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Einrichtung zur Temperaturregelung von Heißdampf durch Wassereinspritzung
Es ist bereits eine Einrichtung zur Temperaturregelung von Heißdampf bei Zwangdurchlaufkesseln
bekanntgeworden, bei der zwei Wassereinspritzstellen vorgesehen sind, nämlich eine
Wassereinspritzung in der Nähe des Überhitzeraustritts und eine ihr vorgeschaltete
Einspritzstelle in einem niedrigeren Temperaturgebiet des überhitzers. Die nachgeschaltete
Einspritzstelle wird dabei in Abhängigkeit von der Überhitzeraustrittstemperatur,
die vorgeschaltete dagegen von der Temperatur kurz hinter dieser vorgeschalteten
Einspritzstelle geregelt.
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Üblicherweise besteht die Aufgabe der geregelten Wassereinspritzung
in dampfführende Teile des Zwangdurchlaufkessels darin, bei der Temperaturregelung
des gesamten Kesselsystems korrigierend einzugreifen, wenn es nötig ist, Temperaturwerte
zu berichtigen, die trotz weitgehend ordnungsgemäß arbeitender Temperaturregelung
des Kessels von der Regelung nicht erfaßt werden. So gilt es also beispielsweise,
das Brennstoff-Arbeitsmittel-Verhältnis zu berichtigen, wenn dies durch irgendwelche
äußere Umstände einmal vorübergehend gestört ist. Dabei wird im allgemeinen vorausgesetzt,
daß im großen und ganzen bereits ein Gleichgewichtszustand vorhanden ist, d. h.,
daß bei einer vorgegebenen Kesselbelastung die Menge des zugeführten Speisewassers
einerseits und die zugeführte
Wärme, d. h. die Brennstoffzufuhr
andererseits, vorgeschriebene Werte aufweisen, bei denen sich die erforderliche
Frischdampftemperatur einstellt.
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Wenn nun der Gleichgewichtszustand überraschend gestört ist, indem
beispielsweise sich die Wärmezufuhr ändert, sei es durch Schwankungen in der Brennstoffzufuhr,
sei es durch unterschiedliche Qualität des Brennstoffes, oder wenn andere kurzfristige,
nicht vorher abzusehende Störungen auftreten, die von der trägen und nur auf Einhaltung
von Mittelwerten ausgerichtete Kesselregelung nicht erfaßt werden und auch nicht
erfaßt werden sollen, ist es Aufgabe der Einspritzregelung, hier möglichst schnell
wirksam einzugreifen.
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Die Einspritzregelung kann und soll natürlich die Kesselregelung nicht
ersetzen, da eine Wassereinspritzung in den dampfführenden Teil des Kessels stets
den thermischen Wirkungsgrad der Anlage herabsetzt. Andererseits ist man aber gezwungen,
um nicht nur überhöhte Temperaturen durch Einspritzen einer mehr oder weniger großen
Wassermenge zu mindern, sondern um auch umgekehrt bei Auftreten zu niedriger Dampftemperaturen
die Einspritzwassermenge verringern zu können, stets mit einer bestimmten Grundeinspritzwassermenge
zu arbeiten, die also bedarfsweise bald erhöht und bald erniedrigt werden kann.
Im Extremfall muß die Einspritzregelung beim Berichtigen besonders niedriger Dampftemperaturwerte
bis zu einem Einspritzwert von Null verringert werden. Mit der Wahl der Größe der
Dauereinspritzmenge liegt dieser Regelbereich fest; umgekehrt muß man also, wenn
der Regelbereich zur Ausregelung zu niedriger Dampftemperaturwerte groß bemessen
werden soll, eine entsprechend hohe Dauereinspritzung vorsehen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Einspritzregelung so
zu gestalten, daß die Wassereinspritzmengen so gering wie nur irgend möglich gehalten
werden können, um den thermischen Wirkungsgrad der Gesamtanlage möglichst wenig
zu verschlechtern. Es kommt also darauf an, die Wirksamkeit der Wassereinspritzung
zu steigern, um mit geringer Einspritzmenge einen größeren Regelbereich zu erhalten,
als dies bisher möglich war.
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Ausgangspunkt der Erfindung ist dabei die eingangs geschilderte Einrichtung
unter Verwendung von zwei Wassereinspritzstellen, von denen die - in Strömungsrichtung
des Arbeitsmittels gesehen - nachgeschaltete in der Nähe des Überhitzeraustritts
liegt und in Abhängigkeit von der Überhitzeraustrittstemperatur geregelt wird. Die
vorgeschaltete Einspritzstelle, die sich in einem niedrigeren Temperaturgebiet des
Überhitzers befindet, wird dort in Abhängigkeit von der Temperatur kurz hinter dieser
vorgeschalteten Stelle geregelt.
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Die nachgeschaltete, in der Nähe des Überhitzeraustritts liegende
Einspritzstelle kann gemäß einem älteren Vorschlag noch durch einen Impuls beeinflußt
werden, der die Tendenz der Temperaturänderung in die Regelung einführt. Hierbei
wird also nicht nur der Temperaturwert als solcher überwacht, sondern auch die Tendenz
seiner Änderung im positiven oder negativen Sinn. Ein bekanntes Mittel hierfür enthält
zwei gegeneinandergeschaltete Temperaturfühler, von denen der eine unmittelbar die
Dampftemperatur mißt, während der zweite wärmeisoliert in der Weise angeordnet ist,
daß er auf die Dampftemperaturschwankungen erst nach einer gewissen Zeit, d. h.
also verzögert, anspricht. So heben sich im Gleichgewichtszustand die elektromotorischen
Kräfte zweier Thermoelemente auf. Beim Übergang auf jeden beliebigen anderen Temperaturwert
folgt das wärmeisolierte Thermoelement nach Ablauf einer gewissen Zeit dem direkt
beeinflußten Thermoelement verzögert nach, so daß unabhängig von der Temperaturhöhe
sich allmählich immer wieder ein Nullwert einstellt, wenn die elektromotorischen
Kräfte der beiden Thermoelemente dann entgegengesetzt gleich sind. Ein solches Tendenzmeßgerät
ist also geeignet, die augenblicklichen Temperaturänderungen und dadurch die Tendenz,
nach welcher Richtung sich die Temperatur verschieben will, zu erfassen. Das Vorhandensein
eines derartigen, die Tendenz der Temperaturänderung erfassenden Temperaturmeßgerätes
wird bei der Einrichtung nach der Erfindung ebenfalls ausgenutzt.
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In Unterscheidung von den geschilderten, bekannten Regeleinrichtungen
besteht die Erfindung darin, daß zur Verbesserung der Einspritzregelung mit zwei
Einspritzstellen zwei Maßnahmen getroffen werden, und zwar daß einerseits die vorgeschaltete
Einspritzstelle, die durch einen in Strömungsrichtung dicht hinter ihr liegenden
Temperaturimpuls gesteuert wird, an einer Stelle des kombinierten Strahlungs- und
Berührungserhitzers eingebaut ist, an welcher die Temperatur bei allen Belastungen
im wesentlichen gleichbleibt, und daß andererseits bei Verwendung eines die Tendenz
der Temperaturänderung erfassenden Temperaturmeßgerätes zur Abgabe eines Vorimpulses
auf die nachgeschaltete Einspritzstelle dieses Tendenzmeßgerät ebenfalls hinter
die vorgeschaltete Einspritzstelle gelegt ist. Der Tendenzimpuls wirkt nun auf die
in der Nähe des Überhitzeraustritts liegende nachgeschaltete Einspritzstelle neben
dem von der Austrittstemperatur ausgehenden Temperaturimpuls als Vorimpuls ein.
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Wenn die vorgeschaltete Einspritzstelle an einem Ort des überhitzers
eingebaut werden soll, an dem die Dampftemperatur bei allen Belastungszuständen
des Kessels im wesentlichen gleichbleibt, so läßt sich ein solcher Ort praktisch
in allen Fällen schaffen, wenn man den ersten Überhitzer als kombinierten Strahlungs-
und Berührungsüberhitzer ausbildet. Es ist bekannt, daß die Charakteristik eines
reinen Berührungsüberhitzers eine niedrige Dampftemperatur bei niedriger Kessellast
und eine hohe Dampftemperatur bei hoher Kessellast aufweist. Bei. einem Überhitzer
mit reiner Berührungscharakteristik würde also die Temperatur mit der Kesselbelastung
ansteigen. Umgekehrt ist bei der Charakteristik eines reinen Strahlungsüberhitzers
mit niedriger Kesselast eine hohe Dampftemperatur
und mit einer
hohen Kessellast eine niedrige Dampftemperatur verbunden. Mit steigender Kesselbelastung
würden also die Überhitzertemperaturen absinken. Bei Ausbildung des Überhitzers
als kombinierter Strahlungs- und Berührungsüberhitzer gelingt es, einen Bereich
im Überhitzer zu finden, in dem sich die Charakteristiken des Strahlungs- und des
Berührungsteiles kompensieren und dementsprechend die Temperatur bei allen Belastungszuständen
im wesentlichen gleichbleibt.
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Dies ist für die gesamte Einspritzregelung von außerordentlichem Vorteil.
Man besitzt also nicht nur für die nachgeschaltete Wassereinspritzstelle die übliche
Regelung auf einen vorgeschriebenen konstanten Temperaturwert (Frischdampftemperatur),
sondern kann nun auch die vorgeschaltete Einspritzstelle ebenfalls auf einen konstanten
Temperaturwert regeln, der sonst als lastabhängiger Sollwert in die Regelung eingegeben
werden müßte. Dies bedeutet, daß bei sorgfältiger Ausbildung der Kesselregelung
nicht nur am Überhitzeraustritt, sondern auch im Bereich der vorgelagerten Einspritzstelle
stets konstante Dampftemperaturen. herrschen, solange nicht das Gleichgewicht zwischen
Wärmezufuhr und Arbeitsmittelzufuhr gestört wird. Die zur Grundeinspritzung benötigten
Wassermengen sind demgemäß an den Einspritzstellen im wesentlichen proportional
der Kessellast. Dies bedeutet, daß man ähnlich wie bei der eingangs geschilderten
bekannten Einrichtung von der Speisewasserzufuhr eine Teilmenge abzweigen kann,
die sich somit von sich aus bereits proportional der sich mit zunehmender Last vergrößernden
Speisewassermenge ändert, also praktisch der Kesselbelastung stets proportional
ist. Diesen Vorteil konnte man sich bei der bekannten Einrichtung aber noch nicht
zunutze machen, denn wenn dort die vorgeschaltete Einspritzstelle an einer Stelle
des Überhitzers lag, in welchem die Charakteristik des Berührungsüberhitzers vorherrscht,
so bedeutete das Verhalten dieses Überhitzers eine erhöhte Dampftemperatur mit zunehmender
Kesselbelastung, die wiederum eine über die Proportionalität mit der Kessellast
hinaus gesteigerte Grundeinspritzwassermenge erforderte. Demgegenüber braucht, wie
gesagt, die zur Einspritzung benötigte Menge bei der Einrichtung nach der Erfindung
jetzt nur proportional der Kessellast anzusteigen und muß nicht darüber hinaus noch
vermehrt werden.
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Die Wahl der Stelle für die vorgeschaltete Einspritzung an einem Ort
gleichbleibender Temperatur hat aber nicht nur für die vorgeschaltete Einspritzstelle
Vorteile, sondern ist auch besonders günstig zur Abnahme des geschilderten Vorimpulses
für die nachgeschaltete Einspritzstelle. Wenn man die Herleitung des Impulses vom
Tendenzmeßgerät hinter der zweiten Einspritzstelle vornehmen wollte, die ja im Gebiet
der ausgesprochenen Berührungscharakteristik liegt, so würde der Einfluß dieses
Verhaltens mit niedriger werdender Dampftemperatur bei verringerter Kessellast und
steigender Dampftemperatur bei zunehmender Kessellast auf das Tendenzmeßinstrument
zu falschen Impulsen führen können. Demgemäß bedeutet es ebenfalls einen wesentlichen
Vorteil, wenn erfindungsgemäß auch das Tendenzmeßgerät hinter der ersten Einspritzstelle
liegt, wo im Gleichgewichtszustand belastungsunabhängig gleichbleibende Dampftemperaturen
herrschen.
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Solange die Kesselregelung einwandfrei arbeitet und nicht irgendwelche
Störeinflüsse wirksam sind, braucht, wie gesagt, die Einspritzregelung nicht einzugreifen.
Es sind also keine Änderungen der Einspritzmengen vorzunehmen. Erst wenn die Störeinflüsse
von der Kesselregelung nicht mehr bewältigt werden können oder solange die verhältnismäßig
träg arbeitende Kesselregelung den plötzlich geänderten neuen Bedingungen noch nicht
nachgekommen ist, greift die Einspritzregelung korrigierend ein. Unter der Voraussetzung
einer einwandfrei arbeitenden Regelung des gesamten Kesselsystems ist die an beiden
Einspritzstellen zugeführte, vom Grundwert abweichende Wassermenge ein Maß für die
Störung des Gleichgewichts zwischen Wärmezufuhr (Brennstoff) und Arbeitsmittelzufuhr
(Speisewasser). In Weiterbildung der Erfindung kann man diese Erscheinung daher
zu einer weiteren Ausgestaltung der Regelung (im Sinne einer Grenzregelung) heranziehen.
Wenn man nämlich die Einspritzmenge mißt, so kann man mit diesem Meßwert beispielsweise
die Feuerung beeinflussen. So kann ein die gesamte Einspritzmenge überwachendes,
als Grenzregler wirkendes Gerät vorgesehen sein, das bei Überschreiten einer vorgewählten
Einspritzmenge die Brennstoffzufuhr verringert und bei Unterschreiten einer bestimmten
Einspritzmenge die Brennstoffzufuhr steigert.
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An Hand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Die
Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel in seinen für die- Erfindung wesent-
| lichen Teilen in stark vereinfachter schematischer |
| Darstellung. |
| Der Hochdruckteil des Kessels beginnt mit dem |
| beispielsweise überwiegend Strahlungswärme auf- |
| nehmenden Heizfläehenteil r, in welchem Vorwär- |
| mung und Verdampfung des flüssigen Arbeitsmittels |
| stattfindet, das durch die Kesselspeisepumpe 16 ge- |
| fördert wird. An den Verdampfer schließen sich |
| Überhitzerheizflächen z und 3 an, von wo aus das |
| verdampfte und überhitzte Arbeitsmittel dann in |
| die Frischdampfleitung q. strömt. Zur Korrektur |
| der Dampftemperatur in der Leitung q. ist nicht |
| allzu weit vom Überhitzeraustritt eine Einspritz- |
| stelle 5 vorgesehen, der das Einspritzwasser über |
| das vom Regler 1:I betätigte, an die Einspritz- |
| leitung i2 angeschlossene Ventil 6 zugeführt wird. |
| Ein Temperaturimpuls 7, der hinter dem Ausgang |
| des Endüberhitzers 3 abgenommen wird, beeinflußt |
| den. Regler 1.4 für das Ventil 6 in der Weise, daß |
| bei Anstieg der Frischdampftemperatur über den |
| vorgeschriebenen Wert hinaus das Ventil geöffnet |
| wird, während bei absinkender Temperatur eine |
| entsprechende Verstellung in schließendem Sinne |
| vorgenommen wird. |
Eine derartige Einspritzregelung ist durch die eingangs geschilderte
Einrichtung bekannt geworden. Dort hat man auch schon eine vorgelagerte Einspritzstelle
8 vorgesehen, die von einem Regler 15 mit dem Ventil 9 unter dem Einfluß der an
einer Stelle i i dicht hinter der Einspritzstelle 8 gemessenen Temperatur gesteuert
wird. Bei der bekannten Einrichtung ging es vor allem darum, mit der vorgeschalteten
Einspritzstelle zu verhindern, daß unzulässig hohe Temperatursteigerungen erst durch
die nachgeschaltete Einspritzstelle, die unweit vom Überhitzeraustritt liegt, korrigiert
werden. Wenn man nämlich, wie dies bei neuzeitlichen Kesseln üblich ist, mit hohen
Temperaturen arbeitet, und wenn die zum Aufbau der Überhitzerheizflächen verwendeten
Werkstoffe gerade noch ausreichen, diesen Temperaturen standzuhalten, könnte eine
unzulässige Temperaturerhöhung die Überhitzerheizflächen gefährden. Da also jetzt
der Temperaturimpuls an der Stelle i i dicht hinter der Einspritzstelle 8 abgenommen
wird, können eintretende Temperaturänderungen nunmehr schon unmittelbar hinter der
Einspritzstelle mit geringer zeitlicher Verzögerung abgefangen werden. Übrigens
wird auch schon bei der eingangs beschriebenen bekannten Einrichtung durch Anordnen
der Abzweigung der Einspritzleitung 12 hinter der Speisewasserpumpe 16 angestrebt,
die Einhaltung eine Proportionalität zwischen Einspritzwassermenge und Hauptspeisewassermenge
zu erleichtern.
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Erfindungsgemäß ist nun einerseits die Einspritzstelle 8 für die vorgeschaltete
Einspritzung in einen Bereich 13 des kombinierten Strahlungs- und Berührungsüberhitzerteils
2 gelegt, in welchem die Temperatur bei allen Belastungen im wesentlichen gleich
bleibt, andererseits aber auch kurz hinter der vorgeschalteten Einspritzstelle 8
jetzt ein die Tendenz der Temperaturänderung erfassendes Temperaturmeßgerät 17 angeordnet.
Dieses Meßgerät gibt bei gleichbleibender oder sich nur ganz langsam ändernder Temperatur
keinen Impuls ab. Wenn aber die Temperatur schnell ansteigt oder absinkt, wird,
wie durch die Impulslinie 18 versinnbildlicht ist, ein von der Richtung der Temperaturänderung
abhängiges Signal auf den Regler 14 gegeben, der das Ventil 6 für die nachgeschaltete
Einspritzstelle 5 steuert. Das über die Impulsreihe 18 gegebene Signal wirkt dabei
als Vorimpuls und korrigiert Fehler, die von der vorgeschalteten Einspritzung an
der Stelle 8 noch nicht ausgeglichen werden konnten. Für die Gewinnung des Vorimpulses
ist es von besonderem Vorteil, daß der Temperaturfühler dicht hinter der Einspritzstelle
8 liegt, wo die Dampftemperatur bei allen Belastungszuständen im wesentlichen gleichbleibt.