DE2262305A1

DE2262305A1 - Dampfkraftanlage mit druckgefeuertem dampfkessel

Info

Publication number: DE2262305A1
Application number: DE2262305A
Authority: DE
Inventors: Hans Dr Ing Pfenninger
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland; BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1972-12-01
Filing date: 1972-12-20
Publication date: 1974-06-20
Also published as: JPS5321456B2; NL7316374A; DK144834B; DE2262305B2; CH552770A; BE807974A; US3884036A; ATA791873A; FR2209393A5; AT331584B; JPS4995053A; SE393660B; NL169222B; CA993664A; NL169222C; DK144834C

Description

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Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)

Dampfkraftanlage mit druckgefeuertem Dampfkessel

Die Erfindung betrifft: eine Dampfkraftanlage mit druckgefeuertem Dampfkessel, dessen Brennstoffmenge von einem Frischdampfregler geregelt ist, und welcher eine Aufladegruppe aufweist, die einen Turboverdichter, eine dem Dampfkessel nachgeschaltete Gasturbine und einen Anwurfmotor umfasst und zur Anpassung der Menge der geförderten Verbrennungsluft an die eingeregelte Brennstoffmenge drehzahlvariabel regelbar ist.

Druckgefeuerte Dampfkessel für Dampfkraftanlagen sind seit langem unter dem Namen "Veloxkessel" bekannt. Für die Regelung der Aufladegruppe dient üblicherweise ein Ward-Leonard-Satz, der mit der Aufladegruppe fest gekuppelt ist. Die Brennstoffmenge wird vom Dampfverbrauch gesteuert, der gleichzeitig in bekannter Weise auch den Ward-Leonard-Satz beeinflusst und damit die Drehzahl der Aufladegruppe regelt bzw. die geförderte Luftmenge an die Brennstoffmenge anpasst. Ungefähr bei Dreiviertellast deckt die Leistung der Gasturbine gerade den Leistungsbedarf des Verdichters. Bei

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kleinerer Teillast nimmt die Aufladegruppe noch zusätzlich elektrische Leistung auf, bei höherer Teillast, bei Vollast und bei Ueberlast wird Ueberschussleistung an das Netz abgegeben. Die Ward-Leonard-Schaltung erlaubt Drehzahländerungen in weiten Grenzen, doch ist dabei von Nachteil, dass der Satz ständig mitläuft; auch ist er teuer und aufwendig.

Dampfkessel dieser Art haben üblicherweise bei Vollast nur einen Aufladedruck von 2-3 bar und hohe Gasgeschwindigkeiten, was zur Folge hat, dass die Abgastemperatur nach der Gasturbine relativ hoch ist, was eine nachgeschaltete Heizfläche erfordert, die nicht mehr unter dem Verdichterenddruck steht und deshalb sehr voluminös und teuer wird. Da für die nachgeschaltete Heizfläche praktisch nur ein Ekonomiser in Frage kommt, muss die Vorwärmung des Speisewassers durch Anzapfdampf reduziert werden, was den thermischen Wirkungsgrad des Kreisprozesses verschlechtert; äusserdem muss der Kondensator vergrössert werden.

Es ist auch bekannt, der Verschlechterung des Kreisprozesses wegen der niedrigeren Speisewasservorwärmung durch die Anwendung eines kombinierten Prozesses zu begegnen, indem die Gasturbinengruppe, die gleichzeitig der Aufladung des Kessels dient, mit der höchst* zulässigen Temperatur vor der Gasturbine betrieben wird. Durch diese Massnahme wird die Dampfproduktion verkleinert, weil die heissen Gase im Kessel weniger abgekühlt werden, aber dafür gibt

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die Gasturbine über einen eigenen Generator Nutzleistung nach aussen ab. Mit einem kombinierten Prozess können die Verluste durch die schlechtere Speisewasservorwärmung gerade aufgehoben werden, doch müssen dafür die folgenden Nachteile in Kauf genommen werden:

- Die hohe Temperatur vor der Gasturbine erlaubt wegen der Korrosionsgefahr nur die Verwendung eines sehr reinen, aschenfreien Brennstoffes, was die Brennstoffkosten wesentlich erhöht.

- Der der Gasturbine nachgeschaltete Wärmetauscher ist sehr vo- , luminös und entsprechend teuer, einerseits weil durch die Erhöhung der Temperatur vor der Gasturbine auch die Abgastemperat.ur stark ansteigt, also eine grosse Wärmemenge übertragen werden muss, um die Kaminverluste klein zu halten, andererseits

, weil die Wärmeübergänge wegen des niedrigeren Gasdruckes kleiner sind und die GasVolumina deshalb gross werden. Die Wärmetauschfläche dieses drucklosen Wärmetauschers beträgt ein Vielfaches derjenigen des aufgeladenen Dampfkessels. Durch das grosse Bauvolumen des Wärmetauschers steigen auch der Platzbedarf und die .Kosten der Fundamente stark an.

- Die Leistung muss auf zwei Generatoren - je einen für die Gas-

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und die Dampfturbine - aufgeteilt werden, was die Anlagekosten verteuert.

- Da die Gasturbinengruppe einen Generator hat, ist ihre Drehzahl konstant und die Luftmenge kann bei Teillast nicht oder nur mit grossem Aufwand verkleinert werden, was grosse AbgasVerluste ergibt. Das liesse sich zwar durch eine getrennte Nutzleistungstur bine vermeiden, was aber wieder die Anlage sehr verteuert.

- Um bei Teillast im nachgeschalteten Ekonomiser keine Verdampfung zu erhalten, muss die Temperatur vor der Gasturbine abgesenkt werden, was den thermischen Wirkungsgrad verschlechtert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine baulich einfache Dampfkraftanlage der eingangs erwähnten Art mit wirtschaftlich gutem Gesamtwirkungsgrad zu schaffen, bei der gasseitig nach dem druckgefeuerten Dampfkessel kein weiterer Wärmetauscher notwendig ist und trotzdem die Kaminverluste im üblichen Rahmen solcher Anlagen bleiben.

Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe besteht darin, dass die Drehzahl der Aufladegruppe durch Aenderung der Durchsatzmenge der Gasturbine und/oder der Temperatur vor der Gasturbine regelbar ist, so dass sie weder Leistung nach aussen abgibt noch Leistung von aussen benötigt, dass der Anwurfmotor nach dem Start abkuppel-

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bar ist, und dass bei Vollast der Aufladedruck mindestens 9 bar und die Abgastemperatur nach der Gasturbine höchstens 165°C ber trägt.

Bei dieser einfachen, betriebssicheren und sehr wirtschaftlichen Anlage erfolgt die Drehzahlregelung durch kesseleigene Mittel, es ist kein äusserer Eingriff notwendig und keine fremde Energie erforderlich. Die Drehzahl und somit auch die Luftmenge wird laufend der Brennstoffmenge angepasst, so dass weitgehend bei allen Betriebszuständen und sofort wieder nach Laständerungen der Luftüberschuss im Dampfkessel praktisch konstant ist. Das grosse Druckverhältnis der Aufladegruppe gibt eine hohe Temperatur der

\ Schwierigkeiten verbrannt werden kann, ohne/ verdichteten Verbrennungsluft, wodurch selbst Schweröl ohne/ dass eine zusätzliche Luftvorwärmung notwendig wäre. Das hohe Druckverhältnis ermöglicht einerseits kleine Abmessungen des Dampferzeugers, so dass er im montierten Zustand (package unit) verschickt werden kann, andererseits ergibt es - ohne Leistungsabgabe der Aufladegruppe nach aussen - tiefe Abgastemperaturen, so dass keine Speisewasservorwärmung durch die Abgase nötig ist und der thermische Prozess durch Anzapfdampfvorwärmung des Speisewassers optimalisiert werden kann.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch und vereinfacht dargestellt. Die Dampfkaraftanlage besteht im wesentlichen aus der Hochdruck-Dampfturbine 1, der Niederdruck-

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Dampfturbine 2, welche zusammen den elektrischen Generator 3 antreiben, ferner aus dem Kondensator t, der Kondensatpumpe 32, den anzapfdampfbeheizten Speisewasservorwärmern 5 und dem Dampfkessel 6· FOr das Aufladen des Dampfkessels, d.h. um ihn gasseitig auf den gewünschten Druck zu bringen, dient die Aufladegruppe, die sich im wesentlichen aus dem Turboverdichter 7, der Gasturbine 8, dem Anwurfmotor 9 und der hydraulischen Kupplung 10 zusammensetzt. Alle Bauteile der Aufladegruppe sitzen auf der selben Welle.

FOf die Regelung der Anlage sind folgende Einzelelemente vorgesehen, soweit sie im vorliegenden Rahmen von Interesse sind: Vom Dampfdruck oder von der Durchströmmenge in der Frischdampfleitung 11 wird der Frischdampfregler 12 beeinflusst, der den Abfluss 13 der Druckölleitung 14 des Primärsystems steuert, die bei 15 über die Drosselstelle 16 angespeist wird. Mit der Druckölleitung It steht einerseits der Servomotor 17 in Verbindung, der über die Brennstoffdüsen 18 des Dampfkessels die Brennstoffzufuhr (nicht eingezeichnet) regelt, andererseits der Servomotor 19, der die Büchse 20 des Fliehkraftreglers 21 der Aufladegruppe verstellt, wodurch über den Abfluss 22 der Steueröldruck in der Druckölleitung 23 des Sekundärsystems geändert wird. Die Druckölleitung 23 wird bei 24 über die Drosselstelle 25 angespeist und führt zum Ventil 26 in der Bypassleitung 27 um die Gasturbine 8 und zum Servomotor 28, welcher das Ventil 29 betätigt, das den Bypass 30 auf der Gasseite des Kesselteils 31 beeinflusst. An Stelle der Drucköl-

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Steuerung kann auch eine elektrische Steuerung mit-den gleichen Funktionen treten.

Das Zusammenwirken der einzelnen Teile sowie die Regelung der Anlage ist wie folgt:

Der Turboverdichter 1 verdichtet bei Vollast die Verbrennungsluft auf mindestens 9 bar, die dadurch auf ca. 330⁰C erwärmt wird, was die Verbrennung von Schweröl erleichtert. Der Dampfkessel 6 ist so ausgelegt, dass die Gastemperatur am Austritt ca. 430 C beträgt, was auch die Eintrittstemperatur in die Gasturbine 8 ist. Im Zusammenhang mit dem hohen Druckverhältnis führt dies zu· einer Abgastemperatur nach der Gasturbine und somit zu einer Kamintemperatur von nur 150 C. Der Abgasverlust kann also sehr klein gehalten und eine voluminöse Nachschaltheizflache vermieden werden. Der Turboverdichter hat keinerlei Kühlung, das Speisewasser muss also weder durch die verdichtete Luft noch durch das Abgas er-* wärmt werden, was die optimale Erwärmung durch Anzapfdampf erlaubt.

Die Temperatur vor der Gasturbine wird durch die weiter unten beschriebene Regelung so tief gehalten, dass die Gasturbine gerade den Turboverdichter der Aufladegruppe anzutreiben vermag. Dadurch geht mit Ausnahme der Lager- und AbstrahlungsVerluste die ganze Expansionswärme der Gasturbine an den Verdichter über, so dass

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die Aufladegruppe den Effekt des bei den bekannten Anlagen notwendigen abgasbeheizten Luftvorwärmers hat. Gleichzeitig erzeugt sie aber noch einen hohen Druck und verkleinert dadurch die Kesselheizfläche auf einen Bruchteil eines unaufgeladenen Kessels.

Um die Drehzahl der Aufladegruppe bei Teillast reduzieren zu können - was den Vorteil hat, dass die Verbrennungsluftmenge jederzeit der Last des Dampfkessels bzw. der Brennstoffmenge angepasst werden kann -, wird der Anwurfmotor 9 durch Ausrücken der Kupplung 10 von der Aufladegruppe getrennt und stillgesetzt, sobald die Aufladegruppe nach dem Zünden der Brennkammer die notwendige Drehzahl für das Gleichgewicht zwischen Verdichter- und Gasturbinenleistung erreicht hat. Dieselbe ist sich nun selbst überlassen und unterliegt der installierten Regelung. Durch diese Massnähme kann bei einer Kessellast von ca. 50 % die Verbrennungsluftmenge auf etwa 55 % verkleinert werden, so dass zwischen Volllast und Halblast der Luftüberschuss im Dampfkessel praktisch konstant gehalten werden kann, was hinsichtlich einer sauberen Verbrennung und dementsprechend geringer Umweltverschmutzung sehr wichtig ist.

Sinkt z.B. der Frischdampfdruck ab, weil die Dampfturbinengruppe wegen einer verlangten Leistungszunähme eine grossere Dampfmenge benötigt, so schliesst der Frischdampfregler 12 den Abfluss 13 der Druckölleitung m. Dadurch steigt der Druck im Primärsystem

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an und öffnet über den Servomotor 17 die Brennstoffdüsen 18 des Dampfkessels; gleichzeitig wird über den Servomotor 19 die Büchse 20 des Fliehkraftreglers 21 so verschoben, dass der Abfluss 22 geschlossen und dadurch der Steueröldruck in der Druckölleitung 2 3 des unabhängigen Sekundärsystems erhöht wird. Das hat zur Folge, dass das Ventil 26 in der Bypassleitung 27 um die Gasturbine 8 schliesst und über den Servomotor 28 das Ventil 29 und damit der Bypass 30 auf der Gasseite des Dampfkessels öffnet. Dadurch wird einerseits die Durchflussmenge durch die Gasturbine vergrössert, andererseits die Temperatur vor der Gasturbine angehoben und damit die Drehzahl der Aufladegruppe bzw. die Verbrennungsluftmenge der neuen, grösseren Brennstoffmenge angepasst.

Bei vorübergehend steigendem Frischdampfdruck d.h. fallender Last spielt sich der analoge Regelvorgang, aber im umgekehrten Sinne ab. ·

Es ist wirkungsgradmässig von Vorteil, die Ventile 26 und 29 _v nicht gleichzeitig zu betätigen, sondern bei zunehmendem Bedarf an Verbrennungsluft zuerst den Bypass 27 um die Gasturbine 8 zu schliessen und dann erst den Bypass 30 auf der Gasseite des Dampfkessels zu öffnen, und bei sinkendem Bedarf an Verbrennungsluft zuerst den Bypass 30 auf der Gasseite des

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Dampfkessels zu schliessen und dann den Bypass 2 7 um die Gasturbine β zu öffnen. Hierbei können sich die beiden Regelgebiete etwas überdecken, sie können aber auch eine schmale neutrale Zone zwischen sich frei lassen. Alle diese Möglichkeiten lassen sich auf einfache Weise z.B. durch eine zweckentsprechende Bemessung der Federkräfte des Ventils 26 und des Servomotors 28 verwirklichen, wobei die Feder des Servomotors die stärkere sein muss.

Bei dieser Ausführung kann es am wirtschaftlichsten sein, die Federkräfte so zu wählen, dass bei Vollast beide Bypässe geschlossen sind. Ueberschreitet die Betriebslast die Vollast, dann öffnet mindestens vorübergehend der Bypass 30 auf der Gasseite des Dampfkessels 6, um der grösseren Brennstoffmenge möglichst rasch die notwendige Verbrennungsluftmenge zuzuführen, und schliesst wieder, wenn die Betriebslast zurückgeht. Unterschreitet die Betriebslast die Vollast, dann öffnet vorübergehend der Bypass 27 um die Gasturbine 8, um die Drehzahl der Aufladegruppe möglichst rasch der kleineren Brennstoffmenge anzupassen. Auf diese Heise wird dafür gesorgt, dass die Drehzahl bzw. die Verbrennungsluftmenge möglichst rasch der Brennstoffaenge angepasst werden kann.

Diese Vorgänge können dadurch beschleunigt werden, dass man an

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Stelle der gewöhnlichen Regler Gradientenregler benützt, welche auf die Aenderungsgeschwindigkeit ansprechen.

Es ist auch möglich, dass bei konstanter Stellung des Frischdampfreglers 12, d.h. bei konstanter Last, die Aufladegruppe ihre Drehzahl ändert. Dies geschieht z.B. dann, wenn die Aussenlufttemperatur stark schwankt. Auch in diesem Falle entspricht die Regelung voll ihrer Aufgabe.

Steigt bei konstanten Verhältnissen die Aussenlufttemperatur an, so nimmt das vom Turboverdichter 7 geförderte Luftgewicht ab, wodurch das Gleichgewicht der Aufladegruppe gestört wird und die Drehzahl der Gruppe zu sinken beginnt. Der Steuerölabfluss 22 wird vom Fliehkraftregler 21 geschlossen und der Steueröldruck in der Druckölleitung 2 3 des Sekundärsystems beginnt zu steigen. Damit wird das Bypassventil 26 geschlossen und/oder das Ventil 29 geöffnet, wodurch die Durchsatzmenge der Gasturbine und/oder die Temperatur vor der Gasturbine ansteigt, bis die Solldrehzahl wieder hergestellt ist.

Die gesamte Regelung kann auch so ausgelegt sein, dass bei sinkendem Frischdampfdruck der Druck in den Druckölleitungen 14 und 23 absinkt, die Auswirkungen aber analog die gleichen bleiben.

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Claims

167/72 D Patentansprüche

1. J Dampfkraftanlage mit druckgefeuertem Dampfkessel, dessen Brennstoffmenge von einem Frischdampfregler geregelt ist, und welcher eine Aufladegruppe aufweist, die einen Turboverdichter, eine dem Dampfkessel nachgeschaltete Gasturbine und einen Anwurfmotor umfasst und zur Anpassung der Menge der geförderten Verbrennungsluft an die eingeregelte Brennstoffmenge drehzahlvariabel regelbar ist, dadurch gekennzeichnet /dass die Drehzahl der Aufladegruppe durch Aenderung der Durchsatzmenge der Gasturbine (8) und/oder der Temperatur vor der Gasturbine regelbar ist, so dass sie weder Leistung nach aussen abgibt noch Leistung von aussen benötigt, dass der Anwurfmotor (9) nach dem Start abkuppelbar ist, und dass bei Vollast der Aufladedruck mindestens 9 bar und die Abgastemperatur nach der Gasturbine (8) höchstens 165⁰C beträgt.

2. Dampfkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Frischdampfregler (12) die Brennstoffmenge über ein hydraulisches oder elektrisches Primärsystem regelt, welches ein hydraulisches oder elektrisches Sekundärsystem steuert, das die Drehzahl der Aufladegruppe und somit die Menge der geförderten Verbrennungsluft dadurch an die Brennstoffmenge

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anpasst, dass bei einer Aenderung im Sekundärsystem in der einen Richtung die Drehzahl der Aufladegruppe steigt durch Schliessen eines Bypasses (27) um die Gasturbine (8) zur Erhöhung der Durchsatzmenge durch die Gasturbine und/oder durch Oeffnen eines Bypasses (30) auf der Gasseite des Dampfkessels (6) zur Erhöhung der Temperatur vor der Gasturbine (8), und dass bei einer Aenderung im Sekundärsystem in der anderen Richtung die Drehzahl der Aufladegruppe sinkt durch vorübergehendes Oeffnen des Bypasses (27) um die Gasturbine (8) und/oder durch Schliessen des Bypasses (30) auf der Gasseite des Dampfkessels (6). . ■

3. Dampfkraftanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei zunehmendem Bedarf an Verbrennungsluft zuerst der Bypass (27) um die Gasturbine (8) schliesst und dann der Bypass (30) auf der Gasseite des Dampfkessels-(6) öffnet, und bei sinkendem Bedarf an Verbrennungsluft zuerst der Bypass (30) auf der Gasseite des Dampfkessels (6) schliesst und dann der Bypass (27) um die Gasturbine (8) öffnet«,

4. Dampfkraftanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vollast beide Bypässe (27, 30) geschlossen sind.

Aktiengesellschaft BROWN, BOVERI & CIE.

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