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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Dampfturbosatzes eines Kraftwerkes.
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In der Kraftwerkstechnik wird unter dem Begriff Turbosatz die Kombination von rotierenden Maschinen bezeichnet, die der Stromerzeugung dienen. In der Regel besteht ein Turbosatz aus zumindest einer schnelllaufenden oder auch direkt mit Generatordrehzahl laufenden Turbine, beispielsweise einer Dampf- oder einer Gasturbine, und einem Generator. Wobei die Wellen der Turbine(n) und des Generators in der Regel über eine Kupplung oder ein Getriebe miteinander verbunden sind.
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Die heutigen Marktanforderungen führen bei Dampfturbosätzen zu einem stark variablen Betrieb, der in der Gesamtturbine oder in einzelnen Stufen häufiger eine sehr geringe oder sogar gar keine Durchströmung hervorruft. Dieser Betriebszustand wird Ventilation bzw. Ventilieren genannt. Der Betriebszustand Ventilation stellt für den Dampfturbosatz durch die auftretenden thermischen und dynamischen Belastungen eine zusätzliche Beanspruchung dar, die berücksichtigt werden muss. Das Anfahren und der Leerlaufbetrieb von Dampfturbosätzen werden durch das Ventilieren der Beschaufelung der Turbine begrenzt. Dabei kommt es zu einer unerwünschten und unzulässigen Erwärmung der Beschaufelung der Dampfturbine(n) und von Gehäusebauteilen. Auch entspannt der im Leerlauf benötigte kleine Dampfmassenstrom mit einem vergleichsweise schlechten Wirkungsgrad in der Turbine. Der entspannte Dampf hat deshalb am Ende der Entspannung eine unerwünscht große Temperatur.
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Um das Starten beziehungsweise das Leerlauffahren eines Dampfturbosatzes zu verbessern, kann die Ventilationstemperatur begrenzt werden. Das wird dadurch erreicht, dass zum einen die Dampfparameter am Turbineneintritt abgesenkt werden und durch regelungstechnische Vorsehungen der Dampfmassenstrom beim Vorliegen mehrerer Turbinengehäuse intelligent auf diese aufgeteilt wird. Beispielsweise ist es notwendig, in Zwischenüberhitzungs-Anlagen den Druck in der Dampfzuführung zu verkleinern. Die Niederdruckteile der Dampfturbinengehäuse können mittels Wassereinspritzung gekühlt werden.
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Der Anlauf einer Kraftwerksturbine aus dem Kaltzustand kann bis zu einer Woche dauern. Ein zu schnelles Anfahren der Turbine könnte durch die schnelle und ungleichmäßige Wärmedehnung der Welle gegenüber dem Gehäuse zu ihrem Verklemmen führen. Die Turbine wird daher vorzugsweise unter ständiger Drehung bei niedriger Drehzahl langsam auf Temperaturen von bis zu 300°C vorgeheizt. Es ist bekannt, dass die Welle der Turbine über ein elektrisches oder hydraulisches Drehwerk mit rund 60 U/min angetrieben wird, um ein Durchhängen und ein axiales Schaben in der Lagerung der Welle zu verhindern. Ist die Turbine auf Betriebstemperatur, so dauert das Hochfahren auf Betriebsdrehzahl in der Regel zwischen 10 und 60 Minuten.
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Aus der
DE 198 39 636 A1 ist ein Kraftwerk mit einem von einer Turbine angetrieben Generator bekannt, wobei der Generator elektrische Leistung erzeugt und über einen Generatorschalter an ein Netz abgibt. Bei einer Störung oder einem Ausfall des Netzes kann innerhalb des Kraftwerkes eine zuschaltbare elektrische Ersatzlast bereitgestellt werden, die mit den Generatorklemmen verbunden werden kann und somit die Funktionen des Netzes übernimmt, so dass der Generator in einem für die direkte Wiedereinschaltung günstigen Betriebszustand weiterbetrieben werden kann. Das heißt, bei einer Störung im Netz, kann der Generator vom Netz getrennt und mit einer Ersatzlast verbunden werden, die in einem Inselbetrieb betrieben wird. Nach der Behebung der Störung des Netzes kann wieder auf den Generator umgeschaltet und die elektrische Ersatzlast abgetrennt werden.
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Ist beispielsweise die Fehlererklärungszeit bei einer Störung größer 300 ms, kann der Generator nicht ohne neuerliche Synchronisation auf Phase und Spannung zugeschaltet werden. Das ist Zeit intensiv. Das Verfahren gemäß der
DE 198 39 636 A1 ermöglicht, dass der Generator nach der Trennung von dem Netz eine Zeit phasenstarr zum Netz weiter betrieben werden kann. Dadurch kann anschließend ohne Synchronisation auf das Netz zurückgeschaltet werden. Ferner ist in der DE 198 39 636 A1 beschrieben, dass die elektrische Ersatzlast zugeschaltet wird, um Lastpendelungen auszugleichen. Im folgenden Prozess wird die elektrische Ersatzlast dann wieder kontinuierlich auf Null reduziert.
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Aus der
DE 10 2008 033 402 A1 ist bekannt, dass bei einer Dampfturbine bei einem Niedriglastbetrieb ein spezieller Betriebsmodus der Dampfturbine aktiviert werden kann, bei welchem eine gesteuerte zusätzliche Dampfzuführ erfolgt. In diesem speziellen Betriebsmodus kann eine Erhöhung der mechanischen Leistungsaufnahme der von der Turbine angetriebenen Anlagenkomponenten bewirkt werden. Neben der Ansteuerung einer erhöhten Leistungsaufnahme der ohnehin vorhandenen Leistungsabnehmer, wie beispielsweise einem elektrischen Generator, können zusätzliche Leistungsabnehmer zugeschaltet werden. Der zusätzliche Leistungsaufnehmer kann in den Strang integriert werden, der im Leerlaufbetrieb der Dampfturbine Leistung aufnimmt und beispielsweise in Wärme verwandelt, die gesondert abgeführt wird. Hierdurch kann die Ventilation in den Endstufen der Turbine reduziert werden.
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Aus der
DE 1 016 719 A ist ein Verfahren zur Bereitschaftshaltung von Dampfturbinen für lastschwache Betriebszeiten bekannt. Bei diesem Verfahren wird zur Abführung von Ventilationswärme der Turbine Dampf zugeführt, wobei zur Kühlung des Dampfes Wasser in eine Turbinenstufe eingespritzt wird.
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Aus der
DD 124 431 A1 ist ein Verfahren zum Verkürzen der Anfahrdauer eines aussetzend betriebenen Kraftwerkblockes bekannt. Das heißt, es ist bekannt, dass die Hauptaggregate des gesamten aussetzend zu betreibenden Kraftwerkblocks nach Außerbetriebnahme warmgehalten werden, so dass nach Beendigung der aussetzenden Fahrweise eine schnelle Wiederbelastung möglich ist, ohne dass Lebensdauerverminderungen eintreten. Dies wird dadurch erreicht, dass der Dampferzeuger bei außerbetrieb genommenen Saugzügen mit Frischlüftern sowie geöffneten Kesselkopfschiebern mit Betriebstemperatur und abgesenktem Druck in einem Warmhaltebetrieb gefahren und Kühldampf erzeugt wird. Der Generator wird in diesem Fall mit Leerlaufdrehzahl betrieben oder vom Netz getrennt.
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Aus der
WO 2003/076780 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Turbine, die in einem Druckluftenergiespeicher angeordnet ist, und insbesondere ein Verfahren für ein gesteuertes Anfahren und Herunterfahren einer solchen Turbine bekannt. Das Verfahren zeichnet sich durch eine besondere Steuerung des Lustmengenstroms zu der Turbine aus. Das heißt, beim Anfahren der Expansionsturbine kann der Lustmengenstrom, der zum Spülen, Zünden, Beschleunigen und Synchronisieren der Anlage notwendig ist, über ein Lufteinlassventil eingestellt werden.
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Aus der
WO2006/103 270 A1 ist ein Verfahren zum optimierten Anfahren eines mit einem Hauptstrang koppelbaren Nebenstrangs einer Turbinenanlage bekannt, wobei der Hauptstrang wenigstens eine erste Turbine sowie einen mit der ersten Turbine antriebsverbundenen Generator und der Nebenstrang wenigstens eine zweite Turbine umfasst. Der Nebenstrang ist dabei mit dem Hauptstrang koppelbar. Die Turbinenanlage umfasst ferner eine Bremseinrichtung, mit der ein Bremsmoment auf den Nebenstrang aufbringbar ist. Der Hauptstrang und der Nebenstrang sind im entkoppelten Zustand getrennt voneinander anfahrbar. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben eines Dampfturbosatzes eines Kraftwerkes zu schaffen, welches ermöglicht, dass beim Anfahren und/oder während des Leerlaufes des Dampfturbosatzes kein oder wenig Ventilieren der Beschaufelung auftritt und damit keine unerwünschte Erwärmung der Beschaufelung der Turbine(n) und von Gehäusebauteilen des Dampfturbosatzes erfolgt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Betreiben eines Dampfturbosatzes eines Kraftwerkes mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren zum Betreiben eines Dampfturbosatzes eines Kraftwerkes während des Anfahrens oder des Leerlaufs des Dampfturbosatzes, wobei der Dampfturbosatz wenigstens eine Dampfturbine und einen Generator aufweist, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass während des Anfahrens bzw. des Leerlaufes des Dampfturbosatzes der Generator an einen externen Lastwiderstand oder einen frequenzunabhängigen Verbraucher gekoppelt wird und die Energie, die durch den in die wenigstens einen Dampfturbine zugeführten Dampf eines Dampferzeugers erzeugt wird, an den externen Lastwiderstand oder den frequenzunabhängigen Verbraucher abgegeben wird, gelöst.
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Das Problem der unerwünschten Erwärmung während der Anfahrens bzw. des Leerlaufes des Dampfturbosatzes wird dadurch beseitigt, dass bereits im Anfahr- oder im Leerlaufbetrieb ausreichend Dampf durch die Turbinen geschickt wird und die dabei erzeugte Energie jedoch direkt an einen externen Lastwiderstand oder einen frequenzunempfindlichen Verbraucher abgegeben wird. Der Generator wird zu diesem Zweck schon während des Drehzahlsteigerns erregt und mit dem externen Lastwiderstand oder dem frequenzunempfindlichen Verbraucher verbunden. Beispielsweise kann der Generator über einen Kuppelschalter bzw. eine Kupplung oder über ein Getriebe an dem externen Lastwiderstand oder dem frequenzunempfindlichen Verbraucher gekoppelt werden. Die auf diese Art und Weise dem Dampf entzogene Energie sorgt in der Dampfturbine für das gewünschte Temperaturprofil, so dass ein Ventilieren der Beschaufelung verhindert beziehungsweise begrenzt werden kann. Dies verhindert, dass es zu einer unerwünschten und unzulässigen Erwärmung der Beschaufelung der Dampfturbine und von Gehäusebauteilen des Dampfturbosatzes kommt.
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Beispielsweise kann die Ankoppelung des während des Anfahrens der Dampfturbine erregten Generators an den externen Lastwiderstand oder den frequenzunempfindlichen Verbraucher im Laufe des Anfahrens erfolgen. Bevorzugt ist jedoch, wenn der externe Lastwiderstand oder der frequenzunabhängige Verbraucher bereits zu Beginn des Anfahrens des Dampfturbosatzes an den Generator angekoppelt wird. Hierdurch kann ein mögliches Ventilieren der Beschaufelung der Dampfturbine direkt vom Start an begrenzt werden. Das heißt, die erzeugte Wärmeenergie kann direkt über den Generator an den externen Lastwiderstand oder den frequenzunabhängigen Verbraucher abgegeben werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung kann bei dem Verfahren vorgesehen sein, dass die von dem externen Lastwiderstand oder dem frequenzunabhängigen Verbraucher erzeugte Energie, insbesondere die erzeugte Wärmeenergie, an einen Nutzer angegeben wird. Bevorzugt kann die erzeugte Wärmeenergie zur Vorwärmung des Speisewassers des Dampferzeugers genutzt werden. Beispielsweise kann die Wärmeenergie zur Vorwärmung eines Niederdruckvorwärmes genutzt werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung kann bei dem Verfahren vorgesehen sein, dass der Generator mit dem Netz synchronisiert wird, während der Generator mit dem externen Lastwiderstand oder dem frequenzunabhängigen Verbraucher verbunden ist. Es ist möglich, dass der Generator mit dem Netz, das heißt mit dem Stromnetz, synchronisiert wird, während der externe Lastwiderstand oder der frequenzunabhängige Verbraucher weiterhin an den Generator angekoppelt ist. Hierbei ist es nicht erforderlich, dass auf die Phase, die Spannung oder die Frequenzbedürfnisse des angeschlossenen Lastwiderstandes oder des frequenzunabhängigen Verbrauchers Rücksicht genommen werden muss. Das ermöglicht es, das Verfahren auch im Niedriglastbereich nutzen zu können. Ferner ermöglicht beziehungsweise erleichtert das Verfahren den Inselbetrieb des Dampfturbosatzes. Das ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Inselleistung klein ist und zu großen Dampftemperaturen in der Dampfturbine führt. Die Inselleistung kann durch den externen Lastwiderstandes oder den frequenzunabhängigen Verbraucher künstlich vergrößert werden.
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Durch das zuvor beschriebene Verfahren zum Betreiben eines Dampfturbosatzes eines Kraftwerkes während des Anfahrens oder des Leerlaufs des Dampfturbosatzes können die sonst notwendigen, für die Beherrschung der zulässigen Dampftemperatur notwendigen Maßnahmen, wie
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- – die Verkleinerung des Zuführungsdruckes,
- – regelungstechnische Maßnahmen zur optimalen Verteilung des Dampfes auf Teilturbinen,
- – die Kühlung der Niederdruck-Beschaufelung
entfallen oder reduziert werden. Die Regelungstechnik des Dampfturbosatzes vereinfacht sich durch das neuartige Verfahren und die Dampfturbine wird schonender angefahren.
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Im Unterschied zu dem in der
DE 198 39 636 A1 beschrieben Verfahren zum Betreiben eines Kraftwerkes, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht vom Netz auf die Ersatzlast umgeschaltet. Dass heißt, die Zuschaltung des externen Lastwiderstandes oder des frequenzunabhängigen Verbrauchers erfolgt nicht nach einer Störung im Netz, sondern unabhängig vom Netz. Der Generator wird nicht vom Netz getrennt, sondern ohne an ein Netz angeschlossenen zu sein mit einem externen Lastwiderstand oder einem frequenzunabhängigen Verbrauchers gekoppelt.
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Eine phasenstarre Weiterbetreibung des Generators nach einem Ausfall oder einer Störung des Netzes, um anschließend ohne Synchronisation auf das Netz zurückzuschalten, ist bei dem vorliegenden Verfahren nicht gewünscht. Ferner ist bei dem vorliegenden Verfahren auch nicht gewünscht, eine Ersatzlast zuzuschalten, um Lastpendelungen des Netzes auszugleichen.
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Das vorgeschlagene Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass der externe Lastwiderstand oder der frequenzunabhängige Verbraucher zugeschaltet wird, wenn der Generator nicht mit dem Netz verbunden ist. Der Lastwiderstand oder der Verbraucher wird bei Start der Turbine, während des Steigerns der Turbinendrehzahl der Turbine oder bei Leerlaufdrehzahl zugeschaltet. Für das Umschalten auf den Netzbetrieb muss der externe Lastwiderstand beziehungsweise der frequenzunabhängige Verbraucher nicht zwangsweise abgeschaltet werden. Der Generator wird zum Umschalten auf den Netzbetrieb, wie üblich, synchronisiert. Dass heißt, eine Regelung des Erregerstroms des Generators, so dass ohne Synchronisieren zu müssen an das Netz zugeschaltet werden kann, ist bei dem vorliegenden Verfahren nicht vorgesehen.
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Vorteilhafterweise kann mit dem externen Lastwiderstand oder dem frequenzunabhängigen Verbraucher definierte Energie erzeugt beziehungsweise erzeugte Energie definiert umgewandelt werden. Die erzeugte Energie wird vorzugsweise genutzt, wie beispielsweise die Erwärmung von Speisewasser für die Dampferzeugung.
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Die Erfindung und ihre Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigt schematisch:
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1 eine vereinfachte Darstellung eines Dampfturbosatzes eines Kraftwerkes mit einem ankoppelbaren externen Lastwiderstand.
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In 1 ist schematisch vereinfacht ein Dampfturbosatz 1 eines Kraftwerkes dargestellt. Heißer Frischdampf FD wird von einem nicht dargestellten Dampferzeuger beziehungsweise Dampfkessel bereitgestellt und der Dampfturbine 2 zugeführt. Die Turbine 2 weist eine schnell rotierende Welle 6 auf, die mit Turbinenschaufeln, die vom heißen Frischdampf FD beziehungsweise Wasserdampf angeströmt werden, bestückt ist. In der Frischdampfzuführung ist ein Ventil 7, insbesondere ein Absperrventil, vorgesehen. Der Frischdampf FD wird dem Hochdruckteil 2a der Turbine 2 zugeführt. Die Dampfturbine 2 arbeitet mit einer Zwischenüberhitzung. Hierbei wird zwischen der kalten Zwischenüberhitzung KZÜ und der heißen Zwischenüberhitzung HZÜ unterschieden. Der Dampfzustand am Ende des Hochdruckteils 2a der Turbine 2 wird als kalte Zwischenüberhitzung bezeichnet. Dass heißt, um eine geringere Endnässe zu erzielen, führt man den aus der Hochdruckturbine austretenden Dampf, kurz bevor der Dampfzustand das Nassdampfgebiet erreicht, nochmals in den Dampferzeuger zurück und heizt ihn auf seine ursprüngliche Temperatur auf. Diesen Vorgang nennt man kalte Zwischenüberhitzung KZÜ. Nach der Zwischenüberhitzung wird der Dampf zum Niederdruckteil 2b der Turbine 2 geleitet, deren Wellen mit dem Hochdruckteil starr gekoppelt sind. Dieser Vorgang wird als heiße Zwischenüberhitzung HZÜ bezeichnet. Zur Regelung der Heißdampfzuleitung ist ein Ventil 8 vorgesehen. An die Turbine 2, insbesondere nach dem Niederdruckteil 2b der Turbine 2, ist der Generator 2 angekoppelt, der die mechanische Leistung in elektrische Leistung umwandelt.
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Der Generator 3 ist kann über einen Netzschalter 9 an ein Stromnetz 10 angeschlossen werden. Des Weiteren kann der Generator 3 über einen Generatorschalter 5, einem sogenannten Kuppelschalter, mit einem externen Lastwiderstand 4 oder einem sonstigen frequenzunabhängigen Verbraucher gekoppelt werden. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der externe Lastwiderstand 4 oder der sonstige frequenzunabhängige Verbraucher anstelle des Stromnetzes 10 beim Anfahren des Dampfturbosatzes 1 an den Generator 3 angekoppelt. Eine Zwischenüberhitzung kann vorgesehen sein. Der Dampfturbinensatz kann aber auch ohne Zwischenüberhitzung in der Dampfturbine betrieben werden.
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Bereits während des Anfahrens des Dampfturbosatzes 1 oder im Leerlaufbetrieb des Dampfturbosatzes 1 wird bereits eine hohe Menge an Frischdampf FD durch die Turbine 2 geschickt. Hierdurch kann das Problem der unerwünschten Erwärmung während der Anfahrens bzw. des Leerlaufes des Dampfturbosatzes 1 beseitigt werden. Die dabei erzeugte Energie wird direkt an einen externen Lastwiderstand 4 oder einen frequenzunempfindlichen Verbraucher abgegeben. Der Generator 3 wird zu diesem Zweck schon während des Drehzahlsteigerns erregt und mit dem externen Lastwiderstand 4 oder dem frequenzunempfindlichen Verbraucher über den Generatorschalter 5 verbunden. Der Generator 3 kann über einen Kuppelschalter 5 oder über ein Getriebe an den externen Lastwiderstand oder den frequenzunempfindlichen Verbraucher angekoppelt werden. Die auf diese Art und Weise dem Dampf entzogene Energie sorgt in der Dampfturbine 2 für das gewünschte Temperaturprofil, so dass ein Ventilieren der Beschaufelung verhindert beziehungsweise begrenzt werden kann und dadurch eine unerwünschte und unzulässige Erwärmung der Beschaufelung der Dampfturbine 2 und von Gehäusebauteilen des Dampfturbosatzes 1 verhindert wird.
