DK144834B - Dampkraftanlaeg med trykfyret dampkedel og en med denne sammenbygget economizer - Google Patents

Description

U4834

Opfindelsen angår et dampkraftanlæg med trykfyret dampkedel og en med denne sammenbygget economizer, hvor dampkedlen trykfyres ved hjælp af ladegruppe, der i alt væsentligt består af en turbokompressor, som drives ved hjælp af en med dampkedlens gasside forbundet 5 gasturbine, og hvor ladegruppens omdrejningstal kan regulerés samtidig med brændstofmængden i afhængighed af trykket eller mængden af den i dampkedlen producerede friskdamp.

Trykfyrede dampkedler med høje røggashastigheder og tvangsmæssig cirkulation af vandet til dampkraftanlæg har længe været kendt 10 under navnet "Veloxkedler". Til regulering af ladegruppen tjener sædvanligvis en Ward-Leonard-gruppe, der er fast koblet med ladegruppen. Brændstofmængden styres af dampforbruget, der samtidig på kendt måde også indvirker på Ward-Leonard-gruppen og dermed regulerer ladegruppens omdrejningstal og således tilpasser den tilførte luftmængde 15 efter brændstofmængden. Ved tilnærmelsesvis 3/4-last af dampkedlen dækker gasturbinens ydelse netop kompressorens effektbehov. Ved mindre dellast forbruger ladegruppen elektrisk energi, og ved højere dellast og ved fuldlast, hvorved skal forstås den nominelle effekt, som er lavere end maksimaleffekten, samt ved overlast afgives ovérskudsef-20 fekt til nettet. Ward-Leonard-styringen tillader ændringer af omdrejningstallet inden for vide grænser, men frembyder den ulempe, at gruppen til stadighed løber med og desuden er dyr og kompliceret.

Dampkedler af denne art har ved fuldlast sædvanligvis kun et opladetryk på 2-3 bar og høje gashastigheder, hvilket medfører, at ud-25 stødsgastemperaturen efter gasturbinen er forholdsvis høj, således at der kræves en påfølgende varmeflade, som ikke står under kompressorens sluttryk og derfor bliver meget omfangsrig og dyr. Da denne påfølgende varmeflade praktisk taget kun kan være en fødevandsforvar-mer, må forvarmning af fødevandet ved hjælp af udtagsdamp reduceres, 30 hvilket forringer kredsprocessens virkningsgrad, og desuden skal kondensatoren gøres større.

Det er desuden kendt at imødegå den af den lavere forvarmning af fødevandet forårsagede forringelse af kredsprocessen ved anvendelse af en kombineret proces, hvor gasturbinegruppen, der samtidig tjener til 35 ladning af kedlen, drives med den højest tilladelige temperatur før gasturbinen. Herved reduceres dampproduktionen, fordi de varme gasser afkøles mindre i kedlen, men til gengæld kan der udtages nytteeffekt over en til gasturbinen hørende generator. Ved en sådan kombineret proces vil det lige netop være muligt at udligne de som følge af den U4834 2 dårligere fødevandsforvarmning opståede tab, men til gengæld må væsentlige ulemper accepteres. Således tillader den høje gastemperatur før gasturbinen på grund af risikoen for korrosion kun anvendelse af meget rent askefrit brændstof, hvilket medfører væsentligt højere brænd-5 selsomkostninger. Den efter gasturbinen anbragte varmeveksler er meget voluminøs og tilsvarende dyr, dels fordi der ved forøgelsen af temperaturen foran gasturbinen også fås en kraftig forøgelse af udstødsgastemperaturen, og der således skal overføres en stor varmemængde for at holde skorstenstabene små, og deis fordi varmeovergangen er 10 mindre på grund af det lavere gastryk, og gasvoluminerne derfor bliver store. Denne trykiøse varmevekslers varmevekslerflade er mange gange større end ved en ladet dampgenerator. Varmevekslerens store volumen medfører desuden større pladsbehov og større omkostninger til fundamenter. Endvidere skal ydelsen opdeles på to generatorer, en til gas-og 15 en til dampturbinen, hvilket fordyrer anlægsomkostningerne. Da gasturbinegruppen trækker en generator, er dens omdrejningstal konstant, og luftmængden kan ved dellast enten slet ikke reduceres eller kun reduceres ved hjælp af en kompliceret konstruktion, og der opstår således store udstødsgastab. Dette ville ganske vist kunne undgås ved hjælp af 20 en separat nytteeffektturbine, hvilket dog ville fordyre anlægget meget.

For ved dellast ikke at få en fordampning i den påfølgende fødevands-forvarmer, skal·temperaturen før gasturbinen sænkes, hvilket forringer den termiske virkningsgrad.

Formålet med opfindelsen er at tilvejebringe et damp kraftan læg af 25 den indledningsvis nævnte art af enkel konstruktion og med en god totalvirkningsgrad, og som er således udformet, at der på gassiden af den trykfyrede dampkedel ikke kræves en ekstra varmeveksler, og således, at skorstenstabene alligevel kan holdes inden for de rammer, der er sædvanlige ved sådanne anlæg.

30 Denne opgave løses ifølge opfindelsen ved, at ladegruppens omdrej ningstal i tilfælde af en ændring af dampmængden eller damptrykket indstilles svarende til en efter belastningen passende værdi under konstant opretholdelse af ligevægten mellem turbokompressorydelsen og gasturbineydelsen, og at ladegruppens omdrejningtal i tilfælde af en 35 forstyrrelse af ligevægten ved i øvrigt konstant dampmængde eller konstant damptryk i damp kraftan lægget kan reguleres over en omdrejningstalregulator, og reguleringen i begge tilfælde kan ske ved hjælp af såvel en bypass-forbindelse uden om gasturbinen som en ved den under fuldt gastryk stående economizers gasside anbragt bypass-forbindelse.

U4834 3

Ved dette enkle driftssikre og meget økonomisk arbejdende anlæg sker omdrejningstalreguleringen ved hjælp af midler, der hører til selve kedlen, og sker uden indgreb udefra og uden tilførsel af energi udefra. Omdrejningstallet og dermed også luftmængden tilpasses løbende efter 5 brændstofmængden, således at luftoverskuddet i dampkedlen er praktisk taget konstant ved så godt som alle driftssituationer og straks igen efter belastningsændringer. Ladegruppens høje trykforhold giver desuden en høj temperatur af den komprimerede forbrændingsluft, hvorved selv svær olie kan forbrændes uden vanskeligheder, og uden at der 10 kræves ekstra luftforvarmning. Det høje trykforhold muliggør desuden små dimensioner af dampgeneratoren, således at den kan forsendes i monteret tilstand, d.v.s. som en samlet enhed, og desuden fås, uden at ladegruppen afgiver effekt, lave udstødsgastemperaturer, således at det ikke er nødvendigt at gennemføre fødevandsforvarmning under anven-15 delse af udstødsgasserne, hvilket betyder, at den termiske proces kan optimeres ved forvarmning af fødevandet under anvendelse af udtagsdamp.

På tegningen er en udførelsesform for opfindelsen vist skematisk og forenklet. Selve dampkraftanlægget består i det væsentlige af en 20 højtryksdampturbine 1 og en lavtryksdampturbine 2, der i fællesskab driver en elektrisk generator 3, samt endvidere af en kondensator 4, en kondensatpumpe 32, en fødevandsforvarmer 5, der opvarmes af udtagningsdamp, og en dampkedel 6. Til ladning af dampkedlen, d.v.s til at bringe dennes gasside op på det ønskede tryk, tjener en lade-25 gruppe, der i det væsentlige består af en turbokompressor 7, en gasturbine 8, en startmotor 9 og en hydraulisk kobling 10. Alle disse dele af opladegruppen sidder på samme aksel.

En friskdampregulator 12, der styrer et afløb 13 fra en til primærsystemet hørende trykolieledning 14, der ved 15 fødes over et drøvle- 30 sted 16, arbejder i afhængighed af damptrykket eller af gennemstrøm ningsmængden gennem en friskdampledning 11. Trykolieledningen 14 er forbundet både med en servomotor 17, der over dampkedlens brændstofdyser 18 regulerer brændstoftilførslen (ikke vist), og med en servomotor 19, som forskyder en til ladegruppens centrifugal regulator 21 høren-35 de cylinder 20, hvorved styreolietrykket i sekundærsystemets trykolieledning 23 ændres ved hjælp af et udløb 22. Trykolieledningen 23 fødes ved 24 over et drøvlested 25 og fører til en ventil 26 i en uden om gasturbinen 8 førende bypass-forbindelse 27 og til en servomotor 28, der betjener en ventil 29, som påvirker en bypass-forbindelse 30 ved kedeldelen 31 's gasside. I stedet for trykoliestyring kan der også anvendes 4 144834 en elektrisk styring med de samme funktioner.

De enkelte dele samvirker og regulerer anlægget på følgende mide:

Ved fuldlast komprimerer turbokompressoren 7 forbrændingsluften til mindst 9 bar, hvorved luften opvarmes til ca. 330°C, hvilket letter 5 forbrændingen af svær fyringsolie. Dampkedlen 6 er således udformet, at gastemperaturen ved afstrømningen er ca. 430°C, hvilket også er indstrømningstemperaturen i gasturbinen 8. Dette medfører i forbindelse med det høje trykforhold en udstødningsgastemperatur efter gasturbinen på klin 150°C, hvilket vil sige, at også skorstenstemperaturen kun er 10 150°C, idet skorstenens indstrømningsende sædvanligvis befinder sig i umiddelbar nærhed af gasturbinens udstrømningsende, og skorstenstemperaturen altid måles ved skorstenens indstrømningsende. Det skal i denne forbindelse nævnes, at de nævnte værdier er konstaterede at være særlig fordelagtige driftsværdier. Den øverste grænse for udstød-15 ningsgastemperaturen og skorstenstemperaturen må sættes til 165°C.

Ved overskridelse af denne grænse skulle der, for at undgå for store udstødningsgastab, anvendes en varmeveksler. Udstødningsgastabet kan altså ifølge opfindelsen holdes meget lavt, således at nødvendigheden af en voluminøs påfølgende varmeflade er elimineret. Turbokompressoren 20 har ingen køling, og fødevandet skal altså hverken opvarmes ved hjælp af den komprimerede luft eller af udstødningsgassen, hvilket muliggør optimal opvarmning ved hjælp af udtagningsdamp.

Temperaturen før gasturbinen holdes ved hjælp af en regulering, der senere beskrives nærmere, så lav, at gasturbinen netop formår at 25 drive ladegruppens turbokompressor. Dette betyder, at hele gasturbinens ekspansionsvarme med undtagelse af leje- og udstrålingstab overgår til kompressoren, således at ladegruppen har samme effekt, som den ved kendte anlæg påkrævede, ved hjælp af udstødningsgas opvarmede luftforvarmer. Samtidig frembringer gruppen også et højt tryk og 30 reducerer derved kedlens varmeflade til en brøkdel af en ikke-ladet kedels.

For ved dellast at kunne reducere ladegruppens omdrejningstal, hvilket medfører den fordel, at forbrændingsluftmængden til enhver tid kan tilpasses efter dampkedlens belastning henholdsvis efter brændstof-35 mængden, adskilles startmotoren 9 ved udrykning af koblingen 10 fra ladegruppen og standses, så snart ladegruppen efter antændelsen i brændkammeret har opnået det til balancen mellem kompressoreffekt og turbineeffekt nødvendige omdrejningstal. Gruppen er derefter overladt til sig selv og styres af den installerede regulator. Ved denne foran- 5 144834 staltning kan forbrændingsluftmængden ved en kedelbelastning pi ca.

50% reduceres til ca. 55% af fuldlast-forbrændingsluftmængden, således at der mellem hel- og halvlast kan holdes et praktisk talt konstant luftoverskud i dampkedlen, hvilket til opnåelse af en ren forbrænding og 5 tilsvarende mindre miljøforurening er meget vigtigt.

Dersom friskdamptrykket falder, fordi dampturbinegruppen på grund af en forlangt effektøgning kræver en større dampmængde, vil frisk-dampregulatoren 12 spærre for trykolieledningen 14's afløb 13. Derved stiger trykket i primær systemet og bevirker, at servomotoren 17 åb-10 ner dampkedlens brændstofdyser 18. Samtidig forskydes centrifugalregulatoren 21‘s cylinder 20 ved hjælp af servomotoren 19, således at afløbet 22 lukkes, og derved stiger styreolietrykket i det uafhængige sekundærsystems trykolieledning 23. Dette medfører, at ventilen 26 i den uden om gasturbinen 8 førende bypass-forbindelse 27 spærres, 15 og at ventilen 29 og dermed bypass-forbindelsen 30 ved dampkedlens gasside åbnes ved hjælp af servomotoren 28. Derved fås dels en forøget gennemstrømningsmængde gennem gasturbinen og dels en højere temperatur før gasturbinen og dermed tilpasses ladegruppens omdrejningstal henholdsvis forbrændingsluftmængden efter den nye, større brændstof-20 mængde.

Ved midlertidigt stigende friskdamptryk, d.v.s. ved faldende belastning, finder det samme reguleringsforløb sted, men i omvendt orden.

Af hensyn til virkningsgraden er det en fordel, at der ikke sker en samtidig aktivering af ventilerne 26 og 29, men at der ved stigende 25 behov for forbrændingsluft først sker en lukning af den uden om gasturbinen 8 førende bypass-forbindelse 27 og derefter åbning af bypass-forbindelsen 30 ved dampkedlens gasside, og at der ved faldende behov for forbrændingsluft først sker en lukning af bypass-forbindelsen 30 ved dampkedlens gasside og derefter åbning af bypass-forbindelsen 27.

30 De to reguleringsområder vil da kunne overlappe hinanden noget, men kan dog også have en smal, neutral zone mellem sig. Alle disse muligheder kan på enkel måde realiseres, f.eks. ved hensigtsmæssig dimensionering af ventilen 26's og servomotoren 28‘s fjederkraft, hvor servomo-torens fjederkraft skal være den stærkeste.

35 Ved denne udførelsesform kan det være mest økonomisk at vælge fjederkræfterne således, at begge bypass-forbindelser er spærret ved fuldlast. Dersom driftsbelastningen overstiger fuldlast, vil bypass-forbindelsen 30 ved dampkedlens 6's gasside i det mindste midlertidigt åbnes for hurtigst muligt at tilføre den nødvendige forbrændingsluftmæng 6 144834 de til den større brændstofmængde, og derefter atter lukkes, når drifts-belastningen atter mindskes. Underskrider driftsbelastningen fuldlast, vil bypass-forbindefsen 27 åbnes midlertidigt for hurtigst muligt at tilpasse ladegruppens omdrejningstal efter den mindre brændstofmængde.

5 Pi denne mide sørges der for, at omdrejningstallet henholdsvis forbrændingsluftmængden hurtigst muligt kan tilpasses efter brændstof-mængden .

Disse hændelsesforløb kan fremskyndes ved, at man i stedet for de sædvanlige regulatorer anvender gradientregulatorer, der aktiveres 10 ved ændringshastigheden. Det kan desuden forekomme, at ladegruppen ved konstant indstilling af friskdampregulatoren 12, d.v.s. ved konstant belastning, ændrer sit omdrejningstal. Dette sker, f.eks. når den omgivende lufts temperatur svinger stærkt. Også i dette tilfælde opfylder regulatoren fuldt ud sin opgave.

15 Dersom den omgivende lufts temperatur under i øvrigt konstante forhold i damp kraftanlægget stiger, aftager vægten af den af turbokompressoren 7 transporterede luft, hvorved ladegruppens ligevægt forstyrres, og gruppens omdrejningstal begynder at dale. Styreolie-afløbet 22 lukkes af centrifugalregulatoren 21, og styreolietrykket i 20 sekundærsystemets trykolieledning 23 begynder at stige. Derved lukkes bypass-ventilen 26 og/eller åbnes ventilen 29, hvorved gasturbinens gennemstrømningsmængde og/elfer temperaturen før gasturbinen øges, indtil det ønskede omdrejningstal atter er nået.

Hele reguleringen kan desuden være således dimensioneret, at tryk-25 ket i trykolieledningerne 14 og 23 synker ved aftagende friskdamptryk, ' men at resultatet forbliver det samme.