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Einrichtung zur Vergrößerung der Speicherfähigkeit einer in Blockschaltung
arbeitenden Dampfkraftanlage Das Hauptpatent betrifft eine Einrichtung zur Vergrößerung
der Speicherfähigkeit einer in Blockschaltung arbeitenden Dampfkraftanlage mit Kessel
und einer Turbine mit ungesteuerter Entnahme für Speisewasservorwärmung durch Entnahmedampf,
bei der die Abführung des Kondensats aus dem Kondensator wasserstandsabhängig gesteuert
ist. Dabei erfolgt diese Steuerung zusätzlich lastabhängig, beispielsweise druckabhängig,
und zwar in der Weise, daß bei steigendem Kesseldruck die Förderung der Kondensatpumpe
durch die Niederdruckvorwärmer zum Speisewasserbehälter erhöht und bei fallendem
Druck verringert wird. Bei dem Hauptpatent ist man dabei von der Schwierigkeit ausgegangen,
daß es infolge der verschiedenen Charakteristiken von Kessel und Turbine nicht möglich
ist, in einer Dampfkraftanlage bei Laständerungen die Kesselleistung der Turbinenlast
ohne Verzögerung anzupassen.
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Die sich hieraus ergebenden Regelaufgaben lassen sich beim Trommelkessel
verhältnismäßig leicht lösen, da der Trommelkessel einen Speicher darstellt, aus
dem durch Druckabsenkung beträchtliche Dampfmengen frei gemacht werden können und
der auch entsprechende Überschußdampfmengen aufspeichern kann.
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Beim Zwangdurchlaufkessel liegen die Verhältnisse ungünstiger. Zwar
ist auch bei diesem eine gewisse Speicherfähigkeit vorhanden, diese ist aber wesentlich
geringer als beim Trommelkessel. Das Speichervermögen des Zwangdurchlaufkessels
läßt sich durch Druckabsenkung bzw. Druckanstieg vergrößern. Stärkere Druck- und
Temperaturschwankungen sind jedoch vor der Turbine unerwünscht.
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Neuzeitliche Turbinen arbeiten allgemein mit ungesteuerter Entnahme
zur stufenweisen Vorwärmung des Kesselspeisewassers. Das Regenerativverfahren bietet
die Möglichkeit, die in der Turbine verarbeiteten Dampfmengen zu verändern, indem
man bei Dampfüberschuß, also steigendem Druck, den Wasserdurchfluß durch die Speisewasservorwärmer
vergrößert und bei absinkendem Kesseldruck verkleinert. Eine Verstärkung des Wasserdurchflusses
ist gleichbedeutend mit einer vergrößerten Entnahmemenge, und umgekehrt. Vergrößerte
Entnahme bedeutet aber zunächst Leistungsverringerung der Turbine, die durch Vergrößerung
der Frischdampfmenge ausgeglichen werden muß. Man kann also auf diese Weise Druckerhöhungen
abbauen. Einer Druckabsenkung kann man dann dadurch entgegenwirken, daß man umgekehrt
den Wasserdurchfluß durch die Regenerativvorwärmer verringert und damit die in der
Turbine bis zum Kondensator arbeitenden Dampfmengen vergrößert. Die Kesselregelung
eines Zwangdurchlaufkessels arbeitet verhältnismäßig schnell. Die Abweichung des
Istdruckes vom Solldruck dauert nur kurze Zeit an. Die Zeitspanne, innerhalb welcher
der Istdruck wieder auf den Solldruck gebracht werden kann, ist so gering, daß keine
ins Gewicht fallenden Wassermengen gespeichert zu werden brauchen.
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Nach dem Hauptpatent wird nun das Problem der Schaffung einer zusätzlichen
Speicherfähigkeit und schnellen Regelfähigkeit dadurch gelöst, daß die im Kondensator
anfallende Kondensatmenge abhängig vom Wasserstand im Kondensatsammler abgeführt
und diese Abführung einem Lastimpuls unterstellt wird, der beispielsweise vom Kesseldruck
ausgeht und gewissermaßen einen abweichenden mittleren Wasserstand im Kondensator
vortäuscht. Steigt der Kesseldruck an, so wird die abzuführende Kondensatmenge vergrößert
und über die Niederdruckregenerativstufen in den Speisewasserbehälter gedrückt.
Es wird damit gleichzeitig die Entnahmemenge der Turbine vergrößert. Die Turbine
ist bestrebt, ihre Leistung zu erhalten, und öffnet daher ihre Einlaßventile weiter.
Dadurch wird aber der unerwünschte Druckanstieg im Kessel weiter abgebaut. Dieser
Ausgleich ist ohne zusätzlichen Speicherraum möglich, da der Speisewasserbehälter
durchaus in der Lage ist, die kurzzeitig vergrößerten Kondensatmengen aufzunehmen.
Sinkt der Druck, so wird umgekehrt der Sollwert für den mittleren Wasserstand und
damit die abzuführende
Kondensatmenge verringert und die aus dem
Kondensator abzuführende Kondensatmenge entsprechend kleiner. Infolge der verringerten
Speisewasserförderung sinkt die Entnahmemenge, und die Turbine schließt ihre Einlaßventile
weiter, wodurch sich der Druck in der Frischdampfleitung wieder aufbaut. Der Kondensatsammler
im Kondensator ist groß genug, um vorübergehend eine größere Wassermenge aufzunehmen.
Selbst wenn es sich als erforderlich erweisen sollte, diesen Raum zu vergrößern,
so bleibt er insgesamt doch weit hinter dem üblichen Speicher zurück. Man hat außerdem
den Vorteil, daß diese Speicherung im Bereich niederer Drücke und Temperaturen liegt.
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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Vergrößerung der Speicherfähigkeit
nach dem Hauptpatent und besteht darin, daß die wasserstandsabhängig und zusätzlich
lastabhängig gesteuerte Abführung des Kondensats über einen Impuls an einem in der
Anlage vorhandenen oder zusätzlich vorzusehenden Kaltkondensatspeicher vorgenommen
ist und ein zusätzlicher Lastimpuls über einen Regler auf den Lastgeber des Kessels
in Abhängigkeit vom Wasserstand im Kaltkondensatspeicher in der Weise gegeben wird,
daß eine Über- oder Unterproduktion des Dampferzeugers bis zum Erreichen des Ausgangssollwertes
für den Wasserstand erzwungen wird.
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Auf diese Weise wird erreicht, daß kurzfristig auch erheblich größere
Laststöße, als im Hauptpatent beschrieben, bei in Block geschalteten Zwangdurchlaufkesseln
aufgefangen werden können. Ferner können Kessel verwendet werden, deren Regelgeschwindigkeit
aus irgendwelchen Gründen geringer ist als bei normalen Zwangdurchlaufkesseln. Die
im Hauptpatent beschriebene Regelung wird also auf einen vorhandenen oder zusätzlich
vorzusehenden Kaltkondensatspeicher erstreckt. Der auf eine mittlere Höhe eingestellte
Sollwert des Wasserstandes im Kaltkondensatspeicher ist lastabhängig von einem durch
einen Impuls gesteuerten Regler veränderbar. Wird beispielsweise generatorseitig
Last zugeschaltet, so reagiert die Turbine durch weiteres Öffnen der Dampfventile.
Gleichzeitig wird der Entnahmedampf gedrosselt und mit ihm die Förderung von Kondensat,
so daß der Wasserstand im Kaltkondensatspeicher infolge verringerten Abflusses steigt.
Der auf eine mittlere Höhe des Wasserstandes durch den Sollwert eingestellte Regler
würde nun eine Erhöhung des Wasserstandes als eine Regelabweichung durch erhöhten
Abfluß auszugleichen suchen und damit zu einer Erhöhung der Dampfentnahme führen.
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Um eine solche Erhöhung der Dampfentnahme zu verhindern und gleichzeitig
die Speicherfähigkeit des Kaltkondensatspeichers zu erhöhen, wird außer der lastabhängigen
Beeinflussung des Sollwertes des mittleren Wasserstandes im Kaltkondensatspeicher
zur Wiederherstellung seiner Speicherfähigkeit nach einer lastabhängigen Sollwertverstellung
dem Lastgeber für den Dampferzeuger in Abhängigkeit des Wasserstandes im Kaltkondensatspeicher
ein zusätzlicher Lastimpuls in der Weise zugeleitet, daß eine Über- oder Unterproduktion
des Dampferzeugers bis zum Erreichen des Ausgangssollwertes für den Wasserstand
erzwungen wird. Der Kessel wird also nach Abklingen der Schwankung so lange zu einer
Überproduktion von Dampf gezwungen, bis - z. B. nach einer Entleerung des Kaltkondensatspeichers
- infolge Vergrößerung der Entnahmedampfmenge der Kondensatfluß vergrößert und der
Wasserspiegel im Kaltkondensatspeicher durch den nun wieder auf eine mittlere Höhe
des Wasserstandes eingestellten Sollwert eingespielt ist. Die Speicherfähigkeit
des Kaltkondensatspeichers ist dann voll wiederhergestellt und zum Auffangen der
nächsten Lastschwankung bereit.
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Im Gegensatz zu den gebräuchlichen Behältern, die bei Kesselanlagen
sonst zur Erzielung einer Speicherwirkung herangezogen werden könnten, ist mit der
Verwendung eines Kaltkondensatspeichers der Vorteil verbunden, diesen Speicher mit
außerordentlich geringem Aufwand zu erstellen. Hinsichtlich der Temperaturverhältnisse
liegt die aufzuspeichernde Flüssigkeitsmenge auf einem Temperaturniveau, das sich
am geringsten von allen Teilen des Durchlaufsystems von der Außentemperatur unterscheidet.
Dementsprechend sind die dort zustande kommenden unvermeidlichen Temperaturverluste
die geringstmöglichen der Gesamtanlage. Weiterhin ist auch druckmäßig ein solcher
Behälter an eine Stelle im gesamten System einzufügen, an der kein oder nur ein
geringer Druckunterschied gegen die äußere Atmosphäre vorhanden ist. Sowohl in der
Herstellung, Formgestaltung und Aufstellung als auch in der Instandhaltung ist ein
solcher Speicher einem an anderer Stelle des Systems liegenden Speicher auf Grund
der Druckbedingungen weit überlegen.
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Bei einer bekannten Dampfanlage zum Ausgleich von Schwankungen wird
der Zufluß des Kondensats aus einem Kaltkondensatbehälter in den Warmkondensatbehälter
direkt vom Druck in zwei Dampfnetzen durch Ventile gesteuert und ein Überspeisen
oder Entleeren des Kondensatspeichers durch Einrichtungen, die den Wasserstand nach
oben und unten begrenzen, verhindert. Hier handelt es sich also um eine Grenzregelung
nach einem oberen und unteren Wasserstand, wobei die Speicher nicht in der Lage
sind, annähernd in gleicher Menge Kondensat aufzunehmen wie abzugeben, weil bei
ihnen keine Regelung auf eine mittlere Höhe des Wasserstandes vorliegt.
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Es ist ferner eine Einrichtung zur Regelung der Leistung von Dampfkraftanlagen
bekannt, bei der sowohl die Drehzahl des Turbogenerators, die Dampfmenge des Dampferzeugers
als auch die Höhe des Wasserstandes im Speisewasserbehälter die Kondensatzufuhr
zu dem Speisewasserbehälter beeinflussen. Ferner ist ein Kaltkondensatbehälter vorhanden,
dessen Wasservorrat bei Lastzunahme der Turbine steigt. Dieser Kaltkondensatbehälter
ist aber nicht über einen Impuls lastabhängig gesteuert und gibt auch keinen zusätzlichen
Lastimpuls auf den Lastgeber des Kessels. Die bekannte Einrichtung ist sehr kompliziert
und weder in der gestellten Aufgabe noch deren Lösung mit derjenigen der Erfindung
vergleichbar.
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Es ist auch bereits eine Anordnung zur Vorwärmung von Kesselspeisewasser
bekanntgeworden, bei der ein Speisewasserventil durch einen Druckimpuls entsprechend
dem Druck in der Frischdampfleitung derart verstellt wird, daß bei steigendem Dampfüberschuß
und bei erhöhter Dampfzufuhr zur Turbine auch die Speisewassermenge vermehrt wird.
In diesem Fall ist die Zufuhr von Speisewasser der direkten Steuerung des Druckes
in der Frischdampfleitung unterworfen. Die Einhaltung eines mittleren Wasserstandes
und die Verstellung des Sollwertes dieses Wasserstandes ist auch hier nicht vorgesehen.
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An Hand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden.
In
den Fig. 1 und 2 sind Ausführungsbeispiele für die Erfindung in ihren wesentlichen
Teilen als Prinzipschaltbilder schematisch veranschaulicht. Fig. 3 zeigt den Verlauf
einer Laststeigerung in drei verschiedenen Regelsystemen in grafischer Darstellung.
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Fig. 1 zeigt eine Dampfkraftanlage mit Zwangdurchlaufkessel in Blockschaltung.
Die Regelung ist dabei so ausgebildet, daß eine zusammengefaßte Beeinflussung von
Turbine, Kessel und Kondensatförderung stattfindet. Die Hochdruckturbine 1 steht
über den Zwischenüberhitzer 2 mit der Niederdruckturbine 3 in Verbindung, die mit
einer Reihe von Entnahmen versehen ist. Die Lastregelung für die Turbine arbeitet
auf das Steuerventil, das mit 4 bezeichnet ist. Dabei werden mehrere Abhängigkeiten
als möglich vorausgesetzt, so ein Impuls n von der Drehzahl, ein Impuls e von der
elektrischen Seite her, z. B. von der Frequenz, Übergabeleistung od. dgl., und schließlich
ein Impuls h von Hand oder von einer Fahrplanregelung. Diese Impulse werden aber
nicht nur unmittelbar auf das Turbinenventil bzw. die Turbinenventile gegeben, sondern
gelangen in Abhängigkeit vom Regelöldruck, wie durch die Impulslinie l angedeutet
ist, parallel auch zu dem Regler 5. Bei Laständerungen wird dabei gleichzeitig die
Turbinenregelung und über den Regler 5 der Lastgeber 6 für den Kessel ? beeinflußt.
Dabei kann es zweckmäßig sein, dafür Sorge zu tragen, daß die Turbine erst dann
auf ihren neuen Sollwert bei plötzlicher Laständerung geregelt wird, wenn der Kessel
dem neuen Lastwert nachgekommen ist. Dementsprechend ist für die Druckimpulslinie
8, vom Druck in der Frischdampfleitung 9 ausgehend, eine Sollwertstellung seitens
des Kessellastgebers vorgesehen, welche bewirkt, daß die Ist-Last der Turbine durch
diese Impulse gegenüber dem Soll-Lastimpuls, der gemeinsam für Turbine und Kessel
gegeben wird, so lange und in solchem Maße gefälscht wird, bis die Kesselregelung
nachgekommen und sich dem neuen Lastwert angepaßt hat.
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Zu diesem Zweck ist ein Kaltkondensatspeicher 10 vorgesehen, in welchem
der Wasserstand durch eine Überwachungseinrichtung 11 auf vorgeschriebener Höhe
zu halten ist. Mit sich ändernder Höhe des Wasserstandes wird der Regler 12 beeinflußt,
der das Ventil 14 bei steigendem Wasserstand in schließendem und das Ventil
13 in öffnendem Sinne steuert. Umgekehrt wird bei fallendem Wasserstand das
Ventil 13 geschlossen und das Ventil 14 geöffnet.
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Wenn nun eine plötzliche Belastungsänderung stattfindet, so wirkt
sich diese zunächst nur auf die Turbinen- und Kesselregelung aus. Die dadurch hervorgerufene
Druckänderung in der Frischdampfleitung 9 wirkt, wie durch die Impulslinie g angedeutet
ist, auf den Regler 12 ein. Dem Regler 12 wird also ein weiterer Lastimpuls unterstellt,
der gewissermaßen einen abweichenden Wasserstand im Kaltkondensatspeicher 10 vortäuscht
bzw. herbeiführt.
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Wenn eine plötzliche Laststeigerung auftritt, so kommt zunächst der
Befehl für die Turbine, die Turbinenventile weiter zu öffnen, und für den Kessel,
entsprechend mehr Dampf zu liefern. Der Kessel ist im Augenblick nur bedingt in
der Lage, diesem Befehl zu folgen. Es wird daher ein gewisses Absinken des Frischdampfdruckes
unvermeidlich sein bzw. herbeigeführt. In Abhängigkeit von dieser Druckabsenkung
werden aber nun die Turbinenventile nicht so weit geöffnet, wie dies den neuen Lastbedingungen
entsprechen würde, vielmehr wird der Sollwert für die Turbine so lange und in solchem
Maße gefälscht, bis der Kessel nachgekommen ist. Zur Unterstützung des Kessels,
der nun den neuen Lastzustand zu erreichen bestrebt ist, greift mittels einer Sollwertänderung
durch Impuls g der Regler 12 für den Kondensatspeicher 10 ein, wie dies bereits
geschildert wurde. Wenn nun nach einer gewissen Zeit eine Anpassung des Kessels
an die neue, erhöhte Last erreicht ist und die Turbine die entsprechende Leistung
abgibt, wird der Kessel noch kurzzeitig weiter mit überhöhter Last gefahren und
die überschüssige Leistung wieder dazu verwendet, um den Normalzustand im Kaltkondensatspeicher
10 zu schaffen. Hierzu ist eine zusätzliche Beeinflussung der Kessellast vorgesehen,
die durch die Impulslinie i angedeutet ist.
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In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel veranschaulicht, das eine Abwandlung
der in Fig. 1 dargestellten Anlage hinsichtlich der Kondensatförderung zeigt. Während
bei dem in Fig. 1 veranschaulichten Ausführungsbeispiel die aus dem Kaltkondensatspeicher
10 entnommene Wassermenge über besondere Leitungen in den Kesselkreislauf
zurückgeführt wird, erfolgt hierbei die Rückförderung des gespeicherten Kondensats
über die Kondensatpumpe 15 des Turbosatzes. Dementsprechend ist eine Verbindungsleitung
16 zwischen dem Ventil 13 und der vom Turbinenkondensator 17 zur Kondensatpumpe
15 führenden Leitung 18 vorgesehen. Gegebenenfalls kann hierbei die Förderpumpe
19 in Wegfall kommen und statt dessen der Kaltkondensatspeicher 10 über eine Leitung
20 unmittelbar an das Ventil 13 angeschlossen werden.
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In Fig. 3 ist an Hand von drei Diagrammen a, b, c
der zeitliche
Verlauf einer Laststeigerung bei verschieden geregelten Anlagen veranschaulicht.
Es sind jeweils in übereinstimmenden Schaubildern schematisch die Verhältnisse bei
einer plötzlichen Laststeigerung in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt. Im Diagramm
a handelt es sich um den Fall, daß lediglich in Abhängigkeit von der Turbinenbelastung
gleichzeitig ein Regelimpuls auf Turbine und Kessel gegeben wird. Die Turbinenleistung
ist mit einer dick ausgezogenen Linie bezeichnet, während die Dampfmenge der Turbine
durch eine dünn ausgezogene Linie versinnbildlicht ist. In entsprechender Weise
stellt die dick strichpunktierte Linie die Dampfmenge des Kessels und die dünn -
durch jeweils zwei Punkte unterbrochen - gestrichelte Linie den Frischdampfdruck
dar. In allen drei Darstellungen a, b, c
sind die gleichen Bezeichnungen gewählt.
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Wie sich aus der Darstellung a ersehen läßt, beginnt sogleich mit
Abgabe des Impulses die Dampfmenge der Turbine und die Turbinenleistung zu steigen.
Die Dampfmenge des Kessels bleibt zunächst auf dem vorherigen Wert und steigt dann
unter dem Winkel ß bis zu dem Wert an, der der neuen gesteigerten Last entspricht.
Die schraffierten Flächen stellen die frischdampfseitige Speicherung dar, die dabei
herangezogen wird. Wegen der Wiederaufladung des frischdampfseitigen Speichers durch
Minderung der Turbinendampfmenge und -leistung erreicht die Turbine erst sehr spät
die Soll-Leistung.
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In der Darstellung bist das Schema einer Regelung veranschaulicht,
bei der die Dampfmenge des Kessels auf eine gegenüber der Soll-Leistung überhöhte
Leistung gesteigert wird. Die Kesselregelung geht über den Sollwert hinaus und nimmt
dadurch die Wiederaufladung des frischdampfseitigen Speichers vor. Der
Sollwert
der Kessellast wird erst zugleich mit dem Sollwert des Frischdampfdruckes erreicht,
der Sollwert der Turbinenleistung jedoch wesentlich früher.
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In der Darstellung c ist die Wirkung veranschaulicht, die durch die
Erfindung bei Kaltkondensatspeicherung ermöglicht wird. Während die Winkel a, f3
und y in Übereinstimmung mit den Darstellungen a und b gleichgeblieben
sind, ist es hier nun möglich, unter Ausnutzung der kondensatseitigen Speicherung
die Turbinenleistung über die der Dampfmenge zugehörige Leistung hinaus zu erhöhen.
Wie sich durch die unterschiedliche Schraffur erkennen läßt, kommt zusätzlich zu
der frischdampfseitigen Speicherung eine erhebliche kondensatseitige Speicherung
zustande. Die Darstellung läßt weiterhin erkennen, daß nach Erreichen der neuen,
gesteigerten Last weiterhin noch eine Überproduktion des Kessels vorliegt, um dann
auch die vorher ausgenutzte kondensatseitige Speicherung wieder auf ihren Ausgangszustand
zurückzubringen. Wenn auch hierbei im gesamten Zeitverlauf die Beendigung des Regelvorganges
unter Umständen etwas später stattfindet, so zeigt sich doch der erhebliche Vorteil,
daß die Turbinenleistung schon weit früher auf den neuen Wert gebracht ist und auch
bereits beim Übergang auf diesen Wert über den in den Darstellungen a und
b gezeigten Beträgen liegt.