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Diese
Erfindung betrifft den Betrieb einer Dampfturbine unter Nutzung
der Turbinenleistungsreserve für einen Betrieb unter erhöhten
Lasten.
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HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
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Große
Dampfturbinen der Bauart, die in der elektrischen Energieversorgungsindustrie
verwendet wird, sind großzügigerweise ausgelegt,
um ein gewisses zusätzliches Lastleistungspotential über
die Nennleistung, einen Betriebspunkt, der üblicherweise
als der „Garantiepunkt” bezeichnet wird, zu bieten. Die
Nennleistung wird anhand der Ausgangsleistung angegeben, und dieser
Zustand wird herkömmlich mit einem oder mehreren Steuerventilen
erreicht, die nicht ganz vollständig geöffnet
sind, so dass das zusätzliche Leistungsvermögen
durch vollständiges Öffnen der Steuerventile erhalten
wird. Wenn die Turbinenauslegung derart ist, dass die Nennleistung
auftritt, wenn die Dampfeinlassventile vollständig offen sind,
wird die Turbineneffizienz an diesem Punkt im Hinblick auf die Energienutzung
oder Wärmerate deutlich verbessert. Jedoch stehen bei vollständig geöffneten
Steuerventilen nur begrenzte Mittel zur Verfügung, mit
denen eine Reservekapazität bzw. Leistungsreserve einer
Dampfturbine erreicht werden kann.
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Ein
bekanntes Verfahren zur Erzielung eines Leistungsüberschusses
in einer Turbine, wenn die Nennleistung bei vollständig
geöffneten Steuerventilen auftritt, besteht darin, ein
Bypassventil vorzusehen und dadurch zusätzlichen Dampf
um die Steuerventile herum zu einer späteren, einen niedrigeren Druck
aufweisenden Stufe der Turbine strömen zu lassen. Dieses
Ver fahren (wie es in der Vergangenheit eingesetzt worden ist) weist
drei Nachteile auf. Zuerst wird es als erforderlich erachtet, das
Bypassventil in das Turbinensteuersystem zu integrieren, wodurch
das Bypassventil im Effekt zu einem zusätzlichen Steuerventil
gemacht wird, das auf eine gesteuerte und koordinierte Weise gemeinsam
mit den Einlasssteuerventilen gedrosselt wird. Dies erhöht deutlich
die Komplexität des Steuersystems. Zweitens ist es, um
steigende Regulierungsanforderungen der Industrie bei einem drosselnden
Bypassventil zu erfüllen, erforderlich, eine gewisse Überlappung zwischen
den Steuerventilen und dem Bypassventil vorzusehen. In anderen Worten
wird es erforderlich, mit dem Öffnen des Bypassventils
anzufangen, bevor die Steuerventile vollständig offen sind.
Dies verringert die Effizienz der Turbine bei ihrer Nennleistung. Drittens
ist aufgrund der kleinen Leistungsfähigkeit eines derartigen
Bypassventils eine beträchtliche Hubbewegung des Ventils
erforderlich, um die Turbine an der Frequenzsteuerung in dem Stromversorgungssystem,
an das sie angeschlossen ist, partizipieren zu lassen. Diese große
Bewegung kann starken Verschleiß hervorrufen und zu einem
frühzeitigen Ausfall des Ventils führen.
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In
einem anderen Verfahren wird ein Bypass-Überlastventil
verwendet, um eine Leistungsreserve der Turbine ohne wesentliche Änderung
an dem Turbinensteuersystem zu erreichen, wobei der umgeleitete
oder Bypassdampf in eine stromabwärtige Turbinenstufe wieder
eingeführt wird. Dieses Verfahren ist in der auf die gemeinsame
Anmelderin lautenden
US-Patentschrift
Nr. 4 403 476 beschrieben.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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In
der beispielhaften, jedoch keineswegs beschränkenden Ausführungsform,
wie sie hierin offenbart ist, wird der durch den Kessel gelieferte
und zu dem Überlastventil stromaufwärts des Dampfturbineneinlasses
hin umgeleitete Dampf zu dem Obererhitzer zurückgeführt,
anstatt zu einer stromabwärtigen Turbinenstufe geführt
zu werden.
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Demgemäß betrifft
die vorliegende Erfindung in einem Aspekt ein System zum Betreiben
einer Dampfturbine, das aufweist: wenigstens einen Hochdruck-Turbinenabschnitt
und einen Niederdruckabschnitt; ein oder mehrere Steuerventile,
die eingerichtet sind, um Dampf von einem Kessel zu dem Hochdruck-Turbinenabschnitt
zuzulassen; einen Kondensator, der eingerichtet ist, um von dem
Niederdruckabschnitt ausgegebenen Dampf zu empfangen und den Dampf
in eine Flüssigkeit umzuwandeln; einen Obererhitzer, der
eingerichtet ist, um Flüssigkeit von dem Kondensator zu
empfangen und die Flüssigkeit über einen Wärmeaustausch
mit einem Dampf von dem Hochdruckabschnitt zu erhitzen und um die
erhitzte Flüssigkeit zu dem Kessel zurückzuführen;
sowie ein Überlast-Bypassventil, das eingerichtet ist,
um an dem einen Steuerventil oder den mehreren Steuerventilen vorbei
umgeleiteten Dampf unmittelbar dem Obererhitzer zuzuführen.
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Gemäß einem
noch weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben
einer Dampfturbine, die Leistung zu einer angeschlossenen Last liefert
und eingerichtet ist, um Dampf von einer Dampferzeugungsquelle zu
empfangen, wobei die Turbine ein oder mehrere Steuerventile zur
Steuerung der Zugabe von Dampf zu einen höheren Druck aufweisenden
Stufen der Turbine aufweist und ein Bypass-Überlastventil
aufweist, das angeschlossen ist, um Dampf von der Dampfquelle zu
empfangen, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
- (a) Halten des Bypass-Überlastventils im Schließzustand,
während die Steuerventile in gesteuerter Weise positioniert werden,
um Dampf der Turbine zuzugeben, um eine vorausgewählte
Lastleistung zu erhalten;
- (b) wenigstens teilweises Öffnen des Bypass-Überlastventils;
und
- (c) Rückführen von Dampf, der durch das Bypass-Überlastventil
hindurchtritt, zu dem Obererhitzer.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
eine vereinfachte schematisierte Darstellung einer Dampfturbinen-Stromerzeugungsanlage,
bei der die Turbine ein Bypass-Überlastventil nutzt, gemäß einer
bekannten Einrichtung; und
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2 zeigt
eine vereinfachte schematisierte Darstellung, die ähnlich
der 1, jedoch modifiziert ist, um den Gegenstand der
hier offenbarten beispielhaften, jedoch nicht beschränkenden
Ausführungsform zu enthalten.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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In
der Stromerzeugungsanlage nach 1 dient
ein Kessel 10 als die Quelle von Hochdruckdampf, die das
Antriebsfluid liefert, um eine Dampfturbine 12 mit Zwischenüberhitzung
anzutreiben, die einen Hochdruckabschnitt (HD-Abschnitt) 14,
einen Mitteldruckabschnitt (MD-Abschnitt) 16 und einen Niederdruckabschnitt
(ND-Abschnitt) 18 enthält. Obwohl die Turbinenabschnitte 14, 16 und 18 veranschaulicht
sind, wie sie in einer Hintereinanderanordnung miteinander und mit
einem Generator 20 über eine Welle 22 gekoppelt
sind, können auch andere Koppelanordnungen verwendet werden.
Es ist auch zu verstehen, dass die hierin weiter offenbarte Erfindung
in gleicher Weise und ebenso gut auf Turbinen ohne Zwischenüberhitzung,
die keinen MD-Abschnitt aufweisen, anwendbar ist.
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Der
Dampfflusspfad von dem Kessel 10 verläuft über
eine Dampfleitung 24, von der Dampf zu der HD-Turbine 14 über
ein oder mehrere Einlasssteuerventile entnommen werden kann (wobei
mehrere Ventile bei 25–28 veranschaulicht
sind). Jedes Steuerventil 25–28 ist angeschlossen,
um Dampf zu dem HD-Abschnitt 14 entweder über
längs des Umfangs angeordnete Düsenbögen
in einer Teilbeaufschlagungskonfiguration oder zu einem einzelnen Raum
vor den Düsen der ersten Stufe in einer Voll- bzw. Einzelbeaufschlagungskonfiguration
abzugeben. Diese beiden Konfigurationen sind im Stand der Technik
allgemein bekannt. Ferner können die Steuerventile einer
Turbine mit der Teilbeaufschlagungseinrichtung entweder simultan
betätigt werden, in dem Vollbogenmodus, wobei in diesem
Fall Dampf dem HD-Abschnitt 14 in einem über die
Anordnung hinweg gleichmäßigen Umfangsmuster zugegeben wird,
so dass die Turbine wie eine Voll- bzw. Einzelbeaufschlagungsturbine
arbeitet, oder sie können sequentiell betätigt
werden, und zwar in dem Teilbogenmodus, wobei in diesem Fall Dampf
zuerst einem oder mehreren Düsenbögen und anschließend
den anderen der Reihe nach, wenn die Turbinenlast steigt, zugegeben
wird.
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Aus
dem HD-Abschnitt 14 abgegebener Dampf strömt durch
einen Zwischenüberhitzer 30, in dem die Temperatur
des Dampfes erhöht wird. Anschließend wird Dampf
von dem Zwischenüberhitzer zu dem MD-Abschnitt 16 und
danach über einen Verbindungskanal 32 zu dem ND-Abschnitt 18 geleitet. Aus
dem ND-Abschnitt 18 abgegebener Dampf strömt zu
dem Kondensator 34, der den Zustand des Fluids von einem
Dampfzustand, d. h. Dampf, zu einem Flüssigzustand, d.
h. Wasser, verändert. Das Wasser wird anschließend
zu dem Kessel zurückgeführt, in dem es zurück
zu Dampf gewandelt und über das eine oder die mehreren
Steuerventile zu der Turbine zurückgeführt wird.
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Obwohl
die Steuerung einer Dampfturbine einen sehr komplexen und komplizierten
Prozess darstellt, liegen die Hauptgesichtspunkte bei der Turbine,
die in einem im Wesentlichen stationären Betriebszustand
arbeitet, darin, die Drehzahl und Last der Turbine aufrecht zu erhalten.
Unter Bezugnahme auf
1 werden diese Variablen durch
ein Regelsystem
38 mit Rückführung gesteuert/geregelt,
das die Steuerventile
25–
28 positioniert
(d. h. ihren Öffnungsgrad festlegt), um mehr oder weniger
Dampf in die Turbine
12 einzulassen. Derartige Steuersysteme sind
allgemein bekannt, und das Regel-/Steuersystem
38 kann
beispielsweise von der Bauart sein, wie sie in der
US-Patentschrift Nr. 3 097 488 beschrieben ist.
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Nahezu
jede Turbine ist dazu ausgelegt, eine Leistungsreserve (Reservekapazität)
zur Erzeugung von Leistung über die nominelle Kapazität
bzw. Nennleistung hinaus zu liefern. Um zusätzliche Leistung
von der Turbine zu gewinnen, nachdem die Steuerventile ihre Grenzstellung
oder vollständig offene Position erreicht haben, ist ein
Bypass-Überlastventil 40 zwischen der Dampfzufuhrleitung 24 und der
Zwischenüberhitzungsstelle vor dem Zwischenüberhitzer 30 angeschlossen.
Zur Steuerung des Bypass-Überlastventils 40 ist
eine einfache (manuelle oder automatische) Auf-Zu-Steuerung 42 vorgesehen,
die das Ventil 40 ansteuert um zu öffnen, wenn die
Lastanforderung größer ist als die Nennleistung. Für
eine manuelle Betätigung des Überlastventils 40 kann
eine einfache Umschalteinrichtung eingesetzt und das Ventil 40 je
nach Ermessen des Betriebspersonals jedes Mal, wenn die Steuerventile 25–28 vollständig
offen sind, geöffnet werden.
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Beispielsweise
wird, wenn die Steuerventile 25–28 vollständig
geöffnet sind und die Turbine 12 mit ihrer Nennleistung
arbeitet, zusätzliche Leistung erhalten, indem anschließend
das Überlast-Bypassventil 40 geöffnet
wird. Dies ermöglicht einer Dampfmenge, die höheren
Druck aufweisenden Abschnitte der Turbine zu umströmen
und auf der Niedertemperaturseite des Zwischenüberhitzers 30 einzutreten. Alternativ
kann jedoch der durch das Überlastventil 40 umgeleitete
Dampf einer einen niedrigeren Druck aufweisenden Stufe des Hochdruckabschnitts 14 zugegeben
werden, wie dies durch die Strichlinie 44 angezeigt ist.
In jedem Fall kommt es zu einer Vergrößerung des
gesamten Dampfflusses in die Turbine hinein, der, wenn er aufrecht
erhalten wird, der Turbine 12 ermöglicht, eine
größere Ausgangsleistung zu erzeugen.
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Indem
nun auf 2 Bezug genommen wird, in der ähnliche
Bezugszeichen, denen jedoch die Ziffer 1 vorangestellt
ist, verwendet werden, um entsprechende Komponenten zu bezeichnen,
wird der von dem Kessel 110 zu dem Überlastventil 140 hin umgeleitete
Dampf nicht wie bei der Anordnung nach 1 zu einer
stromabwärtigen Turbinenstufe zurückgeführt,
sondern er wird vielmehr über eine Leitung 46 zu
einem Obererhitzer 48 der Turbine zurückgeführt.
Somit kombinieren der Dampf, der in den Obererhitzer 48 von
dem HD-Abschnitt 114 aus eingeleitet wird (oder Dampf,
der von einer anderen Stelle über einen durch die HD-Turbine
führenden Weg entnommen wird) und der Bypass-Dampf, der
in den Obererhitzer über die Leitung 46 eintritt,
miteinander, um das flüssige Kondensat von dem Kondensator 134 zu
erhitzen. Das erhitzte Kondensat läuft zu dem Kessel 110 zurück,
in dem es zurück zu Dampf umgewandelt und zu der Turbine
rückgeführt wird, während der nun gekühlte
Dampf aus dem HD-Abschnitt 114 und der Leitung 46 einfach
aus dem Obererhitzer abgelassen wird. Es wird ferner verständlich, dass
das Oberlastventil (im Gegensatz zu der einfachen Ein/Aus-Betätigung)
durch jede beliebige geeignete bekannte Steuereinrichtung inkrementell
geöffnet und/oder geschlossen, d. h. auf eine gedrosselte
Weise eingesetzt werden und somit auf Kreislaufbedingungen besser
ansprechen kann.
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Die
beispielhafte, jedoch in keinem Sinne beschränkende Einrichtung
löst Probleme, die mit den konventionelleren Einrichtungen
verbunden sind. Beispielsweise beseitigt diese Einrichtung den Bedarf
nach einer weiteren Steuerstufe innerhalb der Dampfturbine, die
normalerweise sehr kostspielig ist. Das Umleiten des Dampfs unmittelbar
zu dem Obererhitzer verhindert auch, dass der Dampfpfad unterbrochen
bzw. gestört wird. Die Einrichtung beseitigt ferner Probleme
im Zusammenhang mit Temperaturabweichungen in der Turbinenstruktur,
die eine Temperaturbelastung bzw. thermische Verformung an der Stelle
hervorrufen, an der der Bypassstrom in den Dampfpfad eintritt. Temperaturbelastungen
bzw. thermische Verformungen können zu größeren
Spielräumen zwischen umlaufenden und feststehenden Komponenten
führen, die zu erhöhten Dampfleckströmen
und geringerer Effizienz führen können.
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Während
die Erfindung in Verbindung mit einem Ausführungsbeispiel
beschrieben worden ist, das momentan als die prakti kabelste und
bevorzugte Ausführungsform angesehen wird, ist es zu verstehen,
dass die Erfindung nicht auf die offenbarte Ausführungsform
beschränkt sein soll, sondern dass sie im Gegenteil verschiedene
Modifikationen und äquivalente Anordnungen mit umfassen
soll, die in dem Rahmen und Schutzumfang der beigefügten
Ansprüche enthalten sind.
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Ein
System zum Betreiben einer Dampfturbine enthält: wenigstens
einen Hochdruck-Turbinenabschnitt und einen Niederdruckabschnitt;
ein oder mehrere Steuerventile, die eingerichtet sind, um Dampf
von einem Kessel in den Hochdruck-Turbinenabschnitt einzulassen;
einen Kondensator, der eingerichtet ist, um aus dem Niederdruckabschnitt abgegebenen
Dampf zu empfangen und den Dampf in eine Flüssigkeit zu
wandeln; einen Obererhitzer, der eingerichtet ist, um Flüssigkeit
von dem Kondensator zu empfangen und die Flüssigkeit über
einen Wärmeaustausch mit einem Dampf von dem Hochdruckabschnitt
zu erhitzen und um die erhitzte Flüssigkeit zu dem Kessel
zurückzuführen; und ein Bypass-Überlastventil,
das eingerichtet ist, um an dem einen oder den mehreren Steuerventilen
vorbei umgeleiteten Dampf unmittelbar dem Obererhitzer zuzuführen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 4403476 [0004]
- - US 3097488 [0013]