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Aus Dampfturbinen und Luftturbinen bestehende Kraftanlage Es ist vorgeschlagen
worden, den Wärmeverbrauch von Dampfturbinenkraftwerken dadurch zu verbessern, daß
man die Dampfturbinen mit offenen Gasturbinen kuppelt, indem man z. B. die noch
sehr sauerstoffreichen und heißen Auspuffgase der Gasturbinen den Feuerräumen der
Dampfkessel für die Dampfturbinen an Stelle von Verbrennungsluft zuführt, die durch
die Abgase der Kessel erhitzt worden ist. Diese Kupplung hat den Nachteil, daß weder
die Dampfturbinen noch die Gasturbinen arbeiten können, wenn eine der beiden Maschinenarten
aus irgendeinem Grunde ausfällt. Dazu kommt, daß man in der Bemessung beider Maschinenarten
großen Beschränkungen unterworfen ist, wenn optimale Ergebnisse erzielt werden sollen.
Außerdem ist es häufig unmöglich oder doch mit vielen Kosten und Umständlichkeiten
verbunden, ein vorhandenes Dampfturbinenwerk nachträglich mit Gasturbinen zu kuppeln.
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Diese Schwäche vermeidet eine bestimmte Art von Gasturbinen, nämlich
die sogenannten geschlossenen Gasturbinen oder Luftturbinen, bei denen bereits bekannt
ist, die Verlustwärme der Luftturbinen zum Vorwärmen des Speisewassers der Dampfturbinen
zu benutzen. Bei Kondensationsturbinen mit Regenerativvorwärmung des Speisewassers
durch Anzapfdampf aus den Turbinen kann dies dadurch geschehen, daß man das Speisewasser
durch die Verlustwärme der Luftturbinen zunächst auf eine bestimmte Temperatur erhitzt
und dadurch den bisher für diesen Zweck benutzten Anzapfdampf erspart, der daher
in den ND-Stufen der Turbinen vollends zusätzliche Leistung
verrichten
kann. Reicht die Verlustwärme der Luftturbinen nicht aus, um das Speisewasser auf
die gewünschte Temperatur zu erhitzen, so kann die restliche Erhitzung durch Anzapfdampf
aus höheren Stufen der ,Dampfturbinen erfolgen.
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Bei Kondensationsturbinen ohne Regenerativvorwärmung oder bei Gegendruckdampfturbinen
oder Anzapfdampfturbinen, deren Gegendruck- oder Anzapfdampf in der Fabrikation
verlorengeht und daher durch Frischwasser ersetzt werden muß, wird das Speisewasser
mit der Abwärme der Luftturbinen tunlichst hoch erwärmt. Infolgedessen wird ein
Teil der Wärme der Rauchgase ihrer Dampfkessel, die sonst zum Erwärmen des Speisewassers
benutzt wird, frei und kann zum Erhitzen der Verbrennungsluft verwendet werden,
wodurch ein entsprechender Wärmegewinn erzielt wird. Der Erfindung liegt nunmehr
die Aufgabe zugrunde, bei einer aus Dampfturbinen und Luftturbinen bestehenden Kraftanlage
mit ausschließlich thermischer Kupplung über die Speisewasservorwärmung die Dampfturbinenleistung
gegenüber der Luftturbine in einem Verhältnis zu wählen, daß sich in bezug auf Wärmeverbrauch
und Anlagekosten optimale Verhältnisse der Gesamtanlage ergeben.
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Drei -grundsätzliche Erkenntnisse sind dabei, wie eingehende Untersuchungen
des Erfinders gezeigt haben, zu berücksichtigen. Die eine geht dahin, daß in den
meisten Fällen die Kupplung von Dampfturbinen mit einstufigen Luftturbinen Überraschenderweise
nicht nur einen geringeren Gesamtwärmeverbrauch ergibt, sondern auch billiger ist
als mit zweistufigen Luftturbinen. Die zweite Erkenntnis geht dahin, daß es besonders
bei einstufigen Luftturbinen ein vorteilhaftes Verhältnis zwischen der Leistung
der Dampfturbine(n) und der Leistung der Luftturbine(n) gibt, bei dem am meisten
Brennstoff gespart werden kann und bei dem trotzdem sehr mäßige Anlagekosten entstehen.
Die dritte Erkenntnis besagt, daß die Gesamtanlagekosten um so niedriger werden,
j e größer die Leistung der Dampfturbinen im Vergleich zur Leistung der Luftturbinen
ist, daß sich aber innerhalb bestimmter Grenzen des Leistungsverhältnisses niedrige
Anlagekosten mit einer hohen Brennstoffersparnis vereinigen und optimale betriebstechnische
Verhältnisse erzielen lassen.
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Unter Berücksichtigung vorstehend genannter -Erkenntnis sollen somit
bei einer aus Dampfturbinen und im geschlossenen Kreislauf arbeitenden Luftturbine
bestehende Wärmekraftanlagen mit getrennten Feuerungen für Dampfkessel und Lufterhitzer,
bei der die Verlustwärme der Luftturbine zum Vorwärmen des Speisewassers der Dampfturbine
herangezogen wird, oberhalb eines Leistungsverhältnisses Dampfturbine zu Luftturbine
von r bis 1,5 die Dampfturbinen mit einstufigen Luftturbinen gekoppelt sein.
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Über die Gesamtanlagekosten von miteinander gekuppelten Dampf- und
Luftturbinen ist folgendes zu sagen: Setzt man die Anlagekosten einer Dampfturbine
zu xoo°/o, so können diejenigen einer einstufigen Luftturbine zu etwa zqo °/o und
diejenigen einer zweistufigen Luftturbine zu etwa 16o0/, veranschlagt werden. Die
Gesamtanlagekosten der Luftturbine und der mit ihr gekuppelten Dampfturbine betragen
also bei einem Leistungsverhältnis 0,5 bei zweistufigen Luftturbinen rund
bei einem Leistungsverhältnis von q. aber nur rund
Die entsprechenden Werte bei einstufigen Luftturbinen sind rund =26 °/o und zo8
%, sie sind also bei beiden Maschinenarten kleiner.
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Es ist daher schon der Anlagekosten wegen vorteilhafter, einstufige
Luftturbinen zu verwenden und darauf zu- achten, da.ß 'die Leistung der Dampfturbinen)
im Vergleich zur Leistung der Luftturbinen) so groß gewählt wird, wie es möglich
ist, wenn gleichzeitig eine hohe prozentuale und absolute Wärmeersparnis erzielt
werden soll.
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Die grundsätzliche thermische Überlegenheit der Kupplung von Dampfturbinen
mit einstufigen statt. mit zweistufigen Luftturbinen ist darin begründet, daß man
bei einstufigen Luftturbinen das Speisewasser höher erwärmen und dadurch den Wirkungsgrad
der Dampfturbinenanlage mehr verbessern kann als bei zweistufigen Luftturbinen,
wodurch der höhere Wärmeverbrauch der einstufigen Luftturbinen mehr als ausgeglichen
wird. Dies trifft in gewissen Fällen nur dann nicht zu, wenn die Leistung der Dampfturbinen
nicht größer ist als die der mit ihnen gekuppelten Luftturbinen. In diesen Falle
kann man aber, wie. noch gezeigt wird, weder die größtmögliche absolute Wärmeersparnis
erzielen, noch in vielen Fällen diejenigen niederen Gesamtanlagekosten erreichen,
die nötig sind, wenn die ersparten Brennstoffkosten größer als der Kapitaldienst
für die höheren Anlagekosten werden sollen, Diese Zusammenhänge werden nunmehr für
ganz verschiedenartige Verhältnisse an Hand der Fig. z bis q. erläutert. Das obere
Feld von Fig. z gibt für die Kupplung einer einstufigen und einer zweistufigen Luftturbine
zeit einer Kondensationsdampfturbine, die mit einer Regenerativvorrichtung zum Anwärmen
des Speisewassers ausgestattet ist, an, wie groß der Wärmeverbrauch jeder einzelnen
nicht gekuppelten Maschine ist. (Kurven LT" LT. und DT.) Alle Werte sind
über dem Verhältnis Leistung der Dampfturbinen) zur Leistung der Luftturbine(n)
bzw. Leistung DT/Leistung LT aufgetragen.
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Bei Kupplung einer Dampfturbine mit einer einstufigen bzw. zweistufigen
Luftturbine ergibt sich ein Gesamtwärmeverbrauch der Gesamtanlage nach Kurve DT
-f- LTI bzw. nach Kurve DT -f- LT". Der Gesamtwärmeverbrauch ist demnach
über einen weiten Bereich kleiner als der Wärmeverbrauch der Dampfturbine allein,
obgleich, wenigstens bei LT,
die Luftturbine einen höheren Wärmeverbrauch
als die Dampfturbine hat. Durch Kupplung einer Dampfturbine mit einer Luftturbine
kann daher der Wärmeverbrauch der Gesamtanlage fühlbar unter den Wärmeverbrauch
der Dampfturbine allein gesenkt
werden. Der untere Teil der Fig.
i veranschaulicht die durch die Kupplung erzielbare prozentuale Wärmeersparnis gegenüber
dem Wärmeverbrauch der Dampfturbine allein, während der mittlere Teil der Fig. i
die absolute Größe der durch die Kupplung wiedergewinnbaren Verlustwärme der Luftturbine
zeigt.
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Zn Fig. 2 und 3 sind die gleichen Verhältnisse für zwei verschiedene
Kondensationsdampfturbinen ohne Regenerativvorwärmung, deren spezifischer Wärmeverbrauch
höher ist als in Fig. i, dargestellt. Hierbei tritt noch stärker hervor, daß durch
Kupplung einer einstufigen Luftturbine mit einer Dampfturbine über einen weiten
Lastbereich mehr Wärme erspart werden kann als durch Kupplung mit einer zweistufigen
Luftturbine.
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Fig. 4 zeigt ähnliche Verhältnisse für eine Gegendruckdampfturbine,
deren Gegendruckdampf in der Fabrikation verlorengeht.
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Aus allen Figuren ist grundsätzlich zu erkennen, daß die durch Kupplung
erzielbaren prozentualen optimalen Wärmeersparnisse bei einem Leistungsverhältnis
liegen, bei welchem die Verlustwärme der Luftturbine noch nicht voll zur Speisewasservorwärmung
verwertet werden kann. Die unterschiedliche Form der Kurven DT + L TI und
DT -E- LT", der rückgewinnbaren Wärme (mittlere Teile der Figuren) entsteht dadurch,
daß bei Kupplung einer Luftturbine mit einer Dampfturbine ohne Regenerativvorwärmung
die rückgewinnbare Wärme gleich der ausnutzbaren ist, während bei Kupplung einer
Luftturbine mit einer Dampfturbine mit Regenerativvorwärmung (Fig. i) die rückgewinnbare
Wärme kleiner als die ausnutzbare ist, da ein Teil im Kondensatorkühlwasser verlorengeht,
und zwar um so mehr, je größer das Leistungsverhältnis ist.
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Allen Fällen ist jedoch gemeinsam, daß bei Kupplung von Dampfturbinen
mit einstufigen Luftturbinen die größte prozentuale Wärmeersparnis erzielt und der
höchste absolute Betrag der Verlustwärme der Luftturbinen) wiedergewonnen werden
kann, wenn man die Leistung der Dampfturbine 2,5- bis 3mal so groß wählt wie die
der Luftturbine. Nur bei Gegendruck-und Anzapfturbinen liegt das optimale Verhältnis
zwischen 1,5 und 2,5. Bei Fig. 2 und 3 ist zwar der prozentuale Wärmegewinn bei
einem Leistungsverhältnis von i : 4 nicht mehr ganz so groß wie bei 2 bis 2,5. Dafür
wird aber der größte absolute Betrag der Verlustwärme der Luftturbinen zurückgewonnen,
und die gesamten Baukosten der Anlage werden niedriger als bei einem Verhältnis
von 2 bis 2,5, so daß das gesamte Ergebnis etwa dasselbe bleibt. Je nach den besonderen
Verhältnissen eines Einzelfalles wird man daher das für ihn günstigste, zwischen
2,5 und 4 liegende Leistungsverhältnis wählen, wobei es nicht viel ausmacht, wenn
man es nicht ganz genau einhalten kann oder wenn es sich im Laufe der Zeit etwas
ändert.
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Gemäß vorliegenden Erläuterungen gilt daher als Erfindung, daß oberhalb
eines verhältnismäßig kleinen Leistungsverhältnisses Dampfturbine zu Luftturbine
von i bis 1,5 einstufige Luftturbinen verwendet werden, .da sie nicht nur die größte
prozentuale und absolute Wärmeersparnis bringen, sondern auch die billigste Gesamtanlage
ergeben; daß sich innerhalb des Leistungsverhältnisses von Dampfturbinen zu Luftturbinen
von 2,5 bis 4 Kondensationsdampfturbinen mit Luftturbinen gekuppelt werden; daß
Gegendruck und Anzapfdampfturbinen mit einstufigen Luftturbinen bei einem Leistungsverhältnis
von 1,5 bis 3 gekuppelt werden, da diese Kupplungsart grundsätzlich überlegen ist.
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Naturgemäß können die Leistungen beider Maschinenarten auf mehrere
Einheiten verteilt sein.