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Publication number: DES0037643MA
Authority: DE

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BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

Tag der Anmeldung: 15. Februar 1954 Bekanntgemacht am 12. Juli 1956

DEUTSCHES PATENTAMT

• Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung der Zwischenüberhitzungs-Temperatur in einer Dampfkraftanlage, in welcher der schon teilweise entspannte Dampf durch einen im Dampferzeuger direkt beheizten Zwischenüberhitzer wieder überhitzt wird, und auf eine Dampfkraftanlage zur Ausführung dieses Verfahrens.

Es sind bereits verschiedene Möglichkeiten, bekannt, um die Temperatur von zwischenüberhitztem Dampf auf einem gewünschten Wert zu halten. So verwendet man beispielsweise Schwenkbrenner, mit deren Hilfe die Zone stärkster Erwärmung in dem Dampferzeuger verlagert werden kann. Eine Verschwenkung der Brenner hat aber gleichzeitig einen starken Einfluß auf sämtliche anderen Heizflächen. so daß zusätzlich Regeleinrichtungen an anderen Stellen eingebaut sein müssen. Insbesondere lassen sich nicht zwei Zwiechenüberhitzer gleichzeitig durch die Schwenkbrenner regeln. Man hat auch schon Zwischenüberhitzer in dem Rauchgaskanal in voneinander getrennten Zügen, welche durch Rauchgasklappen mehr oder weniger stark verschlossen werden können, angeordnet. Hierbei soll die unterschiedliche Menge des durchtretenden Rauchgases die Temperaturregelung in den Zwischenüberhitzern bewirken. Diese Anordnung ist kostspielig und erfüllt ihren Zweck bei modernen Anlagen nur unvollkommen, bei denen wegen des

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besseren thermischen Wirkungsgrades die Zwischenüberhitzer im Bereich der Strahlungswärmeübertragung — also in oder nahe der Brennkammer — angeordnet sein müssen. Ein Einspritzen von Wasser in den Zwischenüberhitzer kommt nicht in Frage. Dies würde den thermischen Wirkungsgrad herabsetzen, weil das eingespritzte Wasser verdampft und erhitzt werden müßte, ohne daß es in dem Hochdruckteil der Turbinenanlage Arbeit

ίο leistet. Außerdem besteht bei dieser Methode die Gefahr von Überhitzer- und Turbinenversalzungen. Weiterhin kann man den Zwischenüberhitzer aus zwei Teilen aufbauen und zwischen die Teile einen Dampfkühler schalten. Hierbei müssen allerdings für die Unterbringung der Kühlwärme besondere Einrichtungen oder Schaltungen vorgesehen werden. Weiterhin ist vorgeschlagen" worden, die Temperatur des teilweise entspannten Dampfes zu regeln, indem einen. direkt beheizten Zwischenüberhitzer ein indirekt beheizter Regulier-ZwischenüEerhitzer vorgeschaltet wird. Derartige Regulier-Zwischenüberhitzer müssen aber große Abmessungen besitzen, um in jedem Fall die noch fehlende Wärme an den teilweise entspannten Dampf übertragen zu können. Zudem benötigt man bei einer zweimaligen Wärmeübertragung -^- einerseits von einem Heizmedium auf einen Wärmeträger und andererseits von diesem Wärmeträger auf den teilweise entspannten Dampf. — zweimal diese Heizfläche und auch ein entsprechend hohes Temperaturniveau des Heizmediums, so daß man sich nur in ' besonderen Fällen für die Verwendung eines solchen Regulier-Zwischenüberhitzers entschließen wird.

Es ist auch bekannt, die Temperatur des zwischenzuüberhitzenden Dampfes bei seinem Durchströmen durch einen mit Sattdampf indirekt beheizten Oberflächenwärmeaustauscher zu steigern, wobei der Sattdampf kondensiert. Dieses Verfahren ist jedoch bei Anlagen, auf die sich die Erfindung bezieht und in denen der zwischenzuüberhitzende Dampf beim Austritt aus der Hochdruckstufe der Turbine eine. Temperatur besitzt, die weit über der Kondensationstemperatur des Sattdampfes im Dampferzeuger liegt, nicht anwendbar. Demgegenüber wird gemäß der Erfindung der entspannte Dampf mittels aus dem Dampferzeuger entnommenen, und anschließend in ihn zurückgeleiteten, noch nicht entspannten Dampfes bei Untertemperatur zusätzlich beheizt und bei Übertemperatur gekühlt. Dies geschieht mk Hilfe eines Wärmeübertragers, welcher in an sich bekannter Weise auf der einen Seite seiner Übertragungsfläche in den Weg des teilweise entspannten Dampfes und auf der anderen Seite seiner Übertragungsfläche in den Weg des noch nicht entspannten Dampfes geschaltet ist. Dieser Vorschlag bringt beträchtliche Vorteile mit sich- Der.Wärmeübertrager braucht nur eine geringe Größe zu besitzen; trotzdem erlaubt die Plus-Minus-Regelung das Ausregeln -eines großen Temperaturbereichs. Im Normalbetrieb, d. hV wenn der teilweise entspannte !Dampf J.S'olliernperatur besitzt, braucht in dem Wärmeübertrager keine Wärme übergeben zu werden, ganz im Gegensatz zu einem indirekt beheizten Zwischenüberhitzer, welcher auch im Normalbetrieb den teilweise entspannten Dampf aufheizt. Je nach der Temperatur des noch nicht entspannten Dampfes im Vergleich zu der des entspannten Dampfes, wirkt der noch nicht entspannte Dampf als Heiz- oder Kühlmittel. Auch im letzteren Fall bleibt die Kühlwärme ohne einen zusätzlichen Aufwand innerhalb des Arbeitsmittelkreislaufs. Es handelt sich also um einen Wärmeübertrager und nicht um einen Zwischenüberhitzer.

Vorzugsweise wird in den noch nicht entspannten Dampf Wasser eingespritzt, bevor er den schon entspannten Dampf beeinflußt, wobei die Wassereinspritzung von der Temperatur des zwischenüberhitzten Dampfes abhängen kann. Außerdem kann in den noch nicht entspannten Dampf nach Maßgabe seiner Temperatur Wasser eingespritzt werden, nachdem er den schon entspannten Dampf beeinflußt hat. Die Wassereinspritzung ist als eine der einfachsten Möglichkeiten zur Regelung der Dampftemperatur bekannt. In diesem Falle kann man die Einspritzung derart aufteilen, daß vor dem Wärmeübertrager so viel Wasser eingespritzt wird, daß die Bedingungen für die Temperaturregelung des teilweise entspannten Dampfes befriedigt sind, und hinter dem Wärmeübertrager so viel, daß die Temperatur des noch nicht entspannten Dampfes den gewünschten ■ Wert am Ende des Überhitzers annimmt.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch derart durchgeführt werden, daß in an sich bekannter Weise nur ein Teil des noch nicht entspannten Dampfes den schon entspannten Dampf beeinflußt. Auf dies'e Weise wird der Regelbereich für die Zwischenüberhitzungs - Temperatur vergrößert. Andererseits kann auch in an sich bekannter Weise nur ein Teil des schon entspannten Dampfes durch den noch nicht entspannten Dampf beeinflußt werden. Hierdurch wird zwar der Regelbereich eingeschränkt, aber die Feinheit der Regelung kann gesteigert werden. In beiden Fällen kann aber der Druckabfall gesenkt werden, was insbesondere für den teilweise entspannten Dampf von Vorteil ist.

Vorzugsweise ist die vom teilweise entspannten no Dampf bestrichene Seite der Übertragungsfläche des Wärmeübertragers in an sich bekannter Weise zwischen zwei Teilheizflächen des direkt beheizten Zwischenüberhitzers angeordnet. Man wird den Wärmeübertrager derart zwischen den beiden Teilheizflächen einbauen, daß die Temperatur des entspannten Dampfes und die des noch nicht entspannten Dampfes in einem günstigen Verhältnis zueinander stehen. Weiterhin kann man die vom noch nicht entspannten Dampf bestrichene Seite der iac Übertragungsfläche des Wärmeübertragers zwi-, sehen zwei Heizflächen des Dampferzeugers anordnen. Es kann eine Wassereinspritzvorrichtung in der vom Dampferzeuger zum Wärmeübertrager in an sich bekannter Weise führenden Leitung für den noch nicht entspannten Dampf eingebaut sein.

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Außerdem kann eine Wassereinspritzvorrichtung in der vom Wärmeübertrager zum Dampferzeuger zurückführenden Leitung für den noch nicht entspannten Dampf angeordnet sein. Weiterhin ist eine den Wärmeübertrager in an sich bekannter Weise umgehende Leitung für den noch nicht entspannten Dampf und ein Drosselorgan in dieser Umgehungsleitung vorteilhaft, insbesondere wenn diese Umgehungsleitung vor der Wassereinspritzvorrichtung aus der vom Dampferzeuger zum Wärmeübertrager führenden Leitung abzweigt, weil durch diese Umgehungsleitung heißer Dampf, aber nicht durch Wassereinspritzung und Wärmeabgabe im Wärmeübertrager abgekühlt ist, diesem abgekühlten Dampf wieder zugeführt werden und dessen Temperatur erhöhen kann. Schließlich kann man mit Vorteil eine den Wärmeübertrager umgehende Leitung für den teilweise entspannten Dampf und ein Drosselorgan in dieser Umgehungsleitung verwenden.

. Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. In

Fig. ι ist als Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes eine Dampfkraftanlage dargestellt;

Fig. 2 zeigt schematisch den Temperaturverlauf des noch nicht entspannten und des teilweise entspannten Dampfes über der Länge ihrer Heiz- bzw. Wärmeübertragungsflächen.

Das Arbeitsmittel wird aus dem Kondensator 1 mittels der Kondensatpumpe 2 durch die Leitung 3 in den Speisewasserbehälter 4 gefördert. Von dort aus bringt die Speisepumpe 5 das Arbeitsmittel auf Betriebsdruck und weiter durch die Zuleitung 6 in eine' erst rauchgasbeheizte Heizfläche 7 — den »Economiser« —, danach in eine zweite Heizfläche 8, in der die Umwandlung von Wasser in Dampf stattfindet, und anschließend durch eine Leitung 9 in eine dritte Heizfläche 10 — einen ersten Überhitzer. Von dort aus strömt der noch nicht entspannte Dampf durch die Leitung 11 auf die eine Seite der Übertragungsfläche des Wärme-

■ Übertragers 12, weiter durch die Leitung 13 in die vierte Heizfläche 14 — den Endüberhitzer.— und schließlich durch die Leitung 15 in den Hochdruckteil. 16 einer Turbinenanlage. Nach seiner teilweisen Entspannung gelangt der Dampf über die Leitung 17 und eine erste Teilheizfläche 18 des Zwtechenüberhitzers auf die andere Seite der Übertragungsfläche des Wärmeübertragers 12, weiter in die zweite Teilheizfläche 19 des Zwiechenüberhitzers und über die Leitung 20 in die Niederdruckstufe 21 der Turbinenanlage, um schließlich durch die Leitung 22 in den Kondensator 1 zurückzuströmen.

Der Hochdruckteil 16 und der Niederdruckteil 21 der Turbinenanlage sitzen auf einer gemeinsamen

. Welle und treiben .den elektrischen Generator 23.

Von der Zuleitung 6 zweigt eine Leitung 24 ab,

welche sich in zwei Einspritzleitungen 25 und 26 aufteilt. Die Einspritzlaitung 25 mündet in die Leitung 11 vor dem Wärmeübertrager 12 aus und weist ein Durchflußregelorgan 27 auf, welches Regelimpulse von einer Temperaturmeßstelle 28 am Ende der zweiten Teilheizfläche 19 des Zwischenüberhitzers erhält. Die zweite Eihspritzleitung 26 mündet in die Leitung 13 hinter dem Wärmeübertrager 12 aus und weist ein Durchflußregelorgan 29 auf, welches in. Abhängigkeit von zwei Temperaturmeßstellen 30 und 31 beeinflußt wird, welche in bekannter Weise vor und hinter dem Endüberhitzer 14 angeordnet sind.

Ein Teil des aus . dem Dampferzeuger entnommenen, noch nicht entspannten Dampfes kann über die Leitung 32, in der sich ein Drosselorgan 33 befindet, unter Umgehung des Wärmeübertragers 12 direkt in die folgende Heizfläche 14 des Dampferzeugers geleitet werden. Das Drosselorgan 33 kann eine einfache Blende, ein Handverstellventil, ein Regelventil od. dgl. sein. In ähnlicher Weise kann auch der Wärmeübertrager 12 auf der anderen Seite mit Hilfe einer Umgehungsleitung für den teilweise entspannten Dampf versehen sein, welche ebenfalls ein Drosselorgan aufweist.

Um die Wirkungsweise des neuen Verfahrens zu erläutern, ist in Fig. 2 neben- den aus der Fig. 1 übernommenen, schematisch gezeichneten Heizbzw. Wärmeübertragungsflächen der Temperaturverlauf des noch nicht entspannten Dampfes I und der Temperaturverlauf des teilweise entspannten Dampfes II dargestellt, die in einander entgegen- _go gesetzter Richtung strömen.

Im Diagramm α soll die Zwischenüberhitzungstemperatur des teilweise entspannten Dampfes ihren Sollwert haben. Eine zusätzliche Regelung mit Hilfe des Wärmeübertragers 12 ist also nicht notwendig. Die Wassereinspritzung durch die Leitung 25 wird deshalb so eingestellt, daß der aus dem Dampferzeugerrohrsystem entnommene Dampf beim Eintritt in den Wärmeübertrager etwa die gleiche Temperatur besitzt wie der aus der Teil- i_Oq heizfläche 18 des Zwischenüberhitzers in den Wärmeübertrager eintretende Dampf. Es findet also kein Wärmeübergang statt. Nach Verlassen des Wärmeübertragers wird in den noch nicht entspannten Dampf durch die Leitung 26 erneut Wasser eingespritzt, so daß er nach Verlassen des Endüberhitzers 14 die gewünschte Temperatur besitzt.

Im Diagramm b ist vorausgesetzt, daß der teilweise entspannte Dampf II Untertemperatur be- sitzt. Zum besseren Vergleich ist weiterhin in allen drei Diagrammen die Temperatur des noch nicht entspannten Dampfes in der Heizfläche 10 und in der Heizfläche 14 des Dampferzeugers· dieselbe. Mit einer geringeren Wassereinspritzung durch die Leitung 25 wird die Temperatur des. noch nicht entspannten Dampfes nur geringfügig herabgesetzt. Auf Grund dieser höheren Temperatur des noch nicht entspannten Dampfes wird der teilweise entspannte Dampf im Wärmeübertrager zusätzlich beheizt und seine Temperatur kann so den gewünschten Sollwert erreichen. Damit der wieder in den Dampferzeuger zurückgeführte, nicht entspannte Dampf die Heizfläche 14 mit der gewünschten Temperatur verläßt, muß auch in diesem Falle Wasser durch die Leitung 26 eingespritzt werden.

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Schließlich ist im Diagramm c der Temperaturverlauf dargestellt, falls der teilweise entspannte Dampf Übertemperatur hat. Eine starke Wassereinspritzung durch die Leitung 25 macht es möglieh, die Temperatur des noch nicht entspannten Dampfes beträchtlich herabzusetzen, so daß diesmal der teilweise entspannte Dampf im Wärmeüber-■ trager Wärme an den noch nicht entspannten Dampf abgibt und dadurch abkühlt. Wenn aber der noch nicht entspannte Dampf inzwischen eine zu geringe Temperatur angenommen hat, so muß bereits vor der ersten Einspritzstelle ein Teil dieses Dampfes über die Leitung 32 abgezweigt und dem Rest des Dampfes vor der Heizfläche 14 wieder zugeführt werden, um damit die zu geringe Temperatur des Dampfes wieder zu erhöhen.

Der Erfindungsgedanke gilt sehr allgemein. Es ist unerheblich, ob die Anlage mit über- oder unterkritischem Druck betrieben wird. Das Verfahren.

kann in Verbindung mit beliebigen Dampfkesseln angewendet werden, seien es Zwangdurchlauf-Dampferzeuger oder auf andere Weise betriebene Kessel. Auch als Kraftmaschine läßt sich außer der Turbine jede beliebige, mittels Dampf antreibbare Maschine verwenden. Es ist nicht unbedingt notwendig, daß der Wärmeübertrager zwischen zwei Teilheizflächen des Zwischenüberhitzers angeordnet ist, es genügt, ihn zwischen zwei Teilen der Turbinenanlage, also beispielsweise vor oder hinter dem Zwischenüberhitzer einzubauen. Es können auch mehr als zwei Entspannungsstufen vorgesehen sein, so daß mehr als eine Zwischenüberhitzung notwendig wird. Hierbei kann jede Zwischenüberhitzungs-Temperatur nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, es kann aber auch nur eine in dieser Weise und die übrigen nach einem: beliebigen anderen Verfahren, beispielsweise mit ~ HiKe von Schwenkbrennern, geregelt werden. Im ersten Fall ist es von besonderem Vorteil, die Wärmeübertrager zwischen den einzelnen Entspannungsstufen auf der Seite des noch nicht entspannten Dampfes parallel zu schalten und jedem: eine eigene Wassereinspritzung zuzuordnen. ■■.··-:'

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Regelung der Zwischenüberhitzungs-Temperatur in einer Dampfkraftanlage, in welcher der schon teilweise entspannte Dampf durch einen im Dampferzeuger direkt beheizten Zwischenüberhitzer wieder überhitzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der entspannte Dampf mittels aus dem Dampferzeuger entnommenen und anschließend in ihn. zurückgeleiteten, noch nicht entspannten Dampfes bei Untertemperatur zusätzlich beheizt und bei Übertemperatur gekühlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den noch nicht entspannten Dampf Wasser eingespritzt wird, bevor er den schon entspannten Dampf beeinflußt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wassereinspritzung von der Temperatur des zwischenüberhitzten Dampfes beeinflußt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den noch nicht entspannten Dampf nach Maßgabe seiner Temperatur Wasser eingespritzt wird, nachdem er den schon entspannten Dampf beeinflußt hat.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise nur ein Teil des noch nicht entspannten Dampfes den schon entspannten Dampf beeinflußt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise nur ein Teil des schon entspannten Dampfes durch den noch nicht entspannten Dampf beeinflußt wird.

7. Dampfkraftanlage zur Ausführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen Wärmeübertrager (12), welcher in an sich bekannter Weise auf der einen Seite seiner Übertragungsfläche in den Weg des teilweise entspannten Dampfes und welcher auf der anderen Seite seiner Übertragungsfläche in den Weg des noch nicht entspannten Dampfes geschaltet, ist.

8. Dampfkraftanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die vom teilweise entspannten Dampf bestrichene Seite der Übertragungsfläche des Wärmeübertragers (12) zwischen zwei Teilheizflächen (18, 19) des direkt beheizten Zwischenüberhitzers angeordnet ist.

9. Dampfkraftanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die vom noch nicht entspannten Dampf bestrichene Seite der Übertragungsfläche des Wärmeübertragers (12) in an sich bekannter Weise zwischen zwei Heizflächen (10, 14) des Dampferzeugers angeordnet ist.

10. Dampfkraftanlage nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine den Wärmeübertrager in an sich bekannter Weise umgehende Leitung (32) für den noch nicht entspannten Dampf und durch ein Drosselorgan (33) ■ in dieser Umgehungsleitung.

11. Dampfkraftanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Umgehungsleitung (32) für den noch nicht entspannten Dampf vor der Wassereinspritzvorrichtung aus der vom Dampferzeuger zum Wärmeübertrager führenden Leitung (11) abzweigt.

12. Dampfkraftanlage nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine den Wärmeübertrager in an sich bekannter Weise umgehende Leitung für den teilweise entspannten Dampf und durch ein Drosselorgan in dieser .Umgehungsleitung. ■

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 815970, 803539; USA.-Patentschfift Nr. 2 079 165.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen¹