens ein Teil des Arbeitsmittel, einen Kreislauf ausführt, dessen
Druckverlauf je nach der Belastung,der Anlage verschieden hoch eingestellt wird.
Die Erfindung besteht darin, daß das zur Hebung des Druckverlaufs bei Belastungszunahme
notwendige Arbeitsmittel mindestens teilweise zwischen zwei Turbinenstufen dem Kreislauf
zugeführt wird. Gemäß der Erfindung wird eine zur Anpassung an eine Belastungsabnahme
vorgesehene Umgehungsleitung an die gleiche Stelle des Kreislaufs angeschlossen
wie die zur Zufuhr des Arbeitsmittels dienende Leitung.
-
Zwei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes sind in der Zeichnung.vereinfacht
dargestellt. Fig. i zeigt eine mit vollständig geschlossenem Kreislauf arbeitende
Anlage und Fig. 2 eine Anlage, aus deren Kreislauf ständig eine Teilmenge von Arbeitsmittel
entnommen und hierfür ständig eine Ersatzmenge von Luft zugeführt wird.
-
Das vom Niederdruckverdichter i (Fig. i) verdichtete Arbeitsmittel
gelangt durch :den Zwischenkühler 2 in (den Hochdruckverdichter 3 und wird, nachdem
es auf ,den höchsten Betriebsdruck verdichtet ist, im Wärmeaustauscher q. vorgewärmt.
Aus dein Wärmeatistauscher q. .strömt das Arbeitsmittel in den Erhitzer 5 weiter,
in welchem es auf die höchste Betriebstemperatur gebracht wird.
-
Das verdichtete und erhitzte Arbeitsmittel strömt dann in die Hochdruckturbine
6 und anschließend in die Niederdruckturbine 7. Nach der Entspannung gelangt das
Arbeitsmittel in den Wärme,austauscher q., in welchem es einen Teil seiner Restwärme
an
,das aus dem Hochdruckverdichter 3 kommende Arbeitsmittel abgibt.
-
Ein weiterer Teil der Restwärme wird im Kühler 8 an ein Kühlmittel
abgeführt, worauf das Arbeitsmittel von neuem dem Niederdruckverdichter i zuströmt.
Das Arbeitsmittel wird somit in einem vollständig geschlossenen Kreislauf umgeführt,
dessen Druckverlauf je nach der Belastung der Anlage verschieden hoch eingestellt
werden kann.
-
Die Verdichter i und 3 und die Turbinen 6 und 7 sitzen gemeinsam auf
einer Welle, mit welcher auch der Stromerzeuger 2@5 gekuppelt ist, rder die Nutzleistung
,der Anlage nach außen abgibt.
-
Dem Gaserhitzer 5 würrd durch die Leitung 30 Brennstoff durch das
Gebläse 31 und die Leitung 32 Verbrennungsluft zugeführt. Die Menge des Brennstoffs
kann ldurch ein Ventil 33 der Belastung entsprechend eingestellt wenden.
-
Ein durch den Motor i9 angetriebener Verdichter 18 fördert aus -der
Atmosphäre Luft in einen Speicherbehälter g, der mit verschiedenen Stellen des Kreislaufs
verbunden ist. über die Leitung,io besteht eine Verbindung mit ,der Stelle 12. der
von der Hochdruckturbine 6 zur Niederdruckturbine 7 führen/den Leitung. Eine weitere
Verbindung kann über die Leitungen 13 und 14 mit einer Stelle .des Kreislaufs hergestellt
werden, an welcher der Druckverlauf ungefähr den niedrigsten Wert aufweist, während
über die Leitungen 13 und 15 eine Verbindung mit .der Stelle hergestellt werden
kann, an welcher der Druckverlauf ungefähr den höchsten Wert erreicht.
-
An der Stelle 12 der die Turbinen 6 und 7 verbindenden Leitung ist
noch eine Umgehungsleitung 2o angeschlossen, welche das im Kreislauf strömende Arbeitsmittel
unter Umgehung rder Niedendruckturbine 7 unmittelbar in den Wärmeaustauscher 4 leitet.
Zur Entnahme von Arbeitsmittel aus dem Kreislauf sind an den Niederdruckverdichter
i eine Entnahmeleitung 22 und an die Hochdruckturbine 6 eine Entnahmeleitung 23
angeschlossen.
-
Die in den Verbindungsleitungen io, 14 und 15 vorgesehenen Regelorgane
i i, 16 und 17, das in der U mgehungsleitung, 2o angeordnete Regelorgan 2,1, das
in der Brennstoffleitung 30 vorhandene Regelorgan 33 und die in die Entnahmeleitungen
22 und 23 eingebauten Regelorgane 34 und 35 werden durch den Fliehkraftregler 24
beeinflußt.
-
Bei einer raschen Belastungssteigerung fällt zunächst die Drehzahl,
wodurch der Regler 24 die Ventile 11, 16 und 17 je nach der Größe des Drehzahlabfalls
stärker oder weniger stark öffnet, um dem Kreislauf zur Hebung des Druckverlaufs
Arbeitsmittel zuzuführen. Durch die Leitung io wird ein Teil (des- zuzuführenden
Arbeitsmittels an der Stelle 12 zwischen der letzten Stufe der Hochdruckturbine
und der ersten Stufe der Niederdruckturbine in ,den Kreislauf eingeführt. Weitere
Teilmengen werden durch die Leitung 14 an der Stelle niedrigsten Druckes und durch
die Leitung 15 an der Stelle höchstenDruckes in den Kreislauf Die zwischen den Turbinenstufen
..eingeführte Teilmenge bewirkt einen sofortigen Druckanstieg an .derjenigen Stelle
.des Arbeitsmittelkreislaufs, an welcher unmittelbar rdie mechanische Arbeit zum
Antrieb des Versdichters und der Nuteleistungsmaschine erzeugt wind. Die gleichzeitige
Zufuhr durch die Leitungen 14 und 15 bewirkt einen Druckanstieg in den übrigen Teilen
:des Kreislaufs. Nach Maßgabe der Drucksteigerung nimmt die durch die Turbinen 6
und 7 entwickelte Leistung zu, so daß die Drehzahl wieder ansteigt.
-
Hat die Drehzahl (den vorgeschriebenen Sollwert wieder erreicht, so
ist die Leistung !der Anlage auf das verlangte Maß angestiegen. Durch den Fliehknaftregler
24 werden dann die Regelorgane i i, 16 und 17 wieder geschlossen. Durch die gleichzeitige
Zufuhr von Luft .an mehreren Stellen des Kreislaufs werden vorübergehende Änderungen
-der Druckverhältnisse vermieden. Es empfiehlt sich, bei geringeren Drehzanlahweichungen,
d. h. bei kleinen Änderungen der Belastung, die Regelorgane 16 und 17 weniger stank
,zu öffnen !als das Regelorgan i i, uni Überregelungen und damit eintretende Schwankungen
zu vermeiden. Bei größeren Veränderungen der Belastung können alle Regelorgane in
gleichem Maß geöffnet werden.
-
Bei einer raschen Belastungsabnahme steigt zunächst die Drehzahl der
Maschine. Dadurch werden mit Hilfe ,des Reglers 24 die Ventile 2i, 34 und 35 in
der Umgehungsleitung 2o bzw. in :den Entnahmeleitunggen 22 und 23 geöffnet. Die
durch das Ventil 21 freigegebene Umströmung um die Niaderdruckturbine 7 verursacht
eine augenblickliche Abnahme der Turbinenleistung, während die Entnahme durch die
Ventile 34 und 35 ein allmähliches Absenken des Druckverlaufs im Kreislauf zur Folge
hat. Nachdem die Drehzahl wieder auf den Sollwert zurückgeführt ist, schließt der
Regler die Ventile 24 34 und 35. Bei einem abgesenkten Druckverlauf wird dann die
der verminderten Belastung entsprechende Leistung erzeugt.
-
Die Regeleinrichtung wird zweckmäßig so ausgelegt, :daß (die Ventile
i i bzw. 21 vor den Ventilen 16 und 17rbzw. 34 und 35 vollständig geöffnet sind.
Beispielsweise -ist .das Ventil i i schon vollständig' offen, wenn eine Drehzahlabsenkung
von 1,5 °/o der normalen Drehzahl stattgefunden hat. Die Ventile 14 und 15 sind
dagegen erst dann vollständig geöffnet, wenn die Drehzahl um 3'/o der Normaldrehzahl
abgesunken ist. Die Beeinflussung der Ventile i i und 21 erfolgt rascher und in
.größerem Maß als die Beeinflussung der übrigen Ventile.
-
Bei zier in Fi.g. 2 gezeigten Anlage wird das vom Verdichter 40 verdichtete
Arbeitsmittel in den Wärmeaustauscher 41 geleitet und hier vorgewärmt. In !der Austrittsleitung
des Wärmeaustauschers an der Stelle 6o wird der Arbeitsmittelstrom aufgeteilt, Ein
Teil gelangt in das Rohrsystem des Gaserhit7ers 42 und wind darin auf die höchste
Betriebstemperatur gebracht.
-
Das verdichtete und erhitzte Arbeitsmittel strömt in die Turbine 43,
wind dort entspannt und dritt dann wieder in den Wärmeaustauscher 41 ein, wo
es
einen Teil seiner Restwärme an das aus dem Verdichter 4o kommende Arbeitsmittel
abgibt. Ein weiterer Teil der Restwärme wird im Kühler 44 an ein Kühlmittel abgeführt,
worauf das Arbeitsmittel von neuem dem Verdichter 40 .zuströmt.
-
Der Kreislauf :des Arbeitsmittels ist insofern nicht geschlossen,
als ständig ein Teil des an der Stelle 6o aufgeteilten Arbeitsmittelstromes dem
Kreislauf entnommen und als Verbrennungsluft dem Brenner6i des Gaserhitzers42 zugeführt
wird. Die Verbrennungsgase strömen aus :dem Wärmeaustauscher in die Turbine 45,
aus welcher sie nach Entspannung an weitere,' nicht gezeichnete Verbrauchsstellen,
z. B. in Wärmeaustauscher, oder ins Freie abgeführt werden können. Als Ersatz für
die entnommene Teilmenge wird durch den Verdichter 46 ständig Luft aus der Atmosphäre
dem Kreislauf vor dem Kühler 44 zugeführt.
-
Zur Hebung des Druckverlaufs im Kreislauf beim Ansteigen der Belastung
ist ein Verdichter 57 vorgesehen, d erdurch einen Motor 58 angetrieben wird. Der
Verdichter fördert Luft ,aus der Atmosphäre in den Speicherbehälter 47. Der Behälter
47 äst durch die Leitung 48 zwischen ;zwei Stufen der Turbine 43 an den Kreislauf
angeschlossen. An der gleichen Stelle des Kreislaufs mündet eine Umgehungsleitung
51. Die Menge des durch die Leitung 48 in die Turbine eingeführten Arbeitsmittels
wird durch das Regelorgan49 und die Menge des durch die Leitung 5 i aus der Turbine
entnommenen Arbeitsmittels .durch ,das Regelorgan 5o eingestellt.
-
Der Verdichter 46 besitzt zwei Anzapfstufen. An die Anzapfstufe niedrigeren
Druckes ist die Entnahmeleitung 52 und an die Anzapfstufe höheren Druckes die Entnahmeleitung
53 angeschlossen. Schließlich besitzt die Endstufe noch eine Entnahmeleitung 54.
Alle Leitungen 52, 53 und 54 sind mit einer Abfuhrleitung 55 verbunden. Zur Regelung
der aus dem Verdichter entnommenen Arbeitsmittelmengen sind in den Leitungen 52
;bis 54 die Regelorgane 62, 63 bzw. 64 angeordnet.
-
Die Turbomaschinen, sowohl die Turbinen 43 und 45 als auch ,die Verdichter
40 und 46, sind miteinander gekuppelt. Die gemeinsame Welle treibt den Stromerzeuger
56 an.
-
Bei rascher Steigerung der Belastung wird durch den Regler 55 das
Regelorgan 49 in .der Leitung 48 so .beeinflußt, daß Luft aus dem Speicherbehälter
47 zwischen zwei Stufen der Turbine 43 in den Kreislauf eingeführt wird. Bei raschem
Abfallen der Belastung wird durch rieh Regler 55 das Regelorgan 50 in der
Umgehungsleitung 51 geöffnet, so daß ein Teil :des Arbeitsmittels unter Umgehung
des restlichen Teils der Turbine 43 unmittelbar in den Wärmeaustauscher 41 strömt.
Dadurch wird die Leistung der Turbine vermindert.
-
Zur allmählichen Anpassung :.des Druckverlaufs im gesamten Kreislauf
an eine geänderte Belastung werden anschließend an die Beeinflussung der Regelventile
49 bzw. 5.0 ,durch den Regler 55 die Regelorgane 62 bis 64 in den Entnahmeleitungen
52 Abis 54 des Verdichters 46 beeinflußt. Bei höchster Belastung sind alle Regelorgane
.geschlossen. Der Verdichter fördert dann die ganze ;Menge der angesaugten Luft
in den Kreislauf, so daß in :diesem der am höchsten liegende Druckverlauf entsteht.
Durch nacheinander folgendes Öffnen der Regelorgane 62, 63 und 64 wird der Förderdruck
des Verdichters 46 bei umveränderter Drehzahl stufenweise abgesenkt.
-
Durch die Beeinflussung des Betriebes des Verdichters 4,6 wird der
Druckverlauf im Kreislauf allmählich dem Belastungszustand angepaßt, und die kleineren,
rascher folgenden Änderungen werden durch die Entnahme bzw. Zufuhr von Arbeitsmittel
an der Turbine 43 ausgeglichen.
-
Bei (den beschriebenen Anlagen wird eine rasche und genaue Regelung
gesichert. Würde die Luft nur an einer Stelle hinter der Turbine und vor dem Verdichter
in den Kreislauf eingeführt, so könnte .die Leistung nur langsam erhöht werden,
,da die Teile des Kreislaufs mit erhöhtem Druck hinter dem Verdichter erst durch
:den Kreislaufverdichter in vermehrtem Maß Arbeitsmittel zugeführt erhalten würden.
Eine Drucksteigerung vor und in der Turbine würde erst stattfinden, wenn der Druck
im Niederdruckteil des Kreislaufs bereits angestiegen ist. Das .große Valumen des
Kreislaufs würde die zur Leistungssteigerung notwendige Erhöhung des Druckverlaufs
erst recht verlangsamen.
-
Wird gemäß der Erfindung die Luft in eine oder mehrere Zwischenstufen
der Turbine eingeführt, so steigt der Druck unmittelbar an einer Stelle, an der
die Umsetzung der Strömungsenergie des Arbeitsmittels in mechanische an die Welle
abzugebende Energie stattfindet. Die Leistung der Turbinen kann dadurch erhöht werden,
bevor an größeren Teilen des Kreislaufs oder Druck angestiegen ist oder gar der
Druckverlauf des ganzen Kreislaufs angehoben ist.