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Die
Erfindung betrifft eine Dampfturbinenanlage sowie ein Verfahren
zum Betreiben einer Dampfturbine.
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Bei
einer Dampfturbine wird die thermische Energie von der Turbine zugeführtem Dampf
in mechanische Arbeit umgewandelt. Derartige bekannte Dampfturbinen
umfassen einen hochdruckseitigen Dampfeinlass und einen niederdruckseitigen
Dampfauslass. Ferner ist eine Steuereinrichtung zur Steuerung zumindest
des Dampfeinlasses, zumeist jedoch auch zur Steuerung weiterer Anlagenkomponenten vorgesehen.
Eine sich durch die Turbine hindurch erstreckende Welle, der so
genannte Turbinenläufer, wird
mit Hilfe von Turbinenschaufeln angetrieben. Durch eine Kopplung
des Läufers
mit einem elektrischen Generator ermöglicht eine Dampfturbinenanlage
z. B. die Erzeugung von elektrischer Energie.
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Zum
Antreiben des Läufers
sind typischerweise Laufschaufeln und Leitschaufeln vorgesehen. Die
Laufschaufeln sind am Läufer
befestigt und rotieren mit diesem, wohingegen die Leitschaufeln
zumeist feststehend an einem Turbinengehäuse angeordnet sind. Alternativ
können
die Leitschaufeln z. B. an einem so genannten Leitschaufelträger befestigt sein.
Die Leitschaufeln sorgen für
eine günstige
Strömungsführung des
Dampfes durch die Turbine, um eine möglichst effiziente Energieumsetzung
zu erzielen. Bei dieser Umsetzung reduziert sich im Verlauf zwischen
Dampfeinlass und Dampfauslass sowohl die Temperatur als auch der
Druck des Dampfes.
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Prinzipiell
ist aus Effizienzgründen
ein möglichst
geringer Druck des auszulassenden Dampfes anzustreben. Ein mit niedrigen
Auslassdrücken
zusammenhängendes
Problem ist jedoch die so genannte Tropfenschlagerosion, die zu
einem hohen Verschleiß der
Laufschaufeln führt.
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Aufgrund
des Erreichens des Sattdampfzustandes in einem Niederdruckteil der
Turbine kann sich aus dem Dampf auskondensierte Feuchtigkeit niederschlagen
und Wassertropfen in der Turbine ausbilden. Von der Dampfströmung mitgenommene Wassertropfen
prallen mit hoher Energie auf die rotierenden Laufschaufeln, so
dass diese einem entsprechenden Verschleiß unterliegen.
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Da
durch diesen Effekt selbst gehärteter Stahl
abgetragen wird, ergibt sich in der Praxis ein hoher Aufwand zur
Fertigung möglichst
resistenter Laufschaufeln, beispielsweise durch Beschichtungen aus
speziellem Material.
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Abgesehen
von den hohen Kosten speziell beschichteter Laufschaufeln ergibt
sich oftmals das Problem, dass diese Laufschaufeln vergleichsweise niedrige
maximale Einsatztemperaturen zulassen, beispielsweise nur bis etwa
120°C. Zwar
ist es durchaus möglich,
Dampfturbinenanlagen so auszulegen, dass im Normalbetrieb entsprechende
Maximaltemperaturen in einem Niederdruckteil der Turbine nicht überschritten
werden. Problematisch ist jedoch der in der Praxis hin und wieder
erforderliche Leerlaufbetrieb oder Niedriglastbetrieb der Dampfturbine,
bei welchem durch den Effekt der so genannten Ventilation die Temperatur
im Niederdruckteil erhöht
wird, beispielsweise auf etwa 200 bis 250°C oder mehr.
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Bei
der Ventilation wird der in vorangegangenen Turbinenteilen bereits
weitgehend expandierte und abgekühlte
Dampf im Niederdruckteil (z. B. Endstufe) durch die rotierenden
Laufschaufeln wieder erhitzt.
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Abgesehen
davon, dass eine solche Ventilation die Energieumsetzungseffizienz
im Niedriglastbereich verschlechtert, verhindert die erhöhte Temperatur
den Einsatz einer Vielzahl von Materialien zur Fertigung von Laufschaufeln
im Niedrigdruckteil, die ansonsten z. B. auf Grund ihrer hohen spezifischen Festigkeit
gegenüber
Stahl bevorzugt wären.
Hierbei ist z. B. an die Verwendung von Faserverbundschaufeln (z.
B. CFK) oder anderen Leichtbauschaufeln zu denken, deren Schaufelgrundmaterial
und/oder gegebenenfalls vorgesehene Beschichtung nur eine niedrigere
Maximaltemperatur zulässt.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, derartige Probleme
zu lösen
und insbesondere eine übermäßige Ventilation
bzw. einen Temperaturanstieg in einem Niederdruckteil einer Dampfturbine zu
vermeiden.
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Diese
Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch
eine Dampfturbinenanlage nach Anspruch 1 bzw. ein Betriebsverfahren
nach Anspruch 14 gelöst. Die
abhängigen
Ansprüche
betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Dampfturbinenanlage.
Die meisten dieser Weiterbildungen können in analoger Weise auch
bei dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren
eingesetzt werden.
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Die
erfindungsgemäße Dampfturbinenanlage
ist dadurch gekennzeichnet, dass die Dampfturbine eine im Verlauf
zwischen der Dampfeinlasseinrichtung und der Dampfauslasseinrichtung
angeordnete weitere Dampfeinlasseinrichtung aufweist, und dass die
Steuereinrichtung dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von an der Dampfturbinenanlage
erfassten Betriebsparametern eine Dampfzufuhr über die weitere Dampfeinlasseinrichtung
zu steuern.
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Mit
der Erfindung ist es möglich,
in bestimmten Betriebssituationen einen weiteren Dampfeinlass alternativ
oder zusätzlich
zum hochdruckseitigen Dampfeinlass zu aktivieren, um damit den Betrieb
der Dampfturbine zu verbessern. Mit der Erfindung kann insbesondere
eine übermäßige Ventilation
vermieden werden, wodurch vorteilhaft die bislang mit einer solchen
Ventilation einhergehende Temperaturbeanspruchung der betreffenden
Turbinenkomponenten verringert wird. Damit kann unter Umständen die
Lebensdauer dieser Komponenten vorteilhaft verlängert werden. Darüber hinaus
haben die vorliegenden Erfinder erkannt, dass eine verringerte Temperaturbeanspruchung
im Niederdruckteil der Turbine vorteilhaft eine Ausbildung von Turbinenschaufeln
in Leichtbauweise ermöglicht,
insbesondere z. B. unter Einsatz eines Faserverbundmaterials wie
z. B. CFK. Derartige Materialien wurden für die Fertigung dieser Turbinenschaufeln
bislang überwiegend
als nicht realisierbar erachtet.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist vorgesehen, dass ein speziell konditionierter Dampf für die Zufuhr über die
weitere Dampfeinlasseinrichtung vorgesehen ist. Dies trägt vorteilhaft
dem Umstand Rechnung, dass in Dampfströmungsrichtung der Turbine betrachtet
eine Reduzierung sowohl der Temperatur als auch des Druckes des
Dampfes erfolgt. Je nach konkreter Anordnung der weiteren Dampfeinlasseinrichtung
im Verlauf der Turbine kann der dort bedarfsweise zugeführte Dampf
hinsichtlich seiner Temperatur und/oder seines Druckes angepasst
werden. Die Werte von Temperatur und Druck des über die weitere Dampfeinlasseinrichtung
zugeführten
Dampfes sind in der Regel wesentlich niedriger als die entsprechenden
Werte am hochdruckseitigen Dampfeinlass zu wählen. Bevorzugt jedoch größer als
diejenigen Werte, die sich ohne den zusätzlichen Dampfeinlass an dieser
Stelle im Turbinenverlauf ergeben würden.
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Bei
der Dampfturbinenanlage kann es sich beispielsweise um eine Industriedampfturbinenanlage
handeln, bei welcher die Dampfturbine mit einem Generator zur elektrischen
Energieerzeugung gekoppelt ist, dessen Leistung z. B. zwischen etwa
2 MW und 50 MW liegt. Die Erfindung ist jedoch auch für größere Anlagen
zur Energieerzeugung geeignet, beispielsweise für großindustrielle Anlagen mit einer Leistung
größer als
100 MW.
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Hinsichtlich
der mit der Erfindung gelösten Problematik
kann es sich bei der Dampfturbinenanlage insbesondere um eine Kondensationsdampfturbinenanlage
handeln, bei welcher der niederdruckseitig aus der Turbine ausgelassene
Dampf kondensiert wird und z. B. in einem Kreislauf sodann wieder
erhitzt wird, um den hochdruckseitig einzulassenden Frischdampf
zu erzeugen.
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Turbinen
sind zur Erzielung eines möglichst großen Wirkungsgrades
zumeist in mehrere Turbinenstufen aufgeteilt, wobei eine solche
Stufe aus einer Leitschaufelreihe und einer stromabwärts benachbarten
Laufschaufelreihe besteht. Die einzelnen Schaufeln einer Reihe erstrecken
sich hierbei auf gemeinsamer axialer Höhe, jedoch in Umfangsrichtung winkelmäßig zueinander
versetzt in verschiedene Radialrichtungen.
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Eine
oder mehrere hochdruckseitig (eingangsseitig) vorgesehene Stufen
können
als ”Hochdruckteil” bezeichnet
werden, wohingegen eine oder mehrere Stufen am Turbinenende, also
niederdruckseitig (ausgangsseitig) üblicherweise als ”Niederdruckteil” oder ”Endstufe(n)” der Turbine
bezeichnet werden.
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Unabhängig davon
kann die Gesamtheit der hintereinander angeordneten Turbinenstufen
auch konstruktiv bzw. baulich in Gruppen aufgeteilt sein, die jeweils
ein eigenes Turbinengehäuse
(”Trommel”) aufweisen
können,
oder in einem gemeinsamen Turbinengehäuse untergebracht sind. Bei
manchen Konstruktionen könnte
man etwa auch von einer Hochdruckstufengruppe, einer Mitteldruckstufengruppe
und einer Niederdruckstufegruppe sprechen.
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Die
Bezeichnungssystematik der Turbinen und der allgemeine Sprachgebrauch
sehen zumeist jedenfalls Hochdruckstufen und Niederdruckstufen vor.
Diese können,
müssen
aber nicht jeweils in einem eigenen Gehäuse angeordnet sein (welches
z. B. durch eine Rohrleitung mit dem benachbarten Gehäuse verbunden
sein kann).
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Die
gemäß der Erfindung
vorgesehene weitere Dampfeinlasseinrichtung ist besonders bevorzugt
in einem Niederdruckteil der Turbine angeordnet, insbesondere am
Eingang einer ”Endstufe”. Der Ausgang
der letzten Endstufe kann dann z. B. unmittelbar mit einem Kondensator
zur Kondensation des niederdruckseitig ausgelassenen Dampfes verbunden
sein.
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Die
Erfindung ist insbesondere interessant für Dampfturbinen, bei welchen
der Druck des über die
niederdruckseitige Dampfauslasseinrichtung auszulassenden Dampfes
um mindestens einen Faktor 102 kleiner als
der Druck des über
die hochdruckseitige Dampfeinlasseinrichtung einzulassenden Dampfes
ist.
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Der
hochdruckseitig einzulassende Dampf kann z. B. einen Druck von mehr
als 10 bar besitzen, wohingegen der niederdruckseitig auszulassende Dampf
einen Druck von weniger als 0,5 bar besitzen kann.
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Der
bedarfsweise über
die weitere Dampfeinlasseinrichtung zugeführte Dampf besitzt bevorzugt
einen Druck und eine Tempe ratur, die jeweils zwischen den entsprechenden
Werten des hochdruckseitigen Dampfeinlasses und des niederdruckseitigen
Dampfauslasses liegen, wobei der Druck und/oder die Temperatur des über die
weitere Dampfeinlasseinrichtung zugeführten Dampfes bevorzugt nennenswert
größer als
die an dieser Stelle der Turbine für den gleichen Betriebszustand
der Turbine ohne einen solchen zusätzlichen Dampfeinlass zu erwartenden
Werte sind. Damit kann eine Ventilation stromabwärts des weiteren Dampfeinlasses
zuverlässig
vermieden werden.
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Die
bevorzugt am Eingang eines Niederdruckteils der Dampfturbine angeordnete
weitere Dampfeinlasseinrichtung umfasst bevorzugt ein steuerbares
Ventil, mit welchem die bedarfsweise Dampfzufuhr gesteuert werden
kann. Besonders bevorzugt ist an dieser Stelle die Verwendung eines
Proportionalventils, mittels welchem der Dampfstrom exakt auf ein
gewünschtes
Ausmaß eingestellt
werden kann.
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Gemäß einer
Ausführungsform
ist vorgesehen, dass bei Erfassung eines Niedriglastbetriebs der
Dampfturbine die Dampfzufuhr über
die weitere Dampfeinlasseinrichtung bewirkt wird. Ein Niedriglastbetrieb
kann beispielsweise anhand einer Auswertung eines aktuell von der
Turbine gelieferten Drehmoments bzw. einer aktuell gelieferten Drehleistung
erfasst werden (z. B. an einer Kupplung des Turbinenläufers).
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Alternativ
oder zusätzlich
kann vorgesehen sein, dass bei Erfassung einer bestimmten Temperaturerhöhung in
einem Niederdruckteil der Dampfturbine die Dampfzufuhr über die
weitere Dampfeinlasseinrichtung bewirkt wird. Eine solche Temperaturerhöhung kann
im einfachsten Fall als Überschreitung einer
vorbestimmten Temperaturschwelle definiert sein. Alternativ oder
zusätzlich
kann die Temperaturerhöhung
auch unter Be rücksichtigung
einer aktuellen Temperaturänderungsrate
erfasst werden.
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In
einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass in Abhängigkeit
von den erfassten Betriebsparametern auch die Dampfzufuhr über die
hochdruckseitige Dampfeinlasseinrichtung gesteuert wird. Hierfür kann die
hochdruckseitige Dampfeinlasseinrichtung ein Ventil, beispielsweise
ein Proportionalventil umfassen.
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In
einer einfachen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein,
dass bei Erfassung eines Niedriglastbetriebs und/oder bei Überschreitung einer
vorbestimmten Temperaturerhöhung
ein Ventil der hochdruckseitigen Dampfeinlasseinrichtung geschlossen
und stattdessen ein Ventil der weiteren Dampfeinlasseinrichtung
geöffnet
wird. Dies stellt einen ”speziellen
Betriebsmodus” dar,
mittels welchem vorteilhaft einer Temperaturerhöhung auf Grund von Ventilation
in einem Niederdruckteil der Turbine entgegengewirkt werden kann.
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Die
beiden genannten Ventile können
bei entsprechender Ausbildung und Ansteuerung stufenlos einstellbar
sein. In dem genannten speziellen Betriebsmodus kann dann beispielsweise
das Ventil der weiteren Dampfeinlasseinrichtung, je nach Bedarf, mehr
oder weniger geöffnet
werden, wobei das Ventil der hochdruckseitigen Dampfeinlasseinrichtung
bevorzugt in korrespondierender Weise mehr oder weniger geschlossen
wird. Es muss also keineswegs eine schlagartige Umstellung der Dampfzufuhr
erfolgen. Wesentlich ist eine in Abhängigkeit von aktuell erfassten
Betriebsparametern ausgelöste
weitere Dampfzufuhr, bei welcher gegebenenfalls die hochdruckseitige
Dampfzufuhr ebenfalls verändert
(verringert) werden kann.
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In
der Praxis ist zumeist von Vorteil, wenn selbst bei nennenswerter
Dampfzufuhr über
die weitere Dampfeinlasseinrichtung der hochdruckseitige Dampfeinlass
nicht vollständig
geschlossen wird, sondern z. B. zumindest die so genannte ”Kühldampfmenge” durch
den hochdruckseitigen Teil der Turbine geführt wird. Ansonsten besteht
die Gefahr, dass der durch die Dampfversorgung im Niederdruckteil
angetriebene Turbinenläufer
zu einer Ventilation im Hochdruckteil der Turbine führt.
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In
einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass die erfassten Betriebsparameter ein an einem Turbinenläufer gemessenes
Drehmoment umfassen.
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In
einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass die erfassten Betriebsparameter eine in einem Niederdruckteil
der Dampfturbine gemessene Temperatur umfassen.
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Alternativ
oder zusätzlich
können
weitere Betriebsparameter der Anlage, insbesondere der Turbine,
gemessen werden, wie z. B. eine Drehgeschwindigkeit bzw. Drehzahl
des Turbinenläufers. Aus
erfasstem Drehmoment und erfasster Drehzahl des Läufers lässt sich
z. B. eine aktuelle Drehleistung des Turbinenläufers ableiten.
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In
einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass bei Vorliegen bestimmter Aktivierungskriterien ein
spezieller Betriebsmodus mit einer gesteuerten Dampfzufuhr über die
weitere Dampfeinlasseinrichtung aktiviert wird, der bei Vorliegen
bestimmter Deaktivierungskriterien wieder deaktiviert wird. Entsprechende
Kriterien für
eine Aktivierung des Betriebsmodus wurden oben bereits erläutert. Insbesondere
ist hierfür
eine Temperatur und/oder eine Temperaturerhöhung im Niederdruckteil der
Turbine interessant. Daneben eignet sich z. B. die Erfassung eines
Niedriglastbetriebs der Dampfturbine, weil ein solcher Niedriglastbetrieb über den
Effekt der Ventilation einen baldigen Temperaturanstieg im Niederdruckteil
befürchten
lässt.
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Die Überprüfung auf
das Vorliegen der Aktivierungskriterien und Deaktivierungskriterien
kann z. B. mittels geeigneter Software oder mittels einer elektronisch
gespeicherten Nachschlagtabelle realisiert sein.
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Die
Kriterien anhand derer eine Aktivierung und Deaktivierung des speziellen
Betriebsmodus (”weiterer
Dampfeinlass”)
ausgelöst
wird, und/oder andere Kriterien, können sodann während des
speziellen Betriebsmodus fortlaufend überprüft werden, um eine Steuerung
oder Regelung der Turbine und/oder anderer Anlagenkomponenten im
speziellen Betriebsmodus vorzunehmen.
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Wie
oben bereits erläutert,
kann bei Vorliegen bestimmter Aktivierungskriterien, insbesondere bei
Erfassung eines Niedriglastbetriebs der Dampfturbine, ein spezieller
Betriebsmodus aktiviert werden, bei welchem eine gesteuerte zusätzliche Dampfzufuhr
erfolgt. Gemäß einer
Weiterbildung wird in diesem Betriebsmodus ferner eine Erhöhung der
mechanischen Leistungsaufnahme der von der Turbine angetriebenen
Anlagenkomponenten bewirkt. Neben einer Ansteuerung einer erhöhten Leistungsaufnahme
der ohnehin vorhandenen Leistungsabnehmer (z. B. elektrischer Generator)
kommt hierfür
auch die ”Zuschaltung” von eigens
hierfür
vorgesehenen Leistungsabnehmern in Betracht. Es kann also z. B.
ein zusätzlicher
Leistungsaufnehmer in den Strang integriert werden, der im Leerlaufbetrieb
Leistung aufnimmt und z. B. in Wärme
verwandelt, die abgeführt
wird. Dadurch wird ebenfalls die Ventilation in den Endstufen reduziert.
Auch kann Leistung von einem mit der Turbine gekoppelten elektrischen
Generator über
Heizwiderstände
in Wärme
verwandelt werden.
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Die
zusätzliche,
durch Erhöhung
der mechanischen Leistungsaufnahme bereitgestellte Leistung kann
z. B. zum Heizen des der Turbine eingangsseitig und/oder über die
weitere Dampfeinlasseinrichtung zugeführten Mediums (z. B. Wasser)
verwendet werden. Insbesondere kann diese Leistung dazu genutzt
werden, das Kondensat in einem Kreislauf einer als Kondensationsdampfturbinenanlage
ausgebildeten Anlage vorzuerwärmen.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung wird in Abhängigkeit
von den an der Dampfturbinenanlage erfassten Betriebsparametern
auch eine Wassereinspritzung in einem Ausgangsbereich der Turbine
angesteuert, welche vorteilhaft einen zusätzlichen Kühleffekt liefern kann.
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In
einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass in dem oben erläuterten speziellen Betriebsmodus,
bei welchem eine gesteuerte Dampfzufuhr über die weitere Dampfeinlasseinrichtung
erfolgt, eine Sicherheitsüberwachung
im Hinblick auf eine in einem Niederdruckteil der Dampfturbine gemessene
Temperatur erfolgt, und die Turbine bei Erfüllung vorbestimmter Unsicherheitskriterien
(z. B. übermäßige Temperatur
und/oder übermäßige Temperatursanstiegstendenz)
abgeschaltet wird.
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In
einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass zumindest ein Teil der Komponenten in einem Niederdruckteil
der Turbine, insbesondere Laufschaufeln und/oder Leitschaufeln,
in Leichtbauweise hergestellt sind, beispielsweise unter Verwendung
eines Faserverbundmaterials (z. B. CFK).
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug
auf die beigefügten
Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:
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1 eine
schematische Darstellung wesentlicher Komponenten einer Dampfturbinenanlage, und
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2 ein
Ablaufschema eines bei der Turbinenanlage von 1 verwendbaren
Betriebsverfahrens.
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1 veranschaulicht
eine Dampfturbinenanlage 10 mit einer Dampfturbine 12 und
einer Steuereinrichtung 14 zur Steuerung der Dampfturbine 12.
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Die
Turbine 12 umfasst eine hochdruckseitige Dampfzuleitung 16 zur
Zufuhr von Frischdampf über
ein steuerbares Ventil V1 und eine niederdruckseitige Dampfableitung 18,
welche im dargestellten Ausführungsbeispiel
zu einem (nicht dargestellten) Kondensator eines Dampfkreislaufes
führt,
aus welchem nach Erhitzen des Kondensats wieder Frischdampf erzeugt
wird.
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Im
Normalbetrieb der Anlage 10 wird Frischdampf, beispielsweise
mit einem Druck von etwa 102 bar und einer
Temperatur von etwa 500°C, über die Zuleitung 16 am
Eingang der Turbine 12 zugeführt. In einem mittleren Bereich
der Turbine 12 besitzt der Dampf aufgrund vorausgegangener
Expansion einen wesentlich verringerten Druck und eine wesentlich verringerte
Temperatur (z. B. etwa 101 bar und etwa 200°C). Im weiteren
Verauf expandiert der Dampf weiter und tritt am Ausgang der Turbine 12 über die Ableitung 18 mit
etwa 10–1 bar
und etwa 40°C
wieder aus (z. B. 0,05 bar und 33°C).
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In
an sich bekannter Weise wird die thermische Energie des der Turbine 12 zugeführten Dampfes
in mechanische Dreharbeit umgewandelt. Ein durch die Turbine 12 sich
hindurch erstreckender Turbinenläufer 22 wird
durch daran befestigte Laufschaufeln 24 angetrieben und
treibt wiederum über ein
gegebe nenfalls vorgesehenes Getriebe 26 einen elektrischen
Generator 28 an. Abweichend von dem dargestellten Beispiel
könnte
die Turbine 12 alternativ oder zusätzlich z. B. Pumpen, Verdichter
oder andere Einheiten antreiben. Leistungsstarke Pumpen und/oder
Verdichter werden z. B. oftmals zur Implementierung großindustrieller
chemischer Prozesse benötigt.
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Innerhalb
der Turbine 12 wechseln sich in Axialrichtung betrachtet
die Laufschaufeln 24 mit Leitschaufeln 30 ab,
welche für
eine günstige
Strömungsführung des
Dampfes durch die Turbine sorgen. Die Leitschaufeln 30 sind
an der Innenseite eines Turbinengehäuses befestigt und stehen radial nach
innen gerichtet davon ab.
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Wie
aus 1 ersichtlich, umfasst die Turbine 12 im
dargestellten Ausführungsbeispiel
insgesamt sechs Schaufelreihenpaare 30, 24.
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Im
Hinblick auf einen möglichst
guten Wirkungsgrad bei der Umsetzung der thermischen Energie in
mechanische Arbeit und letztlich elektrische Energie ist ein möglichst
geringer Enddruck des niederdruckseitig (nach dem letzten Schaufelpaar 30, 24) über die
Ableitung 18 austretenden Dampfes von Vorteil.
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Mit
einem niedrigen Enddruck ging jedoch bislang das gravierende Problem
der Tropfenschlagerosion einher, die zu einem hohen Verschleiß der Laufschaufeln
im Niederdruckteil der Turbine führt. Im
dargestellten Beispiel wären
hiervon also die in 1 weiter rechts angeordneten
Laufschaufeln 24 der Turbine 12 betroffen, welche
einem ersten Expansionsabschnitt bzw. einer Niederdruckstufengruppe 12-2 angehören, wohingegen
die in 1 links befindlichen Schaufeln einem zweiten Ex pansionsabschnitt
bzw. einer Hochdruckstufengruppe 12-1 zuzurechnen sind.
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Der
Einsatz möglichst
erosionsbeständiger Laufschaufeln 24 im
Niederdruckteil 12-2 bzw. entsprechender Laufschaufelbeschichtungen
scheitert in der Praxis jedoch daran, dass entsprechende Materialien
oftmals vergleichsweise geringe zulässige Maximaltemperaturen besitzen,
welche in der Turbine leicht überschritten
werden können.
Erschwerend kommt hinzu, dass es bei einer Dampfturbine der dargestellten
Art Betriebsituationen wie insbesondere einen Niedriglastbetrieb
oder Leerlauf gibt, bei denen die thermische Energie des zugeführten Frischdampfes
in großem
Ausmaß bereits
durch den Hochdruckteil der Turbine umgewandelt wird und der sodann
den Niederdruckteil der Turbine durchströmende Dampf durch den Effekt
der so genannten Ventilation wieder aufgeheizt wird. Turbinenschaufeln
im Niederdruckteil bekannter Turbinen sind daher üblicherweise
z. B. aus Stahl oder Titan gefertigt.
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Bei
einer Ventilation in der Niederdruckstufengruppe 12-2 würde ein
Teil der Drehenergie des Läufers 22 mittels
der rotierenden Laufschaufeln 24 in Wärmeenergie des Dampfes zurückgewandelt.
In der Praxis könnte
durch diesen Effekt eine im Normalbetrieb etwa 40°C betragende
Laufschaufeltemperatur ohne weiteres bis auf etwa 200 bis 250°C oder mehr überhöht werden.
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Bei
der dargestellten Anlage 10 ist diese Problematik jedoch
in nachfolgend beschriebener Weise beseitigt, so dass beispielsweise
die Laufschaufeln 24 der Niederdruckstufengruppe 12-2 sehr
vorteilhaft als Leichtbauschaufeln, gegebenenfalls mit einer speziellen
Beschichtung, ausgebildet werden können.
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Wesentlich
ist hierfür
eine im Verlauf zwischen der Dampfzuleitung 16 und der
Dampfableitung 18, im dargestellten Ausführungsbeispiel
am Eingang der Niederdruckstufengruppe 12-2 angeordnete
weitere Dampfeinlasseinrichtung (weitere Dampfzuleitung 40 mit
steuerbarem Ventil V2), wobei eine Dampfzufuhr über diese weitere Dampfeinlasseinrichtung 40,
V2 von der Steuereinrichtung 14 in Abhängigkeit von (insbesondere
z. B. an der Turbine) erfassten Betriebsparametern gesteuert wird.
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Hierzu
werden der Steuereinrichtung 14 eine Vielzahl von Messgrößen eingegeben,
wie beispielsweise eine Temperatur T, die mittels eines in der Niederdruckstufe 12-2 angeordneten
Temperatursensors 42 erfasst wird, eine Drehzahl n und
ein Drehmoment TQ, welche durch eine (nicht dargestellte) Sensorik
beispielsweise im Bereich des Getriebes 26 erfasst werden.
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Mittels
einer Auswertung der zugeführten Betriebsparameter
T, n, TQ, ... erzeugt die Steuereinrichtung 14 eine Vielzahl
von Ausgangssignalen zur Ansteuerung verschiedener Anlagenkomponenten. Durch
Steuersignale sv1 und sv2 werden beispielsweise die als stufenlos
ansteuerbar ausgebildeten Ventile V1 und V2 an den Dampfzuleitungen 16 und 40 angesteuert.
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In
einem Normalbetrieb, etwa unter Volllast, ist das Ventil V1 geöffnet und
das Ventil V2 geschlossen.
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Die
Steuereinrichtung 14 erkennt anhand der erfassten Betriebsparameter
einen übermäßigen Temperaturanstieg
im Bereich der Endstufe 12-2 sowie einen Niedriglastbetrieb,
welcher auf Grund des Effekts der Ventilation einen solchen Temperaturanstieg
befürchten
lässt.
In einem solchen Fall wirkt die Steuereinrichtung 14 einem
Temperaturanstieg durch einen speziellen Betriebsmodus entgegen,
bei welchem speziell kon ditionierter Dampf über die weitere Dampfzuleitung 40 eingelassen
wird. Die relativ geringe Leistung der Turbine 12 wird
damit größtenteils
oder sogar im Wesentlichen nur mittels des der Zuleitung 40 nachfolgenden
Niederdruckteils der Turbine 12 erzeugt. Durch die Leistungserzeugung stromabwärts der
Zuleitung 40 wird vorteilhaft eine Ventilation in diesem
Bereich vermieden und die Temperatur bleibt gering (bzw. verringert
sich). In diesem speziellen Betriebsmodus kann durch gleichzeitiges
Schließen
oder im Wesentlichen Schließen
des Ventils V1 der hochdruckseitig zugeführte Dampfstrom und damit die
Leistungserzeugung in der Hochdruckstufe 12-1 abgeschaltet
bzw. reduziert werden.
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Der
erfindungsgemäß erzielte
Effekt kann z. B. durch eine zusätzliche
Wassereinspritzung im Bereich der Endstufe 12-2, insbesondere
in einem so genannten Abdampfgehäuses
der Endstufe 12-2, noch unterstützt werden. Eine solche kühlend wirkende
Wassereinspritzung kann z. B. in dem erwähnten speziellen Betriebsmodus
von der Steuereinrichtung 14 bewirkt und (mengenmäßig) gesteuert
werden, bevorzugt in Abhängigkeit
von Betriebsparametern, die während
dieses Betriebsmodus an der Turbine 12 erfasst werden.
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2 ist
ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung der von der Steuereinrichtung 14 bewirkten
Turbinensteuerung, die beispielsweise mittels in der Steuereinrichtung 14 ablaufender
Software realisiert werden kann.
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Die
Verarbeitung beginnt in einem Schritt S10.
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In
einem Schritt S12 wird überprüft, ob ein Drehmoment
(z. B. Kupplungsmoment) TQ kleiner als ein vorbestimmter Schwellwert
TQa ist.
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Falls
dies nicht der Fall ist so wird in einem Schritt S14 überprüft, ob die
in der Endstufe 12-2 gemessene Temperatur T größer als
ein vorbestimmter Schwellwert Ta ist.
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Falls
auch dies nicht der Fall ist, so geht die Verarbeitung zurück zum Schritt
S12.
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Falls
jedoch das Drehmoment TQ vergleichsweise klein ist (Schritt S12)
oder die Temperatur T relativ groß ist (Schritt S14), so schreitet
die Verarbeitung zu einem Schritt S16, in welchem das Ventil V1
geschlossen wird und das Ventil V2 geöffnet wird. Damit ist der ”spezielle
Betriebsmodus” aktiviert,
der dem Temperaturanstieg in der Endstufe der Turbine 12 entgegenwirkt.
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Dieser
spezielle Betriebsmodus wird im dargestellten Ausführungsbeispiel
erst dann wieder deaktiviert, wenn sowohl das Drehmoment TQ größer als
ein vorbestimmter Schwellwert TQb ist (Schritt S18) als auch die
Temperatur T kleiner als ein vorbestimmter Schwellwert Tb ist (Schritt
S20). Nur wenn das Ergebnis beider Abfragen positiv ist, so schreitet
die Verarbeitung zu einem Schritt S22, bei welchem der spezielle
Betriebsmodus wieder deaktiviert wird, indem das Ventil V1 wieder
geöffnet
und das Ventil V2 wieder geschlossen wird. Sodann kehrt die Verarbeitung
zum Schritt S12 zurück.
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Die
zur Deaktivierung herangezogenen Schwellwerte TQb und Tb können den
entsprechenden Schwellwerten für
die Aktivierung entsprechen, d. h. es kann TQb = TQa und Tb = Ta
gelten. Alternativ und bevorzugt ist es jedoch, wenn hinsichtlich
wenigstens einer Schwellwertart (für Drehmoment oder Temperatur)
eine Hysterese vorgesehen ist. In einer bevorzugten Ausführungsform
ist z. B. TQb um einen vorbestimmten Hysterese wert größer als
TQa und ist Tb um einen vorbestimmten Hysteresewert kleiner als
Ta.
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Es
versteht sich, dass abweichend von diesen Aktivierungs- und Deaktivierungskriterien
in der Praxis auch andere von der Steuereinrichtung 14 erfasste
Betriebsparameter herangezogen werden können.
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Auch
der ”spezielle
Betriebsmodus”,
der im einfachsten Fall eine Umschaltung der Dampfzufuhr von der
hochdruckseitigen Zufuhr über
die Leitung 16 zur Zwischenzufuhr über die Leitung 40 ist,
kann in der Praxis in vielfältiger
Weise den jeweiligen Anforderungen angepasst werden. Insbesondere
kommt in Betracht, während
des speziellen Betriebsmodus eine in Abhängigkeit von den erfassten
Betriebsparametern durchgeführte
Ansteuerung, insbesondere stufenlose Ansteuerung der Ventile V1
und/oder V2 vorzusehen. Lediglich beispielhaft sei hierzu die Möglichkeit
erwähnt,
dass insbesondere auf Basis der gemessenen Temperatur T eine Steuerung
der Anlage 10 mit dem Ziel erfolgen kann, diese Temperatur
T in einem bestimmten Bereich bzw. unter einer gewissen Maximaltemperatur
zu halten. Hierfür
kann z. B. eine Temperaturregelung vorgesehen werden. Eine solche
Temperaturregelung kann z. B. aus Proportional-, Integral- und Differentialanteilen
bestehen, und gegebenenfalls eine Vorsteuerung in Abhängigkeit
von dem Drehmoment oder der Drehleistung aufweisen.
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Die
Turbine 12 kann im speziellen Betriebsmodus z. B. drehzahlgeregelt
oder leistungsgeregelt gefahren werden oder auf bestimmte Kenngrößen der
angetriebenen Anlagenkomponenten (z. B. Generator 28) geregelt
werden.
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Zur
garantierten Abnahme einer Mindestleistung in dem speziellen Betriebsmodus
kann vorgesehen sein, dass mechanische Energie in thermische umgewandelt
wird, solange über
die normalerweise angetriebenen Anlagenkomponenten nicht ausreichend
Leistung konsumiert wird, um Ventilation im Niederdruckteil zu vermeiden.
Dies kann z. B. über Heizwiderstände, die über seperate
Wicklungen oder über
eine spezielle Schaltung der vorhandenen Wicklungen eines elektrischen
Generators gespeist werden, geschehen.
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Die
Erfindung kann mit weiteren temperatursenkenden Maßnahmen
kombiniert werden. Beispielsweise kann von der Steuereinrichtung
während des
speziellen Betriebsmodus eine Wassereinspritzung angesteuert werden,
um eine zusätzliche
Kühlwirkung
zu erzielen.
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Die
Wirkung der erfindungsgemäßen Maßnahmen
sollte überwacht
werden, etwa um in kritischen Betriebssituationen ein rasches Abschalten der
Turbine zu ermöglichen.
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Zusammenfassend
erlaubt die Gestaltung der Turbine 12 und deren Ansteuerung
vorteilhaft eine Reduzierung oder gänzliche Beseitigung der Ventilation
im Niedriglast- oder Leerlaufbetrieb, womit vorteilhaft die in einem
solchen Betriebszustand auftretende Temperaturüberhöhung im Niederdruckteil vermieden
werden kann.
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Da
die letzte Stufe einer Kondensationsdampfturbine zumeist eine begrenzende
Komponente bezüglich
maximaler Durchströmfläche bzw.
maximaler Drehzahl der Turbine darstellt (Fliehkräfte führen zu
hohen mechanischen Spannungen der rotierenden Bauteile), ist der
mit der Erfindung ermöglichte
Einsatz von Leichtbauschaufeln, insbesondere Faserverbundschaufeln
auf Grund der deutlich geringeren Masse bei diesem Turbinentyp besonders
vorteilhaft.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung ist daher vorgesehen, dass zumindest ein Teil der
Laufschaufeln im Niederdruckteil der Turbine in Leichtbauweise,
insbesondere aus Faserverbundmaterial (z. B. CFK) hergestellt sind,
gegebenenfalls mit einer Beschichtung (zur Erhöhung der Resistenz gegenüber Tropfenschlagerosion).
Eine derartige Beschichtung ist in der Praxis insbesondere für viele
Faserverbundmaterialien erforderlich, da diese Materialien z. B.
im Vergleich zu gehärtetem
Stahl eine geringere Tropfenschlagresistenz besitzen.
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Durch
die mit der Erfindung erreichte Absenkung der maximal auftretenden
Temperatur an den Endstufenschaufeln wird der Einsatz von Leichtbauschaufeln
mit entsprechenden Erosionsschutzsystemen oftmals überhaupt
erst ermöglicht.
Es ergeben sich vorteilhaft Möglichkeiten,
Schaufelgrundmaterialien mit niedrigerer zulässiger Maximaltemperatur einzusetzen,
z. B. Kunstharz bei Einsatz von faserverstärktem Kunststoff.