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Dampfkraftanlage mit einem Niederdruckverbrauchernetz, das mit dem
Abdampf einer durch Ändern der Beaufschlagung regelbaren Dampfturbine gespeist wird,
und mit einer Hilfskraf tmaschine zum Antrieb der Betriebsmittelfördereinrichtungen
für den Dampferzeuger Die Erfindung betrifft eine Dampfkraftanlage mit einem Niederdruckverbrauchernetz,
das mit dem Abdampf einer durch Ändern der Beaufschlagung regelbaren Dampfturbine
gespeist wird, und die eine Hilfskraftmaschine zum Antrieb der Betriebsmittelfördereinrichtungen
für den Dampferzeuger aufweist. Sie macht sich zur Aufgabe, für eine solche Anlage
eine Regeleinrichtung zu schaffen, die gestattet, sowohl die Leistung der Turbine,
unabhängig vom Niederdruckdampfbedarf, als auch den Niederdruckdampfbedarf, unabhängig
von der Leistung der Turbine, ändern zu können.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Regler
der Turbine so ausgebildetwird,daß dieTurbinenbeaufschlagung bei steigender Turbinendrehzahl
vergrößert, bei sinkender Drehzahl vermindert wird, und daß gleichzeitig die Hilfskraftmaschine
einem Regler unterstellt wird, der - sofern die von ihr angetriebene Kesselspeisepumpe
eine Kreiselpumpe ist -ihre Treibmittelzufuhr bei sinkendem Druck im Niederdruckverbrauchernetz
steigert, bei steigendem Druck vermindert, der aber - sofern die von ihr angetriebene
Pumpe eine Kolbenpumpe ist - ihre Drehzahl ständig auf einen bestimmten Sollwert
einregelt, .der selbsttätig bei fallendem Druck im Niederdrucknetz vermindert, bei
steigendem Druck erhöht wird.
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Daß das gesteckte Ziel tatsächlich mit einer derartigen Regelanordnung
erreicht wird; geht am besten aus einer Betrachtung der verschiedenen möglichen
Betriebsfälle unter Zuhilfenahme der Zeichnung hervor, die schematisch den Aufbau
der Anlage erkennen läßt.
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Bei der in der Abbildung dargestellten Anlage ist das Frischdampfnetz
mit r, das Niederdruckverbrauchernetzmit 2 bezeichnet. Die Turbine 3 erhält über
die Leitung q. und die zu- und abschaltbaren Düsen des Düsenkastens 5 (in der Zeichnung
ist der Einfachheit halber nur eine Düse angedeutet) Dampf aus dem Frischdampfnetz,
den sie nach der Entspannung unter Arbeitsleistung als Abdampf an das Niederdrucknetz
2 abgibt. Die Turbine 3 dient beispielsweise zum Antrieb eines Generators 6. Die
Düsen der Düsengruppe 5 können durch einen von der Maschine 3 angetriebenen Drehzahlregler
7 nacheinander geöffnet oder geschlossen werden, und zwar wirkt der Drehzahlregler
derart auf sie ein, daß bei steigender Drehzahl Düsen zu-, bei fallender Drehzahl
Düsen abgeschaltet
werden. Um in Fällen, in denen das Schluckvermögen
der Turbine 3 nicht ausreicht, den Dampfbedarf des Netzes 2 zu befriedigen, genügend
Niederdruckdampf zur Verfügung stellen zu können, ist eine Uberströmleitung ä vorgesehen,
die ein Regelorgang enthält. Dieses Regelorgan wird von dem Regler 7 aus durch einen
Grenzimpuls verstellt, d. h. es wird nur geöffnet, nachdem vorher sämtliche Düsen
des Düsenkastens 5 geöffnet worden sind. Der Dampferzeuger der Anlage ist mit io
bezeichnet. Wie späterhin bei der Betrachtung der verschiedenen Betriebsfälle verständlich
wird, kommt hierfür vorzugsweise ein Dampferzeuger mit kleinem Speichervermögen,
also beispielsweise ein Zwangsströmröhrendampferzeuger, in Frage. Das Speisewasser
für den Dampferzeuger wird durch eine Pumpe ii gefördert, die von einer Hilfskraftmaschine
12, etwa einer Turbine, angetrieben wird. Die Speisepumpe ii kann entweder eine
Kolbenpumpe oder eine Kreiselpumpe sein. Die Dampfzufuhr zur Hilfsturbine i2, die
ebenfalls mit Dampf aus der Hochdruckleitung i gespeist wird, ist mit Hilfe des
. Ventiles 13 regelbar. Für den Fall, daß die Pumpe ii eine Kolbenpumpe ist, hält
der Regler iq. ständig eine bestimmte Solldrehzahl ein, die selbsttätig mit fallendem
Druck im Netz 2 vermindert, bei steigendem Druck erhöht wird. Wird hingegen an Stelle
einer Kolbenpumpe eine Kreiselpumpe - als Speisepumpe verwendet, so wirkt der Druckimpuls
aus der Leitung :z nicht auf die Änderung des Drehzahlsollwertes, sondern auf die
Änderung der Dampfzufuhr zur Antriebsmaschine 12 hin. Der Regler 1q. ist in diesem
Falle nur ein Sicherheitsregler, der das Überschreiten einer gefährlichen Höchstdrehzahl
zu verhindern hat.
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Bei der Untersuchung des Verhaltens der Anlage im Betrieb werden im
nachfolgenden vier Fälle unterschieden. Für alle vier Fälle ist zunächst vorausgesetzt,
daß als Speisepumpe eine Kolbenpumpe verwendet wird, und daß der Dampferzeuger io
nur, wie schon erwähnt, ein kleines Speichervermögen besitzt. Falli: Die Leistung
der Maschine 3 soll unabhängig vom Dampfbedarf des Netzes 2 unverändert gehalten
werden, und es sei angenommen, daß der Dampfbedarf im Netz 2 anwächst. Dann spielt
sich folgendes ab. Bei steigendem Dampfbedarf im Netz 2 sinkt zunächst der Druck
ab: Das der Maschine 3 zur Verfügung stehende Gefälle vergrößert sich, und die Maschine
beginnt sich zu beschleunigen. Die Folge ist, daß der Drehzahlregler 7 eine oder
mehrere Düsen der Düsengruppe 5 zuschaltet. Dadurch wird der Strömungswiderstand,
der sich dem aus dem Dampferzeuger io kommenden Dampf auf dem Wege bis zum Austritt
der Maschine 3 entgegenstellt, verringert, so daß an der' Eintrittsstelle der Turbine
3 eine entsprechende Druckabsenkung die Folge ist. Das Gefälle, das sich vorher
dadurch vergrößert hatte, daß infolge des vermehrten Heizdampfverbrauches im Netz
2 der Druck hinter der Turbine 3 abgesunken war, wird also wieder vermindert, bis
die gleichbleibende Leistungsabgabe derTurbine 3 erreicht ist. Das Gleichgewicht
der Anlage bliebe aber zunächst noch gestört, da der erhöhten Dampfentnahme im Netz
2 auf der anderen Seite noch keine erhöhte Dampferzeugung gegenübersteht. Eine Erhöhung
der Dampferzeugung tritt dadurch ein, daß durch das Absinken des Druckes in der
Leitung 2 die Drehzahlverstelleinrichtung des Reglers 1q im Sinne einer Erhöhung
des Drehzahlsollwertes verstellt wird. Die Pumpe ii beginnt schneller zu laufen
und mehr Speisewasser zu fördern. Das hat eine Druckerhöhung zur Folge. Eine Druckerhöhung
ist aber gleichbedeutend init einer Vergrößerung des Gefälles für die Turbine 3.
Die Turbine 3 wird infolgedessen nochmals das Bestreben zeigen, eine höhere Drehzahl
anzunehmen. Dem arbeitet der Fliehkraftregler 7 entgegen, indem er nochmals eine
oder mehrere Düsen des Düsenkastens 5 zuschaltet, und zwar so viel, bis durch diese
Ouerschnittsvergrößerung eine für die Wiederherstellung der normalen Turbinendrehzahl
notwendigeAbsenkung des Eintrittsdruckes vor der Turbine erreicht ist. Das Endergebnis
des Regelvorganges im Augenblick des Wiedereintretens des Regelgleichgewichtes ist
schließlich folgendes. Der Druck im Netz 2 erreicht wieder seinen Ursprungswert.
Der Dampfdurchlaß der Turbine 3 ist entsprechend dem vergrößerten Dampfbedarf des
Netzes 2 angewachsen. Der Eintrittsdruck vor dem Düsenkasten 5 und damit auch das
Druckgefälle der Turbine sind geringer geworden als vorher, und zwar hat die Gefällshöhe,
da die Leistung der Turbine durch die beiden Faktoren Gefällshöhe und Durchsatz
bestimmt wird, schließlich, um so viel abgenommen, wie auf der anderen Seite die
Durchsatzmenge zugenommen hat. Die Leistung der Turbine 3 ist damit trotz des größeren
Dampfdurchsatzes unverändert geblieben. Fall 2: Der Dampfbedarf des Netzes 2 verringert
sich, die Leistung der Turbine 3 soll unverändert bleiben. Bei Verringerung des
Dampfbedarfes im Netz 2 steigt zunächst der Druck im Netz 2 an. Das Druckgefälle,
das der Maschine 3 zur Verfügung steht, und die Drehzahl der Maschine3 verringern
sich infolgedessen. Der Drehzahlregler 7 schließt eine oder mehrere Düsen des Düsenkastens
5, und zwar so viel Düsen, daß ein Druckanstau und damit eine Erhöhung des
Druckes
vor der Turbine 3 eintritt, die ausreichend ist, das Gefälle der Turbine 3 wieder
auf den ursprünglichen Wert zurückzuführen. Gleichzeitig damit geht wiederum selbsttätig
eine Änderung der Menge der Dampferzeugung einher. Durch einen Druckimpuls aus dem
Netz :z wird die Drehzahlverstelleinrichtung des Reglers 14 auf einen niedrigeren
`'Wert eingestellt. Damit vermindert sich der Druckstau vor dem Düsenkasten 5. Der
Druck vor dem Düsenkasten 5 wird durch Schließen weiterer Düsen nochmals angestaut,
bis schließlich wieder der Gleichgewichtszustand eintritt. In diesemAugenblick liegen
die Verhältnisse so, daß der Druck vor dem Düsenkasten 5 größer ist als. vor dem
Regeleingriff. Das Gefälle als der eine die Leistung der Turbine bestimmende Faktor,
hat um so viel zugenommen als der zweite Faktor, nämlich der Dampfdurchsatz, abgenommen
hat. Die Leistung der Turbine 3 ist also auch hier unverändert geblieben.
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Fall 3: Der Dampfbedarf im Netz 2 bleibt unverändert, die Belastung
der Turbine 3 wird erhöht. Die Folge ist, daß die Drehzahl der Maschine 3 abfällt
und der Regler 7 eine oder mehrere Düsen des Düsenkastens 5 schließt. Der Druck
vor der Turbine steigt infolge des Druckanstaues an, und die Turbinenleistung vergrößert
sich reit dem durch das Anstauen wachsenden Gefälle. Da von dem Dampfnetz 2 her
infolge des dort herrschenden gleichbleibenden Druckes kein Impuls zur Veränderung
der Drehzahl der Speisepumpe ii ausgeht, bleiben die Drehzahl der Pumpe, die Dampferzeugung
und Dampfzulieferung an das Netz 2 unverändert. Die Pumpe ii erfordert jedoch eine
erhöhte Antriebsleistung, da sich dem Durchfluß des Arbeitsmittels infolge des Schließens
einer oder mehrerer Düsen ein erhöhter Gegendruck entgegenstellt. In diesem Fall
erfolgt von selbst die erhöhte Dampfzufuhr zu der Turbine i2 durch eine entsprechende
Einregelung seitens des Fliehkraftreglers 1q., der auf eine gleichbleibende Drehzahl
der Maschine 12 hinregelt. Der Dampfdurchsatz für die Turbine 3 und damit die in
das Dampfnetz 2 gelangende Dampfmenge sind also unverändert geblieben. Die -erhöhte
Leistung der Turbine 3 wird durch das neue vergrößerte Gefälle aufgebracht. Fall
q.: Der Dampfbedarf im Netz 2 bleibt unverändert, die Belastung der Maschine 3 wird
verringert. Infolge der Verringerung der Belastung der Maschine steigt die Drehzahl,
und der Regler 7 öffnet eine oder mehrere Düsen des Düsenkastens 5. Der Druck vor
der Turbine verringert sich, das Gefälle wird also kleiner, die Leistung der Turbine
also vermindert. Da der aus dem Dampferzeuger kommende Dampf damit einen geringeren
Strömungswiderstand zu überwinden- hat, vermindert sich auch die erforderliche Arbeitsleistung
für die Pumpe ii. Dementsprechend vermindert der Drehzahlregler 1q. selbsttätig
die Dampfzufuhr zur Antriebsmaschine 12 der Speisepumpe ii. Die Turbine 3 verarbeitet
also schließlich ein geringeres Druckgefälle, liefert aber, da die Drehzahl der
Pumpe ii und damit die Liefermenge des Dampferzeugers io unverändert geblieben sind,
nach wie vor die gleiche Abdampfmenge in das Netz 2.
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Bei der Betrachtung der vorstehenden q. Betriebsfälle war die Verwendung
einer Kolbenpumpe vorausgesetzt worden. Es bestehen indessen keine Schwierigkeiten,
die Kolbenpumpe zu ersetzen. In diesem Falle muß an die Stelle einer Beeinflussung
der Sollwertdrehzahl des Reglers 1q. durch den Druckimpuls vom Dampfnetz 2 her eine
Beeinflussung der Dampfzufuhr zur Turbine 12 treten. Der Drehzahlregler 1q. dient
in diesem Falle, wie schon erwähnt, nur als Sicherheitseinrichtung gegen Überschreiten
einer Hilfsdrehzahl. Der Kreiselpumpe eine bestimmte Drehzahl aufzuzwingen ginge
nicht an, da bekanntlich die Förderleistung einer Kreiselpumpe nicht wie bei der
Kolbenpumpe allein durch die Drehzahl verändert werden kann oder bestimmt ist, sondern
zugleich auch eine Funktion des zu überwindenden Förderdruckes ist. Untersuchungen,
die diese Zusammenhänge berücksichtigen, haben aber gezeigt, daß die Verwendung
einer Kreiselpumpe im vorliegenden Falle keineswegs zu Schwierigkeiten führt, wenn
man es nur der Pumpe überläßt, sich selbst bei Veränderung der Dampfzufuhr durch
das Ventil i3 auf die jeweils vorliegenden Betriebsbedingungen einzustellen.
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Die Abwicklung der Vorgänge bei den beschriebenen Regelfällen i und
2 erfährt durch die Verwendung einer Kreiselpumpe als Kesselspeisepumpe keine grundsätzliche
- Wandlung. Anders liegt es dagegen bei den Regelfällen 3 und q., so daß es notwendig
erscheint, für diese Fälle die Vorgänge, wie sie sich bei Verwendung einer Kreiselpumpe
abspielen,kurz zu betrachten.
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In den beiden vorbeschriebenen Fällen 3 und ¢ war ein gleichbleibender
Dampfbedarf im Netz 2 angenommen. Die Leistungserhöhung bzw. Erniedrigung der Turbine
3 sollte dadurch erreicht werden, daß ein Druckanstau bzw. eine Druckabsenkung vor
dem Düsenkasten 5 herbeigeführt wird. Das würde aber eine Änderung 'des Förderwiderstandes
der Kesselspeisepumpe bedeuten, die im Falle einer Verwendung einer Kreiselpumpe
eine Änderung der gerade unverändert zu lassenden Fördermenge nach sich ziehen würde.
Tatsache ist dann auch, daß in diesen Fällen zunächst eine solche ungewollte
Fördermengenänderung
eintritt. Die Folge ist, daß dann aber im Netz 2 schließlich der Druck hochgetrieben
wird bzw. absinkt. Das löst einen vom Netz 2 ausgehenden Druckimpuls aus, der in
der früher beschriebenen Weise auf das Ventil 13 einwirkt und die Drehzahl der Maschine
12 und damit die der Pumpe tr so verändert, daß schließlich eine Förderung bei gleichbleibender
Menge aber gegen den neuen Druck hergestellt wird.