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Anordnung einer Dampfkraftanlage Es ist bekannt, ein Warmwasserheizungssystem,
das durch Anzapfung einer Kraftmaschine, beispielsweise einer Dampfturbine erwärmt
wird, mit einem Speicher zu versehen, der, zur Zeit geringer Kraftabgabe durch erhöhte
Entnahmen aufgeladen, zur Zeit hohen Kraftbedarfs die Wärmeabgabe an das Heizungssystem
ganz oder teilweise unter Verminderung oder Aufhebung der Entnahme aus der Kraftmaschine
übernimmt. Die Kraftmaschine bzw. Turbine vermag dadurch unabhängig von dem Heizbedarf
die volle Leistung, die sich aus der Kesselleistung bei Kondensationsbetrieb ergibt,
abzugeben. Die erforderliche Speicherkapazität ergibt sich aus der Verschiedenheit
der zeitlichen Verläufe von Wärme- und Kraftbedarf; der Preis der Speicher wird
wesentlich von dem Druck des Wassers bestimmt und ist besonders;günstig, wenn kein
Überdruck vorhanden ist. So vorteilhaft diese Anordnung auch sei, so ist .die gegenseitige
Abhängigkeit von Wärme und Kraft ein Nachteil, und es ist keine Leistungssteigerung
über die maximale Leistung des Kessels hinaus möglich, sondern es wird nur die schwankende,
vom jahreszeitlichen Wärmebedarf bedingte Verminderung der Leistung infolge Anzapfung
bei dieser bekannten Anordnung zu Zeiten hohen Kraftbedarfs beseitigt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dampfkraftanlage der
in Rede stehenden Art zu schaffen, die bei verhältnismäßig niedrigen Anlage-und
Betriebskosten eine prinzipiell nicht beschränkte Erhöhung der Leistungsabgabe gestattet.
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Gemäß der Erfindung wird zu diesem Zweck bei einer Dampfkraftanlage
mit einer Dampfturbine mit einem Regenerativsystem und einer Anzapfung zur Versorgung
eines Warmwasserheizungssystems. über einen im Umwälzverfahren betriebenen, zur
Zeit verminderten Kraftbedarfs aufzuladenden Warmwasserspeicher, dem zur Spitzenzeit
des Kraftbedarfs unter Verminderung bzw. Aufhebung .der Entnahme aus der Turbine
zur Versorgung des Warmwasserheizungssystems Heißwasser entnehmbar ist, eine Kombination
des Warmwasserspeichers mit weiteren an sich bekannten Speichersystemen (Speisewasserspeicherung,
Entspannung von Speicherwasser zur Dampferzeugung), die eine prinzipiell nicht beschränkte
Erhöhung der Leistungsabgabe über die Kesselleistung hinaus gestatten, vorgesehen,
wobei für mindestens zwei der genannten Systeme der Wärmeentnahme aus den Speichern
die Wärmeentnahme aus einem Speichergefäß erfolgt und der Entspannungsdampf geeigneten
Niederdruckstufen der Turbine zugeführt wird. Bei der erfindungsgemäßen Anlage brauchen
somit trotz der Möglichkeit, drei Speichersysteme anzuwenden, nur zwei Speicher
installiert werden. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Speicherkombination
liegt darin, daß außerdem de Wärmekapazität des Wärmeverteilungsnetzes des Heizungssystems
zur Überbrückung von Belastungsspitzen mit herangezogen werden kann.
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Eine erste Leistungserhöhung kann man in bekannter, sehr wirtschaftlicher
Weise erreichen, indem man die Speisewasserspeicherung anwendet; sie besteht darin,
daß zur Zeit kleiner Belastung durch das übliche Regenerativsystem zusätzlich Speisewasser
erwärmt und gespeichert wird, um dann zur Spitzenzeit zur Kesselspeisung, unter
Umleitung des Regenerativdampfes in den Kondensator, verwendet zu werden, wobei
die volle Temperaturspanne bis zu derjenigen des Kondensats ausgenutzt wird.
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Der Speicher wird im Umwälzverfahren als Verdrängungsspeicher ge-
und entladen.
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Bei diesem Verfahren ist die Leistungssteigerung auf 10 bis 11% beschränkt
(bei hohen Dampfdrücken und Temperaturen), so daß auch bei gleichzeitiger Anwendung
beider Verfahren - nämlich Wärmeabgabe an das Heizungssystem aus dem zugehörigen
Warmwasserspeicher und Entladung des Speisewasserspeichers zur Kesselspeisung -
für die Leistungssteigerung eine Grenze gezogen bleibt.
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Die genannte Beschränkung fällt bei der erfindungsgemäßen Speicherkombination
fort, da bei entsprechend hohen Kraftspitzen eine Entspannung von Speicherwasser
über ein oder mehrere in Reihe geschaltete
Entspannungsgefäße vorgenommen
werden kann, wobei der entstehendd Dampf zur Arbeitsleistung in geeignete Stufen
der Turbine geführt wird. Dabei kann das Wasser sowohl dem Speisewasserspeicher
als auch dem Warmwasserspeicher entnommen werden. .
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Bei letzterem gilt folgendes: da das Speicherwasser zweckmäßig kaum
unter 80° C durch Entspannung abgekühlt werden -kann - da ein äüsräichendes Gefälle
in der Turbine verbleiben muß -, kann man das in den Entspannungsgefäßen zurückbleibende
Wasser direkt dem Heiznetz während der kurzen Spitzenzeit zuführen; die sich dabei
ergebende etwas geringere Vorlauftemperatur für die Warmwasserheizung kann infolge
der großen Wärmekapazität des Wärmeverteilungsnetzes und der Abnehmeranlagen ohne
Nachteile zugelassen werden. Die Temperaturdifferenz im Speiche"wasser, die für
eine wirtschaftliche Bemessung der Speichergefäße entscheidend ist, bleibt auch
für diesen aus dem Speicher gespeisten Krafterzeugungsprözeß noch ausreichend. Beträgt
z. B. bei einer reinen Wärmespeicherung d t zwischen Vor- und Rücklauf 100
bis 50° C, so wird während der kurzen Kraftspitzenzeit eine Abkühlung, von 100°
C auf 80° C durch die Entspannung und von 80° C auf 50° C = öder vorübergehend weniger
-durch Wärmeabgabe erfolgen.
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Dies ist im Hinblick auf die erwähnte große Wärmekapazität des Wärmeverteilungsnetzes
und der Abnehmeranlagen und im Hinblick auf die verhältnis= mäßig kurze Dauer der
Kraftbedarfsspitzen noch durchaus zulässig.
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In der prinzipiell gleichen Weise kann man auch den Speisewasserspeicher
zusätzlich durch Umwälzen über eine Entspannerkette und Zuführung des entstehenden
Dampfes zu geeigneten Turbinenstufen entladen und das abgekühlte Wasser, ebenso
wie oben dargelegt, im Heiznetz verwenden. In allen Fällen braucht man für drei
Speicherarten nur zwei Speicher unj kühlt dabei ihren Inhalt im Durchschnitt weitergehend
ab, als es ohne die erfindungsgemäße Kombination möglich wäre.
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Die Speicherung im Warmwasserspeicher bzw. die Deckung. des Wärmebedarfs
des Heizungssystems aus diesem Speicher, .die die Ausnutzung der vollen Kesselleistung
für die Kraftabgabe ermöglicht, ist mit verhältnismäßig sehr geringen thermischen
Verlusten verbunden. Die Verluste bei der Speisewasserspeicherung (Entnahme von
gespeichertem Heißwasser zur Kesselspeisung) sind wegen der Verschiebung in der
Turbinendurchströmung etwas höher. Thermodynamisch wesentlich ungünstiger ist die
Entspannungsentladung der Speicher.
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Die Abwärme wird aber in allen Fällen ausgenutzt; die Verschiedenheit
der Verluste wirkt sich entsprechend auf die Speicherkosten je Kilowattstunde aus.
Die Speicherwirkungsgrade werden in ihrer Größenordnung über 90 und 80 bzw: 50 %
liegen.
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Beim Betrieb der erfindungsgemäßen Dampfkraftanlage ist es daher,
stets vorteilhaft, so zu verfahren, daß bei der Deckung von Kraftbedarfsspitzen
eine Entspannung. von Speicherwasser zur Dampferzeugung erst dann vorgenommen wird,
wenn der Leistungsbedarf den Wert überschreitet; der durch die anderen Systeme der
Wärmeentnahme aus den Speichern (Entnähme von Heißwässer zur Kesselspeisung bzw.
zur Versorgung der Warmwasserheizung) noch gedeckt werden kann. Ein weiterer Voi-leil
der erfindungsgemäßen Speicherkombination ist der; däß, wenn jahreszeitlich der
Wärmebedarf für die-Wärirlwasserheizung ausfällt, der entsprechende Wärmespeicher
für längere Stunden zur Entladung durch Entspannung zur Verfügung steht, was z.
$. zur Zeit de?' Mäschinenübdfhölüngen und/oder der Vormittagskochspitzen von Vorteil
sein kann.
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Zum Laden der Speicher muß natürlich der Druck an den Anzapfstellen
der Turbine trotz eventuell niedriger Turbinenlast so hoch sein, daß die erforderliche
Wassertemperatur für jeden Speicher erreicht wird. Dies kann in bekannter Weise
durch Entnahme aus einer höheren Anzapfstufe oder - insbesondere für den Niederdruckwärinespeicher
- durch Aufstauen des Druckes mittels Drosselklappen erfolgen; wirtschaftlicher
ist es bei mehrfiutigen Niederdruckenden, einzelne Flüsse abzuschalten, was gegebenenfalls
mit der vorerwähnten Drosselung kombiniert werden kann.
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In der F i g. 1 der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Dampfkraftanlage schematisch dargestellt.
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Es bedeutet darin 1 den Mittel- und Niederdruckteil einer Turbine,
die ihren Dampf durch die Leiteng 2 erhält und ihn durch die Leitung 3 an den Kondensator
4 abgibt. Von diesem aus geht das Kondensat durch die Leitung 5, eine Pumpe 6, an
einem Ausgleichsgefäß 7 vorbei zu einer Gabelung 22, von wo das Kondensat im Normalbetrieb
durch die Regenerativvorwärmer 8 - die Dampf durch die Leitungen 10 von der
Turbine erhalten - zum Entgäser 11 und von dort zum Kessel 23 geht.
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Der Inhalt des Speisewasserspeichers 9 befindet sich dabei in Ruhe.
Dabei ist das zwischen Gabelung 22 und dem ersten Regenerativvorwärmer 8 liegende
Ventil 24 so weit geöffnet, daß die vor diesem Ventil angeordnete Pumpe 25 genau
so viel Wasser weiterfördert, als ihr die Pumpe 6 anbietet. Zur Ladung des Speichers
9 wird in an sich bekannter Weise das Ventil 24 weiter geöffnet, so daß die Pumpe
25 zusätzlich Wasser von unten aus dem Speicher ansaugt, das dann erwärmt dem oberen
Speicherende wieder zufließt. Beim Entladevorgang des Speichers 9 wird durch Schließen
des Ventils 24 der Durchfluß durch die Regenerativvorwärmer 8 in an sich bekannter
Weise vermindert, im Grenzfall zu Null gemacht, wodurch der Dampfstrom zum Kondensator
4 wächst und die Leistung der Turbine erhöht wird. Das Kondensat geht dann von der
Gabelung 22 durch den Verdrängungsspeicher 9 zum Entgaser 11.
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Mit 12 ist der Warmwasserspeicher für das Heizungssystem bezeichnet,
dessen im allgemeinen niedriger Druck von der Warmwassertemperatur bestimmt ist.
Dieser Speicher ist einerseits mit den nicht dargestellten Verbrauchern durch die
Leitungen 15, 16 und andererseits über Leitungen 13, 14 mit einem Vorwärmer 17 verbunden.
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Letzterer erhält seinen Dampf aus einer der Dampfleitungen 10 (Abzweigung
bei 26) eventuell in umschaltbarer Weise. Das im Vorwärmer 17 anfallende Kondensat
kann über eine Leitung 27 dem Speisewassersystem der Dampfkraftanlage wieder zugeführt
werden. Nicht dargestellte Pumpen und Ventile erlauben in an sich bekannter Weise
die Speisung der Wärmeverbraucher direkt vom Vorwärmer 17 aus oder die Ladung und
-Entladung des Speichers 12, der als Verdrängungsspeicher entweder Kaltwasser
von
unten oder Warmwasser von öberi zugeführt erhält.
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Schließlich wird nach dem dritten System der Wärmeentnahme - hier
dargestellt als über einen Entspanner 20 an den Warmwasserspeicher 12 vermittels
der Leitungen 18 und 19 angeschlossen -dadurch entladen und die Leistung erhöht,
daß der im Entspanner aus dem umgewälzten Speicherwasser entstehende Dampf über
die Leitung 21 einer der Leitungen 10 - vorwiegend der unteren - und dadurch der
Turbine zugeführt wird. Es ist ebenso möglich, diese Art der Speicherentladung an
den Speicher 9 anzuschließen, wobei dann - entsprechend der größeren Abkühlung des
umgewälzten Speicherwassers - an Stelle eines Entspanners mehrere in Reihe geschaltete
Entspanner treten, die dann sinngemäß jeder an eine der Leitungen 10 angeschlossen
werden. Dies ist in F i g. 1 gestrichelt links vom Speicher 9 angedeutet.
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Das Verfahren zum Betrieb der erfindungsgemäßen Dampfkraftanlage wird
im folgenden an Hand eines in der F i g. 2 veranschaulichten Belastungsdiagramms
erläutert, in dem die von der Dampfkraftanlage angegebene Leistung über der Zeit
aufgetragen ist. Es bedeutet darin die Linie A den je nach der Tageszeit schwankenden
Kraftbedarf. Die volle Kesselleistung ist durch die horizontale Linie K angegeben.
Die Differenz zwischen dieser Linie K und einer weiteren Linie H bedeutet die für
den Betrieb des Warmwasserheizungssystems erforderliche Leistung. Die zu deckenden
Belastungsspitzen sind in dem Diagramm in horizontale Streifen aufgeteilt. Im Fall
der in den Vormittagsstunden liegenden, verhältnismäßig lang dauernden Belastungsspitze
für den Kraftbedarf sind für deren Deckung drei Streifen I, II, III vorgesehen.
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Der untere, längste Streifen I wird durch Unterbrechung der Entnahme
für die Heizung, also vermittels eines drucklosen oder fast drucklosen und daher
billigen Speichers (Position 12 in F i g. 1) gedeckt und hat praktisch keine thermodynamischen
Verluste; er ist in seiner Höhe von der Wärmeabgabe abhängig.
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Der nächste Streifen II wird durch die Speisewasserspeicherung (Speicher
9) gedeckt, die einen Wirkungsgrad zwischen 80 und 901/o und noch günstige Speicherpreise
hat, aber bei modernen Dampfverhältnissen, wie schon erwähnt, auf 10 bis 111/o Leistungssteigerung
beschränkt ist.
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Schließlich wird der oberste Teil (Streifen III) durch das Entspannungssystem
gedeckt, dessen relativ ungünstige Speicherkosten und Wirkungsgrad bei der kurzen
Benutzungsdauer ohne nennenswerten wirtschaftlichen Nachteil sind. Die Höhe der
Leistungssteigerung ist dabei prinzipiell nicht beschränkt; die bereits beschriebene
Mitbenutzung der Speicherkapazität des Netzes vermindert die Speicherkosten und
verwendet die Abwärme unmittelbar.
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Durch die bei dem .erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehene Aufteilung
der Belastungsspitzen nach F i g. 2, bei der somit stets der zeitkürzeste Streifen
III des in Horizontalstreifen unterteilten Spitzendiagramms dem Entspannungsverfahren
zugewiesen wird, wird die Möglichkeit geschaffen, auch relativ lang andauernde Kraft-
bzw. Leistungsspitzen, die sonst für die Wärmespeicherung wirtschaftlich nicht mehr
in Frage kommen, decken zu können. Es sei in diesem Zusammenhang zur Illustration
erwähnt; daß die Kilowattstunde Sp.eicherkapäzität für den unteren Streifen I bei
drucklosem Speicher etwa DM 10.-, für den mittleren Streifen II bei etwa 20 atü
DM 25.- kostet; während der Preis im Fall des obersten Streifens I11, der nur kurzzeitig
angesetzt wird, entsprechend höher liegt.
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Im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb der neuartigen
Dampfkraftanlage wird sinngemäß im Fall der im rechten Teil der F i g. 2 erkennbaren,
in den Nachmittagsstunden liegenden weniger hohen Belastungsspitzen die Deckung
nur durch Heranziehung von zwei der genannten Systeme der Wärmeentnahme vorgenommen,
und zwar entsprechend der dort dargestellten Streifen I, II durch Entnahme von Speicherwasser
zur Versorgung des Warmwasserheizungssystems und durch Entnahme von Speicherwasser
zur Kesselspeisung, da im Fall dieses gewählten Beispiels die beiden vorstehend
genannten Maßnahmen zur Deckung dieser Belastungsspitze gerade noch ausreichen.
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Die erfindungsgemäße Speicherkombination erweist sich, wie aus vorstehenden
Darlegungen hervorgeht, im Hinblick auf die Anlage- und Betriebskosten der Dampfkraftanlage
vorteilhaft, wobei aber die günstige Gesamtwirkung dieser Kombination noch wesentlich
über eine bloße Summierung der einzelnen aufgezählten Vorteile hinausgeht.