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Dampfkraftanlage mit Zwangdurchlauf-Dampferzeuger Die Erfindung bezieht
sich auf eine Dampfkraftanlage mit Zwangdurchlauf-Dampferzeuger für einen über z5o
at, insbesondere über dem kritischen Druck liegenden Dampfdruck, bei welcher der
Dampf in einer Turbinenanordnung mit einem Hochdruck-, einem Mitteldi -ck- und einem
Niederdruckteil entspannt wird, wobei der Dampf vor dem Eintritt in den Hochdruckteil
zwei Zwischenüberhitzer beheizt, von denen der erste zwischen Hochdruck- und Mitteldruckteil
und der zweite zwischen Mitteldruck- und Niederdruckteil angeordnet ist.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, Zwischenüberhitzer in unmittelbarer
Nähe der Turbinen anzuordnen. Da die Verbindungsleitungen zwischen den einzelnen
Teilen der Turbinenanordnung wesentlich verkürzt werden, sinkt auch der Druckabfall
in diesen Leitungen. Gerade der Druckabfall des Mitteldruck- bzw. Niederdruckdampfes
wirkt sich aber stark auf den Gesamtwirkungsgrad der Anlage aus. Zum Beheizen der
Zwischenüberhitzer wird im allgemeinen der Nutzdampf selbst verwendet, der nach
seiner ersten Überhitzung im Kessel durch den ersten Zwischenüberhitzer, nach einer
zweiten Überhitzung im Kessel durch den zweiten Zwischenüberhitzer und schließlich
nach einer Endüberhitzung im Kessel in den Hochdrucktenl der Turbine strömt. Obwohl
man
bereits gegenüber einer direkten Zwischenüberhitzung des teilweise entspannten Dampfes
im Dampfe zeu-"er beträchtlich an Raum und Material spart, da die Leitungen für
den Hochdruckheizdampf mit` wesentlich geringeren Querschnitten ausgeführt werden
könnerf, .sind doch für die Beheizung der Zwischenüberhitzer insgesamt vier Leitungen
- nämlich zwei Zuführungs- und zwei Rückführungsleitungen - erforderlich.
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Es .ist auch bereits bekannt, bei einer mit verhältnismäßig geringem
Druck betriebenen Schiffsdampfkraftanlage mit zweifacher Zwischenüberhitzung den
den Überhitzer des Dampferzeugers verlassenden Frischdampf aufzuteilen und den einen
Teil der Primärseite des ersten Zwischenüberhitzers zuzuführen und dann unmittelbar
in den Hochdruckteil der Hauptturbine zu leiten, während der andere Teil des Frischdampfes
durch die 'Primärseite des zweiten Zwischenüberhitzers strömt und anschließend unmittelbar
in einen Hi.lfskraftmaschinensatz geleitet wird. Hierbei muß der Dampferzeuger immer
eine größere Menge Dampf liefern, als für den Betrieb der Hauptmaschine notwendig
ist. Oder aber wenn die Hilfskraftmaschinen nicht in Tätigkeit sind, ist der zweite
Zwischenüberhitzer wirkungslos.
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Demgegenüber liegen gemäß der Erfindung beide Zwischenüberhitzer auf
der Primärseite in parallel geschalteten Leitungen, die einen gemeinsamen Zuführungsstrang
von einem ersten rauchgasbeheizten Überhitzer sowie einen gemeinsamen Rückführungsstrang
zu einem zweiten rauchgasbeheizten Überhitzer besitzen. Die Erfindung beruht auf
einer Tatsache, die bisher nicht beachtet worden ist, nämlich, daß die Wärmekapazität
des Dampfes - also diejenige Wärmemenge, die ein Gewichtsteil Dampf bei einer bestimmten
Temperaturerhöhung aufnehmen und bei einer entsprechenden Temperatursenkung wieder
abgeben kann - sowohl mit steigender Temperatur als auch mit steigendem Druck einem
Höchstwert zustrebt und dann später wieder abnimmt. Es ist also bei höheren Drücken
über i5o at ohne Schwierigkeiten möglich, jeweils mit einem Teil des Hochdruckdampfes
die gesamte Menge des teilweise entspannten Dampfes in einem Zwischenüberhitzer
in dem gewünschten Maße zu überhitzen.
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In neuerer Zeit werden Dampfkraftanlagen mit überkritischem Druck
betrieben. Auf der Hochdruckseite der Zwischenüberhitzer und bei den entsprechenden
Zu- und Rückleitungen müssen also Rohre mit sehr dicken Wandstärken verwendet werden,
was die Materialkosten wesentlich erhöht. Um den Wirkungsgrad der Anlage zu steigern,
empfiehlt es sich weiterhin, mit höheren Dampftemperaturen zu arbeiten, insbesondere
mit solchen Temperaturen, bei welchen keine ferri.tischen, sondern nur noch austenitische
Stähle verwendet wenden können. Da diese Stähle aber um ein Mehrfaches teurer sind
als die gewöhnlichen ferritischen Stähle, erhöhen sich die Anlagekosten sehr stark.
Gerade bei diesen Temperaturen und bei diesen Drücken besitzt aber der Dampf seine
optimale Wärmespeicherfähigkeit. Wenn nun also gemäß der Erfindung nur zwei Leitungen
gegenüber den bisher verwendeten vier Leitungen zwischen dem Kessel und den Zwischenüberhitzern
benötigt werden, so können die Kosten für diesen Anlageteil nahezu auf die Hälfte
gesenkt werden. Weiterhin ergibt sich auch ein wesentlich kleinerer Druckabfall,
was bei Dampfkraftanlagen mit großen Leistungen besonders ins Gewicht fällt.
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Jeder Zwischenüberhitzer kann in einem Abschnitt aus austeni.tischem
Stahl auf der Seite höherer Temperatur und in einem Abschnitt aus ferritischem Stahl
auf der Seite geringerer Temperatur unterteilt sein. Es ist klar, daß die Temperatur
des Dampfes stärker abfällt, wenn nur eine Teilmenge statt der gesamten Menge des
Dampfes durch einen Zwischenüberhitzer geleitet wird. Der stärkere Temperaturabfall
bewirkt aber, daß diejenige Temperatur, unterhalb welcher ferritische Stähle verwendet
werden können, eher erreicht wird. In den meisten Fällen braucht demnach nur die
Zuleitung und ein Teil eines jeden Zwischenüberhitzers aus austenitischen Stählen
zu bestehen.
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Die Temperatur des zwischenüberhitzten Dampfes kann mit Hilfe einer
Umgehungsleitung, welche jeweils die Sekundärseite eines Zwischenüberhitzers überbrückt,
und eines Durchfluß-Regelorgans in dieser Leitung eingestellt werden. Es empfiehlt
sich, ein weiteres Durchfluß-Regelorgan in mindestens eine der parallel geschalteten
Leitungen einzubauen, damit die Aufteilung des Hochdruckdampfes auf die beiden Zwischenüberhitzer
in beliebiger Weise geschehen kann. Vorzugsweise ist das Durchfluß-Regelorgan nicht
vor, sondern hinter einem der Zwischenüberhitzer angeordnet, weil es dort aus ferritischem
Stahl hergestellt sein kann. Weiterhin soll dieses Durchfluß-Regelorgan möglichst
hinter dem Niederdruckzwischenüberhitzer eingebaut sein, da dort eine geringere
-Dampfmenge geregelt werden muß und die Temperatur des Hochdruckdampfes dort den
geringsten Wert besitzt.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, Einrichtungen einzubauen, mit deren
Hilfe mindestens dem Mitteldruckteil Dampf entnommen werden kann, der in Speisewasservorwärmer
geleitet wird. Auf diese Weise verringert sich die den zweiten Zwischenüberhitzer
durchströmende Dampfmenge, wodurch die Wärmeübertragung noch verbessert werden kann.
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Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgedankens wird an Hand der Fig.
i der Zeichnung näher erläutert. In Fig. 2 ist der Temperaturverlauf über der Länge
der Heizflächen der beiden dampfbeheizten Zwischenüberhstzer dargestellt.
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Aus dem Kondensator i wird das Arbeitsmittel mit Hilfe der Kondensatpumpe
2 durch die Leitung 3 und die Speisewasservorwärmer q., 5 und 6 in dei, Speisewasserbehälter
7 gefördert. Eine Speisepumpe 8 bringt das Arbeitsmittel auf den Betriebsdruck.
Es fließt dann durch die Leitung g und die Speisewasservorwärmer io, ii und 12 in
den Dampfkessel 13. Nach dem Verlassen des ersten
Überhitzers 1.4
strömt es durch die Zuführungsleitung 15 in die beiden parallel geschalteten Leitungen
16 und 17, an welche die Primärseiten des ersten Zwischenüberhitzers 18 bzw. des
zweiten Zwischenüberhitzers ig. angeschlossen sind. Die beiden Zwischenüberhitzer
bestehen auf der Seite höherer Temperatur aus einem austenitischen Teil 18, bzw.
ig, und auf der Seite niedrigerer Temperatur aus -einenr-ferritrischen Teil i86
bzw. 19b. Die Parallelleitungen 16 und 17 vereinigen sich hinter den Zwischenüberhitzern
zu einer Rückführungsleitung 2o, durch die das Medium in den Endüberhitzer 2i strömt.
Über das Dampfventil 22 und durch die Leitung 23, weiter über das Ventil 24 und
das Schnellschlußventil 25 gelangt das Arbeitsmittel in den Hochdruckteil 26 der
Turbinenanlage. Es durchströmt die Leitung 27, wird auf der Sekundärseite des ersten
Zwischenüberhitzers 18 wieder erhitzt und gelangt über das Venti128 in den Mitteldruckteil2g
der Turbinenanlage. Anschließend durchströmt es die Leitung 30, wird auf der Sekundärseite
des zweiten Zwischenüberhitzers ig erneut auf eine höhere Temperatur gebracht und
gelangt schließlich über das Ventil 31 in den Niederdruckteil 32 der Turbinenanlage,
von -wo es über die Leitung 33 in den Kondensator i zurückfließen kaün.
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Die aus dem Hochdruckteil 26, dem Mitteldruckteil 29 und dem Niederdruckteil
32 bestehende Turbinenanlage treibt einen Generator 34 an. Von dem Mitteldruckteil2g
und dem Niederdrucktei132 führen Anzapfdampfleitungen 3.5 zu den Speisewasservorwärmern
4, 5, 6, io, 11, 12 und in den Speisewasserbehälter 7. Das in den Speisewasservorwärmern
io, i i und 12 kondensierte Arbeitsmittel wird über die Leitungen 36 in den Speisewasserbehälter
7 geführt, das in den Spevsewasservorwärmern 4, 5 und 6 kondensierte Arbeitsmittel
über die Leitungen 37 in den Kondensator i.
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Zur Regelung der Temperatur des zwischenüberhitzten Dampfes kann durch
die Umgehungsleitungen 38 und 39 jeweils ein Teildes Dampfes an den Zwischenüberhitzern
18 bzw. ig vorbeigeleitet werden. Die Menge dieses umgeleiteten Dampfes wird mit
Hilfe der Durchfluß-Regelorgane 4o bzw. 41 geregelt. Die Aufteilung des Hochdruckheizdampfes
auf die beiden Zwischenüberhitzer 18 und ig geschieht mit Hilfe eines Durchfluß-Regelorgans
42 in der Parallelleitung 17 hinter dem Zwischenüberhitzer ig.
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Um den Anfahrvorgang zu beschleunigen, ist noch ein Umgehungsventil
43 und eine Umgehungsleitung 44 vorgesehen, über die der Hochdruckdampf unter Umgehung
der Turbinenanlage in den Kondensator abgeblasen werden kann. Auf diese Weise können
sämtliche übrigen Anlagenteile einschließlich der dampfbeheizten Zwischenüberhitzer
vor dem Anlassen der Turbine auf die Betriebstemperatur gebracht werden. Zum Abkühlen
des durch die Leitung 44 strömenden Arbeitsmittels ist ein Einspritzkühler 45 eingebaut,
durch den Wasser über die Leitung 46 und das Ventil 47 in das dem Kondensator zuströmende
Arbeitsmittel eingespritzt werden kann.
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In Fig. a ist der Temperaturverlauf t über der Länge h der
Heizfläche des ersten Zwischenüberhitzers 18 und über der Länge 12 des zweiten Zwischenüberhitzers
ig dargestellt, wobei die Länge jeweils von der Eintrittsseite des Hochdruckheizdampfes
her- gemessen wird. Die Temperatursenkung des Hochdruckheizdampfes auf der Primärseite
des ersten Zwischenüberhi.tzers 18 wird durch die Kurve a und auf der Primärseite
des zweiten Zwischenüberhitzers ig durch die Kurve b dargestellt. Entsprechend zeigt
die Kurve c den Temperaturanstieg des dem Hochdruckheizdampf entgegenströmenden
Arbeitsmittels auf der Sekundärseite des ersten Zwischenüberhitzers 18 und die Kurve
d den Temperaturanstieg des Arbeitsmittels auf der Sekundärseite des zweiten Zwischenüberhitzers
ig. Die Höhe der Temperatur, oberhalb welcher nur noch austenitisches Material verwendet
werden darf, ist mit taust bezeichnet.
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Die Eintrittstemperatur des Hochdruckheizdampfes in beiden Zwischenüberhitzern
ist die gleiche. Auch die Temperatur des die Zwischenüberhitzer auf der Sekundärseite
verlassenden Dampfes soll etwa gleich sein. Außerdem wird angestrebt, daß die Temperaturdifferenz
zwischen Pri;när- und Sekundärseite der Zwischenüberhitzer ungefähr über die gesamte
Länge konstant bleibt. Da sich der Dampf bei der Entspannung im Mitteldruckteil2g
stäxker abkühlt als bei seiner Entspannung im Hochdruckteil 26, muß der Dampf im
zweiten Zwischeriüberhitzer ig stärker erhitzt werden als der Dampf im ersten Zwischenüberhitzer'
i8. Trotzdem ist für die Erhitzung des Niederdruckdampfes im Zwischenüberhitzer
ig eine wesentlich geringere Heizdampfmenge notwendig als für die kleinere Temperaturerhöhung
des Mitteldruckdampfes im Zwischenüberhifzer 18. Dies liegt zum Teil daran, daß
aus dem Mstteldruckteil2g bereits etwas Dampf für die Speisewasservorwärmung in
den Vorwärmern ii und' 12, entnommen worden ist. Von größerer Bedeutung ist jedoch
die Tatsache, daß die spezifische Wärme des Niederdruckdampfes um ein Vielfaches
kleiner ist als die des Hochdruckdampfes und auch als die des Mitteldruckdampfes.
Man braucht dem Niederdruckdampf also nur eine geringere Wärmemenge zuzuführen als
dem Mitteldruckdampf, um die gleiche oder .eine größere Temperaturerhöhung zu erzielen.
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Der stärkere Temperaturabfall im zweiten Zwischenüberhitzer ig hat
noch den weiteren Vorteil, daß eine größere Länge der Heizfläche dieses Zwischenüberhitzers
aus ferritischem Material ausgeführt werden kann. Die gefährdete, aus austenitischem
Material herzustellende Zone ist schraffiert gezeichnet. # Sie beträgt in diesem
Beispiel bei dem ersten Zwischenüberhitzer 18 etwa die Hälfte. der I-feizflächenlänge
und im zweiten Zwischenüberhitzer ig ein Drittel der Länge der Heizfläche. Der durch
die Leitung 2o
zurückströmende Hochdruckdampf hat eine Temperatur,
die sich aus der Mischung einer größeren Dampfmenge höherer Temperatur aus dem Zwischenüberhitzer
18 mit einer kleineren Dampfmenge geringerer Temperatur aus dem Zwischenüberhitzer
i9 einstellt.