DE1018431B - Dampfkreislauf mit mehrfacher Zwischenueberhitzung - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Es ist bekannt, daß man um so bessere thermische Wirkungsgrade eines Kreislaufes erhält, je höher die mittlere Temperatur während der Arbeitsleistung ist. Aus diesem Grunde strebt man die isotherme Expansion an, bei der diese Temperatur gleich der hochsten im Kreislauf auftretenden Temperatur ist. Sie kann durch vielfache Zwischenüberhitzung während der Expansion in Form einer Sägekurve im i-s-Diagramm angenähert werden. Eine so vielmalige Führung des Dampfes vom Kessel zur Turbine würde jedoch so hohe Druckverluste des Dampfes bringen, daß dadurch ein großer Teil des thermischen Gewinnes aufgehoben, die Anlage sehr verteuert und die Konstruktion so kompliziert und unübersichtlich gestaltet würde, daß der Betrieb sehr erschwert wäre. Weiter ist bekannt, daß für die vielfache Zwischenüberhitzung die indirekte Wärmeübertragung mit einem bei den anzustrebenden hohen Temperaturen auch bei geringem Druck flüssigen Mittel mit Vorteil herangezogen werden kann, wie diese für andere Zwecke, z. B. für Gasturbinenanlagen, bereits verwendet wurde, wobei der Wärmeträger durch Thermosiphonwirkung oder eine Umwälzpumpe in dem Zwischenkreislauf umgewälzt wird. Der Wärmeträger muß außer der Eigenschaft des geringen Dampfdruckes einen genügend tiefen Schmelzpunkt besitzen, um bei der tiefsten im Zwischenkreislauf auftretenden Temperatur noch flüssig zu sein; er soll möglichst gute Wärmeleitfähigkeit besitzen, um hohe Wärmeübergangszahlen zu erreichen, ein nicht zu hohes spezifisches Gewicht aufweisen, um die Druckverluste gering halten zu können, und möglichst hohe spezifische Wärme beitzen; er darf den Stahl, aus welchem die Heizi'^:ichen, Rohrleitungen, Zwischenüberhitzer und Umwälzpumpe bestehen, bei den auftretenden Temperaturen nicht angreifen und mit Wasser nicht reagieren, da bei Undichtheiten und Schäden leicht eine Berührung zwischen dem Wärmeträger und Wasser auftreten kann.

Es ist eine Kesselanlage bekannt, bei der die Heizflächen aus zwei getrennten Rohrsystemen bestehen, von denen das eine zur Dampferzeugung, das andere zur Dampfüberhitzung auf indirektem Wege dient, wobei das Rohrsystem für das zur Überhitzung dienende schwersiedende Medium einschließlich des Wärmetauschers im Gasstrom des Kessels untergebracht ist und der Dampf durch das zweite Medium außerhalb des Kessels aufgeheizt wird. Eine derartige Anordnung hat jedoch den Nachteil, daß der hohe Druck und gleichzeitig die hohe Temperatur in einem im Kesselinneren befindlichen Wärmetauscher auftreten, der schwer überwacht werden kann.

Die Erfindung betrifft einen Dampfkreislauf mit mehrfacher Zwischenüberhitzung unter Verwendung Dampfkreislauf mit mehrfacher
Zwischenüberhitzung

Anmelder:

Walther & Cie. Aktiengesellschaft,
Köln-Dellbrück, Walthersir. 51

Dr.-Ing. Wilhelm Lenz, Bergisch Gladbach,
ist als Erfinder genannt worden

von getrennten Rohrsystemen im Kessel, deren eines das zu verdampfende Wasser unter hohem Druck und relativ geringer Temperatur und deren anderes das zur Erzielung der Heißdampftemperatur dienende höhersiedende Medium unter niederem Druck und entsprechend hoher Temperatur enthält, und bei dem der Dampf durch das zweite Medium außerhalb des Kessels aufgeheizt wird. Erfindungsgemäß erfolgt die Aufheizung des Dampfes durch das zweite Medium unmittelbar vor dem Eintritt des Dampfes in die Turbinenentspannungsstufen in gesonderten Wärmeaustauschern, denen das zweite Medium in parallelen Teilströmen zugeführt wird.

Durch die Erfindung wird eine vollkommene Trennung von Druck und Temperatur erreicht, wobei außer den Kühlrohren keine weiteren Organe im Kesselinneren benötigt werden.

Durch die Erfindung wird es nunmehr möglich, einen Dampfkreislauf zu schaffen, der bei geringstem Aufwand an legiertem Werkstoff mit sehr hohem Druck und sehr hoher Überhitzungstemperatur betrieben werden kann und eine Kesselanlage zur Voraussetzung hat, die lediglich mit Kühlrohren ausgekleidet ist.

Der Dampf wird erst unmittelbar vor dem ersten Leitschaufelkranz der Turbine auf die volle Überhitzung (600 bis 650° C) durch einen vom Wärmeträger beheizten Überhitzer gebracht. Erst in dem Endteil dieses Überhitzers treten gleichzeitig die volle Druck- und Temperaturbeanspruchung der dampfführenden Rohre auf. Hier können jedoch wesentlich kleinere Rohrdurchmesser als im Dampferzeuger \^erwendet werden und diese Rohre enger gelegt werden,

709 "55/133

3 4

da keine Verschmutzungsgefahr besteht. Dadurch ist, die Überhitzungswärme des aus der Turbine auswerden wieder die Wanddicken und damit die Tem- tretenden Dampfes verwendet, um den Frischdampf peraturspannungen klein gehalten. soweit wie möglich aufzuwärmen, und den Rest der Um mit einer Leitung für den heißen Wärmeträger Aufwärmung bis auf die untere Temperatur der und einer Rückleitung für den abgekühlten Wärme- 5 Zwischenüberhitzungen durch den gesamten Rücklauf träger auszukommen, müssen alle Zwischenüberhitzer des Wärmeträgers durchführt. Die restliche Überparallel zueinander zwischen diesen beiden Leitungen hitzungswärme des Abdampfes wird von -einem vom so geschaltet werden, daß jeder Zwischenüberhitzer ganzen oder einem Teil des Speisewassers durchvon einem Teilstrom des Wärmeträgers durchflossen flossenen Wasservorwärmer aufgenommen, wird. Wird der Zwischenüberhitzer vom Dampf- und io Der Dampferzeuger ist hier ein Wärmeübertrager, Wärmeträger im Gegenstrom durchflossen, so ist es der nur zu einem Teil aus wasser- oder dampfgekühldamit möglich, den Dampf immer wieder auf Frisch- ten Heizflächen besteht, zu einem etwa ebenso großen dampftemperatur zu überhitzen. Der Gegenstrom kann Teil aus Heizflächen, die vom flüssigen Metall gekühlt dadurch erreicht werden, daß die dampfführenden werden, der Rest ist ein Luftvorwärmer für mindestens Rohre mit einem konzentrischen Rohr umgeben wer- 15 400° C Lufttemperatur. Um die Heizfläche des Luftden und in dem Zwischenraum das flüssige Metall im Vorwärmers nicht zu groß zu machen, ist eine zwei-Gegenstrom zum Dampf strömt oder daß das Metall teilige Bauart des Luftvorwärmers ratsam, zwischen im Ouerstrom zu den dampfführenden Rohren strömt, dessen Teilen ein kleiner Wasservorwärmer eingebaut durch Lenkwände aber so geführt wird, daß für die ist. Besonders bei hohen Drücken wird die restliche Wärmeübertragung Gegenstrom entsteht. 20 Verdampfungs- und Überhitzungswärme nur für einen Um den dampfseitigen Druckverlust so klein wie Teil der Wärmeaufnahme in der Brennkammer ausmöglich zu halten, werden die dampfführenden Rohre reichen. Der Rest der Brennkammerheizfläche wird gerade ausgeführt und die Austrittsgeschwindigkeit von metalldurchflossenen Heizflächen gebildet, ebenso des Dampfes aus der letzten Laufschaufelreihe vor der die Berührungs- und Strahlungsheizflächen zwischen jeweiligen Zwischenüberhitzung durch geeignet ge- 35 Brennkammer und Luftvorwärmer, formte Leitschaufeln möglichst verlustlos in Druck Als Beispiel für die Auslegungsdaten des Kreisumgesetzt und dabei die Geschwindigkeit bis auf die laufes seien genannt: zur Wärmeübertragung nötige vermindert. Diese Leitschaufeln besorgen gleichzeitig die Aufteilung der Frischdampftemperatur bzw. Zwischen-

Dampfmenge auf die einzelnen Rohre des Zwischen- 30 überhitzungstemperatur 650° C

Überhitzers. Die Zuführung des Wärmeträgers ge- Untere Temperatur der Zwischen-

schieht möglichst gleichmäßig am ganzen Umfang überhitzung 550° C

der Turbine durch Spiralen, der Abfluß des Metalls Frischdampfdruck 300 at

kann in derselben Weise ebenfalls am äußeren Um- Austrittstemperatur des Dampfes

fang geschehen. 35 am Kessel 400° C

Weiter werden von einem bestimmten Dampfdruck ,Speisewassertemperatur 200° C

an keine Zwischenüberhitzungen mehr durchgeführt. Abgastemperatur 150° C

Bei höherem Druck ist nämlich die dampfseitige Höchste Temperatur des Wärmeträgers 700° C

Wärmeübergangszahl wegen der größeren Dichte des Autrittstemperatur des Wärmeträgers

Dampfes so groß, daß nur verhältnismäßig kleine 40 _aus dem Zwischenüberhitzer 600° C

Heizflächen, d. h. kurze Rohre benötigt werden, um Tiefste Temperatur des Wärmeträgers 500° C

die zur Zwischenüberhitzung nötige Wärme zu über- Wirkungsgrad des Prozesses 45°/o

tragen, so daß ein kleiner Druckverlust entsteht. Der

erwähnte Dampfdruck wird entweder so bestimmt, i)_as Schaltschema der Anlage, bei welcher die daß bei Expansion von diesem Dampfdruck auf 45 Zwischenüberhitzungen nur so weit getrieben werden, Kondensatordruck die Sattdampf kurve erreicht oder daß _am jr_nd_e der Expansion keine Überhitzung des unterschritten wird, oder es werden so viele Zwischen- Dampfes mehr vorhanden ist, zeigt Fig. 1, das zuüberhitzungen angeordnet, daß der Abdampf der gehörige i-s-Diagramm Fig. 2. Die Bezeichnung der Turbine noch eine gewisse Überhitzung besitzt. Punkte mit Großbuchstaben in Fig. 1 ist die gleiche Die obenerwähnte Austrittstemperatur des Dampfes _{50 w}j_e die der jeweils zugehörigen Zustandspunkte des aus dem Dampferzeuger ist wesentlich niedriger als Dampfes im i-s-Diagramm der Fig. 2, außerdem bedie untere Grenztemperatur der Zwischenüberhitzun- deutet K den kritischen Punkt des Wasserdampfes, gen. Die Aufwärmung von der Austrittstemperatur Daraus, daß die Frischdampfisobare oberhalb des aus dem Dampferzeuger bis auf die untere Grenz- Punktes K verläuft, sieht man, daß der Frischdampftemperatur der Zwischenüberhitzungen kann in zwei 55 druck über dem kritischen Druck liegt. Der Wasser-Arten geschehen. Die eine Möglichkeit ist, daß man kreislauf ist mit einer dünnen vollen Linie gekennden gesamten Rücklauf des abgekühlten Wärmeträgers zeichnet, der Dampf kreislauf mit einer starken vollen aus den Zwischenüberhitzern dem ersten Überhitzer Linie, der Kreislauf des Wärmeträgers mit einer an einer Stelle zuführt, an der der durch diesen vom dicken gestrichelten Linie.

Wärmeträger beheizten Überhitzer strömende Teil- 60 Bei A tritt der Dampf mit geringer Überhitzung strom des Wärmeträgers die gleiche Temperatur be- J_n den ersten, vom Wärmeträger beheizten Überhitzer, sitzt, und diesen Überhitzer so weit vergrößert, daß Der erste Teilstrom des Wärmeträgers tritt mit hoher die nun gesammelte Rücklauf menge des Wärmeträgers Temperatur bei C in diesen Überhitzer ein, bei B den Dampf von der Austrittstemperatur aus dem kommt dann der von den Zwischenüberhitzern geDampferzeuger, mit welcher er durch die Dampfrohr- 65 sammelte Rücklauf des Wärmeträgers dazu. Der geleitung zur Turbine strömt, bis auf die untere Tem- samte Rücklauf des Wärmeträgers fließt durch den peratur der Zwischenüberhitzungen aufwärmt. Die ersten Überhitzer von B nach A und tritt dort aus, andere Möglichkeit ist, daß man bei Zwischenüber- wobei er den Dampf auf die untere Temperatur der hitzungen bis auf so niedrigen Druck geht, daß bei Zwischenüberhitzungen überhitzt. Der Wärmeträger Kondensatordruck noch überhitzter Dampf vorhanden 70 fließt von A zum Dampferzeuger zurück. Der Dampf

wird von A bis B auf die auf die untere Temperaturgrenze der Zwischenüberhitzungen, von B bis C auf die volle Frischdampf temperatur überhitzt, expandiert vom vollen Frischdampfdruck bei C auf den ersten Zwischenüberhitzungsdruck bei D, wo er die untere Temperaturgrenze der Zwischenüberhitzungen erreicht hat. Im ersten Zwischenüberhitzer zwischen D und E wird er vom zweiten Teilstrom des Wärmeträgers wieder auf die Frischdampftemperatur gebracht, expandiert weiter bis F₁ wo die zweite Zwischenüberhitzung mit dem dritten Teilstrom des Wärmeträgers beginnt, die' bei G abgeschlossen ist, usw. Schließlich ist bei N der Kondensatordruck erreicht. Vor jeder Zwischenüberhitzung wird zweckmäßigerweise eine Anzapfung für die Speisewasservorwärmung vorgesehen.

Das im Kondensator α gebildete Kondensat wird von der Kondensatpumpe b durch die Anzapfvorwärmer c gedrückt, in der Speisepumpe d auf vollen Druck gebracht und durch den Speisewasservorwärmer e in die Dampferzeugerheizfläche f gedrückt. Diese liegt zweckmäßigerweise in dem Teil des Feuerr-iumes, in welchem sich die Brenner g befinden. Der Dampf strömt dann durch die Dampfleitung h zu dem Eintritt A in den obenerwähnten ersten vom Wärmeträger beheizten Überhitzer. Der gesamte Rücklauf des Wärmeträgers wird von der Umwälzpumpe i durch den Vorwärmer k in die den oberen Teil des Feuerraumes auskleidenden Wände / sowie die weiteren Strahlungs- und Berührungsheizflächen m gedrückt und durch die Leitung η zu den Eintritten der Zwischenüberhitzer geführt. Die aus den Zwischenüberhitzern austretenden Teilströme des Wärmeträgers werden in der Leitung 0 gesammelt und in B in den ersten Überhitzer eingeführt. Die Leistung der Turbine wird in dem Generator p in elektrische Energie umgesetzt. Die Verbrennungsgase werden in dem Hochtemperaturteil des Luftvorwärmers q, und dem Niedertemperaturanteil r, zwischen denen der Speisewasservorwärmer e liegt, auf die nötige Abgastemperatur abgekühlt.

Fig. 3 zeigt das Schaltschema, Fig. 4 das zugehörige i-s-Diagramm für den Fall, daß im Abdampf von der Turbine noch die untere Temperatur der Zwischenüberhitzungen vorhanden ist. Die mittleren Zwischenüberhitzungen sind hier fortgelassen und auch die Bezeichnungen im i-s-Diagramm entsprechend ausgelassen, so daß hier die Expansion von M auf Λ^τ zwar auf Kondensatordruck, aber nur bis auf die untere Temperatur der Zwischenüberhitzungen führt. Der erste Teil der Überhitzungswärme des Abdampfes wird in dem Wärmeaustauscher s dazu benutzt, um den Frischdampf von dem Zustand A auf den Zustand A' zu bringen, mit welchem er jetzt in den ersten Überhitzer eintritt. Der Abdampf strömt weiter durch den Wärmeaustauscher t, in welchem das ganze oder ein Teil des Kondensats aus den Anzapfvorwärmern c weiter vorgewärmt wird. Es ist zweckmäßig, um im rauchgasbeheizten Speisewasservorwärmer e die gleich großen Temperaturdifferenzen wie im ersten Falle zu behalten, nur einen Teilstrom des Speisewassers im Punkt/³ abzuzweigen und diesen nach Vorwärmung im Vorwärmer t unter Umgehung des Speisewasservorwärmers e direkt in die Dampferzeugerheizflächen / einzuführen. Die raschere Aufwärmung des Teilstromes durch den Vorwärmer e ergibt zwar etwas schlechtere Temperaturdifferenzen iür den Vorwärmer e und den Luftvorwärmer q und damit eine größere Heizfläche für diese, doch kann die gleiche Abgastemperatur wie früher erreicht werden.

Wegen der möglichst hohen Vorwärmung des Speisewassers in den Anzapfvorwärmern kann dem Abdampf mit dem vorgewärmten Speisewasser nur ein Teil der restlichen Überhitzungswärme entzogen werden. Es wird deshalb bei Q ein Teil des Kondensats abgezweigt und in einem dritten vom Abdampf beheizten Wärmetauscher auf etwa die gleiche Temperatur aufgewärmt, mit welcher der andere Teil aus den Anzapfvorwärmern austritt, worauf er bei R dem durch Anzapfen vorgewärmten Teil wieder zugesetzt wird. Dabei kann zwar weniger Anzapfdampf ausgenutzt werden, dafür leistet mehr Dampf die volle Arbeit in der Turbine, und die Überhitzungswärme des Abdampfes wird voll ausgenutzt. Der Druckverlust im Abdampf in den drei Wärmeübertragern s, t und u ergibt einen gewissen Energieverlust, der jedoch weit kleiner ist als die gewonnene Wärme.

Zwischen den beiden Grenzfällen, daß der Abdampf keine Überhitzung und daß er die untere Grenztemperatur der Zwischenüberhitzungen besitzt, sind beliebige Zwischenstufen möglich. Es wird dann die Expansion in der Turbine nach dem letzten Zwischenüberhitzer bis auf Kondensatordruck getrieben und z. B. der Wärmeübertrager j kleiner gemacht oder ganz fortgelassen, ebenso der Wärmetauscher für das Speisewasser t verkleinert oder fortgelassen.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Dampfkreislauf mit mehrfacher Zwischenüberhitzung unter Verwendung von getrennten Rohrsystemen im Kessel, deren eines das zu verdampfende Wasser unter hohem Druck und relativ geringer Temperatur und deren anderes das zur Erzielung der Heißdampftemperatur dienende höhersiedende Medium unter niederem Druck und entsprechend hoher Temperatur enthält und bei dem der Dampf durch das zweite Medium außerhalb des Kessels aufgeheizt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufheizung des Dampfes durch das zweite Medium unmittelbar vor dem Eintritt des Dampfes in die Turbinenentspannungsstufen in gesonderten Wärmetauschern erfolgt, denen das zweite Medium in parallelen Teilströmen zugeführt wird.

2. Dampf kreislauf nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine solche Anordnung der Aufheizung des Dampfes, daß die höchste Temperatur des Heißdampfes noch unterhalb der Siedetemperatur des zweiten Mediums liegt.

3. Dampfkreislauf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Stufe der Überhitzung des von dem Verdampfungsrohrsystem gelieferten Dampfes in einem Wärmetauscher erfolgt, der von der gesamten Rückflußmenge des höhersiedenden Mediums durchströmt ist.

4. Dampfkreislauf nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine solche Anordnung der Aufheizung des Dampfes, daß die Überhitzung des von dem Verdampfungsrohrsystem gelieferten Dampfes teils durch den Abdampf der Turbine, teils durch das rückfließende, höhersiedende Medium erfolgt.

5. Dampfkreislauf nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet durch ein Verdampfungsrohrsystem, das unter überkritischem Druck steht.

6. Dampf kreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre der Wärmetauscher, in denen die Endüberhitzung des Dampfes, vor-

zugsweise im Gegenstrom, erfolgt, geradlinig ausgebildet und nur deren Endteile für die höchste Überhitzungstetnperatur ausgelegt sind.

7. Dampfkreislauf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß vor den dampfführenden Wärmetauscherrohren Leitschaufeln angeordnet sind, durch die die Austrittsgeschwindigkeit des Dampfes aus der letzten, davorliegenden Turbinen-

stufe auf die Eintrittsgeschwindigkeit des Dampfes in die Rohre unter Umwandlung der Geschwindigkeit in Druck herabgesetzt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 884 802, 536 554, 364, 517 426, 713 628, 448 122, 263 890, 815 868; USA.-Patentschrift Nr. 1 889 586.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen