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Vorrichtung zur Verhinderung der Korrosion in einer Luftkondensationsanlage
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Verhinderung der Korrosion in
einer Luftkondensationsanlage, aus der das Wasser bei Frostgefahr abgelassen wird.
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Zur Kondensation von Turbinenabdampf in Kraftwerken ist es bekannt,
Wasserdampf mit Wasser in einem Mischkondensator zu kondensieren und das Wasser,
ohne daß es direkt mit Luft in Berührung kommt, unter Vermeidung von Verdunstungsverlusten
mit Luft rückzukühlen. Dabei wird das Wasser durch atmosphärische Luft in Kühlelementen
abgekühlt, die im allgemeinen luftseitig eine erheblich größere Wärmeaustauschfläche
als wasserseitig aufweisen, um die schlechten Wärmeübergangsbedingungen der Luft
im Vergleich zum Wasser auszugleichen.
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Im Winter besteht die Gefahr, daß sich das Wasser bei geringer Wärmeabgabe
bis zum Gefrierpunkt abkühlt und infolgedessen die Anlage einfriert, insbesondere
wenn sie mit Teillast gefahren wird und die Wassergeschwindigkeit in den Elementen
so weit zurückgeht, daß eine gleichmäßige Beaufschlagung aller Rohre nicht mehr
gegeben ist. Um ein Einfrieren zu vermeiden, ist es bekannt, einen Teil der Kühlelemente
abzuschalten und bei Frostgefahr zu entleeren. Das abfließende Wasser wird dann
durch nachströmende Luft ersetzt. Biese Methode ist nur dann anwendbar, wenn auf
der Wasserseite ein Werkstoff verwendet wird. der durch Sauerstoff in Verbindung
mit vollentsalztem Wasser nicht korrodiert wird, z. B. Aluminium oder eine Aluminiumlegierung.
Gegen die Verwendung von Aluminium bestehen in vielen Fällen Bedenken in Hinblick
auf die Erhaltung der Wasserqualität, insbesondere bei Benson-Kesseln mit hohen
Drücken und Temperaturen. Ein weiterer Nachteil des Eindringens von Luft in die
Rohre ist darin zu sehen, daß das entgaste und entsalzte Wasser begierig Sauerstoff
aufnimmt und Korrosionen der Rohrleitung verursachen kann. Der Erfindung liegt die
Aufgabe zugrunde, bei einer Luftkondensationsanlage, bei der der Turbinendampf in
einem Einspritzkondensator kondensiert wird, dessen Kühlwasser mittels einer Pumpe
im geschlossenen Kreislauf durch einen Luftkühler geführt, rückgekühlt und über
eine mit einem Drosselorgan versehene Rückströmleitung zum Einspritzkondensator
zurückgeführt wird, die durch das Ablassen des Kühlwassers auftretende Korrosionsgefahr
zu vermeiden. Dies erfolgt erfindungsgemäß durch eine Gasausgleichsleitung, die
den Wassertank mit den höchsten Stellen der Kühlelemente verbindet und die ebenso
wie der Wassertank unter einem gegenüber der Atmosphäre geringen überdruck eines
Schutzgases, vorzugsweise Stickstoff, gehalten wird, wobei das Drosselorgan in Abhängigkeit
vom Druck im Einspritzkondensator und die Förderleistung der Förderpumpe vom Flüssigkeitsniveau
an oder über der höchsten Stelle der Kühlelemente geregelt wird.
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Um den geodätischen Höhenunterschied und den Druckunterschied zwischen
Atmosphärendruck und Vakuum abzubauen, ist es üblich, in der Rückströmleitung des
Kühlwasserkreislaufes ein Drosselorgan vorzusehen. Es ist auch bekannt, als Drosselorgan
eine Entspannungsturbine zu benutzen. Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung
ist ebenfalls vorgesehen, daß das Drosselorgan, das in Abhängigkeit vom Druck im
Einspritzkondensator geregelt wird, eine Entspannungsturbine ist. Auf diese Weise
beeinflußt der Druck im Kondensator die Regelung der Entspannungsturbine durch Schaufel-
oder Drehzahlverstellung sowie gegebenenfalls auch die Regelventile selbst. Es ist
auch möglich, den Mischkondensator in mehrere Sprühfelder mit je einem Regelventil
aufzuteilen, wobei diese Regelventile in Vorabschaltung in Abhängigkeit vom Kondensatordruck
gesteuert werden. Der Solldruck im Kondensator kann entweder von Hand verstellbar
sein oder in Abhängigkeit von der Abdampfmenge oder der Turbinenleistung derart
eingeregelt werden, daß bei höherer Turbinenleistung ein größerer Kondensatordruck
und bei niedriger Turbinenleistung ein entsprechend kleinerer Kondensatordruck als
Sollwert gegeben ist.
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Beim Entleeren der Elemente bei einer Luftkondensationsanlage gemäß
vorliegender Erfindung fließt das Wasser kommunizierend in den Wassertank und
verdrängt
dort das Gas, so daß es durch die Gasüberströmleitung in die Elemente strömt und
den vom Wasser frei werdenden Raum anfüllt. Das Gesamtvolumen Wasser und Stickstoff
bleibt dabei konstant, so daß theoretisch keine Verluste auftreten. Praktisch können
sich durch Undichtigkeiten kleine Verluste ergeben; auch wird das Wasser an den
Berührungsstellen mit dem Stickstoff etwas Gas aufnehmen. Da aber die Berührungsfläche
zwischen Wasser und Stickstoff an den höchsten Stellen der Elemente sehr klein ist
und im Wassertank nur die obere Wasserschicht Stickstoff aufnehmen kann, der, da
keine Strömung vorhanden ist, nicht tief in das Wasser hineindiffundieren kann,
wird der Verlust an Stickstoff, der aus Stickstoffflaschen, einem Flüssigkeitstank
oder einer Versorgungsleitung ständig ergänzt wird, sehr gering sein.
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Wenn die Wärmeabgabe der Kühlelemente, z. B. bei erneuter Lastaufnahme
der Turbine wieder ansteigt, ist es erforderlich, die abgeschalteten und entleerten
Elemente wieder zu füllen. Zu diesem Zweck wird zunächst das Wasser im Wassertank
durch eingeleiteten Dampf oder durch eine Dampfschlange oder auf sonstige geeignete
Weise so weit erwärmt, daß die Elemente beim Füllen nicht einfrieren können. Handelt
es sich nur um eine vorübergehende kurzfristige Entleerung der Elemente (z. B. bei
planmäßiger Rücknahme der Turbinenleistung in der Nacht), so kann das Wasser ständig
durch Abdampf auf einer entsprechenden Temperatur gehalten werden. Der Dampfbedarf
ist bei genügender Isolierung des Tanks sehr gering. Anschließend werden die abgeschalteten
Elemente durch eine Pumpe wieder gefüllt, wobei das Inertgas durch die Gasüberströmleitung
von den Elementen in den Wassertank zurückströmt und diese wieder in den Wasserkreislauf
eingeschaltet sind.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung dient für die Niveauregelung
zur Steuerung der Förderpumpe oder eines Drosselorgans ein Niveaugefäß mit einem
Niveauregler, wobei das Niveaugefäß über der höchsten Stelle der Kühlelemente angeordnet
und mit diesen durch stetig steigende Rohrleitungen verbunden ist. Auf diese Weise
wird verhindert, daß durch die Gasüberströmleitung Wasser in den Wassertank überfließt.
Der Wasserstand dieses Niveaugefäßes wirkt auf eine Regelvorrichtung der Pumpe in
dem Sinne, daß beim Steigen des Wasserstandes die Pumpe zurückgefahren wird und
umgekehrt. Die Pumpe kann durch Leitschaufel- oder Laufschaufelverstellung, Drehzahländerung
oder ein Drosselventil geregelt werden. Das Niveaugefäß und die Verbindungsleitungen
werden gut isoliert und erhalten eine Heizung, die so groß bemessen ist, daß sie
bei tiefsten Außentemperaturen nicht einfrieren kann. Zweckmäßigerweise wird mit
der Verbindungsleitung eine Dampfbegleitleitung einisoliert und um das Niveaugefäß
eine Dampfschlange gelegt. Die Dampfbegleitleitung und die Dampfschlange werden
nur bei Frostgefahr eingeschaltet.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Wassertank über
einen Überdruckregler mit der Versorgungsleitung für das Inertgas verbunden, um
ständig einen geeigneten überdruck des Inertgases, der etwa 0,02 bis 0,2 Atmosphären
über dem Außenluftdruck liegen soll, aufrechtzuerhalten.
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Um den durch die Diffusion in das Wasser verursachten Stickstoffbedarf
möglichst gering zu halten, muß jede Strömung an der Wasseroberfläche im Tank beim
Entleeren der Elemente vermieden werden. Dies wird dadurch erreicht, daß das Wasser
von unten in den Wassertank einfließt und sofort gleichmäßig auf den gesamten Querschnitt
verteilt wird. Hierfür soll erfindungsgemäß am Boden des Wassertanks eine auch als
Ansaugleitung dienende Ausströmleitung mit einer Vielzahl von Durchtrittsöffnungen
angebracht werden, aus denen das Wasser gleichmäßig austritt, wobei es das darin
enthaltene Wasser nach oben ohne Verwirbelung und Vermischung verdrängt.
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Der Wasserinhalt des gesamten Systems bleibt nahezu konstant, da das
aus dem Kondensator abgezweigte Kesselspeisewasser überwiegend wieder als Turbinendampf
zurückkommt, so daß der Kreislauf geschlossen ist; um die geringen Verluste auszugleichen,
hat es sich als zweckmäßig erwiesen, in bekannter Weise aufbereitetes Zusatzwasser
im Kondensator oder in der Einspritzwasserleitung kurz vor dem Kondensator zuzugeben.
Dabei soll die Zusatzwassermenge in Abhängigkeit vom Wasserstand im Kondensator
gesteuert werden.
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In der Zeichnung ist eine Luftkondensationsanlage gemäß vorliegender
Erfindung schematisch dargestellt.
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Aus der Hauptturbine 1 strömt der Dampf durch die Abdampfleitung 2
in den Einspritzkondensator 3, in dem er mittels des Einspritzwassers kondensiert
wird. Das Kondensat fließt zusammen mit dem Kühlwasser durch die Leitung
4 der Pumpe 5 zu und wird von dieser über die Leitung 6 in die Luftkühlanlage
gedrückt. Im Schema ist die Luftkühleranlage in zwei Gruppen, A und
B, aufgeteilt. Selbstverständlich kann auch eine Aufteilung in eine größere
Anzahl Gruppen mit gleichen oder verschieden großen Kühlflächen vorgenommen werden.
Im Schema erhält beispielsweise jede Gruppe drei Elemente. Die Elemente bestehen
aus den Einlaufsammlern 7a und 7b, den z. B. als Rippenrohrbündel
ausgebildeten Kühlflächen 8a und 8b, aus den Umkehrsammlern 9a und 9b, aus
den weiteren Kühlflächen 10a und 10b
und aus den Austrittssammlern
lla und 11b. Die Kühlflächen 8 a und 8 b sowie 10 a und
10 b werden durch atmosphärische Luft gekühlt, wobei die Luft entweder
durch Ventilatoren oder auf andere geeignete Art gefördert wird.
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Das auf die beiden Kühlergruppen A und B aufgeteilte
Wasser fließt hinter den Kühlern wieder zusammen und strömt über die Leitung 12,
eine Entspannungsturbine 13 und die Leitung 14 zu den Einspritzdüsen
15 des Kondensators 3. Hinter der Pumpe 5 wird ein kleiner Teil des
Wassers abgezweigt und von den Pumpen 16 über die Speisewasserbehälter 17, die Kessel
18, wo es verdampft wird, und die Turbine 1 wieder dem Kondensator 3 zugeführt.
Dieser bekannte Kraftwerkskreislauf ist stark vereinfacht ohne Regenerativvorwärmung
dargestellt.
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Im Einspritzkondensator 3 soll ein bestimmter optimaler Druck nach
Möglichkeit eingehalten werden. Dies geschieht durch den Druckregler 19, der auf
die Entspannungsturbine 13 oder entsprechende Drosselventile in dem Sinne wirkt,
daß bei ansteigendem Druck der Wasserdurchfluß zunimmt und bei abnehmendem mehr
gedrosselt wird. Der Solldruck im Kondensator kann von Hand den betrieblich optimalen
Bedingungen angepaßt oder auch in Abhängigkeit
von der Turbinenleistung
oder dem Dampfdurchsatz der Turbine eingestellt werden (20).
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Von den an der höchsten Stelle befindlichen Umkehrsammlern 9 a und
9 b führen Verbindungsleitungen 21a und 21b, die stetig steigend verlegt sind, zum
Niveaugefäß 22. Hierin soll ein bestimmter Wasserstand konstant gehalten werden.
Hierfür ist ein Niveauregler 23 vorgesehen, der auf die Pumpe 5 einwirkt. Steigt
der Wasserstand im Niveaugefäß 22 an, so muß die Förderpumpe 5 zurückgefahren werden,
indem entweder Schaufeln verstellt, die Drehzahl verringert oder entsprechende Ventile
gedrosselt werden. Fällt der Wasserstand, so muß die Regelung in umgekehrtem Sinne
wirken.
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Die Leitungen 21a und 21b sowie das Niveaugefäß 22 müssen gut isoliert
sein und durch eine nicht dargestellte geeignete Heizung im Winter soweit aufheizbar
sein, daß dieser Teil nicht einfrieren kann. Im obersten Punkt des Niveaugefäßes
22 ist eine Gasausgleichsleitung 24 angebracht, die zum Wassertank 25 führt. Dieser
Tank wird durch Stickstoffflaschen oder einen Flüssigstickstofftank 26 über ein
Regelventil 27 ständig unter einem Stickstoffdruck gehalten, der nur geringfügig
über dem Atmosphärendruck liegt, so daß ein Vakuum auf alle Fälle vermieden wird.
Auf diese Weise wird auch die Leitung 24 und das Niveaugefäß 22 ständig unter einem
geringen Stickstoffdruck gehalten. Die Stickstoffzufuhr wird geregelt durch den
Regler 28, der von einem Druckimpuls des Behälters 25 gesteuert wird.
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Wird nun im Winter bei Frostgefahr durch die Regelung der Wasserumlauf
des Systems unter ein bestimmtes Maß, bei dem ein gleichmäßiger Durchfluß der Elemente
nicht mehr gesichert ist, heruntergeregelt, so soll eine Gruppe abgeschaltet werden.
Der Impuls hierzu kann z. B. von einer Venturidüse 29 gegeben werden, indem diese
das Bedienungspersonal durch ein Signal auffordert, die Schieber 30a und 31a zu
schließen und anschließend die Ventile 32a, 33a und 34 zu öffnen. Gleichzeitig muß
das Ventil 35a geschlossen werden, damit das Niveaugefäß nicht leerlaufen
kann. Der Gasausgleich erfolgt dann über die Leitung 36a. Das Wasser aus der Gruppe
A strömt dann über die Leitung 37 und das Ventil 34 in die Verteilungsleitung
38, die am Boden des Wassertanks 25 angeordnet ist, so daß das Wasser sich gleichmäßig
auf den Boden des Wassertanks 25 verteilen kann und das schon darin vorhandene Wasser
nach oben verdrängt. Der im Wassertank 25 enthaltene Stickstoff wird gleichzeitig
über die Leitungen 24, 36a und 21a in die Kühlergruppe A eintreten und das abfließende
Wasser ersetzen. Selbstverständlich ist es auch möglich, den oben beschriebenen
Vorgang automatisch zu gestalten, indem die Armaturen in Abhängigkeit von dem Differenzdruck
der Venturidüse geschlossen bzw. geöffnet werden.
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Zeigt die Venturidüse 29 durch ein entsprechendes Signal an, daß der
Wasserumlauf wieder so zugenommen hat, daß die Kühlergruppe A eingeschaltet werden
muß, so wird das Ventil 34 geschlossen und die Pumpe 39 eingeschaltet. Sodann wird
das Wasser von der Pumpe 39 aus dem Tank 25 durch die nunmehr als Sammelleitung
wirkende Verteilungsleitung 38 gleichmäßig ohne Störung des Wasserspiegels angesaugt
und durch das Rückschlagventil 40, für das naturlich auch eine geeignete andere
Armatur eingesetzt werden kann, die Leitung 37 und die Ventile 32a und 33a in die
Elementengruppe A gedrückt, bis diese gefüllt ist und das Ventil 35a wieder
geöffnet werden kann. Der Stickstoff strömt währenddessen durch die Gasausgleichsleitung
wieder zurück in den Behälter 25. Nach Abstellen der Pumpe 39 werden die Schieber
30a und 31a wieder geöffnet. Sodann ist die Kühlergruppe A wieder in den Kühlkreislauf
eingeschaltet. Auch dieser Vorgang kann von Hand oder automatisch erfolgen.
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Wenn aber nach Abschalten der Gruppe A der Wasserumlauf weiter abnimmt,
was durch entsprechendes Signal oder Impuls der Venturidüse 29 angezeigt wird, so
dann, sofern mehr als zwei Kühlergruppen vorhanden sind, eine weitere nicht dargestellte
Gruppe herausgenommen werden. Es ist aber auch möglich, wenn z. B. die Gruppe B
mehr Kühlelemente als die Gruppe A hat, von der Gruppe B
auf die Gruppe
A umzuschalten. Hierzu muß zunächst die Gruppe A auf die oben beschriebene Art hereingenommen
werden. Sodann wird die Gruppe B abgeschaltet, wobei die obige Beschreibung sinngemäß
angewendet werden kann, indem bei den Numerierungen statt des Index a der
Index b verwendet wird.
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Die Wasserverluste des Kreislaufes werden aus der Zusatzwasserleitung
41 über das Reglerventil 42 gedeckt, wobei ein Niveauregler 43 das Regelventil so
steuert, daß bei Absinken des Wasserspiegels im Kondensator 3 das Ventil 42 geöffnet
wird.