DE1551245A1

DE1551245A1 - Verfahren und Einrichtung zum Steuern von Waermekraftanlagen mit Mehrstoffbetrieb

Info

Publication number: DE1551245A1
Application number: DE19661551245
Authority: DE
Inventors: Forgo Dr Techn Laszlo; Heller Dr Sc Techn Laszlo
Original assignee: KOMPLEX NAGYBERENDEZESEK EXPOR
Current assignee: KOMPLEX NAGYBERENDEZESEK EXPOR
Priority date: 1965-03-29
Filing date: 1966-03-18
Publication date: 1970-05-06
Also published as: AT259584B; FI44628C; US3413805A; FI44628B; CH446397A

Description

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UND BIiTRICHTUNG ZUM STEUEHN YOU WARME MIT UEHBSOK)?FBE1IRI£B

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zum Steuern von Wärmekraft anlagen mit Mehrstoffbetrieb,

Es sind bereits Wäraokraftanlagen bekannt, die mit zwei verschiedenen Strömungsmitteln betrieben werden, wobei in einer höheren Stufe Wasserdampf und einer niederen Stufe ein sogenannter kalter Dampf wie Ammoniak ala Arbeitsmittel verwendet wird. Kraftanlagen dieser Art sind in der Regel durch zwei Vorteile ausgezeichnet. Zunächst können sie auf sehr hohe Einheitsleistungen errichtet werden, da äi· Volum-

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zunähme dee Wasserdampf·θ, die auf die Leistung beschränkend wirkt, und bei hohem Vakuum sehr wesentlich ist entfällt. Der Sättigungsdruck der sogenannten kalten Dämpfe ist nämlich bei noraalen Uagebungstemperaturen um Größenordnungen höher als der entsprechende Sättigungsdruck von Wasserdampf. Somit ist aber auch das Volumen dee au· einer Turbine der Kraftanlage entweichenden kalten Dampfes bei gleichen Leistungen um Größenordnungen geringer. Der zweite grundlegende Vorteil der erwähnten Kraftanlagen besteht darin, daß wenn Luft für Rückkühlzwecke verwendet wird, Kaltlufttemperaturen vollständig ausgenützt werden können. Außerdem besteht der Vorteil, daß bei geeigneter Wahl des kalten Dampfes nirgends im System ein Vakuum auftreten wird. Während nämlich bei einer wasserdampfbetriebenen Turbine es praktisch unmöglich, ist, die Entstehung von Vakuum bei der Kondensation zu vermeiden, ist der Sättigungsdruck "der meisten kalten Dämpfe selbst bei den praktisch vorkommenden geringsten Temperaturen höher als der atmosphärische Druck« Hierdurch wird es möglich, beim Kondensieren von Wasserdampf in Wärmetauschern der Anlage bei einem den atmosphärischen Wert überragenden Druck die Entstehung von Vakuum vollkommen vermeiden zu können. Dies bringt aber eine wesentliche Vereinfachung des Systems mit. sich, indem auch manche Anlageteile überflüssig werden. Vor allem entfallen vakuumdichte Einrichtungen und Einheiten zum Erzeugen von Vakuum, wie Vakuumluftpumpen, Wasserpumpen, Kühler, usw., Einheiten, die bei .den herkömmlichen Kraftanlagen unvermeidlich waren. Die Bedingungen der Wärmeübergabe werden durch die Gegenwart von Luft an den-Wärmeübergabeflächen, d.h. in den Wärmetauschern zwischen

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Wasserdampf und Kaltdampf, sowie in den Kaltdampf kondensatoren nicht verschlechtert. Es ist somit klar, daß die Mehrstoffkraftanlagen solion] bezüglich der Stehungskosten, wie auch der Betriebsbedingungen den üblichen Kraftanlagen überlegen sind.

Die wesentlich vereinfachte Arbeitsweise der Mehrstoffkraftanlagen stellt besondere Erfordernisse bezüglich der Steuerung. Wird der Kaltdampf geeignet gewählt, so entsteht kein Vakuum im Kaltdampf kondensator. Jn ähnlicher Weise ist es möglich, den Ausgangsdruck der Wasserdampfturbine durch geeignete Bemessung derart zu gestalten, daß er den atmosphärischen Druck von 1 ata überragt, wenn die Kraftanlage in der vorgesehenen Weise betrieben wird. Gleichzeitig wird die untere Grenze des Wasserdampfzyklus aus wirtschaftlichen Gründen so nieder wie möglich gewählt, da der Wirkungsgrad des Wasserdampfzyklus jenem der Kaltdampfzyklen praktisch immer überlegen ist. Deshalb soll die Anlage derart bemessen werden, daß der Austrittsdruck des Wasserdampfes den atmosphärischen Wert nur um einen möglichst geringen Betrag übertrifft. Nun verlangt dies ein Steuerungssystem, das gestattet, die Entstehung von Vakuum an der Wasserdampfseite bei Abnahme der Belastung zu verhindern. Bei herkömmlichen Steuerungssystemen, wo die Menge des in die Wasserdampfturbine der Anlage eintretenden Dampfes durch Impulse gesteuert wird, die normalerweise von einem Fliehkraftregler hergeleitet worden, sind die in einem Wärmetauscher zwischen Wasserdampf und Kaltdampf stromabwärts von der (Turbine herrschenden Drücke bei Abnahme der Belastung gemäß einer neuen

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Gleichgewichtslage an beiden Seiten der Wärmetauecherflächen geringer, wodurch, der an der Y/asserdampfseite herrschende und etlbsttätig eingestellten Druck unter 1 ata einken kann. Die Steuerung hat auch in diesem Pail zu verhindern, daß in der Anlage irgendwo ein Vakuum entsteht.

Die Erfindung "bezweckt vor allem die Schaffung eines Steuerverfahrens, mittels dessen der an der Kaltdampfseite herrschende Höchstdruck derart beeinflußt werden kann, daß im Wärmetauscher zwischen Wasserdampf und Kaltdampf entsprechend dem tatsächlichen Leistungsbedarf ein Temperaturunterschied besteht, der geeignet ist zu sichern, daß die Temperatur an der Wasserdampfseite den Wert von 10O⁰C immer übersteigt. Dies bedeutet dann, daß der an der Wasserdampfseite herrschende Druck nie unter den atmosphärischen Wert sinken kann.

Dementsprechend bezieht sich die Erfindung vor allem auf ein Verfahren zum Steuern einer Wärmekraftanlage mit Mehrstoffbetrieb, wobei der Wärmeinhalt eines zwischen höheren Temperaturgrenzen verwendeten Arbeitsmittels über einen Wärmetauscher einem zwischen niederen Tamperaturgrenzen verwendeten Arbeitsmittel übergeben wird. Die Erfindung bestehL darin, daß außer einer bei Wärmekraftmaschinen in herkömmlicher Weise verwendeten Steuerung der geringste Druek von als Arbeitsmittel zwisehen den erwähnten höheren Temperaturgrenzen verwendeten Wasserdampfes immer über den atmosphärischen Druck gehalten wird.

Nähere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der Zeichnungen erläutert, die zwei Aufführungsbeispiele der

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erfindungsgemäßen Kraftanlage schematisch darstellen.

Gleiche Be.zugszeichen weisen in den Zeichnungen auf ähnliche Einzelheiten hin.

Das Ausführungsbeispiel gemäß fig. 1 ist auf Grund von wirtschaftlichen Berechnungen besonders für Fälle geeignet, in welchen der Temperaturunterschied im Wärmetauscher zwischen. Wasserdampf und Kaltdampf den Wert von 5 bis 1O°C nicht übersteigt. Ein Fliehkraftregler 1 läßt dabei eine der gewünschten Leistung entsprechende Menge von Wasserdampf in

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eine Wasserturbine 2 eintreten. Diese Wasserdampfmenge strömt von der Wasserdampfturbine 2 über eine Rohrleitung 3 einem Wasserdampf-Kaltdampfwärmetauscher 4 zu, wo der Wasserdampf kondensiert wird. Das erhaltene Kondensat wird durch eine Pumpe 5 in einen nieht dargestellten Wasserdampfkessel zurückgefordert. Gleichzeitig wird durch eine Kaltdampfpumpe 6 z.B, flüssiges Ammoniak dem Wärmetauscher 4 zugeführt, wo das flüssige Ammoniak verdampft und über eine Rohrleitung 7 einem Kondenstopf 8 zugeführt wird. Von hier strömt der Ammoniakdampf über eine Rohrleitung 9 und ein Druckregolvontil 10, sowie über eine Rohrleitung 19 in eine Ammoniakturbine 11, wo der Ammoniakdampf bis zuia Kondensatordruck expandiert und dabei einen elektrischen Generator 15 antreibt, der mit der Wassordampfturbinö 2 auf gemeinsamer Welle 14 sitzt. Nachher fließt das Ammoniak über eine Rohrleitung 12 in einen Ammoniakkondonsator 13» Selbstverständlich ist es auch möglich, für beide Turbinen 2 und 11 je eine gesonderte Welle vorzusehen_t Auch lot? es möglich, der Wasser dampf turbine 2 einen gesonderten ηηοΑι». .

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Das flüssige Ammoniak wird durch eine Pumpe 16 aus dem Kondensator 13 über einen Vorwärmer 17 und eine Rohrleitung 18 dem Kondenstopf 8 zugeführt. Somit enthält die Anlage außer dem-Leistungsregler 1 nur ein einziges weiteres Steuerungsmittel, nämlich das Druckregelventil 10. Dieses Ventil 10 beeinflußt die Menge des in die Ammoniakdampfturbine 11 eintretenden Ammoniakdampfes in der Weise, daß staromaufwärte in der Rohrleitung 9, d.h. praktisch auf der Ammoniakseite des Wärmetauschers 4 ein vorbestimmter konstanter Brack aufrechterhalten wird.

Wenn der Leistungsregler 1 bei Abnahme der Belastung eine geringere Menge an Wasserdampf die Turbine 2 betreten ließe, würde der hinter der Turbine 2 herrschende Austrittsdruck entsprechend abnehmen, und so würde auch der auf der anderen Seite des Wärmetauschers 4 herrschende Druck des Aamoniakdampfes geringer werden. Durch die Abnahme des Druckes würde dann der vor der Ammoniakturbine 11 vorgesehene Regler 10 eine geringere Menge an Anmoniakdampf die Anmoniakdampfturbine 11 betreten lassen, un den Druck auf der Ammoniakdampf seitc vor dem Regler 10 aufrechtzuerhalten. Dies verhindert aber auch, daß der auf der Wasserdampfseite herrschende Druck unter den Wert sinkt, der erforderlich ist, um den Brück über den atmosphärischen Wert zu halten. Auf diese Weise wird auch verhindert, daß der auf der Wasserdampfseite des Wärmetauschers 4- herrschende Druck unter einen bestimmton Wert sinkt, der derart zu bestimmen ist, daß or immer höher ist als der atmosphärische Druck.

Bs soll z.B_r angenommen werden, daß die Kondensa-

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tionstemperatur des Dampfes bei voller Belastung 110 G beträgt, der ein ent-Fr:. sehende:? Sättigungsdruck bei der Kondensation zugeordnet ist.' Die Ysrdampfungetemperatur des Aa»oniaks soll bei einem entsprechenden Ammoniaksättigungedruck auf der anderen Seite der Wärmeaustauschfläche 104-⁰G betragen. Wenn nun die Belastung um 40% abnimmt und der Leistungsregler 1 vor der Dampfurbine 2 eine entsprechend geringere Menge von ' Dampf durchlassen wird, läßt der Regler 10 vor der Ammoniak-* turbine 11 eine entsprechend geringere Menge von Dampf hindurch, so daß der zur Abnahme geneigte Druck seinen augenblicklichen Wert beibehält. Die Earakteristiken des Reglers 10 sind derart zu bestimmen, daß bei voller Dampfströmung stromaufwärts vom Regler 10 ein der Sättigungstemperatur von

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104 G zugeordneter Sättigungsdruck des Ammoniaks herrscht, wobei durch die einer Belastung von 40% entsprechende Dampfmenge dieser Sättigungsdruck derart uufreclrberhalten wird, daß er einer Sättigungstemperatur von 99'⁰G- entspricht. Dann wird die Kondens at i.onst emp er atur auf der Wasserdampf seit© z.B. von HO⁰C auf 102⁰O fallen.

Obwohl diese Abnahme lediglich einem Temperaturabfall von ^0% entspräche, mit Rücksicht auf die besondere Verschlechterung der Wärmeübergabezahl auf der Ammoniakseite bei geringeren Temperaturunterschieden würde auch der Wert von 50 % weiter abnehmen und z.B, auf 40 % sinken. '

Wenn gemäß Wirtschaftlichkeitsberechnungen ein größeres Temperaturunterschied als 5 bis 10⁰O im WärmelifHXscher günstiger wäre, würde es nicht mehr ratsam sein, in ähnlicher Weise wie im vorherigen Beispiel vorzugehen und den Ammoniak-

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dampfdruck zu erhöhen. Vielmehr wäre es zweckmäßig, bei einem geringeren Druck des Ammoniakdampfes einen größeren Tempera-· turbereich vorzusehen. In diesem Fall wird nicht der Ammoniakdampfdruck, sondern der Wasserdampfdruck über einem gewissen Mindestwert gehalten. Im Wesen bedeutet dies, daß die Abmessungen der Wärmeübergabefläche in Abhängigkeit von der Belastung geändert werden müssen.

Zu diesem Zweck ist es möglich, die wirksame Fläche derart zu verringern, daß die Entnahme des auf der Wasserdampf seite des Wärmetauschers 4 entstehenden Kondensats verlangsamt wird, so daß das steigende Kondensat einen entsprechenden Teil der Kühlflächen überschwemmt, wodurch dieser Flächenteil aus der Wärmeübergabe ausgeschaltet wird. Eine Schwierigkeit bedeutet dabei, daß ein besonderer Speicherbehälter für Wasser vorzusehen ist, wobei auch der Wärmetauscher 4· selbst mit Wasser aufgefüllt und dadurch sein Gewicht wesentlich erhöht wird. Dieser Umstand führt wegen den sehr großen Abmessungen von Hochleistungsanlagen zu ernstlichen Schwierigkeiten. Aber auch die Steuerung der Kondensatpumpe kann Schwierigkeiten bereiten, da anstatt der üblichen Niveausteueruug offensichtlich umständlichere Mittel anzuwenden sind.

In Fig. 2 ist eine einfachere Art der Steuerung dargestellt. Der Druck des Ammoniakdampfes kann sich frei zur Belastung einstellen, wobei aber der Druck auf der Wasserdampf seite auf einem vorbestimmten Wert gehalten wird. Zu diesem Zweck ist die Ammoniakseite der Wärmetauscherflächo in eine Anzahl von parallelen Abschnitten 20 unterteilt,

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deren Einlaßventile 21 durch einen Druckregler gesteuert werden. Der Druckregler wird von der Wasserdampfseite her gesteuert, wie die» bei 22 angedeutet ist. Die Steuerung erfolgt dabei in der Weise, daß bei Abnahme des Wasserdampfdruckes die Ventile 21 nacheinander geschlossen, während bei Zunahme desselben die Ventile nacheinander geöffnet werden. Auf diese Weise wird bei geringster Belastung nur eine Verdampfung sf lache wirksam sein, die genügt, um einen Temperaturunterschied zu gewährleisten, bei welchem der Druck auf der Wasserdampfseite über dem atmosphärischen Wert liegt, d.h., die Temperatur dort immer mehr als 100 0 beträgt.

Die beschriebenen Steuerungssysteme sind somit» geeignet, durch einfache Mittel Druckverhältnisse zu sichern, bei welchen selbst bei geringsten Belastungen nirgends- ein Vakuum im System auftreten kann.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE 1551245

Ij St euerv erfahren für Wärmekraft anlagen mit Mehrstoff betrieb, bei welchem der Wärmeinhalt eines zwischen höheren Temperaturgrenzen verwendeten Arbeitsmittels über ei»en Wärmetauscher einem zwischen niederen Temperaturgrenzen verwendeten Arbeitsmittel übergeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß außer einer bei Wärmekraftmaschinen in herkömmlicher Weise verwendeten Steuerung der geringste DruÄk von als Arbeitsmittel zwischen den erwähnten höheren Temperaturgrenzen verwendeten Wasserdampf immer über dem atmosphärischen Wert gehalten wird,

2, Einrichtung zum Ausüben des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß selbsttätige Steuermittel zur Konstanthaltung eines vorbestimmten Druckes des aus dem Wärmetauscher (4) entweichenden Dampf es vorgesehen und jener Seite des Wärmetauscher angeordnet sind, die dem zwischen den erwähnten niederen Temperaturgrenzen verwendeten Arbeitsmittel zugeordnet ist.

3, Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch g e kennz eichnet , daß beim Eintritt des zwischen den erwähnten höheren Temperaturgrenzen verwendeten Arbeitactttets in den erwähnten Wärmetauscher (4-) ein Druckfühler vorgesehen ist.

4·. Einrichtung zum Ausüben der Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erwähnte Wärmetauseher (4·) eine Anzahl von parallelgeschalteten Zweigen (20) zum leiten des zwischen den erwähnten niederen

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Temperaturgrenzen verwendeten Arbeitsmittels aufweist, wobei jeder Zweig mit einer selbsttätigen.Schließvorrichtung (21) ausgerüstet ist, sie coi^eh einen Druckfühler (22) beim Eintritt des 2wisehen>&en erwähnten höheren Temperaturgrenzen verwendeten Arbeitsmittels in den erwähnten Wärmetauscher betätigt wird (Fig. 2).

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