-
Die vorliegende Erfindung betrifft ganz allgemein die Bekämpfung von unerwünschten akustischen Schwingungen bei Dampfkraftanlagen.
-
Im Besonderen geht die Erfindung aus von einer Dampfkraftanlage zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie in einem thermodynamischen Kreisprozess, bei welchem als Arbeitsfluid Dampf bzw. Wasser in einem aus fluidführenden Komponenten zusammengesetzten Dampf-Wasser-Kreislauf umläuft.
-
Derartige Dampfkraftanlagen sind in vielfältigen Ausgestaltungen aus dem Stand der Technik bekannt. Der Dampf-Wasser-Kreislauf von bekannten Dampfkraftanlagen umfasst typischerweise zumindest eine Dampfturbine zur Umwandlung von Energie des Dampfes in mechanische Drehleistung (eines Turbinenläufers), einen Kondensator zum Kondensieren des Abdampfes der Dampfturbine zu Wasser (Kondensat), bevorzugt wenigstens einen Vorwärmer zum Erwärmen des kondensierten Wassers, wenigstens eine Pumpe (Kondensat- bzw. Speisewasserpumpe), und einen Dampferzeuger zum Erzeugen von Frischdampf durch Verdampfung des dem Dampferzeuger zugeführten Wassers. Der Dampferzeuger wird hierbei mit Wärmenergie versorgt, die beispielsweise durch einen Kraftwerksprozess bereitgestellt werden kann, wie z. B. Verbrennungsprozess (Kohle, Erdgas, Müll etc.), Kernspaltungsprozess, Solarthermie etc.
-
In einzelnen Fällen kann es bei Dampfkraftanlagen zu intensiven Schwingungsvorgängen kommen. Insbesondere durch Strömungen des Arbeitsfluids in den fluidführenden Komponenten können sich Schwingungen ausbilden, welche bei entsprechend großer Intensität auch nennenswerte Schwingungsintensitäten in der umgebenden Anlagenstruktur bzw. an benachbarten fluidführenden Komponenten der Anlage bewirken können. Insbesondere können breitbandige oder tonale Geräusche erzeugt werden, die im Bereich der fluidführenden Komponenten als "Fluidschall" entstehen und diese Komponenten zu entsprechenden Schwingungen anregen. Die Geräuscherzeugung kann etwa durch Freistrahlen, Wirbelablösung, Überströmung von Öffnungen, Umströmung von scharfen Kanten etc. hervorgerufen werden.
-
Ein Zusammentreffen eines so erzeugten Geräusches mit Eigenfrequenzen der in den fluidführenden Komponenten enthaltenen Fluidvolumina kann zur Bildung von ausgeprägten tonalen Anteilen selbst im Falle einer breitbandigen Anregung führen.
-
Derartige fluidgebundene Schwingungen bzw. Geräusche können bei hohen Pegeln zu einer störenden und möglicherweise auch schädigenden Wirkung auf die Struktur der Dampfkraftanlage führen.
-
Prinzipiell kommt in Betracht, derartige akustische Schwingungsvorgänge bzw. die zugrunde liegenden Wirkmechanismen bereits bei der konstruktiven Auslegung der Dampfkraftanlage zu berücksichtigen, um die Schwingungsintensitäten im späteren Betrieb der Anlage zu verringern. Dieser Ansatz scheiterte in der Praxis jedoch zumeist an der Komplexität dieser Vorgänge bzw. an der starken Abhängigkeit der schwingungserzeugenden Effekte von den ganz konkreten Gegebenheiten und Betriebsbedingungen jeder einzelnen Anlage.
-
Ein anderer denkbarer Ansatz zur Verringerung unerwünschter Schwingungen bestünde darin, irgendwelche Schwingungsdämpfungs- bzw. Schallminderungsmaßnahmen im Inneren der fluidführenden Komponenten der Dampfkraftanlage zu ergreifen. Die hierbei relevanten strömungs- oder druckführenden Bereiche einer Dampfkraftanlage sind in der Praxis jedoch einem direkten bzw. einfachen Zugriff für solche Maßnahmen nur schwer zugänglich.
-
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einer Dampfkraftanlage der eingangs genannten Art in einfacher Weise unerwünschte akustische Schwingungen zu beseitigen oder zumindest zu verringern.
-
Die Grundidee der Erfindung zur Lösung dieser Aufgabe besteht darin, an wenigstens einer Stelle an einer Wandung wenigstens einer der fluidführenden Komponenten einen "Schwingungsdämpfer" (an der gut zugänglichen Außenseite der Wandung) vorzusehen, welcher jedoch zwecks Schwingungsdämpfung in einer Fluidverbindung mit der Innenseite der Wandung und somit dem im Innenraum der betreffenden Komponente befindlichen Fluid (Dampf oder Wasser) steht.
-
Gemäß eines Aspekts der Erfindung ist bei einer Dampfkraftanlage der eingangs genannten Art vorgesehen, dass an einer Wandung wenigstens einer der fluidführenden Komponenten ein akustischer Hohlraumresonator zur Dämpfung akustischer Schwingungen angeschlossen ist.
-
Ein "akustischer Hohlraumresonator" ist im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Einrichtung, in welcher ein mit Fluid gefüllter Hohlraum ausgebildet ist, der an einer Stelle eine Öffnung (bzw. einen Verbindungskanal) aufweist, wobei an dieser Stelle der Anschluss des akustischen Hohlraumresonators an der genannten Wandung in einer Weise erfolgt, so dass eine Fluidverbindung (durch die Wandung der betreffenden fluidführenden Komponente hindurch) geschaffen wird, und wobei die Geometrie des Hohlraums und der Öffnung unter Berücksichtigung der akustischen Eigenschaften des betreffenden Fluids derart gewählt ist, dass sich für akustische Schwingungen, welche von der Innenseite der Wandung über die Fluidverbindung auf den Hohlraumresonator treffen, eine Resonanz bei wenigstens einer Resonanzfrequenz ergibt, nachfolgend auch als "Eigenfrequenz" des Resonators bezeichnet.
-
Für die konkrete Gestaltung eines solchen Resonators gibt es vielfältige Möglichkeiten.
-
In einer Ausführungsform ist beispielsweise vorgesehen, dass der Resonator als so genannter Helmholtz-Resonator ausgebildet ist.
-
Ein Helmholtz-Resonator umfasst einen "Hals" und einen sich daran anschließenden "Behälter". Innerhalb des Behälters ist ein Fluidvolumen (Resonanzvolumen) eingeschlossen, wobei der Hals einen Verbindungskanal nach außen darstellt und im Rahmen der vorliegenden Erfindung (zusammen mit einer Durchgangsöffnung der Wandung) eine fluidische Verbindung des Resonanzvolumens zum Innenraum der betreffenden fluidführenden Komponente der Dampfkraftanlage darstellt.
-
Der Helmholtz-Resonator stellt ein mechanisches "Masse-Feder-System" mit einer ausgeprägten Resonanzfrequenz dar, die sich abgesehen von den Eigenschaften des betreffenden Fluids (hier: Dampf bzw. Wasser) aus der Geometrie und den Abmessungen des Halses und des Behälters ergibt.
-
Vereinfacht ausgedrückt wird die "Masse" dieses Masse-Feder-Systems durch das im Hals befindliche Fluidvolumen gebildet und die "Feder" durch die Elastizität des im Behälter befindlichen Fluidvolumens (Resonanzvolumen) ausgebildet.
-
Die Eigenfrequenz des Resonators hängt vor allem von der Länge und Querschnittsfläche des Halses und der Größe des im Behälter eingeschlossenen Fluidvolumens ab.
-
Durch die z. B. über eine Bohrung in der Wandung der fluidführenden Komponente geschaffene fluidische Verbindung gelangt Schwingungsenergie von der Innenseite der Wandung zum Helmholtz-Resonator auf der Außenseite der Wandung.
-
Ein Helmholtz-Resonator ist dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter bzw. das darin eingeschlossene Resonanzvolumen eine mehr oder weniger "rundlich-voluminöse", beispielsweise etwa sphärische Form besitzt und der sich daran anschließende Hals mehr oder weniger ausgeprägt ist, also eine erkennbare "Halslänge" besitzt und ein kleineres Volumen (als das Resonanzvolumen) umschließt. Ein Helmholtz-Resonator von "typischer Geometrie" umfasst einen zylindrischen Hals, wobei die Halslänge z. B. das 1-fache bis 20-fache des Halsdurchmessers sein kann, und einen sich daran anschließenden im Wesentlichen sphärischen Behälter (Resonanzvolumen), wobei der Durchmesser des Resonanzvolumens z. B. das 2-fache bis 10-fache des Halsdurchmessers sein kann. Die Besonderheit eines Helmholtz-Resonators (gegenüber Hohlraumresonatoren allgemeiner Art) lässt sich auch anschaulich so verstehen, dass die "Masse" und die "Feder" des genannten Masse-Feder-Systems bei einem solchen Resonator gewissermaßen "gut voneinander abgegrenzt" sind, nämlich den Fluidvolumina einerseits im Hals (Masse) und andererseits im Behälter (Feder) zugeordnet werden können.
-
Es ist jedoch leicht nachvollziehbar, dass ausgehend von einer Formgestaltung des Resonators mit einem zylindrischen Hals und einem spärischen Behälter durch eine Modifikation der konkreten Geometrie- bzw. Abmessungsverhältnisse auch andere Konfigurationen möglich sind, um den gleichen Zweck zu erfüllen, nämlich über die Öffnung bzw. den Hals eintreffende akustische Schwingungen zur Anregung eines "Masse-Feder-Systems" im weitesten Sinne zu nutzen, wobei dieses Masse-Feder-System durch das im Resonator eingeschlossene Fluidvolumen gebildet wird. Für alle von der Erfindung umfassten Resonatorkonfigurationen gilt jedoch: Die am Resonator auftreffende Schwingungsenergie wird in kinetische Energie der erwähnten "Masse" und durch Reibungsvorgänge mehr oder weniger weiter in Wärme umgewandelt. Somit wird eine Schwingungsdämpfung erzielt, die im Bereich der Eigenfrequenz des Resonators besonders effektiv ist.
-
Durch eine bestimmte Wahl der Resonatorgeometrie (z. B. von Hals- und Behälterabmessungen bei einem Helmholtz-Resonator) kann die Eigenfrequenz des Resonators (jeweils für ein bestimmtes Fluid) gezielt eingestellt werden, so dass damit in gewissen Grenzen vorteilhaft eine Optimierung der schwingungsdämpfenden Wirkung vorgesehen werden kann.
-
In einer anderen speziellen Ausführung einer Resonatorkonfiguration ist das im Resonator eingeschlossene Volumen insgesamt etwa zylindrisch. Ein solcher Resonator kann somit sehr einfach als ein am distalen Ende geschlossenes Rohr ausgebildet sein. Bei dieser Resonatorkonfiguration könnte man auch von einem "Helmholtz-Resonator ohne Resonanzvolumen, also nur mit Hals" oder von einem "Helmholtz-Resonator mit einem zylindrischen Resonanzvolumen, ohne Hals" sprechen. Im Rahmen der Erfindung wesentlich ist, dass auch diese Konfiguration eine Resonanzfrequenz (Eigenfrequenz) liefert, bei welcher eine verstärkte Schwingung im Resonator und damit einhergehend (durch Reibungsvorgänge) eine Schwingungsdämpfung durch Umwandlung von akustischer Energie in Wärmeenergie stattfindet.
-
Der Begriff "akustische Schwingungen" soll Schall (Druck- und Dichteschwankungen im betreffenden Fluid) in einem für Menschen hörbaren Frequenzbereich bezeichnen, also z. B. im Bereich von 16 Hz bis 20 kHz.
-
In einer spezielleren Ausführungsform liegt die Eigenfrequenz des Resonators im Bereich von 100 Hz bis 15 KHz.
-
Ein Resonator der hier in Rede stehenden Art stellt aus akustischer Sicht einen Widerstand gegen die Ausbreitung von Schallwellen der betreffenden Frequenz dar, der sich wie vorstehend erläutert besonders gut zum Anbau an einer Dampfkraftanlage eignet. Im Vergleich zu anderen Dämpfungskonzepten (z. B. Reflexions- oder Absorptionsschalldämpfer) ist der Helmholtz-Resonator vorteilhaft prinzipiell für alle Arten von fluidführenden Komponenten der Dampfkraftanlage geeignet, unabhängig von Art, Druck, Temperatur und Strömungsrate des darin geführten Fluids.
-
Der hier verwendete Begriff "fluidführende Komponente" soll zum Ausdruck bringen, dass ein Innenraum dieser Komponente (auf der Innenseite einer Wandung) das betreffende Arbeitsfluid der Dampfkraftanlage beinhaltet, welches im Fluid-Kreislauf der Dampfkraftanlage zur technischen Realisierung eines thermodynamischen Kreisprozesses genutzt wird. Dies impliziert keineswegs zwingend, dass das unmittelbar an der Wandungsöffnung mit dem Resonator zusammenwirkende Fluid eine bestimmte (z. B. größere oder permanent gegebene) Strömungsrate besitzen muss. Vielmehr kann der Resonator auch an Stellen angeschlossen sein, die eher als "druckführend" (geringe Strömungsrate) und weniger als "strömungsführend" (größere Strömungsrate) zu bezeichnen sind. Für druckführende Komponenten besteht ein besonderer Vorteil der Verwendung des akustischen Hohlraumresonators darin, dass dessen Einsatz nicht zu einem Druckverlust im Innenraum der Komponente führt.
-
Die erfindungsgemäße Dampfkraftanlage kann mit einem oder mehreren Resonatoren, insbesondere Helmholtz-Resonatoren, versehen sein.
-
Es versteht sich, dass besonders geeignete Stellen zur Anbringung des Resonators diejenigen Stellen sind, an denen sich im Betrieb der Dampfkraftanlage eine relativ große Schwingungsamplitude ergibt ("Schwingungsbäuche"). Derartige geeignete Anbringungsorte können z. B. durch eine vorab durchgeführte Schwingungsanalyse (experimentell und/oder theoretisch) ermittelt werden.
-
An jeder fluidführenden Komponente kann im einfachsten Fall z. B. genau ein Resonator vorgesehen sein. Es können jedoch auch mehrere Resonatoren (oder gar kein Resonator) an einer bestimmten fluidführenden Komponente vorgesehen sein.
-
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Resonator an der Wandung einer Dampfleitung des Dampf-Wasser-Kreislaufes angeschlossen ist.
-
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Resonator an der Wandung eines Dampfturbinengehäuses des Dampf-Wasser-Kreislaufes angeschlossen ist.
-
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Resonator an der Wandung einer Wasserleitung des Dampf-Wasser-Kreislaufes angeschlossen ist.
-
Die im Rahmen der Erfindung für den Anschluss des Resonators in Betracht kommenden Komponenten hängen letztlich von der konkreten Ausgestaltung der betreffenden Dampfkraftanlage ab. Alternativ oder zusätzlich zu den vorstehend genannten Beispielen kommen als fluidführende Komponenten beispielsweise auch das Gehäuse einer Pumpe (z. B. Kondensat- oder Speisewasserpumpe) oder das Gehäuse eines Wärmetauschers (z. B. Kondensator, Vorwärmer etc.) in Betracht.
-
Wenngleich der verwendete Resonator im einfachsten Fall eine fest vorbestimmte Eigenfrequenz besitzt, so ist es im Rahmen der Erfindung keineswegs ausgeschlossen, dass ein Resonator mit veränderlicher Eigenfrequenz verwendet wird. Derartige Resonatoren mit veränderlicher Eigenfrequenz sind als solche aus dem Stand der Technik bekannt (zumeist wird hierbei das "effektive Resonanzvolumen" in gesteuerter Weise veränderbar ausgeführt). Damit kann z. B. vorteilhaft eine spätere Einstellung bzw. "Nachjustierung" der Resonator-Eigenfrequenz ermöglicht werden.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Anschluss des Resonators über wenigstens eine lösbare Flanschverbindung realisiert.
-
Bei der lösbaren Flanschverbindung kann es sich insbesondere z. B. um eine verschraubte Flanschverbindung handeln.
-
Die Flanschverbindung kann z. B. an einem Helmholtz-Resonator an einem Ende des Resonatorhalses, also unmittelbar am Übergang zur betreffenden Wandung oder unmittelbar am Übergang zum Resonatorbehälter angeordnet sein. Alternativ kann die Flanschverbindung in einem mittleren Bereich des Resonatorhalses vorgesehen sein.
-
Ein Vorteil der lösbaren Flanschverbindung besteht darin, dass damit in einfacher Weise bei Bedarf ein nachträglicher Austausch des Resonators oder Teilen davon (z. B. Resonatorbehälters bei einem Helmholtz-Resonator) bewerkstelligt werden kann. Darüber hinaus ergeben sich Vorteile auch im Zusammenhang mit der "Erstinstallation" des Resonators, welche unten noch erläutert werden.
-
Als besonderer Vorteil der Verwendung eines akustischen Hohlraumresonators, insbesondere Helmholtz-Resonators, zur Dämpfung akustischer Schwingungen an einer Wandung wenigstens einer der fluidführenden Komponenten einer Dampfkraftanlage hat sich erwiesen, dass ein solcher Resonator auch nachträglich ohne signifikanten Eingriff in die Konstruktion der Dampfkraftanlage und ohne eine sehr zeitaufwändige Betriebsunterbrechung installiert werden kann.
-
Gemäß eines noch weiteren Aspekts der Erfindung ist daher ein Verfahren zum Anschluss eines akustischen Hohlraumresonators an einer Wandung wenigstens einer der fluidführenden Komponenten einer Dampfkraftanlage der eingangs genannten Art vorgesehen, umfassend die Schritte:
- – Durchführung einer Schwingungsanalyse im Betrieb der Dampfkraftanlage,
- – Festlegung wenigstens eines geeigneten Ortes für den Resonator auf Basis des Ergebnisses der Schwingungsanalyse, und
- – Anbringung des (wenigstens einen) Resonators, z. B. Helmholtz-Resonators, an dem bzw. den festgelegten Orten.
-
Die Schwingungsanalyse kann hierbei theoretisch (durch eine Berechnung bzw. auf Basis einer mathematischen Modellierung der Dampfturbinenanlage) und/oder in experimenteller Weise (z. B. durch Einsatz von Schwingungsmesssensoren) durchgeführt werden. Hierbei können über die "Gesamtwandungsoberfläche" der fluidführenden Komponenten aufgelöste Schwingungsparameter (Frequenzen und/oder Amplituden, bzw. Frequenzspektren) ermittelt werden.
-
Auf Basis der Ergebnisse der Analyse können insbesondere diejenigen Stellen an der Dampfkraftanlage ermittelt werden, an denen sich ausgeprägte Schwingungsbäuche für bestimmte Frequenzen ergeben. Diese Stellen können sodann als geeignete Orte zur Anbringung des Resonators (Helmholtz-Resonator oder anderer Hohlraumresonator) festgelegt werden.
-
Bei der Anbringung eines Resonators kann z. B. so vorgegangen werden, dass an der betreffenden Stelle der Wandung ein Rohrstutzen angeschweißt wird und, zuvor oder danach, eine Durchgangsöffnung (z. B. Bohrung) in die Wandung eingebracht wird, woraufhin lediglich noch der Resonatorbehälter an dem distalen Ende des Rohrstutzens anzuschließen ist (z. B. durch eine Verschweißung, oder über eine lösbare Flanschverbindung wie z. B. eine verschraubte Flanschverbindung). Der zuvor an der Wandung aufgeschweißte Rohrstutzen bildet in diesem Fall den späteren Resonatorhals (oder zumindest einen Teil davon).
-
Da Eingriffe in den Betrieb der Dampfkraftanlage in der Praxis minimiert werden sollten, bietet sich folgende Weiterbildung des vorstehend erläuterten Verfahrens zum Anschluss eines Resonators an:
Zunächst wird ein erster Stillstand der Dampfkraftanlage dazu genutzt, um an einer oder mehreren Stellen jeweils einen Rohrstutzen an der Wandung von fluidführenden Komponenten aufzuschweißen, die jeweilige Durchgangsöffnung auszubilden, und den jeweiligen Rohrstutzen an seinem distalen Ende mit einem temporären Verschluss (z. B. Blindflansch, Absperrventil etc.) zu verschließen.
-
Außerdem werden in dieser ersten Stillstandsphase an einer oder mehreren Stellen Schwingungs- oder Drucksensoren installiert, um in einer nachfolgenden Betriebsphase der Dampfkraftanlage eine Messung von Charakteristika der im Betrieb auftretenden Schwingungen messen zu können. Für die Anordnung solcher Sensoren gibt es verschiedene Möglichkeiten. Bevorzugt werden Sensoren im Innenraum von fluidführenden Komponenten installiert. Während des Stillstands der Dampfkraftanlage kann z. B. durch Demontage von Wandungsteilen hierfür in einfacher Weise ein Zugang geschaffen werden. Alternativ oder zusätzlich kommt in Betracht, derartige Sensoren auch in den Innenraum von wenigstens einem der an Wandungsstellen angebrachten Rohrstutzen einzubringen (z. B. mit einer elektrischen Durchführung an einem Blindflansch, um die im nachfolgenden Betrieb auftretenden Sensorsignale nach außen zu führen). Schließlich kommt z. B. auch in Betracht, an einer oder mehreren Stellen auf der Außenseite der Wandung derartige Sensoren anzubringen (z. B. anzukleben).
-
Sodann kann in einer Phase des Betriebs der Dampfkraftanlage eine experimentelle Schwingungsanalyse unter Verwendung der Sensoren durchgeführt werden. Für jede Stelle im Innenraum bzw. Wandungsstelle, die mit einem Sensor versehenen wurde, können insbesondere Schwingungsamplituden und Schwingungsfrequenzen (bzw. Schwingungsspektren) gemessen werden. Auf Basis der Messergebnisse können sodann eine oder mehrere der Wandungsstellen als geeignete Orte zum Einsatz eines jeweiligen Helmholtz-Resonators identifiziert bzw. ausgewählt werden. Für diese Anbringungsstellen kann dann individuell eine geeignete Ausgestaltung (insbesondere Formgestaltung und Volumen) des Resonatorbehälters und des Resonatorhalses (z. B. insbesondere Länge und Querschnitt) ermittelt werden.
-
Ein späterer Stillstand der Dampfkraftanlage, auch ein relativ kurzer Stillstand, kann dann schließlich dazu genutzt werden, um einen oder mehrere Resonatoren anzubringen. Besonders vorteilhaft können hierbei auch Resonatoren an denjenigen Stellen installiert werden, an denen zuvor bereits der erwähnte Rohrstutzen angebracht wurde. An diesen Stellen ist es möglich, den temporären Verschluss (z. B. Blindflansch) zu öffnen und den zuvor bemessenen Resonatorbehälter zu montieren, d.h. am distalen Ende des bereits angebrachten Rohrstutzens anzuschließen.
-
Zusammenfassend wird mit der Erfindung eine effiziente Schwingungs- bzw. Schallminderungsmaßnahme für akustisch bedingte Schwingungen vorgeschlagen, die in besonderer Weise für Dampfkraftanlagen geeignet ist. Der hierzu eingesetzte akustische Resonator kann in einfacher Weise druckbeständig ausgebildet werden, bringt minimale Strömungsverluste mit sich, kann auch nachträglich angeschlossen werden, und kann gegebenenfalls zur Anpassung seiner Eigenfrequenz an vorrangige Frequenzen auch "nachjustierbar" und/oder austauschbar ausgebildet werden.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:
-
1 ein schematisches Blockdiagramm einer Dampfkraftanlage,
-
2 eine Schnittansicht einer fluidführenden Komponente einer Dampfkraftanlage mit einem daran angeschlossenen Helmholtz-Resonator zur Dämpfung akustischer Schwingungen, und
-
3 ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Anschluss eines Resonators an einer fluidführenden Komponente einer Dampfkraftanlage.
-
1 zeigt eine Dampfkraftanlage 10 umfassend eine Dampfturbine 12 mit einem Dampfeinlass 14 und einem Dampfauslass 16, einen Kondensator 18, eine Kodensatpumpe 20, einen Vorwärmer 22, einen Dampferzeuger 24, Dampfleitungen 26 und 30 und Wasserleitungen 32, 34 und 36.
-
Zur Umwandlung von Wärmeenergie E in mechanische Energie A in einem thermodynamischen Kreisprozess bilden die vorstehend genannten Komponenten 12 bis 36 in an sich bekannter Weise einen mit Dampf bzw. Wasser als "Arbeitsfluid" durchströmten Dampf-Wasser-Kreislauf. Die Komponenten 12 bis 36 werden daher nachfolgend auch als "fluidführende Komponenten" bezeichnet.
-
Die Zufuhr von Wärmeenergie E, die beispielsweise aus einem (nicht dargestellten) Kraftwerksprozess stammen kann, erfolgt jedenfalls im Bereich des als Wärmetauscher ausgebildeten Dampferzeugers 24, und gegebenenfalls auch im Bereich des als Wärmetauscher ausgebildeten Vorwärmers 22. Zumeist werden derartige Vorwärmer in der Praxis jedoch mit aus der Dampfturbine abgezweigtem Dampf (und somit Wärmeenergie) versorgt.
-
Die Umwandlung der Wärmeenergie E in mechanische Energie A erfolgt durch Expansion von Dampf im Strömungsverlauf der Dampfturbine 12 zwischen Dampfeinlass 14 und Dampfauslass 16. Der expandierende Dampf versetzt in an sich bekannter Weise einen in einem Turbinengehäuse untergebrachten (nicht dargestellten) Turbinenläufer in Drehung, so dass damit beispielsweise eine Arbeitsmaschine (z. B. Pumpe, Kompressor etc.) oder aber wie in 1 dargestellt ein elektrischer Generator G betrieben werden kann. Mittels des Generators G wird die mechanische Energie A weiter in elektrische Energie gewandelt.
-
Der expandierte Dampf tritt am Dampfauslass 16 der Dampfturbine 12 aus und gelangt über die Dampfleitung 30 zu dem als Wärmetauscher ausgebildeten Kondensator 18. Im Kondensator 18 erfolgt eine Kondensation des Dampfes zu Wasser (Kondensat), welches über die Wasserleitung 32, die Pumpe 20 und die Wasserleitung 34 zum Vorwärmer 22 gelangt. Das mittels des Vorwärmers 22 erwärmte Wasser strömt über die Wasserleitung 36 zum Dampferzeuger 24, in welchem die Verdampfung des Wassers zu Dampf erfolgt. Dieser Dampf wird als so genannter Frischdampf mit hohem Druck (z. B. mehr als 50 bar) und hoher Temperatur (z. B. mehr als 200 °C) über die Dampfleitung 26 dem Dampfeinlass 14 der Dampfturbine 12 zugeführt.
-
Der in 1 dargestellte Aufbau der Dampfkraftanlage 10 ist sehr einfach, als solcher aus dem Stand der Technik bekannt, und dient lediglich zur Veranschaulichung des Grundprinzips der Energieumwandlung in einer Dampfkraftanlage.
-
In der Praxis ist der Dampf-Wasser-Kreislauf zumeist komplizierter aufgebaut, um den Wirkungsgrad der Engerieumwandlung zu steigern. Derartige Maßnahmen, wie z. B. eine Speisewasservorwärmung, bei welcher der Dampfturbine an einer oder mehreren Stellen teilexpandierter Dampf entnommen wird, der in einem oder mehreren Vorwärmern kondensiert und das im Bereich des jeweiligen Vorwärmers unter hohem Druck befindliche Arbeitsfluid aufheizt, oder auch eine so genannte "Zwischenüberhitzung" sind dem Fachmann wohlbekannt und bedürfen daher hier keiner näheren Erläuterung.
-
Für die Erfindung wesentlich ist, dass die Dampfkraftanlage fluidführende Komponenten aufweist, also Komponenten, in welchen sich Arbeitsfluid (Dampf bzw. Wasser) befindet, wobei dieses Arbeitsfluid im Betrieb der Dampfkraftanlage, permanent oder nur zeitweilig, die betreffende Komponente durchströmt. In diesem Sinne können als fluidführende Komponenten insbesondere z. B. auch in 1 nicht dargestellte Dampfleitungen angesehen werden, welche im Rahmen einer Speisewasservorwärmung oder einer Zwischenüberhitzung erforderlich sind.
-
Im Betrieb der Dampfkraftanlage 10 kann es zu Schwingungsvorgängen kommen, die im Arbeitsfluid erzeugt und/oder durch das Arbeitsfluid übertragen werden ("Fluidschall").
-
Solche Schwingungsvorgänge können abgesehen von einer Lärmbelastung auch Nachteile hinsichtlich der Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Anlagenkomponenten mit sich bringen.
-
Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, dass an einer Wandung wenigstens einer der fluidführenden Komponenten ein akustischer Hohlraumresonator zur Dämpfung akustischer Schwingungen angeschlossen ist. Ein Ausführungsbeispiel dieser Dämpfungsmaßnahme ist in 2 dargestellt.
-
2 veranschaulicht am Beispiel der Dampfleitung 26 (der Dampfkraftanlage 10 von 1) die Anordnung eines Helmholtz-Resonators 40, der aus einem Resonatorhals 42 mit einer vorgegebenen Länge und einer vorgegebenen einheitlichen (hier: kreisrunden) Innenquerschnittsfläche und einem Resonatorbehälter 44 eines vorgegebenen Volumens (Resonanzvolumen V) gebildet ist (2 ist nicht maßstäblich).
-
Über den Hals 42 und eine Durchgangsöffnung 46 in einer Wandung 48 der Dampfleitung 26 wird eine fluidische Verbindung zwischen einem Innenraum 50 der Dampfleitung 26 einerseits und dem Resonanzvolumen V im Behälter 44 andererseits geschaffen.
-
In an sich bekannter Weise stellt der Helmholtz-Resonator 40 ein fluidisches Masse-Feder-System dar, und besitzt deshalb eine Eigenfrequenz, in deren Nähe er schwingungsdämpfend wirken kann.
-
Durch die Wahl von geeigneten Hals- und Behälterabmessungen kann die Eigenfrequenz des Resonators 40 gezielt eingestellt werden, so dass eine vorteilhafte Dämpfung akustischer Schwingungen bewirkt wird.
-
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Anschluss des Resonators 40 über eine lösbare (hier: verschraubte) Flanschverbindung 52 realisiert.
-
Der Hals 42 ist hierbei zweiteilig aus einem proximalen Halsabschnitt 54 und einem distalen Halsabschnitt 56 zusammengesetzt, wobei die beiden Halsabschnitte 54, 56 im dargestellten Beispiel etwa gleich lang sind.
-
Der distale Halsabschnitt 56 ist im dargestellten Beispiel einstückig mit dem Behälter 44 ausgebildet. Alternativ könnte eine weitere lösbare Verbindung zwischen dem Halsabschnitt 56 und dem Behälter 44 vorgesehen sein.
-
Sämtliche in 2 dargestellte Bauteile können z. B. aus einem metallischen Werkstoff (z. B. Stahl) gefertigt sein.
-
Vorteilhaft kann der Helmholtz-Resonator 40 auch nachträglich an der Dampfkraftanlage 10 installiert sein. Bei einer solchen Installation kann, auch mit Bezug auf das Ablaufdiagramm von 3, wie folgt vorgegangen werden:
- – Durchführung einer Schwingungsanalyse im Betrieb der Dampfkraftanlage (Schritt S1 in 3):
Hierzu können an der Dampfkraftanlage 10 akustisch bedingte Schwingungsvorgänge detektiert und insbesondere vorherrschende Frequenzen gemessen werden (z. B. durch dynamische Druckmessungen). Alternativ oder zusätzlich kann eine solche Schwingungsanalyse auch auf einer Berechnung beruhen (z. B. anhand eines mathematischen Modells der Dampfkraftanlage 10). Für eine experimentelle Schwingungsanalyse können z. B. Schwingungssensoren über die Wandungen von fluidführenden Komponenten (hier: 12 bis 36) der Dampfkraftanlage 10 verteilt angebracht (z. B. aufgeklebt) werden. Alternativ können geeignete Sensoren auch innerhalb von zu diesem Zweck an bestimmten Wandungsstellen angeschweißte Rohrstutzen (vgl. z. B. Halsabschnitt 54 in 2) untergebracht werden, wobei eine Auswahl solcher Anbringungsstellen für Rohrstutzen z. B. anhand einer vorab durchgeführten (z. B. theoretischen) Ermittlung von voraussichtlich für die spätere Anbringung der schwingungsdämpfenden Resonatoren geeigneten Stellen erfolgen kann. Für die Durchführung der Schwingungsanalyse können solche Rohrstutzen temporär verschlossen werden (z. B. durch Blindflansche, Absperrventile oder dgl.). Darüber hinaus können geeignete Sensoren auch im Innenraum von fluidführenden Komponenten installiert werden.
- – Festlegung wenigstens eines geeigneten Ortes für den Resonator, z. B. Helmholtz-Resonator, auf Basis des Ergebnisses der Schwingungsanalyse (Schritt S2 in 3):
Auf Basis der bei der Analyse ermittelten Schwingungsgegebenheiten (z. B. ortsaufgelöste Schwingungsamplituden und -frequenzen) können geeignete Orte für den Resonatoranschluss festgelegt werden. Dies bevorzugt im Bereich von "Schwingungsbäuchen".
- – Anbringung des oder der Resonator(en) an dem bzw. den festgelegten Orten (Schritt S3 in 3):
Sofern beispielsweise der in 2 dargestellte proximale Halsabschnitt 54 bereits im Rahmen der Durchführung der Schwingungsanalyse (Schritt S1 in 3) an der Wandung 48 angebracht wurde, so kann dieser Halsabschnitt 54 durch einfaches Anflanschen des Behälters 44 mitsamt distalem Halsabschnitt 56 zum Helmholtz-Resonator 40 vervollständigt werden. Vorteilhaft kann trotz des zu diesem Zeitpunkt bereits angebrachten (z. B. angeschweißten) proximalen Halsabschnittes 54 die gewünschte Eigenfrequenz des auszubildenden Resonators 40 noch in einem weiten Bereich dadurch beeinflusst bzw. festgelegt werden, dass eine entsprechend gewählte Geometrie bzw. Abmessung des zweiten Halsabschnittes 56 und des Behälters 44 vorgesehen wird.
Unabhängig von der Nutzung der bereits zwecks Schwingungsanalyse angebrachten Rohrstutzen ist es selbstverständlich auch möglich, derartige Helmholtz-Resonatoren an beliebigen anderen Stellen komplett zu installieren (Schritt S3), sofern derartige andere Stellen als geeignet identifiziert wurden (Schritte S1 und S2).
-
In einer Weiterbildung des vorstehend beschriebenen Verfahrens wird ein erster Stillstand (Betriebsunterbrechung) der Dampfkraftanlage 10 zur Installation von Druckmessstellen genutzt. Hierfür können die erwähnten Rohrstutzen angeschweißt, ggf. mit Sensoren versehen, und temporär verschlossen werden. In einer darauffolgenden Betriebsphase kann dann die Messung der wesentlichen Frequenzen sowie die Bestimmung von geeigneten Resonatororten und -geometrien zur Erzielung der gewünschten Eigenfrequenzen durchgeführt werden. In dieser Phase können die erforderlichen druckfesten Resonatorbehälter mit den gewünschten Volumina beschafft bzw. hergestellt werden. Schließlich kann ein zweiter Stillstand der Dampfkraftanlage 10 dazu genutzt werden, um an ausgewählten Stellen jeweils den temporären Verschluss zu öffnen und den korrekt bemessenen Behälter zu montieren.
-
Nochmals zurückkommend auf die spezielle Resonatorkonfiguration eines "Helmholtz-Resonators" seien nachfolgend noch einige bevorzugte Dimensionierungen bzw. Dimensionierungsverhältnisse angegeben.
Halsdurchmesser: 1 cm bis 1 m, insbesondere 1,5 cm bis 25 cm
Halslänge: 5 cm bis 1 m, insbesondere 10 cm bis 50 cm
Halslänge / Halsdurchmesser: 1 bis 20, insbesondere 2 bis 10
Resonatorvolumen: 10 cm3 bis 100 l, insbesondere 20 cm3 bis 10 l (Diese Volumenbereiche gelten für alle Arten von erfindungsgemäß einsetzbaren Hohlraumresonatoren)
Resonatorvolumen / Halsvolumen: 0,1 bis 10, insbesondere 0,5 bis 5
Halsdurchmesser / Behälterdurchmesser (bei sphärischem Resonatorvolumen): 0,1 bis 1, bevorzugt 0,1 bis 0,5
-
Die vorstehend angegebenen Werte sind insbesondere für Resonatoren an der Wandung einer dampfführenden Komponente (z. B. Dampfleitung, Dampfturbinengehäuse etc.) bevorzugt. Bei Dampf mit einem relativ hohen Druck (z. B. größer als 10 bar) sind die Volumina von Hals und Behälter bevorzugt relativ klein zu bemessen (z. B. Resonatorvolumen kleiner als 10 l und/oder Halsvolumen kleiner als 1 l). Demgegenüber sind bei relativ niedrigen Dampfdrücken (z. B. kleiner als 1 bar) diese Volumina bevorzugt relativ groß zu bemessen (z. B. Resonatorvolumen größer als 10 l und/oder Halsvolumen größer als 1 l).
