1100 KW- Sauggasanlage. Von Schömburg. SCHOEMBURG: 1100 KW- Sauggasanlage. Inhaltsübersicht. An Hand bestimmter Verhältnisse wird die zweckmäßige Wahl der Stromerzeugung für eine mitteldeutsche Fabrik durch Koks-Sauggasbetrieb vorgeführt, nachdem die technischen Einzelheiten, Hauptdaten und Betriebsergebnisse der Anlage mitgeteilt und begründet werden. Am Schluß ist noch ein Hinweis auf zwei andere geeignete Betriebsweisen durch Verbrennungsmaschinen gegeben, sowie die Zweckmäßigkeit einer Abwärmeverwertung erläutert. –––––––––– Infolge erheblicher Vergrößerung seiner Betriebswerkstätten und Elektrifizierung der Antriebe stand ein großes Werk Mitteldeutschlands vor der Vergrößerung seiner Zentrale bzw. Neuanlage einer solchen. Bei der Wahl der Kraftmaschinen waren außer der Forderung billigster Stromerzeugung noch die Bedingungen schneller Betriebsbereitschaft und Unabhängigkeit von Störungen im Brennstoffbezug maßgebend. Die Belastungsschwankungen innerhalb einer Schicht waren nicht bedeutend; die Brennmaterialpreise stellten sich frei Werk: für Steinkohle auf M 19,50 bis 20,– f. d. t, 7100 WE „ Anthrazit „ „  26,–   „   26,50 „ 8000   „ „ Gaskoks „ „  22,–   „   22,50 „ 7400   „ „ Braunkohlenbriketts „ „  13,–   „   13,50 „ 4600   „ Auf 1000 WE bezogen betrug also der Wärmepreis: für Steinkohle M 2,74 bis 2,81 „ Anthrazit „  3,25  „  3,31 „ Gaskoks „  2,97  „  3,04 „ Braunkohlenbriketts „  2,82  „  2,93 Man entschloß sich mit Hinsicht auf den höheren thermischen Wirkungsgrad der Gasmaschine bei der zu erwartenden fast gleichmäßigen Belastung und auf die größere Sicherheit in dem Brennstoffbezug zur Beschaffung einer Koks-Sauggasanlage. Braunkohlenbriketts stellten sich zwar etwas billiger, doch war man hierbei im vorliegenden Fall abhängig von der Lieferung per Schiff, welche im Winter unter Umständen unangenehme Stockungen mit sich bringen konnte, Es kamen zwei Maschinensätze, jeder mit besonderer Kraftgasanlage, zur Aufstellung; der zweite wurde kürzere Zeit nach Inbetriebnahme des ersten unter Zugrundelegung einiger betriebstechnischer Verbesserungen nachbestellt. Die Maschinen sind doppeltwirkende Viertakttandemmotoren von 800 mm Zylinderdurchmesser und 1000 mm Hub, welche bei 94 Umdrehungen 700 bis 800 PSe leisten; jede treibt einen auf der Achse sitzenden Drehstromgenerator von 500 bis 550 KW für 500 Volt Spannung an, dessen Induktor bei 26000 kg Gewicht ein Schwungmoment von G D2 = 401000 kg/qm besitzt für einen Ungleichförmigkeitsgrad von \delta=\frac{1}{200}. Die Gasdynamos sind von der Elsässischen Maschinenbaugesellschaft, Mülhausen und der A E G, Berlin, geliefert. Die für eine Lieferung von stündlich je 2 Mill. Wärmeeinheiten bestimmte Kraftgasanlage ist von Poetter & Co. und besteht aus zwei Generatoren von 2,3 m ⌀ nebst Waschern, Verdampfern und Ventilator nebst Zubehör. Hinsichtlich der technischen Einzelheiten ist nachstehendes von Interesse: 1. Gasdynamos: Die Maschinen sind mit Kühlung der Mäntel, Deckel, Kolben und Auslaßventilspindeln versehen; es wurden insgesamt 25 cbm stündlich verbraucht, also ungefähr 36 kg i. d. PSe/Std., davon etwa 10 kg allein für den Kolben. Die Eintrittstemperatur des in einem Kühler rückgekühlten Wassers betrug 25 bis 26° die Ablauftemperatur 40 bis 42°. Für das Mantelkühlwasser ist eine von der Hauptwelle durch Riemen angetriebene Rotationspumpe, für die Kolbenkühlung eine von der Steuerwelle mittels Exzenter betätigte zweizylindrige Plungerpumpe vorgesehen, welche das Wasser unter 1½ bzw. 3 at Druck setzen und auf das Kühlbassin drücken. Für eventl. Fälle, z.B. bei Reinigung des Kühlers, ist ein Anschluß an die Hauptwasserleitung vorgesehen. Der Kühlwassermantel wurde auf 2½ at geprüft, der Stahlgußkolben auf 10 at. Die Kernlöcher des letzteren wurden im Interesse absoluter Dichtheit gut verstemmt. Als Packungen für die Stopfbüchsen der Kolbenstange von 200 mm ⌀ kamen teils Weich- teils Metallpackungen zur Verwendung, die sich gut bewährt haben. Großer Wert wurde gelegt auf bequemen Ausbau und gute Zugänglichkeit der empfindlichen Teile; z.B. wurden alle Gleitbahnen möglichst tief gelegt, um die Zylinderdeckel leicht abnehmen zu können, ferner wurden aus dem gleichen Grund die Luftanlaßventile nicht unten an den Deckeln, sondern seitlich angeordnet usw. Betriebstechnisch nicht unwichtig sind u.a. folgende Punkte: a) Alle Kühlwasserausflußstellen sichtbar anbringen. b) Gewinde der Gasschieber darf zur Vermeidung von Verschmutzungen nicht im Gasraum sitzen. c) Großer Querschnitt der Gasrohre, um das Vakuum beim Ansaugen nicht zu beeinflussen. d) Entwässerungen anbringen, sowohl am Druckluftsammelbehälter als auch am tiefsten Punkt des querliegenden mit Gefälle zu verlegenden Hauptgas-saugrohres, damit beim Anlassen usw. kein Wasser in die Zylinder gelangt. e) Auf Möglichkeit einfacher Reinigung der Gasrohre konstruktiv durch abgeflanschte Oeffnungen an den Krümmern achten. f) Die Luft soll, damit das Gemisch möglichst dicht wird, kalt angesaugt werden, daher ist ein Ansaugen aus dem Motorenkeller wegen der strahlenden Wärme der Auspuffleitungen nicht zu empfehlen. Letztere sind der Rostgefahr halber in Gußeisen herzustellen. Die Anlage eines Luftfilters erwies sich als zweckmäßig. Was die Regulierung anbelangt, welche durch Füllungsveränderung erfolgt, so hat sich nachstehendes ergeben: Bei konstanter Belastung schwankte die Drehzahl nicht über ½ v. H.; plötzliche Be- und Entlastungen um etwa ¼ der jeweiligen Belastung hatten eine Abweichung der Drehzahl von 1,5 bis 1,8 v. H. von der mittleren zur Folge. Bei Maximalbelastung mit rund 800 PS sank die Drehzahl von 25 v. H. Teillast abgerechnet um etwa 2¾ v. H.; plötzliche Entlastungen bewirkten eine Erhöhung der Drehzahl von nicht wehr als 6 v. H. Zwecks Parallelschaltung war der Regulator mit einer Vorrichtung versehen, welche eine Aenderung um ± 5 v. H. gestattete während des Ganges. Bei Teilbelastung und im Normalbetrieb war die Regulierung eine gute, nur bei Vollbelastung traten zu große Schwankungen auf; bei der zweiten Maschine wurde diesem Uebelstand durch größere Empfindlichkeit des Regulators abgeholfen. Für die Drehung der Maschinen in die geeignete Anlaßstellung und zu anderen betriebstechnischen Zwecken ist je ein elektrisch betriebenes Schaltwerk vorgesehen; das Anlassen erfolgt durch einen von einem 15 PS-Elektromotor mittels Riemen betriebenen Luftkompressor für 1½ bis 2 cbm minutliche Leistung. Das Gesamtgewicht jeder Maschine ohne Dynamo beträgt einschließlich Zubehörteile 90 bis 92000 kg. Die gekröpfte Kurbelachse hat in den Lagern Abmessungen von 350 × 600 mm, an der Aufkeilungsstelle des Induktors 450 mm und im hinteren Ringschmierlager 300 mm Durchmesser. Unmittelbar von der Welle angetrieben, ist an deren hinterem Ende noch die kleine Erregermaschine für 110 Volt und 150 Ampere angeordnet. Die Drehstromdynamos sind für 700 K V A induktionsfreie Leistung gebaut; bei etwa φ = 0,8 können sie also ~ 550 KW abgeben, so daß die Gasmaschine bei 94 v. H. Wirkungsgrad der Dynamo demnach \frac{550}{0,736\,0,94}=790 PSe leisten muß, entsprechend ~ 900 PSi bei 86 v. H. Wirkungsgrad der Dynamo. Die Normalleistung im Betrieb stellt sich bei 500 KW auf ~ 700 PSe bzw. 800 PSi, wobei die Diagramme einen mittleren indizierten Druck von 4,0 kg zeigen. 2. Gaserzeugungsanlage. Die Gaserzeuger vergasen jeder mit Sicherheit 8600 kg Koks von 7000 WE in 24 Std. bei einem Wirkungsgrad von 80 v. H., entsprechend einer stündlichen Lieferung von je 2 Mill. WE für eine mittlere Leistung der Maschine von 700 PS ä 2800 bis 3000 WE. Die stündliche Vergasung in der Vergasungszone beträgt hierbei etwa 90 kg/qm, könnte aber auch auf 120 kg/qm anstandslos gesteigert werden. Der zur Verwendung gelangende Koks enthält in der Hauptsache nur 6 bis 8 v. H. Gesamtrückstände mit nicht viel fester Schlacke; er brannte verhältnismäßig leicht, auch wurde zeitweise – je nach Schlackenbildung – mehr Dampf zugesetzt und der Rost zunächst häufiger gereinigt. Dieser etwas ungleichmäßige Betrieb und das ab und zu vorkommende Verschlacken bewirkte nach mehrstündigem Betriebe ein Nachlassen in der Gasbildung und eine Erhöhung des Saugwiderstandes für die Maschine. Letzterer betrug bei normalem Betriebe 130 bis 160 mm Wassersäule und stieg dann aber bis auf 250 mm, so daß man genötigt war, die Belastung etwas zu verringern. Das Gas zeigt zunächst 3 bis 4 v. H. CO2, 29 v. H. CO und 13,6 v. H. H – entsprechend 1200 bis 1220 WE für den cbm –, war also gut; im Laufe des Betriebes und bei stärkerer Schlackenbildung stieg der CO2-Gehalt jedoch bis 6 v. H., der Wasserstoffgehalt bis 20 v. H. Dieses Gas ist bekanntlich vor allem wegen seiner größeren Explosionsneigung für Gasmaschinenbetrieb nicht angenehm. Eine Aenderung wurde erst erzielt, als man auf dauernd hohe Koksschicht im Generator hielt, welche nicht zum Durchbrennen kommen durfte, und man bestrebt war, trockenen Koks häufiger, aber in nicht zu großen Mengen zu chargieren. Auf diese Weise wurde ein gleichmäßigeres Gas erzielt. Die beiden Wascher besitzen Koksfüllung und Streudüsen; das aus dem Generator abziehende Gas durchströmt zunächst den Verdampfer, wobei es sich entsprechend abkühlt, und tritt, die Wascher im Gegenstrom durchziehend, unten aus dem zweiten derselben in den Gassaugkessel über. Der Verdampfer, welcher sein Wasser von der Kühlwassermenge der Gasmaschine erhält, erzeugt stündlich etwa 200 bis 250 kg Dampf, wobei sich die Gastemperatur um rund 480 bis 500° abkühlt. Da in der Stunde 350 bis 400 kg Koks vergast werden, braucht der Generator einen Dampfzusatz von 0,5 bis 0,6 kg für 1 kg Koks. Die Gaserzeugung in letzterem betrug hierfür 4,6 bis 4,7 cbm von 1220 WE, so daß demnach der Generatorwirkungsgrad sich auf \eta=\frac{4,7\,\times\,1220}{7400}=\,\sim\,78\mbox{ v.H.} stellt. Der Wirkungsgrad des Verdampfers beträgt sonach bei einer spezifischen Wärme des Generatorgases von 0,3, einem spezifischen Gewicht von 1 und einer Dampfwärme von 640 WE.: \eta_1=\frac{0,6\,\times\,640}{4,7\,\times\,0,3\,\times\,500}=\,\sim\,55\mbox{ v.H.} Bei unregelmäßigem Betrieb und zu heißem Gang des Generators lagen die Verhältnisse nicht immer so günstig; eine bessere Ausnutzung des Verdampfers, wodurch das Gas gleichzeitig noch kühler wurde, zwecks Lieferung von trockenem, schwach überhitztem Dampf, wäre jedenfalls zu erstreben. Die Reinigung der Röhren von Kesselstein, Staub usw. ließ sich leicht ermöglichen. Die Reinigung und Kühlung des Gases in den beiden Waschern, von denen der letzte zeitweise auch trocken, d.h. nur mit Koksfüllung betrieben wurde, war eine durchaus genügende. Infolge der Verwendung von gutem Koks im Generator bildete sich auch beim Erkalten wenig Teer. Der Wasserverbrauch der Reiniger war bei den vorgenannten, anfänglichen Betriebsschwierigkeiten natürlich ein sehr hoher, rund 20 kg f. d. PS/Std.; er sank jedoch später bei Vollast auf 10 bis 12 kg. Auf ein sicheres Funktionieren der Berieselungsvorrichtung wurde Wert gelegt. Die Möglichkeit einer verhältnismäßig einfachen Reinigung mit nicht zu großem Saugwiderstand war einer der Gründe, welche für die Verwendung von gut entgastem Koks sprechen; für einen längeren und sicheren Dauerbetrieb ist ja bekanntlich in jeder Hinsicht ein möglichst teer- und staubfreies Gas eine Hauptbedingung. Das abfließende Waschwasser wird durch ein Klärbecken geleitet und von da auf den Kühlturm gedrückt. Zur Inbetriebsetzung und zum Anlassen ist ein elektrisch betriebener 4 PS erfordernder Ventilator vorgesehen, der die Luft durch den Verdampfer drückt. Im übrigen können derartige Anlagen als bekannt vorausgesetzt werden. 3. Wasserkühlung. Für die gesamte zu kühlende Wassermenge, welche im Höchstfall beträgt: 2 × 800 × 36 = 58 cbm für die Maschinen, 2 × 800 × 12 = 19 cbm für die Reinigung ––––––––––––––––––        also in Sa. 77 cbm stündlich, wurde ein eiserner Kaminkühler von Bolke & Co., Bochum, vorgesehen für 120 cbm Leistung, d.h. für eine Wärmeabführung von 120000 × (40 – 25) = 1800000 WE. Obgleich der leichteren Rostgefahr wegen die Ausführung ganz in Eisen nicht besonders ratsam erscheint, war man hier wegen Raumbedarfsrücksichten dazu genötigt. Der Kühler erhielt bei 25 m Gesamthöhe und 5½ m Fallhöhe des Warmwassers einen Durchmesser von 4 m; der Einbau bestand aus leichten und billigen Tonrohren von 4,5 m Länge mit Wasserschalen an beiden Enden; an der rauhen Oberfläche der Rohre rieselt das Wasser mit etwa 0,5 m sekundlicher Geschwindigkeit herunter. Bei 70 v. H. Luftfeuchtigkeitsgehalt ergaben sich nachstehende Werte: Lufttemperat. i. Schatten Warmwasser Gekühltes Wasser 25 °C 41 °C 25 °C 20  „ 44  „ 26  „ 10  „ 40  „ 22  „ Die Unterhaltungskosten des Kühlers durch Reinigen und neuen Anstrich waren natürlich größere, als diejenigen bei hölzernen Konstruktionen, deren Lebensdauer jedoch eine geringere ist. An Platzbedarf hätte z.B. eine derartige Konstruktion mit natürlichem Luftzug rund 55 qm bei 18 m Gesamthöhe, mit Ventilatorbetrieb ~ 20 qm bei 12 m erfordert. 4. Verschiedenes: Im Maschinenhaus ist ein 10 t-Laufkran mit elektrischer Hubbewegung vorgesehen; die Kellersohle ist mit der Sohle des Generatorenhauses auf ungefähr gleiche Höhe gelegt. Für später ist eine mechanische Brennstoffzufuhr in die Fülltrichter durch Drehkran und einfachen Aufzug in Aussicht genommen. An Reserveteilen für die Maschinen liegen u. a bereit: 1 kompl. Gaskolben 800 ⌀ mit Ringen; 1 Einlaß- und 1 Auslaßventilgehäuse; div. Lagerschalen für Kreuzkopf, Kurbelzapfen, Hauptkurbel- und Außenlager und Steuerwelle; div. Zündungs- und Steuerungsteile usw.; in Summe M 8000 = ~ 10 v. H. vom Wert einer Maschine. Mit Rücksicht auf die nötige Betriebssicherheit wurde späterhin noch ein kompletter Gaszylinder, dessen Wert sich ohne Ventile usw. auf M 3600 stellt, beschafft. 5. Die Anlagekosten der Zentrale belaufen sich insgesamt auf M 396000, d.h. also M 396 für ein installiertes Kilowatt der Normalleistung. In den Kosten sind enthalten: etwa 750 qm Gebäude à M 72 ~ M  55000 2 Gasdynamos à 500 bis 550 KW „ 235000 1 Schalttafelanlage, Kabelverbindungen „     7500 Maschinenfundamente, Rohrkanäle „   13500 2 Gaserzeugeranlagen, komplett „   32000 1 Kühlturm mit Bassin, Fundament „   13000 sämtliche Gas-, Luft- und Wasserleitungen usw. „   12500 an Reserveteilen „   12000 1 Laufkran für das Maschinenhaus „    8500 Verschiedenes, Bureau „    7000 ––––––––––––––––– M 396000 Die Anlagekosten mit M 396 für 1 KW sind in dieser Zentralengröße nicht hoch; es liegt dies an der vollen Ausnutzung des Maschinengebäudes und der s. Z. für Neubeschaffungen günstigen Allgemeinkonjunktur. 6. Betriebs- und Stromkosten. Die Verhältnisse lagen, nachdem beide Maschinen im geregelten Betrieb waren, so, daß bei Tagschicht die eine nur mit ⅓ Belastung mitarbeitete, während nachts überhaupt nur eine Maschine mit durchschnittlich halber Belastung lief. Der Brennmaterialverbrauch stellte sich einschl. Anheizen und Durchbrennen usw. bei Normalbelastung auf 0,50 kg Koks, bei Teilbelastung auf 0,71 kg f. d. PSe/Std., entsprechend 3700 bzw. 5250 WE. Für die Gasmaschine allein – ohne Generator – ergibt sich demnach bei 78 v. H. Wirkungsgrad desselben ein Wärmeverbrauch für 1 PSe/Std. von 2880 WE bzw. 4090 WE. Der gesamte kalorische Wirkungsgrad der Anlage stellt sich sonach bei Normallast auf \eta=\frac{632}{3700}=\,\sim\,17\mbox{ v.H.} bezogen auf den betriebsmäßigen Brennstoffverbrauch im Generator. Im Jahre werden bei oben genannter Betriebsweise 3 150000 KW/Std. erzeugt, so daß also der Ausnutzungsfaktor der Zentrale \alpha=\frac{3150000}{1000\,.\,365\,\times\,24}=\,\sim\,36\mbox{ v.H.} beträgt. In dieser Hinsicht halten größere Zentralen von Maschinenfabriken in normalen Fällen derartige Mittelwerte ein; Hüttenwerke mit ihren großen Kraftwerken kommen bei flottem Tag- und Nachtbetrieb je nach der Gleichmäßigkeit der Belastung der Walzenstraßenantriebe auf 50 bis 70 v. H., während Ueberlandzentralen öffentlicher Elektrizitätswerke sich nur auf gewöhnlich 15 bis 30 v. H. stellen. Der durchschnittliche Koksverbrauch beträgt etwa 0,58 kg für die effektive PS/Std. bzw. 0,86 kg = 6300 WE für 1 KW/Std. einschl. Generatorverluste. Die Stromkosten setzen sich nun hiernach zusammen wie folgt: Brennstoffkosten: 2709 t Koks à M 22,20. M  60140 Oelkosten: 3,6 kg für 1 KW/Std. à M 5 v. H. kg    Putzmaterial usw. „    6300 Gehälter, Löhne und Bedienung „  13500 Reparaturen und Unterhaltung „  12300 Kleinere Materialien, Wasserkosten, Diverses „    4800 12½ v. H. Amortisation und Verzinsung „  49500 ––––––––––––––––––– M 146540 also 1 KW/Std. 4,65 Pf. Bei besseren Belastungsverhältnissen und höherer Ausnutzung wird sich vorstehender Preis selbstredend noch weiterhin ermäßigen. Bei Dampfturbinen und rd. 7,6 kg Dampfverbrauch f. d. KW/Std. würden im Jahre bei 70 v. H. Kesselwirkungsgrad einschl. Anheizverluste etwa 3400 t Steinkohle à M 20 = M 68000 aufzuwenden gewesen sein. 7. Schlußbetrachtung: Die erzielten Stromkosten, verbunden mit der Betriebseinfachheit der Anlage, lassen die gewählte Lösung im vorliegenden Falle als zweckmäßig erscheinen. Zweifelsohne wäre auch ein Betrieb mit Braunkohlenbriketts, wie er z.B. in einer nahezu gleichgroßen Zentrale mit zwei Gasmaschinen à 700 PS auf dem Werk Riesa der A.-G. Lauchhammer durchgeführt ist, nicht schlechter gewesen. Leider lagen damals noch keine ausreichenden Erfahrungen mit Großgasmaschinen für Torfgasbetrieb vor, wie sie heute z.B. in Einheiten von etwa 1200 PS auf der Zentrale der Osnabrücker Kolonisations- und Moorverwertungsgesellschaft in Betrieb sind, und bei denen sich die Brennstoffkosten f. d. KW/Std. eventl. noch unter 1 Pf. stellen würden. Beim Betrieb durch neuzeitliche Diesel-Maschinen würde bei etwa 50 M Teerölpreis und höchstens etwa 0,40 kg Verbrauch bei teilweiser Belastungsweise die KW/Std. rd. auf 2 Pf. an Brennstoffkosten kommen, während sich dieselben im vorliegenden Falle auf 0,86 × 2,22 = 1,91 Pf. stellt, d. b. diese beiden Betriesweisen würden hier bei den gegebenen Brennstoffpreisen in dieser Hinsicht gleichwertig sein. Ein weiterer Nutzen ließe sich aber noch erzielen durch die Verwertung der Auspuffwärme zur Speisewasseranwärmung oder Dampferzeugung, wobei sich bekanntlich noch etwa 500 WE für die PSe/Std. gewinnen lassen. Es würden hierdurch im Jahre 3150000 ∙ 1,5 ∙ 500 = ~ 2360 Mill. WE. nutzbar sein, welche bei 70 v. H. Kesselwirkungsgrad einen Steinkohlenaufwand von \frac{2360000000}{7100\,.\,1000\,.\,0,7}=\,\sim\,470\mbox{ t} entsprechen, also bei M 20 Kohlenpreis eine Ersparnis von jährlich M 9400 darstellen. Da ein derartiger Abwärmeverwerter im vorliegenden Falle kaum mehr als M 5000 kosten dürfte, ist die Anlage eines solchen zweifelsohne zu empfehlen.