DE102011111707B4

DE102011111707B4 - Dampfturbinenanlage

Info

Publication number: DE102011111707B4
Application number: DE102011111707.9A
Authority: DE
Inventors: Maurus Herzog; Wilhelm Reiter
Original assignee: General Electric Technology GmbH
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2010-09-03
Filing date: 2011-08-26
Publication date: 2021-07-29
Anticipated expiration: 2031-08-27
Also published as: US8525362B2; DE102011111707A1; US20120223532A1; IT1402377B1; JP2012057615A; ITMI20101599A1; CN102383881A

Abstract

Dampfturbinenanlage, die aufweist:eine Welle (22) mit einem ersten und zweiten Ende;eine erste (30a) und eine zweite (30b) Niederdruckdampfturbine an dem ersten bzw. zweiten Ende der Welle (22);einen Generator (10) an der Welle (22) zwischen der ersten (30a) und zweiten (30b) Niederdruckdampfturbine;eine Dampfturbinenstraße (12) auf der Welle (22) zwischen der ersten (30a) und der zweiten (30b) Niederdruckdampfturbine, die mindestens eine Hochdruckdampfturbine (14) umfasst;eine erste Speiseleitung (27a), die die Dampfturbinenstraße (12) mit der ersten Niederdruckdampfturbine (30a) verbindet; undeine zweite Speiseleitung (27b), die die Dampfturbinenstraße (12) mit der zweiten Niederdruckdampfturbine (30b) verbindet; gekennzeichnet durcheine erste Entnahme (24a) in der ersten Speiseleitung (27a), ausgelegt zum Versorgen eines Dampfverbrauchers mit hoher Nachfrage; undeine zweite Entnahme (24b) in der zweiten Speiseleitung (27b), die ausgelegt ist zum Versorgen eines Dampfverbrauchers mit hoher Nachfrage.

Description

ERFINDUNGSGEBIET
Die Offenbarung betrifft allgemein Dampfturbinenanlagen und insbesondere die Integration von Dampfturbinenanlagen, die entworfen und ausgelegt worden sind, um Zwischendampf an intermittierende Dampfverbraucher mit hoher Nachfrage zu liefern.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Eine der Herausforderungen für Einwellen-Dampfturbinenanlagen mit Dampfentnahmen für Benutzer mit hoher Nachfrage besteht darin, wie sie auf effiziente Weise betrieben werden soll, während der Wellenspitzendrehmomentstress auf ein Minimum reduziert wird. Das Spitzendrehmoment wird erzeugt durch die Differenz zwischen dem von einem Generator erzeugten Widerstand, allgemein auf der Welle angeordnet, und einer Reihe von Dampfturbinen.
Ein Beispiel für einen Dampfverbraucher mit hoher Nachfrage, in diesem Fall eine CCS-Einheit (Carbon Capture and Sequestration - Kohlenstoffbindung und -speicherung) ist in der EP 1 688 173 B1 beschrieben. Verschiedene Dampfturbinenanlagenanordnungen für die effiziente Lieferung von Energie und Dampf an den Dampfverbraucher mit hoher Nachfrage werden weiter in Zachary, J. (Juni 2008) „Options for reducing a coal-fired plant's carbon foot print: Part I“ Power 28-33 (Zachary) beschrieben. Die beschriebenen Anordnungen enthalten Einwellen-Dampfturbinen, die in Serie mit mehreren Niederdruckdampfturbinen angeordnet sind.
Noch ein weiteres Beispiel für eine derartige Dampfanlage ist in der US 2010 / 0 038 917 A1 beschrieben. Es wird eine Einwellen-Dampfturbinenanlage mit Zwischenentnahmen für einen Benutzer mit hoher Nachfrage beschrieben.
Die DE 15 51 257 A , die DE 692 20 240 T2 und die EP 0 374 645 A1 zeigen jeweils eine Einwellendampfturbinenanlage, bei der auf der Welle ein Generator, eine oder mehrere Niederdruckdampfturbinen sowie eine Hochdruckdampfturbine angeordnet sind.
Auch die US 7 032 384 B2 zeigt eine Dampfturbinenanlage, die einen Generator, eine Hochdruckdampfturbine und mehrere Niederdruckdampfturbinen umfasst.
JP H08- 177 409 A und JP S58- 9 543 A beschreiben jeweils eine Dampfturbinenanlage mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Aus der DE 10 2009 026 324 A1 ist eine Dampfturbinenanlage bekannt, bei der Dampf aus einer Speiseleitung für wenigstens eine Niederdruckturbine entnommen wird, um zu einer dampfbeheizten oder dampfgetriebenen Vorrichtung in der Nähe der wenigstens einen Niederdruckturbine oder einem externen Prozess geleitet zu werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einwellen-Dampfturbinenanlage zu schaffen, bei der ein Spitzenwellendrehmoment durch eine Hochdruck-Dampfturbine der Anlage über verschiedene Betriebsmodi hinweg begrenzbar ist.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Eine Einwellen-Dampfturbinenanlage, konfiguriert für eine Zwischendampfextraktion, wird erfindungsgemäß bereitgestellt, die das Spitzenwellendrehmoment durch eine Hochdruckdampfturbine der Anlage über die verschiedenen Betriebsmodi hinweg begrenzt.
Die Erfindung löst dieses Problem mit Hilfe der Dampfturbinenanlage mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein Aspekt der Erfindung stellt eine Einwellen-Dampfturbine mit Niederdruckdampfturbinen an beiden Enden der Welle bereit. Ein Generator und eine Hochdruckdampfturbine sind zwischen den Niederdruckdampfturbinen angeordnet. Diese Anordnung stellt sicher, dass das Gesamtdrehmoment von den Niederdruckdampfturbinen nicht durch die Hochdruckdampfturbine läuft, wodurch der Wellenabschnitt durch die Hochdruckdampfturbine für ein niedrigeres Drehmoment ausgelegt werden kann.
Weitere Aspekte stellen Kupplungen und Benutzer-Zwischenentnahmeanordnungen bereit, die Betriebs- und Wartungsflexibilität lieferten.
Weitere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen aus der folgenden Beschreibung, wobei als Darstellung und als Beispiel Ausführungsformen offenbart werden.
Figurenliste
Beispielhaft werden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung im Folgenden unter Bezugnahme auf die beliegenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben. Es zeigen:

1 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Dampfturbinenanlage;
2 eine schematische Ansicht einer Dampfturbinenanlage, die die Dampfturbinenanlage von 1 enthält und eine Welle mit drei Wellenabschnitten aufweist;
3 eine schematische Ansicht einer Dampfturbinenanlage, die die Dampfturbinenanlage von 1 enthält und eine Welle mit einem Wellenabschnitt und zwei Entnahmen aufweist.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
In der folgenden Beschreibung werden zu Erläuterungszwecken zahlreiche spezifische Details dargelegt, um ein eingehendes Verständnis von Ausführungsbeispielen bereitzustellen. Es ist jedoch offensichtlich, dass Ausführungsformen ohne diese spezifischen Details praktiziert werden können. In anderen Fällen sind Strukturen und Einrichtungen in Blockform gezeigt, um die Beschreibung der Ausführungsformen zu erleichtern.
Durch diese Patentschrift hindurch wird auf „Dampfturbinenstraßen“ Bezug genommen. Innerhalb dieser Patentschrift ist eine „Dampfturbinenstraße“ als eine Reihe von Dampfturbinen mit verschiedenen Druckkonfigurationen auf einer einzelnen Welle 22 definiert. Die Dampfturbinenstraße 12 kann einige oder alle einer Serie von auf der einzelnen Welle 22 angeordneten Dampfturbinen umfassen.
Durch diese Patentschrift hindurch wird auf einen „Dampfverbraucher mit hoher Nachfrage“ Bezug genommen. Ein „Dampfverbraucher mit hoher Nachfrage“ ist als ein Dampfverbraucher definiert, der in der Lage ist, eine Dampfrate äquivalent einer Niederdruckdampfturbine innerhalb der Dampfanlage nachzufragen. Ein Beispiel für einen derartigen Dampfverbraucher ist eine Kohlenstoffbindungseinheit.
Es wird nun auf Details von Ausführungsbeispielen Bezug genommen, von denen Beispiele in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind. Wo immer möglich, werden die gleichen Bezugszahlen durchweg zur Bezugnahme auf die gleichen oder ähnliche Teile verwendet.
1 zeigt eine beispielhafte Dampfturbinenanlage, die eine Welle 22 umfasst, mit einer darauf angeordneten Serie von Dampfturbinen und einem Generator 10. Die Dampfturbinen enthalten eine Dampfturbinenstraße 12 und eine erste und zweite Niederdruckdampfturbine 30a, 30b. Die Niederdruckdampfturbinen 30a, 30b sind an beiden Enden der Dampfturbinenanlage angeordnet und stehen mit Hilfe einer Speiseleitung 27 in Dampfkommunikation mit der Dampfturbinenstraße 12. Eine Entnahme 24 für einen Dampfverbraucher mit hoher Nachfrage ist an dieser Speiseleitung 27 angeordnet.
Durch Anordnen der Niederdruckdampfturbine 30a und des Generators 10 an gegenüberliegenden Enden der Welle 22 wird die Drehmomentlast durch die Hochdruckdampfturbine 14 reduziert. Um das Drehmoment durch die Hochdruckdampfturbine 14 weiter zu reduzieren, kann bei der in 2 gezeigten Dampfstraße 12 die Position der Hochdruckdampfturbine 14 und der Mitteldruckdampfturbine 16 vertauscht angeordnet werden, so dass die Mitteldruckdampfturbine 16 anstelle der Hochdruckdampfturbine 14 bei einem Generator 10 angeordnet ist.
2 zeigt eine beispielhafte Dampfturbinenanlage, die eine Welle 22 umfasst, die drei durch eine erste und zweite Kupplung 20a, 20b verbundene Abschnitte 22a, 22b, 22c aufweist. Die erste Kupplung 20a verbindet den ersten und zweiten Wellenabschnitt 22a, 22b, während eine zweite Kupplung 20b den ersten und dritten Wellenabschnitt 22a, 22c verbindet. Der zweite Wellenabschnitt 22b und der dritte Wellenabschnitt 22c weisen eine erste Niederdruckdampfturbine 30a und eine zweite Niederdruckdampfturbine 30b auf, die jeweils auf ihnen angeordnet sind, während der erste Wellenabschnitt 22a einen Generator 10 und eine Dampfturbinenstraße 12 enthält. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Dampfturbinenstraße 12 zwischen dem Generator 10 und der ersten Niederdruckdampfturbine 30a angeordnet. Durch Verwenden von Kupplungen 20a, 20b kann eine beliebige der Niederdruckdampfturbinen 30a, 30b abgeschaltet und gewartet werden, während der Rest der Dampfanlage in Betrieb ist. Dies kann beispielsweise erfolgen, wenn Dampf über die Entnahme 24 extrahiert wird.
Bei einem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst die Dampfturbinenstraße 12 eine Serie von Turbinen, die sich von der ersten Niederdruckdampfturbine 30a aus erstreckt und eine Zwischendruckdampfturbine 16 und eine Hochdruckdampfturbine 14 enthält. Die Zwischendruckdampfturbine 16 ist über jeweilige Speiseleitungen 27a, 27b mit den Niederdruckdampfturbinen 30b, 30a verbunden. Diese Leitungen weisen in der Regel ein Drosselventil 26a, 26b zum Drosseln des Dampfstroms zu den jeweiligen Niederdruckdampfturbinen 30a, 30b auf, die, wenn sie betrieblich an Entnahmen 24a, 24b (in 3 gezeigt) gekoppelt sind, ein Mittel liefern, um die Last zwischen den Niederdruckdampfturbinen 30a, 30b effizient auszubalancieren.
3 zeigt eine weitere beispielhafte Dampfturbinenanlage, die eine Welle 22 mit einer Kupplung umfasst, auf der zwei Niederdruckdampfturbinen 30a, 30b an beiden Enden der Welle 22 angeordnet sind. Ein Generator 10 und eine Dampfturbinenstraße 12, die eine Zwischendruckdampfturbine 16 und eine Hochdruckdampfturbine 14 umfasst, sind zwischen den an beiden Enden der Welle 22 positionierten Niederdruckdampfturbinen 30a, 30b angeordnet. Die Zwischendruckdampfturbine 16 ist über jeweilige Speiseleitungen 27a, 27b mit den Niederdruckdampfturbinen 30a, 30b verbunden. Die zweite der Speiseleitungen 27b enthält ein Drosselventil 26b zum Drosseln des Dampfstroms zu der jeweiligen Niederdruckdampfturbine 30b. Mindestens eine der Speiseleitungen 27a, 27b ist mit einer Entnahme 24a, 24b für einen Dampfverbraucher mit hoher Nachfrage ausgestattet.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel liefert ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Versorgungsanlage. Das Verfahren beinhaltet zuerst das Bereitstellen einer Dampfturbinenanlage, wie in den 1-3 wie zuvor beschrieben gezeigt, und beinhaltet das Identifizieren von Perioden von Spitzenelektrizitätspreisen, beispielsweise während der Mittagszeit, Abenden und Wochentagen, wenn die Spitzenelektrizitätspreise bis zu zehnmal höher sein können als während des Basislastbetriebs. Während dieser identifizierten Perioden können die Entnahme(n) 24a, 24b für den Dampfverbraucher mit hoher Nachfrage, beispielsweise eine CO₂-Bindungsanlage, geschlossen werden, was zu einer Belastung aller Dampfturbinen führt, wodurch eine maximale Elektrizitätsausgabe ermöglicht wird.
Wenn im Gegensatz dazu eine Periode von moderateren Elektrizitätspreisen identifiziert wird, wird/werden die Entnahme(n) 24a, 24b zu dem Dampfverbraucher mit hoher Nachfrage geöffnet, um beispielsweise eine CO₂-Bindungseinheit zu versorgen. Während dieses Betriebsmodus wird, wenn Dampf von mindestens einer der Niederdruckdampfturbinen 30a, 30b weggeleitet wird, die Elektrizitätsausgabe des Kraftwerks reduziert.
Ein Zweck dieses beispielhaften Verfahrens besteht darin, den Profit des Betreibens der Dampfturbinenanlage zu optimieren, indem die Elektrizitätsproduktion während Spitzenelektrizitätspreisen maximiert wird, während die CO₂-Bindung während niedriger Elektrizitätspreise maximiert wird.
Alternativ kann die Entnahme 24 und eine CO₂-Bindungsanlage während niedriger Netznachfrage als Alternative zum Betrieb mit reduzierter Speiserate zu der Mitteldruckdampfturbine 16 und/oder der Hochdruckdampfturbine 14 betrieben werden, was zu einem Betrieb mit geringer Effizienz führen würde. Diese Betriebskonfiguration besitzt den weiteren Vorteil, dass die Leistungsabgabe durch Schließen der Entnahme 24 und Lenken von Dampf zu der Niederdruckdampfturbine 30a, 30b sehr schnell erhöht werden kann, ohne dass die Dampfraten zu der Anlage erhöht werden müssen.
Wenngleich die Offenbarung hierin in der Form gezeigt und beschrieben worden ist, die als die praktischsten Ausführungsbeispiele angesehen werden, versteht der Fachmann, dass die vorliegende Erfindung in anderen spezifischen Formen verkörpert werden kann, ohne von den essentiellen Charakteristika davon abzuweichen. Beispielsweise können die beschriebenen Dampfturbinen entweder einflutiger Dampf oder doppelflutiger Dampf sein. Alternativ können die Niederdruckdampfturbinen 30a, 30b anders bemessen werden, um ein Schlupfvermögen bereitzustellen, so dass die Massenstromverteilung zwischen ihnen an die Nachfrage des Dampfverbrauchers angepasst werden kann. Die gegenwärtig offenbarten Ausführungsformen sind deshalb in jeder Hinsicht als veranschaulichend und nicht beschränkend anzusehen. Der Schutzbereich der Erfindung wird durch die beigefügten Ansprüche anstatt die vorausgehende Beschreibung angegeben, und alle Änderungen, die innerhalb der Bedeutung und des Bereichs und Äquivalenzen davon sind, sollen darin enthalten sein.
Bezugszeichenliste

10: Generator
12: Dampfturbinenstraße
14: Hochdruckdampfturbine
16: Zwischendruckdampfturbine
20a, 20b: Kupplung
22, 22a, 22b, 22c: Welle
24, 24a, 24b: Entnahme
26a, 26b: Drosselventil
27, 27a, 27b: Speiseleitung
28a, 28b: Abluftleitung
30a, 30b: Niederdruckdampfturbine

Claims

Dampfturbinenanlage, die aufweist: eine Welle (22) mit einem ersten und zweiten Ende; eine erste (30a) und eine zweite (30b) Niederdruckdampfturbine an dem ersten bzw. zweiten Ende der Welle (22); einen Generator (10) an der Welle (22) zwischen der ersten (30a) und zweiten (30b) Niederdruckdampfturbine; eine Dampfturbinenstraße (12) auf der Welle (22) zwischen der ersten (30a) und der zweiten (30b) Niederdruckdampfturbine, die mindestens eine Hochdruckdampfturbine (14) umfasst; eine erste Speiseleitung (27a), die die Dampfturbinenstraße (12) mit der ersten Niederdruckdampfturbine (30a) verbindet; und eine zweite Speiseleitung (27b), die die Dampfturbinenstraße (12) mit der zweiten Niederdruckdampfturbine (30b) verbindet; gekennzeichnet durch eine erste Entnahme (24a) in der ersten Speiseleitung (27a), ausgelegt zum Versorgen eines Dampfverbrauchers mit hoher Nachfrage; und eine zweite Entnahme (24b) in der zweiten Speiseleitung (27b), die ausgelegt ist zum Versorgen eines Dampfverbrauchers mit hoher Nachfrage.
Dampfturbinenanlage nach Anspruch 1, die weiterhin aufweist: eine erste Kupplung (20a) an der Welle (22) zwischen der ersten Niederdruckdampfturbine und dem Generator (10) und eine zweite Kupplung (20b) an der Welle (22) zwischen der zweiten Niederdruckdampfturbine und der Dampfturbinenstraße (12).
Dampfturbinenanlage nach Anspruch 1, wobei die Welle (22) keine Kupplung enthält.
Dampfturbinenanlage nach Anspruch 1 oder 2, die aufweist: ein erstes Drosselventil (26a) in der ersten Speiseleitung (27a) hinter der ersten Entnahme (24a) und ein zweites Drosselventil (26b) in der zweiten Speiseleitung (27b) hinter der ersten Entnahme (24a).
Dampfturbinenanlage nach Anspruch 3, die aufweist: ein erstes Drosselventil (26a) in der ersten Speiseleitung (27a) hinter der ersten Entnahme (24a) und ein zweites Drosselventil (26b) in der zweiten Speiseleitung (27b) hinter der zweiten Entnahme (24b).