DE102005046720B4

DE102005046720B4 - Verfahren zur Kondensation von Flüssigkeiten in einer Dampfturbine

Info

Publication number: DE102005046720B4
Application number: DE200510046720
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr. Hammer; Thomas Dr. Kappes; Matthias Dr. Neef; Norbert Sürken
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-09-29
Filing date: 2005-09-29
Publication date: 2007-10-11
Anticipated expiration: 2025-09-30
Also published as: DE102005046720A1

Abstract

Verfahren zur Kondensation von Flüssigkeiten in einer Dampfturbine, bei dem aus einem Dampf ein Kondensat in Form von Flüssigkeitstropfen definierter Anzahl und Größe gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kondensation dem Dampf Kondensationskeime zugegeben werden, wobei die Kondensationskeime in der Flüssigkeit nicht lösliche Nanopartikel eines Feststoffes sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Kondensation von Flüssigkeiten in einer Dampfturbine, bei dem aus einem Dampf ein Kondensat in Form von Flüssigkeitstropfen gebildet wird.
Insbesondere in Niederdruck-Dampfturbinen aber auch in den Hochdruckbereichen der Nassdampfturbinen in nuklearen Kraftwerken tritt die Kondensation in der Regel verzögert ein, d.h. bei Dampfdrücken, die über dem Sättigungsdampfdruck für die am Ort der Kondensation vorherrschende Temperatur liegen. Man spricht dabei von „übersättigtem" oder auch „unterkühltem" Dampf. Beim Übergang in den annähernd thermodynamisch stabilen Zustand kommt es zu thermodynamischen Verlusten und im weiteren Verlauf zu weiteren Nässeverlusten sowie zur Erosion an Turbinenschaufeln.
Der verzögerte Beginn der Kondensation an sich ist mit einem signifikanten Entropieanstieg und damit einer Reduktion des thermodynamischen Wirkungsgrades verbunden, dem sog. thermodynamischen Relaxationsverlust.
Hinzu kommen weitere Verluste aufgrund der Bildung vergleichsweise großer Tröpfchen. Aufgrund der Massenträgheit der Tropfen folgen große Tröpfchen der Dampfströmung nicht besonders gut. Sie sammeln sich deshalb auf der Oberfläche der Leitbeschaufelung und bilden dort einen Wasserfilm. Gelangt dieser Wasserfilm zur Schaufelhinterkante, reißen dort große Sekundärtropfen von der Schaufelhinterkante ab, die im Nachlauf des Leistschaufelprofils nur langsam beschleunigt werden. Dadurch treffen die Tropfen in der nachfolgenden Laufschaufelreihe unter ungünstigem Winkel und mit hoher Relativgeschwindigkeit auf die Schaufel, wodurch es zu einer mechanischen Schädigung des Schaufelmaterials kommen kann (Erosion). So entstehen kinematische Verluste durch den Aufprall der großen Tropfen auf die schnell umlaufenden Schaufeln (sog. Bremsverluste) und innere Reibungsverluste in der Zwei-Phasen-Strömung (sog. Schleppverluste).
Die Minimierung dieser Verluste erreicht man, indem man durch geeignete konstruktive Auslegung der Turbine oder durch zusätzliche Maßnahmen dafür sorgt, dass das Kondensat in Form möglichst kleiner und damit möglichst vieler anstatt weniger großer Wassertropfen gebildet wird.
Ein Verfahren zur Einflussnahme auf den Kondensationsvorgang in der Dampfturbine wird in der Veröffentlichung von Filippov et al. in Thermal Engineering, 29 (1982) 483 beschrieben. Dabei wird dem noch überhitzten Dampf am Eintritt in die Turbine die alkalisierende oberflächenaktive Substanz „Octadecylamin (ODA)" zugegeben mit dem Ziel, die Oberflächenspannung der sich bildenden Kondensationskeime zu reduzieren und die Keimbildungsgeschwindigkeit nach Unterschreiten der Sättigungslinie zu erhöhen. Aufgrund dieser Maßnahme soll eine Zunahme der Turbinenleistung bei ansonsten gleichen Bedingungen um 2 % erreicht werden können. Die dafür notwendige Konzentration von ODA im Wasserdampf beträgt mindestens 3 ppm. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist die geringe chemische Beständigkeit von ODA unter den gegebenen thermischen Bedingungen. Durch Zersetzung entstehen u. a. organische Karbonsäuren, die zu erhöhter Korrosion an den Turbinenschaufeln und dem Turbinengehäuse führen und die Lebensdauer der Maschine herabsetzen.
Weiterhin sind Verfahren veröffentlicht, bei denen durch Veränderung des Zustandes elektrischer Ladung im Dampf der Wirkungsgrad der Turbine erhöht werden soll. In US 6,698,205 B2 wird eine elektrische Entladung bzw. eine Aufladung der Tröpfchen durch Spitzenelektroden im Ausgang der Dampfturbine, die auf definiertes elektrisches Potential gelegt werden, als Mittel zur Wirkungsgradsteigerung offenbart. WO 00/71857 A1 stellt die elektrische Entladung von Tröpfchen durch mit Hochspannung beaufschlagten Drahtelektroden unmittelbar am Ausgang der letzten Stufe der Dampfturbine dar. Diese Schriften offenbaren zwar Maßnahmen zur Wirkungsgradsteigerung, die aber allesamt den Nachteil haben, dass sie am Ausgang der Turbine angreifen und thermodynamische Verluste nur noch im Bereich des Kondensators beeinflussen können. Die Erosionsprobleme im Bereich der Turbine werden dadurch in keiner Weise gelöst.
Aus der US 5 231 832 A ist es bekannt, bei Dampfturbinen einen Zusatz von Kondensationskeimen zur Förderung der Kondensation beizugeben, wobei dort die Kondensationskeime speziell in Form kleiner Salzpartikel bereitgestellt werden. Davon abgesehen werden dort auch bereits die Erzeugung von Ionen in Funkenplasmen als Kondensationskeime in Betracht gezogen. In beiden Fällen muss dabei die Oxidationswirkung der Salzpartikel berücksichtigt werden.
Ausgehend vom Stand der Technik ist es demgegenüber Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Kondensation von Flüssigkeiten in einer Dampfturbine anzugeben und eine zugehörige Dampfturbine zu schaffen.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Weiterbildungen ergeben sich aus den einzelnen abhängigen Ansprüchen.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Zugabe von Kondensationskeimen zum Dampf in Form von wasserunlöslichen Feststoffpartikeln. Solche Nanoteilchen haben eine vorteilhafte, nicht vorhersehbare Wirkung.
Bei der Erfindung kommt als Kondensationskeime eine Reihe von Materialien in Frage. Vorzugsweise sind die Materialien Metalle oder Kohlenstoff sowie Oxide, Halogenide, Nitride oder Carbide von Haupt- und Nebengruppenelementen, wie z. B. Eisen (Fe), Titan (Ti), Silicium (Si), Aluminium (Al), Bor (B), Zink (Zn), Kupfer (Cu). Entscheidend für die Effizienz der Tropfenbildung in der Kondensationszone ist die Hydrophilie der Partikeloberfläche, die durch den Kontaktwinkel gemessen wird. Wichtig ist außerdem eine geringe Dampflöslichkeit des Materials. Der Durchmesser der Feststoffpartikel liegt in der Größenordnung zwischen einigen Atomen und 100 nm, Idealerweise zwischen 1 und 10 nm.
Die Partikel, die als trockenes Pulver oder in einer Emulsion vorliegen können, werden am Eingang der Turbine oder auch innerhalb der Beschaufelung, in jedem Fall aber vor der Sättigungslinie in die Dampfströmung eingebracht, wo sie sich homogen über das gesamte Dampfvolumen verteilen. Die Eindüsung kann auch durch feine Düsen in den Leitschaufeln erfolgen. Ebenso können die Partikel in einem zuvor abgezweigten Teilstrom des Hauptdampfstromes dispergiert werden und danach dem Hauptstrom wieder zugeführt werden.
Bei der Erfindung wird eine Verunreinigung des Dampfes durch Zersetzungsprodukte, Säuren oder wasserlösliche Salze vermieden. Säuren und/oder wasserlösliche Salze würden bereits in kleinen Konzentrationen die Korrosion an den Oberflächen der Schaufeln und des Gehäuses drastisch beschleunigen und können dadurch die Lebensdauer der Turbine herabsetzen.
Im Rahmen der Erfindung ist der apparative Aufwand zur Erzeugung bzw. Eindüsung von Feststoffpartikeln als Kondensationskeime gering, so dass das Verfahren auch zur Nachrüstung an bestehenden Dampfturbinenanlagen geeignet ist. Es sind keine hochspannungstechnischen Anlagen notwendig, welche gerade in feuchten Umgebungen besondere Vorkehrungen zur Vermeidung von elektrischen Überschlägen erfordern.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Beispielen einer Dampfturbine, die mit Nanoteilchen als Kondensationskeime arbeitet, anhand der Zeichnungen in Verbindung mit den Patentansprüchen. Es zeigen in jeweils schematischer Darstellung:
1 das Prinzip der Eindüsung von Feststoffpartikeln am Turbineneintritt einer Dampfturbine,
2 die Eindüsung von Feststoffpartikeln innerhalb der Beschaufelung und
3 die Eindüsung von Feststoffpartikeln am Turbineneintritt mit Hilfe eines Teildampfstromes als Alternative zu 1.
Die Figuren werden nachfolgend im Wesentlichen gemeinsam beschrieben. Die Figuren zeigen solche Ausführungsformen einer Vorrichtung zur Zugabe von Feststoffpartikeln, bei der sich die Partikel zunächst als Pulver oder in einer Emulsion in einem Speicherbehälter, von dem sie über eine Zuleitung und einer Eindüsvorrichtung dem Dampfstrom am Turbineneingang bzw. innerhalb der Schaufelreihen zugeführt werden. In der Ausführungsform in 3 geschieht dies unter Zuhilfenahme eines Teildampfstromes, der dem Hauptstrom entnommen wird.
In den Figuren bedeutet 1 eine Dampfturbine, von der jeweils nur ein Teil dargestellt ist. Im Einzelnen ist jeweils ein Rotor 2 mit Rotationsachse I vorhanden, auf dem sich einzelne Laufschaufelreihen 3, 3', 3'' befinden, wobei speziell drei Laufschaufelreihen angedeutet sind. Korrespondierend dazu ist ein Statorteil 4 mit zugehörigen Leitschaufeln 5, 5', 5'' vorhanden. Es sind auch Anordnungen mit mehr oder weniger Schaufelreihen denkbar.
Über eine Zuleitung 8 erfolgt der Dampfzustrom. Der Dampfstrom wird in die Anordnung aus Statorteil 4 und Rotor 2 mit Laufschaufeln geleitet, wodurch über die Umwandlung von Strömungsenergie in mechanische Energie der Rotor in Drehung versetzt wird.
Beim oder nach dem Einbringen des Dampfes in die Anordnung gemäß den 2 und 3 kondensiert der Dampf als kleine Tröpfchen. In den Figuren ist eine Sättigungslinie S (auch: Taulinie) eingezeichnet, bei deren Überschreitung der Dampf im thermodynamischen Gleichgewicht teils in flüssiger teils in gasförmigem Aggregatzustand vorliegt.
In den Figuren ist weiterhin ein externer Speicherbehälter als Teil einer Vorrichtung zur Zugabe von Feststoffpartikeln vorhanden. Über den Speicherbehälter 11 erfolgt über eine Zuleitung das Einbringen der Teilchen in den Dampfzustrom zu einer Düse 13.
Im Speicherbehälter 11 können sich die Partikel zunächst als Pulver oder in einer Emulsion befinden. Über die Zuleitung 12 werden die Teilchen zur Düse 13 gebracht und dort in den Dampfstrom eingebracht.
In 1 befindet sich Speicherbehälter 11, Zuleitung 12 und Düse 13 am Eingang der Dampfleitung 8. In 2 ist der Speicherbehälter mit Zuleitung 12 und Düse 13 zwischen der ersten Laufschaufel und der zweiten Leitschaufel angeordnet. Die Düse 13 kann dabei auch unmittelbar in eine Schaufel eingebracht werden.
Speziell in 3 erfolgt die Eindüsung der Feststoffpartikel mit Hilfe eines Teildampfstromes. Dies bedeutet, dass über eine Abzweigleitung 14 aus der Leitung 8 ein Teilstrom zum Speicherbehälter 11 geführt und dort mit Teilchen angereichert wird. Über die Zuleitung 12 erfolgt dann wiederum die Zuführung zum Dampfstrom und dortige Verdüsung.
Bei allen beschriebenen Beispielen ist es wesentlich, dass die Teilchen vor der Sättigungslinie S in die Dampfströmung eingebracht werden. Sie verteilen sich dann homogen über das gesamte Dampfvolumen.
Bei der anhand der 1 bis 3 beschriebenen Anordnung kommen für die Kondensationskeime eine Reihe unterschiedlicher Materialien in Frage. Die Materialien können Metalle der Kohlenstoff sowie Oxide, Halogenide, Nitride oder Carbide von Haupt- und Nebengruppenelementen sein. Beispielsweise kommen Eisen (Fe), Titan (Ti), Silicium (Si), Aluminium (Al), Bor (B), Zink (Zn) oder Kupfer (Cu) in Frage. Die Kondensationskeime bestehen also aus solchen Materialien bestehen, die bei den in der Dampfturbine herrschenden Bedingungen nicht verdampfen.
Wesentlich für die effiziente Tropfenbildung in der Kondensationszone ist weiterhin die Hydrophilie der Partikeloberflächen, die durch den Kontaktwinkel gemessen wird. Dies bedeutet im Einzelnen, dass als Kondensationskeime Partikel verwendet werden, die eine hinreichende Benetzbarkeit mit Wasser aufweisen.
Letztere Partikel liegen als Nanoteilchen in Form eines trockenen Pulvers oder in einer Emulsion vor und können in einfacher Weise in den Dampfstrom eingedüst werden.
Im Rahmen der Erfindung ergibt sich ein alternatives Verfahren zur Anreicherung des Dampfstroms mit Feststoffpartikeln, das darin besteht, die Partikel „in situ" zu erzeugen, indem eine flüssige oder gasförmige Vorläufersubstanz in den Dampfstrom eingebracht wird, die mit Wasser eine chemische Reaktion in der Art eingeht, dass eine dampf- bzw. wasserunlösliche Verbindung gebildet wird. Diese fällt in Form feindisperser Partikel aus, welche als Keime für die Dampfkondensation wirken.
Ein Beispiel für solch eine Fällungsreaktion zur Erzeugung von TiO₂-Partikeln ist die Hydrolyse von Titanbutoxid: Ti(OBu)₄ + 2 H₂O → TiO₂(s) + 4 HOBu(OBu = -O-CH₂-CH₂-CH₂-CH₃) (1)
Die Partikel bieten aufgrund ihrer hohen Dispersion eine sehr große Oberfläche an, auf der nach Überschreiten der Sättigungslinie zunehmend Wassermoleküle adsorbieren, bis sich ein Tropfen gebildet hat, der durch weitere Wasserkondensation kontinuierlich wächst. Um eine ausreichende Anzahl kleiner Tropfen zu erhalten und so eine Minimierung der kinematischen Verluste sowie des Tropfenschlags zu erreichen, muss die Kon zentration der Partikel > 10¹⁵, idealerweise > 10¹⁷ pro kg Dampf sein.
Alle vorstehend beschriebenen Verfahren bieten die Möglichkeit, den Kondensationsvorgang in der Dampfturbine durch den gezielten Eintrag von Kondensationskeimen zu steuern und die thermodynamischen und kinematischen Relaxationsverluste sowie die Tropfenschlagerosion zu minimieren.

Claims

Verfahren zur Kondensation von Flüssigkeiten in einer Dampfturbine, bei dem aus einem Dampf ein Kondensat in Form von Flüssigkeitstropfen definierter Anzahl und Größe gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kondensation dem Dampf Kondensationskeime zugegeben werden, wobei die Kondensationskeime in der Flüssigkeit nicht lösliche Nanopartikel eines Feststoffes sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel als trockenes Pulver vorliegen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel in einer Emulsion vorliegen.
Verfahren nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, wobei eine Dampfturbine, an deren Eintritt überhitzter Dampf vorliegt und deren Beschaufelung Leit- und Laufschaufeln aufweist, zwischen denen der Dampf geführt wird, verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel am Eintritt der mit Dampf betriebenen Turbine in die Dampfströmung eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, wobei eine Dampfturbine, an deren Eintritt überhitzter Dampf vorliegt und deren Beschaufelung Leit- und Laufschaufeln aufweist, zwischen denen der Dampf geführt wird, verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel innerhalb der Beschaufelung der Dampfturbine in die Dampfströmung eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, wobei eine Dampfturbine, an deren Eintritt überhitzter Dampf vorliegt und deren Beschaufelung Leit- und Laufschaufeln aufweist, zwischen denen der Dampf geführt wird, verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel durch Eindüsung über Düsen in den Leitschaufeln in die Dampfströmung eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, wobei eine Dampfturbine, an deren Eintritt überhitzter Dampf vorliegt und deren Beschaufelung Leit- und Laufschaufeln aufweist, zwischen denen der Dampf geführt wird, verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel in einem zufuhrabgezweigten Teilstrom des Hauptdampfstromes dispergiert werden und anschließend dem Hauptstrom wieder zugeführt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Partikel in einer Größenordnung zwischen einigen Atomen und 100 nm verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Feststoffpartikel zwischen 1 und 10 nm liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel 'in situ' erzeugt werden, indem in den Dampfstrom eine flüssige oder gasförmige Substanz, die mit Wasser eine chemische Verbindung derart eingeht, dass eine dampf- bzw. wasserunlösliche Verbindung gebildet wird und feindisperse Partikel ausfallen, eingebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Kondensationskeime Partikel verwendet werden, die eine hinreichende Benetzbarkeit mit Wasser aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensationskeime aus Materialien bestehen, die bei den in der Dampfturbine herrschenden Bedingungen nicht verdampfen.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Kondensationskeime Partikel von Metallen oder Kohlenstoff sowie Oxiden, Halogenide, Nitride oder Carbide verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als metallische Partikel Elemente von Haupt- und Nebengruppen des Periodischen Systems, beispielsweise Eisen (Fe), Titan (Ti), Silicium (Si), Aluminium (Al), Bor (B), Zink (Sn) oder Kupfer (Cu), verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feststoffpartikel aus dem Kondensat der Dampfturbine abgetrennt werden und dem Dampf am Eingang der Turbine wieder als Kondensationskeime zugeführt werden.