DE2542097C2

DE2542097C2 - Dampfkraftanlage mit druckgefeuertem Dampfkessel

Info

Publication number: DE2542097C2
Application number: DE19752542097
Authority: DE
Inventors: Hans Dr.-Ing. Baden Pfenninger
Original assignee: Bbc AG Brown Boveri & Cie 5401 Baden Aargau; BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1975-08-22
Filing date: 1975-09-20
Publication date: 1983-10-13
Also published as: CH592273A5; SE7609208L; FR2321588B3; DE2542097A1; FR2321588A1

Description

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Die Erfindung betrifft eine Dampfkraftanlage mit druckgefeuertem Dampfkessel, der eine Aufladegruppe aufweist, welche einen Turboverdichter zur Förderung der Verbrennungsluft und eine dem Dampfkessel gasseitig nachgeschaltete Gasturbine umfaßt, bei hohen Druckverhältnissen arbeitet und weder Leistung nach außen abgibt noch Leistung von außen aufnimmt, und der Frischdampfregler über ein hydraulisches oder elektrisches System sowohl die Brennstoffmenge regelt als auch durch Regelung der Aufladegruppe die notwendige Luftmenge der eingeregelten Brennstoffmenge zuordnet, wobei der Frischdampfregler bei abnehmender Last die Drehzahl der Aufladegruppe bis zu einem vorbestimmten Wert absenkt und bei zunehmender Last die Drehzahl der Aufladegruppe erhöht.

Druckgefeuerte Dampfkessel für Dampfkraftanlagen sind seit langem unter dem Namen »Velox« bekannt und in der Praxis angewendet. Der aufgeladene Dampfkessel weist eine Aufladegruppe auf, in welcher die Verbrennungsluft in einem Turboverdichter, üblicherweise ein Axialverdichter, auf den Brennkammerdruck verdichtet wird und die den Dampfkessel verlassenden Feuerungsgase in einer Gasturbine, welche den Verdichter antreibt, entspannt werden. Solche Anlagen sind besonders dann interessant, wenn der Brennkammerdruck, wie aus der CH-PS 5 52 770 bekannt ist, über 9 bar beträgt und die Turbine nur den Verdichter antreibt. Es werden in diesem Falle einerseits die Kesseldimensionen klein, weil das Gasvolumen wegen des hohen Druckes klein ist und die Wärmeübergänge hoch sind, andererseits die Abgastemperaturen nach der Gasturbine tief sind, weil die Eintrittstemperatur in die Gasturbine niedrig und das Expansionsgefälle hoch ist, so daß keine Heizflächen nachgeschaltet werden müssen.

Die Anwendungsmöglichkeit dieser Auslegung ist aber beschränkt, denn der Turboverdichter hat nur ein enges Arbeitsgebiet und geratet bei sinkender Drehzüil rasch in das unstabile Gebiet Die Pumpgrenze wird bereits erreicht, wenn die Drehzahl auf 90% der Nenndrehzahl abgesunken ist Diese Unzulänglichkeit kann zwar durch Ausblaseschlitze zwischen den Leitschaufeln verbessert werden, dies genügt jedoch bei hohem Druckverhältnis bei weitem nicht, um gute Teillast-Wirkungsgrade zu erhalten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einer Dampfkraftanlage der genannten Art auch bei hohen Druckverhältnissen in der Aufladegruppe einen guten Teillast-Wirkungsgrad zu erzielen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Turboverdichter mit Verstellschaufeln versehen ist, die bei einer weiteren Lastabsenkung bei konstanter Drehzahl im Sinne einer Verminderung der Luftförderung verstellt und bei Lastanstieg zunächst zurückverstellt werden.

Die Verminderung der Drehzahl hat zur Folge, daß die Gefällkennziffer der Gasturbine weniger vom Optimalwert abweicht und deshalb auch bei der nachfolgenden Verstellung der Verdichterschaufeln weniger stark sinkt. Durch die dadurch erzielte Reduzierung der Verbrennungsluftmenge wird die Anlage bei Teillast wirtschaftlicher.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch und vereinfacht dargestellt.

Die Dampfkraftanlage besteht im wesentlichen aus der Hochdruck-Dampfturbine 1, der Niederdruck-Dampfturbine 2, welche zusammen den elektrischen Generator 3 antreiben, ferner aus dem Kondensator 4, der Kondensatpumpe 5 und dem Dampfkessel 6. Für 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.

Für 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 14 steht der Servomotor 17 in Verbindung, der über die Brennstoffdüsen 18 des Dampfkessels die Brennstoffzufuhr (nicht eingezeichnet) regelt, ferner der Servomotor 26, welcher die Leitschaufeln 27 des Turboverdichters 7 verstellt, endlich 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 Servomotor 28, welcher das Ventil 29 betätigt, das den Bypass 30 auf der Gasseite des Kesselteils 31 beeinflußt. An Stelle der Druckölsteuerung kann auch eine elektrische Steuerung mit den gleichen Funktionen treten.

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

Der Turboverdichter 1 verdichtet bei Vollast die

Verbrennungsluft auf mindestens 9 bar, die dadurch auf ca. 33O⁰C 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 Nachschaltheizfläche vermieden werden. Der Turboverdichter hat keinerlei Kühlung, das Speisewasser muß also weder durch die verdichtete Luft noch durch das Abgas erwärmt 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 Abstrahlungsx irluste die ganze Expansionswärme der Gasturbine an den Verdichter über, so daß 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.

Der Fliehkraftregler 21 hält die Drehzahl innerhalb seiner Ungleichförmigkeitsgrenze konstant, indem z. B. bei sinkender Drehzahl der Aufladegruppe der Steuerkolben der Büchse 20 deren Abfluß schließt und damit über die Druckölleitung 23 des Sekundärsystems und den Servomotor 28 das Bypassventil 29 öffnet. Dadurch steigt die Temperatur vor der Gasturbine 8 an und die Drehzahl der Aufladegruppe wird innerhalb der Ungleichförmigkeit des Reglers gehalten.

Um die Drehzahl der Aufladegruppe bei Teillast reduzieren zu können — was den Vorteil hat, daß die Verbrennungsluftmenge jederzeit der Last des Dampfkessels bzw. dei 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 die anschließende Verstellung der Leitschaufeln des Verdichters kann die Verbrennungsluftmenge auf etwa 55% abgesenkt werden, so daß zwischen Vollast und Halblast der Luftüberschuß im Dampfkessel praktisch konstant gehalten werden kann, was hinsichtlich einer sauberen Verbrennung und dementsprechend geringer Umweltverschmutzung sehr wichtig ist.

Steigt z. B. nahe der Vollast der Frischdarppfdruck, weil die Dampfturbinengruppe wegen einer Leistungsabnahme eine kleinere Dampfmenge benötigt, so öffnet der Frischdampfregler 12 den Abfluß 13 der Druckolleitung 14. Dadurch sinkt der Druck im Primäfsystem und schließt 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 geöffnet und dadurch der Steueröldruck in der Druckölieitung 23 des unabhängigen Sekundärsystems gesenkt wird. Das hat zur Folge, daß über den Servomotor 28 das Ventil 2? und damit der ίο Bypass 30 auf der Gasseite des Dampfkessels schließt. Dadurch wird die Temperatur vor der Gasturbine gesenkt und damit die Drehzahl der Aufladegruppe bzw. die Menge der geförderten Verbrennungsluft der neuen, kleineren Brennstoffmenge angepaßt ,5 Nimmt die Leistung und dadurch der Druck im Primärsystem noch weiter ab, so kann sich der Steuerkolben des Servomotors 19 nur bis zum Anschlag 32 bewegen. Damit ist die unterste Stellung der Büchse 20 erreicht und die Drehzahl der Aufladegruppe kann nicht mehr weiter absinken.

Durch eine entsprechende Bemessung der Federkräfte wird erreicht, daß der Servomotor 26 erst dann betätigt wird, wenn der Kolben des Servomotors 19 seine Endlage erreicht hat. Sinkt nun der Druck in der Leitung 14 weiter ab, so bleibt, wie eben gesagt, die Stellung des Kolbens des Servomotors 19 unverändert, dagegen bewegt sich nun der Kolben 15 und verstellt die Leitschaufeln 27 des Verdichters 7, bis auch hier durch den Anschlag 33 die Verstellgrenze erreicht ist. Bei vorübergehend fallendem Frischdampfdruck, d. h. bei steigender Last spielt sich der analoge Regelvorgang, aber im umgekehrten Sinne ab. Es werden zunächst die Leitschaufeln des Verdichters verstellt und erst nachher wird die Drehzahl erhöht. Durch den beschriebenen Regelvorgang erreicht die Drehzahl der Aufladegruppe bei etwa 90% der Nennlast die unterste Grenze. Von diesem Berriebspunkte an bleibt sie konstant und die Winkelverstellung der Schaufeln des Turboverdichters beginnt. Bei ca. 50% der Nennlast ist auch die Verstellung der Schaufeln an ihrer Grenze angelangt Von hier an bleibt die Luftmenge konstant und entsprechend einer weiteren Abnahme der Brennstoffmenge nimmt der Luftüberschuß zu.

Es wäre falsch, bei abnehmender Last zuerst die Schaufeln des Verdichters zu verstellen und erst dann die Drehzahl abzusenken, weil man dadurch von Anfang an in das Gebiet der geringen Gefällskennziffer der Gasturbine gelangen würde. Auch gleichzeitiges Verstellen der Schaufeln und Drehzahlabsenkung ist schlechter als die beschriebene Regelung. Hingegen würde es noch einen gewissen Vorteil bringen, außer den Leitschaufeln 27 auch die Laufschaufeln 34 des Verdichters 7, eventuell sogar noch die Schaufeln der Turbine zu verstellen, was jedoch mit einer komplizierteren Mechanik erkauft werden müßte.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Dampfkraftanlage mit druckgefeuertem Dampfkessel, der eine Aufladegruppe aufweist, welche einen Turboverdichter zur Förderung der Verbrennungsluft und eine dem Dampfkessel gasseitig nachgeschaltete Gasturbine umfaßt, bei hohem Druckverhältnis arbeitet und weder Leistung nach außen abgibt noch Leistung von außen aufnimmt, und der Frischdampfregler über ein hydraulisches ₎₀ oder elektrisches System sowohl die Brennstoffmenge regelt als auch durch Regelung der Aufladegruppe die notwendige Luftmenge der eingeregelten Brennstoffmenge zuordnet, wobei der Frischdampfregler bei abnehmender Last die Drehzahl der Aufladegruppe bis zu einem vorbestimmten Wert absenkt und bei zunehmender Last die Drehzahl der Aufladegruppe erhöht, dadurch gekennzeichnet, daß der Turboverdichter (7) mit Verstellschaufeln (27, 34) versehen ist, die bei einer weiteren Lastabsenkung bei konstanter Drehzahl im Sinne einer Verminderung der Luftförderung verstellt und bei Lastanstieg zunächst zurückverstellt werden.

2. Dampfkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur die Leitschaufeln (27) des Turboverdichters (7) verstellbar sind.

3. Dampfkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln (27) und die Laufschaufeln (34) des Turboverdichters verstellbar sind.