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Anfahrvorrichtung für eine Dampfkraftanlage mit Zwangdurchlaufkessel
Die Erfindung betrifft eine Anfahrvorrichtung für eine Dampfkraftanlage mit Zwangdurchlaufkessel,
die es gestattet, die Anlage mit möglichst geringen Wärmeverlusten und in kürzester
Zeit anzufahren.
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Bei Zwangdurchlaufkesseln darf im allgemeinen eine gewisse Mindestlast
von etwa 30 % der Maximalen nicht unterschritten werden. Beim Anfahren einer Dampfkraftanlage
mit Zwangdurchlaufkessel führt das zu beträchtlichen Wärmeverlusten, da zum Anwärmen
der Leitungen und der Turbine eine weit geringere Dampfmenge benötigt wird und die
überschüssigen Mengen zum größten Teil in den Kondensator oder ins Freie geleitet
werden müssen. Auch Anfahrentspanner, die über eine Anfahrleitung mit Reduzierstation
zwischen Hochdruck- und Mitteldruckschiene geschaltet sind, vermindern die Wärmeverluste
nur unwesentlich. Es kann zwar das ganze Wasser des Kreislaufes rückgewonnen werden,
weil kein Dampf ins Freie abgeblasen werden muß, und außerdem kann der Entspannungsdampf
wenigstens zum Teil für den Entgaser und die Speisewasservorwärmer verwendet werden,
jedoch muß noch der überwiegende Teil der beim Anfahren im Kessel aufgenommenen
Wärme nutzlos in den Kondensator abgeführt werden; denn der Entspannungsdampf aus
dem Anfahrentspanner kann nicht zur Vorwärmung und zum Anfahren der Turbine verwendet
werden, weil er nicht überhitzt ist.
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Man hat deshalb nach Anfahrvorrichtungen gesucht, die schon bald nach
dem Zünden des Kessels die für das Anwärmen und Anfahren der Turbine notwendigen
geringen Mengen überhitzten Dampfes liefern und Wärmeverluste möglichst vermeiden.
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Es sind Anfahrvorrichtungen bekanntgeworden, die ein Dampf-Wasser-Trenngefäß
mit einer Umwälzpumpe im Zwangdurchlaufkessel vorsehen. Das Trenngefäß ist am Ende
der Verdampfungsheizfiächen angeordnet, und die Umwälzpumpe fördert das abgeschiedene
Wasser vom Trenngefäß zum Kesseleintritt. Beim Anfahren wird zunächst die erforderliche
Mindestwassermenge von etwa 30 % der Maximalen durch den Ekonomiser und die Verdampfungsheizfläche
gespeist und über das Trenngefäß und die Umwälzpumpe zurückgeführt. Der überhitzer
bleibt dabei ungekühlt und erhält erst mit zunehmender Feuerleistung und beginnender
Verdampfung Kühldampf. Dieser ist am Kesselaustritt überhitzt und kann sofort zur
Vorwärmung der Dampfleitungen und der Turbine benutzt werden.
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Mit dieser Anfahrvorrichtung ist aus dem Zwangdurchlaufkessel - zumindest
während des Aasfahrens - ein Zwangumlaufkessel geworden. Das Trenngefäß entspricht
der Trommel. Man hat damit aber auch die Vorteile des Zwangdurchlaufkessels beim
Anfahren verloren: Der überhitzer ist zunächst gar nicht und bei aufkommender Dampfbildung
nur spärlich gekühlt. Die Feuerleistung muß entsprechend vorsichtig gesteigert werden,
um übertemperaturen im überhitzer zu vermeiden. Besonders bei Kesseln mit hohen
Drücken, bei denen schon im Feuerraum Strahlungsüberhitzer angeordnet werden müssen,
ist dies eine nur schwer einzuhaltende Forderung, die den Anfahrvorgang erschwert
und verzögert.
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Weiterhin hat das Trenngefäß mit seinen großen Wandstärken denselben
Nachteil wie die Trommel beim Zwangumlaufkessel, nämlich, die Gefahr von unzulässigen
Wärmespannungen beim schnellen Anwärmen und Abkühlen. Der große Vorteil des Zwangdurchlaufkessels,
seine Wärmeelastizität, ist damit verloren. Die Umwälzpumpe, die nur für das Anfahren
benutzt wird, ist eine zusätzliche finanzielle und betriebliche Belastung. Bei den
bekannten Zwangdurchlaufkesseln mit Abschneidefiasche, von der das abgeschiedene
Wasser auf die Saugseite der Speisepumpe geführt wird, entfällt zwar die Umwälzpumpe;
im übrigen haben aber auch diese Kessel die gleichen Nachteile beim Anfahren wie
zuvor beschrieben.
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Es ist weiterhin vorgeschlagen worden, in einem Zwangdurchlaufkessel
einen Absperrschieber zwischen Verdampfungsheizfläche und überhitzer einzubauen
und einen Anfahrentspanner mit beiden Heizflächenabschnitten zu verbinden. Beim
Anfahren wird der Absperrschieber geschlossen und das aus der Verdampfungsheizfläche
austretende Arbeitsmittel in den Anfahrentspanner geleitet. Der Entspannungsdampf
gelangt in den überhitzer und das Wasser in den Speisewasserbehälter.
Bei
dieser Anfahrvorrichtung ist zwar der Nachteil eines starkwandigen Trenngefäßes
vermieden, weil der Anfahrentspanner nicht für den vollen Kesseldruck ausgelegt
werden muß, dafür ist ein zusätzlicher Absperrschieber innerhalb des Kessels nötig;
es besteht jedoch :der gleiche Nachteil wie bei der vorbeschriebenen Kesselanlage,
daß nämlich der überhitzer beim Anfahren zunächst gar nicht und später nur spärlich
gekühlt ist. Dadurch ergeben sich die gleichen Erschwernisse für den Anfahrvorgang.
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Mit der bekannten Anordnung mehrerer Anfahrleitungen und zwischen
den Heizflächengruppen zusätzlich angebrachter Hilfsfeuerungen werden Wärmeverluste
nicht vermieden, ganz abgesehen davon, daß diese Anfahrausrüstungen durch die Vielzahl
von Leitungen und Regelventilen sehr kompliziert sind.
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Auch wurde schon vorgeschlagen, beim Anfahren eines Zwangdurchlaufkessels
eine parallel zur Haupt= heizfläche installierte Kleinstlastheizfläche zu verwenden.
Durch Rohrwände oder feuerfeste Wände von der Hauptheizfläche abgeschirmt, soll
sie zum Anfahren von einer Hilfsfeuerung allein beheizt und bei Normalbetrieb- von
den Rauchgasen der Hauptfeuerung beaufschlagt werden. Beim Anfahren des Blocks wird
zunächst der Anfahrkessel in Betrieb genommen und anschließend der Hauptkessel.
Dadurch ergeben sich keine wesentlichen Ersparnisse, weder in der Anfährzeit noch
im Wärmeverbrauch. Außerdem ist es schwierig, die Temperatur am Austritt aus dem
Hauptkessel genau auf die gleiche Höhe zu bringen und dort zu halten, wie die Temperatur
am Austritt aus dem-Anfahrkessel, denn während des Anfahrvorganges müssen ja beide
Kessel parallel zueinander betrieben werden. Diese Anfahrvorrichtung teilt also
lediglich den Anfahrvorgang auf zwei Kessel auf, nämlich den Anfahrkessel und den
Hauptkessel.
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Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Anfahrvorrichtung- beschrieben,
welche -die Nachteile der bekannten Anlagen vermeidet und darüber hinaus noch besondere
Vorteile aufweist. Die Anfahrvorrichtung nach der -Erfindung geht aus von einem
Zwangdurchlaufkessel üblicher Bauart, d. h. ohne Dampf-Wasser-Trenngefäß und ohne
Umwälzpumpe, einer Anfahrleitung und einem Anfahrentspanner, der zwischen Hochdruck-
und Mitteldruckschiene geschaltet ist. Der Entspannungsdampf kann in bekannter Weise
zum Zwischenüberhitzer, zum Entgaser, zu den Speisewasservorwärmern oder zum Kondensator
geleitet-werden. Das besondere Merkmal der Erfindung besteht darin, daß am Anfahrentspanner
eine weitere Leitung vorhanden ist, die den Entspannungsdampf über einen getrennt
beheizten überhitzer zur Hochdruckdampfleitung zwischen Kessel und Turbine führt.
Man hat also nur einen Anfahrvorgang von Hauptkessel und getrennt beheiztem überhitzer
zusammen, wobei der Anfahrvorgang so gesteuert wird, daß keine Wärmeverluste eintreten
und sofort nach dem Zünden der Kesselanlage kleine Mengen überhitzten Dampfes zum
Vorwärmen der Leitungen und der Turbine sowie zum Anstoßen und Hochfahren der Turbine
vorhanden sind.
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Die besonderen Vorteile der Erfindung liegen in folgendem: Alle Heizflächen.
auf der Hochdruckseite des Zwangdurchlaufkessels -werden beim Anfahren von der erforderlichen
Mindestwasser- oder Dampfmenge gekühlt, so daß man bei der Einstellung und Steigerung
der Feuerleistung möglichst freizügig ist.
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Der im Anfahrentspanner frei werdende Dampf kann im getrennt beheizten
überhitzer feinfühlig auf die jeweils erforderliche Temperatur gebracht werden,
so daß sofort nach dem Zünden des Kessels das Aufwärmen der Dampfleitungen und der
Turbine beginnen kann. Durch die feinfühlige Temperaturregelung des Vorwärmerdampfes
im getrennt beheizten überhitzer kann das Anwärmen sehr schonend für die Leitungen
und insbesondere für die Turbine vorgenommen werden.
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Es wird kein Entspannungsdampf nutzlos in den Kondensator gefahren,
weil man die Menge des Entspannungsdampfes durch die Feuerleistung des Kessels und
die Temperatur des Entspannungsdampfes durch die Feuerleistung des getrennt beheizten
überhitzers beliebig einstellen kann. Bei den oben beschriebenen bekannten Anfahrvorrichtungen
stehen Menge und Temperatur des Vorwärmdampfes durch, die Heizflächenauslegung fest
und können nicht den Erfordernissen des Anwärmens und Anfahrens der Turbine gemäß
eingestellt werden. Außerdem ist in jedem Fall beim Anfahren auf den Zwischenüberhitzer
Rücksicht zu nehmen.
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Bei der Erfindung liegen die Rauchgastemperaturen vor dem Zwischenüberhitzer
beim Anfahren immer niedriger als bei den bekannten Ausführungen, weil ja nur ein
Teil der notwendigen Feuerleistung im Kessel aufgebracht wird und der andere Teil
im getrennt beheizten überhitzer. Der Zwischenüberhitzer ist also bei der Anfahrvorrichtung
gemäß der Erfindung gegen übertemperaturen besser gesichert als bei den bekannten
Ausführungen.
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Bei der Erfindung besteht außerdem noch die Möglichkeit, den Zwischenüberhitzer
zusätzlich zu kühlen, indem trockengesättigter Entspannungsdampf aus dem Anfahrentspanner
unter Umgehung des getrennt beheizten überhitzers direkt in den Zwischenüberhitzer
geführt wird.
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Diese Fahrweise wird man allerdings nur dann anwenden, wenn man auf
sehr kurze Anfahrzeiten kommen will, weil der zusätzliche Kühldampf für den Zwischenüberhitzer
in den Kondensator abgeleitet werden muß. Man kann aber von dieser Möglichkeit beispielsweise
beim Wiederanfahren der noch warmen Turbine vorteilhaft Gebrauch machen, weil dann
eine sehr schnelle Steigerung der Feuerleistung des Kessels möglich ist.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt auch noch in einer zusätzlichen
Brennstoffersparnis, wenn beim Anfahren öl benutzt wird. In diesem Fall wird der
Kessel in der Regel mit Leichtöl angefahren, um Taupunktschwierigkeiten zu vermeiden,
die bei Verwendung von Schweröl auftreten würden. Außerdem läßt sich mit Leichtöl
besser die erforderliche kleine Feuerleistung beim Anfahren einregeln und mit stabiler
Flamme aufrechterhalten als mit Schweröl. Leichtöl ist aber wesentlich teurer als
Schweröl.
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Der getrennt beheizte überhitzer nach der Erfindung kann aber mit
Schweröl ohne Schwierigkeiten betrieben werden, da er beim Anfahren der Kesselanlage
in seinem normalen Lastbereich gefahren wird. Es kann also ein Teil der für das
Anfahren benötigten Wärme mit dem billigeren Schweröl aufgebracht werden.
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Die vorgeschlagene Anfahrvorrichtung umfaßt eine bekannte Anfahrleitung
mit Reduzierventil zum
Anfahrentspanner. Diese Vorrichtung kann
in bekannter Weise nicht nur zum Anfahren, sondern auch während des Betriebes zur
Verhinderung von unzulässigen Drucksteigerungen im Kessel benutzt werden. Sie arbeitet
dann als Sicherheitsventil. Dadurch können Sicherheitsventile ganz oder teilweise
eingespart werden. Zumindest verhindert diese Einrichtung das Öffnen der Sicherheitsventile,
falls solche installiert sind, was erhebliche betriebliche Vorteile hat.
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Der getrennt beheizte überhitzer soll erfindungsgemäß außerhalb des
Anfahrvorganges als Hilfskesselanlage für die verschiedenen Dampfverbraucher des
Kraftwerkes, wie z. B. Wasseraufbereitung, Heizung, Rußbläser, benutzt werden. Das
ist insofern leicht möglich, als es sich um ein Zwangdurchlaufsystem handelt, das
sowohl mit zum Überhitzen von Dampf beim Anfahren als auch zur Dampferzeugung und
Überhitzung als Hilfskesselanlage verwendet werden kann.
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Es ist ohnehin üblich, in modernen Großkraftwerken derartige Hilfskesselanlagen
aufzustellen. Sie entsprechen in ihrer Wärmeleistung im allgemeinen etwa gerade
den Anforderungen, die an den getrennt beheizten überhitzer während des Anfahrens
gestellt werden. Auch der Auslegungsdruck ist in derselben Größenordnung. Deshalb
ist der zusätzliche bauliche Aufwand für die Anfahrvorrichtung gemäß der Erfindung
sehr gering und steht in keinem Verhältnis zu den oben beschriebenen bekannten Ausführungen.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch
dargestellt und beschrieben. Mit den Ziffern 1 bis 3 b ist der Zwangdurchlaufkessel
bezeichnet, wobei 1 der Ekonomiser, 2 der Verdampfer, 3 a der Vor- und 3 b der Nachüberhitzer
ist. Über die Hochdruckschiene 4 mit dem Heißdampfschieber 5 strömt der Dampf zur
Hochdruckturbine 6, über die Mitteldruckschiene 7 zum Zwischenüberhitzer 8 und von
da zur Niederdruckturbine 9 und zum Kondensator 10.
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Die Kondensatpumpe 11 fördert das Wasser zum Speisewasserbehälter
mit Entgaser 12. Von dort fließt es der Kesselspeisepumpe 13 zu, die es über die
Hochdruckvorwärmer 14 und 15 in den Kessel drückt.
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Für das Anfahren ist das Reduzierventil 16 in der Anfahrleitung 17
vorgesehen sowie der Anfahrentspanner 18. Das abgeschiedene Wasser wird aus dem
Anfahrentspanner über das Ventil 19 dem Hochdruckvorwärmer 14 zugeleitet und fließt
von da über die Leitung 20 in den Speisewasserbehälter 12 zurück. Zusätzlich kann
auch noch Wasser aus dem Anfahrentspanner 18 über das Ventil 21 in den Kondensator
abgelassen werden (Notablaß).
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Der im Anfahrentspanner frei werdende Dampf kann über das Ventil 22
zum Zwischenüberhitzer 8 strömen und über Ventil 23 zum Entgaser auf dem Speisewasserbehälter
12. Weiterhin kann Entspannungsdampf über Ventil 24 zur Beheizung des Hochdruckvorwärmers
15 benutzt werden, und schließlich ist das Ventil 25 als Notablaß in den
Kondensator vorgesehen.
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Das wesentliche Merkmal der Erfindung stellt der getrennt beheizte
Überhitzer 26 dar, der zwischen den Anfahrentspanner 18 und die Hochdruckschiene
4 geschaltet ist. Soll dieser überhitzer außerhalb des Anfahrvorganges als Hilfskessel
dienen, so werden die Ventile 27 und 28 geschlossen, und es wird über Ventil
29 Wasser eingespeist und über Ventil 30 Heißdampf entnommen. Zur
Absicherung ist noch das Rückschlagventi131 vorhanden. Über das Ventil
32 kann beim Anfahren Dampf für die Stopfbüchsen der Turbine entnommen werden.
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Zwischen dem Vorüberhitzer 3 a und dem Nachüberhitzer 3 b zweigt ein
Leitweg mit dem Abfahrventi133 ab. Diese Abfahrleitung kann auch beim Anfahren mit
Vorteil benutzt werden, um bei konstanter Feuerleistung die Enthalpie des Dampfes
am Kesselaustritt zu erhöhen, indem ein Teil des Dampfes über die Abfahrleitung
zum Anfahrentspanner geleitet wird.
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Beim Anfahren dieser Dampfkraftanlage wird zunächst die Mindestspeisewassermenge
von rund 300/0 durch den Zwangdurchlaufkessel gepumpt und über das Anfahrventil
16 sowie die Anfahrleitung 17 zum Anfahrentspanner 18 geleitet. Im Kessel werden
Druck und Feuerleistung so eingestellt, daß am Austritt noch reines Wasser ohne
Dampf vorhanden ist, z. B. 150 atü und 300° C.
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Der Druck im Anfahrentspanner wird so eingestellt, daß die für das
Anwärmen und Anfahren der Turbine erforderliche Dampfmenge durch Entspannung entsteht.
Bei dem obigen Beispiel ist das ein Druck von etwa 40 ata, wobei dann 5 % der maximalen
Dampfmenge geliefert werden. Dieser Dampf wird im getrennt beheizten überhitzer
auf die gewünschte Temperatur gebracht und in die Hochdruckschiene 4 geleitet. Der
Heißdampfschieber 5 istgeschlossen. Damit möglichst die ganze Hochdruckschiene 4
von dem überhitzten Entspannungsdampf vorgewärmt wird, ist es zweckmäßig, den Heißdampfschieber
5 möglichst nahe am Kesselaustritt anzuordnen und die vom getrennt beheizten überhitzer
kommende Dampfleitung unmittelbar hinter dem Heißdampfschieber in die Hochdruckschiene
4 münden zu lassen.
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Das im Anfahrentspanner 18 abgeschiedene Wasser wird über das Ventil
19 in den Hochdruckvorwärmer 14 abgelassen, tauscht dort Wärme mit dem zum Kessel
geförderten Speisewasser aus und strömt durch die Leitung 20 zum Speisewasserbehälter
12. Durch die Ausnutzung des Hochdruckvorwärmers 14 zur Abkühlung des Wassers aus
dem Anfahrentspanner bleibt auch die Wärme des Wassers im Kreislauf erhalten und
braucht nicht nutzlos in den Kondensator abgeführt zu werden. Weil das vom Hochdruckvorwärmer
14 abfließende Wasser im Speisewasserbehälter 12 noch weiteren Entspannungsdampf
liefert, braucht kaum Dampf vom Anfahrentspanner über das Ventil 23 zur Beheizung
des Entgasers entnommen zu werden.
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Wird im weiteren Verlauf des Anfahrens mehr Dampf zur Erhöhung der
Turbinendrehzahl, Synchronisierung und Lastaufnahme gebraucht, so wird die Feuerleistung
im Dampfkessel gesteigert, so daß zunächst Naßdampf und nach Ausstoßen des Wasserpfropfens
Sattdampf und schließlich überhitzter Dampf austritt. Dabei wird mehr Entspannungsdampf
im Gefäß 18 entstehen und entsprechend weniger Wasser.
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Die Feuerleistung des getrennt beheizten Überhitzers wird also im
gleichen Maß zunächst gesteigert. Beim Ausstoßen des Wasserpfropfens wird kurzzeitig
der Notablaß 21 zum Kondensator geöffnet, um den Wasserstand im Anfahrentspanner
halten zu können.
Wenn die Heißdampftemperatur am Austritt aus dem
Kessel die Heißdampftemperatur am Austritt aus dem getrennt beheizten überhitzer
erreicht hat, wird die Umgehung des Heißdampfschiebers 5 geöffnet und der Druck
vor und hinter dem Heißdampfschieber 5 allmählich ausgeglichen. Gleichzeitig schließt
das Anfahrventil16 langsam, und die Anfahrvorrichtung nebst getrennt beheiztem überhitzer
wird stillgelegt.
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In der Schemazeichnung sind noch weitere Vorrichtungen dargestellt,
die es ermöglichen, den getrennt beheizten überhitzer sehr klein zu halten. Bei
dem oben beschriebenen Anfahrvorgang gehen etwa 30% der maximalen Dampfmenge kurz
vor dem Öffnen des Heißdampfschiebers 5 durch den getrennt beheizten überhitzer.
Will man diesen aber klein halten, so daß er nur etwa 5 % der maximalen Dampfmenge
überhitzen kann, so läßt man über das Ventil 22 zusätzlichen Entspannungsdampf in
den Zwischenüberhitzer 8 strömen, wenn nach dem Vorwärmen der Turbine mehr Dampf
gebraucht wird.
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In diesem Fall wird also der Niederdruckteil der Turbine beim Anfahren
stärker beaufschlagt als der Hochdruckteil.
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Zusätzlich kann auch noch Entspannungsdampf über das Ventil 24 in
den Hochdruckvorwärmer 15
gegeben werden, da die Aufwärmung im Austauscher
14 wegen der geringer werdenden Ablaufwassermenge vom Anfahrentspanner zurückgeht.
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Die vorgeschlagene Anfahrvorrichtung ist also sehr anpassungsfähig
und kann den jeweiligen Verhältnissen entsprechend einfacher oder umfangreicher
ausgelegt werden.